暫態(tài)方向法對配電網(wǎng)單相斷線不接地故障的適應(yīng)性分析

黃呂超, 何清余, 崔明濤, 邢玉龍, 胡源源, 張 航, 常仲學(xué), 宋國兵

(1.國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團有限公司, 北京 102211; 2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 陜西 西安 710049)

1 引言

配電線路因為雷擊等原因會形成斷線故障,如果不及時處理該類故障,則會造成電力系統(tǒng)過電壓、周圍人畜傷亡、山火等事故,嚴重威脅人民群眾的生命財產(chǎn)安全和電網(wǎng)運行安全[1,2]。

近幾年人們已認識到解決配電網(wǎng)斷線故障的迫切性,目前的研究主要包括單相斷線故障特征分析以及選線和區(qū)段定位方法。文獻[3]指出配電網(wǎng)發(fā)生單相斷線后有兩側(cè)都不接地、僅負荷側(cè)接地、僅電源側(cè)接地以及兩側(cè)都接地4種形態(tài);文獻[4-7]分別分析了中性點不接地、小電阻接地和經(jīng)消弧線圈接地情況下前三種斷線形態(tài)的電壓特征以及逆變型分布式電源接入對電壓特征的影響,對單相斷線故障檢測具有重要意義。目前單相斷線故障檢測方法主要包括基于電壓特征、電流特征以及綜合電壓、電流特征的方法;文獻[8-14]分別提出了基于中壓側(cè)或低壓側(cè)穩(wěn)態(tài)相電壓、序電壓、線電壓或其組合的單相斷線故障檢測方法,文獻[15]提出了基于不同頻率分量的暫態(tài)電壓檢測方法,以上方法具有較高靈敏度,但都需要基于通信實現(xiàn),不適用于就地型饋線自動化。文獻[16-19]提出了基于相電流、序電流或其組合的單相斷線故障檢測方法,通過時間級差配合可以實現(xiàn)單相斷線故障的就地隔離,但在線路輕載時靈敏度較低,也易受斷線位置的影響。文獻[20-22]提出了電壓和電流的組合判據(jù),同樣線路輕載時靈敏度較低。文獻[23-25]利用用電側(cè)信息提出了基于人工智能算法的斷線故障檢測方法,需要較大的樣本數(shù)據(jù)對算法進行訓(xùn)練,且依賴于信息采集系統(tǒng)的完善程度。

綜上,目前斷線故障的檢測已經(jīng)取得了很好的進展,但所提方法大都需要對現(xiàn)場保護或終端的算法進行改造升級,而基于暫態(tài)零序電壓和零序電流的單相接地故障檢測方法廣泛應(yīng)用[26],如果該類方法可一定程度兼顧單相斷線故障,則可減少改造工作量。文獻[27]在分析單相斷線故障下的零序電壓和零序電流暫態(tài)特征的基礎(chǔ)上得到了傳統(tǒng)基于零序電壓和電流暫態(tài)選線判據(jù)可適用于單相斷線故障,但暫態(tài)過程的推導(dǎo)復(fù)雜,且缺乏對啟動判據(jù)和區(qū)段定位方法適應(yīng)性的論述。

假設(shè)在導(dǎo)線自由落體墜地的情況下,單相斷線發(fā)生距任意側(cè)或兩側(cè)導(dǎo)線墜地時間約為1 s[27],也即任何單相斷線形態(tài)下首先發(fā)生的是斷線不接地故障。傳統(tǒng)的選線方法大多基于零序電壓啟動[28],為此本文主要論述了單相斷線不接地故障下的零序電壓啟動判據(jù)以及零序暫態(tài)方向法的適應(yīng)性。本文首先推導(dǎo)了單相斷線不接地形態(tài)下故障點兩側(cè)零序電壓的工頻向量表達式,分析了小電流接地系統(tǒng)的電容電流、斷線位置對零序電壓幅值的影響,得到了零序電壓啟動判據(jù)對單相斷線不接地故障的適應(yīng)性,在此基礎(chǔ)上給出了單相斷線故障的零序網(wǎng)絡(luò),分析了斷線點前后暫態(tài)零序電壓電流的分布規(guī)律,并給出了零序暫態(tài)方向法的適應(yīng)性,仿真結(jié)果表明適應(yīng)性分析結(jié)論正確。

2 零序電壓啟動判據(jù)的適應(yīng)性分析

2.1 零序電壓的解析表達

在考慮配電網(wǎng)中性點接地方式、線路對地電容、負荷以及斷線不接地故障位置的情況下,建立如圖1所示的簡化分析模型。

圖1 簡化的配電網(wǎng)模型Fig.1 Simplified distribution model

為了簡化分析,下文分析基于以下假設(shè)展開:①三相電源和線路對地電容以及負載完全對稱;②不考慮負荷電流帶來的線路和變壓器高壓側(cè)繞組上的壓降;③故障相故障點下游線路對地容抗遠大于負載等效阻抗。

不管中性點不接地還是經(jīng)消弧線圈接地,斷線不接地故障發(fā)生后中性點電壓都會偏移,電源側(cè)的三相電壓為:

(1)

根據(jù)KVL可得負荷側(cè)的三相電壓為:

(2)

根據(jù)故障時全網(wǎng)的對地電流為0可得:

(3)

式中

(4)

系統(tǒng)對地電容電流為:

(5)

結(jié)合式(1)～式(4)可得:

(6)

式(6)為單相斷線不接地故障電源側(cè)的零序電壓,根據(jù)式(2)和式(6)可得負荷側(cè)的零序電壓為:

(7)

2.2 中性點不接地系統(tǒng)啟動判據(jù)的適應(yīng)性

結(jié)合式(4)～式(7)可以得到中性點不接地系統(tǒng)單相斷線不接地時電源側(cè)和負荷側(cè)的零序電壓為:

(8)

從式(8)可以看出對于中性點不接地系統(tǒng),斷線點兩側(cè)零序電壓幅值僅與斷線位置有關(guān),與系統(tǒng)電容電流無關(guān)。

文獻[28]建議的零序電壓啟動定值U0set最低為0.18 pu,圖2給出故障點兩側(cè)零序電壓隨故障位置變化曲線。當(dāng)m>0.88時,電源側(cè)零序電壓低于啟動值,當(dāng)m<0.12時,負荷側(cè)零序電壓小于啟動值,因此要保證全網(wǎng)終端啟動的條件是0.120.88,即斷線下游故障線路對地電容小于故障相總對地電容的0.12倍時,電源側(cè)零序電壓將不啟動。

圖2 零序電壓隨故障位置的關(guān)系Fig.2 Relationship between zero sequence voltage and fault position

2.3 消弧線圈接地系統(tǒng)啟動判據(jù)的適應(yīng)性

對于消弧線圈接地系統(tǒng),單相斷線不接地時電源側(cè)和負荷側(cè)的零序電壓為:

(9)

式中,p為補償度,一般取5%～10%。

從式(9)可以看出消弧線圈接地系統(tǒng)單相斷線不接地時斷線點兩側(cè)的零序電壓與故障位置以及補償度有關(guān),圖3和圖4分別給出不同補償度下電源側(cè)和負荷側(cè)的零序電壓。

圖3 不同補償度下電源側(cè)零序電壓隨故障位置的關(guān)系Fig.3 Relationship between source side zero sequence voltage and fault position under different p

圖4 不同補償度下負荷側(cè)零序電壓隨故障位置的關(guān)系Fig.4 Relationship between load side zero sequence voltage and fault position under different p

同樣取零序電壓啟動值為0.18 pu,從圖3可以看出當(dāng)補償度為5%時,電源側(cè)零序電壓不啟動需要滿足m>0.994,當(dāng)補償度為10%時,電源側(cè)零序電壓不啟動需要滿足m>0.988,可以看出經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的零序電壓啟動判據(jù)死區(qū)小于中性點不接地系統(tǒng),僅在某條出線末端故障時電源側(cè)零序電壓啟動判據(jù)存在死區(qū),且死區(qū)隨著補償度增大而增大。從圖4可以看出任意補償度和斷線位置下負荷側(cè)零序電壓幅值恒大于啟動值,也即負荷側(cè)不存在死區(qū)。

3 零序暫態(tài)方向法的適應(yīng)性

3.1 零序暫態(tài)方向法

零序暫態(tài)方向法本質(zhì)是比較暫態(tài)零序電壓和零序電流的方向。對于單相接地故障來講,故障線路故障點上游所有測點的暫態(tài)零序電壓u0和零序電流i0滿足:

(10)

健全線路以及故障點下游線路的暫態(tài)零序電壓u0和零序電流i0滿足:

(11)

零序暫態(tài)方向系數(shù)為:

(12)

式中,N為暫態(tài)過程持續(xù)時間對應(yīng)的采樣點個數(shù);i0(k)為零序電流的第k個采樣點值;du0(k)為零序電壓的第k個采樣點對應(yīng)的導(dǎo)數(shù),具體為:

(13)

式中,TS為采樣步長。

對于站內(nèi)選線來講,當(dāng)計算得到的D<0時為故障線路,D>0時為健全線路。對于區(qū)段定位來講,當(dāng)D<0時認為故障發(fā)生在測點下游,D>0時認為故障發(fā)生在測點上游。

3.2 斷線不接地故障零序電氣量分布特征

以兩條出線的配電網(wǎng)拓撲為例,根據(jù)前文分析斷線不接地故障發(fā)生后斷線點兩側(cè)都會出現(xiàn)零序電壓,所以單相斷線不接地故障時的零序網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

圖5 單相斷線不接地故障的零序網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Zero sequence network under single phase line breakage with neither side conductor grounded fault

圖5中,C1、C1d、C2分別為故障點上游線路對地電容、故障點下游線路對地電容以及健全線路對地電容,i01、i01d、i02分別為故障點上游、故障點下游以及健全線路零序電流,uOM為故障點上游零序電壓,uON為故障點下游零序電壓,YN為中性點等效導(dǎo)納。

從圖5可以看出,對于故障點下游線路和健全線路來講,零序電流都是零序電壓激勵下的對地電容電流,而對于故障點上游線路來講,零序電流是零序電壓激勵上游線路對地電容、健全線路對地電容、中性點阻抗(暫態(tài)高頻分量可認為開路,也即YN=0)形成的電流,也即:

(14)

式中,Ceq為健全線路和中性點導(dǎo)納綜合等效的電容。從式(14)可以看出單相斷線不接地故障時故障點上游線路測點的暫態(tài)零序電壓和零序電流滿足負電容約束,而健全線路和故障點下游線路的暫態(tài)零序電壓和電流滿足電容約束。

3.3 適應(yīng)性分析

從單相斷線不接地故障的各測點零序電壓和零序電流的關(guān)系可以看出,對于故障點上游線路,計算得到的D<0,對于健全線路和故障點下游線路來講,計算得到的D>0,即基于暫態(tài)方向法的站內(nèi)選線以及區(qū)段定位方法適用于單相斷線不接地故障。

4 仿真驗證

為了驗證本文分析的正確性,基于PSCAD建立兩條出線的配電網(wǎng)仿真模型,如圖6所示。

圖6 基于PSCAD的配電網(wǎng)仿真模型Fig.6 PSCAD based simulation model of distribution network

圖6中開關(guān)K打開為中性點不接地系統(tǒng),閉合為經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng),每條線路長10 km,相對地導(dǎo)納為110×10-6S/km。

對于不接地系統(tǒng),在線路2距離母線0 km(m=0.5)和9 km(m=0.95)處設(shè)置A相斷線不接地故障,電源側(cè)和負荷側(cè)零序電壓標幺值分別如圖7和圖8所示,可以看出,當(dāng)m=0.95時電源側(cè)零序電壓小于啟動值,當(dāng)m=0.5時電源側(cè)零序電壓大于啟動值,而負荷側(cè)零序電壓恒大于啟動值,與理論分析一致。進一步,當(dāng)m=0.5時通過式(12)計算得到的故障線路故障點上游、故障點下游以及健全線路零序暫態(tài)方向系數(shù)D02、D02d、D01如圖9所示,從圖9可知,D02<0,D01>0,D02d>0,這與理論分析一致,表明零序暫態(tài)方向法可檢測單相斷線不接地故障。

圖7 不接地系統(tǒng)不同斷線位置下的電源側(cè)零序電壓Fig.7 Zero sequence voltage of source side under different fault positions for ungrounded system

圖8 不接地系統(tǒng)不同斷線位置下的負荷側(cè)零序電壓Fig.8 Zero sequence voltage of load side under different fault positions for ungrounded system

圖9 m=0.5時的暫態(tài)方向系數(shù)Fig.9 Transient direction coefficients when m=0.5

對于消弧線圈接地系統(tǒng),分別仿真補償度為5%和10%情況下線路2不同位置單相斷線不接地故障時的特征,零序電壓標幺值見表1,零序暫態(tài)方向系數(shù)見表2。從表1可以看出當(dāng)m=1時,電源側(cè)零序電壓小于啟動值,不滿足啟動要求,除此之外,不同補償度下故障點上游測點的暫態(tài)方向系數(shù)為負,其他都為正,這與理論分析一致,表明暫態(tài)方向法同樣適用于消弧線圈接地系統(tǒng)的單相斷線不接地故障檢測。

表1 消弧線圈接地系統(tǒng)的零序電壓Tab.1 Zero sequence voltage for arc-supressing coil grounded system

表2 消弧線圈接地系統(tǒng)的零序暫態(tài)方向系數(shù)Tab.2 Zero sequence transient directional coefficient for arc-supressing coil grounded system

這里需要說明暫態(tài)方向系數(shù)大小與對地電容和電壓導(dǎo)數(shù)有關(guān),不同斷線位置下零序電壓和對地電容都不相等,因此各種情況下的暫態(tài)方向系數(shù)不同。

5 結(jié)論

本文在分析單相斷線不接地故障零序電壓和電流特征的基礎(chǔ)上給出了暫態(tài)方向法對單相斷線不接地故障的適應(yīng)性,理論分析和仿真結(jié)果表明:

(1)在中性點不接地系統(tǒng)中,單相斷線不接地故障電源側(cè)零序電壓幅值隨故障點上游對地電容占總對地電容比例的增大而減小,而負荷側(cè)零序電壓幅值隨故障點上游對地電容占總對地電容比例的增大而增大;消弧線圈接地系統(tǒng)中電源側(cè)和負荷側(cè)零序電壓幅值都隨故障點上游對地電容占總對地電容比例的增大而減小。

(2)當(dāng)零序電壓啟動判據(jù)定值為0.18 pu時,不管是中性點不接地系統(tǒng)還是經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng),電源側(cè)裝置都存在啟動死區(qū),而負荷側(cè)裝置都能啟動,但相同位置故障時,經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的零序電壓啟動判據(jù)比不接地系統(tǒng)的啟動判據(jù)靈敏。

(3)在各測點裝置都能啟動的情況下,暫態(tài)方向法可檢測單相斷線不接地故障。

單相斷線故障可能發(fā)展成其他斷線形態(tài),當(dāng)零序電壓啟動判據(jù)存在死區(qū)時,后續(xù)還需研究發(fā)展為其他斷線形態(tài)后的啟動判據(jù)和暫態(tài)方向法的適應(yīng)性,對于不適應(yīng)的情況將開展專門的單相斷線故障檢查方法研究。