基于PSCAD的城軌交通35 kV供電系統接地故障及其保護的仿真分析

鐘素梅

(深圳市地鐵運營集團有限公司,廣東 深圳518040)

0 引 言

國內城軌交通35 kV供電系統通常采用小電阻接地方式,以降低大量使用環網電纜帶來的諸多不良影響,并越來越多地采用大分區接線方式,以節約35 kV環網電纜投資[1-3],上述因素使得城軌交通35 kV供電系統的零序電流保護有其特殊之處。另外,城軌交通35 kV供電系統的繼電保護設計、整定涉及多家不同的設計、調度單位,給設計、整定配合工作帶來一定困難,因繼電保護整定、配置不當而導致的事故擴大偶有發生。該文采用對稱分量法進行理論分析,并應用電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC搭建模型進行仿真驗證,提出可行建議,供同行參考。

1 35 kV供電系統的接地故障

表1 35 kV供電系統設備參數

表2 35 kV供電系統線路參數Table 2 Line parameter of 35 kV power system

圖1 35 kV供電系統簡化接線

圖2 35 kV母線A相接地故障復合序網

2 建模仿真

PSCAD/EMTDC作為電力系統電磁暫態仿真軟件,可實現電力系統的故障建模及故障仿真。通過PSCAD/EMTDC搭建模型對前節所述進行驗證。

2.1 一次系統模型

對于系統電源、主變、接地電阻、斷路器、故障類型,可直接選用PSCAD元件庫中的三相電壓源元件、3/5鐵芯柱UMEC變壓器元件、三相斷路元件器、三相故障元件并按其參數設置。

圖3 Z聯結接地變模型

由于零序電流通過Z聯結時,僅產生零序漏磁通,零序漏抗與鐵芯結構無關,選用單相雙繞組變壓器元件或單相雙繞組UMEC變壓器元件(考慮鐵芯尺寸,能表示相間耦合),仿真結果是相同的。值得注意的是,單相雙繞組變壓器元件無法設置直接零序漏抗,需通過搭建零序漏抗測量電路,調整正序漏抗設置,測得相符的零序漏抗值。

PSCAD元件庫中的電纜元件僅能直接設置敷設深度、電纜結構等物理參數,再通過物理參數計算出電氣參數。已知電纜的電氣參數時,選用PI線路段元件進行建模更為方便。對于50 μs 仿真步長下長度小于15 km的線路,PI線路段元件能提供正確的工頻阻抗。

從表1可知,變電所之間的電纜長度不超過9 km,PI線路段元件能滿足電力系統故障穩態的仿真要求。設置PI線路段元件的正序容抗、零序容抗參數時,應計入變電所設備的容抗,對于35 kV變電所按容抗降低13%考慮。由于金屬屏蔽層的作用,35 kV單芯電纜的正序電容和零序電容是相同的。

2.2 二次系統模型

因城軌交通35 kV供電系統采用閉環接線、開環運行,均是單側電源供電,故只需通過快速傅里葉變換元件對電流量進行處理,獲得各序電流分量的工頻幅值,再與過電流檢測元件中的設定值進行比較,若工頻幅值在指定的時間內持續超出設定值,過電流檢測元件輸出為1,否則輸出為0。

2.3 單相接地故障仿真

對第1節所述進行仿真驗證,圖4～圖5所示為故障穩態時xlm變電所接地電阻處電流與保護311～315處的三相電流、各序分量電流有效值,可以看出仿真波形與第1節分析相符。

圖4 線路311～315處的三相電流仿真波形

圖5 線路311～315處的各序分量電流仿真波形

由于電纜的分布電容難以忽略,母線并列運行時,非故障線路保護處流過的電容電流會增大,圖6所示為保護312～315流過的最大電容電流。分別對xl、lxd、xd變電所母線A相接地故障進行仿真,從圖7可以看出,由于接地變、接地電阻的零序阻抗較大,不同位置發生單相接地故障時,保護313處零序電流幅值不大且差異不大。

圖6 保護312～315流過的最大電容電流仿真波形

圖7 不同位置發生單相接地故障保護313處

3 零序電流保護

從第2節的仿真結果可知,由于在小電阻接地方式中,線路不同位置發生單相接地故障時,零序電流幅值不大且差異不大,無法通過電流定值的配合實現選擇性動作,為簡化整定可只配置一段線路零序電流保護,通過動作時間的配合實現選擇性動作。由于非故障線路保護處也流經零序電流,即分布電容形成的電容電流,線路零序電流保護應可靠躲過線路的電容電流,對本線路單相接地故障有規定的靈敏度且與相鄰元件的零序電流保護配合,如表3所示。若按上述整定原則,保護整定值如表4所示。仿真xd變電所母線發生A相接地故障,各保護動作情況如圖8所示,保護313、xl303、lxd303滿足選擇性切除故障的要求,保護312、314、315未誤動作。

表3 線路零序電流保護整定原則

表4 線路零序電流保護整定值Table 4 Setting value for zero sequence current protection

注:圖中縱坐標為開矢量,0為未動作,1為動作。

對于保護315,因被其保護線路的電容電流較大,導致電流定值整定得較大,對本線路末端故障的靈敏度剛剛滿足要求,但對下級線路故障的靈敏度不足,無法可靠作為下級線路的后備保護。城軌交通的電纜線路敷設環境并不如城市配電線路深入人員密集區域,受環境、人為等因素影響,常發生經非理想導體的單相高阻接地故障,如導線跌落在草地、馬路、沙地、水塘等,過渡電阻在100 Ω以上甚至1 000 Ω[5-7],零序電流保護整定不必考慮經過渡電阻接地故障。但城軌交通的電容電流較大,會導致保護靈敏度不足,故單相接地故障電流不宜太小,應綜合考慮保護靈敏度、限制過電壓倍數、通信干擾等因素選取接地電阻值。

4 電流選跳保護

電流選跳保護通過數字通信技術實現保護裝置之間的信息傳遞、邏輯判斷,做到選擇性地快速切除故障。電流選跳保護的動作原理是上級保護在動作時間內收到下級保護發送的閉鎖信號后閉鎖動作,否則在啟動條件達到動作時間后動作。

國內某城軌交通35 kV供電系統采用電流選跳保護,在一次變壓器電纜終端頭短路故障中發生保護誤動,導致事故擴大。圖9為變壓器保護錄得波形,從上至下依次為三相電流、電壓。故障初期為C相接地故障,持續約5個周波后發展成BC相接地故障, BC相接地故障持續半個周波后,故障被切除。結合保護定值和SOE事件分析,故障電流使變壓器保護啟動,但其持續時間未達到保護動作時間(電流速斷保護0.1 s,零序電流保護0.3 s),上級變電所出線保護先于變壓器保護動作跳開斷路器。說明上級保護未被下級保護的信號閉鎖,保護通信與保護邏輯出現問題。應用PSCAD軟件對該故障進行仿真,圖10為變壓器保護301的仿真故障波形,與故障錄波相吻合,驗證了上述分析。為保證電流選跳保護的可靠性,可采用GOOSE冗余雙網拓撲結構并配置通信監測措施;優化保護動作原理,采用允許式動作邏輯[8]。

注:圖左側數據為幅值的最大值和最小值。

圖10 PSCAD仿真的故障波形

5 結 語

1)城軌交通電力電纜的敷設環境并不復雜,發生接地故障基本為金屬性故障,零序電流保護整定不必考慮過渡電阻。

2)為避免因零序電流保護躲線路電容電流整定而導致靈敏度不足的問題,對于有大分區接線方式或電纜長度較長的回路,單相接地故障電流(3I0)不宜過小,應綜合考慮小電阻接地系統的接地電阻值,規范建議以5～30 Ω為宜。

3)受接地變零序電流保護動作時間的限制,即使縮短保護級差也無法滿足上下級保護的選擇性時,只能采用電流選跳保護。

4)為降低通信故障對電流選跳保護的影響,可采取配置通信網絡冗余及監測與優化保護動作邏輯的措施。