外加电压源配电网相间故障重合前无故障识别

姚 迪,邵文权,吴朝俊

(西安工程大学 电子信息学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

我国大多数配电网采用中性点非有效接地方式[1],配电线路发生单相接地故障后仍可运行1～2 h,发生相间故障时，继电保护同时跳开三相断路器[2],如果此时断路器盲目重合,则线路可能重合于永久性故障,严重危及电力系统和用户的用电安全[3]。输电线路中常利用差模电压[4]、模型识别[5-6]、并联电抗器电流[7]等进行无故障识别,而配电线路电压等级低、结构复杂,三相跳闸后线路中信号微弱且不易获取,因此研究一种能够识别配电网相间故障性质的重合闸方法具有重要意义。文献[8]利用配电线路首端并联电容器的放电信息,通过辨识过渡电阻判断故障是否消失；文献[9]利用晶闸管控制逆变电源并将其接在配电变压器的低压侧,通过施加瞬时高压击穿潜在故障点以检测故障性质;文献[10]根据建立的瞬时性故障参考模型计算故障后线路两端电气信息,利用电容参数实际值与识别值的差异进行判断。

本文针对10 kV配电线路,给出一种利用电压与电流相位差的有源识别方法：在三相跳闸后，向故障线路施加3 kV的电压信号,根据故障与无故障状态下电压电流相位差变化90°的特点进行判别。PSCAD仿真结果表明,该方法能够可靠实现三相重合前无故障检测,具有良好适用性。

1 基于相位差变化的判别原理

相间故障发生断路器跳闸后，线路中储能元件开始放电,其持续放电时间极为短暂[11],极端条件下信号经几毫秒即衰减为零。采用外加电压源向系统注入信号，能够为跳闸后线路提供丰富的电气信息,有效避免因待分析信号过于微弱而引起的误判断问题。 图1为外加电压源结构,当发生AC相间故障时,仅闭合开关S1、S4;当发生AB相间故障时,仅闭合开关S2、S6;当发生BC相间故障时,仅闭合开关S3、S5[12]。

图 1 外加电压源结构Fig.1 External voltage source structure

以BC相间故障为例,断路器跳闸后注入可切换外加电压源的简化等值网络如图2所示。

(a) 故障持续阶段等值网络

(b) 故障消失后等值网络图 2 BC相间故障简化图Fig.2 Simplified circuit of fault between B-phase and C-phase

电压与电流相位差的计算公式为[13]

(1)

故障发生时,图2(a)中电压电流相位差为

(2)

故障消失后,图2(b)中电压电流相位差为

(3)

随着线路长度增加,线路自电阻和自电感逐渐增大[14],电压电流相位差略微减小,但是由于配电变压器感抗远大于线路阻抗,较长线路故障消失后的电压电流相位差仍然接近90°。

2 三相重合前无故障识别判据的构建

配电线路相间故障大多为金属性,其值为几欧～几十欧,故障发生断路器跳闸后线路中储能元件的短时放电虽然可以在一定程度上延长持续放电时间[15],但仍需考虑过渡电阻的影响。注入外加电压源以进行故障检测,若瞬时性故障仍未消失,则检测到的电压电流相位差与线路发生永久性故障时一致;若瞬时性故障已经消失,则电压电流相位差将出现接近90°的变化。根据以上特征建立三相重合前无故障识别判据:

θ(h)>θset(h=1,2,3…,n)

(4)

式中:θ(h)为注入外加电压源后第h个采样点处电压与电流相位差角度;θset为角度整定门槛,取100°～120°。当式(4)的连续10个采样点的计算数值同时成立时即可判断为瞬时性故障,重合闸动作;当判别式中任一计算数值不成立时,则持续判断至最大允许判别时间,如果判别式仍不成立,则判为永久性故障,重合闸闭锁。

3 仿真验证

为验证本文所提方法的正确性和有效性,使用PSCAD/EMTDC暂态仿真软件建立了一个含6条出线带并联电容器的10 kV配电系统进行仿真验证,仿真系统如图3所示。

图 3 带并联电容器10 kV配电仿真系统Fig.3 10 kV distribution simulation system with shunt capacitors

图3中,并联电容器位于线路首端,采用配电线路分散补偿,补偿容量选取200 kVar[16-18]。线路L1、L6为架空线路,线路L2、L5为电缆线路,线路L3、L4为电缆-架空线混合线路。设定0.4 s时线路L6发生BC相间故障,0.5 s时断路器跳闸,0.6 s时注入外加电压源,其中瞬时性故障的持续时间为0.3 s,电压源幅值为3 kV,频率为10 Hz。式(4)中，θset取100°,采样频率为2 000 Hz。

图4为Rf=10 Ω时发生BC相间故障的电压电流相位差。仿真结果表明,过渡电阻保持不变时，故障位置越远，注入外加电压源后故障持续阶段的相位差越大。若故障为瞬时性,故障消失后的电压电流相位差将出现接近90°的变化,其相位差变化如图4(a)所示;若故障为永久性，则电压电流相位差在达到稳定后几乎不发生改变,其相位差变化如图4(b)所示。

由图4可知,注入外加电压源后,不同故障情况下电压电流相位差与理论分析结果相比出现了一定程度的增加,这是线路间耦合电容导致的[19]。

图5,6分别为发生AC、AB相间故障的仿真计算结果,其变化规律与发生BC相间故障时一致,因此根据式(4)可以实现不同相间故障的性质判别。

为进一步验证本文所提判据的正确性,针对图3中线路L6进行了BC相间不同故障情况下的仿真计算,具体数据见表1。

(a) 瞬时性故障

(b) 永久性故障

(a) 瞬时性故障

(b) 永久性故障

(a) 瞬时性故障 (b) 永久性故障图 6 AB相间故障的电压电流相位差Fig.6 Phase difference between voltage and current of AB interphase fault

过渡电阻/Ω故障位置θ(h)/°瞬时故障永久故障故障位置过渡电阻/Ωθ(h)/°瞬时故障永久故障10.2127.348.60.210127.332.5 50.2127.535.10.410127.337.7 100.2127.332.50.610127.341.2 200.2127.330.30.810127.043.4 300.2127.129.71.010127.045.0

表1的仿真计算结果表明,配电线路金属性故障消失前后, 电压电流相位差的识别值存在较大差异, 主要是瞬时性故障的相位差识别值较大, 而永久性故障的识别值较小。 虽然当故障过渡电阻小于1 Ω时,配电线路永久性故障识别值受线路参数影响较大,但根据本文构造的三相重合前无故障识别判据,仍可实现故障性质判别, 不会影响判断的可靠性。

4 结 语

本文通过分析不同相间故障状态下电压电流相位差的变化,针对恶劣条件下重合闸成功率仅有60%的问题[20],给出了一种基于外加电压源的三相重合前无故障识别方法。与其他方法相比,该方法仅利用配电线路的电压量和电流量进行相位差计算,原理简单;且注入电压源后的电气信息稳定,识别精度高,基本不受故障位置以及过渡电阻影响,适用于含并联电容器的配电线路,有利于提高配电网相间故障的重合成功率,具有一定实用价值。