小电阻接地系统接地故障反时限零序过电流保护

汪 洋, 薛永端, 徐丙垠, 李天友

(1. 中国石油大学(华东)信息与控制工程学院, 山东省青岛市 266580; 2. 山东理工大学智能电网研究中心, 山东省淄博市 255049; 3. 国网福建省电力有限公司, 福建省福州市 350003)

0 引言

小电阻接地系统具有可快速切断接地故障,过电压水平低,能消除谐振过电压,可采用绝缘水平较低的电缆和电气设备及自动清除故障,运行维护方便等优点[1-2],是较为常用的中性点接地方式之一。

据不完全统计,在小电阻接地配电网中,70%以上的短路故障是单相接地故障[3]。而高阻接地故障约占到接地故障总数的5%至10%[4]。国外研究数据表明,高阻接地故障时的过渡电阻一般在100 Ω以上[3],而最常采用的定时限零序过电流保护电流定值的整定原则为躲开本线路的对地电容电流,以防止其他线路发生接地故障时误动,故其动作电流的定值比较大[2,5-8]。中国10 kV小电阻接地配电网零序过电流保护的电流定值一般为40 A,最大只能检测130 Ω左右的接地电阻[9]。因此,小电阻接地配电网发生高阻接地故障时保护容易拒动,故障不易被切除,从而可能引发发展性短路故障,造成火灾、设备损坏及人畜伤亡等[6-8]。可见小电阻接地配电网的接地保护难题主要是高阻接地故障的保护问题。

近年来,业内学者已经研究出多种配电网高阻接地故障保护新方法,卓有成效地提高了高阻接地故障的保护能力,但也存在一些问题。利用零序功率方向的保护方法灵敏性较好,但零序电流、电压的极性校验比较困难,高阻接地故障时用于判断功率方向的零序电压幅值较小,计算得到的零序功率方向会有较大的偏差[10];利用零序电压比率制动的接地保护方法不受系统产生的不平衡零序电压、零序电流影响,可靠性较高,但其不仅需要采集故障电流信号,还需要采集电压信号,工程应用有一定难度[11]。利用零序电流波形畸变凹凸性接地故障检测方法的灵敏度和可靠性很高,不过在故障零序电流很小而各种噪声很大的情况下可能会失效[12]。基于伏安特性畸变的高阻接地故障检测方法抗噪能力良好,但对于故障点电阻非线性特性不明显的高阻接地情况可能会失效[13]。上述方法对小电阻接地系统高阻接地故障的保护都做出了较大贡献,为高阻接地故障保护提供了新的思路。

反时限过电流保护的特性与很多负载的故障特性相似,因此在许多场合下比定时限过电流保护的性能更为优越[14-17]。不过,传统的反时限保护多用于相间短路故障时同一出线不同级保护(如出线保护、分支线保护与配变保护)之间的配合,而鲜少用于接地故障保护[15-17]。

本文在分析小电阻接地配电网单相接地故障零序电流分布特征的基础上,结合传统反时限过电流保护的特点,提出一种利用接地故障零序电流的反时限过电流保护,各出线保护之间横向配合切除故障线路,显著降低了保护的启动门槛值,可有效解决小电阻接地系统高阻接地故障难以保护的问题。

1 接地故障电流分布特征

图1 小电阻接地系统接地故障零序网络图Fig.1 Zero-sequence network of grounding fault for low resistance grounding system

根据图1及分压原理,得出线单相接地故障时母线零序电压为:

(1)

(2)

(3)

由式(1)至式(3)可以看出,故障线路零序电流略大于中性点接地零序电流,且接地过渡电阻越大,中性点与故障线路的零序电流就越小。

对于健全线路而言,其零序电流为本线路对地零序电容电流为:

(4)

(5)

比较式(3)和式(5)易知,当接地过渡电阻Rf大于某一临界值Rc时满足:

(6)

由式(2)、式(3)和式(6)可知,金属性接地故障时,健全线路零序电流可能会大于高阻接地故障时的故障线路和中性点零序电流。各出线及中性点零序电流大小随接地过渡电阻Rf变化如图2所示。

图2 出线及中性点零序电流随接地 过渡电阻变化示意图Fig.2 Diagram of changes for zero-sequence currents in outlets and neutral point with grounding fault resistance

中国10 kV系统中一般Rn=10 Ω,假设单出线对地电容电流最大为40 A、系统出线数最小为n=2条,则此时图2中Rc一般大于133 Ω。

比较式(2)和式(4),在上述条件下(n≥2),中性点零序电流和健全线路零序电流满足:

(7)

由式(2)、式(3)及式(7)可得,无论故障点过渡电阻多大,中性点和故障线路零序电流均远高于健全线路零序电流(一般在10倍以上),且母线出线数越多,相差越大。同理由图1(b)易知,母线接地故障时,中性点零序电流一般比出线零序电流大10倍以上。

2 反时限零序过电流保护应用于接地保护的基本原理

2.1 传统反时限过流保护基本原理

IEC 60255-151标准规定的反时限过电流保护的动作特性t(I)表达式为[2]:

(8)

式中:t(I)为输入电流为I时保护的动作时限;k,c,α为决定曲线特性的常数,不同的α值,代表不同的应用场合,与不同被保护设备的特性相对应;KTMS为保护动作时间系数定值,用来调整保护的动作时限;IS为保护的启动电流定值;I为保护的输入电流大小。

反时限过电流保护的动作特性曲线及IEC 60255-151给出的几种曲线类型见附录A图A1和表A1。反时限过电流保护的动作时限与输入电流大小有关,电流越大,动作时限越短;电流越小,动作时限越长,是一种具有自适应能力的保护方式,在英国、美国等国被大量用作配电线路的主保护。但由于其整定配置比较复杂等原因,在中国配电网中应用较少。

2.2 反时限过电流保护用于接地故障的问题及解决思路

传统反时限过电流保护多用于保护相间短路故障。由于其启动电流定值IS需要躲过出线最大负荷电流,故障时仅有故障线路保护启动(通过同一线路不同保护间参数整定的不同实现选择性),因此,在设计时无须考虑各出线同级保护之间的配合。对于小电阻接地系统接地故障,可采用反时限零序过电流保护。但若启动电流定值IS整定原则与现有定时限零序过电流保护一致(即躲过本线路的对地电容电流),则仍然不能解决高阻接地故障的保护问题。

若想提高接地保护的耐受电阻能力,则必须设法降低其启动电流定值IS且不会造成误动。而根据第1节分析,降低IS后,低阻或金属性接地时,健全线路零序电流可能也会使零序电流高于保护的启动电流定值而导致线路接地保护误启动。

一个有利的条件是,根据第1节的分析,小电阻接地系统单相接地时,无论故障点过渡电阻多大,故障线路零序电流始终是健全线路零序电流的10倍以上。因此,即使故障线路与健全线路同时启动,如果它们的整定参数一致,故障线路的动作时间也将明显快于健全线路,在故障线路保护动作切除故障后,系统恢复正常运行,健全线路保护可通过复归免于误动。

据此可得一个可行的思路:降低IS以提高反时限零序过电流保护的耐受电阻能力,同时,通过各出线保护之间的横向配合实现各保护的可靠性和选择性。

2.3 反时限零序过电流保护基本原理

同一母线上所有线路的出线口,均配置反时限零序过电流保护,且各出线口的保护特性完全相同。

允许IS低于各条出线的对地电容电流,利用接地故障时，各出线零序电流大小不同引起的跳闸时限不同，保证保护的可靠性和选择性。如线路上发生低阻接地或金属性接地故障时,故障线路和部分健全线路的接地保护会因各自线路上零序电流高于IS而同时启动。由于故障线路零序电流远大于健全线路,其接地保护会先于(一般需0.3 s以上)健全线路接地保护动作于跳闸,健全线路的接地保护来不及动作而返回,不会出现误动。而高阻接地故障时,仅有故障线路接地保护因线路零序电流大于IS而启动,经过较长一段时间的延时后,故障线路保护动作于跳闸,这个过程中,健全线路保护不会误启动,更不会误动作。

10 kV系统一般不设母差保护,而由接地变保护切除母线接地故障,同时作为出线保护的后备保护[2]。因此,还需考虑故障线路保护、健全线路保护与接地变保护三者之间的配合。考虑到线路接地与母线接地故障时三者之间的零序电流幅值关系,可通过扩大故障线路与健全线路保护间的动作时限差(0.6 s以上)、流过相同零序电流时接地变保护动作时限大于出线保护(0.3 s以上)来解决。

3 反时限零序过电流保护的整定

3.1 基本要求

根据2.3节提出的横向配合方法,综合考虑保护装置的测量误差及接地保护装置的返回时间,反时限零序过电流保护须满足以下要求。

1)启动电流及最小动作电流的整定值应尽可能小,以提高高阻接地故障的保护能力,但需考虑系统不对称运行工况的影响,定值要躲过线路正常运行时的最大不平衡零序电流,以防误动。

2)接地变保护同出线保护一致采用反时限零序过电流保护,且各参数整定值与出线保护一致,时间定值较后者延长一个时间阶梯(0.3 s)。

3)所整定保护的动作曲线上,电流相差10倍及以上的任意两点所对应的动作时限须相差0.6 s以上,以确保出线保护与接地变保护的选择性。

4)限时电流下限值ID定值应适中,在线路出口处发生低电阻或金属性接地时,保护应限时速断。

5)为更好地与下游分支线接地保护及配电变压器接地保护配合,保证线路出口接地保护的选择性,最小动作时限tD应不小于1 s[18]。

6)为解决输入电流较小时,测量精度等因素的影响导致动作延迟较大的问题,根据需要可在IS处引入一段最大定时限的水平线将保护的动作特性曲线截断,以缩短动作时限。

3.2 启动电流及最小动作电流的整定

启动电流定值IS的整定须考虑的因素为:①定值应躲过线路的最大不平衡零序电流,以防止系统正常运行时接地保护误动, 文献[11]分析了10 kV小电阻接地系统架空线路和电缆线路的最大不平衡零序电流分别在0.37 A和0.26 A左右,故IS>1.11 A;②考虑零序电流互感器的线性范围与测量误差,起动电流应至少达到零序互感器满量程的0.5%,即定值应不小于3 A;③启动电流定值大小又直接影响接地保护反映接地过渡电阻的能力,当10 kV小电阻接地系统发生经1.5 kΩ电阻接地故障时,不计线路阻抗,故障线路的零序电流约为3I0f≈3EA/(3Rn+3Rf)≈3.8 A。为使算法能够保护接近1.5 kΩ过渡电阻的高阻接地故障并躲过线路上的最大不平衡零序电流,且考虑到零序互感器的线性范围与测量误差,综上分析,反时限零序过电流保护的启动电流可整定为3 A,即IS=3 A。

在采用零序电流互感器时,最小动作电流Iop应设定在3～3.8 A之间,可统一选为3.4 A。由于接地故障时零序电流在Iop附近的情况下,对设备的危害不是太大,对应保护的最小电流动作时限top可允许设定比较长,再者启动电流定值低,top较长可以避开冷起动电流的影响,top一般不低于3.5 s。

3.3 限时电流下限值的整定

一方面,限时电流下限值ID的定值不宜过高,10 kV小电阻接地配电网中,线路出口处发生金属性接地故障时,接地电流约为3I0f≈3EA/3Rn≈577 A。

为使在线路出口处发生低电阻接地故障或金属性接地故障时,保护能够限时速断,考虑保护动作的可靠系数Krel=1.3,限时电流下限值应满足ID≤577 A/1.3=444 A。

另一方面,限时电流下限值ID的定值亦不宜过低,根据3.1节要求,且考虑到保护在输入电流大于ID时均以固定时限启动,有

(9)

由式(9)中第2个不等式可以看出,ID越大,KTMS越大；又由式(8)可知，top将会越大。在高阻接地故障时,动作时限将随KTMS成正比增大,于保护性能不利。故而在保证线路出口处发生低电阻接地故障或金属性接地故障时,保护能够限时速断的前提下ID应越大越好,即ID取444 A。

3.4 动作特性曲线及时间系数KTMS的整定

一方面,非常反时限和极端反时限曲线易于在微机保护中实现;另一方面,中国反时限过电流保护多用于短路保护,被保护线路首末端短路故障电流变化较大,因此两者在中国应用得比较多。但这两种曲线凹凸性远大于一般反时限特性,是否适合用于配电网接地保护,分析如下。

由式(9)可得,一般反时限、非常反时限和极端反时限曲线对应时间系数KTMS的取值范围应分别满足式(10)至式(12)，即

(10)

(11)

(12)

将式(10)至式(12)中第1个不等式右边的多项式分别记为f1(I),f2(I),f3(I)。则三种曲线对应的KTMS取值须分别大于f1(I),f2(I)和f3(I)的最大值。易知f1(I),f2(I)和f3(I)在I的区间[1,+∞)A上均单调递增,则f1(I),f2(I)和f3(I)在10I=577 A时取得最大值。综上分析,三种曲线对应时间系数KTMS的取值范围应见表1。取KTMS的最小值,由式(8)可得三种曲线在输入电流为Iop和ID时的动作时限top和tD。由表1可以看出,即使KTMS取最小值,在高阻接地故障时,若采用非常反时限特性,动作时限也在1.5 min以上,动作时限过长,其间可能导致相间短路故障,扩大故障范围,故不宜采用。极端反时限对应的动作时限则更长,亦不宜采用。一般反时限对应的top最小,不过tD小于1 s,这里可以通过增加一段延时来解决。

表1 KTMS取值范围及对应动作时限Table 1 Ranges of KTMS and corresponding action time

就表1呈现的三种曲线特性而言,一般反时限特性在动作时限上性能最优。但由于一般反时限存在小数指数运算问题,单片机无法直接运算,直接数据存储法和曲线拟合法误差又较大。而文献[19]提出的泰勒展开和数据存储相结合的方法可以很好地解决这一问题。故选择一般反时限特性可以满足工程应用的要求。

基于上述分析,为方便管理,对于单向供电放射式配电线路而言,各出线接地保护可采用统一的动作时间系数定值。在启动电流IS、限时电流下限值ID、最小动作时限tD及曲线类型确定的基础上,可确定时间系数KTMS的最小值为0.620 9。为保证各出线保护之间的横向配合,即金属性接地故障时,健全线路接地保护能成功返回,不出现误动,确定KTMS时考虑可靠系数Krel=1.25,得时间系数KTMS=0.77。

KTMS=0.77时对应tD=1.0 s,这里无须引入延时,初步整定的反时限零序过电流保护曲线为:

(13)

初步整定的保护电流—时间特性为图3中的曲线a。

图3 反时限零序过电流保护电流-时间特性曲线Fig.3 Current-time characteristic curve of zero-sequence inverse-time overcurrent protections

3.5 反时限零序过电流保护的优化

由图3及式(13)可知,最小动作电流的动作时限top=43 s(对应的Iop=3.4 A),在将近1 min的动作时限里可能会发展成短路故障,扩大事故。

为优化高阻接地故障时的保护性能,如图3虚线框所示,可引入一段最大定时限为tM的水平线b将初步整定后的反时限曲线a截断,两者交点M处的电流记为拐点电流IM,当零序电流在IS至IM之间时,保护以最大定时限tM动作于跳闸。根据3.1节的基本条件易得,tM应该较10倍启动电流(即30 A)对应的动作时限长0.6 s以上,即tM≥2.9 s,则IM须满足IM≤18.6 A,考虑可靠性系数Krel=1.25,可将拐点电流定为IM=15 A,此时,最大定时限tM=3.3 s。最终优化后反时限零序过电流保护表达式为:

(14)

延时0.3 s后,接地变保护的表达式为:

(15)

出线保护和接地变保护对应的电流—时间特性分别为图3中蓝色曲线(c1)和橙色曲线(c2)。

当输入电流为3A时,接地过渡电阻高于1.5 kΩ,对应的动作时限为3.3 s,可见本文所提保护方法在处理高阻接地故障时有较好的速动性。为与线路上分支线接地保护配合,电流大于444 A时,保护以固定的动作时限(1.0 s)动作,在分支线上发生接地故障时,线路出口保护不会越级跳闸,确保其动作的选择性。

4 性能分析

本文所提算法在整定各参数时均考虑了可靠性系数,动作曲线上10倍电流差所对应的动作时限差将大于0.6 s,故即使实际系统中零序电流互感器及保护装置存在测量误差,也可以保证启动但不应动作的接地保护有足够时间返回,不会对本算法产生影响。

实际工程中,建议采用穿芯式零序电流互感器获取零序电流[2],且铁芯材料要具有较好的磁导率,以达到较高的零序电流测量精度并消除负荷三相不平衡对保护性能的影响。此外,架空线路换位欠佳、单芯电缆线路三相参数(包括长度)不相等、非全相供电等因素均会产生不平衡零序电流[20],本文所整定的启动电流定值远大于线路可能出现的最大不平衡零序电流,因此,本文所提保护方法不会受系统的最大不平衡零序电流影响而误动。另外,接地故障时一些非线性负荷会产生3k次谐波(即零序谐波)导致零序电流波形畸变。利用传统傅里叶级数的方法提取工频量时就完全可以滤除3k次谐波。

小电阻接地系统发生高阻接地故障时,只要线路上的零序电流高于保护的启动电流定值,保护就会启动,且发生1.5 kΩ过渡电阻的接地故障时,灵敏系数仍大于1.2。一般只有故障线路接地保护启动并动作于跳闸,其余健全线路接地保护由于线路上零序电流低于启动电流定值均不会启动,更不会误动。

母线接地时,若故障点过渡电阻较低,出线保护可能由于其零序电流高于IS而启动,但中性点零序电流远高于所有出线,此时接地变保护会先于各出线保护动作于跳闸,出线保护有足够时间返回,不会造成误动。出线接地时,虽然中性点与故障出线零序电流相近,但由于接地变保护时间定值较出线保护延长一个时间阶梯,故其在故障出线保护动作于跳闸后有足够时间返回不误动,只有在故障出线保护拒动时才会动作,且此时健全线路保护也会在接地变保护动作后返回不误动,造成的停电范围与采用传统定时限零序保护时一样,并没有使此类问题扩大化。

当线路上发生两相接地短路故障时,也会产生较大的零序电流,此时,三段式电流保护由于动作时限小,会先于出线接地保护动作。即使三段式电流保护拒动,出线接地保护也会先跳开其中一条故障线路,此时变为单相接地故障,出线接地保护会接着跳开另一条故障线路,不会扩大停电范围。若母线上发生两相接地短路故障,情况类似,不再赘述。

延时可通过装设时间继电器实现,延时时间可视具体被保护设备及与其他保护配合而定。

本文所提保护方法适用于小电阻接地配电网变电所出线接地保护及其后备保护——接地变保护。借鉴传统反时限过电流保护实现同一线路上不同级保护配合的思路[2],可分别或单独配置接地故障的分段保护、分支线保护及配变保护,这些保护均配置为同一曲线类型的反时限零序过电流保护(具有相同的参数k,c,α),重新整定tD,KTMS及延时时间后,可实现各级保护的选择性

5 仿真验证

在MATLAB中搭建典型10 kV小电阻接地系统接地故障仿真模型(模型图见附录A图A2),系统出线数n=5,线路长度分别为lF1=12 km,lF2=15 km,lF3=6 km,lF4=20 km,lF5=14 km。线路正/负序参数值R=0.27 Ω/km,L=2.5×10-2H/km,C=3.39×10-7F/km;零序参数值R0=2.7 Ω/km,L0=1.109×10-3H/km,C0=2.8×10-7F/km。设故障线路为F5,故障点距母线距离为7 km以及母线上发生单相接地故障。

不同过渡电阻下各出线口的零序电流及中性点零序电流的变化情况见附录A图A3和图A4。由图A3可以看出,当出线低阻接地时,如过渡电阻为10 Ω,故障线路的零序电流高达200 A以上,而健全线路的零序电流虽然不到15 A,却也高于保护的启动电流。根据图3可知,线路F1至F5上的接地保护全部启动,而线路F5的接地保护在1.2 s时就已经跳闸,其他健全线路对应的动作时间最快也在3.3 s左右,来不及动作于跳闸就已经返回,不会发生误动。发生高阻接地故障时,如过渡电阻为500 Ω时,线路F5上的零序电流在11 A左右,而健全线路的零序电流只有不到1 A。故发生高阻故障时,只有线路F5的接地保护启动,在3.3 s左右动作于跳闸,其他线路接地保护均不启动。即使在过渡电阻高达1.5 kΩ时,线路F5的接地保护也将在3.3 s内动作于跳闸。

由附录A图A4可以看出,当母线低阻接地时,如过渡电阻为10 Ω,中性点零序电流在300 A左右,各出线零序电流达11 A左右,虽然接地变保护动作时限整体比出线保护长0.3 s,但由于中性点零序电流远大于各出线,仍先于出线保护动作于跳闸,出线保护返回没有误动。而当母线上发生高阻接地故障时,经过一段延时后(3.6 s),接地变保护动作于跳闸,而各出线零序电流均小于保护启动电流不会误动。具体动作情况如表2所示。

可见,本文所提的反时限零序过电流保护理论上可以保护过渡电阻达1.5 kΩ以上的高阻接地故障,并有较好的速动性,且在低电阻接地故障及金属性接地故障时有很好的选择性与可靠性。

6 结语

本文通过对小电阻接地系统不同过渡电阻下单相接地故障零序电流分布特征的分析,提出一种高灵敏度的反时限零序过电流保护算法,并进行了仿真验证,得到如下结论。

1)无论故障点过渡电阻多大,中性点零序电流和故障线路的零序电流均大于健全线路零序电流的10倍以上,而金属性接地时健全线路零序电流可能会高于高阻接地时故障线路的零序电流。

2)利用各出线保护间的横向配合理论上可将接地保护的耐受电阻能力提高至近1.5 kΩ,并有很好的速动性,同时保证了出线及母线接地故障时出线保护与接地变保护的可靠性和选择性。

表2 单相接地故障时零序反时限过流保护的动作情况Table 2 Operation situations of zero-sequence inverse-time overcurrent protection when single-phase grounded

3)关于本文所提算法对于出线保护与分支线保护、配变保护等上下级保护之间的具体整定与配置还将做进一步研究。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。