基于電壓突變量信息值的接地故障選相方法

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(guò)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(lái)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(wú)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(guò)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(guò)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(wú)論第二位信息值如何,即無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(wú)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。