葉遠(yuǎn)波 汪勝和 黃太貴 魏立新

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)中值電阻接地方式的研究*

葉遠(yuǎn)波1汪勝和1黃太貴1魏立新2

(1. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司 合肥 230022；2. 思源電氣股份有限公司 上海 201108)

針對(duì)傳統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式容易導(dǎo)致過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償問題，接地故障定位誤差較大的問題，設(shè)計(jì)出一種新型中性點(diǎn)接地方式，通過有源消弧技術(shù)并聯(lián)中值電阻的方式解決故障電流過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償問題，利用加權(quán)多源點(diǎn)最短路徑算法(Floyd算法)進(jìn)行單相接地故障定位，能夠?qū)Χ鄺l輸電線路同時(shí)進(jìn)行故障定位處理。通過對(duì)比驗(yàn)證分析，比較三種不同接地方式的最大故障電流曲線和誤差分析曲線，發(fā)現(xiàn)所提方法在故障電流處理最穩(wěn)定，故障電流只在15～20 A之間，而且故障定位誤差率最高不到3%，從而驗(yàn)證了所提接地方式性能的優(yōu)越性，證明了本設(shè)計(jì)方案的可行性。

有源消弧技術(shù)；并聯(lián)中值電阻接地方式；Floyd故障定位算法

1 引言

目前變電線路接地短路故障頻發(fā)，傳統(tǒng)解決方法大都是通過消弧線圈對(duì)故障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電流補(bǔ)償，但是這種方法無法精準(zhǔn)辨別故障位置，從而無法保證供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，而且這種方法容易造成過壓補(bǔ)償，從而影響整個(gè)電力系統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)。

通過大量試驗(yàn)分析，各電力公司設(shè)計(jì)了多種應(yīng)對(duì)中性點(diǎn)接地故障方案，文獻(xiàn)[1]利用多端柔性直流系統(tǒng)接地的方式。這種方法采用星形聯(lián)結(jié)的方式，在中性點(diǎn)接地的基礎(chǔ)上計(jì)算得出輸電線路接地故障位置，但是這種接地故障定位方式使用范圍有限，不具有普遍適用性；文獻(xiàn)[2]采用微電網(wǎng)接地方式進(jìn)行接地故障定位，通過建立微電網(wǎng)為接地故障提供足夠的電流保護(hù)。這種方案在欠電流和過電流條件下都沒有超過安全閾值，能夠快速定位接地故障位置并進(jìn)行切除。但這種方法需要建立復(fù)雜的微電網(wǎng)，需要大量的微電源，耗時(shí)較長，花費(fèi)較大[3]。

根據(jù)上述接地方法存在的問題，本研究在消弧線圈的基礎(chǔ)上加入恒流源，然后在接地線路并聯(lián)中值電阻，從而實(shí)現(xiàn)單相接地故障的消弧處理和接地故障線路的定位，通過有源消弧技術(shù)完成電路接地故障的調(diào)節(jié)，利用Floyd故障定位算法完成故障的定位，從而保證線路的穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

2 消弧線圈接地系統(tǒng)分析

通過消弧線圈的電感作用可以對(duì)接地短路故障進(jìn)行電磁消弧，產(chǎn)生的電感電流與接地電流大小相同，方向相反，這可以為接地電流提供保護(hù)，不會(huì)導(dǎo)致跳閘，避免瞬間停電事故，具備消弧線圈的線路能夠消除接地故障引發(fā)的電弧過電壓，解決配電網(wǎng)諧磁共振問題[5]。在20 kV配電系統(tǒng)中，消弧線圈能夠有效解決單相接地故障問題[6]。消弧線圈在輸電線路的應(yīng)用如圖1所示。

圖1 消弧線圈接地電路圖

消弧線圈補(bǔ)償接地電流改變了輸電線路的零序分布，導(dǎo)致接地故障電流差值只有5～6 A，難以判斷接地故障線路準(zhǔn)確位置[7]。另外，單相接地故障導(dǎo)致的電阻變化范圍較大，導(dǎo)致了接地部位電壓幅值和相位的變化，間接引起單相回路電流大范圍變化，從而更增大了電力選線識(shí)別難度[8]。

通過消弧線圈進(jìn)行單相故障診斷，在大多數(shù)配電網(wǎng)中成功率并不是很高，普遍在40%～50%，主要在于消弧線圈更換頻繁、對(duì)單相接地電弧無法完全消除、接地電壓幅值較大等問題仍無法解決[9]。

3 并聯(lián)中值電阻接地方式分析

本文在消弧線圈的基礎(chǔ)上并聯(lián)了中值電阻，能夠在線路發(fā)生接地故障時(shí)進(jìn)行精確識(shí)別定位[10]。對(duì)故障零序電路進(jìn)行電流數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理分析，然后確定中值電阻的規(guī)格，經(jīng)過中值電阻緩沖之后斷開。中值電阻能夠在此基礎(chǔ)上區(qū)分電路中的電流，使電流運(yùn)行產(chǎn)生時(shí)間差，方便利用算法進(jìn)行定位。消弧線圈搭配中值電阻電路圖如圖2所示。

圖2 消弧線圈和中值電阻結(jié)合電路圖

從圖2中箭頭的方向能夠判斷電流流向，并聯(lián)中值電阻需要根據(jù)線路故障威脅的大小判斷所用規(guī)格，延時(shí)時(shí)間一般小于1 s，經(jīng)過計(jì)算機(jī)采樣得到故障電路前后的零序電流，采樣結(jié)束通過中控開關(guān)切斷中值電阻，在上述過程的基礎(chǔ)上進(jìn)行Floyd計(jì)算，確定最短節(jié)點(diǎn)距離，完成定位[11]。當(dāng)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，根據(jù)圖2利用電氣原理分析，在歐姆定律的基礎(chǔ)上根據(jù)電路串并聯(lián)關(guān)系得到輸送電流的計(jì)算公式為

式中，表示配電網(wǎng)輸入的正常電流；表示輸電線路三相中接地相的電壓；g表示電流通過線路的困難程度，即導(dǎo)納；0表示并聯(lián)電阻之后輸電線路的導(dǎo)納；表示線路正常運(yùn)行電流流經(jīng)速度與故障部位流經(jīng)速度的差值；表示三相電壓的相角頻率；表示電路正常運(yùn)行狀態(tài)下的接地電容[12]。

輸電線路電流出現(xiàn)阻礙，即出現(xiàn)故障點(diǎn)位置，在基爾霍夫定律找到應(yīng)變電流的伏安特性，從而得到堆積電流為

通過電路的堆積電流，根據(jù)故障點(diǎn)出現(xiàn)前后電流的變化，可以計(jì)算出輸電線路電流變化量的比 值為

式中，ΔI表示配電網(wǎng)正常運(yùn)行下的輸電線路第條電路的電流變化量；ΔI表示第條電路的電流變化量；I表示輸電線路接地故障第條電路的電流值；I表示第條電路的電流值[13]。

式中，0表示輸電線路零序電流；I表示接地故障電流。在輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，值與線路的輸送距離和三相電流值關(guān)系不大，與架設(shè)線路的阻值有關(guān)；當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，因子就會(huì)受到線路和系統(tǒng)的影響，經(jīng)過并聯(lián)電阻的調(diào)節(jié)之后，線路電流就會(huì)流向接地線路，從而使故障線路電流增大，從而判斷出故障線路的位置[14]。

4 有源消弧技術(shù)

針對(duì)消弧線圈無法徹底消除故障線路電流殘弧的問題，本文采用有源消弧技術(shù)，向輸電系統(tǒng)輸入一個(gè)恒流源，通過計(jì)算機(jī)對(duì)其幅值和相角進(jìn)行控制，稱為有源控制[15]。

本文設(shè)計(jì)的有源消弧技術(shù)通過有源消弧算法對(duì)接地故障電流進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過有源消弧裝置對(duì)接地故障線路消弧處理。有源消弧算法能夠保證線路發(fā)生接地故障時(shí)接地電壓和故障電壓趨于平衡。有源消弧裝置主要作用是為輸電線路提供可控的恒流源，使電路發(fā)生接地故障時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行電流補(bǔ)償。在消弧線圈技術(shù)的基礎(chǔ)上增加恒流源得到電路如圖3所示。

圖3 有源消弧技術(shù)電路圖

有源消弧技術(shù)通過增加恒流源的方式對(duì)故障電流進(jìn)行補(bǔ)償，要比只有消弧線圈的電路更加穩(wěn)定，能夠解決單個(gè)消弧線圈間歇性做功的問題[16]。恒流源的相角裕度=+45°，幅值裕度為20lgK≥15 dB，通過脈寬調(diào)制逆變器進(jìn)行恒流源的幅值和相角控制，使電路符合相角條件，從而避免接地故障電流的欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償。

5 Floyd故障定位算法

為精確定位故障線路，本文采用Floyd故障定位算法，該算法能夠根據(jù)接地故障前后電流的變化自動(dòng)完成矩陣化處理，使電流變化清晰地表達(dá)出來，從而完成故障電路的選線處理[17]。

輸電線路發(fā)生接地故障時(shí)，由于接地短路故障點(diǎn)電流沿最短線路輸送到接地線路，使接地線路點(diǎn)電流極速升高，電路輸送電能初始時(shí)間節(jié)點(diǎn)與發(fā)生故障點(diǎn)的時(shí)間關(guān)系為

式中，t表示電路電流發(fā)生變化的時(shí)間點(diǎn)；0表示接地故障初始時(shí)刻；L表示電能在故障時(shí)間內(nèi)經(jīng)過的線路長度；表示電流流經(jīng)的速度[18]。

由式(5)可知，不同接地故障位置電流輸送的線路長度不同，在不同的接地故障位置，接地電流經(jīng)過故障點(diǎn)也難以判斷故障位置。但是根據(jù)兩個(gè)故障點(diǎn)通過電流的時(shí)間可以得到接地故障發(fā)生的時(shí)刻，而且時(shí)刻不會(huì)存在太大誤差。接地電流如果未經(jīng)過故障點(diǎn)計(jì)算得到的時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生較大出入[19]。通過 式(6)可以計(jì)算兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障的線路長度。

式中，L表示接地故障節(jié)點(diǎn)到下一故障測(cè)量點(diǎn)的距離；L表示另一線路到達(dá)故障測(cè)量點(diǎn)的線路距離。根據(jù)式(5)，將式(6)中t和t用初始時(shí)刻表示為

根據(jù)式(6)、(7)得到接地故障的精確時(shí)間節(jié)點(diǎn)如下

當(dāng)配電網(wǎng)兩處節(jié)點(diǎn)沒有發(fā)生電流變化，則兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)流經(jīng)電流的時(shí)間為

測(cè)量點(diǎn)的線路長度

式中，t表示第條輸電線路在測(cè)量節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)電流通過的時(shí)間，t表示第條輸電線路在測(cè)量節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)電流通過的時(shí)間。

輸電線路發(fā)生多條線路接地故障需要進(jìn)行矩陣化處理，通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)的可能性接地故障節(jié)點(diǎn)得到測(cè)量點(diǎn)之間的距離矩陣

當(dāng)接地故障發(fā)生瞬間存在一個(gè)故障點(diǎn)時(shí)間最小值記為min，而經(jīng)過一段線路之后得到其他電路時(shí)間節(jié)點(diǎn)t，兩者的差值為

通過計(jì)算時(shí)間上的差值能夠更快找到線路接地故障位置，從而方便后續(xù)線路的維護(hù)。

6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本研究在Intel7500+128GB內(nèi)存+320GB硬盤+千兆以太網(wǎng)卡+萬兆局域網(wǎng)的計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境下進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為20～40 ℃，工作頻率為50～70 Hz，輸入電流為1 500 mA，通過中值電阻計(jì)算公式確定中值電阻數(shù)值為

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析本文采用RT03系列中值電阻器驗(yàn)證本研究對(duì)接地故障的準(zhǔn)確定位功能，在同等試驗(yàn)環(huán)境下，將文獻(xiàn)[1]多端柔性直流系統(tǒng)接地和文獻(xiàn)[2]微電網(wǎng)接地方式的試驗(yàn)結(jié)果作為對(duì)照，明確分析三種方案在Floyd算法下得出的結(jié)果，并且針對(duì)三種方案的誤差進(jìn)行對(duì)比，最終得出結(jié)論，列出三種接地方式試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示[21]。

表1 三種接地方式試驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)地考察和參閱資料，選擇某地區(qū)的多條輸電線路作為試驗(yàn)線路，對(duì)線路節(jié)點(diǎn)設(shè)置三相不同方式接地故障，通過Floyd算法定位故障位置和節(jié)點(diǎn)距離獲取多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終得到各故障節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障位置如表2所示。

表2 接地故障節(jié)點(diǎn)位置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，通過電路原理結(jié)合 式(1)和式(2)得到故障電流幅值，根據(jù)并聯(lián)中值電阻的大小變化得到三種不同消弧方法故障電流的變化曲線如圖4所示。

圖4 三種不同消弧方法故障電流變化曲線

分析三種不同消弧方法故障電流的變化，可以發(fā)現(xiàn)本研究方法中故障電流幅值隨著并聯(lián)中值電阻的增大一直保持在15～20 A，超過200 A就會(huì)趨于零。而另外兩種消弧方法的故障電流分別在35 A和45 A上下，而且隨著并聯(lián)中值電阻的增加，兩種消弧方法的故障電流是逐漸減小的，這容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，使線路輸電失穩(wěn)[22]?？梢园l(fā)現(xiàn)本研究所用的有源消弧方法比較穩(wěn)定，針對(duì)線路接地故障能夠保證穩(wěn)定有效地去除殘流。

本文研究的新型接地方式在有源消弧技術(shù)和中值電阻的結(jié)合下，經(jīng)過Floyd算法計(jì)算出各故障節(jié)點(diǎn)位置，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確率，對(duì)系統(tǒng)存在的誤差可以用式(16)分析

式中，Δmax表示配電網(wǎng)故障節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障前后電流最大差值；表示正常輸電線路輸送到電流值[23]。

對(duì)三種不同方案的接地方式進(jìn)行誤差分析，通過式(16)計(jì)算誤差結(jié)果，根據(jù)三種方案的誤差結(jié)果畫出誤差分析曲線如圖5所示。

圖5 三種不同方案誤差分析

從圖5可以看出本研究接地方式誤差最低，最大誤差不到3%，而另外兩種方案誤差都達(dá)到8%以上；而且隨著設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定本研究誤差逐漸趨向穩(wěn)定，方案1誤差波動(dòng)較大，隨著時(shí)間的增加最終穩(wěn)定在8%，方案2誤差曲線坡度較大，表明誤差增加較快，對(duì)接地方式的處理存在明顯偏差[24]。

綜上所述，本研究接地方式對(duì)故障電流處理更加有效、穩(wěn)定，誤差更小，性能明顯優(yōu)于另外兩種方法，能夠解決傳統(tǒng)接地方式故障定位不夠準(zhǔn)確的問題，避免故障電流的過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償，證實(shí)了本研究方案的可行性。

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的接地方式在原有消弧線圈的基礎(chǔ)上引用了恒流源，通過并聯(lián)中值電阻使整個(gè)補(bǔ)償系統(tǒng)能夠更加全面，解決了傳統(tǒng)接地方式對(duì)故障電流的補(bǔ)償不完全問題；利用Floyd算法的精準(zhǔn)定位功能，解決了輸電線路故障節(jié)點(diǎn)定位不準(zhǔn)確的問題。經(jīng)驗(yàn)證本研究相對(duì)于傳統(tǒng)方法更加具有優(yōu)勢(shì)，主要得出以下結(jié)論。

(1) 利用有源消弧技術(shù)和中值電阻相結(jié)合的方式解決故障電流過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償問題，使輸電線路更加穩(wěn)定。

(2) 在接地方式的基礎(chǔ)上利用Floyd故障定位算法，對(duì)輸電線路的接地故障進(jìn)行定位，使電站能夠及時(shí)進(jìn)行線路調(diào)整和后期維護(hù)。

在試驗(yàn)中，本設(shè)備消弧線圈和中值電阻更換頻繁、成本較大，對(duì)單條輸電線路接地故障無法完成電流補(bǔ)償，這也是需要進(jìn)一步的研究方向。

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Study on Grounding Mode of Neutral Point through Arc Suppression Coil in Parallel with Median Resistance

YE Yuanbo1WANG Shenghe1HUANG Taigui1WEI Lixin2

(1. State Grid Anhui Electric Power Co., Ltd., Hefei 230022;2. Sieyuan Electric Co., Ltd., Shanghai 201108)

The traditional neutral grounding method is easy to lead to over-compensation and under-compensation, and the location error of grounding fault is large. A new neutral grounding method is designed to solve the problem of over-compensation and under-compensation of fault current by using active arc suppression technique and parallel connection of median resistance, single-phase-to-ground fault location based on the weighted multi-source shortest path algorithm (Floyd algorithm) can be used for fault location of multiple transmission lines. Finally, by comparing the maximum fault current curve and error analysis curve of three different grounding modes, it is found that the fault current of the proposed method is the most stable, and the fault current is only between 15 A and 20 A, the maximum error rate of fault location is less than 3%, which proves the superiority of the grounding mode and the feasibility of the design.

Active arc suppression technology；grounding mode of parallel median resistance；Floyd fault location algorithm

10.11985/2021.04.020

TM475

*國家電網(wǎng)公司科技資助項(xiàng)目(52120018004L)。

20201220收到初稿，20211008收到修改稿

葉遠(yuǎn)波，男，1973年生，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。E-mail：yeyb7079@ah.sgcc.com.cn

汪勝和，男，1971年生，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。E-mail：wangsh5518@ah.sgcc.com.cn

黃太貴，男，1963年生，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。E-mail：huangtg2053@ah.sgcc.com.cn

魏立新，男，1979年生，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)樽冸娬咀詣?dòng)化、電力系統(tǒng)接地故障保護(hù)等。E-mail：wlx@sieyuan.com