配電線路單相接地行波保護(hù)方案研究

賈智勇

中鋼集團(tuán)天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，湖北 武漢 430000

0 引言

當(dāng)配電網(wǎng)或輸電過程中的相關(guān)線路發(fā)生單相接地異常時，電流只能采用流經(jīng)電容的方式進(jìn)行電力傳輸，此種供配電行為不僅無法滿足社會群體對電力資源的需求，也無法保障供配電過程中的服務(wù)質(zhì)量。為了解決接地線路的故障問題，有必要及時對發(fā)生故障的配電線路進(jìn)行定位，根據(jù)定位得到的線路，進(jìn)行故障的針對性處理。在此過程中，由于接地線路異常，導(dǎo)致故障電流較微弱，為后期處理工作帶來困難。盡管出現(xiàn)接地異常后，前端無須采用斷電的方式進(jìn)行線路檢修，但考慮到此種異常屬于一種故障狀態(tài)，因此，應(yīng)當(dāng)及時采取有效的行為與措施對故障位置進(jìn)行識別與處理。倘若忽視了由于接地線路異常造成的電流故障，后續(xù)的配電工作極易受到電壓持續(xù)升高的影響，出現(xiàn)設(shè)備絕緣擊穿的現(xiàn)象，嚴(yán)重情況下甚至?xí)霈F(xiàn)線路相間異常等衍生故障。

1 配電線路單相接地行波保護(hù)方案

1.1 判斷配電線路單相接地行波異常

引進(jìn)極性比較原理，對配電線路單相接地行波異常進(jìn)行判斷，在此過程，需要比較突發(fā)故障時的初始化行波電流與電壓行波兩者之間的極性關(guān)系。當(dāng)兩者的極性關(guān)系呈現(xiàn)一種反向狀態(tài)時，可以判定此時電路存在正方向故障；當(dāng)兩者的極性關(guān)系相同時，可以判定此時電路存在反方向故障。將該理論引入配電網(wǎng)線路中，為了簡化極性關(guān)系的計算過程，可假定在電網(wǎng)中的所有輸電線路抗阻相同。在此情況下，無論線路中任何一根饋線發(fā)生異常，均可得到如下計算表達(dá)式：

式中：iF為配電線路突發(fā)故障時的初始化行波電流；iN為無故障現(xiàn)象配電線路的初始化行波電流；uM為母線位置的電壓行波；n為母線饋線數(shù)量；ur為配電線路突發(fā)故障時的電壓入射值；Z為阻抗。

由此可知，當(dāng)配電線路單相接地出現(xiàn)故障時，可以直接通過獲取故障行波的方式進(jìn)行故障識別與判斷。

1.2 設(shè)計保護(hù)插件結(jié)構(gòu)

在識別到配電線路的行波異常后，可采用在電路中集成保護(hù)插件的方式，進(jìn)行線路中供電設(shè)備的保護(hù)，避免由于電路或短路造成的供電異常與電力設(shè)備損壞。其中，保護(hù)插件的結(jié)構(gòu)由高速A/D開關(guān)、雙口RAM配置、濾波調(diào)控器、模擬開關(guān)、繼電芯片等構(gòu)成。當(dāng)前端識別到線路行波異常時，零序電流與阻抗對應(yīng)的電壓信號將通過截止頻率的傳輸信道，進(jìn)入濾波電路調(diào)控通道中，此時模擬開關(guān)將根據(jù)信號的采樣頻率，進(jìn)行導(dǎo)入信息的調(diào)控[1]。通常情況下，信號的采樣頻率為500～800 kHz，為了滿足實(shí)際保護(hù)需求，可設(shè)定A/D轉(zhuǎn)換的頻率為1 MHz，采樣后的行波數(shù)據(jù)將被存儲到RAM配置空間內(nèi)，雙口結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的循環(huán)處理，并實(shí)時更新最新獲取的8 ms數(shù)據(jù)，上述過程均是在CPLD芯片控制下實(shí)施的。

為了進(jìn)一步滿足高效保護(hù)需求，行波信號處理回路采用一個DSP芯片進(jìn)行控制，此時芯片將從RAM存儲空間內(nèi)進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的錄入。假定錄入的結(jié)果判定行波滿足配電線路保護(hù)需求，行波模塊將通過總線線路，進(jìn)行前端通信程序的驅(qū)動，以此便可以實(shí)現(xiàn)對配電線路中電氣設(shè)備的運(yùn)行保護(hù)。

1.3 基于小波轉(zhuǎn)換理論的保護(hù)動作邏輯規(guī)劃

在完成上述相關(guān)工作的基礎(chǔ)上，引進(jìn)小波轉(zhuǎn)換理論，對保護(hù)動作進(jìn)行邏輯規(guī)劃。在此過程中，將CPLD芯片與終端控制設(shè)備進(jìn)行對接，使用VHDL語言進(jìn)行邏輯時序的調(diào)控。當(dāng)前端啟動邏輯算法后，控制端將自動獲取配電線路的三相電壓值和電流值，將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波項(xiàng)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中，可將前端獲取的初始化零序電流表示為I0，將行波對應(yīng)的零序電壓表示為U0。對比I0與U0，提取變換過程中模量的極大值[2-3]。將極大值作為極性關(guān)系分析的依據(jù)，判斷極性是否為相反狀態(tài)。當(dāng)識別到I0與U0的極性相序相反時，繼續(xù)判斷工頻電壓是否在運(yùn)行過程中超過閾值。當(dāng)判斷結(jié)果顯示電壓超過閾值后，繼續(xù)按照此步驟進(jìn)行任意相電流是否超過閾值的判斷。當(dāng)確定配電線路單相接地行波存在故障現(xiàn)象或運(yùn)行中的異常狀態(tài)時，啟動保護(hù)插件裝置，并觸發(fā)前端異常報警，以此種方式，實(shí)現(xiàn)對行波的保護(hù)。

2 保護(hù)方案的應(yīng)用效果

文章設(shè)計了一種針對配電線路單相接地的行波保護(hù)方案，為了判斷設(shè)計的方案在實(shí)際應(yīng)用中可以及時根據(jù)異常行為發(fā)出預(yù)警，設(shè)計了如下應(yīng)用試驗(yàn)。

試驗(yàn)前，選擇一個配電結(jié)構(gòu)中輻射供電形態(tài)的配電網(wǎng)，配電網(wǎng)內(nèi)的中性點(diǎn)供電方式為單相接地運(yùn)行方式，線路運(yùn)行時，短路異常的最高容量為125.5 MVA，其中母線的短路運(yùn)行電流為5.780 kA，選擇的配電網(wǎng)中共含有5個母線出線，對應(yīng)的線路型號及其在配電網(wǎng)中的長度描述如表1所示。

根據(jù)表1，繪制試驗(yàn)過程中配電網(wǎng)的線路結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 配電線路單相接地線路結(jié)構(gòu)圖

在圖1接地線路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證所提保護(hù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)對接電線路的行波保護(hù)，人為設(shè)置多個線路故障節(jié)點(diǎn)。其中，故障節(jié)點(diǎn)Ⅰ為L2線路上，距離母線長度約2.455 km位置上出現(xiàn)了120 Ω電阻接地故障；故障節(jié)點(diǎn)Ⅱ?yàn)樵贚3線路上，距離母線長度為0.583 km位置上出現(xiàn)了單相接地故障問題；故障節(jié)點(diǎn)Ⅲ為在L5限流上，距離母線長度為2.241 km位置上出現(xiàn)了單相接地故障問題。已知該線路的大地電阻率為120 Ω/km，設(shè)置試驗(yàn)過程中的運(yùn)行時長為25 ms，最大弧垂長度為1.25 m。在上述應(yīng)用條件下，配電線路單相接地線路開始運(yùn)行，并引入所提保護(hù)方案。將3種故障問題發(fā)生時保護(hù)方案的具體操作情況進(jìn)行記錄，如表2所示。

表2 保護(hù)方案應(yīng)用情況記錄

從表2可以看出，所提保護(hù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)對線路故障問題的跳閘及報警，并且跳閘的響應(yīng)時間用于報警信號的傳輸速率均能夠滿足配電線路的安全、穩(wěn)定運(yùn)行需要。因此，結(jié)合上述保護(hù)方案的應(yīng)用效果分析得出，將該保護(hù)方案應(yīng)用到真實(shí)的配電站中，通過對線路零序電壓的判據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對其配電線路的全方位保護(hù)，并在發(fā)生故障問題時，第一時間給出正確的判斷及解決策略。

3 結(jié)論

電力產(chǎn)業(yè)是支撐我國市場經(jīng)濟(jì)可持續(xù)建設(shè)的支柱型產(chǎn)業(yè)，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的數(shù)十年內(nèi)，相關(guān)線路接地的保護(hù)問題一直是困擾技術(shù)研究學(xué)者的重點(diǎn)問題。為了解決接地保護(hù)工作中存在的問題，文章開展了配電線路單相接地行波保護(hù)方案的設(shè)計研究，并在完成設(shè)計后，對保護(hù)方案的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：所提保護(hù)方案應(yīng)用到真實(shí)的配電站中，通過對線路零序電壓的判斷，可實(shí)現(xiàn)對其配電線路的全方位保護(hù)，從而提高配電線路運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。