不對(duì)稱(chēng)配電網(wǎng)的單相接地故障分析及動(dòng)態(tài)接地方式研究

楊舍近， 李 軍， 安東亮， 狄京元， 馬心良， 李必偉

(1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司漯河供電局，河南 漯河462000； 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114; 3.長(zhǎng)沙信長(zhǎng)電力科技有限公司，長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

我國(guó)配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式大致可分為不接地、消弧線圈接地、小電阻接地3種[1-2]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各接地方式都出現(xiàn)了不同程度的缺陷。例如小電阻接地方式存在高阻死區(qū)以及供電可靠性差[3]，弧線圈接地方式存在故障選線正確率不高，接地方式存在故障時(shí)不能可靠熄弧等問(wèn)題。同樣，配電網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜的線路、配電網(wǎng)切換運(yùn)行方式帶來(lái)的擾動(dòng)、線路所經(jīng)過(guò)的地貌不同而導(dǎo)致的三相對(duì)地電容不對(duì)稱(chēng)等方面，給配電網(wǎng)故障選線帶來(lái)的巨大的挑戰(zhàn)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)不對(duì)稱(chēng)配電網(wǎng)接地故障選線做了大量的研究，文獻(xiàn)[4]研究了不對(duì)稱(chēng)配電網(wǎng)不接地、消弧線圈接地方式下發(fā)生單相接地故障的零序電壓軌跡，文獻(xiàn)[5]研究了不對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)發(fā)生弧光接地過(guò)電壓的故障機(jī)理，文獻(xiàn)[6]研究了利用兩次戴維南變換研究了不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)的零序電流分布情況，文獻(xiàn)[7]提取故障前后特征量，提出利用算法分析來(lái)解決不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)故障選線的問(wèn)題。

本研究通過(guò)分析主流接地方式下的不對(duì)稱(chēng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障所出現(xiàn)的問(wèn)題，提出利用中性點(diǎn)位移電壓以及饋線零序電流突變量作為啟動(dòng)判據(jù)的動(dòng)態(tài)接地方式。并在啟動(dòng)判據(jù)后，根據(jù)一定的延時(shí)，判別故障所發(fā)生的類(lèi)型，動(dòng)態(tài)切換中性點(diǎn)的接地方式，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)所發(fā)生的不同故障的分類(lèi)處理。并在漯河真型試驗(yàn)場(chǎng)驗(yàn)證了該方法對(duì)于不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)故障選線的準(zhǔn)確性。

1 接地系統(tǒng)故障分析

1.1 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)分析

配電網(wǎng)三相饋線對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱(chēng)是普遍存在的，因?yàn)榧芸站€路每條饋線各相線均長(zhǎng)短不一造成的饋線對(duì)地電容不對(duì)稱(chēng)，盡管可能電網(wǎng)總的不對(duì)稱(chēng)度近乎為0，但不代表各饋線上對(duì)地電容處于對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。架空線路電網(wǎng)的不對(duì)稱(chēng)度通常為0.5%～1.5%，嚴(yán)重時(shí)能達(dá)到5%，電纜線的不對(duì)稱(chēng)度相比架空線路小[8-15]。電網(wǎng)三相對(duì)地電容不對(duì)稱(chēng)是造成不平衡電流產(chǎn)生的主要原因之一。

不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)單相接地故障等效電路如圖1所示。圖中üA、üB、üC為三相電源電壓；L為消弧線圈等效電感；gL為消弧線圈阻尼在內(nèi)的中性點(diǎn)并聯(lián)電導(dǎo)，可忽略不計(jì)；CAi、CBi、CCi為各線路三相對(duì)地分布電容；gAi、gBi、gCi為各線路三相對(duì)地分布電導(dǎo)，由于三相絕緣電力設(shè)備受污損情況近乎相同，可以認(rèn)為gAi=gAi=gAi=g0i，Yi=jωCi+gi；Rf為過(guò)渡電阻。開(kāi)關(guān)K閉合為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。當(dāng)電網(wǎng)未發(fā)生不完全接地故障前，各饋線對(duì)地電容不平衡電流為

(1)

圖1 不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)單相接地故障等效電路Fig.1 Equivalent circuit of single-phase grounding fault in asymmetric power grid

(2)

(3)

從式(2)、式(3)可看出，在脫諧度的影響下，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)電壓要大于中性點(diǎn)不接地不對(duì)稱(chēng)電壓。結(jié)合式(1)可知，不平衡電流在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時(shí)會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似諧振的效應(yīng)，脫諧度會(huì)改變不平衡電流大小和方向，當(dāng)電網(wǎng)趨近于全補(bǔ)償時(shí)，不平衡電流會(huì)產(chǎn)生激增遠(yuǎn)大于中性點(diǎn)不接地時(shí)的不平衡電流。

1.2 不接地系統(tǒng)故障特征分析

(4)

(5)

可得系統(tǒng)中非故障線路零序電流為

(6)

故障線路零序電流為

(7)

1.2.1 對(duì)地電容不平衡電流

故障饋線對(duì)地電容不平衡電流：

(8)

非故障饋線對(duì)地電容不平衡電流：

(9)

由式(8)(9)可以看出，各饋線對(duì)地電容不平衡電流大小方向取決于不對(duì)稱(chēng)電壓和線路不對(duì)稱(chēng)因子，由于各饋線對(duì)地電容不對(duì)稱(chēng)因子的大小和方向存在隨機(jī)性，故各饋線對(duì)地電容不平衡電流分布不存在規(guī)律性。對(duì)地電容不平衡電流分布如圖2所示。

圖2 對(duì)地電容不平衡電流分布圖Fig.2 Unbalanced current distribution of capacitance to ground

1.2.2 平衡電流

故障饋線平衡電流：

(10)

非故障饋線平衡電流：

(11)

圖3 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)平衡電流分布圖Fig.3 Balance current distribution diagram of neutral point ungrounded system

1.3 消弧線圈接地系統(tǒng)故障特征分析

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生不完全接地故障后中性點(diǎn)位移電壓：

(12)

非故障線路零序電流為

(13)

故障線路零序電流為

(14)

2 動(dòng)態(tài)接地方式研究

2.1 原理介紹

中性點(diǎn)動(dòng)態(tài)接地方式將消弧線圈和電阻接地方式的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一個(gè)系統(tǒng)中，不僅保留消弧線圈接地方式自動(dòng)消除瞬時(shí)性單相接地故障、供電可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，還集成了電阻接地方式過(guò)電壓水平較低、能快速切除故障的優(yōu)點(diǎn)。其基本結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)接地方式基本結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Basic structure diagram of dynamic grounding method

圖4上半部分通過(guò)接地變壓器與變電站母線相連，用于引出系統(tǒng)中性點(diǎn)，下半部分為接入接地變壓器二次的測(cè)量支路、消弧線圈支路、電阻支路；測(cè)量支路為一個(gè)中性點(diǎn)電壓的互感器TV；消弧線圈支路由開(kāi)關(guān)QFD、消弧線圈L、阻尼電阻RZ及電流互感器TA組成，QFD為消弧線圈支路的投切開(kāi)關(guān)；電阻支路為中性點(diǎn)電阻與電阻投切開(kāi)關(guān)QFR組成。通過(guò)在不同時(shí)間投切不同的開(kāi)關(guān)，就能實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式和電阻接地方式地動(dòng)態(tài)切換。中性點(diǎn)動(dòng)態(tài)接地方式的工作原理如下。

1)方式首先工作在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，此時(shí)QFD開(kāi)關(guān)閉合，QFR開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；若系統(tǒng)平衡，測(cè)量支路中性點(diǎn)電壓互感器數(shù)值近似為0，若系統(tǒng)不平衡，系統(tǒng)雖然中性點(diǎn)電壓，但是數(shù)值不會(huì)突變很大，不會(huì)啟動(dòng)故障處理流程。此時(shí)裝置處于監(jiān)控狀態(tài)，實(shí)時(shí)測(cè)量中性點(diǎn)電壓，正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)一直處于消弧線圈接地方式下。

2)當(dāng)裝置檢測(cè)到系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，此時(shí)中性點(diǎn)電壓和故障線路的零序電流會(huì)產(chǎn)生數(shù)值較大突變，此時(shí)裝置啟動(dòng)故障處理流程，首先依然工作在消弧線圈接地方式下，利用消弧線圈提供的感性電流對(duì)故障點(diǎn)電流進(jìn)行補(bǔ)償，以促進(jìn)熄弧。延時(shí)Δt1對(duì)故障點(diǎn)電流持續(xù)補(bǔ)償，如為瞬時(shí)性接地故障，電弧自熄絕緣恢復(fù)。中性點(diǎn)電壓亦復(fù)歸，裝置復(fù)歸，系統(tǒng)正常運(yùn)行，裝置繼續(xù)處于監(jiān)控狀態(tài)。

3)如為永久性接地故障，即工作消弧線圈補(bǔ)償Δt1后，測(cè)量支路測(cè)量中性點(diǎn)電壓大于設(shè)定閾值UK?？紤]到消弧線圈接地方式存在故障選線困難，將電阻支路開(kāi)關(guān)QFR閉合，延時(shí)Δt2時(shí)間之后，斷開(kāi)消弧線圈支路開(kāi)關(guān)QFD，此時(shí)系統(tǒng)處于電阻接地方式下，故障饋線與非故障饋線的零序電流存在明顯數(shù)值上的差異，利用可靠的零序電流群體比幅法即可選出故障饋線。

4)利用零序電流群體比幅法選出故障饋線后，發(fā)出跳閘命令并報(bào)警。命令發(fā)出后依然退會(huì)至消弧線圈接地方式下，接地方式恢復(fù)到初始的工作模式，繼續(xù)測(cè)量電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)工作在電阻接地方式下，時(shí)間短僅僅投入電阻進(jìn)行快速選線，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。程序設(shè)置有嚴(yán)格開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)，可自動(dòng)或手動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)，出錯(cuò)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 熄弧時(shí)間確定

由于動(dòng)態(tài)接地方式最初的接地方式為消弧線圈接地，而采用消弧線圈接地系統(tǒng)一般采用過(guò)補(bǔ)償，其補(bǔ)償度一般不超過(guò)10%。所以消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，經(jīng)過(guò)故障點(diǎn)的故障電流一般小于10 A。中國(guó)電科院曾進(jìn)行了10 kV消弧線圈接地系統(tǒng)的自熄弧試驗(yàn)，模擬故障點(diǎn)單相接地故障電流為5-30 A的燃弧弧時(shí)間及熄弧概率，如表1、2所示。

表1 消弧線圈系統(tǒng)不同故障電流的燃弧時(shí)間Table 1 The arcing time of the arc suppression coil system with different fault currents

表2 單相接地故障電弧自熄弧概率Table 2 Single-phase ground fault arc self-extinguishing probability

試驗(yàn)結(jié)果表明：消弧線圈接地方式下，當(dāng)下單相接地故障點(diǎn)電流小于10 A時(shí)，自熄弧概率為100%，且瞬時(shí)性故障燃弧時(shí)間小于1 s。因此故障延時(shí)時(shí)間可整定為1 s，若故障出現(xiàn)時(shí)間仍大于整定值，可判斷所出現(xiàn)的故障為永久性單相接地故障，經(jīng)動(dòng)態(tài)切換接地方式后，檢測(cè)并切除發(fā)生故障的饋線。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證動(dòng)態(tài)接地方式對(duì)于不對(duì)稱(chēng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障的檢測(cè)能力，在漯河真型試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。該試驗(yàn)場(chǎng)利用集中參數(shù)代替分布參數(shù)真實(shí)模擬運(yùn)行的10 kV配電網(wǎng)，饋線上配有對(duì)地電容器、電抗器，可調(diào)整路線上電容器、電抗器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種不對(duì)稱(chēng)情況；中性點(diǎn)經(jīng)接地變引出后可接入不同的接地方式。該真值模擬網(wǎng)結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖5、6所示，

圖5 真型試驗(yàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.5 Topological diagram of the real test field structure

圖6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.6 Photos of field test

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)于消弧線圈系統(tǒng)在不對(duì)稱(chēng)配電網(wǎng)故障選線難的問(wèn)題，在漯河真型試驗(yàn)場(chǎng)驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)接地方式在不對(duì)稱(chēng)情況下，發(fā)生永久性單相接地故障試驗(yàn)。試驗(yàn)進(jìn)行了故障為金屬性、1 000 Ω、2 000 Ω、3 000 Ω、3 500 Ω的單相接地故障，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 動(dòng)態(tài)接地方式永久性故障試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Permanent fault test data of dynamic grounding method

分析表3中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)動(dòng)態(tài)接地方式為消弧線圈接地方式時(shí)，故障線路零序電流不為最大值，無(wú)法利用零序電流比幅法選出故障線路；當(dāng)動(dòng)態(tài)切換為電阻接地方式時(shí)，故障線路零序電流增大，非故障線路在高阻接地時(shí)線路零序電流減小，且故障線路零序電流幅值最大，可利用零序電流比幅法正確選出故障線路。試驗(yàn)驗(yàn)證證明動(dòng)態(tài)接地方式在電網(wǎng)不對(duì)稱(chēng)情況下，故障電阻為3 500 Ω時(shí)仍能準(zhǔn)確選出故障線路。圖7為故障點(diǎn)電阻為1 000、2 000 Ω時(shí)線路零序電流波形

圖7 故障點(diǎn)電阻為1 000、2 000 Ω時(shí)各饋線零序電流波形Fig.7 The zero sequence current waveform of each feeder when the fault point resistance is 1 000, 2 000 Ω

4 結(jié)論

通過(guò)理論分析及試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1)在配電網(wǎng)不對(duì)稱(chēng)情況下，消弧線圈接地系統(tǒng)、不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，各線路零序電流存在平衡分量以及不平衡分量；特別是消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障線路平衡電流是由非故障線路平衡電流及對(duì)稱(chēng)電壓激勵(lì)下消弧線圈產(chǎn)生的感性電流組成，方向取決于對(duì)稱(chēng)電壓激勵(lì)下消弧線圈產(chǎn)生的感性電流的大小。

2)將中性點(diǎn)位移電壓、饋線零序電流作為判斷故障發(fā)生的選線判據(jù)，并根據(jù)消弧線圈補(bǔ)償后殘余電流熄弧時(shí)間作為切換接地方式的延時(shí)整定，排除系統(tǒng)運(yùn)行方式改變、消弧線圈調(diào)諧、瞬時(shí)性故障等因素的帶來(lái)的干擾。

3)在漯河真型試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了中性點(diǎn)經(jīng)動(dòng)態(tài)接地試驗(yàn)，試驗(yàn)驗(yàn)證表明，動(dòng)態(tài)接地方式故障電阻識(shí)別效果能達(dá)到3 500 Ω，能有效解決消弧線圈接地系統(tǒng)在不對(duì)稱(chēng)情況下故障選線的難題。