基于零序电流特性的中性点灵活接地系统的故障选线方法.pdf

第 卷第 期东北电力大学学报.年 月 基金项目:国家电网公司智能电网联合基金项目():./.基于零序电流特性的中性点灵活接地系统的故障选线方法黄亚峰王浩天朱登宝李梦娇孙博延(东北电力大学电气工程学院吉林 吉林)摘 要:在配电网小电流接地系统中当发生单相接地故障时线路零序电流信号十分微弱尤其是高阻接地故障时难以进行准确选线 文中提出了基于新型中性点灵活接地的配电网故障选线新方案该选线方法在发生单相故障时通过高速电力电子开关在中性点投入小电阻接地支路将小电流接地系统供电可靠性和大电流接地系统信号明显等优点结合起来利用零序电流幅值以及并入小电阻前后零序电流相位差的变化作为判据有效解决了在高阻接地情况下选线不理想的现状实现配电网故障准确选线 利用/仿真环境对配电网进行单相接地故障模拟仿真结果表明在不同故障情况下所提方案具有良好的可靠性和有效性关键词:小电流系统灵活接地故障选线单相接地故障零序电流中图分类号:文献标识码:引 言国内 中压配电网大都采用中性点不接地系统或中性点经消弧绕组接地方式运行当发生单相接地故障时会导致故障相电压相对于正常电压降低同时非故障相电压会升高 但由于线电压保持对称且故障点处的电流微弱会导致配电网会处于不正常工作状态继续运行 若不能及时发现并处理故障点长时间的不正常运行状态会导致在线路薄弱点发生进一步击穿从而引起更大的事故 在接地故障类型中以上的是单相接地故障其特点是接地电流幅值很小发生故障不易发现所以判断故障点相对于其他故障较难近些年专家们提出了很多方案但在实际情况中都存在着各种缺陷在应用过程中效果不明显因此学者在此基础上进行了改进 文献通过零序电流和零序电压的相位差判断故障线路对于消弧线圈接地系统通过消弧线圈在交替切换过补偿和欠补偿状态时的特征来区分故障线路 文献运用小波变换获得特征方向行波的故障暂态信号完成选线虽然该方法接地方式不影响选线结果但行波容易丢失波头造成选线结果准确率低文献通过对中性点零序电压幅值的控制并根据各条线路零序电流在控制始末相角的改变找到故障线路 文献提出了谐振接地过补偿系统中电压最高相的超前相为故障相 文献通过分析故障时相电压的变化情况通过比较各相电压的特征选出故障相但该方法在高阻接地故障的情况下存在一定缺陷在上述研究基础之上学者们探索了一种不依靠微弱的故障电流进行故障选线的方法将选线工作由被动化为主动 最先提出的主动选线方式是 注入法其原理是通过向线路中注入一个特定的电信号用寻迹原理实现接地故障选线但该方法需要额外增加注入信号设备 此外中电阻法是通过在中性点处并入电阻增大对地稳态电流但在线路发生高阻接地故障时中性点并入电阻电流幅值不会增大难以满足高阻接地的选线工作针对上述问题本文基于中电阻法的思想提出了一种新型中性点灵活接地的配电网故障选线方法摒弃原有方案中利用微弱的电流幅值信号作为选线判据在线路发生永久性接地之后短时间投入小电阻使各条线路的零序电流相位发生变化并在继电保护装置动作之前选出故障线路同时根据幅值信息加以验证 方法有效地解决了传统中电阻法在高阻接地故障时难以选线的缺陷弥补了电流幅值信号抗干扰能力差的不足大大增加了选线的可靠性同时保证了配电系统的供电可靠性 中性点灵活接地选线方式原理.信号采集部分采用中性点经消弧线圈接地方式的 灵活接地系统发生单相接地故障示意图如图 所示为消弧线圈电感 假设网络中元件均三相对称忽略线路阻抗 为中性点并联小电阻 为小电阻投切开关采用高速电力电子元件构成可以短时投入小电阻并断开 假设单相接地故障出现在第 条线路 为发生故障处的对地过渡电阻图 灵活接地系统单相接地故障示意图.当该配电网在发生单相接地故障时的零序等效电路如图 所示 根据节点电流法发生故障的线路始端的零序电流为非故障线路以及经过中性点的零序电流的累加图 灵活接地系统单相接地故障零序等效电路.其中未发生故障的线路中对地零序电容记为()发生故障的线路中对地零序电容记为 为消弧线圈的零序等效电抗其大小为 开关 闭合即小电阻投入后的相应信号加上标点“”.小电阻投入前后零序电流幅值的变化.小电阻投入前各条线路零序电流幅值小电阻投入前即图二中 处于断开状态此时线路的零序阻抗 为()公式中:为消弧线圈的大小为整个线路对地电容的总和 根据图 及分压原理即可得出母线零序电压为()其中/为消弧线圈的脱谐程度在过补偿情况下一般为中性点不接地系统则可以视为脱谐度为 的欠补偿情况此时故障线路始端零序电流为 ()对公式()进行整理因为 且/所以故障线路始端的零序电流可整理为()()非故障线路始端的零序电流为()当中性点经消弧线圈接地时由公式()和公式()可以看出在小电阻投入之前故障线路的零序电流幅值不一定为最大故障线路的电流大小受消弧线圈的补偿度影响.小电阻投入后各条线路零序电流幅值当小电阻投入即图二中 处于闭合状态此时线路的零序阻抗 为第 期 黄亚峰等:基于零序电流特性的中性点灵活接地系统的故障选线方法()其中 为中性点并入电阻的大小(本文分析过程选取工程实践中常见的 )根据图 利用分压原理可以算出母线零序电压为()此时故障线路始端零序电流为()()非故障线路始端的零序电流仍为原线路的电容电流为()由公式()、公式()可以看出小电阻投入后故障线路的零序电流幅值大小在所有线路中最大但零序导纳增大零序电压减小 由此可知零序电流在并入小电阻后不一定会增大传统并入小电阻观察零序电流幅值的方式失效.小电阻投入前后零序电流相位的变化当中性点并入小电阻时各条线路零序电流的相位会因为中性点引入阻性负载而改变 因此可以通过其相位变化找出故障线路.非故障线路零序电流相位的变化根据投入小电阻前后流经非故障线路的零序电流公式可以推算出零序电流相位的变化为()()公式中:和 分别为小电阻并入前后零序电流的相位 为并入小电阻前后两次采样的时间间隔根据公式()可看出对于未发生故障的线路投入小电阻前后线路始端零序电流均为本线路对地零序电容电流 故投入小电阻前后零序电流相位的变化等于零序电压相位的变化当系统确定后中性点并联电阻、系统线路对地零序电容总和 以及消弧线圈脱谐度 均已确定因此()由公式()可以看出当系统处于过补偿状态时投入小电阻前后非故障线路零序电流相位差值为()()与之相反当系统处于欠补偿状态时投入小电阻前后非故障线路零序电流的相位差值满足在()区间内该部分不是本文重点不做讨论.故障线路零序电流相位的变化由公式()可得小电阻投入前故障线路等效电路为容性阻抗线路始端零序电流与母线零序电压相位差为()对公式()进行变形得出小电阻投入后故障线路始端零序电流与母线零序电压的相位差为()()()根据公式()、公式()可以得出为()由于本文采用 配电系统其单条线路对地电容电流不超过 系统对地电容电流一般不大于 所以.、.在工程实践中中性点并联的小电阻大多数为 又因为()可以得出故障线路投入小电阻前后非故障线路零序电流相位差值为(.)()只有在、接近无穷大时才会接近 度从而导致 不会出现正值 即故障线路投入小电阻前后非故障线路零序电流相位差值为()()东北电力大学学报第 卷 中性点灵活接地选线判据与流程.选线判别依据根据公式()、公式()当发生单相接地故障后中性点并入小电阻故障线路和非故障线路始端零序电流相位变化量可以总结为()线路 为非故障线路()线路 为故障线路()当系统发生单相接地故障时首先确定零序电流在各条支路中的相位其次投入小电阻并确定小电阻投入后零序电流在各条支路中的相位 本文所提出的方法只需计算每条线路在投入小电阻前后零序电流相位的差值若差值位于()区间内时该线路未发生故障若差值位于()区间内时该线路发生故障为了进一步提高选线的准确率根据公式()、公式()可知当发生单相接地故障时中性点并入小电阻后故障线路的零序电流幅值均为所有线路中最大值 因此可以通过对比小电阻投入前后零序电流相位的变化以及幅值的大小来准确地区分故障线路和非故障线路选线工作的快速性对于消除故障尤为重要为保证选线工作在尽可能短的时间内准确选出故障线路确定小电阻投入时长 成为关键 投入小电阻后线路相位变化过程需要时间第二次相位采集应在相位稳定后 图、图 分别是非故障线路和故障线路投入小电阻不同时长对投入前后相位差值的影响从图中可以看出相位差在.后趋于稳定为验证该投入时间的普遍适用性分别对过渡电阻图 投入小电阻不同时长非故障线路零序电流相位差值.图 投入小电阻不同时长故障线路零序电流相位差值.为(金属性接地)、的情况进行仿真验证 为.时是都可以准确得到零序电流相位变化差值仿真结果如表 所示表 .时不同过渡电阻的线路相位差.过渡电阻非故障线路相位差/故障线路相位差/.由表 可看出.时不同过渡电阻情况下均可以采集到特征明显且稳定的零序电流相位差因此投入小电阻时长 确定为.各模态能量特征的提取基于零序电流特性的灵活接地系统故障选线的实现流程如图 所示通常认为中性点零序电压偏差超过百分之三系统额定相电压认定该线路中出现短路故障 当判断系统出现短路故障时此时需要分别测量出各条线路零序电流的相角并控制中性点高速电力电子开关将小电阻并入中性点并在.后断开防止触发配网继电保护装置动作从而影响配电网的供电可靠性在投切小电阻的同时记录配电网各馈线零序电流的幅值与相位并将各馈线并入小电阻前后零序电流的相位作差 通常情况下故障线路零序电流相位差范围在()非故障线路零序电流相位差范围在()故选出相位差在()的线路作为准故障线路第 期 黄亚峰等:基于零序电流特性的中性点灵活接地系统的故障选线方法图 基于零序电流特征的灵活接地系统选线实现流程图.为了保证选线结果的可靠性通过比较线路零序电流的幅值对选线结果进行验证对比零序电流相角差选出准故障线路零序电流幅值在所有出线中最大即为故障线路 仿真分析为了验证论文提出的选线方案的是否可行利用 仿真软件对中性点经消弧线圈接地的 灵活接地系统进行仿真 如图 所示该模型为架空电缆混合线路共有四条出线分别为、和 线路参数如表 所示 该系统消弧线圈处于过补偿运行方式其电感值大小为 .变压器容量为 当配电网在线路 处发生发生单相接地故障其中过渡电阻为 小电阻投入前后各条线路始端零序电流相位变化如图 所示小电阻投入前后各条线路始端零序电流幅值的变化如图 所示图 灵活接地系统仿真模型.表 线路模型参数.线路参数电阻/电感/电容/正负序零序正负序零序正负序零序电缆.架空线.图 小电阻投入前后各条出线零序电流相位图.图 小电阻投入前后各条出线零序电流幅值图.根据图 所示小电阻投入后线路 零序电流幅值在所有线路中最大故线路 为故障线路东北电力大学学报第 卷下面分别对大小不同的过渡电阻做了进一步仿真验证不同阻值的过渡电阻是否对选线结果有影响分别取过渡电阻(金属性接地)、即可涵盖绝大部分单相接地情况验证高阻接地选线的可靠性 仿真得到小电阻投入前后的零序电流相位差以及选线结果如表 所示根据表 可以看出非故障线路、小电阻投入前后线路始端零序电流相位变化量均在()区间内 对于故障线路 小电阻投入前后线路始端零序电流相位变化量均在()内 随着过渡电阻大小的变化各条线路零序电流相位差值有一定的变化但测试结果均在预期范围之内因此可以清楚地分辨出故障线路已知现有 配电系统零序电流互感器准确级为 级零序电流互感器一次侧最小精确电流为 根据表 可知过渡电阻为 时保护要求的最小工作电流约为 阻值不大于 的单相接地信号均可检测且满足本文提出的选线判据该故障选线方案真实有效 通过选取不同的过渡电阻值并经过大量的仿真实验成功验证了无论在高阻接地故障还是低阻接地故障该选线方法均可以正确可靠地选出故障线路传统 中性点在发生单相接地故障 后在中性点处并入 电阻进行故障选线 并联电阻的投入有利于增大故障电流提高接地故障特征量 但在发生高阻接地故障时 接地选线电阻对故障电流的增大作用并不明显 通过对传统方案的复现当过渡电阻达到 的时候如图 所示投入 接地选线电阻后的故障电流只有.比投入前的.只大.要分辨故障线路对 的要求很高其选线工作的抗干扰能力也大大下降要准确分辨 过渡电阻的单相接地故障有很大难度 由此可以看出本文所提方案在高阻接地故障的情况下有明显优势下面验证配电网不同线路发生 高阻接地时选线的准确性选线结果如表 数据所示 根图 中性点投入 电阻前后零序电流幅值.表 单相接地故障不同过渡电阻值时选线结果.过渡电阻/小电阻投入前线路始端零序电流相位/小电阻投入后线路始端零序电流相位/小电阻投入前后线路始端零序电流相位差/零序电流相位差是否均为正选线结果零序电流幅值是否最大故障线路零序电流幅值/.否是.否是.否是.否是.否是.否是.表 单相接地故障不同位置发生故障时选线结果.故障线路小电阻投入前线路始端零序电流相位/小电阻投入后线路始端零序电流相位/小电阻投入前后线路始端零序电流相位差/零序电流相位差是否均为正选线结果零序电流幅值是否最大.否是.否是.否是.否是.否是.否是.否是第 期 黄亚峰等:基于零序电流特性的中性点灵活接地系统的故障选线方法据表 所示在仿真模型中不同位置发生单相接地故障并入小电阻前后故障线路始端零序电流的相位差均在区间()内非故障线路零序电流相位差均在区间()内 仿真模型由架空线路与电缆线路交替链接且有多个分支线路长度均不同验证了该选线方法在不同线路故障时的普遍适用性 结 论论文提出了基于零序电流相位在中性点并入小电阻前后相位的变化量并通过并入小电阻后零序电流幅值进行验证的故障线路辨识方法 分析了故障线路和非故障线路始端零序电流在中性点并入电阻前后的幅值和相位变化进而提出了配电网线路接地故障选线判据 最后在/仿真环境中验证了本文所提方法的可行性得出如下结论)该方法将大电流系统和小电流系统的优势有效地结合在一起不仅能够根据可靠的信号完成配电网接地故障时的故障选线而且保证了用户的用电可靠性)该选线方法不仅适用于低阻接地故障而且适用于高阻接地 适用于各种线路组合具有普遍适用性)选线方法与零序电流幅值无关只要满足幅值大于保护要求的最小电流均可准确通过相位关系对故障线路进行辨识参考文献 要焕年曹月梅.电力系统谐振接地北京:中国电力出版社.():.王栋邱志斌魏巍等.某变电站 单相接地故障分析及处理措施.高压电器():.叶远波蔡翔谢民等.配电网单相接地故障快速选相方法研究.电力系统保护与控制():.朱珂王怡轩倪建.主动干扰技术在消弧线圈接地系统故障选线中的应用.电力自动化设备():.张利杨秀媛王丽婕等.中性点不接地系统单相接地故障定位方法.电网技术():.张利.中性点非有效接地系统单相接地故障定位方法的研究.北京:华北电力大学.严凤杨奇逊齐郑等.基于行波理论的配电网故障定位方法的研究.中国电机工程学报():.林湘宁高艳刘沛等.基于零序补偿导纳的小电流接地系统单相故障保护新方法.中国电机工程学报():.郑顾平姜超李刚等.配网自动化系统中小电流接地故障区段定位方法.中国电机工程学报():.姜博董新洲施慎行.基于单相电流行波的配电线路单相接地故障选线方法.中国电机工程学报():.邹豪曾祥君喻锟等.基于零序电压调控的故障选线选相新方法.电力系统保护与控制():.徐波张建文蔡旭等.电网不对称条件下小电流接地系统接地相辨识.电工技术学报():.张艳霞王清亮.应用故障暂态特性实现配电网故障选线的新方法.电力系统自动化():.宗剑牟龙华张鑫等.配电网单相接地故障类型及程度的判据.电力系统及其自动化学报():.秦光培.单相接地时电网各电压变化规律及其应用.昆明理工大学学报():.李如琦黄欢张振兴等.小电流系统单相不完全接地故障分析.广西大学学报:自然科学版():.王慧范正林桑在中.“注入法”与选线定位.电力自动化设备():.潘贞存张慧芬张帆等.信号注入式接地选线定位保护的分析与改进.电力系统自动化():.明志强许虎.经消弧线圈接地系统的中电阻快速选线方法.电网技术():.周志成付慧凌建等.消弧线圈并联中阻选线的单相接地试验及分析.高电压技术():.李建蕊李永丽王伟康等.基于零序电流与电压相位差变化的灵活接地系统故障选线方法.电网技术():.收稿日期:第一作者:黄亚峰()男博士副教授主要研究方向:可再生能源发电智慧电网与柔性直流输电.通讯作者:王浩天()男在读硕士研究生主要研究方向:配电网故障定位.(下转第 页)东北电力大学学报第 卷 ():“”“”.“”.:(上接第 页)():./.:第 期 席佳铭等:考虑电热需求响应的光热电热综合能源系统源荷协调经济调度