基于本地测量的小电阻接地系统高阻接地故障选线方法

杨维建, 尹骁骐, 陶骏*, 王静

(1.安徽大学电气工程与自动化学院, 合肥 230601; 2.国网重庆市电力公司江津供电分公司, 重庆 402260)

随着配电网规模扩大,电缆线路被大量使用,配电网对地电容电流急剧增加[1-2]。消弧线圈补偿大电容电流较为困难,带故障运行容易引发弧光接地过电压,严重威胁人身安全及设备的安全运行[3]。

小电阻接地系统可快速切除故障、有效抑制弧光过电压,逐渐在北京、上海等大中型城市应用[1,4]。但该系统广泛采用零序过电流保护实现故障选线,其整定值需要躲过区外故障时流过本线路的对地电容电流,一般设置为40～60 A,对过渡电阻的耐受能力较弱[5-7]。对于高阻接地故障,过渡电阻值高达几千欧姆,故障电流只有几安培至十几安培,零序保护处于动作死区,导致故障选线失灵。高阻接地故障长期存在,容易引起火灾、设备绝缘损坏以及人畜伤亡等严重事故[8-10]。因此,小电阻接地系统迫切地需要解决高阻接地故障选线失灵问题,以保证配电系统的供电可靠性。

对于小电阻接地系统故障选线,学者们开展了大量研究。文献[11]利用馈线零序功率之间的差异构造故障判据,但高阻接地时故障特征量幅值较小,会造成结果误差较大。文献[12]对零序有功功率电流进行积分累加,提出了一种基于瞬时零序功率方向的故障选线方法,但对于高阻接地故障,其零序功率大小与线路参数不平衡等原因引起的零序功率相当,容易发生误判[13-14]。文献[15]利用零序电压构造制动量,能自适应地调整保护门槛值,但其在较大过渡电阻的故障保护中效果不佳。对此,小电阻接地系统高阻接地故障选线问题受到了极大的关注。

为解决上述问题,文献[16]针对传统注入法高阻接地故障选线受限问题,通过比较线路之间的相似距离,实现了高阻接地故障选线且适用于小电阻接地系统,但需要依据电压变化向故障相注入信号。薛永端等[6]研究发现,无论故障点过渡电阻大小,故障馈线零序电流幅值与中性点零序电流接近,均大于健康馈线零序电流10倍以上,为高阻接地故障选线方法打开了新思路。文献[17]通过比较各馈线与中性点零序电流实现故障选线,具有较好的耐过渡电阻能力。文献[18]利用健康馈线和故障馈线之间电流畸变的关系,提出了一种基于凯伦布尔变换的故障选线方法。文献[19]利用故障馈线与健康馈线零序电流与中性点零序电流内积的幅值和符号之间差异,提出了一种基于综合内积变换的故障选线方法。文献[20]利用故障馈线与健康馈线在零序电流与电压相位差之间的特征差异,提出了一种基于零序电流电压波相似度差异的高阻接地故障选线方法。文献[21]依据中性点电流与故障馈线的零序电流相似度高,而与健康馈线的相似度低,利用相似性函数实现小电阻接地系统故障选线,其过渡电阻耐受值达到了2 000 Ω。然而,此类利用中性点与馈线之间零序电压电流的幅值、极性和波形相似度等特征作为选线依据的选线方法,对中性点与馈线之间的时间同步精度要求较高,限制了此类方法的应用范围。

针对时间同步精度问题,利用故障馈线与健康馈线在其馈线始端本地测量的零序电流相量实部符号差异作为选线依据,提出一种基于本地测量的高阻接地故障选线方法,并通过理论分析和实验仿真验证所提方法的有效性。该方法进一步扩大了故障选线方法的普适性,对配电网的供电可靠性具有重要意义。

1 小电阻接地系统故障特征分析

1.1 故障零序等效网络

对于小电阻接地系统,当其第n条馈线ln发生单相接地故障时,零序网络等效电路图如图1所示。

RN和Rf分别为中性点接地电阻和故障点的过渡电阻;R0k、L0k、C0k(k=1,2,…,n)分别为第k条馈线的等效零序电阻、等效零序电感和等效零序电容;为故障时的母线零序电压相量;和分别为故障时中性点零序电流相量和第k条馈线的零序电流相量;故障点的等效故障电压相量与系统正常运行时的相电压相量方向相反。

由于配电线路的零序容抗远大于零序阻抗,为方便后续分析,忽略图1中的线路阻抗,可得到图2所示的零序网络简化电路图。

图2 零序网络简化电路图Fig.2 Zero sequence network simplified circuit diagram

1.2 故障特征分析

根据图2所示的零序等效网络,可得到第k条馈线的零序阻抗Z0k为

(1)

式(1)中:j为虚数单位;ω为角频率,ω=2πf,其中f为基频,f=50 Hz。

小电阻接地系统发生故障时,系统由故障电源供电,则该系统零序阻抗Z0为3倍中性点接地电阻RN与所有馈线零序阻抗Z0k(k=1,2,…,n)的并联,即

(2)

式(2)中:C0∑为健康馈线总对地电容,C0∑=C01+C02+…+C0n。

根据分压定理可以得到母线电压相量为

(3)

(4)

中性点零序电流为

(5)

(6)

2 高阻接地故障选线方法

2.1 传统故障选线方法

在小电阻接地系统中,传统的高阻接地故障选线方法依据健康馈线和故障馈线与中性点零序电流的比值关系实现选线。

根据式(4)和式(5),可得到健康馈线与中性点的零序电流之比为

(7)

根据式(6)和式(5),可得到故障馈线与中性点的零序电流之比为

(8)

由式(7)和式(8)可知,中性点的零序电流相位滞后健康馈线的零序电流相位90°,而中性点的零序电流相位滞后故障馈线的零序电流相位180°。对于中国的10 kV小电阻接地系统,中性点接地电阻RN阻值一般为10 Ω,馈线对地电容参数C0一般为0.28×10-6F/km,且该系统单条馈线长度一般不超过15 km,总馈线长度不超过100 km。从式(7)和式(8)可以得出,健康馈线与中性点的零序电流之比远小于1,而故障馈线与中性点的零序电流之比近似于-1,并且该特征与过渡电阻值Rf无关。

通过对上述特征的分析,大量基于该特征实现故障选线的传统方法在小电阻接地系统高阻接地故障选线中得到广泛的应用。但是,考虑到需要计算故障时刻中性点与馈线零序电流的比值,此类传统故障选线方法的选线正确率会受到中性点与馈线的测量装置之间时间同步精度的影响。因此,提出一种基于馈线本地测量的高阻接地故障选线方法,避免了装置时间同步精度的影响。

2.2 基于本地测量的故障选线方法

考虑到测量数据之间采样点的高精度时间同步问题,对故障馈线和健康馈线的零序电流相量实部特征进行分析,提出一种基于本地测量的故障选线方法。该方法避免了测量数据之间的时间同步问题,仅需要对各馈线首端的测量装置进行本地测量的电流数据进行处理,然后对各馈线的选线结果进行收集,即可获得选线结果。

2.2.1 零序电流相量实部特征

为实现在馈线本地测量的条件下对小电阻接地系统高阻接地故障的正确选线,对零序电流相量的实部和虚部进行分解,以方便分析健康馈线与故障馈线的零序电流相量特征差异,分别对式(4)和式(6)

进行分解,有

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

考虑到系统正常运行时可能会有一个极小的零序电流存在,因此本地测量的零序电流相量实部分量近似为零时,则系统未发生故障。若其小于零,则系统发生故障但该馈线未发生故障;若其大于零,则第k条馈线发生故障。可看出,所提选线方法仅依据馈线首端装置的本地测量数据判断故障馈线,从根源上避免了对高精度时间同步的需求。同时,过渡电阻Rf不会对零序电流相量实部的符号造成影响。因此,所提故障选线方法适用于高阻接地故障。

2.2.2 基于本地测量的高阻接地故障选线方案

综上所述,所提出的基于本地测量的高阻接地故障选线方法流程图如图3所示,具体的选线步骤如下。

图3 基于本地测量的高阻接地故障选线方法流程图Fig.3 Flowchart of high resistance grounding fault line selection method based on local measurement

步骤4综合所有馈线判断结果,输出选线结果。

3 仿真验证

3.1 仿真模型及参数设置

为验证所提故障选线方法对小电阻接地系统高阻接地故障的适用性与有效性,基于MATLAB/Simulink仿真平台建立图4所示的10 kV小电阻接地系统。其中,包含2条电缆线路(l1、l5)、1条架空-电缆混合线路(l2)以及3条架空线路(l3、l4、l6),具体馈线阻抗参数如表 1所示。中性点经接地变压器TZ接小电阻接地,其阻值设置为10 Ω;系统变压器和负载变压器分别采用星形-三角形接法和三角形-星形接法。

G为110 kV大电网;TZ为接地变压器;M1～M6为各馈线首端的本地监测点

在馈线l1设置了单相高阻接地故障,过渡电阻值设置为1 000 Ω,故障时间设置为[0.06, 0.12]s,时间窗为0.2 s,故障期间各馈线首端本地测量点的零序电流相量实部特征如图5所示。

表1 馈线阻抗参数Table 1 Feeder impedance parameters

图5 各馈线的零序电流相量实部幅值Fig.5 Simulation diagram of each feeder zero sequence current phase real part

3.2 适用性分析

为验证所提故障选线方法的适用性,从线路类型、过渡电阻、测量误差以及电弧故障等方面进行了仿真分析。

3.2.1 馈线类型的影响

考虑到小电阻接地系统包含了各种馈线类型,分别在电缆馈线、架空馈线以及架空-电缆混合馈线上进行单相高阻接地故障仿真实验,选线结果如表2所示。可以看出,在不同馈线发生故障时,仅故障馈线首端本地测量点处的零序电流相量实部符号为正,其余健康馈线首端本地测量点处的零序电流相量实部符号均为负,且对于不同馈线类型下的单相高阻接地故障均可实现正确选线。因此,所提故障选线方法适用于不同的馈线类型。

表2 各种馈线类型下的选线结果Table 2 Line selection results under various feeder types

3.2.2 过渡电阻的影响

表3 不同过渡电阻值下的选线结果Table 3 Line selection results under different transition resistance values

3.2.3 测量误差的影响

考虑到实际环境中噪声等环境因素对测量数据的影响,分别在不同信噪比下进行了高阻接地故障仿真实验,过渡电阻值设置为1 000 Ω,故障馈线为l6,选线结果如表4所示。从仿真结果可知,不同的信噪比会对馈线的零序电流相量实部分量的幅值会造成细微影响,但并不会改变符号的正负从而对选线结果造成影响。当信噪比为50 dB,即相对噪声较小时,仿真结果与无噪声时的结果基本一致;而当信噪比为10 dB,即相对噪声较大时,馈线零序电流相量实部幅值有细微变化但并不会对选线结果造成影响。因此,所提故障选线方法具有较好的抗噪能力。

表4 不同信噪比下的选线结果Table 4 Line selection results under different signal-to-noise ratios

3.2.4 电弧故障的影响

当馈线发生高阻接地故障且故障未被及时切除时,故障点容易引发电弧放电造成电弧故障,故障电流呈非线性,为故障选线带来一定困难。电弧故障模型较多,由于Mayr模型的故障电流小,更符合高阻接地故障的故障特征[22]。因此,采用该模型进行仿真实验,Mayr电弧故障电压电流如图6所示。可以看出,Mayr电弧故障的故障电压和故障电流呈非线性,且故障电流较小,不到10 A。在馈线l1进行了电弧故障仿真实验,选线结果如图7所示。可以看出,相比于图5所示的高阻接地故障选线结果,Mayr电弧故障会对零序电流相量实部的幅值造成一定波动,但并不会影响其正负。因此,所提故障选线方法可适用于电弧故障。

图6 Mayr电弧模型的故障电压和故障电流Fig.6 Fault voltage and fault current of high resistance arc fault

图7 Mayr电弧故障选线结果图Fig.7 Mayr arc fault line selection result diagram

3.3 不同方法的对比

为验证测量装置时间同步精度对传统高阻接地故障选线方法和本文所提方法选线准确率的影响,调研了电力系统测量装置的时间同步精度,等级划分如表5所示。

表5 电力系统测量装置的时间同步精度等级划分Table 5 The order division of time synchronization precision of power system measurement devices

考虑到采样数据时间同步误差对传统故障选线方法准确率的影响,以文献[21]所提的传统方法为例,在不同时间同步误差下对传统选线方法和所提选线方法进行实验分析,选线结果如图8、图9所示。

图8 传统选线方法在不同时间同步误差下的选线结果Fig.8 The traditional line selection method results under different time synchronization errors

图9 所提方法在不同时间同步精度下的选线结果Fig.9 The line selection results of the proposed method under different time synchronization errors

文献[21]利用中性点和馈线零序电流波形的相似性实现高阻接地故障选线,相似系数ρ接近于1,则该馈线发生故障,图8为该方法在不同时间同步误差下的实验结果。其中,ρl1表示馈线l1与中性点电流之间的相似系数,若该值近似于1,则馈线l1发生故障。从图8中可以看出,当时间同步误差为1 μs时,故障馈线l6的相似系数ρl6与其他馈线相差较大且近似于1,与时间同步误差为0 s时的结果相似,可以准确的得到选线结果为l6。随着时间同步误差的增加,故障馈线的相似系数值有所减小,健康馈线的相似系数值增大。当时间同步误差达到1 ms时,故障馈线l6的相似系数ρl6降低到约0.9,但仍然明显大于健康馈线的相似系数值,可得到准确的选线结果。然而,当时间同步误差达到5 ms后,各健康馈线对应的相似系数值与故障馈线的相似系数值ρl6相差较小,无法准确地判断故障馈线。对于馈线终端装置,其时间同步误差最大可达到10 ms,这极大地限制了此类方法在实际中的应用。

所提故障选线方法在不同时间同步误差下的选线结果如图9所示。可以看出,在不同时间同步误差下,均只有故障馈线l6首端本地测量点M6处的零序电流相量实部符号为正,其余健康馈线为负,并且零序电流相量实部幅值完全一致。因此,所提故障选线方法不受时间同步误差的影响,大大增加了其在配电网中的应用范围。

4 结论

为解决小电阻接地系统中高阻接地故障选线失灵问题,提出一种基于本地测量的高阻接地故障选线方法。得出如下结论。

(1)对健康馈线与故障馈线零序电流相量实部特征分析发现,健康馈线的该特征符号小于零,而故障馈线该特征的符号大于0。并利用此特征的符号差异作为选线依据,实现了高阻接地故障选线。

(2)仅通过馈线首端本地测量的电流数据计算得到的零序电流相量实部符号,判断该馈线是否发生故障,避免了测量装置时间同步精度对选线准确率的影响。

(3)建立了10 kV小电阻接地系统仿真模型,验证了所提方法在不同的测量误差和时间同步误差下有较好的鲁棒性,对过渡电阻的耐受能力较好,且适用于不同的线路类型和电弧故障。