外加電壓源配電網(wǎng)相間故障重合前無(wú)故障識(shí)別

姚 迪,邵文權(quán),吳朝俊

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

我國(guó)大多數(shù)配電網(wǎng)采用中性點(diǎn)非有效接地方式[1],配電線路發(fā)生單相接地故障后仍可運(yùn)行1～2 h,發(fā)生相間故障時(shí)，繼電保護(hù)同時(shí)跳開(kāi)三相斷路器[2],如果此時(shí)斷路器盲目重合,則線路可能重合于永久性故障,嚴(yán)重危及電力系統(tǒng)和用戶(hù)的用電安全[3]。輸電線路中常利用差模電壓[4]、模型識(shí)別[5-6]、并聯(lián)電抗器電流[7]等進(jìn)行無(wú)故障識(shí)別,而配電線路電壓等級(jí)低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,三相跳閘后線路中信號(hào)微弱且不易獲取,因此研究一種能夠識(shí)別配電網(wǎng)相間故障性質(zhì)的重合閘方法具有重要意義。文獻(xiàn)[8]利用配電線路首端并聯(lián)電容器的放電信息,通過(guò)辨識(shí)過(guò)渡電阻判斷故障是否消失；文獻(xiàn)[9]利用晶閘管控制逆變電源并將其接在配電變壓器的低壓側(cè),通過(guò)施加瞬時(shí)高壓擊穿潛在故障點(diǎn)以檢測(cè)故障性質(zhì);文獻(xiàn)[10]根據(jù)建立的瞬時(shí)性故障參考模型計(jì)算故障后線路兩端電氣信息,利用電容參數(shù)實(shí)際值與識(shí)別值的差異進(jìn)行判斷。

本文針對(duì)10 kV配電線路,給出一種利用電壓與電流相位差的有源識(shí)別方法：在三相跳閘后，向故障線路施加3 kV的電壓信號(hào),根據(jù)故障與無(wú)故障狀態(tài)下電壓電流相位差變化90°的特點(diǎn)進(jìn)行判別。PSCAD仿真結(jié)果表明,該方法能夠可靠實(shí)現(xiàn)三相重合前無(wú)故障檢測(cè),具有良好適用性。

1 基于相位差變化的判別原理

相間故障發(fā)生斷路器跳閘后，線路中儲(chǔ)能元件開(kāi)始放電,其持續(xù)放電時(shí)間極為短暫[11],極端條件下信號(hào)經(jīng)幾毫秒即衰減為零。采用外加電壓源向系統(tǒng)注入信號(hào)，能夠?yàn)樘l后線路提供豐富的電氣信息,有效避免因待分析信號(hào)過(guò)于微弱而引起的誤判斷問(wèn)題。 圖1為外加電壓源結(jié)構(gòu),當(dāng)發(fā)生AC相間故障時(shí),僅閉合開(kāi)關(guān)S1、S4;當(dāng)發(fā)生AB相間故障時(shí),僅閉合開(kāi)關(guān)S2、S6;當(dāng)發(fā)生BC相間故障時(shí),僅閉合開(kāi)關(guān)S3、S5[12]。

圖 1 外加電壓源結(jié)構(gòu)Fig.1 External voltage source structure

以BC相間故障為例,斷路器跳閘后注入可切換外加電壓源的簡(jiǎn)化等值網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

(a) 故障持續(xù)階段等值網(wǎng)絡(luò)

(b) 故障消失后等值網(wǎng)絡(luò)圖 2 BC相間故障簡(jiǎn)化圖Fig.2 Simplified circuit of fault between B-phase and C-phase

電壓與電流相位差的計(jì)算公式為[13]

(1)

故障發(fā)生時(shí),圖2(a)中電壓電流相位差為

(2)

故障消失后,圖2(b)中電壓電流相位差為

(3)

隨著線路長(zhǎng)度增加,線路自電阻和自電感逐漸增大[14],電壓電流相位差略微減小,但是由于配電變壓器感抗遠(yuǎn)大于線路阻抗,較長(zhǎng)線路故障消失后的電壓電流相位差仍然接近90°。

2 三相重合前無(wú)故障識(shí)別判據(jù)的構(gòu)建

配電線路相間故障大多為金屬性,其值為幾歐～幾十歐,故障發(fā)生斷路器跳閘后線路中儲(chǔ)能元件的短時(shí)放電雖然可以在一定程度上延長(zhǎng)持續(xù)放電時(shí)間[15],但仍需考慮過(guò)渡電阻的影響。注入外加電壓源以進(jìn)行故障檢測(cè),若瞬時(shí)性故障仍未消失,則檢測(cè)到的電壓電流相位差與線路發(fā)生永久性故障時(shí)一致;若瞬時(shí)性故障已經(jīng)消失,則電壓電流相位差將出現(xiàn)接近90°的變化。根據(jù)以上特征建立三相重合前無(wú)故障識(shí)別判據(jù):

θ(h)>θset(h=1,2,3…,n)

(4)

式中:θ(h)為注入外加電壓源后第h個(gè)采樣點(diǎn)處電壓與電流相位差角度;θset為角度整定門(mén)檻,取100°～120°。當(dāng)式(4)的連續(xù)10個(gè)采樣點(diǎn)的計(jì)算數(shù)值同時(shí)成立時(shí)即可判斷為瞬時(shí)性故障,重合閘動(dòng)作;當(dāng)判別式中任一計(jì)算數(shù)值不成立時(shí),則持續(xù)判斷至最大允許判別時(shí)間,如果判別式仍不成立,則判為永久性故障,重合閘閉鎖。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提方法的正確性和有效性,使用PSCAD/EMTDC暫態(tài)仿真軟件建立了一個(gè)含6條出線帶并聯(lián)電容器的10 kV配電系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證,仿真系統(tǒng)如圖3所示。

圖 3 帶并聯(lián)電容器10 kV配電仿真系統(tǒng)Fig.3 10 kV distribution simulation system with shunt capacitors

圖3中,并聯(lián)電容器位于線路首端,采用配電線路分散補(bǔ)償,補(bǔ)償容量選取200 kVar[16-18]。線路L1、L6為架空線路,線路L2、L5為電纜線路,線路L3、L4為電纜-架空線混合線路。設(shè)定0.4 s時(shí)線路L6發(fā)生BC相間故障,0.5 s時(shí)斷路器跳閘,0.6 s時(shí)注入外加電壓源,其中瞬時(shí)性故障的持續(xù)時(shí)間為0.3 s,電壓源幅值為3 kV,頻率為10 Hz。式(4)中，θset取100°,采樣頻率為2 000 Hz。

圖4為Rf=10 Ω時(shí)發(fā)生BC相間故障的電壓電流相位差。仿真結(jié)果表明,過(guò)渡電阻保持不變時(shí)，故障位置越遠(yuǎn)，注入外加電壓源后故障持續(xù)階段的相位差越大。若故障為瞬時(shí)性,故障消失后的電壓電流相位差將出現(xiàn)接近90°的變化,其相位差變化如圖4(a)所示;若故障為永久性，則電壓電流相位差在達(dá)到穩(wěn)定后幾乎不發(fā)生改變,其相位差變化如圖4(b)所示。

由圖4可知,注入外加電壓源后,不同故障情況下電壓電流相位差與理論分析結(jié)果相比出現(xiàn)了一定程度的增加,這是線路間耦合電容導(dǎo)致的[19]。

圖5,6分別為發(fā)生AC、AB相間故障的仿真計(jì)算結(jié)果,其變化規(guī)律與發(fā)生BC相間故障時(shí)一致,因此根據(jù)式(4)可以實(shí)現(xiàn)不同相間故障的性質(zhì)判別。

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提判據(jù)的正確性,針對(duì)圖3中線路L6進(jìn)行了BC相間不同故障情況下的仿真計(jì)算,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

(a) 瞬時(shí)性故障

(b) 永久性故障

(a) 瞬時(shí)性故障

(b) 永久性故障

(a) 瞬時(shí)性故障 (b) 永久性故障圖 6 AB相間故障的電壓電流相位差Fig.6 Phase difference between voltage and current of AB interphase fault

過(guò)渡電阻/Ω故障位置θ(h)/°瞬時(shí)故障永久故障故障位置過(guò)渡電阻/Ωθ(h)/°瞬時(shí)故障永久故障10.2127.348.60.210127.332.5 50.2127.535.10.410127.337.7 100.2127.332.50.610127.341.2 200.2127.330.30.810127.043.4 300.2127.129.71.010127.045.0

表1的仿真計(jì)算結(jié)果表明,配電線路金屬性故障消失前后, 電壓電流相位差的識(shí)別值存在較大差異, 主要是瞬時(shí)性故障的相位差識(shí)別值較大, 而永久性故障的識(shí)別值較小。 雖然當(dāng)故障過(guò)渡電阻小于1 Ω時(shí),配電線路永久性故障識(shí)別值受線路參數(shù)影響較大,但根據(jù)本文構(gòu)造的三相重合前無(wú)故障識(shí)別判據(jù),仍可實(shí)現(xiàn)故障性質(zhì)判別, 不會(huì)影響判斷的可靠性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)分析不同相間故障狀態(tài)下電壓電流相位差的變化,針對(duì)惡劣條件下重合閘成功率僅有60%的問(wèn)題[20],給出了一種基于外加電壓源的三相重合前無(wú)故障識(shí)別方法。與其他方法相比,該方法僅利用配電線路的電壓量和電流量進(jìn)行相位差計(jì)算,原理簡(jiǎn)單;且注入電壓源后的電氣信息穩(wěn)定,識(shí)別精度高,基本不受故障位置以及過(guò)渡電阻影響,適用于含并聯(lián)電容器的配電線路,有利于提高配電網(wǎng)相間故障的重合成功率,具有一定實(shí)用價(jià)值。