配電網(wǎng)單相接地故障的負(fù)序電流縱聯(lián)差動選線方法

圖爾蓀·依明，吳俊勇，陳占鋒，王晨，郝亮亮，吳之林，何立漢

(1．北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044;2．通用電氣全球研究中心(上海)，上海201203)

配電網(wǎng)單相接地故障的負(fù)序電流縱聯(lián)差動選線方法

圖爾蓀·依明1，吳俊勇1，陳占鋒1，王晨1，郝亮亮1，吳之林2，何立漢2

(1．北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044;2．通用電氣全球研究中心(上海)，上海201203)

單相接地是配電網(wǎng)發(fā)生幾率最高的故障，但單相接地故障選線一直是困擾人們的技術(shù)難題。本文首先分析了配電網(wǎng)單相接地故障負(fù)序電流的分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，提出了一種用于配電網(wǎng)單相接地故障的負(fù)序電流縱聯(lián)差動選線方法，該方法通過比較線路兩端的負(fù)序電流選出故障線路，具有較強(qiáng)的實用價值。利用35kV配電網(wǎng)的PSCAD模型進(jìn)行仿真，并且進(jìn)行了相關(guān)的動模實驗。仿真結(jié)果和實驗結(jié)果表明，該方法能夠正確、可靠地選出故障線路，并能摒棄系統(tǒng)正常運(yùn)行時固有負(fù)序電流的影響，該原理不因接地方式改變而失效，且適用于包括消弧線圈接地在內(nèi)的所有接地類型配電網(wǎng)。本文最后提出了該方法的優(yōu)缺點以及今后可在配電網(wǎng)單相接地故障選線方面開展的進(jìn)一步研究工作。

配電網(wǎng);故障選線;負(fù)序電流;雙端;差動

1 引言

我國中壓配電網(wǎng)普遍采用小電流接地系統(tǒng)，單相接地故障是小電流接地系統(tǒng)中最常見的故障，由于故障電流很小，因此其故障檢測問題一直是電力系統(tǒng)亟待解決的難題之一［1］。

國內(nèi)外雖然已研究出了眾多故障檢測技術(shù)，但實際應(yīng)用效果并不理想。故障指示器法對于短路故障檢測的效果比較好，但對于小電流接地故障檢測容易出現(xiàn)誤判［2］。信號注入法需要加裝信號注入設(shè)備，投資大，對于瞬時性故障和間歇性弧光接地故障效果不好［3-5］。零序電流方向法在中性點不接地系統(tǒng)和中性點經(jīng)電阻接地系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，但當(dāng)配電網(wǎng)經(jīng)消弧線圈接地時，由于消弧線圈的電感電流補(bǔ)償故障產(chǎn)生的電容電流，使得故障線路上的零序電流方向跟健全線路的方向相同，該方法失去作用［6-10］。五次諧波電流方向法受消弧線圈的影響較小，但負(fù)荷和現(xiàn)代電力電子設(shè)備產(chǎn)生的諧波影響了該方法的有效性［11-13］。

配電網(wǎng)故障后的負(fù)序電流故障特征明顯，故障線路負(fù)序電流較大，非故障線路負(fù)序電流基本為零。負(fù)序不平衡電流主要受負(fù)荷和互感器影響，利用負(fù)序電流選線算法不受中性點接地方式的影響。此外，負(fù)序電流提取只需測量三個相電流，便于在饋線終端裝置(FTU)和開關(guān)柜中實現(xiàn)，十分適合應(yīng)用于配電自動化系統(tǒng)以實現(xiàn)配電網(wǎng)的故障選線［14］。

本文考慮配電網(wǎng)正常運(yùn)行時，負(fù)荷不對稱等因素引起的固有負(fù)序電流的影響，提出了一種適用于配電網(wǎng)單相接地故障的負(fù)序電流縱聯(lián)差動選線方法，并通過仿真算例和動模實驗驗證了該方法的有效性。

2 負(fù)序電流縱聯(lián)差動選線方法的原理

對稱分量法已被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的故障計算和分析［15］。利用對稱分量法分解出的序分量構(gòu)成的選線原理具有不受系統(tǒng)負(fù)荷電流、系統(tǒng)振蕩的影響等優(yōu)點。以圖1(a)所示的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行說明，其對應(yīng)的負(fù)序等效網(wǎng)絡(luò)如圖1(b)所示。

圖1中，Z2s為系統(tǒng)的負(fù)序阻抗;Z2kf1為故障點到母線處的線路負(fù)序阻抗;Z2kf2為故障點到線路負(fù)載處的線路負(fù)序阻抗;Z2if為正常線路的線路負(fù)序阻抗;Z2il和Z2kl分別為正常線路和故障線路的負(fù)載負(fù)序阻抗。

圖1 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障Fig．1 Single-phase to ground fault in low current earthing

在配電網(wǎng)中，系統(tǒng)高壓側(cè)阻抗折算到低壓側(cè)，阻抗值變小。隨著配電網(wǎng)的增大，系統(tǒng)的負(fù)序阻抗變小。而配電網(wǎng)絕大部分為輻射網(wǎng)絡(luò)，每條線路的負(fù)荷不大，負(fù)荷阻抗較大。一般線路的負(fù)序阻抗(主要指負(fù)荷的負(fù)序阻抗)是系統(tǒng)負(fù)序阻抗的上百倍。因此，有:

另外，因饋線一般較短，負(fù)荷的負(fù)序阻抗卻較大，負(fù)荷的負(fù)序阻抗遠(yuǎn)大于饋線的負(fù)序阻抗:

因此負(fù)序電流大部分由故障點經(jīng)故障線路流向電源，非故障線路負(fù)序電流比較小。

配電網(wǎng)線路對地的負(fù)序電流很小，可以忽略不計。根據(jù)基爾霍夫電流定律(KCL)可知:對于如圖1 (b)所示的負(fù)序等效網(wǎng)絡(luò)，在不考慮分布電容的影響時，健全線路首端負(fù)序電流I2i與末端負(fù)序電流I'2i相等，兩者相差約為零。而對于發(fā)生故障的線路，由于在故障處附加等值負(fù)序電源UK2的接入將會在故障點產(chǎn)生流向母線及下一級線路或負(fù)荷的負(fù)序電流I2，因而，故障線路首端負(fù)序電流I2k與末端負(fù)序電流I'2k相差不再等于零，反而等于由故障點流向整個系統(tǒng)的負(fù)序電流，即故障線路兩端負(fù)序電流矢量差的幅值約等于首末端負(fù)序電流有效值之和。

本文方法利用負(fù)序電流的大小及方向進(jìn)行故障選線，把線路首末端負(fù)序電流(相量)之差作為判據(jù)，與負(fù)序電流幅值差作為判據(jù)相比，該方法把負(fù)序電流的方向也考慮在內(nèi)，可見，該方法不受流向電源側(cè)或者負(fù)荷側(cè)的負(fù)序電流大小變化的影響。另外，由圖1(b)可見，負(fù)序電流的流通回路中不包括消弧線圈，因此，利用負(fù)序分量進(jìn)行選線的故障特征將不受消弧線圈影響，但因消弧線圈的使用減小了殘流，將使故障線路和非故障線路負(fù)序電流都有所減小，影響選線精度。

由于系統(tǒng)中存在不對稱負(fù)荷，造成了系統(tǒng)的不對稱，從而產(chǎn)生負(fù)序電流。配電網(wǎng)正常運(yùn)行時，負(fù)荷不對稱引起的負(fù)序電流在線路首末端的分量相等，兩者相減后約為零。與文獻(xiàn)［15］提出的負(fù)序過流保護(hù)相比，該方法可以完全摒棄負(fù)荷不對稱等因素引起的負(fù)序電流對故障選線的影響。

3 負(fù)序電流縱聯(lián)差動選線方法的實現(xiàn)

3.1 選線判據(jù)及其步驟

選線判據(jù):若線路i首末端負(fù)序電流矢量差的幅值Ii大于所設(shè)定整定值Izd，即:

判斷線路i為故障線路。反之，則為非故障線路。

整定值Izd按配電網(wǎng)正常運(yùn)行時線路首末端負(fù)序電流矢量差的幅值的最大值進(jìn)行整定:

式中，ΔIi為配電網(wǎng)正常運(yùn)行時線路中首末端負(fù)序電流之差;k為可靠系數(shù)。

該判據(jù)的主要步驟如下:

(1)對配電網(wǎng)線路i的首末端三相電流進(jìn)行同步采樣。

(2)計算所述配電網(wǎng)線路i首末端的負(fù)序電流。首先采用傅立葉濾波算法求得各相電流基頻分量。令線路i三相電流相量記為:

式中，Ii為線路i電流相量;IRi為線路i電流的實部; IIi為線路i電流的虛部;下標(biāo)a、b、c分別表示A、B、C三相。

然后計算出線路i首末端負(fù)序電流的實部和虛部:

(3)根據(jù)式(6)所得出的負(fù)序電流的實部和虛部，計算出線路首末端負(fù)序電流之差的絕對值Ii。

式中，I'2i和I2i分別為線路i首端和末端負(fù)序電流。

最后利用判據(jù)式(3)判斷線路i是否為故障線路。

3.2 負(fù)序電流縱聯(lián)差動選線方法的具體實現(xiàn)

通過前面的分析可知，在線故障選線首先需要通過靈敏度高的電流互感器檢測線路上各節(jié)點的負(fù)序電流，然后通過無線通信(GPRS)把負(fù)序電流信息傳送給主站。主站根據(jù)收到的負(fù)序電流信息計算出線路首端負(fù)序電流與末端負(fù)序電流之差，最后利用判據(jù)式(3)判斷線路是否是故障線路，從而實現(xiàn)配電網(wǎng)在線故障選線。

在上述過程中需要解決三個問題:①同步測量問題，必須實現(xiàn)負(fù)序電流的同步測量及精確授時;②信號的無線傳輸問題，將線路節(jié)點上的測量信息傳送至主站以計算線路首端負(fù)序電流與末端負(fù)序電流之差［8］;③必須考慮到設(shè)備成本問題，增強(qiáng)此方法的實用性。

該方法具體實現(xiàn)所用裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 故障選線裝置的結(jié)構(gòu)Fig．2 Structure of fault location device

4 仿真分析與動模實驗

本文采用上述方法，對不同接地方式的單相接地故障、不同過渡電阻的單相接地故障和配電網(wǎng)中有不對稱負(fù)荷時的單相接地故障等多種類型進(jìn)行了仿真分析驗證和動模實驗檢驗。

4.1 仿真分析

仿真模型為35kV的38節(jié)點配電網(wǎng)，如圖3所示，本文在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型。

配電網(wǎng)線路模型為Π型等值網(wǎng)絡(luò)，參數(shù)為:R= 0.2625Ω/km，L=0.692mH/km，C=0.0173μF/km;負(fù)荷為恒阻抗模型;對地電容電流為16.261A;消弧線圈按過補(bǔ)償度10%的原則整定，經(jīng)過計算得出消弧線圈參數(shù)為L=3.573H，消弧線圈串電阻接地時的電阻值取6.777Ω。記節(jié)點25和節(jié)點26之間的線路為L1，節(jié)點25和節(jié)點34之間的線路為L2。在線路L1中間設(shè)置單相接地故障，仿真運(yùn)行時間為1s，在0.2s時發(fā)生故障，故障持續(xù)時間為0.1s。

4.1.1 不同接地方式的單相接地故障

配電網(wǎng)負(fù)荷對稱，中性點采用不同接地方式時設(shè)置單相接地故障。線路L1和線路L2的首末端負(fù)序電流分布情況見表1，可以看出，無論中性點采用何種接地方式，單相接地故障時，健全線路L2首末端負(fù)序電流(相量)基本相同，兩者差幾乎等于零;故障線路L1首末端負(fù)序電流的相位基本相反，首端與末端負(fù)序電流之差約等于兩者絕對值之和。利用判據(jù)式(3)判斷線路L1為故障線路，線路L2為健全線路。

中性點接地方式的改變將使故障線路和非故障線路負(fù)序電流都有所減小，影響選線精度。而對于最后的判斷結(jié)果不會產(chǎn)生影響。

仿真結(jié)果表明，該方法適用于任何接地方式的配電網(wǎng)。

4.1.2 不同過渡電阻的單相接地故障

配電網(wǎng)負(fù)荷對稱，故障過渡電阻取不同值時的仿真結(jié)果見表2。由表2可知，隨著過渡電阻值的增大線路首末端負(fù)序電流變小，從而引起線路首末端負(fù)序電流之差減小?？勺詈蟮呐袛嘟Y(jié)果還是有效?？梢?，該方法抗過渡電阻能力強(qiáng)。

表1 仿真結(jié)果Tab．1 Result of simulation

表2 過渡電阻的影響Tab．2 Effect of transition resistance

4.1.3 單相弧光接地故障

本文從放電電弧的實際物理特性入手，建立針對小電流接地系統(tǒng)的弧光接地仿真模型。圖4是一種典型狀態(tài)下的弧光電阻特性，弧光電阻是在0～3kΩ之間時變的非線性電阻。在PSCAD中可以將隨時間變化的弧光電阻通過可變電阻的方式進(jìn)行簡單模擬。然后在變化的弧光電阻的情況下，驗證本方法的適用性。

圖4 弧光電阻特性Fig．4 Arc resistance

圖5(a)和圖5(b)分別為中性點不接地系統(tǒng)和中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相弧光接地故障時，線路L1兩端負(fù)序電流之差。

由以上結(jié)果可知，不論是中性點不接地系統(tǒng)還是經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，在發(fā)生弧光接地故障時，故障線路兩端負(fù)序電流之差隨著弧光電阻的變化而變化，但該值仍然大于零，故障發(fā)生前和故障結(jié)束后該值等于零?？梢?，時變的弧光電阻只改變了故障線路兩端負(fù)序電流差值的大小，其值仍然大于零，最后仍然可以利用判據(jù)式(3)有效地選出故障線路。

圖5 單相弧光接地故障結(jié)果Fig．5 Single-phase arc ground fault

4.1.4 配電網(wǎng)有不對稱負(fù)荷時的單相接地故障

在負(fù)荷不對稱時線路L1首末端負(fù)序電流如圖6(a)所示，可以明顯看出，故障前和故障結(jié)束后在線路中仍存在負(fù)序電流(4.7612A)。故障線路L1首端負(fù)序電流與末端負(fù)序電流之差如圖6(b)所示，可以看出，故障期間的首端負(fù)序電流與末端負(fù)序電流之差明顯大于零，在故障前和故障結(jié)束后兩者差約為零。因而，可以判斷線路L1為故障線路。可見，該方法可以完全消除負(fù)荷不對稱引起的負(fù)序電流對故障判斷的影響。

4.2 動模實驗

利用已研制完成的裝置，在華中科技大學(xué)動模實驗室進(jìn)行了實驗。實驗拓?fù)鋱D如圖7所示，其中標(biāo)注CT和PT位置的三相電流和三相電壓可測，D表示故障點;線路模型為Π型等值網(wǎng)絡(luò)，其中包括架空線路和電纜線路。接地電抗器L=647mH;系統(tǒng)中性點經(jīng)消弧線圈接地時，在故障點D12分別設(shè)置過渡電阻為零和過渡電阻為416Ω的單相接地故障，測量點44QF的負(fù)序電流和91QF的負(fù)序電流之差結(jié)果如圖8(a)和圖8(b)所示，可以看出故障期間的負(fù)序電流差值明顯大于零，在故障前和故障結(jié)束后的負(fù)序電流差值約為零，利用判據(jù)式(3)能夠有效選出故障線路。

圖6 不對稱負(fù)荷仿真結(jié)果Fig．6 Simulation results of unbalanced load

圖7 35kV動模實驗?zāi)Ｐ虵ig．7 35kV dynamic power system model

此外，本文還針對不同接地方式、不同過渡電阻和配電網(wǎng)中有不對稱負(fù)荷時的單相接地故障等多種類型故障進(jìn)行了大量的仿真分析和動模實驗工作，其變化規(guī)律近似相同，在此不一一列出。

5 結(jié)論

本文提出了一種配電網(wǎng)單相接地故障的負(fù)序電流縱聯(lián)差動選線方法。該方法具有適用于任何接地方式、不受負(fù)荷不對稱等因素引起的負(fù)序電流的影響、抗過渡電阻能力強(qiáng)以及能有效判斷弧光接地故障等優(yōu)勢，故障選線的準(zhǔn)確度和可靠性高。本文針對不同接地方式、不同過渡電阻、弧光接地故障以及配電網(wǎng)中有不對稱負(fù)荷時的單相接地故障等多種類型故障進(jìn)行了PSCAD仿真分析，并且通過動模實驗驗證了該方法的有效性。

圖8 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障Fig．8 Single-phase to ground fault via arc extinguishing coil system

雖然該方法具有上述優(yōu)勢，但是因為本文采用縱聯(lián)差動保護(hù)原理，需要在配電網(wǎng)線路兩端都安裝電流測量裝置，這樣成本自然會較高。因此，該方法更適用于較重要的一類負(fù)荷區(qū)域。為了降低成本，在配電網(wǎng)中選擇關(guān)鍵的節(jié)點和線路裝設(shè)測量裝置，并且制造出成本低的測量和通信裝置是十分必要的。

本課題組目前在研究一種新型廉價的非接觸式智能傳感器［16］，這種新型電流傳感器成本低、體積小，單個傳感器成本只需幾塊錢，目前正處于調(diào)試階段。如果此電流傳感器能達(dá)到理想的測量效果，將大幅降低設(shè)備的成本，推動理論走向應(yīng)用，從而實現(xiàn)配電網(wǎng)在線故障選線，有效提高配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。國內(nèi)基于負(fù)序電流的配電網(wǎng)保護(hù)和故障選線研究很少，從理論到實現(xiàn)技術(shù)都需要進(jìn)一步研究。

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Fault line selection of single-phase to ground based on negative sequence current pilot differential in distribution network

TUERSUN·Yi-ming1，WU Jun-yong1，CHEN Zhan-feng1，WANG Chen1，HAO Liang-liang1，WU Zhi-lin2，HE Li-han2
(1．School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China; 2．GE Global Research Center-Shanghai，Shanghai201203，China)

Single-phase to ground short ismost liable to fault，buthow to detect fault section is the largest technical problem in distribution network．At first，the general changes of negative sequence current distributing is discussed and theoretical basis is provided for single-phase to ground fault detection in distribution network in this paper．And then a new fault selectionmethod is proposed base on negative sequence current pilot differential in distribution network．Themethod detects fault section through comparing the negative sequence current of line’s both ends，and themethod has great value of practical application．The principle is verified by PSCAD simulator，which has been tested in dynamic power system model，and the results show that themethod proposed in this paper is reliable and accurate．The principle can neglectnegative sequence current during system normal operation and is effective for all types of neutral groundingmode in distribution network．Finally，the advantages and disadvantages of thismethod are discussed，and the technology that need further studied is also proposed．

distribution network;fault line selection;negative current;both ends;differential

TM727.2;TM711

A

1003-3076(2015)06-0038-07

2014-03-24

圖爾蓀·依明(1987-)，男(維吾爾族)，新疆籍，碩士研究生，研究方向為配電網(wǎng)故障定位;吳俊勇(1966-)，男，湖北籍，教授/博導(dǎo)，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制、電力系統(tǒng)信息化。