小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法研究

摘要 本文在總結(jié)小電流接地系統(tǒng)的特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步 摘 建模仿真分析研究了小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)零序電流、零序電壓、 電壓相模變換、電流相模變換的特征。為解決從變電站出口選出單相接地故障線 路的問題, 提出了基于電壓互感器注入信號(hào)干擾零序電流的波形識(shí)別法及其與 小波分析法、能量法結(jié)合的綜合選線法。

1. 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外采用的小電流接地選線方法很多, 歸納起來有以下幾種: 絕緣監(jiān)測(cè) 法、有功電流接地保護(hù)法、功率方向接地保護(hù)法、暫態(tài)電流接地保護(hù)法、殘流增 量接地保護(hù)法、用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論改進(jìn)的傳統(tǒng)“零序電流比幅法、零序有功分 量比幅法、 能量法” 注入信號(hào)尋跡法、 、基于小波分析的選線方法, 客觀地說, 這 些方法都存在一定的缺陷。近年又研究出了幾種新方法, 歸納起來有: 阻抗法、S 注入法、智能法、區(qū)段查找法和行波法等幾種。阻抗法的原理是基于輸電線為 均勻線, 即假設(shè)故障回路阻抗或電抗與測(cè)量得到故障點(diǎn)的距離成正比。 根據(jù)計(jì)算 的信息的來源不同可分為單端阻抗法與雙端阻抗法。由于故障點(diǎn)過渡電阻、分布 電容、線路不完全對(duì)稱, 以及電壓、電流變換誤差的影響, 使阻抗法的測(cè)距誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際使用的需要。

S 注入法的原理是, 系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)向系統(tǒng)注入一個(gè)特殊的電流信號(hào), 通 過檢測(cè)注入信號(hào)的路徑和特征來實(shí)現(xiàn)測(cè)距, 稱之為 “S 注入法” 與阻抗法一樣, 。 都是通過電流電壓計(jì)算測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)阻抗, 它們的區(qū)別僅僅在于信號(hào)的檢測(cè) 方法上。為解決故障測(cè)距問題, 許多學(xué)者引入優(yōu)化方法、卡爾曼濾波技術(shù)、模式 識(shí)別技術(shù)、概率和統(tǒng)計(jì)決策、模糊理論、模擬退火法、分形分維分析、人工神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等智能分析方法和手段?；谝?guī)則的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)的 發(fā)展為智能法測(cè)距提供了新的途徑, 但目前還處于研發(fā)階段。 區(qū)段查找法, 通過 饋線終端(RTU , FTU ,DTU ) 檢測(cè)各段開關(guān)處的電氣量, 進(jìn)行故障區(qū)段的判斷, 實(shí)現(xiàn)將故障區(qū)段迅速隔離, 一定程度上縮小故障范圍, 縮短了故障查找時(shí)間。 此 法的測(cè)距作用是有限的。行波法是利用高頻故障暫態(tài)電流、電壓的行波或斷路器 斷開或重合時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)信號(hào)等等來間接判斷故障點(diǎn)的位置。 直到20 世紀(jì)90 年 代, 隨著時(shí)頻分析技術(shù)的發(fā)展, 行波測(cè)距才真正受到關(guān)注。 電力系統(tǒng)中主要用于 輸電線路的故障測(cè)距, 因輸電線路分支少行波測(cè)距精度高, 不受過渡電阻、 系統(tǒng) 參數(shù)、串補(bǔ)電容、線路不對(duì)稱及互感器變換誤差的影響。由于配電線路節(jié)點(diǎn)、分 枝多, 利用自然高頻暫態(tài)信號(hào)行波法實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的測(cè)距幾乎沒有優(yōu)勢(shì)。 小電流接 地系統(tǒng)高壓電網(wǎng)利用小波分析行波構(gòu)建選線、 測(cè)距裝置正處在理論分析階段和試驗(yàn)階段。 總之, 阻抗法、 注入法、 S 智能法、 區(qū)段查找法和行波法在故障測(cè)距中, 隨著不同的環(huán)境(對(duì)象) 體現(xiàn)出各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 針對(duì)小電流接地系統(tǒng)本身的特點(diǎn), 選擇一種合適的方法, 不是一件容易的事情, 有待人們進(jìn)一步探索。

2. 需要解決的問題

幾十年來人們不斷研究小電流接地系統(tǒng)單相接地故障定位原理, 已經(jīng)取得 了很多成果, 積累了許多經(jīng)驗(yàn)。但是, 由于配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 節(jié)點(diǎn)多, 分支多, 樹狀接線多, 特別是農(nóng)網(wǎng); 加上配電網(wǎng)的運(yùn)行方式復(fù)雜多變; 還有人們對(duì)小電 流接地系統(tǒng)單相接地故障特征沒有完全認(rèn)識(shí); 根據(jù)目前故障選線及測(cè)距原理制造的

故障選線裝置及測(cè)距裝置還不能適應(yīng)各種運(yùn)行情況, 誤、 漏判率也不低, 一些問 題急待解決:

(1) 全面認(rèn)識(shí)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的特點(diǎn), 研究更有效的單相接 地故障原理, 制造出效果更好的選線裝置;

(2) 研究適合配電網(wǎng)的故障測(cè)距原理, 制造出效果更好的測(cè)距裝置;

(3) 利用現(xiàn)代信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù), 提高在線 故障定位的自動(dòng)化水平和準(zhǔn)確性。

3. 小電流接地電網(wǎng)單相接地過渡過程的特點(diǎn)

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí), 接地電容電流的暫態(tài)分量可能較穩(wěn)態(tài)分量值大很 多倍。 在一般情況下, 由于電網(wǎng)中絕緣被擊穿而引起的接地故障, 經(jīng)常發(fā)生在相 電壓接近于最大值的瞬間, 因此, 可以將暫態(tài)電流看成是如下兩個(gè)電流之和:

(1) 由于故障相電壓突然降低而引起的放電電容電流, 它通過母線流向故 障點(diǎn),放電電流衰減很快, 其頻率高達(dá)數(shù)千赫茲, 振蕩頻率主要決定于電網(wǎng)中的 線路參數(shù)、故障點(diǎn)的位置以及過渡電阻。

(2) 由于非故障相電壓突然升高而引起的充電電容電流, 它主要通過電源 而形成回路。 由于整個(gè)流通回路的電感較大, 因此, 充電電流衰減很慢, 振蕩頻 率也很低(僅數(shù)百赫茲)。 對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng), 由于暫態(tài)電感電流 的最大值應(yīng)出現(xiàn)在接地故障發(fā)生時(shí)相電壓過零值瞬間, 而當(dāng)故障發(fā)生在相電壓 接近最大值時(shí), 暫態(tài)電感電流為零, 因此, 暫態(tài)電容電流較暫態(tài)電感電流大很 多, 所以在同一電網(wǎng)中, 不論中性點(diǎn)絕緣或是經(jīng)消弧線圈接地, 在相電壓接近 于最大值時(shí), 發(fā)生故障的瞬間, 其過渡過程是近似相同的。 暫態(tài)接地電流的幅值 和頻率特性均主要由電容電流的特性決定。

4. 小電流接地電網(wǎng)單相接地故障選線新方法

故障選線新方法是以電壓互感器注入信號(hào)為基礎(chǔ)的、以波形識(shí)別法為核心 的、與小波分析法、能量分析法結(jié)合的小電流單相接地故障綜合選線法, 特別是其中的波形識(shí)別法, 它不用復(fù)雜的計(jì)算、簡(jiǎn)單直觀實(shí)用、耐高接地阻抗, 選線效 果較好。

5. 波形識(shí)別法的原理依據(jù)及可行性分析

5. 1 波形識(shí)別法原理與依據(jù)理論分析 小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后, 系統(tǒng)出現(xiàn)零序通路, 從故障點(diǎn)加入的零 序電壓將在零序網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生零序電流。 在接地故障期間, 假設(shè)過渡電阻是不變的, 系統(tǒng)中將產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的零序電流; 通過電流互感器注入脈沖信號(hào)后, 電網(wǎng)中將會(huì) 出現(xiàn)電流脈沖。根據(jù)電路疊加原理, 電路中各支路的零序電流是兩個(gè)電流的疊 加。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí), 電壓互感器二次側(cè)電壓為UAN = UBN =U CN = 100ö 3 V ,ULN = 0V。當(dāng)A 相發(fā)生單相接地故障時(shí), 則有UAN = OV ,UBN = U CN = 100V。ULN = 100V。 此時(shí), 系統(tǒng)將產(chǎn)生接近或高于系統(tǒng)相電壓的零序電壓, 從電壓互感器開口 三角繞組測(cè)出零序電壓, 接地保護(hù)裝置根據(jù)系統(tǒng)出現(xiàn)的零序電壓ULN= 100V , 及 接地相線路的特點(diǎn), 自動(dòng)判別接地的相別為A 相。 此時(shí), 接地相電壓互感器原邊 處于被短路的狀態(tài), 因此從電壓互感器故障相二次側(cè)A、N 兩端子之間注入的信 號(hào)可以在原邊感應(yīng)出較高的電壓, 影響相電壓的波形及各條線路零序電壓的波 形。 方法是從注入脈沖信號(hào)影響零序電流的角度來選擇故障線路的, 被注入的脈 沖信號(hào)為幅值50V 到100V 之間的工頻信號(hào), 它是通過高頻開關(guān)截取的持續(xù)寬度 為3m s 到15m s 之間的一個(gè)脈沖。三相五柱式電壓互感器接線如圖1。

5. 2 可行性分析

5. 2. 1 接地繼電保護(hù)裝置通過電壓互感器, 反映電力系統(tǒng)一次電壓的變化, 因此, 電壓互感器對(duì)短路過渡過程的影響直接關(guān)系到繼電保護(hù)的正常工作。 中等 電壓等級(jí)的電網(wǎng)中, 一般多采用電磁式電壓互感器。 這種電壓互感器的時(shí)間常數(shù) 很小, 電力系統(tǒng)短路而使一次電壓降到很小時(shí), 在電力系統(tǒng)中儲(chǔ)存的能量將迅 速釋放, 因而產(chǎn)生的電壓自由分量衰減很快。 所以, 對(duì)電壓互感器的過渡過程無 須特別注意。 這樣對(duì)有電壓互感器加入的信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生很多的延遲, 對(duì)采樣的時(shí) 間比較好控制。

5. 2. 2 對(duì)于3～ 66KV 配電網(wǎng), 即中壓網(wǎng)的絕緣裕度較大,它允許帶故障運(yùn) 行2 小時(shí), 它的最大工作電壓為線電壓, 它能夠耐受操作過電壓、雷電過電壓、 諧振過電壓。 電網(wǎng)設(shè)備能耐受各種試驗(yàn)(試驗(yàn)過電壓及試驗(yàn)時(shí)間)。 例如, 10kV 電 網(wǎng), 設(shè)備最高電壓12kV 有效值、16kV 幅值, 標(biāo)準(zhǔn)短時(shí)間工頻耐受電壓有效值 28kV、幅值40kV; 標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊耐受電壓有效值60kV、幅值84kV。工頻耐受試驗(yàn) 電壓的波形接近正弦波, 試驗(yàn)電壓的頻率為45～ 50Hz, 加一次額定工頻耐受電 壓(有一效值) , 其持續(xù)時(shí)間為1m in。本方法加入信號(hào)后, 使系統(tǒng)中出現(xiàn)的高壓 幅值不會(huì)超過40kV , 持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1m in, 因此, 加入信號(hào)后對(duì)系統(tǒng)的安全 沒有影響。

5. 2. 3 對(duì)繼電保護(hù)和電能影響幾乎不用考慮。

5. 2. 4 避雷器對(duì)所加脈沖的吸收也很小。綜合以上分析該方法可行。

6. 系統(tǒng)仿真建模及分析

6. 1 系統(tǒng)仿真建模

圖2 為10kV 電壓等級(jí)配電網(wǎng)四條出線系統(tǒng), 圖中只標(biāo)注主要電力設(shè)備元件, 電壓互感器接在母線上, 圖中已省略, 接地電阻仿真時(shí)在接地開關(guān)中設(shè)置, 圖 中未單獨(dú)畫出。其它仿真參數(shù) 在各算例中, 分別設(shè)置。

6. 2 仿真研究注入信號(hào)后各線路零序電流波形

6. 2. 1 線路單相接地時(shí)各線路零序電流波形分析設(shè)線路IV 出現(xiàn)A 相單相 接地故障, 四條線路I (L 1)、II(L 2)、III(L 3)、IV (L 4) 長(zhǎng)度分別為10km , 20km , 30km , 20km , 使用分布參數(shù)輸電線路做高壓輸電線路, 全帶80% 的負(fù) 載。部分參數(shù)設(shè)置說明如下: 電源為理想電壓源, 線電壓10kV , 頻率50HZ, 相 角為0, 內(nèi)部連接方式Y(jié), 三相電源電阻0. 3128 , 三相電源電感6. 63e- 3H。線 路單位長(zhǎng)度正序電阻為0. 012738、零序電阻為0. 38648 , 線路單位長(zhǎng)度正序電 容為12. 74e- 9F、線路單位長(zhǎng)度零序電容為4. 1264e- 3F, 線路單位長(zhǎng)度正序 電感 為0. 9377e- 3H、零序電感為7. 751e- 3H。接地電阻的設(shè)置見圖3 標(biāo)注。圖3 中 的信號(hào)分別在0. 04s與0. 06s 時(shí)刻注入, 注入信號(hào)長(zhǎng)度3m s, 仿真分析不同接 地電阻情況下, 四條線路的零序電流波形變化。圖中縱坐標(biāo)表示電流, 單位為安培; 橫坐標(biāo)為時(shí)間, 單位為秒。

從圖3 中得出以下結(jié)論: ①外加電壓信號(hào)會(huì)引起所有線路零序電流發(fā)生變化, 故障線路的變化體現(xiàn)低頻特性而非故障線路體現(xiàn)高頻特性; ②接地電阻越小, 零序電流變化的幅度也越大, 隨著接地電阻由大到小故障線路零序電流(信號(hào)加 入點(diǎn)) 由三角弧形變成半圓弧形, 而非故障線路零序電流(信號(hào)加入點(diǎn))總是呈 現(xiàn)高頻振蕩狀態(tài)(接地電阻越小振蕩幅度越大) ; ③接地電阻接近零歐時(shí), 故障 線路零序電流與信號(hào)加入時(shí)刻同步變化,而非故障線路零序電流變化滯后信號(hào)加 入時(shí)刻(接地電阻越小滯后時(shí)間越長(zhǎng)) ; ④故障期間(未加入信號(hào)時(shí)) , 非故障線 路零序電流波形呈現(xiàn)同相變化與故障線路零序電流反相(以上波形由于被縱向壓 縮, 特征不明顯) ; ⑤故障發(fā)生時(shí)刻, 故障線路與非故障線路零序電流發(fā)生反 向突變, 而非故障線路零序電流都同相變化。 在多次改變注入信號(hào)的寬度, 改變 接地電阻的大小的情況下, 進(jìn)行仿真試驗(yàn), 得出相似的規(guī)律。

6. 2. 2 簡(jiǎn)要分析注入信號(hào)后母線電壓的變化經(jīng)過大量仿真得出以下結(jié)論: ①對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng), 注入信號(hào)(一次側(cè)10kV ) 后, 接地電阻為零時(shí), 零 序電壓幅值最高可達(dá)40kV , 正常相的相電壓幅值不超過20kV; 接地電阻2000歐 時(shí), 零序電壓幅值不超過1. 5kV , 正常相的相電壓幅值不超過30kV ; ②對(duì)于中 性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng), 正常相的相電壓幅值及零序電壓幅值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于不 接地系統(tǒng)的值。

7. 綜合選線方案方法及判據(jù)

(1) 故障選相法: 故障相電壓最低; 但經(jīng)過渡電阻接地時(shí), 一相電壓升高 但不超過線電壓, 其余兩相降低但不相等, 對(duì)于中性點(diǎn)不接地電網(wǎng), 升高的下 一相為接地相, 對(duì)于過補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò), 升高的上一相為接地相。

(2) 利用系統(tǒng)零序電壓的變化量, 判斷系統(tǒng)是否發(fā)生單相接地故障, 零序 電壓突變的時(shí)刻即為故障發(fā)生的時(shí)刻。 正常情況下, 故障選線裝置不間斷地采集 母線零序電壓及各線路的零序電流數(shù)據(jù), 采集的數(shù)據(jù)按順序存放在循環(huán)寄存器 中, 按每個(gè)采樣周期的數(shù)據(jù)計(jì)算零序電壓的幅值, 如果計(jì)算值超過整定值, 則 認(rèn)為故障發(fā)生, 以該時(shí)刻為標(biāo)志確定原始采樣數(shù)據(jù)序列, 把此時(shí)以前兩個(gè)周期及此時(shí)刻以后兩個(gè)周期的數(shù)據(jù)作為算法分析的對(duì)象。 啟動(dòng)小波變換模極大值算法, 求各線路零序電流同一尺度下的小波變換的模極大值極性加以比較, 如果故障 發(fā)生時(shí)刻小波變換的模極大值極性全部相同, 則判定為母線故障; 如果某條線 路的模極大值極性與余下全部線路的相反, 則這條線路故障。

(3) 利用系統(tǒng)零序電壓的變化量, 確定系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生單相接地故障后, 啟 動(dòng)故障選線裝置通過電壓互感器向系統(tǒng)故障相注入信號(hào)脈沖, 以注入信號(hào)脈沖 時(shí)刻為采樣時(shí)刻, 采集此時(shí)刻以后一個(gè)或兩個(gè)周期的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來, 啟動(dòng)零序 電流能量法計(jì)算各線路外加信號(hào)后的零序電流能量加以比較, 啟動(dòng)相位法, 計(jì) 算各線路零序電流的相位加以比較。 不經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng), 能量大的或呈現(xiàn) 負(fù)相位的為故障線路, 反之為正常線路。 對(duì)于經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng), 加脈沖前 后相位增量最大的為故障線路, 反之為非故障線路。反復(fù)多次效果更好。

(4) 利用系統(tǒng)零序電壓的變化量, 判斷系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生單相接地故障后, 啟 動(dòng)故障選線裝置通過電壓互感器向系統(tǒng)故障相多次(間隔時(shí)間半個(gè)周期左右) 注 入信號(hào)脈沖, 以第一次注入信號(hào)脈沖時(shí)刻為計(jì)時(shí)標(biāo)志, 采集此時(shí)后幾個(gè)周期各 線路零序電流, 啟動(dòng)圖形(識(shí)別) 算法, 繪制各線路零序電流波形圖, 加以比 較。 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)故障線路零序電流正弦波形與非故障線路的零序正弦波形 反相, 而非故障線路的同相。 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地過補(bǔ)償電網(wǎng)通過外加信號(hào)影 響產(chǎn)生的特征予以判斷。 對(duì)于所有類型小電流接地電網(wǎng)注入信號(hào)后, 各線路的零 序電流在信號(hào)注入時(shí)刻后都發(fā)生變化, 非故障線路零序電流呈現(xiàn)基波疊加高頻 振蕩, 而故障線路呈現(xiàn)半圓形或高頻振蕩伴隨嚴(yán)重變形半圓的形狀(半圓畸變度 隨著接地電阻增大而增加)。

8. 小結(jié)

本文提出了簡(jiǎn)單直觀實(shí)用、 耐高接地阻抗、 選線效果較好的波形識(shí)別選線法, 提出了基于電壓互感器注入信號(hào)的類能量法、 平均相位法。 首先, 進(jìn)行理論分析, 然后, 用算例進(jìn)行仿真驗(yàn)證各種方法的正確性, 在驗(yàn)證各種方法正確性的基礎(chǔ) 上, 提出了以電壓互感器注入信號(hào)為基礎(chǔ)的、以波形識(shí)別法為核心的、與小波分 析法、類能量分析法結(jié)合的小電流單相接地故障綜合選線法。最后, 闡述了綜合 選線法判據(jù)及其實(shí)現(xiàn)的方案、步驟。

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