基于电压突变量信息值的接地故障选相方法

马天祥,段 昕,宋 健,范 伟

(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021;2.国网河北省电力有限公司,河北 石家庄 050021;3.国网河北省电力有限公司保定供电分公司,河北 保定 071000)

0 引言

在我国10 k V配电网中,中性点经消弧线圈接地的运行方式得到广泛应用,消弧线圈的主要功能是在系统发生单相接地故障时,通过提供零序感性电流对系统的零序容性电流进行补偿,将故障点残流降低至允许范围之内。但近年来随着国内配网规模逐渐扩大以及电缆线路的广泛应用,线路对地电容电流不断增加,消弧线圈的容量已经无法满足补偿需求,接地故障后电弧难以熄灭造成事故范围扩大的情况屡见不鲜[1-7]。

为提高供电可靠性、快速熄灭电弧,国内很多省份开始应用主动干预消弧装置(也称开关型消弧装置),通过故障后将故障相接地,有效钳制故障相电压,起到很好的熄弧效果,大大提高了配网运行的可靠性和安全性[818]。选相是主动干预消弧装置正确动作的基础,但在实际应用中,各个厂家装置的选相方法考虑不充分,常因选相错误造成相间短路,引起事故范围扩大,所以必须充分重视装置的选相环节。

本文提出基于电压突变量信息值的接地故障选相方法,解决不同接地电阻对选相判别的影响,利用选相校核程序及时弥补选相错误造成的危害,大大提高主动干预消弧装置动作准确率。利用Metlab软件进行建模和仿真,仿真结果表明该方法具有较强的适应性和较高的可靠性。

1 单相接地故障电压特征分析

安装主动干预式消弧装置配电系统,当系统出线W相发生单相接地故障时,结构如图1所示。

图1 接地故障系统结构

由式(2)可知,随着Rd变化,UNd的轨迹是以接地相的相电压UW为直径的位于其顺时针一侧的半圆,如图2所示。

图2 接地故障电压特征

随着接地电阻的不断变化,各相电压与中性点电压的变化情况如图3所示,设定Ut为故障后电压有效值,Ut0为故障前电压有效值,ΔU=Ut-Ut0为电压突变量。

图3 不同接地电阻下各相电压变化

2 选相方法及实施过程

2.1 基于电压突变量信息值的接地故障选相方法

定义Si为突变量信息值,当ΔU＞0时,Si=1,当ΔU≤0时,Si=0;T为选相判断序列,T=[SUSVSW]。基于上文分析,W相发生接地故障后,UNd的轨迹是以接地相电压UW为直径的位于其右侧的半圆,U、V、W的对地电压UUd、UVd、UWd会随着接地电阻的变化而不断变化,选相序列T=[110]或[010]。同理可推得V相接地时,T=[101]或[100],U相接地时,T=[011]或[001]。

不难发现,当U相接地时,选相判断序列的第一位和第三位分别为0和1,第二位为0或1,第二位信息值的变化是由接地电阻值大小决定的,所以只要序列中第一位和第三位为0和1,无论第二位信息值如何,即无论接地电阻值大小如何变化,可直接判定为U相接地故障。同理,可推得只要序列中第一位和第二位为1和0,无论第三位信息值如何,可直接判定为V相接地故障;只要序列中第二位和第三位为1和0,无论第一位信息值如何,可直接判定为W相接地故障。

由此构建选相判别专家库:U相接地序列[0X1];V相接地序列[10X];W相接地序列[X10];[000]和[111]为无效序列;X为0或1。接地故障发生后,仅需计算突变量信息值生成选相序列,代入选相判别专家库自动匹配即刻实现精确选相。为加快匹配识别速率,专家库匹配仅需匹配2个位置的信息值即可,匹配流程如图4所示。

图4 专家库匹配流程

2.2 选相校核

主动干预式消弧装置初步选相完成后,将闭合所选相接地开关,若选相正确,接地相母线直接接地或经限流电阻接地,故障线路零序电流以容性电流为主,阻性分量较低,合闸前后零序电流有功分量占比变化较小,非故障线路零序电流为容性电流,合闸前后零序电流有功分量占比不发生变化;若选相错误,系统将会出现2个接地点,受接地电阻和装置自身软投切电阻影响,电流值并未达到保护动作阈值,出口开关不会动作跳闸,此时故障线路零序电流中含较大的阻性故障电流,合闸前后零序电流有功分量占比变化较大,非故障线路零序电流仍为容性电流,合闸前后零序电流有功分量占比不发生变化,所以通过检查装置合闸后每条线路零序电流有功分量占比是否存在较大差异,从而校核选相是否正确。

基于选相判别专家库的接地故障选相方法具有较强的容错性,判断准确性极高。但是出于可靠性考虑,必须对某些极端情况对方法的影响进行分析,如上文所述,当U相接地时,判断序列为0 X1,判断结果仅与U、W相的方向信息值有关,所以一旦U、W相的方向信息值采集计算有误,将会影响选相结果,以U相采集计算错误为例,信息值变为1,此时序列变为101,误判为V相接地,若W相采集计算错误,信息值变为0,此时序列值为010,误判为W相故障接地。由于U相发生接地故障后其自身电压波动引起的信息值误判概率远大于W相,所以算法在极端情况下误判为V相接地的概率要大于误判为W相接地。

同理可推得,当V相接地时,算法在极端情况下误判为W相接地的概率要大于误判为U相接地;当W相接地时,算法在极端情况下误判为U相接地的概率要大于误判为V相接地。因此,一旦选相校核发现选相错误,为避免事故恶化造成母线进线端的过流保护发生动作,必须立即跳开装置合闸开关,恢复原单相接地短路状态。在重新选相的过程中,上一轮合闸相可以判定为非故障相,按照WVU W顺序,上一轮合闸相的后一相选定为故障相。

2.3 方法实施过程

基于选相判别专家库的接地故障选相方法实施流程如图5所示,选相步骤如下。

图5 选相方法实施流程

(1)选相启动。实时监测10 k V母线三相电压,当3U0大于阈值Ur时,判断系统发生接地故障,启动接地选相程序。

(2)生成序列。采集并计算电压突变量信息值,生成选相序列。

(3)选相判别。判断选相序列是否合法,将合法选相序列代入选相判断专家库进行匹配,判别接地故障相。

(4)选相校核。开关合闸后,校核选相是否正确,若正确,结束选相程序,若错误,迅速采取选相失败对策。

3 仿真验证

3.1 仿真模型

基于Matlab软件对10 k V系统单相接地故障进行仿真分析,仿真采用110 k V变电站10 k V侧“一母线三出线”模型,如图6所示,主变压器参数:额定变比110 k V/10.5 k V,额定容量50 MVA,励磁电流1%,空载损耗35 k W;负载损耗205 k W,短路阻抗比10%。

图6 接地故障仿真模型

3.2 仿真验证

以线路1发生U相接地故障为例,接地电阻范围设置为0～1 000Ω,测试不同接地电阻下基于选相判别专家库的接地故障选相方法的准确性,结果如表1所示。表1结果表明,无论高阻接地还是低阻接地,方法均能正确识别接地相,具有较好的实用性。当接地电阻为10Ω、500Ω、500Ω过渡至50Ω时,电压仿真波形分别如图7、8、9所示,图7中接地电阻较小,故障后U相电压下降比较明显,V、W相电压均升高,选相序列为011,可直接判断为U相接地;图8中接地电阻较大,故障后U、V相电压降低,W相电压升高,选相序列为001,可直接判断为U相接地;图9中接地电阻是不断变化的,由高阻接地演变为低阻接地,选相序列为001演变为011,但二者均匹配为U相接地故障,方法不受接地电阻值大小影响。

图9 接地电阻变化时各相电压仿真波形

表1 接地故障仿真结果表

图7 低阻接地故障下各相电压仿真波形

图8 高阻接地故障下各相电压仿真波形

4 结束语

本文对接地故障时电压的故障特征分量分析,提出基于电压突变量信息值的接地故障选相方法,并通过仿真验证,证明了方法的可行性和可靠性,方法具备下列主要优势。

(1)该方法采用电压突变量,不受负荷状况、系统震荡、电压不平衡、PT误差影响。

(2)该方法不受接地电阻影响,适用范围更广泛,针对交替演变故障(高阻-低阻)也有较好适用性。

(3)该方法采用选相判断序列作为判断依据,建立选相判断专家库进行自动比对,无需复杂的判断逻辑,涉及计算环节少,适应性强、准确性高、识别速度快。

(4)该方法具备选相校核程序,可以及时处理极端情况造成的选相误判,确保装置动作准确可靠。