黃呂超, 何清余, 崔明濤, 邢玉龍, 胡源源, 張 航, 常仲學(xué), 宋國兵

(1.國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司, 北京 102211; 2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 陜西 西安 710049)

1 引言

配電線路因?yàn)槔讚舻仍驎纬蓴嗑€故障,如果不及時(shí)處理該類故障,則會造成電力系統(tǒng)過電壓、周圍人畜傷亡、山火等事故,嚴(yán)重威脅人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全和電網(wǎng)運(yùn)行安全[1,2]。

近幾年人們已認(rèn)識到解決配電網(wǎng)斷線故障的迫切性,目前的研究主要包括單相斷線故障特征分析以及選線和區(qū)段定位方法。文獻(xiàn)[3]指出配電網(wǎng)發(fā)生單相斷線后有兩側(cè)都不接地、僅負(fù)荷側(cè)接地、僅電源側(cè)接地以及兩側(cè)都接地4種形態(tài);文獻(xiàn)[4-7]分別分析了中性點(diǎn)不接地、小電阻接地和經(jīng)消弧線圈接地情況下前三種斷線形態(tài)的電壓特征以及逆變型分布式電源接入對電壓特征的影響,對單相斷線故障檢測具有重要意義。目前單相斷線故障檢測方法主要包括基于電壓特征、電流特征以及綜合電壓、電流特征的方法;文獻(xiàn)[8-14]分別提出了基于中壓側(cè)或低壓側(cè)穩(wěn)態(tài)相電壓、序電壓、線電壓或其組合的單相斷線故障檢測方法,文獻(xiàn)[15]提出了基于不同頻率分量的暫態(tài)電壓檢測方法,以上方法具有較高靈敏度,但都需要基于通信實(shí)現(xiàn),不適用于就地型饋線自動(dòng)化。文獻(xiàn)[16-19]提出了基于相電流、序電流或其組合的單相斷線故障檢測方法,通過時(shí)間級差配合可以實(shí)現(xiàn)單相斷線故障的就地隔離,但在線路輕載時(shí)靈敏度較低,也易受斷線位置的影響。文獻(xiàn)[20-22]提出了電壓和電流的組合判據(jù),同樣線路輕載時(shí)靈敏度較低。文獻(xiàn)[23-25]利用用電側(cè)信息提出了基于人工智能算法的斷線故障檢測方法,需要較大的樣本數(shù)據(jù)對算法進(jìn)行訓(xùn)練,且依賴于信息采集系統(tǒng)的完善程度。

綜上,目前斷線故障的檢測已經(jīng)取得了很好的進(jìn)展,但所提方法大都需要對現(xiàn)場保護(hù)或終端的算法進(jìn)行改造升級,而基于暫態(tài)零序電壓和零序電流的單相接地故障檢測方法廣泛應(yīng)用[26],如果該類方法可一定程度兼顧單相斷線故障,則可減少改造工作量。文獻(xiàn)[27]在分析單相斷線故障下的零序電壓和零序電流暫態(tài)特征的基礎(chǔ)上得到了傳統(tǒng)基于零序電壓和電流暫態(tài)選線判據(jù)可適用于單相斷線故障,但暫態(tài)過程的推導(dǎo)復(fù)雜,且缺乏對啟動(dòng)判據(jù)和區(qū)段定位方法適應(yīng)性的論述。

假設(shè)在導(dǎo)線自由落體墜地的情況下,單相斷線發(fā)生距任意側(cè)或兩側(cè)導(dǎo)線墜地時(shí)間約為1 s[27],也即任何單相斷線形態(tài)下首先發(fā)生的是斷線不接地故障。傳統(tǒng)的選線方法大多基于零序電壓啟動(dòng)[28],為此本文主要論述了單相斷線不接地故障下的零序電壓啟動(dòng)判據(jù)以及零序暫態(tài)方向法的適應(yīng)性。本文首先推導(dǎo)了單相斷線不接地形態(tài)下故障點(diǎn)兩側(cè)零序電壓的工頻向量表達(dá)式,分析了小電流接地系統(tǒng)的電容電流、斷線位置對零序電壓幅值的影響,得到了零序電壓啟動(dòng)判據(jù)對單相斷線不接地故障的適應(yīng)性,在此基礎(chǔ)上給出了單相斷線故障的零序網(wǎng)絡(luò),分析了斷線點(diǎn)前后暫態(tài)零序電壓電流的分布規(guī)律,并給出了零序暫態(tài)方向法的適應(yīng)性,仿真結(jié)果表明適應(yīng)性分析結(jié)論正確。

2 零序電壓啟動(dòng)判據(jù)的適應(yīng)性分析

2.1 零序電壓的解析表達(dá)

在考慮配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式、線路對地電容、負(fù)荷以及斷線不接地故障位置的情況下,建立如圖1所示的簡化分析模型。

圖1 簡化的配電網(wǎng)模型Fig.1 Simplified distribution model

為了簡化分析,下文分析基于以下假設(shè)展開:①三相電源和線路對地電容以及負(fù)載完全對稱;②不考慮負(fù)荷電流帶來的線路和變壓器高壓側(cè)繞組上的壓降;③故障相故障點(diǎn)下游線路對地容抗遠(yuǎn)大于負(fù)載等效阻抗。

不管中性點(diǎn)不接地還是經(jīng)消弧線圈接地,斷線不接地故障發(fā)生后中性點(diǎn)電壓都會偏移,電源側(cè)的三相電壓為:

(1)

根據(jù)KVL可得負(fù)荷側(cè)的三相電壓為:

(2)

根據(jù)故障時(shí)全網(wǎng)的對地電流為0可得:

(3)

式中

(4)

系統(tǒng)對地電容電流為:

(5)

結(jié)合式(1)～式(4)可得:

(6)

式(6)為單相斷線不接地故障電源側(cè)的零序電壓,根據(jù)式(2)和式(6)可得負(fù)荷側(cè)的零序電壓為:

(7)

2.2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)啟動(dòng)判據(jù)的適應(yīng)性

結(jié)合式(4)～式(7)可以得到中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相斷線不接地時(shí)電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的零序電壓為:

(8)

從式(8)可以看出對于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),斷線點(diǎn)兩側(cè)零序電壓幅值僅與斷線位置有關(guān),與系統(tǒng)電容電流無關(guān)。

文獻(xiàn)[28]建議的零序電壓啟動(dòng)定值U0set最低為0.18 pu,圖2給出故障點(diǎn)兩側(cè)零序電壓隨故障位置變化曲線。當(dāng)m>0.88時(shí),電源側(cè)零序電壓低于啟動(dòng)值,當(dāng)m<0.12時(shí),負(fù)荷側(cè)零序電壓小于啟動(dòng)值,因此要保證全網(wǎng)終端啟動(dòng)的條件是0.120.88,即斷線下游故障線路對地電容小于故障相總對地電容的0.12倍時(shí),電源側(cè)零序電壓將不啟動(dòng)。

圖2 零序電壓隨故障位置的關(guān)系Fig.2 Relationship between zero sequence voltage and fault position

2.3 消弧線圈接地系統(tǒng)啟動(dòng)判據(jù)的適應(yīng)性

對于消弧線圈接地系統(tǒng),單相斷線不接地時(shí)電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的零序電壓為:

(9)

式中,p為補(bǔ)償度,一般取5%～10%。

從式(9)可以看出消弧線圈接地系統(tǒng)單相斷線不接地時(shí)斷線點(diǎn)兩側(cè)的零序電壓與故障位置以及補(bǔ)償度有關(guān),圖3和圖4分別給出不同補(bǔ)償度下電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的零序電壓。

圖3 不同補(bǔ)償度下電源側(cè)零序電壓隨故障位置的關(guān)系Fig.3 Relationship between source side zero sequence voltage and fault position under different p

圖4 不同補(bǔ)償度下負(fù)荷側(cè)零序電壓隨故障位置的關(guān)系Fig.4 Relationship between load side zero sequence voltage and fault position under different p

同樣取零序電壓啟動(dòng)值為0.18 pu,從圖3可以看出當(dāng)補(bǔ)償度為5%時(shí),電源側(cè)零序電壓不啟動(dòng)需要滿足m>0.994,當(dāng)補(bǔ)償度為10%時(shí),電源側(cè)零序電壓不啟動(dòng)需要滿足m>0.988,可以看出經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的零序電壓啟動(dòng)判據(jù)死區(qū)小于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),僅在某條出線末端故障時(shí)電源側(cè)零序電壓啟動(dòng)判據(jù)存在死區(qū),且死區(qū)隨著補(bǔ)償度增大而增大。從圖4可以看出任意補(bǔ)償度和斷線位置下負(fù)荷側(cè)零序電壓幅值恒大于啟動(dòng)值,也即負(fù)荷側(cè)不存在死區(qū)。

3 零序暫態(tài)方向法的適應(yīng)性

3.1 零序暫態(tài)方向法

零序暫態(tài)方向法本質(zhì)是比較暫態(tài)零序電壓和零序電流的方向。對于單相接地故障來講,故障線路故障點(diǎn)上游所有測點(diǎn)的暫態(tài)零序電壓u0和零序電流i0滿足:

(10)

健全線路以及故障點(diǎn)下游線路的暫態(tài)零序電壓u0和零序電流i0滿足:

(11)

零序暫態(tài)方向系數(shù)為:

(12)

式中,N為暫態(tài)過程持續(xù)時(shí)間對應(yīng)的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù);i0(k)為零序電流的第k個(gè)采樣點(diǎn)值;du0(k)為零序電壓的第k個(gè)采樣點(diǎn)對應(yīng)的導(dǎo)數(shù),具體為:

(13)

式中,TS為采樣步長。

對于站內(nèi)選線來講,當(dāng)計(jì)算得到的D<0時(shí)為故障線路,D>0時(shí)為健全線路。對于區(qū)段定位來講,當(dāng)D<0時(shí)認(rèn)為故障發(fā)生在測點(diǎn)下游,D>0時(shí)認(rèn)為故障發(fā)生在測點(diǎn)上游。

3.2 斷線不接地故障零序電氣量分布特征

以兩條出線的配電網(wǎng)拓?fù)錇槔?根據(jù)前文分析斷線不接地故障發(fā)生后斷線點(diǎn)兩側(cè)都會出現(xiàn)零序電壓,所以單相斷線不接地故障時(shí)的零序網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

圖5 單相斷線不接地故障的零序網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Zero sequence network under single phase line breakage with neither side conductor grounded fault

圖5中,C1、C1d、C2分別為故障點(diǎn)上游線路對地電容、故障點(diǎn)下游線路對地電容以及健全線路對地電容,i01、i01d、i02分別為故障點(diǎn)上游、故障點(diǎn)下游以及健全線路零序電流,uOM為故障點(diǎn)上游零序電壓,uON為故障點(diǎn)下游零序電壓,YN為中性點(diǎn)等效導(dǎo)納。

從圖5可以看出,對于故障點(diǎn)下游線路和健全線路來講,零序電流都是零序電壓激勵(lì)下的對地電容電流,而對于故障點(diǎn)上游線路來講,零序電流是零序電壓激勵(lì)上游線路對地電容、健全線路對地電容、中性點(diǎn)阻抗(暫態(tài)高頻分量可認(rèn)為開路,也即YN=0)形成的電流,也即:

(14)

式中,Ceq為健全線路和中性點(diǎn)導(dǎo)納綜合等效的電容。從式(14)可以看出單相斷線不接地故障時(shí)故障點(diǎn)上游線路測點(diǎn)的暫態(tài)零序電壓和零序電流滿足負(fù)電容約束,而健全線路和故障點(diǎn)下游線路的暫態(tài)零序電壓和電流滿足電容約束。

3.3 適應(yīng)性分析

從單相斷線不接地故障的各測點(diǎn)零序電壓和零序電流的關(guān)系可以看出,對于故障點(diǎn)上游線路,計(jì)算得到的D<0,對于健全線路和故障點(diǎn)下游線路來講,計(jì)算得到的D>0,即基于暫態(tài)方向法的站內(nèi)選線以及區(qū)段定位方法適用于單相斷線不接地故障。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文分析的正確性,基于PSCAD建立兩條出線的配電網(wǎng)仿真模型,如圖6所示。

圖6 基于PSCAD的配電網(wǎng)仿真模型Fig.6 PSCAD based simulation model of distribution network

圖6中開關(guān)K打開為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),閉合為經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng),每條線路長10 km,相對地導(dǎo)納為110×10-6S/km。

對于不接地系統(tǒng),在線路2距離母線0 km(m=0.5)和9 km(m=0.95)處設(shè)置A相斷線不接地故障,電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)零序電壓標(biāo)幺值分別如圖7和圖8所示,可以看出,當(dāng)m=0.95時(shí)電源側(cè)零序電壓小于啟動(dòng)值,當(dāng)m=0.5時(shí)電源側(cè)零序電壓大于啟動(dòng)值,而負(fù)荷側(cè)零序電壓恒大于啟動(dòng)值,與理論分析一致。進(jìn)一步,當(dāng)m=0.5時(shí)通過式(12)計(jì)算得到的故障線路故障點(diǎn)上游、故障點(diǎn)下游以及健全線路零序暫態(tài)方向系數(shù)D02、D02d、D01如圖9所示,從圖9可知,D02<0,D01>0,D02d>0,這與理論分析一致,表明零序暫態(tài)方向法可檢測單相斷線不接地故障。

圖7 不接地系統(tǒng)不同斷線位置下的電源側(cè)零序電壓Fig.7 Zero sequence voltage of source side under different fault positions for ungrounded system

圖8 不接地系統(tǒng)不同斷線位置下的負(fù)荷側(cè)零序電壓Fig.8 Zero sequence voltage of load side under different fault positions for ungrounded system

圖9 m=0.5時(shí)的暫態(tài)方向系數(shù)Fig.9 Transient direction coefficients when m=0.5

對于消弧線圈接地系統(tǒng),分別仿真補(bǔ)償度為5%和10%情況下線路2不同位置單相斷線不接地故障時(shí)的特征,零序電壓標(biāo)幺值見表1,零序暫態(tài)方向系數(shù)見表2。從表1可以看出當(dāng)m=1時(shí),電源側(cè)零序電壓小于啟動(dòng)值,不滿足啟動(dòng)要求,除此之外,不同補(bǔ)償度下故障點(diǎn)上游測點(diǎn)的暫態(tài)方向系數(shù)為負(fù),其他都為正,這與理論分析一致,表明暫態(tài)方向法同樣適用于消弧線圈接地系統(tǒng)的單相斷線不接地故障檢測。

表1 消弧線圈接地系統(tǒng)的零序電壓Tab.1 Zero sequence voltage for arc-supressing coil grounded system

表2 消弧線圈接地系統(tǒng)的零序暫態(tài)方向系數(shù)Tab.2 Zero sequence transient directional coefficient for arc-supressing coil grounded system

這里需要說明暫態(tài)方向系數(shù)大小與對地電容和電壓導(dǎo)數(shù)有關(guān),不同斷線位置下零序電壓和對地電容都不相等,因此各種情況下的暫態(tài)方向系數(shù)不同。

5 結(jié)論

本文在分析單相斷線不接地故障零序電壓和電流特征的基礎(chǔ)上給出了暫態(tài)方向法對單相斷線不接地故障的適應(yīng)性,理論分析和仿真結(jié)果表明:

(1)在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中,單相斷線不接地故障電源側(cè)零序電壓幅值隨故障點(diǎn)上游對地電容占總對地電容比例的增大而減小,而負(fù)荷側(cè)零序電壓幅值隨故障點(diǎn)上游對地電容占總對地電容比例的增大而增大;消弧線圈接地系統(tǒng)中電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)零序電壓幅值都隨故障點(diǎn)上游對地電容占總對地電容比例的增大而減小。

(2)當(dāng)零序電壓啟動(dòng)判據(jù)定值為0.18 pu時(shí),不管是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)還是經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng),電源側(cè)裝置都存在啟動(dòng)死區(qū),而負(fù)荷側(cè)裝置都能啟動(dòng),但相同位置故障時(shí),經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的零序電壓啟動(dòng)判據(jù)比不接地系統(tǒng)的啟動(dòng)判據(jù)靈敏。

(3)在各測點(diǎn)裝置都能啟動(dòng)的情況下,暫態(tài)方向法可檢測單相斷線不接地故障。

單相斷線故障可能發(fā)展成其他斷線形態(tài),當(dāng)零序電壓啟動(dòng)判據(jù)存在死區(qū)時(shí),后續(xù)還需研究發(fā)展為其他斷線形態(tài)后的啟動(dòng)判據(jù)和暫態(tài)方向法的適應(yīng)性,對于不適應(yīng)的情況將開展專門的單相斷線故障檢查方法研究。