基于本地測量的小電阻接地系統高阻接地故障選線方法

楊維建, 尹驍騏, 陶駿*, 王靜

(1.安徽大學電氣工程與自動化學院, 合肥 230601; 2.國網重慶市電力公司江津供電分公司, 重慶 402260)

隨著配電網規模擴大,電纜線路被大量使用,配電網對地電容電流急劇增加[1-2]。消弧線圈補償大電容電流較為困難,帶故障運行容易引發弧光接地過電壓,嚴重威脅人身安全及設備的安全運行[3]。

小電阻接地系統可快速切除故障、有效抑制弧光過電壓,逐漸在北京、上海等大中型城市應用[1,4]。但該系統廣泛采用零序過電流保護實現故障選線,其整定值需要躲過區外故障時流過本線路的對地電容電流,一般設置為40～60 A,對過渡電阻的耐受能力較弱[5-7]。對于高阻接地故障,過渡電阻值高達幾千歐姆,故障電流只有幾安培至十幾安培,零序保護處于動作死區,導致故障選線失靈。高阻接地故障長期存在,容易引起火災、設備絕緣損壞以及人畜傷亡等嚴重事故[8-10]。因此,小電阻接地系統迫切地需要解決高阻接地故障選線失靈問題,以保證配電系統的供電可靠性。

對于小電阻接地系統故障選線,學者們開展了大量研究。文獻[11]利用饋線零序功率之間的差異構造故障判據,但高阻接地時故障特征量幅值較小,會造成結果誤差較大。文獻[12]對零序有功功率電流進行積分累加,提出了一種基于瞬時零序功率方向的故障選線方法,但對于高阻接地故障,其零序功率大小與線路參數不平衡等原因引起的零序功率相當,容易發生誤判[13-14]。文獻[15]利用零序電壓構造制動量,能自適應地調整保護門檻值,但其在較大過渡電阻的故障保護中效果不佳。對此,小電阻接地系統高阻接地故障選線問題受到了極大的關注。

為解決上述問題,文獻[16]針對傳統注入法高阻接地故障選線受限問題,通過比較線路之間的相似距離,實現了高阻接地故障選線且適用于小電阻接地系統,但需要依據電壓變化向故障相注入信號。薛永端等[6]研究發現,無論故障點過渡電阻大小,故障饋線零序電流幅值與中性點零序電流接近,均大于健康饋線零序電流10倍以上,為高阻接地故障選線方法打開了新思路。文獻[17]通過比較各饋線與中性點零序電流實現故障選線,具有較好的耐過渡電阻能力。文獻[18]利用健康饋線和故障饋線之間電流畸變的關系,提出了一種基于凱倫布爾變換的故障選線方法。文獻[19]利用故障饋線與健康饋線零序電流與中性點零序電流內積的幅值和符號之間差異,提出了一種基于綜合內積變換的故障選線方法。文獻[20]利用故障饋線與健康饋線在零序電流與電壓相位差之間的特征差異,提出了一種基于零序電流電壓波相似度差異的高阻接地故障選線方法。文獻[21]依據中性點電流與故障饋線的零序電流相似度高,而與健康饋線的相似度低,利用相似性函數實現小電阻接地系統故障選線,其過渡電阻耐受值達到了2 000 Ω。然而,此類利用中性點與饋線之間零序電壓電流的幅值、極性和波形相似度等特征作為選線依據的選線方法,對中性點與饋線之間的時間同步精度要求較高,限制了此類方法的應用范圍。

針對時間同步精度問題,利用故障饋線與健康饋線在其饋線始端本地測量的零序電流相量實部符號差異作為選線依據,提出一種基于本地測量的高阻接地故障選線方法,并通過理論分析和實驗仿真驗證所提方法的有效性。該方法進一步擴大了故障選線方法的普適性,對配電網的供電可靠性具有重要意義。

1 小電阻接地系統故障特征分析

1.1 故障零序等效網絡

對于小電阻接地系統,當其第n條饋線ln發生單相接地故障時,零序網絡等效電路圖如圖1所示。

RN和Rf分別為中性點接地電阻和故障點的過渡電阻;R0k、L0k、C0k(k=1,2,…,n)分別為第k條饋線的等效零序電阻、等效零序電感和等效零序電容;為故障時的母線零序電壓相量;和分別為故障時中性點零序電流相量和第k條饋線的零序電流相量;故障點的等效故障電壓相量與系統正常運行時的相電壓相量方向相反。

由于配電線路的零序容抗遠大于零序阻抗,為方便后續分析,忽略圖1中的線路阻抗,可得到圖2所示的零序網絡簡化電路圖。

圖2 零序網絡簡化電路圖Fig.2 Zero sequence network simplified circuit diagram

1.2 故障特征分析

根據圖2所示的零序等效網絡,可得到第k條饋線的零序阻抗Z0k為

(1)

式(1)中:j為虛數單位;ω為角頻率,ω=2πf,其中f為基頻,f=50 Hz。

小電阻接地系統發生故障時,系統由故障電源供電,則該系統零序阻抗Z0為3倍中性點接地電阻RN與所有饋線零序阻抗Z0k(k=1,2,…,n)的并聯,即

(2)

式(2)中:C0∑為健康饋線總對地電容,C0∑=C01+C02+…+C0n。

根據分壓定理可以得到母線電壓相量為

(3)

(4)

中性點零序電流為

(5)

(6)

2 高阻接地故障選線方法

2.1 傳統故障選線方法

在小電阻接地系統中,傳統的高阻接地故障選線方法依據健康饋線和故障饋線與中性點零序電流的比值關系實現選線。

根據式(4)和式(5),可得到健康饋線與中性點的零序電流之比為

(7)

根據式(6)和式(5),可得到故障饋線與中性點的零序電流之比為

(8)

由式(7)和式(8)可知,中性點的零序電流相位滯后健康饋線的零序電流相位90°,而中性點的零序電流相位滯后故障饋線的零序電流相位180°。對于中國的10 kV小電阻接地系統,中性點接地電阻RN阻值一般為10 Ω,饋線對地電容參數C0一般為0.28×10-6F/km,且該系統單條饋線長度一般不超過15 km,總饋線長度不超過100 km。從式(7)和式(8)可以得出,健康饋線與中性點的零序電流之比遠小于1,而故障饋線與中性點的零序電流之比近似于-1,并且該特征與過渡電阻值Rf無關。

通過對上述特征的分析,大量基于該特征實現故障選線的傳統方法在小電阻接地系統高阻接地故障選線中得到廣泛的應用。但是,考慮到需要計算故障時刻中性點與饋線零序電流的比值,此類傳統故障選線方法的選線正確率會受到中性點與饋線的測量裝置之間時間同步精度的影響。因此,提出一種基于饋線本地測量的高阻接地故障選線方法,避免了裝置時間同步精度的影響。

2.2 基于本地測量的故障選線方法

考慮到測量數據之間采樣點的高精度時間同步問題,對故障饋線和健康饋線的零序電流相量實部特征進行分析,提出一種基于本地測量的故障選線方法。該方法避免了測量數據之間的時間同步問題,僅需要對各饋線首端的測量裝置進行本地測量的電流數據進行處理,然后對各饋線的選線結果進行收集,即可獲得選線結果。

2.2.1 零序電流相量實部特征

為實現在饋線本地測量的條件下對小電阻接地系統高阻接地故障的正確選線,對零序電流相量的實部和虛部進行分解,以方便分析健康饋線與故障饋線的零序電流相量特征差異,分別對式(4)和式(6)

進行分解,有

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

考慮到系統正常運行時可能會有一個極小的零序電流存在,因此本地測量的零序電流相量實部分量近似為零時,則系統未發生故障。若其小于零,則系統發生故障但該饋線未發生故障;若其大于零,則第k條饋線發生故障。可看出,所提選線方法僅依據饋線首端裝置的本地測量數據判斷故障饋線,從根源上避免了對高精度時間同步的需求。同時,過渡電阻Rf不會對零序電流相量實部的符號造成影響。因此,所提故障選線方法適用于高阻接地故障。

2.2.2 基于本地測量的高阻接地故障選線方案

綜上所述,所提出的基于本地測量的高阻接地故障選線方法流程圖如圖3所示,具體的選線步驟如下。

圖3 基于本地測量的高阻接地故障選線方法流程圖Fig.3 Flowchart of high resistance grounding fault line selection method based on local measurement

步驟4綜合所有饋線判斷結果,輸出選線結果。

3 仿真驗證

3.1 仿真模型及參數設置

為驗證所提故障選線方法對小電阻接地系統高阻接地故障的適用性與有效性,基于MATLAB/Simulink仿真平臺建立圖4所示的10 kV小電阻接地系統。其中,包含2條電纜線路(l1、l5)、1條架空-電纜混合線路(l2)以及3條架空線路(l3、l4、l6),具體饋線阻抗參數如表 1所示。中性點經接地變壓器TZ接小電阻接地,其阻值設置為10 Ω;系統變壓器和負載變壓器分別采用星形-三角形接法和三角形-星形接法。

G為110 kV大電網;TZ為接地變壓器;M1～M6為各饋線首端的本地監測點

在饋線l1設置了單相高阻接地故障,過渡電阻值設置為1 000 Ω,故障時間設置為[0.06, 0.12]s,時間窗為0.2 s,故障期間各饋線首端本地測量點的零序電流相量實部特征如圖5所示。

表1 饋線阻抗參數Table 1 Feeder impedance parameters

圖5 各饋線的零序電流相量實部幅值Fig.5 Simulation diagram of each feeder zero sequence current phase real part

3.2 適用性分析

為驗證所提故障選線方法的適用性,從線路類型、過渡電阻、測量誤差以及電弧故障等方面進行了仿真分析。

3.2.1 饋線類型的影響

考慮到小電阻接地系統包含了各種饋線類型,分別在電纜饋線、架空饋線以及架空-電纜混合饋線上進行單相高阻接地故障仿真實驗,選線結果如表2所示?？梢钥闯?在不同饋線發生故障時,僅故障饋線首端本地測量點處的零序電流相量實部符號為正,其余健康饋線首端本地測量點處的零序電流相量實部符號均為負,且對于不同饋線類型下的單相高阻接地故障均可實現正確選線。因此,所提故障選線方法適用于不同的饋線類型。

表2 各種饋線類型下的選線結果Table 2 Line selection results under various feeder types

3.2.2 過渡電阻的影響

表3 不同過渡電阻值下的選線結果Table 3 Line selection results under different transition resistance values

3.2.3 測量誤差的影響

考慮到實際環境中噪聲等環境因素對測量數據的影響,分別在不同信噪比下進行了高阻接地故障仿真實驗,過渡電阻值設置為1 000 Ω,故障饋線為l6,選線結果如表4所示。從仿真結果可知,不同的信噪比會對饋線的零序電流相量實部分量的幅值會造成細微影響,但并不會改變符號的正負從而對選線結果造成影響。當信噪比為50 dB,即相對噪聲較小時,仿真結果與無噪聲時的結果基本一致;而當信噪比為10 dB,即相對噪聲較大時,饋線零序電流相量實部幅值有細微變化但并不會對選線結果造成影響。因此,所提故障選線方法具有較好的抗噪能力。

表4 不同信噪比下的選線結果Table 4 Line selection results under different signal-to-noise ratios

3.2.4 電弧故障的影響

當饋線發生高阻接地故障且故障未被及時切除時,故障點容易引發電弧放電造成電弧故障,故障電流呈非線性,為故障選線帶來一定困難。電弧故障模型較多,由于Mayr模型的故障電流小,更符合高阻接地故障的故障特征[22]。因此,采用該模型進行仿真實驗,Mayr電弧故障電壓電流如圖6所示。可以看出,Mayr電弧故障的故障電壓和故障電流呈非線性,且故障電流較小,不到10 A。在饋線l1進行了電弧故障仿真實驗,選線結果如圖7所示。可以看出,相比于圖5所示的高阻接地故障選線結果,Mayr電弧故障會對零序電流相量實部的幅值造成一定波動,但并不會影響其正負。因此,所提故障選線方法可適用于電弧故障。

圖6 Mayr電弧模型的故障電壓和故障電流Fig.6 Fault voltage and fault current of high resistance arc fault

圖7 Mayr電弧故障選線結果圖Fig.7 Mayr arc fault line selection result diagram

3.3 不同方法的對比

為驗證測量裝置時間同步精度對傳統高阻接地故障選線方法和本文所提方法選線準確率的影響,調研了電力系統測量裝置的時間同步精度,等級劃分如表5所示。

表5 電力系統測量裝置的時間同步精度等級劃分Table 5 The order division of time synchronization precision of power system measurement devices

考慮到采樣數據時間同步誤差對傳統故障選線方法準確率的影響,以文獻[21]所提的傳統方法為例,在不同時間同步誤差下對傳統選線方法和所提選線方法進行實驗分析,選線結果如圖8、圖9所示。

圖8 傳統選線方法在不同時間同步誤差下的選線結果Fig.8 The traditional line selection method results under different time synchronization errors

圖9 所提方法在不同時間同步精度下的選線結果Fig.9 The line selection results of the proposed method under different time synchronization errors

文獻[21]利用中性點和饋線零序電流波形的相似性實現高阻接地故障選線,相似系數ρ接近于1,則該饋線發生故障,圖8為該方法在不同時間同步誤差下的實驗結果。其中,ρl1表示饋線l1與中性點電流之間的相似系數,若該值近似于1,則饋線l1發生故障。從圖8中可以看出,當時間同步誤差為1 μs時,故障饋線l6的相似系數ρl6與其他饋線相差較大且近似于1,與時間同步誤差為0 s時的結果相似,可以準確的得到選線結果為l6。隨著時間同步誤差的增加,故障饋線的相似系數值有所減小,健康饋線的相似系數值增大。當時間同步誤差達到1 ms時,故障饋線l6的相似系數ρl6降低到約0.9,但仍然明顯大于健康饋線的相似系數值,可得到準確的選線結果。然而,當時間同步誤差達到5 ms后,各健康饋線對應的相似系數值與故障饋線的相似系數值ρl6相差較小,無法準確地判斷故障饋線。對于饋線終端裝置,其時間同步誤差最大可達到10 ms,這極大地限制了此類方法在實際中的應用。

所提故障選線方法在不同時間同步誤差下的選線結果如圖9所示?？梢钥闯?在不同時間同步誤差下,均只有故障饋線l6首端本地測量點M6處的零序電流相量實部符號為正,其余健康饋線為負,并且零序電流相量實部幅值完全一致。因此,所提故障選線方法不受時間同步誤差的影響,大大增加了其在配電網中的應用范圍。

4 結論

為解決小電阻接地系統中高阻接地故障選線失靈問題,提出一種基于本地測量的高阻接地故障選線方法。得出如下結論。

(1)對健康饋線與故障饋線零序電流相量實部特征分析發現,健康饋線的該特征符號小于零,而故障饋線該特征的符號大于0。并利用此特征的符號差異作為選線依據,實現了高阻接地故障選線。

(2)僅通過饋線首端本地測量的電流數據計算得到的零序電流相量實部符號,判斷該饋線是否發生故障,避免了測量裝置時間同步精度對選線準確率的影響。

(3)建立了10 kV小電阻接地系統仿真模型,驗證了所提方法在不同的測量誤差和時間同步誤差下有較好的魯棒性,對過渡電阻的耐受能力較好,且適用于不同的線路類型和電弧故障。