基于零序電壓調(diào)控的配電網(wǎng)對地泄漏電阻測量技術(shù)

白 浩，歐陽健娜，潘姝慧，吳麗芳，袁智勇

(1.中國南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510663；2.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣西 南寧 530023)

目前，中國的中低壓配電網(wǎng)投入運(yùn)行方式大多數(shù)采用中性點(diǎn)非有效接地[1]。系統(tǒng)發(fā)生單相間歇性電弧接地故障的概率較高，若故障點(diǎn)對地間歇性電流較大，則該電流不易熄滅。由于暫態(tài)過程中的積累效應(yīng)，系統(tǒng)中易產(chǎn)生間歇性電弧過電壓，進(jìn)而危及到設(shè)備絕緣，且電弧燃熄過程中極易導(dǎo)致相間故障，并擴(kuò)大故障范圍，此時(shí)需裝設(shè)消弧線圈抑制故障接地電流[2-3]。配電網(wǎng)對地參數(shù)包括對地電容及對地泄漏電導(dǎo)[4-5]，傳統(tǒng)消弧線圈僅能補(bǔ)償接地電流中占比較大的電容電流，而無法對泄漏電流進(jìn)行抑制。然而，由于中國配電網(wǎng)不斷地持續(xù)發(fā)展，用電量隨之持續(xù)增長。同時(shí)，電纜線路在配電網(wǎng)中的應(yīng)用也更為廣泛，各種因素使得配電網(wǎng)對地泄漏電阻增大。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地電流中包含的泄漏電流隨之增大，單純使用傳統(tǒng)消弧線圈無法有效地抑制泄漏電流，導(dǎo)致接地電流仍較大，引起故障點(diǎn)燃弧[6]。對地泄漏電阻的測量能夠反映系統(tǒng)對地絕緣情況，以保證系統(tǒng)的安全，因此配電網(wǎng)對地泄漏電阻的精準(zhǔn)測量在實(shí)際應(yīng)用中有著重要的意義。

現(xiàn)場常用的方法中，全電流補(bǔ)償消弧線圈可以分別對電容電流和泄漏電流進(jìn)行有效地補(bǔ)償和抑制故障過電壓，其補(bǔ)償容量及作用效果主要依賴于對配電網(wǎng)對地電容及對地泄漏電導(dǎo)測量的精確程度[7]。配電網(wǎng)有源消弧技術(shù)同樣對對地參數(shù)的測量精度有所要求[8]，這些方法中對地泄漏電阻測量的精度是不可忽視的一部分。由于傳統(tǒng)對地參數(shù)測量方法在測量對地電容方面已進(jìn)行較多研究，因此對地泄漏電阻的測量成為對地參數(shù)測量技術(shù)中的難點(diǎn)。

目前國內(nèi)外對于配電網(wǎng)對地參數(shù)測量方法的研究多種多樣，文獻(xiàn)[9]提出了一種實(shí)時(shí)測量中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)電容電流的單頻率測量法，該方法利用從電壓互感器開口三角側(cè)注入的一個(gè)恒流信號和測得的互感器非一次側(cè)的兩側(cè)相電壓計(jì)算得到配電網(wǎng)對地電容，可以避免互感器內(nèi)阻抗對參數(shù)測量的影響[10]，但該方法僅能計(jì)算配電網(wǎng)對地電容值，無法計(jì)算對地泄漏電阻，測量產(chǎn)生的對地參數(shù)誤差較大，在配電網(wǎng)有源消弧等故障處理技術(shù)中無法有效地應(yīng)用。向配電網(wǎng)注入電壓互感器開口側(cè)注入2個(gè)頻率不同的電流信號并測量其返回電壓信號[11]和注入3個(gè)不同頻率電流信號并測量開口三角側(cè)電壓幅值的方法[12]，稱為雙頻法和三頻法，其參數(shù)運(yùn)算量較為龐大，且精確度受到注入信號頻率的影響大，如果降低注入信號頻率，會導(dǎo)致對地泄漏電流測量誤差增大，將無法精確測量配電網(wǎng)對地泄漏電阻，不能較好地投入運(yùn)用。改進(jìn)掃頻法[13]測量對地參數(shù)雖然運(yùn)算簡單，但測量耗時(shí)較長，且不能對對地泄漏電阻進(jìn)行測量。文獻(xiàn)[14-15]采用雙電壓互感器測量對地參數(shù)的方法，利用雙電壓互感器構(gòu)成特征信號的循環(huán)回路以實(shí)現(xiàn)對地參數(shù)的實(shí)時(shí)測量，但只用于中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)，其適用范圍有所局限。

本文首先提出基于零序電壓調(diào)控的配電網(wǎng)對地泄漏電阻測量技術(shù)，通過選擇將合適的接地變壓器系統(tǒng)側(cè)繞組分接抽頭接地來調(diào)控系統(tǒng)零序電壓，所選擇的分接抽頭需要保證該零序電壓不會對系統(tǒng)造成沖擊，通過開口三角電壓互感器測量得到其電壓值；同時(shí)，用零序電流互感器測量所有饋線的零序電流，由零序電壓和零序電流計(jì)算得到配電網(wǎng)對地泄漏電阻；最后通過PSCAD/EMTDC仿真系統(tǒng)對該方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證分析其可靠性。該方法可以有效地消除消諧電阻以及零序電壓互感器內(nèi)阻抗對配電網(wǎng)對地泄漏電阻測量過程產(chǎn)生的影響，增強(qiáng)測量數(shù)據(jù)精度和可靠性，并使零序電壓互感器測量過程中不受配電網(wǎng)接地方式的影響，適用范圍得以擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)對地泄漏電阻的精確測量的同時(shí)彌補(bǔ)了現(xiàn)測量方法在測量對地泄漏電阻方面的不足。

1 對地泄漏電阻精確測量方法

1.1 對地泄漏電阻精確測量方法原理

圖1 基于零序電壓調(diào)控的非有效接地配電網(wǎng)對地泄漏電阻測量原理Figure 1 Schematic diagram of grounding leakage resistance measurement for non-effectively grounded distribution network based on zero sequence voltage regulation

調(diào)節(jié)接地變壓器系統(tǒng)側(cè)某相繞組對應(yīng)的任一分接抽頭x接地，中性點(diǎn)位移電壓U0將隨接地檔位的變化產(chǎn)生相應(yīng)的改變，電壓變化的幅度取決于調(diào)節(jié)的接地檔位所對應(yīng)的匝數(shù)Nx的變化情況，但電壓相位一直保持不變。

將該分檔調(diào)壓接地變壓器視為一個(gè)三繞組變壓器[16]，令接地變壓器系統(tǒng)側(cè)匝數(shù)為N，則可定義系統(tǒng)側(cè)到接地變壓器接地檔位點(diǎn)為1號繞組，漏抗為x1σ，匝數(shù)為(1-α)N，其中α定義為接地變短路繞組匝數(shù)與高壓側(cè)繞組匝數(shù)之比，其取值范圍為[0，1]；定義接地變壓器繞組經(jīng)分接抽頭接地部分繞組為2號繞組，漏抗為x2σ，匝數(shù)為αN；接地變壓器低壓側(cè)定義為3號繞組，漏抗為x3σ，規(guī)定其匝數(shù)為N′。

因?qū)⒔拥刈儔浩鞯刃槿@組變壓器，可以通過變壓器繞組內(nèi)部接地公式得到接地變壓器各繞組漏抗表達(dá)式為

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中ω為角頻率；λ0為鐵芯磁導(dǎo)；S為磁阻的截面積；ρ為漏磁通通過磁路的磁阻率；L為磁路長度。

大多數(shù)情況下接地變壓器的繞組電阻遠(yuǎn)小于其漏抗值，由此可得到其對地短路支路總零序阻抗為

(4)

由于短路繞組占比α的變化與接地變壓器接地檔位的調(diào)節(jié)程度成正比關(guān)系，可以將α作為式(1)～(3)中的自變量，其定義域即為α的取值范圍[0，1]。在該定義域下，隨著短路繞組占比α的增大，即調(diào)節(jié)接地變接地檔位增加，漏抗x1σ與x3σ單調(diào)遞減，而x2σ單調(diào)遞增。由式(4)可知，接地變壓器接地支路的總零序阻抗ZT0將隨之減小，這將導(dǎo)致系統(tǒng)零序電流增加。由于同一配電網(wǎng)接地方式下中性點(diǎn)接地阻抗Z的阻抗值不會發(fā)生變化，則接地變壓器中性點(diǎn)位移電壓隨零序電流的增加而增大。

由于在調(diào)節(jié)接地檔位進(jìn)行對地泄漏電阻測量的過程中，應(yīng)滿足中性點(diǎn)位移電壓不超過電力系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程的允許范圍的要求，這是為了保證配電網(wǎng)三相基本平衡，不會給電力設(shè)備造成較大損害，也不會對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成潛在威脅或?qū)е乱蛑行渣c(diǎn)位移電壓過高而造成的保護(hù)裝置誤動。因此，在進(jìn)行對地泄漏電阻測量時(shí)，需要避免接地檔位太大而導(dǎo)致接地變壓器的中性點(diǎn)電壓過大的情況，應(yīng)選取接地變壓器最低檔位分接抽頭來接地，產(chǎn)生的中性點(diǎn)位移電壓也會很小。

圖2 基于零序電壓調(diào)控的非有效接地配電網(wǎng)對地泄漏電阻測量等效電路Figure 2 Equivalent circuit diagram of grounding leakage resistance measurement for non-effectively grounded distribution network based on zero sequence voltage regulation

(5)

可以得到非有效接地配電網(wǎng)的對地泄露電阻運(yùn)算表達(dá)式為

(6)

泄露電流為

IR=Uφ/∑R

(7)

式(5)、(7)中ω為配電網(wǎng)頻率；Uφ為配電網(wǎng)相電壓。

1.2 測量方法的具體步驟

圖3 基于零序電壓調(diào)控的非有效接地配電網(wǎng)對地泄漏電阻測量流程Figure 3 Flow chart of measurement of grounding leakage resistance in non-effectively grounded distribution network based on zero sequence voltage regulation

2 仿真分析

2.1 仿真模型的搭建

如圖4所示，在PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建的10 kV非有效接地配電網(wǎng)模型并進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證本文所提測量技術(shù)的有效性。模型中包含一條架空線路和一條電纜線路，作為對實(shí)際配電網(wǎng)不同種類饋線的模擬分析；同時(shí)在母線上接有一系統(tǒng)側(cè)各繞組均勻分布有多個(gè)分接抽頭的接地變壓器，引出一個(gè)中性點(diǎn)，而系統(tǒng)側(cè)繞組上的各個(gè)分接抽頭分別通過引出線引接至接地開關(guān)S2處，以S2調(diào)節(jié)抽頭接地。非有效接地配電網(wǎng)饋線仿真參數(shù)如表1所示。通過將該配電網(wǎng)仿真模型的接地開關(guān)S1斷開，模擬配電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地方式。在t=0.1 s時(shí)，控制接地變壓器C相系統(tǒng)側(cè)繞組上的最低檔位分接抽頭通過接地開關(guān)S2引出接地，圖5表示系統(tǒng)零序電壓變化情況。

表1 饋線仿真參數(shù)Table 1 Feeder simulation parameters

圖4 基于零序電壓調(diào)控的非有效接地配電網(wǎng)對地泄漏電阻測量仿真Figure 4 Simulation diagram of grounding leakage resistance measurement for non-effectively grounded distribution network based on zero sequence voltage regulation

由圖5可知，接地變分接抽頭檔位接地后產(chǎn)生的零序電壓遠(yuǎn)小于10 kV配電網(wǎng)對地電壓，對系統(tǒng)三相電壓的對稱性影響很小，三相基本平衡，零序電壓的變化在電力系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程的允許范圍之內(nèi)，不會給電力設(shè)備造成較大損害，保證了配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，確保該方法實(shí)行可靠。

圖5 中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)零序電壓變化情況Figure 5 Variation of the zero sequence voltage in neutral point ungrounded distribution network

2.2 不同接地方式下對地泄漏電阻測量分析

為模擬配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，將接地開關(guān)S1閉合，此時(shí)中性點(diǎn)通過以可調(diào)消弧線圈接地。先調(diào)節(jié)消弧線圈阻抗值以確定此時(shí)脫諧度為5%，調(diào)節(jié)接地變壓器C相系統(tǒng)側(cè)繞組上的最低檔位分接抽頭通過接地開關(guān)S2引出接地，并利用測得的零序電壓以及零序電流計(jì)算得出在該脫諧度下中性點(diǎn)非有效接地配電網(wǎng)的對地泄漏電阻數(shù)據(jù)，如圖6所示，表示中性點(diǎn)非有效接地配電網(wǎng)在脫諧度為5%情況下對地泄漏電阻變化情況。保持同一接地檔位接地，改變消弧線圈阻抗值，使其脫諧度分別為5%、8%、10%、100%(其中，脫諧度100%則表示S1斷開的情況，以模擬配電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地方式)，并將測得的配電網(wǎng)對地泄漏電阻數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

圖6 脫諧度為5%的非有效接地配電網(wǎng)對地泄漏電阻變化情況Figure 6 Changes of the grounding leakage resistance in non-effectively grounded distribution network with a detuning degree of 5%

表2 同一接地檔位不同脫諧度下對地泄漏電阻測量結(jié)果Table 2 Measurement results of grounding leakage resistance under the same grounding tap with different detuning degrees

由表2可知，在不同的脫諧度下，對地泄露電阻測量誤差都控制在0.05%以內(nèi)，滿足配電網(wǎng)對地參數(shù)測量精度要求，驗(yàn)證了該對地泄漏電阻測量技術(shù)的精確性；同時(shí)，證明該方法不受配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式影響，適用范圍更廣，運(yùn)用可靠性較高。

2.3 不同接地檔位對地泄漏電阻測量分析

斷開接地開關(guān)S1，使配電網(wǎng)處于中性點(diǎn)不接地方式下，不改變配電網(wǎng)對地泄漏電阻值，在接地變壓器系統(tǒng)側(cè)C相繞組上設(shè)置5個(gè)不同的接地檔位分接抽頭T1至T5，其順序從位于中性點(diǎn)側(cè)的最低檔位往系統(tǒng)側(cè)依次增加。調(diào)節(jié)接地變壓器C相系統(tǒng)側(cè)繞組不同分接抽頭接地，得到不同接地檔位下的零序電壓和對地泄漏電阻數(shù)據(jù)如表3所示。由表3可知，隨著接地檔位增加，零序電壓隨之增大，但并未超過電力系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程的允許范圍，不會對系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行產(chǎn)生潛在威脅；同時(shí)，調(diào)節(jié)不同接地檔位接地測量得到的對地泄漏電阻結(jié)果誤差仍然滿足配電網(wǎng)其測量精度的要求，驗(yàn)證了該方法測量的可靠性。

表3 不同接地檔位下對地泄漏電阻測量結(jié)果Table 3 Measurement results of grounding leakage resistance under different grounding taps

3 結(jié)語

針對傳統(tǒng)配電網(wǎng)對地參數(shù)測量技術(shù)中對于對地泄漏電阻準(zhǔn)確測量研究的不足，并為解決傳統(tǒng)方法中無法消除對地參數(shù)測量過程中的消諧電阻和電壓互感器內(nèi)阻抗產(chǎn)生的影響的問題和適用范圍受接地方式局限的困擾，本文提出了基于零序電壓調(diào)控的非有效接地配電網(wǎng)對地泄漏電阻測量技術(shù)，利用配電網(wǎng)外接特制的帶有分接抽頭Y/△接線接地變壓器，通過讓合適的接地變壓器分接抽頭接地，改變并通過開口三角電壓互感器測量得到配電網(wǎng)零序電壓，同時(shí)利用饋線終端單元零序電流互感器測量出所有饋線的零序電流，以對地參數(shù)支路的電壓和電流運(yùn)算得出配電網(wǎng)對地泄漏電阻。利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建非有效接地配電網(wǎng)模型進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了該技術(shù)的精確性和可靠性，且在測量過程中其確保了產(chǎn)生的零序電壓并未超過電力系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程的允許范圍，不會危害電力設(shè)備安全和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，該技術(shù)不受配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的影響，適用范圍更加廣泛，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。