姚 迪,邵文權(quán),吳朝俊

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

我國大多數(shù)配電網(wǎng)采用中性點非有效接地方式[1],配電線路發(fā)生單相接地故障后仍可運行1～2 h,發(fā)生相間故障時，繼電保護(hù)同時跳開三相斷路器[2],如果此時斷路器盲目重合,則線路可能重合于永久性故障,嚴(yán)重危及電力系統(tǒng)和用戶的用電安全[3]。輸電線路中常利用差模電壓[4]、模型識別[5-6]、并聯(lián)電抗器電流[7]等進(jìn)行無故障識別,而配電線路電壓等級低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,三相跳閘后線路中信號微弱且不易獲取,因此研究一種能夠識別配電網(wǎng)相間故障性質(zhì)的重合閘方法具有重要意義。文獻(xiàn)[8]利用配電線路首端并聯(lián)電容器的放電信息,通過辨識過渡電阻判斷故障是否消失；文獻(xiàn)[9]利用晶閘管控制逆變電源并將其接在配電變壓器的低壓側(cè),通過施加瞬時高壓擊穿潛在故障點以檢測故障性質(zhì);文獻(xiàn)[10]根據(jù)建立的瞬時性故障參考模型計算故障后線路兩端電氣信息,利用電容參數(shù)實際值與識別值的差異進(jìn)行判斷。

本文針對10 kV配電線路,給出一種利用電壓與電流相位差的有源識別方法：在三相跳閘后，向故障線路施加3 kV的電壓信號,根據(jù)故障與無故障狀態(tài)下電壓電流相位差變化90°的特點進(jìn)行判別。PSCAD仿真結(jié)果表明,該方法能夠可靠實現(xiàn)三相重合前無故障檢測,具有良好適用性。

1 基于相位差變化的判別原理

相間故障發(fā)生斷路器跳閘后，線路中儲能元件開始放電,其持續(xù)放電時間極為短暫[11],極端條件下信號經(jīng)幾毫秒即衰減為零。采用外加電壓源向系統(tǒng)注入信號，能夠為跳閘后線路提供豐富的電氣信息,有效避免因待分析信號過于微弱而引起的誤判斷問題。 圖1為外加電壓源結(jié)構(gòu),當(dāng)發(fā)生AC相間故障時,僅閉合開關(guān)S1、S4;當(dāng)發(fā)生AB相間故障時,僅閉合開關(guān)S2、S6;當(dāng)發(fā)生BC相間故障時,僅閉合開關(guān)S3、S5[12]。

圖 1 外加電壓源結(jié)構(gòu)Fig.1 External voltage source structure

以BC相間故障為例,斷路器跳閘后注入可切換外加電壓源的簡化等值網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

(a) 故障持續(xù)階段等值網(wǎng)絡(luò)

(b) 故障消失后等值網(wǎng)絡(luò)圖 2 BC相間故障簡化圖Fig.2 Simplified circuit of fault between B-phase and C-phase

電壓與電流相位差的計算公式為[13]

(1)

故障發(fā)生時,圖2(a)中電壓電流相位差為

(2)

故障消失后,圖2(b)中電壓電流相位差為

(3)

隨著線路長度增加,線路自電阻和自電感逐漸增大[14],電壓電流相位差略微減小,但是由于配電變壓器感抗遠(yuǎn)大于線路阻抗,較長線路故障消失后的電壓電流相位差仍然接近90°。

2 三相重合前無故障識別判據(jù)的構(gòu)建

配電線路相間故障大多為金屬性,其值為幾歐～幾十歐,故障發(fā)生斷路器跳閘后線路中儲能元件的短時放電雖然可以在一定程度上延長持續(xù)放電時間[15],但仍需考慮過渡電阻的影響。注入外加電壓源以進(jìn)行故障檢測,若瞬時性故障仍未消失,則檢測到的電壓電流相位差與線路發(fā)生永久性故障時一致;若瞬時性故障已經(jīng)消失,則電壓電流相位差將出現(xiàn)接近90°的變化。根據(jù)以上特征建立三相重合前無故障識別判據(jù):

θ(h)>θset(h=1,2,3…,n)

(4)

式中:θ(h)為注入外加電壓源后第h個采樣點處電壓與電流相位差角度;θset為角度整定門檻,取100°～120°。當(dāng)式(4)的連續(xù)10個采樣點的計算數(shù)值同時成立時即可判斷為瞬時性故障,重合閘動作;當(dāng)判別式中任一計算數(shù)值不成立時,則持續(xù)判斷至最大允許判別時間,如果判別式仍不成立,則判為永久性故障,重合閘閉鎖。

3 仿真驗證

為驗證本文所提方法的正確性和有效性,使用PSCAD/EMTDC暫態(tài)仿真軟件建立了一個含6條出線帶并聯(lián)電容器的10 kV配電系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗證,仿真系統(tǒng)如圖3所示。

圖 3 帶并聯(lián)電容器10 kV配電仿真系統(tǒng)Fig.3 10 kV distribution simulation system with shunt capacitors

圖3中,并聯(lián)電容器位于線路首端,采用配電線路分散補(bǔ)償,補(bǔ)償容量選取200 kVar[16-18]。線路L1、L6為架空線路,線路L2、L5為電纜線路,線路L3、L4為電纜-架空線混合線路。設(shè)定0.4 s時線路L6發(fā)生BC相間故障,0.5 s時斷路器跳閘,0.6 s時注入外加電壓源,其中瞬時性故障的持續(xù)時間為0.3 s,電壓源幅值為3 kV,頻率為10 Hz。式(4)中，θset取100°,采樣頻率為2 000 Hz。

圖4為Rf=10 Ω時發(fā)生BC相間故障的電壓電流相位差。仿真結(jié)果表明,過渡電阻保持不變時，故障位置越遠(yuǎn)，注入外加電壓源后故障持續(xù)階段的相位差越大。若故障為瞬時性,故障消失后的電壓電流相位差將出現(xiàn)接近90°的變化,其相位差變化如圖4(a)所示;若故障為永久性，則電壓電流相位差在達(dá)到穩(wěn)定后幾乎不發(fā)生改變,其相位差變化如圖4(b)所示。

由圖4可知,注入外加電壓源后,不同故障情況下電壓電流相位差與理論分析結(jié)果相比出現(xiàn)了一定程度的增加,這是線路間耦合電容導(dǎo)致的[19]。

圖5,6分別為發(fā)生AC、AB相間故障的仿真計算結(jié)果,其變化規(guī)律與發(fā)生BC相間故障時一致,因此根據(jù)式(4)可以實現(xiàn)不同相間故障的性質(zhì)判別。

為進(jìn)一步驗證本文所提判據(jù)的正確性,針對圖3中線路L6進(jìn)行了BC相間不同故障情況下的仿真計算,具體數(shù)據(jù)見表1。

(a) 瞬時性故障

(b) 永久性故障

(a) 瞬時性故障

(b) 永久性故障

(a) 瞬時性故障 (b) 永久性故障圖 6 AB相間故障的電壓電流相位差Fig.6 Phase difference between voltage and current of AB interphase fault

過渡電阻/Ω故障位置θ(h)/°瞬時故障永久故障故障位置過渡電阻/Ωθ(h)/°瞬時故障永久故障10.2127.348.60.210127.332.5 50.2127.535.10.410127.337.7 100.2127.332.50.610127.341.2 200.2127.330.30.810127.043.4 300.2127.129.71.010127.045.0

表1的仿真計算結(jié)果表明,配電線路金屬性故障消失前后, 電壓電流相位差的識別值存在較大差異, 主要是瞬時性故障的相位差識別值較大, 而永久性故障的識別值較小。 雖然當(dāng)故障過渡電阻小于1 Ω時,配電線路永久性故障識別值受線路參數(shù)影響較大,但根據(jù)本文構(gòu)造的三相重合前無故障識別判據(jù),仍可實現(xiàn)故障性質(zhì)判別, 不會影響判斷的可靠性。

4 結(jié) 語

本文通過分析不同相間故障狀態(tài)下電壓電流相位差的變化,針對惡劣條件下重合閘成功率僅有60%的問題[20],給出了一種基于外加電壓源的三相重合前無故障識別方法。與其他方法相比,該方法僅利用配電線路的電壓量和電流量進(jìn)行相位差計算,原理簡單;且注入電壓源后的電氣信息穩(wěn)定,識別精度高,基本不受故障位置以及過渡電阻影響,適用于含并聯(lián)電容器的配電線路,有利于提高配電網(wǎng)相間故障的重合成功率,具有一定實用價值。