基于零序電流變化特征值和消弧線圈分散補(bǔ)償?shù)慕拥毓收线x線方法

林 海黃瑩雪秦忠明任向陽(yáng)

(1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司南寧供電局,廣西南寧530022;2.華電南寧新能源有限公司,廣西南寧530000)

0 引言

隨著電力需求的增加、電網(wǎng)規(guī)模的壯大和線路電纜化程度的提高,系統(tǒng)對(duì)地電容電流呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì),越來越多的配電網(wǎng)由于面臨著消弧線圈補(bǔ)償容量不足的問題不得不進(jìn)行增容改造[1]。然而,現(xiàn)有的消弧線圈設(shè)備更換困難,成本花費(fèi)大,又比較耗時(shí),在更換期間系統(tǒng)得不到消弧線圈的有效補(bǔ)償,系統(tǒng)承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)較大[2]。針對(duì)此,在傳統(tǒng)諧振接地系統(tǒng)基礎(chǔ)上加裝小容量消弧線圈進(jìn)行分散補(bǔ)償這一接地方式應(yīng)運(yùn)而生,因?yàn)槠鋽U(kuò)容容易、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛研究和運(yùn)用[3]。但是,無論是傳統(tǒng)諧振接地系統(tǒng)還是分散補(bǔ)償接地系統(tǒng),因?yàn)橄【€圈對(duì)電感電流的補(bǔ)償作用,難以找到具有明顯故障特征的電氣信號(hào)作為可靠的選線依據(jù),都在接地故障選線技術(shù)方面面臨著難題;再者,暫態(tài)信號(hào)難以被檢測(cè)到,這進(jìn)一步增大了采集故障特征信號(hào)的難度,使得實(shí)際選線效果不理想[4-6]。此外,故障邊界條件復(fù)雜、影響因素眾多、隨機(jī)性和偶然性較大等都對(duì)故障信號(hào)有不同程度的干擾和影響,從而使選線難度進(jìn)一步增大[7-8]。

目前,小電流接地選線方法主要分為兩大類:穩(wěn)態(tài)法和暫態(tài)法[9-12]。每一種選線方法都有各自的適用條件和范圍,不能應(yīng)用于所有的單相接地故障情況,這大大增加了諧振接地系統(tǒng)的選線難度[13-14]。在消弧線圈分散補(bǔ)償接地系統(tǒng)中,由于消弧線圈數(shù)量的增加和補(bǔ)償點(diǎn)的多樣,更增加了選線的復(fù)雜度。倘若采用線路的零序電流作為選線信號(hào),要善于利用現(xiàn)有的設(shè)施和條件,找到零序電流在故障線路與非故障線路之間的明顯差異[15-16]。如果能找到一種選線方法,既能保證主消弧線圈的自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償作用,又能采集到能區(qū)分故障線路和非故障線路的明顯的零序電流信號(hào),這不僅解決了消弧線圈給單相接地故障選線技術(shù)帶來的難題,同時(shí)也有利于提高配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性。因此,本文以消弧線圈分散補(bǔ)償下各線路的零序電流特征為基礎(chǔ),對(duì)消弧線圈分散補(bǔ)償接地系統(tǒng)的故障選線方法進(jìn)行探討和研究,同時(shí)針對(duì)具體工程遇到的問題展開研究。

1 分散補(bǔ)償故障特征分析

1.1 零序電路分析

采用分散補(bǔ)償時(shí),三相五柱式消弧線圈因?yàn)槠潴w積小、重量輕和安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)而受到歡迎[15]。按照分散補(bǔ)償消弧線圈安裝位置的不同,可以分為主站擴(kuò)容安裝、母線安裝、線路末端安裝3種方式。當(dāng)系統(tǒng)電容電流較大時(shí),安裝在線路末端的消弧線圈可能不止一個(gè)[16]。在這3種方式中,按照單相接地故障可能發(fā)生的位置不同,可將其劃分為4類,對(duì)應(yīng)的零序電流流通情況如圖1所示。其中,LA為主消弧線圈,LB和LC為分散補(bǔ)償消弧線圈,K為主消弧線圈投切控制開關(guān),d為故障點(diǎn)。

圖1所示4類單相接地故障對(duì)應(yīng)的零序電路如圖2所示。圖2中:L為主消弧線圈的零序等值電感;L0、L n-1和L n為分散補(bǔ)償消弧線圈的零序等值電感。

1.2 零序電流計(jì)算

1)主消弧線圈斷開前的零序電流計(jì)算。

圖1 單相接地故障的類型及其零序電流分布Fig.1 Type of single-phase ground fault and zero sequence current distribution

假設(shè)共有n條線路,線路i為非故障線路,線路j為故障線路,取零序電流正方向?yàn)閺哪妇€流向線路的方向。主消弧線圈開關(guān)K斷開之前,各線路的零序電流計(jì)算如下。

圖2 4類接地故障對(duì)應(yīng)的零序電路圖Fig.2 Zero sequence circuit diagram corresponding to four types of ground faults

非故障線路i首端的零序電流為本線路對(duì)地零序電容電流與本線路分散補(bǔ)償消弧線圈補(bǔ)償?shù)牧阈螂姼须娏?若本線路沒有安裝分散補(bǔ)償消弧線圈,則補(bǔ)償?shù)牧阈螂姼须娏魅?)之和,方向?yàn)槟妇€流向線路,其零序電流表達(dá)式為

故障線路j首端的零序電流等于所有非故障線路首端的零序電流與主消弧線圈補(bǔ)償?shù)牧阈螂姼须娏髦?方向?yàn)榫€路流向母線,其零序電流表達(dá)式為

式中:為主消弧線圈提供的零序電流;L為主消弧線圈的零序等值電感大小。

2)主消弧線圈斷開后的零序電流計(jì)算。

非故障線路i首端的零序電流為本線路對(duì)地零序電容電流與本線路分散補(bǔ)償消弧線圈補(bǔ)償?shù)牧阈螂姼须娏?若線路沒有安裝分散補(bǔ)償消弧線圈,則補(bǔ)償?shù)牧阈螂姼须娏魅×?之和,方向?yàn)槟妇€流向線路,其表達(dá)式為

式中為主消弧線圈斷開后系統(tǒng)的中性點(diǎn)位移電壓。

故障線路j首端的零序電流等于所有非故障線路零序電流之和,方向?yàn)榫€路流向母線,其表達(dá)式為

2 選線基本步驟及選線判據(jù)

系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí),主消弧線圈和分散補(bǔ)償消弧線圈都處于工作狀態(tài),一旦發(fā)生單相接地故障,由零序電壓信號(hào)啟動(dòng)程序,立即開始對(duì)各線路的零序電流信號(hào)進(jìn)行采樣;然后短時(shí)斷開主消弧線圈的連接開關(guān),信號(hào)采樣完成后快速閉合該開關(guān),繼續(xù)發(fā)揮主消弧線圈的補(bǔ)償效果;最后通過分析和比較主消弧線圈退出運(yùn)行前后各饋線的零序電流變化特征值,從而得出選線結(jié)果。具體步驟如下文所述。

1)采用配電網(wǎng)中性點(diǎn)位移電壓作為單相接地故障的判斷依據(jù),當(dāng)中性點(diǎn)位移電壓大于相應(yīng)的閾值時(shí),延時(shí)一定的時(shí)間(比如1 s)后開始采集各饋線的零序電流信號(hào);

2)斷開中性點(diǎn)與主消弧線圈之間的開關(guān),使自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈短時(shí)退出運(yùn)行,延時(shí)一定的時(shí)間(比如1 s)后又開始采集各饋線的零序電流信號(hào);

3)信號(hào)采集完成后再次投入主消弧線圈,以保證消弧線圈的補(bǔ)償效果;

4)根據(jù)采集到的主消弧線圈切斷前后各線路的零序電流信號(hào),對(duì)主消弧線圈切斷前后各線路的零序電流進(jìn)行額定化計(jì)算、求差并計(jì)算零序電流變化特征值,從而選出發(fā)生單相接地故障的線路。

結(jié)合上述主消弧線圈切斷前后各線路零序電流的比較和分析,可得分散補(bǔ)償接地系統(tǒng)的單相接地故障選線判據(jù)如下:非故障線路的零序電流變化特征值為;發(fā)生單相接地故障線路的零序電流變化特征值為;母線發(fā)生單相接地故障時(shí),各饋線均為非故障線路,其零序電流變化特征值均為0。

3 仿真驗(yàn)證

用Matlab建立圖1所示4類分散補(bǔ)償接地系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的仿真模型。仿真模型設(shè)置如下:該4類系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的仿真模型中變壓器變比均為為110 k V/10 k V,均包含相同的5條線路(依次分別記為L(zhǎng)1、L2、L3、L4和L5),線路L1—L5依次分別對(duì)應(yīng)4條線路長(zhǎng)度依次為15、16、12、11 km的電纜線路和1條由10 km架空線路和8 km電纜組成的混合線路。電纜線路的參數(shù)設(shè)置如下:R0=2.7Ω/km,L0=1.02 m H/km,C0=0.28μF/km,R1=0.27Ω/km,L1=0.255 m H/km,C1=0.339μF/km。架空線路參數(shù)設(shè)置如下:R0=0.386 4Ω/km,L0=4.126 4 m H/km,C0=7.751 nF/km,R1=0.0127 3Ω/km,L1=0.933 7 m H/km,C1=12.74 n F/km。第1類系統(tǒng)的分散補(bǔ)償消弧線圈與主消弧線圈并聯(lián)安裝,第2類系統(tǒng)的分散補(bǔ)償消弧線圈安裝在母線上,第3類和第4類系統(tǒng)的分散補(bǔ)償消弧線圈均安裝在線路L4和L5末端;第1類至第4類系統(tǒng)的故障點(diǎn)分別設(shè)在線路L5、L5、L1和L5上;假設(shè)系統(tǒng)在0.05 s時(shí)發(fā)生單相接地故障,其故障點(diǎn)過渡電阻為5Ω,并在0.4 s時(shí)切斷主消弧線圈開關(guān)和在0.5 s時(shí)重新合上主消弧線圈開關(guān)。

系統(tǒng)總的對(duì)地電容電流為104.5 A,分散補(bǔ)償額定補(bǔ)償電流設(shè)為42 A(對(duì)于第1類和第2類系統(tǒng)由1個(gè)額定補(bǔ)償電流為42 A的消弧線圈補(bǔ)償,對(duì)于第3類和第4類系統(tǒng)由2個(gè)額定補(bǔ)償電流為21 A的消弧線圈共同補(bǔ)償),取失諧度為-5%,則主消弧線圈的調(diào)諧額定零序電流為22.75 A,即I LN=22.75 A。

對(duì)圖1這4類不同的分散補(bǔ)償消弧線圈系統(tǒng)進(jìn)行仿真及分析,得到的系統(tǒng)中性點(diǎn)位移電壓U0和各線路首端的零序電流(依次記為I01—I05)波形如圖3所示。

由圖3分析可知:

1)由第3類和第4類仿真結(jié)果可知,分散補(bǔ)償消弧線圈所在線路為非故障線路時(shí),該消弧線圈優(yōu)先補(bǔ)償本線路的電容電流,但此線路的零序電流變化仍然很小。

2)無論是哪一類消弧線圈分散補(bǔ)償接地系統(tǒng),在主消弧線圈退出工作狀態(tài)前后,零序電流變化較小的是非故障線路,而零序電流變化較大的是故障線路。

對(duì)圖3的仿真結(jié)果按式(5)—(8)進(jìn)行零序電流的額定化計(jì)算,然后仿照式(9)(10)求出各線路的零序電流額定變化量,最后仿照式(11)(12)求出各線路的零序電流變化特征值,見表1。

表1 零序電流變化Table 1 Changes of zero sequence current

由表1可知,第1類系統(tǒng)的L5、第2類系統(tǒng)的L5、第3類系統(tǒng)的L1和第4類系統(tǒng)L5分別對(duì)應(yīng)的零序電流變化特征值為0.989、1.016、0.979和1.009,與1非常接近,選線時(shí)可認(rèn)為其特征值等于1,而其他線路的零序電流特征值非常接近0,選線時(shí)可認(rèn)為其特征值等于0。根據(jù)前述選線原理,可得這4類系統(tǒng)的選線結(jié)果分別為L(zhǎng)5、L5、L1和L5,與實(shí)際相符。

圖3 中性點(diǎn)位移電壓和各線路零序電流波形Fig.3 Neutral displacement voltage and zero sequence current waveform of each line

4 選線方法的普遍適應(yīng)性分析

以上仿真和研究是在假定故障發(fā)生在消弧線圈分散補(bǔ)償接地系統(tǒng)的線路上且過渡電阻和消弧線圈補(bǔ)償度不變的情況下進(jìn)行的,但考慮到實(shí)際中單相接地故障具有復(fù)雜性和多變性,有必要驗(yàn)證上述選線原理和方法在不同的故障情況均能正確選線。

4.1 母線故障

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),單相接地故障在母線側(cè)也常有發(fā)生。保持上述4類系統(tǒng)仿真模型其他參數(shù)不變,把故障點(diǎn)設(shè)置在母線上,運(yùn)用上述選線原理和方法,在不同的分散補(bǔ)償消弧線圈安裝方式下所得各線路的零序電流變化特征值見表2。

表2 母線故障時(shí)各線路零序電流變化特征值Table 2 Eigenvalues of zero sequence current variation of each line in bus fault

可見,各饋線的零序電流變化特征值均約等于零,于是可認(rèn)定L1—L5均為非故障線路,在母線側(cè)發(fā)生了單相接地故障,所得選線結(jié)果與實(shí)際相符。

4.2 過渡電阻的影響

由于故障邊界條件的復(fù)雜性,在不同的環(huán)境和條件下發(fā)生接地故障時(shí)其過渡電阻一般不相同。保持第3類系統(tǒng)仿真模型其他參數(shù)不變,改變故障點(diǎn)過渡電阻大小(5～10 000Ω),可得在不同過渡電阻下各線路的零序電流變化特征值見表3。

表3 不同過渡電阻時(shí)各線路零序電流變化特征值Table 3 Eigenvalues of zero sequence current variation of each line in different transition

表3所得選線結(jié)果與實(shí)際相符,可見系統(tǒng)在不同過渡電阻下發(fā)生單相接地故障時(shí),通過運(yùn)用上述選線原理和方法,能夠保證正確的選線結(jié)果。

4.3 消弧線圈補(bǔ)償度的影響

消弧線圈補(bǔ)償度的不同會(huì)影響到故障點(diǎn)接地殘流的大小,在保證故障點(diǎn)接地殘流滿足熄弧要求的前提下,對(duì)改變消弧線圈補(bǔ)償度對(duì)選線結(jié)果有沒有影響展開研究。保持第3類系統(tǒng)仿真模型其他參數(shù)不變,通過改變主消弧線圈的電感值,可得在不同失諧度下各線路的零序電流變化特征值見表4。

可見,在消弧線圈不同補(bǔ)償度下,利用各饋線的零序電流變化特征值作為選線依據(jù)仍然能夠正確選線。

表4 不同補(bǔ)償度時(shí)各線路的零序電流變化特征值Table 4 Eigenvalues of zero sequence current variation of each line at different compensation

4.4 零序電流變化特征值的整化

研究和仿真結(jié)果均證明,由于變壓器和線路串聯(lián)阻抗的存在,使得實(shí)際上按式(11)(12)算出的零序電流變化特征值距0或1會(huì)有很小的偏差,故障線路的零序電流變化特征值范圍在0.96～1.02,非故障線路的零序電流變化特征值不大于0.1。為了讓本文前述選線判據(jù)的使用更加簡(jiǎn)單、方便,在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)先將按式(11)(12)求得的非故障線路和故障線路的零序電流變化特征值進(jìn)行整數(shù)化(簡(jiǎn)稱整化)處理,方法如下:首先將所求得的零序電流變化特征值小數(shù)點(diǎn)后面只保留一位小數(shù),然后將小數(shù)點(diǎn)后保留的一位小數(shù)進(jìn)行四舍五入處理。如此得到的零序電流變化特征值非0即1,使得前述判據(jù)的應(yīng)用(尤其是計(jì)算機(jī)編程時(shí))更加確切。

5 工程實(shí)際適用性分析

解決單相接地故障選線問題的關(guān)鍵不僅在于選線方法本身,更重要的是方法在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中的適用性,下面結(jié)合工程實(shí)際對(duì)選線方法的適用性進(jìn)行分析。

5.1 主消弧線圈投切過程的過電壓分析

消弧線圈尤其是主消弧線圈在發(fā)生單相接地故障時(shí)發(fā)揮著重要的作用,在應(yīng)用前述選線方法時(shí)需短時(shí)斷開主消弧線圈,有必要對(duì)主消弧線圈投切過程中的過電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行考慮和分析。

保持第4類系統(tǒng)的仿真模型和參數(shù)不變,模擬間歇性弧光接地故障和永久性單相接地故障。按照工頻熄弧理論,假定故障相在工頻電壓最大值時(shí)發(fā)生絕緣擊穿,接地電弧隨之產(chǎn)生,往后每隔半個(gè)工頻周期發(fā)生一次熄弧和重燃。為了使仿真所得的過電壓盡可能大,把過渡電阻設(shè)為0,可得發(fā)生上述2種單相接地故障時(shí)主消弧線圈投切過程的過電壓波形分別如圖4—5所示。

圖4 間歇性弧光接地故障時(shí)投切主消弧線圈引起的過電壓Fig.4 Over-voltage caused by the switch off the main arc suppression coil when intermittent arc ground fault

圖5 永久性單相接地故障投切主消弧線圈引起的過電壓Fig.5 Over-voltage caused by the switch off the main arc suppression coil when permanent single-phase earth fault

根據(jù)圖4—5的過電壓波形,計(jì)算可得系統(tǒng)發(fā)生間歇性弧光接地故障和永久性接地故障時(shí)投切主消弧線圈過程引起的最大過電壓倍數(shù)分別為2.52 pu和1.78 pu,均在絕緣水平可承受范圍之內(nèi)。其中一個(gè)主要原因是主消弧線圈退出運(yùn)行之后還有分散補(bǔ)償消弧線圈在運(yùn)行,依然對(duì)弧光過電壓有一定的抑制作用。

由此可見,系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),主消弧線圈短時(shí)退出再投入的過程并不會(huì)產(chǎn)生很高的過電壓,產(chǎn)生的過電壓水平完全在系統(tǒng)絕緣水平可承受范圍之內(nèi)。

5.2 選線判據(jù)對(duì)零序電流互感器的容差分析

系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),各線路的零序電流會(huì)隨著過渡電阻增大而減小,而由于零序電流互感器測(cè)量精度的原因,測(cè)量較小的零序電流時(shí)存在較大的誤差。因此,有必要研究在零序電流互感器一定的精度下,上述選線判據(jù)的適用性。

下面以第4類系統(tǒng)的仿真為例,在零序電流互感器測(cè)量誤差高達(dá)30%的前提下,針對(duì)上述選線判據(jù)對(duì)零序電流互感器的容差能力進(jìn)行分析。

故障線路零序CT測(cè)量誤差為-30%～30%時(shí),在不同過渡電阻下,零序電流變化特征值見表5。

表5 零序CT測(cè)量誤差為-30%～30%時(shí)故障線路的零序電流變化特征值Table 5 Eigenvalues of zero sequence current variation of fault line when the zero sequence CT measurement error is-30%～30%

由表5可知,零序CT測(cè)量誤差為-30%～30%時(shí),經(jīng)計(jì)算得到的故障線路的整化特征值均為1。當(dāng)過渡電阻Rd大于3 000Ω時(shí),故障線路零序電流變化的整化特征值不一定為1,有可能引起誤判。

非故障線路以線路1為例,零序CT測(cè)量誤差為-30%～30%時(shí),在不同過渡電阻下線路1的零序電流變化特征值見表6。

表6 零序CT測(cè)量誤差為-30%～30%時(shí)非故障線路(以線路1為例)的零序電流變化特征值Table 6 Eigenvalues of zero sequence current variation of non-fault line(take line 1 as an example)when the zero sequence CT measurement error is -30%～30%

由表6可得,當(dāng)過渡電阻Rd不大于3 000Ω時(shí),零序CT測(cè)量誤差為-30%～30%時(shí),經(jīng)計(jì)算得到的非故障線路的整化特征值均為0。

綜上可得,當(dāng)接地過渡電阻大于3 000Ω時(shí),由于零序CT測(cè)量精度的原因,前述選線判據(jù)在工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)不宜采用;當(dāng)接地過渡電阻不大于3 000Ω、零序CT測(cè)量誤差為-30%～30%時(shí),前述選線判據(jù)可以正確甄選出故障線路。

5.3 選線判據(jù)在諧振接地系統(tǒng)的適應(yīng)性分析

在消弧線圈分散補(bǔ)償接地系統(tǒng)中,所有饋線都沒有安裝分散補(bǔ)償消弧線圈時(shí),等同于消弧線圈傳統(tǒng)集中補(bǔ)償諧振接地系統(tǒng),由前述分析可知,故障線路的整化特征值仍為1,非故障線路的整化特征值仍為0。因此可得,由線路的零序電流變化特征值形成的選線判據(jù)并不受到小容量分散補(bǔ)償消弧線圈有無的影響,在諧振接地系統(tǒng)中均適用。

6 結(jié)語(yǔ)

本文利用分散補(bǔ)償接地系統(tǒng)各線路零序電流的特點(diǎn)和規(guī)律,在滿足補(bǔ)償要求的同時(shí),通過開關(guān)控制主消弧線圈的投切,構(gòu)建了以各饋線零序電流變化特征值作為選線信號(hào)的選線依據(jù)。計(jì)算和分析了消弧線圈分散補(bǔ)償系統(tǒng)各線路零序電流的變化情況,經(jīng)額定化計(jì)算、求差和標(biāo)幺值換算及整化后可得非故障線路零序電流變化特征值必為0,而單相接地故障線路的零序電流變化特征值必為1。通過考慮故障位置、過渡電阻和消弧線圈補(bǔ)償度等因素的影響,考慮選線判據(jù)在工程應(yīng)用中的適用性,對(duì)不同的經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析,結(jié)果表明以各線路零序電流變化特征值作為選線依據(jù)是切實(shí)可行的。

本文提出的選線判據(jù)是基于故障電流的穩(wěn)態(tài)值分析得出的,而實(shí)際應(yīng)用中可以采用延時(shí)采樣及濾波的方法消除暫態(tài)信號(hào)的影響。