趙國(guó)軍,陳坤燚,李 沁,曾 偉,柯賢旺
(湖北民族大學(xué)智能科學(xué)與工程學(xué)院,恩施 445000)
隨著配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和電力電子設(shè)備及電纜線路的大量應(yīng)用,導(dǎo)致諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)故障點(diǎn)殘流較大,電弧難以熄滅[1-2]。
因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)配電網(wǎng)單相接地故障消弧問(wèn)題,提出了諸多消弧方法,從原理上看主要包括無(wú)源消弧法和有源消弧法兩類(lèi)。無(wú)源消弧法主要包括消弧線圈和接地故障轉(zhuǎn)移消弧裝置(消弧柜)兩類(lèi)[3]。消弧線圈分為預(yù)調(diào)式消弧線圈和隨調(diào)式消弧線圈,但無(wú)論何種消弧線圈都只能補(bǔ)償電流的基波分量,對(duì)其有功分量和諧波分量無(wú)能為力,消弧效果具有局限性[4]。故障轉(zhuǎn)移消弧裝置采用斷路器將故障相母線接地,從而旁路故障點(diǎn),實(shí)現(xiàn)接地故障轉(zhuǎn)移,鉗制故障相電壓,阻止故障電弧重燃。該方法受接地故障電流諧波分量和有功分量影響小,但是在重載、小過(guò)渡電阻的情況下可能出現(xiàn)不能轉(zhuǎn)移故障點(diǎn)電流的情況,甚至有增大故障點(diǎn)電流的可能[5]。有源消弧法按照控制對(duì)象的不同,可以將其分為電流型和電壓型兩類(lèi)。電流型有源消弧法通過(guò)控制接地故障點(diǎn)電流為0,促進(jìn)電弧熄滅。電壓型有源消弧法通過(guò)控制故障相電壓為0,限制故障點(diǎn)恢復(fù)電壓,從而達(dá)到消弧的目的?,F(xiàn)有電流型有源消弧法,可以補(bǔ)償接地故障的有功、無(wú)功功率和諧波電流,但補(bǔ)償效果受對(duì)地參數(shù)測(cè)量精度的影響[6-8]。為此,文獻(xiàn)[9-10]提出在故障前向配電網(wǎng)中注入電流,得到相應(yīng)電壓來(lái)計(jì)算對(duì)地參數(shù),并代入零序電流計(jì)算公式,從而得到注入電流,實(shí)現(xiàn)消??;文獻(xiàn)[11]不需要單獨(dú)計(jì)算對(duì)地參數(shù),直接采用二次注入特定電流的方法得到注入電流的參考值,通過(guò)逆變器將參考電流注入配電網(wǎng)中性點(diǎn),抑制故障點(diǎn)電壓和電流至零,實(shí)現(xiàn)消弧。然而,上述測(cè)量方法均是在故障前完成參數(shù)測(cè)量,若故障中配電網(wǎng)存在線路結(jié)構(gòu)上的變化(線路跳閘或檢修),則很難保證消弧的可靠性。為此,文獻(xiàn)[12]對(duì)文獻(xiàn)[11]提出方法作了改進(jìn),利用FTU等配電網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備,實(shí)時(shí)測(cè)量故障各裝置安裝處的零序電流及母線零序電壓,從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)零序?qū)Ъ{的時(shí)候?qū)崟r(shí)測(cè)量。此方法需借助于FTU,而并非所有配電網(wǎng)都配置了FTU,此方法的實(shí)施成本較高。文獻(xiàn)[13-15]采用電壓型有源消弧法,該方法以故障相電壓為0作為控制目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了消弧,無(wú)需測(cè)量對(duì)地參數(shù)。但是,此方法受負(fù)荷影響嚴(yán)重,在重載長(zhǎng)饋線近末端發(fā)生小過(guò)渡電阻故障時(shí)會(huì)出現(xiàn)故障點(diǎn)殘余電流增大,難以消弧的情況[16-18]。文獻(xiàn)[18]通過(guò)過(guò)渡電阻的大小作為判據(jù)來(lái)選擇電流型有源消弧法或電壓型有源消弧法的方式實(shí)現(xiàn)消弧。此類(lèi)通過(guò)切換模式實(shí)現(xiàn)消弧的方法,解決了電壓型有源消弧法受過(guò)渡電阻、負(fù)荷的影響不能消弧的問(wèn)題,然而對(duì)于電流型有源消弧法是否受過(guò)渡電阻、負(fù)荷、故障距離等因素的影響尚缺乏理論研究。此外,對(duì)地電容測(cè)量誤差對(duì)故障點(diǎn)殘余電流的影響也未見(jiàn)分析。
本文采用計(jì)及線路阻抗、負(fù)荷阻抗的模型,對(duì)故障點(diǎn)殘余電流進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,在饋線末端重載、小過(guò)渡電阻情況下,對(duì)地電容測(cè)量誤差為正誤差時(shí),會(huì)導(dǎo)致消弧困難;而一定的負(fù)誤差,反而有利于消弧。此外,配電網(wǎng)注入零序電流改變相位與改變幅值比較,改變相位對(duì)故障點(diǎn)殘流的變化率影響最大?;谏鲜鼋Y(jié)論,為適應(yīng)配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)變化和計(jì)及線路末端小過(guò)渡電阻重載兩種情況下的可靠消弧,提出了改進(jìn)型有源電流消弧法。該方法在故障后動(dòng)態(tài)調(diào)整零序注入電流,故障后首先從中性點(diǎn)注入幅值為90%的配網(wǎng)總電容電流,以保證注入電流的負(fù)誤差,再通過(guò)調(diào)整注入電流的相位,引起故障殘流的變化,從而計(jì)算出準(zhǔn)確的注入電流,最后,改變注入電流相量,實(shí)現(xiàn)可靠消弧。
電流型注入消弧法的基本原理是:通過(guò)有源逆變器向配電網(wǎng)中性點(diǎn)注入零序電流,使故障點(diǎn)電流為0,從而實(shí)現(xiàn)消弧。消弧性能主要取決于注入電流的計(jì)算,傳統(tǒng)電流型有源消弧法注入零序電流的計(jì)算公式[8-10,19]為
式中:C為故障相電壓;ZC為對(duì)地零序阻抗;,R為對(duì)地泄漏電阻,C為對(duì)地電容。
式(1)是基于簡(jiǎn)化模型推導(dǎo)而得,只考慮了配電網(wǎng)對(duì)地電容和對(duì)地泄露電阻的影響,諸如故障距離、線路壓降以及負(fù)載等參數(shù)均未考慮,存在較大誤差。鑒于此,采用考慮線路阻抗、負(fù)荷阻抗的模型,并利用對(duì)稱(chēng)分量法對(duì)電流型注入消弧法的性能進(jìn)行研究。
圖1所示為帶有電流型注入消弧裝置的配電網(wǎng)。假設(shè)饋線L6發(fā)生單相(C相)接地故障,根據(jù)對(duì)稱(chēng)分量法可得如圖2所示的復(fù)合序網(wǎng)。
圖1 配電網(wǎng)消弧示意Fig.1 Schematic of arc-suppression of distribution network
圖2 配電網(wǎng)單相接地故障復(fù)合序網(wǎng)Fig.2 Compound-sequence network of distribution network under single-phase grounding fault
圖2中:為配電網(wǎng)正序電源;ZS為母線到電源之間的正序(負(fù)序)等效阻抗;Z為所有非故障線路及其末端負(fù)載的正序(負(fù)序)阻抗并聯(lián)的等效阻抗;α為故障距離;ZL為故障線路正序(負(fù)序)等效阻抗;Zload為故障線路末端負(fù)載正序(負(fù)序)等效阻抗;ZL0為故障線路零序阻抗;Z0為系統(tǒng)等效零序阻抗;Rf為過(guò)渡電阻;f為故障點(diǎn)電流;0為逆變器等效電流源。
根據(jù)圖2所示的復(fù)合序網(wǎng)可求得故障點(diǎn)電流f的表達(dá)式為
式中ZS較小,可忽略不計(jì)。因此,式(2)可近似表達(dá)為
由圖3可知:對(duì)地電容測(cè)量誤差會(huì)增大殘流。若要求殘流低于5 A[12,18],故障距離為0時(shí),可容許的對(duì)地電容測(cè)量誤差為-19.8%~16.3%;故障距離為0.5時(shí),可容許的對(duì)地電容測(cè)量誤差為-22.4%~10.6%;故障距離為1時(shí),基本不能允許正誤差??梢?jiàn),在非首端故障時(shí),對(duì)測(cè)量對(duì)地電容的負(fù)誤差容忍范圍更大,即,適當(dāng)出現(xiàn)負(fù)誤差對(duì)消弧更有利。
由式(3)可知:故障點(diǎn)殘流f主要與注入電流0、故障距離α、故障線路負(fù)載阻抗Zload以及過(guò)渡電阻Rf有關(guān)。其中,0由式(1)計(jì)算得到,對(duì)地電容C的測(cè)量誤差將會(huì)影響0,從而導(dǎo)致殘流增大,難以可靠消弧。然而,式(3)較復(fù)雜,通過(guò)解析法很難分析故障點(diǎn)殘流與各影響參數(shù)之間的關(guān)系,因此,可通過(guò)數(shù)值分析的方式展開(kāi)研究。
1)故障距離α對(duì)殘流f的影響
配電網(wǎng)各阻抗參數(shù)按表1選取,故障距離α在0~1范圍內(nèi)變化,對(duì)地電容誤差在-100%~100%范圍內(nèi)變化,注入電流按式(1)計(jì)算。根據(jù)式(3)可得到殘流f的變化規(guī)律,如圖3所示。
表1 配電網(wǎng)阻抗Tab.1 Impedance of distributed network Ω
圖3 故障距離的影響Fig.3 Influence of fault distance
2)過(guò)渡電阻Rf對(duì)殘流f的影響
配電網(wǎng)各阻抗參數(shù)按表1選取,其中故障距離α為1,過(guò)渡電阻Rf在0.1~300 Ω范圍內(nèi)變化,對(duì)地電容誤差在-100%~100%范圍內(nèi)變化,注入電流按式(1)計(jì)算。根據(jù)式(3)可得到f受Rf影響的變化規(guī)律,如圖4所示。
圖4 過(guò)渡電阻的影響Fig.4 Effect of transition resistance
由圖4可知:殘流低于5 A時(shí),對(duì)地電容測(cè)量誤差可容忍范圍隨過(guò)渡電阻增大而增加。此外,在線路末端小過(guò)渡電阻情況下,對(duì)地電容測(cè)量誤差的容忍范圍最小。若要求過(guò)渡電阻Rf在0.1~300 Ω變化,殘流小于5 A,則可容許的對(duì)地電容的測(cè)量誤差為-18.7%~0范圍時(shí),更有利于電弧熄滅。
配電網(wǎng)各阻抗參數(shù)按表1選取,其中故障距離α為1,過(guò)渡電阻Rf為0.1 Ω,負(fù)載阻抗Zload在25~311 Ω范圍內(nèi)變化,注入電流按式(1)計(jì)算。殘流f隨負(fù)載阻抗Zload的變化規(guī)律,如圖5所示。
圖5 負(fù)載阻抗的影響Fig.5 Influence of load impedance
由圖5可知:殘流低于5 A時(shí),對(duì)地電容測(cè)量誤差可容忍范圍隨負(fù)載阻抗的增大(負(fù)載容量減小)而增加。若要滿(mǎn)足負(fù)載阻抗在較小值時(shí),殘流低于5 A,對(duì)地電容的測(cè)量誤差需在負(fù)誤差為-17%~-6.1%范圍,才能滿(mǎn)足消弧要求。
綜上所述,配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí),在過(guò)渡電阻、故障距離、負(fù)載阻抗的共同作用下,將迫使對(duì)地電容測(cè)量誤差在負(fù)的情況下,使消弧效果更為顯著。在線路末端小過(guò)渡電阻、重載(負(fù)載阻抗較?。┣闆r下,注入電流計(jì)算公式按對(duì)地電容測(cè)量在負(fù)誤差為-17%~-6.1%范圍進(jìn)行計(jì)算后,注入配電網(wǎng),可使故障點(diǎn)電流接近零殘流。
為此,在考慮了參數(shù)C、α、Zload以及Rf的變化對(duì)f0的影響,為適應(yīng)配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)變化和計(jì)及線路末端小過(guò)渡電阻重載兩種情況下的可靠消弧,本文將在現(xiàn)有電流消弧注入法的基礎(chǔ)上提出一種新的方法,從而實(shí)現(xiàn)可靠消弧。
式(3)故障點(diǎn)電流與中性點(diǎn)注入零序電流的關(guān)系表達(dá)式為
令式(4)中的故障點(diǎn)電流f=0,則中性點(diǎn)注入零序電流的表達(dá)式為
將式(5)和 式(6)代入式(7),可得
式(8)可進(jìn)一步化簡(jiǎn)為
由式(9)可知,逆變器向配電網(wǎng)中性點(diǎn)注入零序電流的計(jì)算公式不僅和、Z0有關(guān),還與ZL、Zload有關(guān)。其中,故障距離α為0時(shí),注入電流I0無(wú)需考慮ZL和Zload。若故障距離α不為0時(shí),式(9)與式(1)比較,式(1)計(jì)算的注入電流是偏大的,阻抗偏小,即,其中。若要使|Z|更加接近于準(zhǔn)確值,則可使對(duì)地電容C適當(dāng)出現(xiàn)負(fù)誤差C-(C-<C),即|ZC-|>|Z|??梢?jiàn),對(duì)地電容測(cè)量值為正誤差時(shí),按照式(1)計(jì)算注入電流會(huì)偏大,從而導(dǎo)致消弧困難;若對(duì)地電容測(cè)量值存在一定的負(fù)誤差,則注入電流偏離真實(shí)值的差值偏小,因此,有利于消弧。為此,本文提出一種動(dòng)態(tài)調(diào)整零序電流的方法,來(lái)實(shí)現(xiàn)式(9)注入電流的計(jì)算,完成可靠消弧。
配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí),通過(guò)逆變器向中性點(diǎn)注入兩次不同的零序電流,分別在故障線路首端測(cè)量其注入后的電流。其中,故障點(diǎn)電流。將和代入式(4),可知
進(jìn)而可得
在計(jì)及故障距離、線路阻抗和負(fù)載阻抗時(shí),動(dòng)態(tài)調(diào)整二次注入零序電流,將其按式(10)~式(11)的方式計(jì)算最終注入電流,以此實(shí)現(xiàn)可靠消弧。此外,在動(dòng)態(tài)調(diào)整注入電流時(shí),可能會(huì)增大故障點(diǎn)電流。因此,還需考慮二次注入零序電流的大小。
配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),通過(guò)文獻(xiàn)[11]注入法測(cè)量配電網(wǎng)對(duì)地電容參數(shù)。若發(fā)生單相接地故障,則第一次注入電流以正常情況下所測(cè)得的對(duì)地電容參數(shù)在負(fù)誤差為-17%~-6.1%范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整注入;為保證第二次注入電流使故障點(diǎn)電流呈下降趨勢(shì),需考慮注入電流幅值和相位的選擇問(wèn)題。因此,下面將以第一次注入電流為基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)值變化,注入配電網(wǎng)中,觀察故障點(diǎn)電流變化規(guī)律。
假設(shè)配電網(wǎng)C相發(fā)生單相接地故障,故障距離α為1,過(guò)渡電阻為100 Ω,其他參數(shù)如表1所示。其中,第1次注入電流按0.010 3∠60°kA給定。圖6為第1次注入零序電流相位不變,幅值改變后的故障點(diǎn)電流變化情況;圖7為第1次注入零序電流幅值不變,相位改變后的故障點(diǎn)電流變化情況。
圖6 注入電流幅值變化對(duì)故障點(diǎn)電流的影響Fig.6 Influence of change in injection current amplitude on current at fault point
圖7 注入電流相位變化對(duì)故障點(diǎn)電流的影響Fig.7 Influence of phase change of injection current on current at fault point
由圖6可知,注入電流相位不變、幅值在原有數(shù)值的基礎(chǔ)上變化時(shí),故障點(diǎn)電流與注入電流的平均斜率約為-1.732 3,即注入電流每變化1 A,故障點(diǎn)電流變化1.7 A。由圖還可知,在第一次注入電流幅值的基礎(chǔ)上,相位不變、減少電流的幅值,可使故障點(diǎn)電流略微下降。由圖7可知,注入電流幅值不變、相位在原有數(shù)值的基礎(chǔ)上變化時(shí),故障點(diǎn)電流與注入電流的平均斜率約為-24,即注入電流每變化1 rad,故障點(diǎn)電流變化24 A。由圖7還可知,在第一次注入電流相位的基礎(chǔ)上,幅值不變、減少電流的相位,可使故障點(diǎn)電流下降。此外,電流相位的取值范圍較寬。
由圖6和圖7可知,第2次注入零序電流在第1次注入零序電流的基礎(chǔ)上,只改變相位,不改變幅值進(jìn)行注入,可以不用考慮逆變器調(diào)制比過(guò)調(diào)、輸出電流控制精度問(wèn)題,只需控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)相位角的變化,有利于在第2次注入零序電流就能實(shí)現(xiàn)可靠快速消弧的目標(biāo)。
根據(jù)上述分析,本文對(duì)現(xiàn)有電流型有源消弧算法進(jìn)行了改進(jìn),工作流程如圖8所示。
圖8 電流消弧法流程Fig.8 Flow chart of current arc-suppression method
配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),通過(guò)文獻(xiàn)[11]注入法測(cè)量配電網(wǎng)對(duì)地電容參數(shù)。若發(fā)生單相接地故障,則第1次注入電流以正常情況下所測(cè)得的對(duì)地電容參數(shù)在負(fù)誤差為-10%進(jìn)行調(diào)整注入;如果電弧未熄,則在第1次注入電流的基礎(chǔ)上減小其相位角后,進(jìn)行第2次注入電流;若電弧未熄,則通過(guò)故障后2次注入的電流按照式(10)和式(11)計(jì)算注入電流,將該電流注入中性點(diǎn),使故障點(diǎn)電流為0,電弧熄滅,實(shí)現(xiàn)可靠消弧。
為驗(yàn)證所提電流型有源消弧改進(jìn)方法的有效性,本文通過(guò)PSCAD/EMTDC仿真軟件建立如圖1所示的配電網(wǎng)模型。配電網(wǎng)參數(shù):電源電壓為35 kV,阻抗為:(0.512+j2.3267)Ω;主變壓器繞組采用連接△/Y,變比為35 kV/10 kV,容量為30 MV·A,正序漏抗為0.04 p.u.,空載損耗為0.001 92 p.u.;負(fù)載采用降壓變壓器與饋線連接,降壓變壓器變比為10 kV/0.4 kV。其中,配電網(wǎng)線路阻抗參數(shù)如表2所示。
表2 配電網(wǎng)線路阻抗參數(shù)Tab.2 Impedance parameters of line in distribution network
1)消弧方法性能驗(yàn)證
假設(shè)配電網(wǎng)饋線首端和末端C相發(fā)生單相接地故障,其中,故障距離分別取0 km和10 km,負(fù)載重載有功功率為1 MW,無(wú)功功率為0.05 Mvar,負(fù)載輕載有功功率為0.4 MW,無(wú)功功率為0.1 Mvar。對(duì)地電容為5.42 μF(阻抗為587.44 Ω),故障相電壓幅值為5.9555∠150°kA。第一次注入幅值為90%的配網(wǎng)總電容電流,即幅值0.009 1 kA,相位60°;第2次注入零序電流:幅值0.009 1 kA,相位52°;計(jì)算注入零序電流按式(9)和式(10)計(jì)算所取。參數(shù)變化對(duì)消弧的影響如表3所示。
表3 參數(shù)變化對(duì)消弧的影響Tab.3 Influence of parameter variation on arcsuppression
由表3可知,配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí),采用本文所提改進(jìn)型有源電流消弧,可使故障點(diǎn)電流降至5 A以下,殘流幾乎為0 A,基本達(dá)到零殘流消弧的目的,能實(shí)現(xiàn)可靠消弧。
2)與其他電流型有源消弧法比較
為驗(yàn)證所提消弧方法的可行性,本文和文獻(xiàn)[10]、文獻(xiàn)[11]進(jìn)行了比較。仿真條件按照配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)變化和計(jì)及線路末端小過(guò)渡電阻重載(負(fù)載阻抗較?。?種情況下進(jìn)行設(shè)置。假設(shè)配電網(wǎng)饋線首端或末端的C相發(fā)生單相接地故障,故障距離分別取0 km和10 km,過(guò)渡電阻取0.1 Ω和100 Ω,負(fù)載重載時(shí)有功功率為1 MW,無(wú)功功率為0.05 Mvar。其中,線路結(jié)構(gòu)按饋線正常(對(duì)地參數(shù)阻抗587.44 Ω)和饋線斷開(kāi)(對(duì)地參數(shù)阻抗1145.89 Ω)來(lái)設(shè)置。消弧性能對(duì)比結(jié)果如表4所示。
表4 消弧方法性能比較Tab.4 Comparison of performance among arcsuppression methods
由表4可知,配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)不變(饋線正常)條件下,采用文獻(xiàn)[10]電流型消弧法中的注入電流計(jì)算公式,注入電流后,故障點(diǎn)電流在重載線路末端小過(guò)渡電阻時(shí),不能降至5 A以下。同樣條件下,采用文獻(xiàn)[11]中二次注入特定電流的方法得到注入電流的參考值,注入電流后,均能使故障點(diǎn)電流降至5 A以下,消弧效果較好。而本文所提消弧方法注入電流后不僅能使故障點(diǎn)電流降至5 A以下,還能使殘流接近于0 A,基本達(dá)到了零殘流消弧的目的。若配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)發(fā)生改變(饋線斷開(kāi)),文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]注入電流后,不能實(shí)現(xiàn)消弧。同樣條件下,本文所提消弧方法可適應(yīng)線路結(jié)構(gòu)變化,可使故障點(diǎn)電流降至0 A附近,能實(shí)現(xiàn)可靠消弧。
通過(guò)上述仿真結(jié)果,驗(yàn)證了本文所提改進(jìn)型電流消弧法的可行性,在配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)變化和計(jì)及線路末端小過(guò)渡電阻重載2種情況下均能實(shí)現(xiàn)可靠消弧,仿真結(jié)果與理論分析一致。
傳統(tǒng)注入電流計(jì)算公式未計(jì)及故障距離和負(fù)載阻抗,在重載饋線近末端發(fā)生小過(guò)渡電阻故障時(shí),對(duì)地電容測(cè)量誤差為正誤差時(shí),難以實(shí)現(xiàn)消弧;為負(fù)誤差時(shí),消弧效果較好。若線路結(jié)構(gòu)改變,只有對(duì)地電容測(cè)量誤差為負(fù)誤差時(shí),才能實(shí)現(xiàn)消弧。配電網(wǎng)注入零序電流改變相位與改變幅值相比,改變相位對(duì)故障點(diǎn)殘流的變化率影響最大。為適應(yīng)配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)變化和計(jì)及線路末端小過(guò)渡電阻重載2種情況下的可靠消弧,提出了改進(jìn)型有源電流消弧法:故障后首先從中性點(diǎn)注入幅值為90%的配網(wǎng)總電容電流,以保證注入電流的負(fù)誤差,再通過(guò)調(diào)整注入電流的相位,引起故障殘流的變化,從而計(jì)算出準(zhǔn)確的注入電流,最后,改變注入電流相量,實(shí)現(xiàn)可靠消弧。