馬天祥,段 昕,宋 健,范 偉

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021;2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司,河北 石家莊 050021;3.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司保定供電分公司,河北 保定 071000)

0 引言

在我國(guó)10 k V配電網(wǎng)中,中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式得到廣泛應(yīng)用,消弧線圈的主要功能是在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),通過提供零序感性電流對(duì)系統(tǒng)的零序容性電流進(jìn)行補(bǔ)償,將故障點(diǎn)殘流降低至允許范圍之內(nèi)。但近年來隨著國(guó)內(nèi)配網(wǎng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大以及電纜線路的廣泛應(yīng)用,線路對(duì)地電容電流不斷增加,消弧線圈的容量已經(jīng)無法滿足補(bǔ)償需求,接地故障后電弧難以熄滅造成事故范圍擴(kuò)大的情況屢見不鮮[1-7]。

為提高供電可靠性、快速熄滅電弧,國(guó)內(nèi)很多省份開始應(yīng)用主動(dòng)干預(yù)消弧裝置(也稱開關(guān)型消弧裝置),通過故障后將故障相接地,有效鉗制故障相電壓,起到很好的熄弧效果,大大提高了配網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和安全性[818]。選相是主動(dòng)干預(yù)消弧裝置正確動(dòng)作的基礎(chǔ),但在實(shí)際應(yīng)用中,各個(gè)廠家裝置的選相方法考慮不充分,常因選相錯(cuò)誤造成相間短路,引起事故范圍擴(kuò)大,所以必須充分重視裝置的選相環(huán)節(jié)。

本文提出基于電壓突變量信息值的接地故障選相方法,解決不同接地電阻對(duì)選相判別的影響,利用選相校核程序及時(shí)彌補(bǔ)選相錯(cuò)誤造成的危害,大大提高主動(dòng)干預(yù)消弧裝置動(dòng)作準(zhǔn)確率。利用Metlab軟件進(jìn)行建模和仿真,仿真結(jié)果表明該方法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和較高的可靠性。

1 單相接地故障電壓特征分析

安裝主動(dòng)干預(yù)式消弧裝置配電系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)出線W相發(fā)生單相接地故障時(shí),結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 接地故障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由式(2)可知,隨著Rd變化,UNd的軌跡是以接地相的相電壓UW為直徑的位于其順時(shí)針一側(cè)的半圓,如圖2所示。

圖2 接地故障電壓特征

隨著接地電阻的不斷變化,各相電壓與中性點(diǎn)電壓的變化情況如圖3所示,設(shè)定Ut為故障后電壓有效值,Ut0為故障前電壓有效值,ΔU=Ut-Ut0為電壓突變量。

圖3 不同接地電阻下各相電壓變化

2 選相方法及實(shí)施過程

2.1 基于電壓突變量信息值的接地故障選相方法

定義Si為突變量信息值,當(dāng)ΔU＞0時(shí),Si=1,當(dāng)ΔU≤0時(shí),Si=0;T為選相判斷序列,T=[SUSVSW]?；谏衔姆治?W相發(fā)生接地故障后,UNd的軌跡是以接地相電壓UW為直徑的位于其右側(cè)的半圓,U、V、W的對(duì)地電壓UUd、UVd、UWd會(huì)隨著接地電阻的變化而不斷變化,選相序列T=[110]或[010]。同理可推得V相接地時(shí),T=[101]或[100],U相接地時(shí),T=[011]或[001]。

不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)U相接地時(shí),選相判斷序列的第一位和第三位分別為0和1,第二位為0或1,第二位信息值的變化是由接地電阻值大小決定的,所以只要序列中第一位和第三位為0和1,無論第二位信息值如何,即無論接地電阻值大小如何變化,可直接判定為U相接地故障。同理,可推得只要序列中第一位和第二位為1和0,無論第三位信息值如何,可直接判定為V相接地故障;只要序列中第二位和第三位為1和0,無論第一位信息值如何,可直接判定為W相接地故障。

由此構(gòu)建選相判別專家?guī)?U相接地序列[0X1];V相接地序列[10X];W相接地序列[X10];[000]和[111]為無效序列;X為0或1。接地故障發(fā)生后,僅需計(jì)算突變量信息值生成選相序列,代入選相判別專家?guī)熳詣?dòng)匹配即刻實(shí)現(xiàn)精確選相。為加快匹配識(shí)別速率,專家?guī)炱ヅ鋬H需匹配2個(gè)位置的信息值即可,匹配流程如圖4所示。

圖4 專家?guī)炱ヅ淞鞒?/p>

2.2 選相校核

主動(dòng)干預(yù)式消弧裝置初步選相完成后,將閉合所選相接地開關(guān),若選相正確,接地相母線直接接地或經(jīng)限流電阻接地,故障線路零序電流以容性電流為主,阻性分量較低,合閘前后零序電流有功分量占比變化較小,非故障線路零序電流為容性電流,合閘前后零序電流有功分量占比不發(fā)生變化;若選相錯(cuò)誤,系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)2個(gè)接地點(diǎn),受接地電阻和裝置自身軟投切電阻影響,電流值并未達(dá)到保護(hù)動(dòng)作閾值,出口開關(guān)不會(huì)動(dòng)作跳閘,此時(shí)故障線路零序電流中含較大的阻性故障電流,合閘前后零序電流有功分量占比變化較大,非故障線路零序電流仍為容性電流,合閘前后零序電流有功分量占比不發(fā)生變化,所以通過檢查裝置合閘后每條線路零序電流有功分量占比是否存在較大差異,從而校核選相是否正確。

基于選相判別專家?guī)斓慕拥毓收线x相方法具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性,判斷準(zhǔn)確性極高。但是出于可靠性考慮,必須對(duì)某些極端情況對(duì)方法的影響進(jìn)行分析,如上文所述,當(dāng)U相接地時(shí),判斷序列為0 X1,判斷結(jié)果僅與U、W相的方向信息值有關(guān),所以一旦U、W相的方向信息值采集計(jì)算有誤,將會(huì)影響選相結(jié)果,以U相采集計(jì)算錯(cuò)誤為例,信息值變?yōu)?,此時(shí)序列變?yōu)?01,誤判為V相接地,若W相采集計(jì)算錯(cuò)誤,信息值變?yōu)?,此時(shí)序列值為010,誤判為W相故障接地。由于U相發(fā)生接地故障后其自身電壓波動(dòng)引起的信息值誤判概率遠(yuǎn)大于W相,所以算法在極端情況下誤判為V相接地的概率要大于誤判為W相接地。

同理可推得,當(dāng)V相接地時(shí),算法在極端情況下誤判為W相接地的概率要大于誤判為U相接地;當(dāng)W相接地時(shí),算法在極端情況下誤判為U相接地的概率要大于誤判為V相接地。因此,一旦選相校核發(fā)現(xiàn)選相錯(cuò)誤,為避免事故惡化造成母線進(jìn)線端的過流保護(hù)發(fā)生動(dòng)作,必須立即跳開裝置合閘開關(guān),恢復(fù)原單相接地短路狀態(tài)。在重新選相的過程中,上一輪合閘相可以判定為非故障相,按照WVU W順序,上一輪合閘相的后一相選定為故障相。

2.3 方法實(shí)施過程

基于選相判別專家?guī)斓慕拥毓收线x相方法實(shí)施流程如圖5所示,選相步驟如下。

圖5 選相方法實(shí)施流程

(1)選相啟動(dòng)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)10 k V母線三相電壓,當(dāng)3U0大于閾值Ur時(shí),判斷系統(tǒng)發(fā)生接地故障,啟動(dòng)接地選相程序。

(2)生成序列。采集并計(jì)算電壓突變量信息值,生成選相序列。

(3)選相判別。判斷選相序列是否合法,將合法選相序列代入選相判斷專家?guī)爝M(jìn)行匹配,判別接地故障相。

(4)選相校核。開關(guān)合閘后,校核選相是否正確,若正確,結(jié)束選相程序,若錯(cuò)誤,迅速采取選相失敗對(duì)策。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型

基于Matlab軟件對(duì)10 k V系統(tǒng)單相接地故障進(jìn)行仿真分析,仿真采用110 k V變電站10 k V側(cè)“一母線三出線”模型,如圖6所示,主變壓器參數(shù):額定變比110 k V/10.5 k V,額定容量50 MVA,勵(lì)磁電流1%,空載損耗35 k W;負(fù)載損耗205 k W,短路阻抗比10%。

圖6 接地故障仿真模型

3.2 仿真驗(yàn)證

以線路1發(fā)生U相接地故障為例,接地電阻范圍設(shè)置為0～1 000Ω,測(cè)試不同接地電阻下基于選相判別專家?guī)斓慕拥毓收线x相方法的準(zhǔn)確性,結(jié)果如表1所示。表1結(jié)果表明,無論高阻接地還是低阻接地,方法均能正確識(shí)別接地相,具有較好的實(shí)用性。當(dāng)接地電阻為10Ω、500Ω、500Ω過渡至50Ω時(shí),電壓仿真波形分別如圖7、8、9所示,圖7中接地電阻較小,故障后U相電壓下降比較明顯,V、W相電壓均升高,選相序列為011,可直接判斷為U相接地;圖8中接地電阻較大,故障后U、V相電壓降低,W相電壓升高,選相序列為001,可直接判斷為U相接地;圖9中接地電阻是不斷變化的,由高阻接地演變?yōu)榈妥杞拥?選相序列為001演變?yōu)?11,但二者均匹配為U相接地故障,方法不受接地電阻值大小影響。

圖9 接地電阻變化時(shí)各相電壓仿真波形

表1 接地故障仿真結(jié)果表

圖7 低阻接地故障下各相電壓仿真波形

圖8 高阻接地故障下各相電壓仿真波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)接地故障時(shí)電壓的故障特征分量分析,提出基于電壓突變量信息值的接地故障選相方法,并通過仿真驗(yàn)證,證明了方法的可行性和可靠性,方法具備下列主要優(yōu)勢(shì)。

(1)該方法采用電壓突變量,不受負(fù)荷狀況、系統(tǒng)震蕩、電壓不平衡、PT誤差影響。

(2)該方法不受接地電阻影響,適用范圍更廣泛,針對(duì)交替演變故障(高阻-低阻)也有較好適用性。

(3)該方法采用選相判斷序列作為判斷依據(jù),建立選相判斷專家?guī)爝M(jìn)行自動(dòng)比對(duì),無需復(fù)雜的判斷邏輯,涉及計(jì)算環(huán)節(jié)少,適應(yīng)性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高、識(shí)別速度快。

(4)該方法具備選相校核程序,可以及時(shí)處理極端情況造成的選相誤判,確保裝置動(dòng)作準(zhǔn)確可靠。