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小电流接地系统零序电流有功分量选线原理的优化方法

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2009/6/8 13:20:10   

【摘 要】简要分析小电流接地系统单相接地故障时的基本电路模型,描述了有功分量选线的原理,通过对模拟单相接地试验采集零序电流数据的分析,结合实际应用提出对零序电流有功分量选线原理的优化方法。

  【关键词】小电流接地系统 接地选线 有功分量

  【Abstract】The paper briefly analyzes the basic circuit model of small current grounding power system while there is single-phase-to-ground fault in it and describes the principle of the fault line selection of active power component. The optimization of fault line selection for active power component of zero-order current is given in practice according to the analysis of the zero-order current data collected with single-phase-to-ground simulation experiments.

  【Key word】small current grounding power system; fault line selection; active power component

  0 引言

  在我国配电网中,采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式居多[1],都属于小电流接地系统。该系统具有发生单相接地时故障电流小的优点,同时系统线电压基本不变, 不影响对负荷连续供电,《电力系统安全规程》规定仍可继续运行0.5-2个小时。但电网长时间带接地故障运行,容易引发相继的电气事故,因此准确快速的查出故障线路,对配电网的安全运行起到至关重要的作用。最初的故障选线方法是逐条线路拉线监视零序电压有无,虽可保证正确性,但速度慢且对供电质量的影响极为不利。随着微机保护的广泛应用,大量基于微机保护的各种小电流接地选线方法从理论到实际应用迅速发展起来,有功分量法是其中有代表性的一种。

  1 电路模型的建立

  图1为简化的小电流接地系统模型,为了分析方便,忽略输电线阻抗以及线路对地电导。当K2合上时表示系统的第i条出线C相经过大小为Rd的电阻接地(Rd=0表示金属接地),K1合上表示系统经过消弧线圈补偿。

  图2通过零序等值电路[2]给出了零序电压以及残流等相互关系。其中Uc为K2合上(即接地)前接地点的电压,Uo为接地后系统的零序电压,Ir为接地点残流,ΣIc为系统总电容电流,IL为消弧线圈补偿电流。他们存在如下关系:Ir=IL-ΣIc 1

  由于IL的补偿,残流会大大削弱,例如当消弧线圈运行在过补偿且脱谐度为10%,Ir=-10%×Ic,补偿后残流变为原来的1/10,使接地点电弧自动熄灭的可能性大大增加,提高了电网运行的可靠性。然而残流急剧减小给选线带来了麻烦,见图3的分析。

  如图3所示,出线m为故障线路,CT1~CTn为各线路出口的零序互感器。I01~I0n为对应出线的零序电流。故障线路的零序电流I0m=ICm+Ir 2

  公式1代入公式2可得I0m=IL-ΣIci (i=0~n且i≠m) 3

  即故障线路的零序电流等于消弧线圈补偿电流再减去所有非故障线路电容电流的和。假设系统没有消弧线圈补偿即IL=0时,故障线路零序电流为所有非故障线路电容电流之和,其幅值较大,相位与非故障线路相反,故障特征很明显,对选线而言有积极作用,缺点是残流较大。假设消弧线圈完全补偿系统电容电流,即Ir=0,此时各出线零序电流即为线路本身电容电流,故障线路零序电流的幅值和相位与非故障线路没有明显区别,即故障特征不明显。对于消弧线圈过补偿5%~10%,与完全补偿相比故障线路零序电流仅仅幅值有所增加,但各出线长短不一,架空线路和电缆也造成各出线大小不一,单凭幅值作为判据在电容电流较小的线路发生故障时容易误判。加上互感器采样误差等原因,使补偿后的小电流接地系统选线成为一个难题。

2 一般的有功分量法[3]

  针对零序电流基波分量在有消弧线圈补偿的系统中失效,人们发现零序等值电路中大部分为无功元件,只有消弧线圈支路存在电阻,即消弧线圈的直流电阻产生的有功。这部分有功分量只在故障线路的零序电流中存在,其他非故障支路没有,因此利用有功分量在故障支路最大这个特征来进行选线。为了加强故障特征即故障支路的有功分量,甚至利用串联或并联在消弧线圈支路的阻尼电阻在接地后短时间继续工作来提高选线灵敏度[4]。

  有功分量是区分故障支路与非故障支路的一大特征,但是有功的精确提取却非常困难,对每一条出线而言,有功和无功的比率是很小的。举例来说,对一个有10条出线的10kV系统,假设每条出线电容电流为5A,当发生接地后,每条线路的无功为Q=6062V×5A=30310Var。消弧线圈自身的直流阻抗在1Ω左右,其补偿电流为55A,则故障线路的有功分量大小为P=55A×55A×1Ω=3025W。有功大概只有无功的10%,如果考虑零序电压和零序电流两个量的采样误差以及短线路故障时零序电流幅值较小的影响,同时在有过渡电阻接地时零序电压可能只有相电压的50%以下,有功分量法的灵敏度会大大降低。如果采取阻尼电阻短时工作在故障情况下的作法,有两个弊端,其一对阻尼电阻的安全性是一个威胁,其二也影响消弧线圈的补偿,不利于电弧熄灭。

  3 对有功分量的优化

  根据图1所示的简化模型搭建一个8路的模拟选线试验板,母线电压由一个30kVA的自耦变压器提供,线电压为200V,模拟10kV的线电压,缩小了50倍以此抵消一次CT大约250:5的变比。8路模拟线路的电容分别为3μF、3μF、1μF、1μF、2μF、2μF、2μF、2μF,总模拟约100A实际线路的电容电流,可以设置第1、4、5、7路A相金属接地或500Ω、1kΩ的过渡电阻 信息请登陆:输配电设备网

  接地。采用15档补偿范围为10~100A的XZD-1消弧线圈调节模拟系统的补偿度。选线装置为森宝电气的ZBX-II自动补偿消弧成套装置。经过数次试验得到以下波形数据。图4选取了几个代表性的波形。其中①为故障线路电流波形,该线路电容大小为2μF,其余为非故障线路,②为3μF线路电流波形,③为1μF线路电流波形,④为2μF线路电路波形。

  从波形上看,由于存在消弧线圈过补偿,使波形①相位和波形②、③、④基本上相差不大。幅值上的差别也由于补偿脱谐度不大,同为2μF的波形①和④也没有太大区别。波形②、③、④的幅值比近似为对应线路的电容大小比。以上试验所得波形与模拟试验系统的理论计算结果基本相同,而且多次试验得到的波形特征都与图4类似,说明模拟试验手段与测量手段都是正确的。

  比较波形后不难发现非故障支路波形存在“相似性”,而故障支路波形较复杂。究其原因,非故障线路零序电流是该条线路的电容电流,而故障支路则是该线路电容电流和故障点残流的矢量和(见图3的分析)。由于残流的复杂性远远超过单条线路的电容电流,受环境以及系统运行的影响因素较大,极不稳定。这就导致故障线路的零序电流波形也很杂乱,利用这一特点综合比较所有出线的零序电流波形,找出“最不一样”的波形即可判断为故障线路。由于零序电流幅值受线路自身原因影响较大,线路长短、是否为电缆线路或架空线路影响都很大,故主要利用零序电流间的相位来判断。通过多次测量所有出线的零序电流波形,提取其相位信息,进行“横向”比较,即从同一次采到的各路电流中找到相位离平均相位最远的线路并记录,最终把多次记录的结果综合排序得出选线结果。采用上述方法进行多次试验、多类型试验,试验不同线路接地,高阻接地(零序电压只有相电压30%),两点接地(均为A相接地),均能正确选线,模拟试验准确率达100%。 信息来源:http://tede.cn

  分析该选线方法可以发现,其主要特征为各零序电流间的相位差别,实际隐含了有功分量的原理。因为有功分量都是在同一零序电压作用下产生的,零序有功在各支路中存在区别主要原因还是各出线零序电流相位上的区别,而本方法则直接利用了这一特征,减少了多引入零序电压一个量带来的误差,同时利用了残流特征,提高了该方法的选线准确率。

  4 微机选线装置的实现

  本文的所述方法的实现基于森宝电气的ZBX-II自动补偿消弧成套装置,该控制器集成了一带一、一带二的调匝、调容式消弧线圈调谐控制以及单相接地选线功能,功能强大。其核心采用高集成度、抗干扰能力强的嵌入式工控机,保证了控制器运行稳定可靠。同时具有一般PC的易操作、易扩展、界面友好的特点,是实现微机保护的一种理想选择。

  小电流选线硬件结构原理图如图5,其中一次零序CT和二次CT均为0.1级,一次PT为0.2级,二次PT为0.1级,保证了输入信号的高精度。在信号调理电路中,输入信号经特殊的抗干扰和滤波处理进入工控机核心模块。装置带有大屏幕液晶,用户方便查阅目前系统运行状况和历史数据记录,同时具有实时报警、在线修改定值、以及和上位机通讯的功能。特别在接地发生后实时显示线路的零序电流和系统电压波形,有如示波器可同时检测两路波形,并给出他们的的幅值和相位差,供运行人员参考。每次选线给出三个可能接地线路,并设有“重修选线”功能,当多次选线结果都有某条线路则它为故障线路的可能性就很大了。对装置在模拟线路上进行了试验,选线准确率达到100%,且在有过渡电阻使零序电压为金属接地30%的情况下仍能正确选线。

  5 结论

  本文对零序电流有功分量选线原理进行优化,比较各零序电流间的相位差别,实际隐含了有功分量的原理,因为有功分量都是在同一零序电压作用下产生的,零序有功在各支路中存在区别主要原因还是各出线零序电流相位上的区别,而本方法则直接利用了这一特征,减少了多引入零序电压一个量带来的误差,同时利用了残流特征,提高了该方法的选线准确率。

  [1]牟龙华,孟庆海。供配电安全技术-北京:机械工业出版社,2003

  [2]李光琦。电力系统暂态分析(第二版)-北京:中国电力出版社,1995

  [3]阎静。小电流接地选线系统的设计与实现-高电压技术Vol29,No12

  [4]杜永忠,李红霞。基于零序电流有功分量选择接地线路的方法-实用技术 第10卷第4期

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