基于序电流判据融合的配电网单相接地故障保护方法

邱日强, 朱建武, 王永华, 朱 强, 王巍璋, 陈宇捷, 欧阳金鑫

(1. 国网江西省电力有限公司南昌供电分公司, 江西 南昌 330012; 2. 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学), 重庆 400044)

1 引言

随着电力系统的快速发展,配电网的规模日趋庞大且结构日渐复杂。配电网发生较为常见的单相接地故障时,故障特征受中性点接地方式的影响较大。因此,如何实现单相接地故障在不同中性点接地方式下的准确识别成为当今一大研究热点。配电网中性点通常采用不接地方式以保障电力供应的可靠性。城市电缆线路的广泛应用带来了线路电压过高的问题,为此中性点经消弧线圈接地方式被广泛用于解决因线路对地电容电流过大而引起的电弧问题。然而,由于无法形成有效回路,中性点经消弧线圈接地系统在故障后的特征信息较为微弱,加之过渡电阻对故障特征的影响,使得单相接地故障难以准确识别[1]。为了提高单相接地故障处置的成功率,中性点小电阻接地方式在配电网中的应用日益广泛[2]。

当前较常采用零序稳态量对中性点经小电阻接地配电网进行单相接地故障选线[3,4]。然而,在金属性故障下,零序保护的整定必须躲过配电网馈线中的对地电容电流,但同时会带来灵敏度不足的问题[4]。文献[5]利用零序电气量构成保护判据,该保护原理简单,特征量采集便利,可以较好地反映单相接地故障,但该保护方法中零序电压、电流的极性校验较为困难。上述研究均未考虑过渡电阻对单相故障特征信息的影响,保护的灵敏性随过渡电阻的增加而下降。在中性点经消弧线圈接地的配电网中,文献[6-8]利用暂态零模电流的振荡衰减和极性相反的特性构建了选线判据;文献[9]利用暂态零序电流的凹凸特性实现故障识别;文献[10]基于故障馈线两端负序电流差异提出了一种新的差动保护方法;文献[11]通过分析零序电流暂态能量以实现单相故障的区段定位;文献[12,13]基于模式识别实现了配电网单相故障定位。上述研究中暂态故障信息的获取存在一定难度,对过渡电阻的考虑也存在不足。对于中性点经小电阻接地以及经消弧线圈接地的配电网,单相接地故障保护还存在局限性。

针对过渡电阻对配电网单相接地故障保护的影响,目前已有一定研究。对于中性点大电流接地系统,文献[14]通过分析零序功率变化量从而提出了一种适用于配电网高阻接地情况下的故障识别方法;文献[15,16]通过利用单相接地故障下的谐波特征信息选择故障馈线,但是该方法具有局限性;对于中性点小电流接地系统,文献[17]提出了一种基于有效能量循迹法的单相接地故障判别思路;文献[18]利用零序电流的幅值连调实现了配电网的单相接地故障可靠定位;文献[19]采用增大判据特征量的思路分析了过渡电阻对配电网单相接地故障的影响。此外,以外加信号的故障定位方法为基础[20,21],通过改进注入信号实现高阻故障下的诊断也备受关注[22-24]。上述研究依赖于多点信息、信号处理等方式解决过渡电阻对单相接地故障保护的影响,对于通信系统、采样率等的要求较高,实用性有待进一步验证。

本文提出了一种兼具实用性和普适性的配电网单相接地故障保护方法。通过融合馈线出口处的正、零序故障电流特征,提高不同过渡电阻和不同运行方式下单相接地故障识别的可靠性。首先,构建了配电网在单相故障下的复合序网,解析得出故障馈线出口电流序分量,分析了过渡电阻对配电网馈线出口的正、零序电流的影响规律;进而结合正、零序电流之间的差异特征,构造了计及过渡电阻的正、零序电流融合判据,提出了配电网单相接地故障保护方法。仿真表明,该方法能够在不同过渡电阻和不同运行方式下正确识别单相接地故障,且原理清晰、整定方便。

2 配电网单相接地故障解析

图1 配电网单相接地故障示意图

配电网单相接地故障时,非故障相基本没有对地电流且故障相短路点上的电压和过渡电阻上的电压相同,因此配电网单相接地故障具有如下边界条件:

(1)

图2 配电网单相接地故障下的复合序网

(2)

式中,Zj2为正常馈线j的负序等效阻抗;Cj为正常馈线j的对地等效电容。

求解图2所示网络,可得故障点处的序电流分别为:

(3)

考虑到中压配电网中的正、负序等效负荷阻抗近似相同,即ZiL1=ZiL2=ZiL。因此可由式(3)将馈线出口处的正、零序电流表示如下:

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

结合式(5)～式(8)可见,零序电流的大小与过渡电阻有关,而正序电流的大小同时受过渡电阻和故障点下游等效负荷阻抗的影响。在过渡电阻较大的情况下,零序电流较小从而无法作为独立判据进行故障的判定。进而对单相接地故障下的正序、零序电流故障特性进行联合分析,考虑在零序电流保护失效的高阻接地情况下,融合正序电流判据以解决高阻故障下单一保护无法可靠动作的问题。

3 配电网单相接地故障特征量分析

图3 IS与过渡电阻的关系

(9)

式中,Ra为中性点接地电阻。

(10)

(11)

式中,Lp为消弧线圈电感。

图4 正序、零序电流分布与过渡电阻的关系

4 基于判据融合的单相接地故障保护方法

零序电流可反映单相接地故障的发生,然而较大的过渡电阻导致零序电流减小。仅依靠零序电流识别单相接地故障存在保护盲区。故障后正序电流的变化也能一定程度地反映单相接地故障,但正序电流变化幅度有限且随过渡电阻的增大而减小,也常常无法满足故障识别的灵敏度要求。但是,零序电流与正序电流的变化幅度不同,特别是正序电流随过渡电阻增大将逐渐趋于某一数值。因此,结合正序电流和零序电流之间的特性差异,本文提出了一种基于正零序电流判据融合的配电网单相接地故障保护方法。

若过渡电阻较小,正序电流和零序电流较大且均位于各自的动作圆外,此时零序电流动作判据成立,保护正确动作。当过渡电阻Rf=Rf1时,正序电流进入动作区。当过渡电阻增至Rf=Rf0时,零序电流离开动作区。Rf1和Rf0分别为正序和零序电流整定值对应的临界过渡电阻,可由式(4)～式(6)计算得出。因此,若Rf1≤Rf≤Rf0,正序和零序电流动作判据均成立,保护能够正确动作;若Rf>Rf0,零序电流动作判据不成立,但正序电流动作判据成立,保护仍能够正确动作。通过正序电流和零序电流判据的融合,可在不同中性点接地方式下均正确识别配电网单相接地故障,且具有很好耐受过渡电阻的能力。任意第i条馈线的保护动作判据设置为:

Ii1Ii0,set

(12)

式中,Ii1,set为第i条馈线的正序电流整定值;Ii0,set为第i条馈线的零序电流整定值。

为了避免保护误动,正序电流和零序电流分别按照躲过馈线末端流过的短路电流最大值和躲过馈线最大电容电流进行整定。正序电流和零序电流的整定值如下:

(13)

Ii0,set=K″relIiC

(14)

式中,K′rel、K″rel均为可靠系数,可取0.9～0.95;Iif,max为第i条馈线末端故障可能出现的最大短路电流;IiC为第i条馈线的最大电容电流,IiC可由电容电流经验估算公式得出,约为1～10 A[27]。

正序电流整定值的计算式为:

(15)

式中,Z0min为馈线首端至故障点零序等效阻抗的最小值,由式(2)可以分别计算不同中性点接地方式下的Z0min;Rfmin为过渡电阻最小值;ZS1min为上一级系统正序等效阻抗的最小值。

当配电网中性点经小电阻接地时,Z0min的表达式为:

(16)

当配电网中性点经消弧线圈接地时,假设电感大小为Lp,Z0min的表达式为:

(17)

当配电网中性点不接地时,Zg趋近于无穷大,Z0min的表达式为:

(18)

单相接地故障发生后,变电站出口母线的零序电压会增加。为了避免正常运行时保护误动,根据零序电压构建保护启动判据为:

3U0>K‴relU0,set

(19)

式中,K‴rel为可靠系数;U0为母线零序电压;U0,set为零序电压整定值,U0,set按照母线正常运行时最大不平衡电压的零序分量进行整定。

5 算例分析

本文构建了如图1所示的10 kV配电网单相接地故障仿真模型,模拟该配电网在不同过渡电阻和不同中性点接地方式下的故障情景,以验证保护方法的正确性。配电网包括6条馈线,参数见表1。负荷功率因数为0.95,系统等效阻抗为0.5 Ω,可靠系数K′rel、K″rel均取0.95。

表1 线路参数

5.1 中性点经小电阻接地

中性点采用小电阻接地方式,中性点接地电阻为10 Ω。根据式(13)～式(16),可以计算得到各馈线出口处正序、零序电流的保护整定值见表2。设置单相短路故障发生位置为馈线1距离母线4 km处,仿真可得故障馈线出口的正序、零序电流幅值随过渡电阻的变化见表3。当发生金属性故障时,即过渡电阻为0 Ω时,小电阻接地下故障馈线出口处正序、零序电流幅值分别为258.2 A和240.6 A,当过渡电阻增加至1 000 Ω时,正序电流降至36.9 A,而零序电流降至3.0 A,该特性与理论分析一致。

表2 中性点经小电阻接地方式下的保护整定值

表3 中性点经小电阻接地方式下馈线1的序电流

馈线1出口处的正序、零序电流幅值与表2中相应整定值的关系如图6所示。在中性点经小电阻接地的情况下, 馈线1出口的正序电流和零序电流幅值如叉形实线和角形实线所示,而正序电流判据和零序电流判据的整定值如虚线及点划线所示。在过渡电阻的变化范围内,正序、零序电流的幅值及其变化率与过渡电阻的大小成反比关系。当过渡电阻增加到700 Ω后, 零序电流幅值趋近于0,而正序电流幅值则趋近于一恒定数值。在不同过渡电阻下,正序电流始终大于零序电流。正序和零序电流的变化规律与理论分析结果吻合。

图6 中性点经小电阻接地方式下序电流幅值和整定值的关系

由图6可知,馈线1出口处的正序电流与其整定值交点对应的过渡电阻为135 Ω,馈线1出口处的零序电流与其整定值交点对应的过渡电阻为317 Ω。当过渡电阻小于135 Ω时,正序电流大于整定值,正序电流判据不成立,但是当过渡电阻小于135 Ω时,零序电流始终大于整定值,零序电流判据成立。因此,在过渡电阻小于135 Ω时,可由零序电流判据使保护正确动作,而当过渡电阻大于135 Ω且小于317 Ω时,正序电流和零序电流判据均满足,使得保护正确动作。当过渡电阻大于317 Ω时,零序电流小于整定值,零序电流判据不满足,但此时依旧满足正序电流判据,可由正序电流正确动作保护。因此,在不同过渡电阻情况下,单相接地故障保护均能正确动作。而现有的以零序稳态量作为保护判据的配电网单相接地故障识别方法中,可准确判断的过渡电阻一般不超过380 Ω[28]。本文所提方法对过渡电阻的识别范围更广,具有更高的灵敏度。

5.2 中性点不接地

改变中性点接地方式为不接地,根据式(13)～式(15)和式(18),可以计算得到各馈线出口处正、零序电流的保护整定值见表4。同样设置馈线1的4 km处发生单相接地故障,在中性点不接地的情况下,故障馈线出口处的正序、零序电流幅值随过渡电阻的变化见表5。配电网中性点不接地的情况下,正序及零序电流与过渡电阻仍成反比关系,正序电流始终大于零序电流。当过渡电阻为0 Ω时,中性点不接地下的故障馈线出口处正序、零序电流幅值分别为60.6 A和26.5 A,随着过渡电阻的增加,正序、零序电流均减小。当过渡电阻增加至1 000 Ω时,正序电流降至37.4 A,而零序电流降至2.9 A。该特性与理论分析一致。

表4 中性点不接地方式下的保护整定值

表5 中性点不接地方式下馈线1的序电流

馈线1出口处的正序、零序电流幅值与其整定值的关系如图7所示。当过渡电阻小于184 Ω时,正序电流判据不成立而零序电流判据成立;当过渡电阻大于184 Ω且小于381 Ω时,正序电流和零序电流判据均满足;而当过渡电阻大于381 Ω时,零序电流逐渐不能够满足判据而正序电流判据仍满足,因此在不同过渡电阻的情况下均能准确识别中性点不接地的中压配电网单相接地故障。

图7 中性点不接地方式下序电流幅值和整定值的关系

5.3 中性点经消弧线圈接地

改变中性点接地方式为经消弧线圈接地,根据式(13)～式(15)和式(17),计算得出各馈线出口处正序、零序电流的保护整定结果见表6。同样设置馈线1的4 km处发生单相接地故障,在中性点经消弧线圈接地的情况下,故障馈线出口处的正序、零序电流幅值随过渡电阻的变化见表7。当过渡电阻为0 Ω时,经消弧线圈接地下的故障馈线出口处正序、零序电流幅值分别为58.8 A和22.5 A,随着过渡电阻的增加,正序、零序电流均减小,当过渡电阻增加至1 000 Ω时,正序电流降至37.2 A,零序电流降至3.9 A,该特性与理论分析一致。对比图6～图8可知,在同样的过渡电阻下,中性点不接地和经消弧线圈接地的配电网故障馈线出口处的序电流幅值相接近。在相同过渡电阻接地情况下,小电流接地系统中的正序、零序电流均小于大电流接地系统。不同中性点接地方式下,故障馈线出口的正、零序电流幅值与过渡电阻均成反比关系,当过渡电阻增大至400 Ω后,正序电流逐渐趋近于某一数值,而当过渡电阻增大至700 Ω后,零序电流也逐渐趋近于0,该特性与理论分析结果吻合。

表6 中性点经消弧线圈接地方式下的保护整定值

表7 中性点经消弧线圈接地方式下馈线1的序电流

图8 中性点经消弧线圈接地方式下序电流幅值和整定值的关系

在中性点经消弧线圈的接地方式下,馈线1出口处的正序、零序电流幅值与其整定值的关系如图8所示。本融合判据中满足零序电流判据的过渡电阻范围是0～498 Ω,而满足正序电流判据的过渡电阻范围是296～1 100 Ω,因此在所仿真的过渡电阻变化范围内,馈线出口正序、零序电流均能够满足融合判据,本保护方法能够有效适用于中性点经消弧线圈接地的中压配电网。

5.4 可靠系数的影响

改变可靠系数K′rel、K″rel为0.9。不同中性点接地方式以及不同过渡电阻下序电流与整定值的关系如图9所示。

图9 不同过渡电阻下序电流幅值与整定值的关系

由式(13)和式(14)可知,正序电流整定值Ii1,set与可靠系数K′rel成反比而零序电流整定值Ii0,set与可靠系数K″rel成正比。可靠系数K′rel、K″rel的减小导致Ii1,set增大而Ii0,set减小。由式(12)可知,只要满足Ii0,set≤Ii1,set,保护即可正确动作。根据式(13)和式(14),馈线末端故障可能出现的最大短路电流大于馈线电容电流,在可靠系数K′rel、K″rel的取值范围内,Ii0,set≤Ii1,set的大小关系恒成立。因此,可靠系数的取值不影响所提方法的正确性。可靠系数越大,保护灵敏性越好。

6 结论

本文在考虑过渡电阻、中性点接地方式、馈线负荷等多种因素的基础上,研究了单相接地故障情况下中压配电网的故障特性,推导出过渡电阻对故障馈线出口处序电流的影响规律,提出了一种基于正序、零序电流判据融合的配电网单相接地故障保护方法。该方法充分计及过渡电阻的影响,适用于各种中性点接地方式下的中压配电网,故障特征量采集便利,在低阻接地和高阻接地的情况下分别依靠零序电流和正序电流来识别故障,解决了单相高阻接地故障识别的难题,具有原理清晰、整定方便、适用范围广的优点。