考慮線路壓降的快速接地開關(guān)消弧性能及應(yīng)用

趙 軍， 阮 琦, 李景祿

(1. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司衡陽供電分公司， 湖南省衡陽市 421001； 2. 國電集團(tuán)漢川發(fā)電有限公司， 湖北省漢川市 431614； 3. 長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 湖南省長沙市 410114)

0 引言

隨著城市配電網(wǎng)的擴大及電力電纜的大量使用，配電網(wǎng)電容電流越來越大，發(fā)生單相接地故障時若不能及時處理，電弧不能自行熄滅，可能在系統(tǒng)中引起弧光接地過電壓導(dǎo)致人身和電網(wǎng)設(shè)備安全事故[1-2]。

配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，減小故障點電流，鉗制故障點電壓可實現(xiàn)故障消弧。單相接地故障消弧方法分為電壓消弧法和電流消弧法。電壓消弧法通過控制故障相母線電壓，促使故障點電弧熄滅，具體又可分為有源電壓消弧和無源電壓消弧，但都受故障線路壓降的影響，在某些低阻接地故障下可能使故障電流增大，影響熄弧效果[3-5]。電流消弧法通過提供與故障點電流方向相反的電流，減小故障點電流促使電弧熄滅。傳統(tǒng)的消弧線圈及有源故障電流全補償消弧裝置都屬于電流消弧，消弧線圈無法補償故障點諧波電流及有功電流分量，有源電流全補償裝置依賴于系統(tǒng)對地參數(shù)的精確測量，控制系統(tǒng)復(fù)雜[6-8]。

快速接地開關(guān)消弧法，通過投切單相開關(guān)使變電站內(nèi)故障相直接接地或經(jīng)過小電阻、小電抗接地[9-10]，轉(zhuǎn)移故障點電流，鉗制故障相電壓，促使故障電弧快速熄滅，其本質(zhì)上可歸于電壓消弧法[5]。文獻(xiàn)[11]提出采用自動補償消弧線圈與快速接地開關(guān)配合使用的消弧方法。由自動補償消弧線圈對瞬時性接地故障進(jìn)行消弧，由快速接地開關(guān)對永久性接地故障進(jìn)行處理，從而使系統(tǒng)兼具快速熄弧和小電流接地系統(tǒng)的優(yōu)點。文獻(xiàn)[12]提出了一種配電網(wǎng)單相接地故障性質(zhì)的快速診斷方法與處理裝置，該裝置可取代消弧線圈進(jìn)行故障消弧，本質(zhì)仍然是通過快速接地開關(guān)鉗制故障相電壓，將故障電流轉(zhuǎn)移至站內(nèi)，促使故障電弧熄滅。快速接地開關(guān)消弧結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，且設(shè)備成本少，目前國內(nèi)有多個廠家在生產(chǎn)，國家電網(wǎng)公司也在若干省份進(jìn)行推廣試用。但是相關(guān)文獻(xiàn)或產(chǎn)品在對快速接地開關(guān)消弧原理進(jìn)行分析時，都采用典型的集中參數(shù)模型，未考慮線路壓降及過渡電阻對熄弧效果的影響[13]，因此需要對其消弧性能做進(jìn)一步的分析。

本文采用線路π形等值參數(shù)模型建立應(yīng)用快速接地開關(guān)的小電流接地系統(tǒng)等效電路，由對稱分量法推導(dǎo)出故障點電流表達(dá)式。分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)故障線路存在較大壓降且過渡電阻較小時，快速接地開關(guān)可能會增大故障點電流，影響熄弧效果。通過監(jiān)測接地開關(guān)上的電流可間接檢測故障點電流，從而確認(rèn)熄弧效果。對于中性點不接地系統(tǒng)，當(dāng)檢測到故障點電流超過預(yù)定值時，應(yīng)退出接地開關(guān)，及時隔離故障區(qū)段。對于消弧線圈接地系統(tǒng)，當(dāng)檢測到故障點電流超過預(yù)定值時，退出接地開關(guān)，僅由消弧線圈消弧，再視具體情況隔離故障區(qū)段。

1 應(yīng)用快速接地快關(guān)時故障點電流分析

圖1 單相接地故障下消弧等效電路Fig.1 Arc suppression equivalent circuit under single phase grounding fault

規(guī)定電流由母線流向線路方向為正，由圖1可知，流經(jīng)故障點的故障電流與流經(jīng)站內(nèi)接地點的電流的關(guān)系可表示為:

(1)

圖2 故障饋線等效電路圖Fig.2 Diagram of fault feeder equivalent circuit

(2)

(3)

式中：C0和C1分別表示單位長度線路零序電容和正序電容。

(4)

(5)

在故障點由邊界條件可得：

(6)

(7)

故障相母線電壓與故障點電壓應(yīng)用對稱分量法表示為：

(8)

由式(8)解得故障相母線處電壓為：

(9)

(10)

解得故障相母線電壓為：

(11)

(12)

由式(9)、式(11)計算所得故障相母線對地電壓相等，于是有

(13)

令k=1-lz/(2l)，結(jié)合式(1)、式(9)至式(13)可解得故障點的故障電流表達(dá)式為：

(14)

由式(14)可知饋線i上流經(jīng)故障點的電流由三部分組成：第一部分為饋線i自身電容電流及饋線i

(15)

將滿足式(15)的過渡電阻值稱為臨界過渡電阻，當(dāng)過渡電阻大于臨界過渡電阻時，故障電流才會小于系統(tǒng)對地阻抗電流，此時投入快速接地開關(guān)才能起到使故障電流減小作用，否則反而會使得故障點電流增大。

對于站內(nèi)單相接地故障，lz的長度基本可忽略，流經(jīng)故障點的電流是系統(tǒng)對地阻抗電流在過渡電阻與站內(nèi)接地電阻上的分配，其表達(dá)式為：

(16)

設(shè)一個系統(tǒng)電容電流為40 A的不接地系統(tǒng)，A相發(fā)生單相接地故障，故障饋線長為8 km，站內(nèi)接地電阻為0.1 Ω，線路單位長度正序阻抗Z1=0.034+j0.163 Ω，零序阻抗Z0=0.34+j0.572 Ω，負(fù)載電流為300 A，負(fù)荷功率因數(shù)為0.95。保持其他參數(shù)不變，過渡電阻在0.1～10 Ω之間變化，故障距離在0～6 km之間變化時，故障點電流曲線如圖3所示，當(dāng)線路壓降和過渡電阻滿足一定條件時，故障點電流甚至可達(dá)上百安培。

采用快速接地開關(guān)消弧時，可在接地開關(guān)上串入電流互感器，通過監(jiān)測站內(nèi)接地點的電流間接實現(xiàn)故障點電流測量，由式(1)可知：

(17)

對于系統(tǒng)中存在的高次諧波分量，由于站內(nèi)接地點電阻通常遠(yuǎn)小于過渡電阻，因此快速接地開關(guān)能夠?qū)⑵溆行мD(zhuǎn)移至站內(nèi)接地點，避免其影響熄弧。

圖3 故障電流隨故障距離及過渡電阻變化關(guān)系Fig.3 Relationship among fault current, fault distance and transition resistance

2 快速接地開關(guān)消弧性能分析

2.1 快速接地開關(guān)抑制弧光接地過電壓

圖4 快速接地開關(guān)等效熄弧電路模型Fig.4 Equivalent extinguishing arc circuit model for fast grounding switch

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，未投入開關(guān)KA時，在故障相與非故障相上將發(fā)生兩個過程，非故障相電壓突然升高和故障相電壓突然降低，非故障相上電容充電，故障相電容放電。非故障相對地電容經(jīng)本相線路阻抗與電源及故障點形成回路，故障相對地電容經(jīng)故障相線路阻抗及故障點形成回路。非故障相上電壓由強制分量與自由分量組成[16]，當(dāng)開關(guān)KA閉合時，強制分量為非故障相線電壓，自由分量將經(jīng)過接地開關(guān)泄入大地，快速衰減為零，因此非故障相母線電壓為線電壓，同理，故障相母線電壓基本為零，避免了線路電容反復(fù)充放電過程，破壞掉間歇性弧光接地過電壓的形成條件，從而能夠有效抑制間歇性弧光接地過電壓。

2.2 快速接地開關(guān)消弧分析

根據(jù)能量守恒原則，電弧的熄滅與重燃取決于電流過零期間的弧道能量平衡過程，當(dāng)弧道輸入能量小于弧道散出能量時，電弧無法維持燃燒將自行熄滅，反之則電弧重燃[17]。小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，一般經(jīng)過三個階段，由不穩(wěn)定燃弧階段至穩(wěn)定燃弧階段最后形成金屬性接地故障。不穩(wěn)定燃弧和穩(wěn)定燃弧階段電弧都有可能熄滅，其中不穩(wěn)定燃弧階段故障電流主要是高頻分量，穩(wěn)定燃弧階段電流主要為工頻分量[18]。

3 快速接地開關(guān)的應(yīng)用效果

通過上面的分析可知，快速接地開關(guān)具有以下優(yōu)點。

1)有效抑制間歇性弧光接地過電壓。

2)轉(zhuǎn)移故障點高頻諧波分量、消耗故障點暫態(tài)電流分量。

3)當(dāng)過渡電阻遠(yuǎn)大于故障線路阻抗時，可降低故障點電壓、電流，促使電弧熄滅熄弧。

應(yīng)用快速接地開關(guān)有以下不足。

1)當(dāng)過渡電阻較小，線路壓降較大時，投入接地開關(guān)反而會進(jìn)一步增大故障點電流，影響熄弧效果。

2)對于站內(nèi)接地故障，在同一接地網(wǎng)中，分流效果有限。

在一些已有相關(guān)的研究中，通過在快速接地開關(guān)支路串接小電阻或小電抗來減小線路壓降對故障點電流的影響，但是從式(14)可以看到，增加快速接地開關(guān)支路阻抗，即增大式中R的值，在低阻接地狀態(tài)下可減小線路壓降對故障電流的影響，但是同時增大了系統(tǒng)電容電流在故障點的分布，無法從根本上解決快速接地開關(guān)在處理低阻接地故障時不能可靠減小故障點電流的問題。因此快速接地開關(guān)本質(zhì)上作為一種電壓消弧方法，存在固有的缺陷。

若快速接地開關(guān)單獨作為一種消弧裝置，應(yīng)配以完善的配電自動化系統(tǒng)，將快速接地開關(guān)無法處理的故障及時隔離。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，閉合相應(yīng)相的快速接地開關(guān)，鉗制故障相母線電壓，轉(zhuǎn)移故障點電流，并檢測接地開關(guān)支路電流，由式(17)實現(xiàn)故障點電流的間接測量，當(dāng)故障電流大于設(shè)定值時，斷開故障相接地開關(guān)，由配電自動化系統(tǒng)對永久性接地故障進(jìn)行故障隔離。

若將快速接地開關(guān)與消弧線圈結(jié)合進(jìn)行消弧，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，閉合相應(yīng)相的快速接地開關(guān)，鉗制故障相母線電壓、轉(zhuǎn)移故障點電流，并檢測接地開關(guān)支路電流，由式(17)實現(xiàn)故障點電流的間接測量。當(dāng)故障電流大于設(shè)定值時，斷開故障相接地開關(guān)，僅由消弧線圈進(jìn)行消弧，對于永久性接地故障可根據(jù)需要進(jìn)行故障隔離。

4 仿真驗證

為了驗證本文分析結(jié)果，利用MATLAB仿真軟件搭建Simulink仿真模型進(jìn)行仿真驗證。選用10 kV理想電壓源，以三相π形等值電路模擬系統(tǒng)饋線，共設(shè)置6組出線，分別為l1至l6，線路長度分別6，8，7，7，6，6 km。線路參數(shù)如下：正序電阻為0.034 Ω/km，零序電阻為0.34 Ω/km，正序電感為0.52 mH/km，零序電感為1.82 mH/km，正序電容為0.29 μF/km，零序電容為0.19 μF/km。系統(tǒng)正序阻抗Z1=0.034+j0.163 Ω，系統(tǒng)零序阻抗Z0=0.34+j0.572 Ω，系統(tǒng)電容電流為41.358 A，β=0.175。負(fù)載參數(shù)設(shè)置為P=4.299×106W，QL=0.165×106var。線路l2帶負(fù)載，其他線路空載。分別仿真中性點不接地及中性點經(jīng)消弧線圈接地方式下快速接地開關(guān)的消弧效果。消弧線圈處于過補償10%狀態(tài)下，其電感值L=0.404 H，站內(nèi)接地電阻為0.1 Ω。假設(shè)l2線路A相發(fā)生單相接地故障，分別仿真在不同過渡電阻、不同故障距離下的故障點電流。所得仿真數(shù)據(jù)見附錄A表A1和表A2。通過表中的仿真數(shù)據(jù)可知，根據(jù)文中推導(dǎo)的故障點電流計算公式能夠較精確地得到故障點電流值。當(dāng)負(fù)載電流較大時，在低阻接地故障下，隨著故障距離增加，應(yīng)用快速接地開關(guān)并不能有效減小故障點電流，有可能造成故障點電流增大，甚至達(dá)上百安培。

故障距離為6 km，過渡電阻分別為1,10,50 Ω時，投入快速接地開關(guān)前后，故障點電流如圖5所示?？芍?，在大負(fù)載、長距離單相接地故障下，當(dāng)過渡電阻較小時，投入快速接地開關(guān)，故障點電流反而進(jìn)一步增加，只有當(dāng)過渡電阻大于一定值時，投入快速接地開關(guān)才能使故障點電流減小。

圖5 不同過渡電阻下投入快速接地 開關(guān)前后故障點電流Fig.5 Current before and after switching of rapid arc suppression device with different transition resistances at fault point

同時，對快速接地開關(guān)抑制弧光接地過電壓進(jìn)行仿真，過渡電阻為1 Ω，三相母線電壓及中性點電壓仿真結(jié)果如附錄A圖A1所示，結(jié)果表明快速接地開關(guān)能夠有效抑制間歇性弧光接地過電壓。

5 結(jié)語

1)應(yīng)用快速接地開關(guān)處理單相接地故障時，故障點電流受故障線路參數(shù)影響，當(dāng)故障線路壓降較大、過渡電阻較小時，流經(jīng)故障點的電流反而可能增大。

2)快速接地開關(guān)能鉗制故障相母線電壓接近于零，能夠有效抑制間歇性弧光接地過電壓。當(dāng)過渡電阻較大時，快速接地開關(guān)能夠有效抑制故障點燃弧，但是對于某些距離較遠(yuǎn)、過渡電阻較小、負(fù)載較大的接地故障反而可能促進(jìn)電弧燃燒。

3)快速接地開關(guān)獨立應(yīng)用于故障消弧時，應(yīng)配備完善的配電自動化系統(tǒng)，及時將接地開關(guān)無法消弧的區(qū)段進(jìn)行隔離，與消弧線圈結(jié)合應(yīng)用于消弧時，若檢測故障點電流較大，應(yīng)退出快速接地開關(guān)，僅由消弧線圈進(jìn)行消弧。

本文分析了線路壓降對快速接地開關(guān)的消弧性能的影響，并通過Simulink仿真軟件進(jìn)行了驗證，但尚未在實際電網(wǎng)中進(jìn)行驗證。下一步將制定試驗方案，在10 kV等值模擬網(wǎng)中考慮線路壓降對快速接地開關(guān)消弧性能進(jìn)行試驗，以驗證本文的結(jié)論。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。