10kV配電網(wǎng)小電阻接地零序保護(hù)的可靠性分析

于尚斌

摘要：10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)的容量與結(jié)構(gòu)不斷擴(kuò)大，小電阻接地系統(tǒng)在配電網(wǎng)系統(tǒng)中得到實(shí)際應(yīng)用，選用合適的接地運(yùn)行方式有助于提升配電網(wǎng)供電質(zhì)量。對(duì)此，本文基于對(duì)小電阻接地系統(tǒng)單線接地故障的研究，分析了小電阻接地零序保護(hù)方案與配置，并提出了新型零序電流動(dòng)態(tài)保護(hù)方案，以期能夠提高10kV配電網(wǎng)的配電質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：10kV配電網(wǎng);小電阻接地;零序保護(hù)

前言

配電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)的故障中最常見的是單向?qū)Φ毓收希x用小電阻接地運(yùn)行的情況下，單向?qū)Φ毓收铣霈F(xiàn)穩(wěn)態(tài)規(guī)律與暫態(tài)規(guī)律，暫態(tài)過程不會(huì)受到影響，這也是接地方式有不同中性點(diǎn)的原因，因此在暫態(tài)過程中的故障信息能夠有效提高故障檢測效率。在10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)中采用小電阻接地零序保護(hù)，也能更有效解決故障檢測與分析的問題。

1 小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障分析與判斷

單相接地故障的定位可以分為三個(gè)部分，第一部分是確定故障線路，第二部分是確定故障的區(qū)間或分支，第三部分是確定故障的具體點(diǎn)[1]。C型行波法是根據(jù)行波的反射和折射原理，在線路發(fā)生故障后，由人工向故障線路發(fā)射一個(gè)行波信號(hào)，行波信號(hào)遇到線路波阻抗不連續(xù)點(diǎn)就會(huì)發(fā)生反射和折射，波阻抗不連續(xù)點(diǎn)包括線路的節(jié)點(diǎn)、端點(diǎn)和故障點(diǎn)在檢測點(diǎn)接收并識(shí)別來自故障點(diǎn)的特征波，根據(jù)特征波往返一趟的時(shí)間和波速來確定故障距離。如圖1所示，線路MN上F點(diǎn)發(fā)生接地故障，在0時(shí)刻由人工從檢測點(diǎn)M處向線路發(fā)射一個(gè)行波信號(hào)，行波信號(hào)到達(dá)故障點(diǎn)發(fā)生反射，在T時(shí)刻又返回到檢測點(diǎn)M。

如果線路上有分支點(diǎn)，則需要判斷故障區(qū)段。本文所指的線路區(qū)段包含了線路分支，把相鄰兩節(jié)點(diǎn)以及相鄰節(jié)點(diǎn)與端點(diǎn)之間的線路稱為區(qū)段。如圖3-2所示，帶分支的線路MN上共有5個(gè)區(qū)段，它們是主干線上的三個(gè)區(qū)段MA、AB、BN和兩個(gè)分支構(gòu)成的區(qū)段AC、BD。在M點(diǎn)檢測反射回來的行波信號(hào)時(shí)，首先檢測到的是直接來自第一個(gè)分支節(jié)點(diǎn)A。

定位裝置如圖2所示，由電腦控制著信號(hào)發(fā)生器的開合，在線路發(fā)生故障后，向配電線路發(fā)射高壓脈沖信號(hào)，然后通過采集卡采集反射回來的信號(hào)，并將信號(hào)傳送到電腦中，經(jīng)過電腦對(duì)波形和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和計(jì)算，最后確定故障點(diǎn)位置。

2小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障仿真研究

2.1 故障模型分析

ATP/EMTP是當(dāng)前國際上使用最為廣泛的一種電磁暫態(tài)分析程序版本，它能夠模擬仿真任意結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)與復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，有著不同類型的數(shù)學(xué)模型，不但能夠用來進(jìn)行暫態(tài)計(jì)算，還能夠提供不同電氣量之下的圖形描述。該軟件有著較為廣泛的應(yīng)用，操作上簡單且靈活，在10kV配電線路的模擬分析當(dāng)中，可以提供電壓與電流兩種信號(hào)的波形、數(shù)據(jù)，繼而能夠?qū)π胁ㄐ盘?hào)進(jìn)行綜合的分析。

實(shí)際當(dāng)中的10kV配電線路的末端一般都會(huì)安裝變壓器，其繞組的電感與入口的電容會(huì)反射與折射行波信號(hào)。當(dāng)遇到10μs以內(nèi)沖擊波作用時(shí)，流過其中的電流小到可以忽略不計(jì)。因此，在對(duì)行波信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，不論繞組的末端接地與否，變壓器都能夠使用一個(gè)入口的電容進(jìn)行等效。入口處的電容取值與變壓器的額定電壓、容量大小具有關(guān)聯(lián)性，對(duì)于10kV的配電變壓器而言，單相入口的電容低于500pF。如圖4為仿真模型，由圖能夠看出，一方面，在線路的末端加上變壓器，波形會(huì)出現(xiàn)一定的變化。另一方面，入口電容產(chǎn)生變化，三個(gè)波形基本保持不變。繼而能夠判斷出行波的信號(hào)會(huì)受到變壓器的影響會(huì)出現(xiàn)變化[2]。

2.2 故障信號(hào)分析

對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測是對(duì)10kV配電線路進(jìn)行故障定位的重點(diǎn)，若是可以檢測到精準(zhǔn)的特征波信號(hào)，便可以實(shí)現(xiàn)快速的定位。除此之外，反射波的信號(hào)和線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有一定的關(guān)聯(lián)性。因此，在進(jìn)行故障定位的時(shí)候，該配電線路當(dāng)中的具體區(qū)段、節(jié)點(diǎn)、端點(diǎn)和變壓器均需要當(dāng)做重點(diǎn)進(jìn)行分析。如圖5所示為一條10kV的配電線路，其使用中性點(diǎn)不接地的方式。在一相線路的MN上出現(xiàn)故障之后，會(huì)從檢測點(diǎn)M向線路發(fā)射出一個(gè)行波的信號(hào)，該信號(hào)在線路波的阻抗不連續(xù)點(diǎn)處持續(xù)反射，該信號(hào)在傳播的途徑當(dāng)中，遇到的波阻抗不連續(xù)點(diǎn)如下：

（1）線路的節(jié)點(diǎn)，如A、B、C等;

（2）線路的端點(diǎn)，如D、E、K、N等;

（3）母線區(qū)域，如M點(diǎn)。

提出的C型行波定位法針對(duì)的主要是10kV配電系統(tǒng)，對(duì)該線路進(jìn)行故障定位，通常是將注入的脈沖信號(hào)幅值設(shè)置為10kV，其脈沖的寬度是2μs，這樣便能夠?qū)Χㄎ坏挠行Ь嚯x與精度進(jìn)行保障

在線路的節(jié)點(diǎn)附近，行波信號(hào)可以反射或是折射，其反射、透射的系數(shù)則是由各節(jié)點(diǎn)區(qū)域的線路波阻抗決定。從M點(diǎn)檢測到的首個(gè)行波開始，在下面的時(shí)間內(nèi)，將相繼檢測各個(gè)不連續(xù)點(diǎn)的反射波。為了可以更加清晰地對(duì)行波信號(hào)進(jìn)行分析，需使用小波包對(duì)分解與重構(gòu)信號(hào)，在高頻帶信號(hào)當(dāng)中尋找各個(gè)不連續(xù)點(diǎn)發(fā)出的反射信號(hào)[3]。

3小電阻接地系統(tǒng)的零序電流保護(hù)分析

3.1小電阻接地系統(tǒng)的零序電流保護(hù)配置

小電阻接地運(yùn)行下的零序電流保護(hù)相對(duì)容易，一般情況下分為兩部分組合接地變壓器零序電流保護(hù)與饋線零序電流保護(hù)。接地變壓器零序電流保護(hù)需要裝設(shè)大于一級(jí)零序電流保護(hù)，加強(qiáng)保護(hù)出現(xiàn)故障后的線路后備以及出現(xiàn)接地故障的配電網(wǎng)系統(tǒng)母線。設(shè)備的動(dòng)作保護(hù)定值需要有較高的靈敏度，同時(shí)還要避開接地線路電流，防止出現(xiàn)靈敏度在兩條饋線接地時(shí)偏高的情況，配電網(wǎng)饋線的動(dòng)作整定值也要與其相匹配，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間也要超過母線相連設(shè)備保護(hù)啟動(dòng)時(shí)間最大值。饋線零序電流保護(hù)需要保障動(dòng)作整定值具備高靈敏度，防止出現(xiàn)靈敏度在兩條饋線同相接地時(shí)較低的情況，要與接地變保護(hù)動(dòng)作整定值相匹配，保護(hù)啟動(dòng)時(shí)間也要容許存在一定延時(shí)現(xiàn)象。單電源配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，能夠和相電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間相匹配，保護(hù)啟動(dòng)時(shí)間也要比電流二段時(shí)間長[4]。

3.2 新型零序電流動(dòng)態(tài)保護(hù)方案

配電網(wǎng)在小電阻接地運(yùn)行下，如果多條饋線在相同的相對(duì)接地條件下發(fā)生故障，則接地電流明顯低于單個(gè)饋線的電流。配電網(wǎng)饋線起始位置的零序保護(hù)容易被拒絕。同時(shí)，零序保護(hù)對(duì)地的變換情況也會(huì)逐步失靈，導(dǎo)致大規(guī)模的電路斷流。分析了多條饋線在小電阻接地過程中的短路故障，得出了多條饋線與一條饋線之間的接地故障關(guān)系。在小電阻接地系統(tǒng)中，當(dāng)母線電壓升高后，如果由于相同或相對(duì)接地誤差導(dǎo)致多條饋線發(fā)生故障，零序電流與單條回線故障相同，僅當(dāng)電路存在接地故障時(shí)。確保在多條饋線發(fā)生故障的情況下，一次設(shè)備的保護(hù)協(xié)調(diào)和繼電保護(hù)效果仍然適用，并且故障點(diǎn)的準(zhǔn)確性和故障類型不會(huì)改變。

結(jié)論：準(zhǔn)確檢測小電阻接地系統(tǒng)的零序電流是零序保護(hù)正確運(yùn)行的前提。小電阻接地系統(tǒng)中出現(xiàn)單相接地故障會(huì)產(chǎn)生較大的零序電壓和零序電流。產(chǎn)生零序電流的原因是在故障點(diǎn)施加零序電壓，回路由接地變壓器的故障支路和接地支路組成。采用新型的零序電流動(dòng)態(tài)保護(hù)方案相對(duì)而言操作便捷，需要將母線動(dòng)態(tài)電壓數(shù)值添加到原有電流保護(hù)上，具有較大使用價(jià)值。

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