邱日強(qiáng), 朱建武, 王永華, 朱 強(qiáng), 王巍璋, 陳宇捷, 歐陽(yáng)金鑫

(1. 國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司南昌供電分公司, 江西 南昌 330012; 2. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)), 重慶 400044)

1 引言

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展,配電網(wǎng)的規(guī)模日趨龐大且結(jié)構(gòu)日漸復(fù)雜。配電網(wǎng)發(fā)生較為常見的單相接地故障時(shí),故障特征受中性點(diǎn)接地方式的影響較大。因此,如何實(shí)現(xiàn)單相接地故障在不同中性點(diǎn)接地方式下的準(zhǔn)確識(shí)別成為當(dāng)今一大研究熱點(diǎn)。配電網(wǎng)中性點(diǎn)通常采用不接地方式以保障電力供應(yīng)的可靠性。城市電纜線路的廣泛應(yīng)用帶來(lái)了線路電壓過(guò)高的問題,為此中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式被廣泛用于解決因線路對(duì)地電容電流過(guò)大而引起的電弧問題。然而,由于無(wú)法形成有效回路,中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)在故障后的特征信息較為微弱,加之過(guò)渡電阻對(duì)故障特征的影響,使得單相接地故障難以準(zhǔn)確識(shí)別[1]。為了提高單相接地故障處置的成功率,中性點(diǎn)小電阻接地方式在配電網(wǎng)中的應(yīng)用日益廣泛[2]。

當(dāng)前較常采用零序穩(wěn)態(tài)量對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地配電網(wǎng)進(jìn)行單相接地故障選線[3,4]。然而,在金屬性故障下,零序保護(hù)的整定必須躲過(guò)配電網(wǎng)饋線中的對(duì)地電容電流,但同時(shí)會(huì)帶來(lái)靈敏度不足的問題[4]。文獻(xiàn)[5]利用零序電氣量構(gòu)成保護(hù)判據(jù),該保護(hù)原理簡(jiǎn)單,特征量采集便利,可以較好地反映單相接地故障,但該保護(hù)方法中零序電壓、電流的極性校驗(yàn)較為困難。上述研究均未考慮過(guò)渡電阻對(duì)單相故障特征信息的影響,保護(hù)的靈敏性隨過(guò)渡電阻的增加而下降。在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的配電網(wǎng)中,文獻(xiàn)[6-8]利用暫態(tài)零模電流的振蕩衰減和極性相反的特性構(gòu)建了選線判據(jù);文獻(xiàn)[9]利用暫態(tài)零序電流的凹凸特性實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別;文獻(xiàn)[10]基于故障饋線兩端負(fù)序電流差異提出了一種新的差動(dòng)保護(hù)方法;文獻(xiàn)[11]通過(guò)分析零序電流暫態(tài)能量以實(shí)現(xiàn)單相故障的區(qū)段定位;文獻(xiàn)[12,13]基于模式識(shí)別實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)單相故障定位。上述研究中暫態(tài)故障信息的獲取存在一定難度,對(duì)過(guò)渡電阻的考慮也存在不足。對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地以及經(jīng)消弧線圈接地的配電網(wǎng),單相接地故障保護(hù)還存在局限性。

針對(duì)過(guò)渡電阻對(duì)配電網(wǎng)單相接地故障保護(hù)的影響,目前已有一定研究。對(duì)于中性點(diǎn)大電流接地系統(tǒng),文獻(xiàn)[14]通過(guò)分析零序功率變化量從而提出了一種適用于配電網(wǎng)高阻接地情況下的故障識(shí)別方法;文獻(xiàn)[15,16]通過(guò)利用單相接地故障下的諧波特征信息選擇故障饋線,但是該方法具有局限性;對(duì)于中性點(diǎn)小電流接地系統(tǒng),文獻(xiàn)[17]提出了一種基于有效能量循跡法的單相接地故障判別思路;文獻(xiàn)[18]利用零序電流的幅值連調(diào)實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)的單相接地故障可靠定位;文獻(xiàn)[19]采用增大判據(jù)特征量的思路分析了過(guò)渡電阻對(duì)配電網(wǎng)單相接地故障的影響。此外,以外加信號(hào)的故障定位方法為基礎(chǔ)[20,21],通過(guò)改進(jìn)注入信號(hào)實(shí)現(xiàn)高阻故障下的診斷也備受關(guān)注[22-24]。上述研究依賴于多點(diǎn)信息、信號(hào)處理等方式解決過(guò)渡電阻對(duì)單相接地故障保護(hù)的影響,對(duì)于通信系統(tǒng)、采樣率等的要求較高,實(shí)用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

本文提出了一種兼具實(shí)用性和普適性的配電網(wǎng)單相接地故障保護(hù)方法。通過(guò)融合饋線出口處的正、零序故障電流特征,提高不同過(guò)渡電阻和不同運(yùn)行方式下單相接地故障識(shí)別的可靠性。首先,構(gòu)建了配電網(wǎng)在單相故障下的復(fù)合序網(wǎng),解析得出故障饋線出口電流序分量,分析了過(guò)渡電阻對(duì)配電網(wǎng)饋線出口的正、零序電流的影響規(guī)律;進(jìn)而結(jié)合正、零序電流之間的差異特征,構(gòu)造了計(jì)及過(guò)渡電阻的正、零序電流融合判據(jù),提出了配電網(wǎng)單相接地故障保護(hù)方法。仿真表明,該方法能夠在不同過(guò)渡電阻和不同運(yùn)行方式下正確識(shí)別單相接地故障,且原理清晰、整定方便。

2 配電網(wǎng)單相接地故障解析

圖1 配電網(wǎng)單相接地故障示意圖

配電網(wǎng)單相接地故障時(shí),非故障相基本沒有對(duì)地電流且故障相短路點(diǎn)上的電壓和過(guò)渡電阻上的電壓相同,因此配電網(wǎng)單相接地故障具有如下邊界條件:

(1)

圖2 配電網(wǎng)單相接地故障下的復(fù)合序網(wǎng)

(2)

式中,Zj2為正常饋線j的負(fù)序等效阻抗;Cj為正常饋線j的對(duì)地等效電容。

求解圖2所示網(wǎng)絡(luò),可得故障點(diǎn)處的序電流分別為:

(3)

考慮到中壓配電網(wǎng)中的正、負(fù)序等效負(fù)荷阻抗近似相同,即ZiL1=ZiL2=ZiL。因此可由式(3)將饋線出口處的正、零序電流表示如下:

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

結(jié)合式(5)～式(8)可見,零序電流的大小與過(guò)渡電阻有關(guān),而正序電流的大小同時(shí)受過(guò)渡電阻和故障點(diǎn)下游等效負(fù)荷阻抗的影響。在過(guò)渡電阻較大的情況下,零序電流較小從而無(wú)法作為獨(dú)立判據(jù)進(jìn)行故障的判定。進(jìn)而對(duì)單相接地故障下的正序、零序電流故障特性進(jìn)行聯(lián)合分析,考慮在零序電流保護(hù)失效的高阻接地情況下,融合正序電流判據(jù)以解決高阻故障下單一保護(hù)無(wú)法可靠動(dòng)作的問題。

3 配電網(wǎng)單相接地故障特征量分析

圖3 IS與過(guò)渡電阻的關(guān)系

(9)

式中,Ra為中性點(diǎn)接地電阻。

(10)

(11)

式中,Lp為消弧線圈電感。

圖4 正序、零序電流分布與過(guò)渡電阻的關(guān)系

4 基于判據(jù)融合的單相接地故障保護(hù)方法

零序電流可反映單相接地故障的發(fā)生,然而較大的過(guò)渡電阻導(dǎo)致零序電流減小。僅依靠零序電流識(shí)別單相接地故障存在保護(hù)盲區(qū)。故障后正序電流的變化也能一定程度地反映單相接地故障,但正序電流變化幅度有限且隨過(guò)渡電阻的增大而減小,也常常無(wú)法滿足故障識(shí)別的靈敏度要求。但是,零序電流與正序電流的變化幅度不同,特別是正序電流隨過(guò)渡電阻增大將逐漸趨于某一數(shù)值。因此,結(jié)合正序電流和零序電流之間的特性差異,本文提出了一種基于正零序電流判據(jù)融合的配電網(wǎng)單相接地故障保護(hù)方法。

若過(guò)渡電阻較小,正序電流和零序電流較大且均位于各自的動(dòng)作圓外,此時(shí)零序電流動(dòng)作判據(jù)成立,保護(hù)正確動(dòng)作。當(dāng)過(guò)渡電阻Rf=Rf1時(shí),正序電流進(jìn)入動(dòng)作區(qū)。當(dāng)過(guò)渡電阻增至Rf=Rf0時(shí),零序電流離開動(dòng)作區(qū)。Rf1和Rf0分別為正序和零序電流整定值對(duì)應(yīng)的臨界過(guò)渡電阻,可由式(4)～式(6)計(jì)算得出。因此,若Rf1≤Rf≤Rf0,正序和零序電流動(dòng)作判據(jù)均成立,保護(hù)能夠正確動(dòng)作;若Rf>Rf0,零序電流動(dòng)作判據(jù)不成立,但正序電流動(dòng)作判據(jù)成立,保護(hù)仍能夠正確動(dòng)作。通過(guò)正序電流和零序電流判據(jù)的融合,可在不同中性點(diǎn)接地方式下均正確識(shí)別配電網(wǎng)單相接地故障,且具有很好耐受過(guò)渡電阻的能力。任意第i條饋線的保護(hù)動(dòng)作判據(jù)設(shè)置為:

Ii1Ii0,set

(12)

式中,Ii1,set為第i條饋線的正序電流整定值;Ii0,set為第i條饋線的零序電流整定值。

為了避免保護(hù)誤動(dòng),正序電流和零序電流分別按照躲過(guò)饋線末端流過(guò)的短路電流最大值和躲過(guò)饋線最大電容電流進(jìn)行整定。正序電流和零序電流的整定值如下:

(13)

Ii0,set=K″relIiC

(14)

式中,K′rel、K″rel均為可靠系數(shù),可取0.9～0.95;Iif,max為第i條饋線末端故障可能出現(xiàn)的最大短路電流;IiC為第i條饋線的最大電容電流,IiC可由電容電流經(jīng)驗(yàn)估算公式得出,約為1～10 A[27]。

正序電流整定值的計(jì)算式為:

(15)

式中,Z0min為饋線首端至故障點(diǎn)零序等效阻抗的最小值,由式(2)可以分別計(jì)算不同中性點(diǎn)接地方式下的Z0min;Rfmin為過(guò)渡電阻最小值;ZS1min為上一級(jí)系統(tǒng)正序等效阻抗的最小值。

當(dāng)配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地時(shí),Z0min的表達(dá)式為:

(16)

當(dāng)配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時(shí),假設(shè)電感大小為L(zhǎng)p,Z0min的表達(dá)式為:

(17)

當(dāng)配電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地時(shí),Zg趨近于無(wú)窮大,Z0min的表達(dá)式為:

(18)

單相接地故障發(fā)生后,變電站出口母線的零序電壓會(huì)增加。為了避免正常運(yùn)行時(shí)保護(hù)誤動(dòng),根據(jù)零序電壓構(gòu)建保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)為:

3U0>K?relU0,set

(19)

式中,K?rel為可靠系數(shù);U0為母線零序電壓;U0,set為零序電壓整定值,U0,set按照母線正常運(yùn)行時(shí)最大不平衡電壓的零序分量進(jìn)行整定。

5 算例分析

本文構(gòu)建了如圖1所示的10 kV配電網(wǎng)單相接地故障仿真模型,模擬該配電網(wǎng)在不同過(guò)渡電阻和不同中性點(diǎn)接地方式下的故障情景,以驗(yàn)證保護(hù)方法的正確性。配電網(wǎng)包括6條饋線,參數(shù)見表1。負(fù)荷功率因數(shù)為0.95,系統(tǒng)等效阻抗為0.5 Ω,可靠系數(shù)K′rel、K″rel均取0.95。

表1 線路參數(shù)

5.1 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地

中性點(diǎn)采用小電阻接地方式,中性點(diǎn)接地電阻為10 Ω。根據(jù)式(13)～式(16),可以計(jì)算得到各饋線出口處正序、零序電流的保護(hù)整定值見表2。設(shè)置單相短路故障發(fā)生位置為饋線1距離母線4 km處,仿真可得故障饋線出口的正序、零序電流幅值隨過(guò)渡電阻的變化見表3。當(dāng)發(fā)生金屬性故障時(shí),即過(guò)渡電阻為0 Ω時(shí),小電阻接地下故障饋線出口處正序、零序電流幅值分別為258.2 A和240.6 A,當(dāng)過(guò)渡電阻增加至1 000 Ω時(shí),正序電流降至36.9 A,而零序電流降至3.0 A,該特性與理論分析一致。

表2 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式下的保護(hù)整定值

表3 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式下饋線1的序電流

饋線1出口處的正序、零序電流幅值與表2中相應(yīng)整定值的關(guān)系如圖6所示。在中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的情況下, 饋線1出口的正序電流和零序電流幅值如叉形實(shí)線和角形實(shí)線所示,而正序電流判據(jù)和零序電流判據(jù)的整定值如虛線及點(diǎn)劃線所示。在過(guò)渡電阻的變化范圍內(nèi),正序、零序電流的幅值及其變化率與過(guò)渡電阻的大小成反比關(guān)系。當(dāng)過(guò)渡電阻增加到700 Ω后, 零序電流幅值趨近于0,而正序電流幅值則趨近于一恒定數(shù)值。在不同過(guò)渡電阻下,正序電流始終大于零序電流。正序和零序電流的變化規(guī)律與理論分析結(jié)果吻合。

圖6 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式下序電流幅值和整定值的關(guān)系

由圖6可知,饋線1出口處的正序電流與其整定值交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的過(guò)渡電阻為135 Ω,饋線1出口處的零序電流與其整定值交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的過(guò)渡電阻為317 Ω。當(dāng)過(guò)渡電阻小于135 Ω時(shí),正序電流大于整定值,正序電流判據(jù)不成立,但是當(dāng)過(guò)渡電阻小于135 Ω時(shí),零序電流始終大于整定值,零序電流判據(jù)成立。因此,在過(guò)渡電阻小于135 Ω時(shí),可由零序電流判據(jù)使保護(hù)正確動(dòng)作,而當(dāng)過(guò)渡電阻大于135 Ω且小于317 Ω時(shí),正序電流和零序電流判據(jù)均滿足,使得保護(hù)正確動(dòng)作。當(dāng)過(guò)渡電阻大于317 Ω時(shí),零序電流小于整定值,零序電流判據(jù)不滿足,但此時(shí)依舊滿足正序電流判據(jù),可由正序電流正確動(dòng)作保護(hù)。因此,在不同過(guò)渡電阻情況下,單相接地故障保護(hù)均能正確動(dòng)作。而現(xiàn)有的以零序穩(wěn)態(tài)量作為保護(hù)判據(jù)的配電網(wǎng)單相接地故障識(shí)別方法中,可準(zhǔn)確判斷的過(guò)渡電阻一般不超過(guò)380 Ω[28]。本文所提方法對(duì)過(guò)渡電阻的識(shí)別范圍更廣,具有更高的靈敏度。

5.2 中性點(diǎn)不接地

改變中性點(diǎn)接地方式為不接地,根據(jù)式(13)～式(15)和式(18),可以計(jì)算得到各饋線出口處正、零序電流的保護(hù)整定值見表4。同樣設(shè)置饋線1的4 km處發(fā)生單相接地故障,在中性點(diǎn)不接地的情況下,故障饋線出口處的正序、零序電流幅值隨過(guò)渡電阻的變化見表5。配電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地的情況下,正序及零序電流與過(guò)渡電阻仍成反比關(guān)系,正序電流始終大于零序電流。當(dāng)過(guò)渡電阻為0 Ω時(shí),中性點(diǎn)不接地下的故障饋線出口處正序、零序電流幅值分別為60.6 A和26.5 A,隨著過(guò)渡電阻的增加,正序、零序電流均減小。當(dāng)過(guò)渡電阻增加至1 000 Ω時(shí),正序電流降至37.4 A,而零序電流降至2.9 A。該特性與理論分析一致。

表4 中性點(diǎn)不接地方式下的保護(hù)整定值

表5 中性點(diǎn)不接地方式下饋線1的序電流

饋線1出口處的正序、零序電流幅值與其整定值的關(guān)系如圖7所示。當(dāng)過(guò)渡電阻小于184 Ω時(shí),正序電流判據(jù)不成立而零序電流判據(jù)成立;當(dāng)過(guò)渡電阻大于184 Ω且小于381 Ω時(shí),正序電流和零序電流判據(jù)均滿足;而當(dāng)過(guò)渡電阻大于381 Ω時(shí),零序電流逐漸不能夠滿足判據(jù)而正序電流判據(jù)仍滿足,因此在不同過(guò)渡電阻的情況下均能準(zhǔn)確識(shí)別中性點(diǎn)不接地的中壓配電網(wǎng)單相接地故障。

圖7 中性點(diǎn)不接地方式下序電流幅值和整定值的關(guān)系

5.3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地

改變中性點(diǎn)接地方式為經(jīng)消弧線圈接地,根據(jù)式(13)～式(15)和式(17),計(jì)算得出各饋線出口處正序、零序電流的保護(hù)整定結(jié)果見表6。同樣設(shè)置饋線1的4 km處發(fā)生單相接地故障,在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的情況下,故障饋線出口處的正序、零序電流幅值隨過(guò)渡電阻的變化見表7。當(dāng)過(guò)渡電阻為0 Ω時(shí),經(jīng)消弧線圈接地下的故障饋線出口處正序、零序電流幅值分別為58.8 A和22.5 A,隨著過(guò)渡電阻的增加,正序、零序電流均減小,當(dāng)過(guò)渡電阻增加至1 000 Ω時(shí),正序電流降至37.2 A,零序電流降至3.9 A,該特性與理論分析一致。對(duì)比圖6～圖8可知,在同樣的過(guò)渡電阻下,中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地的配電網(wǎng)故障饋線出口處的序電流幅值相接近。在相同過(guò)渡電阻接地情況下,小電流接地系統(tǒng)中的正序、零序電流均小于大電流接地系統(tǒng)。不同中性點(diǎn)接地方式下,故障饋線出口的正、零序電流幅值與過(guò)渡電阻均成反比關(guān)系,當(dāng)過(guò)渡電阻增大至400 Ω后,正序電流逐漸趨近于某一數(shù)值,而當(dāng)過(guò)渡電阻增大至700 Ω后,零序電流也逐漸趨近于0,該特性與理論分析結(jié)果吻合。

表6 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式下的保護(hù)整定值

表7 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式下饋線1的序電流

圖8 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式下序電流幅值和整定值的關(guān)系

在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈的接地方式下,饋線1出口處的正序、零序電流幅值與其整定值的關(guān)系如圖8所示。本融合判據(jù)中滿足零序電流判據(jù)的過(guò)渡電阻范圍是0～498 Ω,而滿足正序電流判據(jù)的過(guò)渡電阻范圍是296～1 100 Ω,因此在所仿真的過(guò)渡電阻變化范圍內(nèi),饋線出口正序、零序電流均能夠滿足融合判據(jù),本保護(hù)方法能夠有效適用于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的中壓配電網(wǎng)。

5.4 可靠系數(shù)的影響

改變可靠系數(shù)K′rel、K″rel為0.9。不同中性點(diǎn)接地方式以及不同過(guò)渡電阻下序電流與整定值的關(guān)系如圖9所示。

圖9 不同過(guò)渡電阻下序電流幅值與整定值的關(guān)系

由式(13)和式(14)可知,正序電流整定值Ii1,set與可靠系數(shù)K′rel成反比而零序電流整定值Ii0,set與可靠系數(shù)K″rel成正比?？煽肯禂?shù)K′rel、K″rel的減小導(dǎo)致Ii1,set增大而Ii0,set減小。由式(12)可知,只要滿足Ii0,set≤Ii1,set,保護(hù)即可正確動(dòng)作。根據(jù)式(13)和式(14),饋線末端故障可能出現(xiàn)的最大短路電流大于饋線電容電流,在可靠系數(shù)K′rel、K″rel的取值范圍內(nèi),Ii0,set≤Ii1,set的大小關(guān)系恒成立。因此,可靠系數(shù)的取值不影響所提方法的正確性?？煽肯禂?shù)越大,保護(hù)靈敏性越好。

6 結(jié)論

本文在考慮過(guò)渡電阻、中性點(diǎn)接地方式、饋線負(fù)荷等多種因素的基礎(chǔ)上,研究了單相接地故障情況下中壓配電網(wǎng)的故障特性,推導(dǎo)出過(guò)渡電阻對(duì)故障饋線出口處序電流的影響規(guī)律,提出了一種基于正序、零序電流判據(jù)融合的配電網(wǎng)單相接地故障保護(hù)方法。該方法充分計(jì)及過(guò)渡電阻的影響,適用于各種中性點(diǎn)接地方式下的中壓配電網(wǎng),故障特征量采集便利,在低阻接地和高阻接地的情況下分別依靠零序電流和正序電流來(lái)識(shí)別故障,解決了單相高阻接地故障識(shí)別的難題,具有原理清晰、整定方便、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。