基于ZNy11-Dyn7型无源降压消弧器件的高阻接地故障选线新方法

陈 虓,刘红文,黄继盛,喻 锟,曾祥君,曾 超

(1.云南电网有限责任公司临沧供电局,云南 临沧 677000;2.云南电网有限责任公司电力科学研究院,昆明 650217;3.智能电网运行与控制湖南省重点实验室(长沙理工大学电气与信息工程学院),长沙 410114 )

0 引言

我国配电网主要采用中性点非有效接地方式,在发生接地故障时故障信息微弱,现有接地故障保护方法对于高阻接地故障选线困难,常导致各类电气事故的发生[1-3]。接地故障选线的准确性对于电力系统稳定运行至关重要,若判别故障馈线不准确则可能导致系统拒动或误动,影响供电可靠性;亦会因故障馈线未及时跳闸导致,接地故障长期存在无法及时处理,发展成为两点相继接地故障,造成更严重的影响[4-6]。

接地故障保护方法发展至今,诸多研究人员通过提取系统各类电气量信息,提出了许多接地故障选线方法。根据故障选线的原理,选线方法可以分为稳态电气量选线与暂态电气量选线[7-10]。稳态量选线法指根据接地故障达到稳态后的电气特征进行选线。主要是通过中性点电压、馈线零序电流、零序导纳等稳态电气量构造接地故障选线判据[11-14]。比幅比相法利用故障馈线零序电流为非故障馈线零序电流与中性点电流之和的相反数进行选线,由于谐振接地系统中消弧线圈通常运行在过补偿状态,非故障馈线零序电流幅值、相位与故障馈线并无差异,所以在谐振接地系统并不适用[15-16]。零序导纳法主要是利用故障馈线与健全馈线零序导纳的幅值与相角差异,通过馈线零序导纳所在象限可对故障馈线与非故障馈线进行判别,受系统参数不对称以及互感器采用不同步影响较大,在高阻接地故障时易误判[17-18]。五次谐波法利用5次谐波电流特征,通过比幅比相原理构成单相接地故障选线判据[19-20],然而系统中的5次谐波含量远远少于基波含量,检测装置获取难度大,限制了该方法的应用。综上所述,稳态量选线法受消弧线圈的补偿,能够利用的特征量微弱且易受干扰不易被检测装置测量。

暂态量选线法指根据接地故障后的暂态过程中的电气特征进行选线[21-23]。首半波法利用故障馈线与健全馈线零序电流初始极性相反的特点实现故障选线[24-25],但该特点持续时间短,装置采样频率以及时间同步对选线结果影响较大。能量法则是根据馈线暂态功率的差异进行选线[26-27],实质是稳态功率法在暂态过程中的应用,该方法选线效果受所选频段影响,且故障时刻在电压过零点或高阻故障时存在死区。行波法一般利用电流、电压行波的模极大值、极性及波头到达时差等实现故障选线[28-29]。该方法在输电网中的应用较多,但配电网分支多线路短,行波反射复杂,实际尚未在配电网的工程应用中普及。暂态量选线法在谐振接地系统的应用效果虽优于稳态量选线,但高阻故障时暂态量仍然微弱,且过渡过程短暂,选线难度仍然较大。

针对现有接地故障选线方法对于高阻接地故障馈线难以准确判别的问题,本研究提出了基于ZNy11-Dyn7型无源降压消弧器件的电压调控结构,分析了ZNy11-Dyn7型无源降压消弧器件的运行特性,提出了基于无源器件电压调控的接地故障选线方法,通过在正常状态与故障状态分别投入无源器件,主动构造零序导纳相角差判据,实现接地故障选线。在PSCAD仿真环境下进行验证,结果表明所提方法在高阻接地故障时能够实现准确选线。

1 ZNy11-Dyn7型无源降压消弧器件电压调控原理

1.1 ZNy11-Dyn7无源降压消弧器件接入系统的结构分析

由于非有效接地中压电网具有天然优势[30-32],即电源、负荷均未引出中性点,零序阻抗大,中性点外加零序电压源产生的电流不能在电源和负荷侧流动,不影响电网正常运行。因此,通过接入调压设备灵活调控中性点电压,系统线电压不会发生改变。ZNy11-Dyn7型无源器件是在变电站内通过Dyn7变压器引出任意与母线相电压相反相位的电压,将该电压反馈到ZNy11型接地变压器引出的中性点上,通过调节Dyn7变压器变比可以调控系统中性点电压,进一步调控系统三相电压。

图1 配电网ZNy11-Dyn7无源降压消弧器件接入系统结构拓扑图

Dyn7变压器绕组分为一次绕组和二次绕组,一次绕组采用三角形接线,可以使得在线路接地故障后,系统线电压仍保持正常运行,二次绕组采用y型接线,通过选择不同投入开关将Dyn7变压器输出电压馈到ZNy11型接地变压器引出的中性点。

1.2 ZNy11-Dyn7型无源降压消弧器件电压调控分析

ZNy11-Dyn7无源器件接入系统后,通过调节Dyn7变压器二次侧上分接头,调整输出电压幅值,通过选择二次侧线电压投切开关,调整输出电压相位,Dyn7变压器二次侧输出线电压反馈输出至ZNy11接地变压器中性点,从而实现系统中性点电压的主动调控。因此,根据Dyn7变压器绕组之间的关系可以得到式(1)。

(1)

(2)

根据式(2),可以得出图2所示Dyn7变压器一二次侧电压向量图。

图2 Dyn7变压器一二次侧电压向量图

表1 不同目标调控相二次侧开关动作情况

由上述分析可知,ZNy11-Dyn7无源器件通过选择系统投入开关,可以选择目标调控相,再改变Dyn7压器N1∶N2的比值,进而调控ZNy11-Dyn7无源器件输出电压大小,实现对系统三相电压的精准调控。

2 基于ZNy11-Dyn7型无源降压消弧器件的接地故障选线原理

2.1 传统选线方法局限性分析

馈线对地电导和对地电容数量级差距较大,因此正常馈线零序导纳一般位于正虚轴附近,其相角接近90°,位于第一象限;在中性点不接地系统中,故障馈线零序导纳等于健全线路零序导纳之和的相反数,在幅值与相位上与正常馈线具有明显的判别关系,位于第三象限;在过补偿谐振接地系统中,故障馈线零序导纳为健全线路与中性点导纳之和的相反数,位于第二象限,馈线零序测量导纳平面图见图3。

图3 传统馈线零序测量导纳平面图

由图3可知,在谐振接地系统中故障馈线与非故障馈线零序导纳均靠近虚轴,易发生误判。由于配电网三相对地参数与互感器采样不同步影响,易使得故障线路与健全线路零序导纳易偏移到同一象限,无法辨识故障线路。互感器采样误差对零序导纳测量影响显著,仅0.1 ms的采样误差,测量零序导纳相角误差达到1.8°,而线路对地电容远大于对地电导值,更加难以区分故障馈线与非故障馈线之间的差异,导致传统零序导纳判据难以准确判别故障线路。

2.2 基于ZNy11-Dyn7型无源降压消弧器件的选线方法

图4 无源器件接入配电网单相接地故障等效图

(3)

式中,YA、YB、YC分别为三相对地总导纳,YL为中性点对地导纳,在中性点不接地系统中,YL=0;在谐振接地系统中,YL=1/jωL。

馈线i的零序电流表达式为

(4)

(5)

联立式(4)(5)可求得配电网正常运行时各馈线零序导纳计算式。

(6)

(7)

式中,gf为过渡电导。

(8)

(9)

(10)

(11)

联立式(8)～式(11),可求得配电网接地故障时非故障馈线与故障馈线的零序导纳Yif、Ykf计算式为

(12)

(13)

进一步可得接地故障时系统非故障与故障馈线故障前后零序导纳幅值与相角差关系见式(14)～(15)。

(14)

(15)

由上式可知,健全馈线故障前后零序导纳幅值、相角均相等;而故障馈线受过渡电阻影响,其故障前后零序导纳差幅值等于过渡电导,相角差大小为Δθ=|arg(Ykf)-arg(Yk)|,且均与过渡电阻大小成反比。

零序导纳差幅值等于过渡电导,在发生高阻接地故障后,过渡电导值极小,难以根据此判据选出故障线路。健全馈线由于故障前后零序导纳值一致,所得相角差基本为0;故障馈线零序导纳相角差与过渡电阻大小有关,当过渡电阻较小时,相角差接近90°,随过渡电阻值增大而呈现减小趋势,但相角差大小仍然能够保持较明显的特征,能够准确区分健全馈线与故障馈线,馈线零序导纳相角差判据示意图见图5。若假设故障馈线对地电容为15 μF,阻尼率取5%,考虑实际系统对地导纳不对称等各种因素影响,判定相角差大于0.5°的馈线为故障馈线,此时,零序导纳相角差判据耐过渡电阻能力可达24 kΩ,抗过渡电阻能力强。

图5 馈线零序导纳相角差判据示意图

基于ZNy11-Dyn7型无源降压消弧器件的选线方法在系统正常运行时,通过在故障前调控中性点电压为10%相电压,测量正常时各馈线零序导纳;在发生接地故障后,调控中性点电压为故障相电压大小相等幅值相反,测量故障后各馈线零序导纳,消除了系统参数不对称影响,主动构造故障前后零序导纳相角差判据,消除了互感器采样不同步对零序导纳测量的影响。此选线方法抗过渡电阻能力强,在高阻接地情况下,能明显区分故障馈线与非故障馈线。

3 基于ZNy11-Dyn7型无源器件的接地故障选线流程

为确保实现故障馈线的准确选取,设计基于ZNy11-Dyn7无源调压装置的接地故障选线方法实现流程见图6。该方法利用非故障馈线与故障馈线故障前后零序导纳相角特征的差异,当某馈线故障前后零序导纳相角差Δθ大于0.5°时,判定该馈线为故障馈线,否则判定为健全馈线。

图6 基于ZNy11-Dyn7型无源器件接地故障选线流程图

综合以上分析,所提的基于ZNy11-Dyn7型无源器件接地故障选线流程如下:

步骤1:首先在系统正常运行时,短时投入无源器件,调控中性点电压为10%相电压,记录正常时刻各馈线零序电流与中性点电压,计算各馈线零序导纳相角。当中性点电压大于15%相电压时,判断配电网发生接地故障。

步骤2:若发生接地故障,根据系统中性点接地方式判别故障相。谐振接地过补偿系统中,电压幅值最高相的超前相判别为故障相;不接地系统中,电压幅值最高相的滞后相判别为故障相。

步骤3:根据所判别故障相闭合对应开关,投入ZNy11-Dyn7型无源器件,无源器件输出电压与故障相电压大小相等、幅值相反,能有效降低故障相电压至安全范围,熄灭故障电弧,防止故障危害扩大。

步骤4:测量无源器件投入后各馈线零序电流与中性点电压,计算各馈线零序导纳相角,并与正常情况下的零序导纳角做差,得到各馈线故障前后的相角差Δθ。

步骤5:判别故障线路。若测得馈线故障前后零序导纳相角差Δθ大于设定阈值,则判别为故障线路,否则判别为健全线路。最后,动作切除故障馈线,实现接地故障保护。

4 仿真分析

为了验证ZNy11-Dyn7无源器件电压调控原理和接地故障选线方法的有效性,在PSCAD/EMTDC仿真环境中搭建如图7所示的10 kV配电网单相接地故障模型,共设定3条出线,L1、L2为电缆线路、L3为架空线路,线路长度分别为15 km、7 km、15 km。开关K打开时,系统中性点不接地运行;开关K闭合时,系统中性点经消弧线圈接地,过补偿度为10%,系统参数见表2。在系统正常运行时,调控中性点电压为10%相电压,测量馈线L1、L2、L3的零序导纳角分别为∠88.85°、∠87.47°、∠87.71°。故障可分别设置在3条馈线以验证所提选线方法有效性。

表2 典型10 kV配电网仿真模型参数

图7 10 kV配电网单相接地故障仿真系统拓扑结构

4.1 不同长度电缆、架空线路仿真结果

由式(15)可知,故障馈线零序导纳相角差与线路对地参数以及过渡电阻大小有关,故障馈线的对地电容改变时,所测故障馈线相角差会有所差异。由于馈线对地电容大小与线路长度呈线性关系,为验证所提相角差大于0.5°的馈线为故障馈线的判据,是否适用于所有线路,分别对不同长度电缆馈线L1、架空馈线L3进行接地故障仿真验证。不同长度架空线路相角差随过渡电阻变化曲线见图8,不同长度电缆线路相角差随过渡电阻变化曲线见图9。

图8 不同长度架空线路相角差随过渡电阻变化曲线

图9 不同长度电缆线路相角差随过渡电阻变化曲线

由图8可知,不同长度架空线路相角差随过渡电阻增大均呈现下降趋势。由于对地电容参数大小与线路长度呈线性关系,短架空线路对地电容参数较小,故障馈线相角差值较大;长架空线路对地电容参数较大,故障馈线相角差值相对较小。由于架空线路对地电容参数远小于电缆线路,即使在15 km长架空线路发生24 kΩ高阻接地故障时,故障馈线相角差也远大于文中设定阈值0.5°,故本研究所提故障选线判据适用于架空线路。

由图9可知,不同长度电缆线路相角差随过渡电阻增大均呈现下降趋势,由于电缆线路对地电容参数较大,故障馈线相角差在发生高阻接地故障时逐渐下降至设定阈值附近,即使在15 km长电缆线路发生24 kΩ高阻接地故障时,故障馈线相角差仍大于文中设定阈值0.5°,故本研究所提故障选线判据适用于电缆线路。

综上所述,在不同线路类型下发生接地故障时,文中所提相角差大于0.5°的馈线为故障馈线的判据依然能准确判别故障馈线。因此,本研究设定阈值为0.5°适用于不同线路类型,且具有较强的抗过渡电阻能力,进一步验证了本研究所提选线方法在实际应用中的可靠性。

4.2 不同故障线路与过渡电阻仿真结果

表3 不接地系统各馈线零序导纳相角差及判定结果

表4 谐振接地系统各馈线零序导纳相角差及判定结果

在发生接地故障后,正常馈线零序导纳相角与故障前一致,而故障线路由于过渡电阻的影响,零序导纳相角下降。由表3及表4仿真结果可见,针对不同中性点接地方式、不同过渡电阻情形,本发明所提故障选线方法依据馈线故障前后零序导纳相角特征差异,在设定误差范围内均准确选取了故障馈线,且随着过渡电阻的增大,故障线路相角差呈减小趋势。在过渡电阻为10 Ω时,相角差高达88.58°;在过渡电阻为1 000 Ω时,相角差降低为34.87°,仍明显大于本文所设定阈值0.5°。

4.3 高阻接地故障选线仿真结果

考虑到高阻接地故障一直对传统零序导纳选线方法有较大影响,且本方法随过渡电阻增大,相角差呈现下降趋势,需验证此方法在高阻接地故障选线时的准确性,在中性点不接地系统与谐振接地系统中分别设置5 kΩ、10 kΩ、24 kΩ的过渡电阻故障,故障线路为L1,得到无源器件投入后各馈线零序导纳角以及判定结果见表5、表6。

表5 不接地系统高阻接地故障选线判定结果

表6 谐振接地系统高阻接地故障选线判定结果

由表5及表6仿真结果可知,本研究所提基于ZNy11-Dyn7型无源器件接地故障选线方法在高阻接地时仍有较高的判别准确率。在高阻接地故障时,相角差特征量依旧十分明显,能够有效区分故障与非故障馈线。根据本文设定阈值0.5°,零序导纳相角差判据耐过渡电阻能力可达24 kΩ,抗过渡电阻能力强。上述结果充分验证了该方法在高阻接地故障情况下故障馈线识别的准确性、可靠性与工程适用性。

5 结论

本研究提出了基于ZNy11-Dyn7型无源器件的电压调控结构,分析了无源器件的调压原理;提出了基于ZNy11-Dyn7型无源器件调压的选线方法,最后在PSCAD/EMTDC仿真环境下进行验证研究所提方法正确性,并得出以下结论:

1)本研究提出了基于ZNy11-Dyn7型变压器的无源调压结构,分析了无源器件接入系统后的运行特性,能够有效调控系统电压。

2)本研究提出了基于ZNy11-Dyn7型无源器件的接地故障选线新方法,该方法与无源器件调压装置配合,在故障发生前后投入装置,调控系统零序电压,主动构造故障前各线路的零序导纳相角差判据,实现故障线路的准确判别。

3)本研究所提选线方法适用于多种接地方式,不受系统对地参数不对称与互感器采用不同步影响,能够实现高阻接地故障下的准确选线,耐过渡电阻能力可达24 kΩ。