陳 虓,劉紅文,黃繼盛,喻 錕,曾祥君,曾 超

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司臨滄供電局,云南 臨滄 677000;2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217;3.智能電網(wǎng)運行與控制湖南省重點實驗室(長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院),長沙 410114 )

0 引言

我國配電網(wǎng)主要采用中性點非有效接地方式,在發(fā)生接地故障時故障信息微弱,現(xiàn)有接地故障保護(hù)方法對于高阻接地故障選線困難,常導(dǎo)致各類電氣事故的發(fā)生[1-3]。接地故障選線的準(zhǔn)確性對于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行至關(guān)重要,若判別故障饋線不準(zhǔn)確則可能導(dǎo)致系統(tǒng)拒動或誤動,影響供電可靠性;亦會因故障饋線未及時跳閘導(dǎo)致,接地故障長期存在無法及時處理,發(fā)展成為兩點相繼接地故障,造成更嚴(yán)重的影響[4-6]。

接地故障保護(hù)方法發(fā)展至今,諸多研究人員通過提取系統(tǒng)各類電氣量信息,提出了許多接地故障選線方法。根據(jù)故障選線的原理,選線方法可以分為穩(wěn)態(tài)電氣量選線與暫態(tài)電氣量選線[7-10]。穩(wěn)態(tài)量選線法指根據(jù)接地故障達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的電氣特征進(jìn)行選線。主要是通過中性點電壓、饋線零序電流、零序?qū)Ъ{等穩(wěn)態(tài)電氣量構(gòu)造接地故障選線判據(jù)[11-14]。比幅比相法利用故障饋線零序電流為非故障饋線零序電流與中性點電流之和的相反數(shù)進(jìn)行選線,由于諧振接地系統(tǒng)中消弧線圈通常運行在過補(bǔ)償狀態(tài),非故障饋線零序電流幅值、相位與故障饋線并無差異,所以在諧振接地系統(tǒng)并不適用[15-16]。零序?qū)Ъ{法主要是利用故障饋線與健全饋線零序?qū)Ъ{的幅值與相角差異,通過饋線零序?qū)Ъ{所在象限可對故障饋線與非故障饋線進(jìn)行判別,受系統(tǒng)參數(shù)不對稱以及互感器采用不同步影響較大,在高阻接地故障時易誤判[17-18]。五次諧波法利用5次諧波電流特征,通過比幅比相原理構(gòu)成單相接地故障選線判據(jù)[19-20],然而系統(tǒng)中的5次諧波含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于基波含量,檢測裝置獲取難度大,限制了該方法的應(yīng)用。綜上所述,穩(wěn)態(tài)量選線法受消弧線圈的補(bǔ)償,能夠利用的特征量微弱且易受干擾不易被檢測裝置測量。

暫態(tài)量選線法指根據(jù)接地故障后的暫態(tài)過程中的電氣特征進(jìn)行選線[21-23]。首半波法利用故障饋線與健全饋線零序電流初始極性相反的特點實現(xiàn)故障選線[24-25],但該特點持續(xù)時間短,裝置采樣頻率以及時間同步對選線結(jié)果影響較大。能量法則是根據(jù)饋線暫態(tài)功率的差異進(jìn)行選線[26-27],實質(zhì)是穩(wěn)態(tài)功率法在暫態(tài)過程中的應(yīng)用,該方法選線效果受所選頻段影響,且故障時刻在電壓過零點或高阻故障時存在死區(qū)。行波法一般利用電流、電壓行波的模極大值、極性及波頭到達(dá)時差等實現(xiàn)故障選線[28-29]。該方法在輸電網(wǎng)中的應(yīng)用較多,但配電網(wǎng)分支多線路短,行波反射復(fù)雜,實際尚未在配電網(wǎng)的工程應(yīng)用中普及。暫態(tài)量選線法在諧振接地系統(tǒng)的應(yīng)用效果雖優(yōu)于穩(wěn)態(tài)量選線,但高阻故障時暫態(tài)量仍然微弱,且過渡過程短暫,選線難度仍然較大。

針對現(xiàn)有接地故障選線方法對于高阻接地故障饋線難以準(zhǔn)確判別的問題,本研究提出了基于ZNy11-Dyn7型無源降壓消弧器件的電壓調(diào)控結(jié)構(gòu),分析了ZNy11-Dyn7型無源降壓消弧器件的運行特性,提出了基于無源器件電壓調(diào)控的接地故障選線方法,通過在正常狀態(tài)與故障狀態(tài)分別投入無源器件,主動構(gòu)造零序?qū)Ъ{相角差判據(jù),實現(xiàn)接地故障選線。在PSCAD仿真環(huán)境下進(jìn)行驗證,結(jié)果表明所提方法在高阻接地故障時能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確選線。

1 ZNy11-Dyn7型無源降壓消弧器件電壓調(diào)控原理

1.1 ZNy11-Dyn7無源降壓消弧器件接入系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

由于非有效接地中壓電網(wǎng)具有天然優(yōu)勢[30-32],即電源、負(fù)荷均未引出中性點,零序阻抗大,中性點外加零序電壓源產(chǎn)生的電流不能在電源和負(fù)荷側(cè)流動,不影響電網(wǎng)正常運行。因此,通過接入調(diào)壓設(shè)備靈活調(diào)控中性點電壓,系統(tǒng)線電壓不會發(fā)生改變。ZNy11-Dyn7型無源器件是在變電站內(nèi)通過Dyn7變壓器引出任意與母線相電壓相反相位的電壓,將該電壓反饋到ZNy11型接地變壓器引出的中性點上,通過調(diào)節(jié)Dyn7變壓器變比可以調(diào)控系統(tǒng)中性點電壓,進(jìn)一步調(diào)控系統(tǒng)三相電壓。

圖1 配電網(wǎng)ZNy11-Dyn7無源降壓消弧器件接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

Dyn7變壓器繞組分為一次繞組和二次繞組,一次繞組采用三角形接線,可以使得在線路接地故障后,系統(tǒng)線電壓仍保持正常運行,二次繞組采用y型接線,通過選擇不同投入開關(guān)將Dyn7變壓器輸出電壓饋到ZNy11型接地變壓器引出的中性點。

1.2 ZNy11-Dyn7型無源降壓消弧器件電壓調(diào)控分析

ZNy11-Dyn7無源器件接入系統(tǒng)后,通過調(diào)節(jié)Dyn7變壓器二次側(cè)上分接頭,調(diào)整輸出電壓幅值,通過選擇二次側(cè)線電壓投切開關(guān),調(diào)整輸出電壓相位,Dyn7變壓器二次側(cè)輸出線電壓反饋輸出至ZNy11接地變壓器中性點,從而實現(xiàn)系統(tǒng)中性點電壓的主動調(diào)控。因此,根據(jù)Dyn7變壓器繞組之間的關(guān)系可以得到式(1)。

(1)

(2)

根據(jù)式(2),可以得出圖2所示Dyn7變壓器一二次側(cè)電壓向量圖。

圖2 Dyn7變壓器一二次側(cè)電壓向量圖

表1 不同目標(biāo)調(diào)控相二次側(cè)開關(guān)動作情況

由上述分析可知,ZNy11-Dyn7無源器件通過選擇系統(tǒng)投入開關(guān),可以選擇目標(biāo)調(diào)控相,再改變Dyn7壓器N1∶N2的比值,進(jìn)而調(diào)控ZNy11-Dyn7無源器件輸出電壓大小,實現(xiàn)對系統(tǒng)三相電壓的精準(zhǔn)調(diào)控。

2 基于ZNy11-Dyn7型無源降壓消弧器件的接地故障選線原理

2.1 傳統(tǒng)選線方法局限性分析

饋線對地電導(dǎo)和對地電容數(shù)量級差距較大,因此正常饋線零序?qū)Ъ{一般位于正虛軸附近,其相角接近90°,位于第一象限;在中性點不接地系統(tǒng)中,故障饋線零序?qū)Ъ{等于健全線路零序?qū)Ъ{之和的相反數(shù),在幅值與相位上與正常饋線具有明顯的判別關(guān)系,位于第三象限;在過補(bǔ)償諧振接地系統(tǒng)中,故障饋線零序?qū)Ъ{為健全線路與中性點導(dǎo)納之和的相反數(shù),位于第二象限,饋線零序測量導(dǎo)納平面圖見圖3。

圖3 傳統(tǒng)饋線零序測量導(dǎo)納平面圖

由圖3可知,在諧振接地系統(tǒng)中故障饋線與非故障饋線零序?qū)Ъ{均靠近虛軸,易發(fā)生誤判。由于配電網(wǎng)三相對地參數(shù)與互感器采樣不同步影響,易使得故障線路與健全線路零序?qū)Ъ{易偏移到同一象限,無法辨識故障線路?；ジ衅鞑蓸诱`差對零序?qū)Ъ{測量影響顯著,僅0.1 ms的采樣誤差,測量零序?qū)Ъ{相角誤差達(dá)到1.8°,而線路對地電容遠(yuǎn)大于對地電導(dǎo)值,更加難以區(qū)分故障饋線與非故障饋線之間的差異,導(dǎo)致傳統(tǒng)零序?qū)Ъ{判據(jù)難以準(zhǔn)確判別故障線路。

2.2 基于ZNy11-Dyn7型無源降壓消弧器件的選線方法

圖4 無源器件接入配電網(wǎng)單相接地故障等效圖

(3)

式中,YA、YB、YC分別為三相對地總導(dǎo)納,YL為中性點對地導(dǎo)納,在中性點不接地系統(tǒng)中,YL=0;在諧振接地系統(tǒng)中,YL=1/jωL。

饋線i的零序電流表達(dá)式為

(4)

(5)

聯(lián)立式(4)(5)可求得配電網(wǎng)正常運行時各饋線零序?qū)Ъ{計算式。

(6)

(7)

式中,gf為過渡電導(dǎo)。

(8)

(9)

(10)

(11)

聯(lián)立式(8)～式(11),可求得配電網(wǎng)接地故障時非故障饋線與故障饋線的零序?qū)Ъ{Yif、Ykf計算式為

(12)

(13)

進(jìn)一步可得接地故障時系統(tǒng)非故障與故障饋線故障前后零序?qū)Ъ{幅值與相角差關(guān)系見式(14)～(15)。

(14)

(15)

由上式可知,健全饋線故障前后零序?qū)Ъ{幅值、相角均相等;而故障饋線受過渡電阻影響,其故障前后零序?qū)Ъ{差幅值等于過渡電導(dǎo),相角差大小為Δθ=|arg(Ykf)-arg(Yk)|,且均與過渡電阻大小成反比。

零序?qū)Ъ{差幅值等于過渡電導(dǎo),在發(fā)生高阻接地故障后,過渡電導(dǎo)值極小,難以根據(jù)此判據(jù)選出故障線路。健全饋線由于故障前后零序?qū)Ъ{值一致,所得相角差基本為0;故障饋線零序?qū)Ъ{相角差與過渡電阻大小有關(guān),當(dāng)過渡電阻較小時,相角差接近90°,隨過渡電阻值增大而呈現(xiàn)減小趨勢,但相角差大小仍然能夠保持較明顯的特征,能夠準(zhǔn)確區(qū)分健全饋線與故障饋線,饋線零序?qū)Ъ{相角差判據(jù)示意圖見圖5。若假設(shè)故障饋線對地電容為15 μF,阻尼率取5%,考慮實際系統(tǒng)對地導(dǎo)納不對稱等各種因素影響,判定相角差大于0.5°的饋線為故障饋線,此時,零序?qū)Ъ{相角差判據(jù)耐過渡電阻能力可達(dá)24 kΩ,抗過渡電阻能力強(qiáng)。

圖5 饋線零序?qū)Ъ{相角差判據(jù)示意圖

基于ZNy11-Dyn7型無源降壓消弧器件的選線方法在系統(tǒng)正常運行時,通過在故障前調(diào)控中性點電壓為10%相電壓,測量正常時各饋線零序?qū)Ъ{;在發(fā)生接地故障后,調(diào)控中性點電壓為故障相電壓大小相等幅值相反,測量故障后各饋線零序?qū)Ъ{,消除了系統(tǒng)參數(shù)不對稱影響,主動構(gòu)造故障前后零序?qū)Ъ{相角差判據(jù),消除了互感器采樣不同步對零序?qū)Ъ{測量的影響。此選線方法抗過渡電阻能力強(qiáng),在高阻接地情況下,能明顯區(qū)分故障饋線與非故障饋線。

3 基于ZNy11-Dyn7型無源器件的接地故障選線流程

為確保實現(xiàn)故障饋線的準(zhǔn)確選取,設(shè)計基于ZNy11-Dyn7無源調(diào)壓裝置的接地故障選線方法實現(xiàn)流程見圖6。該方法利用非故障饋線與故障饋線故障前后零序?qū)Ъ{相角特征的差異,當(dāng)某饋線故障前后零序?qū)Ъ{相角差Δθ大于0.5°時,判定該饋線為故障饋線,否則判定為健全饋線。

圖6 基于ZNy11-Dyn7型無源器件接地故障選線流程圖

綜合以上分析,所提的基于ZNy11-Dyn7型無源器件接地故障選線流程如下:

步驟1:首先在系統(tǒng)正常運行時,短時投入無源器件,調(diào)控中性點電壓為10%相電壓,記錄正常時刻各饋線零序電流與中性點電壓,計算各饋線零序?qū)Ъ{相角。當(dāng)中性點電壓大于15%相電壓時,判斷配電網(wǎng)發(fā)生接地故障。

步驟2:若發(fā)生接地故障,根據(jù)系統(tǒng)中性點接地方式判別故障相。諧振接地過補(bǔ)償系統(tǒng)中,電壓幅值最高相的超前相判別為故障相;不接地系統(tǒng)中,電壓幅值最高相的滯后相判別為故障相。

步驟3:根據(jù)所判別故障相閉合對應(yīng)開關(guān),投入ZNy11-Dyn7型無源器件,無源器件輸出電壓與故障相電壓大小相等、幅值相反,能有效降低故障相電壓至安全范圍,熄滅故障電弧,防止故障危害擴(kuò)大。

步驟4:測量無源器件投入后各饋線零序電流與中性點電壓,計算各饋線零序?qū)Ъ{相角,并與正常情況下的零序?qū)Ъ{角做差,得到各饋線故障前后的相角差Δθ。

步驟5:判別故障線路。若測得饋線故障前后零序?qū)Ъ{相角差Δθ大于設(shè)定閾值,則判別為故障線路,否則判別為健全線路。最后,動作切除故障饋線,實現(xiàn)接地故障保護(hù)。

4 仿真分析

為了驗證ZNy11-Dyn7無源器件電壓調(diào)控原理和接地故障選線方法的有效性,在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境中搭建如圖7所示的10 kV配電網(wǎng)單相接地故障模型,共設(shè)定3條出線,L1、L2為電纜線路、L3為架空線路,線路長度分別為15 km、7 km、15 km。開關(guān)K打開時,系統(tǒng)中性點不接地運行;開關(guān)K閉合時,系統(tǒng)中性點經(jīng)消弧線圈接地,過補(bǔ)償度為10%,系統(tǒng)參數(shù)見表2。在系統(tǒng)正常運行時,調(diào)控中性點電壓為10%相電壓,測量饋線L1、L2、L3的零序?qū)Ъ{角分別為∠88.85°、∠87.47°、∠87.71°。故障可分別設(shè)置在3條饋線以驗證所提選線方法有效性。

表2 典型10 kV配電網(wǎng)仿真模型參數(shù)

圖7 10 kV配電網(wǎng)單相接地故障仿真系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4.1 不同長度電纜、架空線路仿真結(jié)果

由式(15)可知,故障饋線零序?qū)Ъ{相角差與線路對地參數(shù)以及過渡電阻大小有關(guān),故障饋線的對地電容改變時,所測故障饋線相角差會有所差異。由于饋線對地電容大小與線路長度呈線性關(guān)系,為驗證所提相角差大于0.5°的饋線為故障饋線的判據(jù),是否適用于所有線路,分別對不同長度電纜饋線L1、架空饋線L3進(jìn)行接地故障仿真驗證。不同長度架空線路相角差隨過渡電阻變化曲線見圖8,不同長度電纜線路相角差隨過渡電阻變化曲線見圖9。

圖8 不同長度架空線路相角差隨過渡電阻變化曲線

圖9 不同長度電纜線路相角差隨過渡電阻變化曲線

由圖8可知,不同長度架空線路相角差隨過渡電阻增大均呈現(xiàn)下降趨勢。由于對地電容參數(shù)大小與線路長度呈線性關(guān)系,短架空線路對地電容參數(shù)較小,故障饋線相角差值較大;長架空線路對地電容參數(shù)較大,故障饋線相角差值相對較小。由于架空線路對地電容參數(shù)遠(yuǎn)小于電纜線路,即使在15 km長架空線路發(fā)生24 kΩ高阻接地故障時,故障饋線相角差也遠(yuǎn)大于文中設(shè)定閾值0.5°,故本研究所提故障選線判據(jù)適用于架空線路。

由圖9可知,不同長度電纜線路相角差隨過渡電阻增大均呈現(xiàn)下降趨勢,由于電纜線路對地電容參數(shù)較大,故障饋線相角差在發(fā)生高阻接地故障時逐漸下降至設(shè)定閾值附近,即使在15 km長電纜線路發(fā)生24 kΩ高阻接地故障時,故障饋線相角差仍大于文中設(shè)定閾值0.5°,故本研究所提故障選線判據(jù)適用于電纜線路。

綜上所述,在不同線路類型下發(fā)生接地故障時,文中所提相角差大于0.5°的饋線為故障饋線的判據(jù)依然能準(zhǔn)確判別故障饋線。因此,本研究設(shè)定閾值為0.5°適用于不同線路類型,且具有較強(qiáng)的抗過渡電阻能力,進(jìn)一步驗證了本研究所提選線方法在實際應(yīng)用中的可靠性。

4.2 不同故障線路與過渡電阻仿真結(jié)果

表3 不接地系統(tǒng)各饋線零序?qū)Ъ{相角差及判定結(jié)果

表4 諧振接地系統(tǒng)各饋線零序?qū)Ъ{相角差及判定結(jié)果

在發(fā)生接地故障后,正常饋線零序?qū)Ъ{相角與故障前一致,而故障線路由于過渡電阻的影響,零序?qū)Ъ{相角下降。由表3及表4仿真結(jié)果可見,針對不同中性點接地方式、不同過渡電阻情形,本發(fā)明所提故障選線方法依據(jù)饋線故障前后零序?qū)Ъ{相角特征差異,在設(shè)定誤差范圍內(nèi)均準(zhǔn)確選取了故障饋線,且隨著過渡電阻的增大,故障線路相角差呈減小趨勢。在過渡電阻為10 Ω時,相角差高達(dá)88.58°;在過渡電阻為1 000 Ω時,相角差降低為34.87°,仍明顯大于本文所設(shè)定閾值0.5°。

4.3 高阻接地故障選線仿真結(jié)果

考慮到高阻接地故障一直對傳統(tǒng)零序?qū)Ъ{選線方法有較大影響,且本方法隨過渡電阻增大,相角差呈現(xiàn)下降趨勢,需驗證此方法在高阻接地故障選線時的準(zhǔn)確性,在中性點不接地系統(tǒng)與諧振接地系統(tǒng)中分別設(shè)置5 kΩ、10 kΩ、24 kΩ的過渡電阻故障,故障線路為L1,得到無源器件投入后各饋線零序?qū)Ъ{角以及判定結(jié)果見表5、表6。

表5 不接地系統(tǒng)高阻接地故障選線判定結(jié)果

表6 諧振接地系統(tǒng)高阻接地故障選線判定結(jié)果

由表5及表6仿真結(jié)果可知,本研究所提基于ZNy11-Dyn7型無源器件接地故障選線方法在高阻接地時仍有較高的判別準(zhǔn)確率。在高阻接地故障時,相角差特征量依舊十分明顯,能夠有效區(qū)分故障與非故障饋線。根據(jù)本文設(shè)定閾值0.5°,零序?qū)Ъ{相角差判據(jù)耐過渡電阻能力可達(dá)24 kΩ,抗過渡電阻能力強(qiáng)。上述結(jié)果充分驗證了該方法在高阻接地故障情況下故障饋線識別的準(zhǔn)確性、可靠性與工程適用性。

5 結(jié)論

本研究提出了基于ZNy11-Dyn7型無源器件的電壓調(diào)控結(jié)構(gòu),分析了無源器件的調(diào)壓原理;提出了基于ZNy11-Dyn7型無源器件調(diào)壓的選線方法,最后在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下進(jìn)行驗證研究所提方法正確性,并得出以下結(jié)論:

1)本研究提出了基于ZNy11-Dyn7型變壓器的無源調(diào)壓結(jié)構(gòu),分析了無源器件接入系統(tǒng)后的運行特性,能夠有效調(diào)控系統(tǒng)電壓。

2)本研究提出了基于ZNy11-Dyn7型無源器件的接地故障選線新方法,該方法與無源器件調(diào)壓裝置配合,在故障發(fā)生前后投入裝置,調(diào)控系統(tǒng)零序電壓,主動構(gòu)造故障前各線路的零序?qū)Ъ{相角差判據(jù),實現(xiàn)故障線路的準(zhǔn)確判別。

3)本研究所提選線方法適用于多種接地方式,不受系統(tǒng)對地參數(shù)不對稱與互感器采用不同步影響,能夠?qū)崿F(xiàn)高阻接地故障下的準(zhǔn)確選線,耐過渡電阻能力可達(dá)24 kΩ。