基于零序電流突變量的配電網(wǎng)單相故障帶電定位判據(jù)

1、基于零序電流突變量的配電網(wǎng)單相故障帶電定位判據(jù)倪廣魁 1,鮑海 1,張利 2,楊以涵 1(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京市 昌平區(qū) 102206;2.北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院,北京市 海淀區(qū) 100192Criterion Based on the Fault Component of Zero Sequence Current forOnline Fault Location of Single-phase Fault in Distribution NetworkNI Guangkui1, BAO Hai1, ZHANG Li2, YANG Yihan1(1. School o

2、f Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China; 2. School of Automation, Beijing Information Science & Technology University, Haidian District, Beijing 100192, ChinaABSTRACT: When single-phase earthing fault occurs, the reson

3、ant grounded system could keep on running for 1 or 2 hours. If the fault is removed during this period, power will be continuously supplied to the distributed network system. In order to deal with the problem proposed above, a new online fault location criterion was proposed using zero-sequence curr

4、ent difference through analyzing the characteristic of the branch fault on substation outlet, the branch fault on non-outlet, and the characteristic of the fault component of zero sequence current. By this criterion, the single-phase earthing fault in resonant earthing distributed network can be loc

5、ated online. ATP simulation results demonstrated the correctness and validity of the criterion.KEY WORDS: power system;resonant grounded; single-phase earthing fault; zero sequence current; fault location; criterion摘要:諧振接地配電網(wǎng)發(fā)生單相接地短路故障時, 可以繼續(xù) 運(yùn)行 12h ,如果在此期間可以排除故障,將可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng) 的持續(xù)性供電。 針對諧振接地配電網(wǎng)單相接地故障, 通過分

6、 析變電站出線端的線路分支故障、 非出線端線路分支故障以 及故障點(diǎn)前后的零序電流特征, 提出一種利用零序電流突變 量進(jìn)行帶電故障定位的判據(jù), 利用此判據(jù)可以很好地解決諧 振接地配電網(wǎng)單相接地故障帶電定位的難題。通過 ATP 仿 真,驗(yàn)證了該判據(jù)的正確性和有效性。關(guān)鍵詞:電力系統(tǒng);諧振接地;單相接地故障;零序電流; 故障定位;判據(jù)0 引言中國中壓配電網(wǎng)一般采用中性點(diǎn)不接地或中 性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地 (小電流接地 的運(yùn)行方式。長 期以來,單相接地故障定位是一個難題。目前,配 電網(wǎng)線路故障定位主要依靠人工巡線,但隨著配電 網(wǎng)的發(fā)展,線路增長,分支增多,線路變得越來越 復(fù)雜 1,用傳統(tǒng)的巡線方法找到具體

7、故障點(diǎn)的位置 非常困難,對于類似絕緣子擊穿的隱蔽故障 2,人 工尋找很難發(fā)現(xiàn),不僅耗費(fèi)了大量人力物力,而且 延長了停電時間,影響了供電可靠性。可見,一種 有效的故障定位方法是非常重要的。配電網(wǎng)故障定位方法已有研究,如在三相不換 位情況下,利用傳遞函數(shù)法進(jìn)行故障定位 3;利用 逐次判別法和誤差向后傳播算法實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段的 在線識別 4;通過建立新的故障定位數(shù)學(xué)模型,開 發(fā)高級遺傳法改善定位方法的容錯性 5;采用貝葉 斯不精確推理法和面向?qū)ο蠹夹g(shù),排除少數(shù)故障投 訴中錯誤信息的不利影響,獲得比較可信的故障定 位結(jié)果 6。 但是, 這些方法都沒有達(dá)到實(shí)用化水平。 利用 S 注入法 7-8進(jìn)行故障定位較

8、為常見, 但它容易 受到接地電阻和線路分布電容的影響。目前,利用行波法 9-10和交直流綜合法 11-12的 離線定位技術(shù)基本解決了配電網(wǎng)離線故障定位的 問題,并且已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化水平。但是實(shí)際應(yīng)用中 有些用戶對供電可靠性要求很高,希望在不停止線 路供電的情況下進(jìn)行故障定位,所以有必要研究實(shí)基金項(xiàng)目:國家 863高技術(shù)基金項(xiàng)目 (2009AA122328。The National High Technology Research and Development of China 863 Program (2009AA122328.第 31期 倪廣魁等:基于零序電流突變量的配電網(wǎng)單相故障帶電定位判

9、據(jù) 119用化的帶電定位方法,以適應(yīng)不同用戶的需求,這 樣就需要有一種行之有效的判據(jù)作為支持。對于中 性點(diǎn)不接地系統(tǒng)可利用零序功率方向 13和移動式 比相法 14實(shí)現(xiàn)帶電故障定位, 而諧振接地配電網(wǎng)的 帶電定位卻很少討論,本文提出了一種針對諧振接 地配電網(wǎng)的帶電故障定位的判據(jù),利用此判據(jù)可以 實(shí)現(xiàn)諧振接地配電網(wǎng)的帶電故障定位。1 諧振接地配電網(wǎng)帶電定位的難點(diǎn)分析 在諧振接地配電網(wǎng)中,消弧線圈的存在為配電 網(wǎng)提供了一種可控手段,但由于消弧線圈的補(bǔ)償作 用,使得各個線路的零序電流大小相差很小,相位 基本一致。發(fā)生單相接地故障時,故障線路和非故 障線路穩(wěn)態(tài)時的特征無明顯差異,這給故障帶電定 位帶來了

10、困難。利用接地暫態(tài)過程中故障線路和非故障線路 的特征差異作為故障定位的判據(jù) 15時, 由于接地現(xiàn) 象復(fù)雜,其暫態(tài)持續(xù)時間的長短差異比較大,在很 多情況下當(dāng)接地保護(hù)裝置啟動后,系統(tǒng)接地的暫態(tài) 過程就己經(jīng)基本結(jié)束,進(jìn)入了接地的穩(wěn)定狀態(tài);而 故障定位需要有持續(xù)保持的信號或者同時得到大 量短時信號,對于接地暫態(tài)信號則需要足夠多的點(diǎn) 來進(jìn)行數(shù)據(jù)的同步采集以保證定位可以實(shí)現(xiàn),數(shù)據(jù) 采集特別困難,難以實(shí)現(xiàn)。這樣就需要尋找一些其 他的方法。要想準(zhǔn)確地找到故障點(diǎn),首先要找出能夠明顯 區(qū)分故障線路和非故障線路的特征量;其次要有足 夠大的被監(jiān)測信號,同時該監(jiān)測信號要有足夠長的 持續(xù)時間。利用零序電流突變量法得到的判

11、據(jù)就可 以有效地解決這一問題。2 零序電流突變量法2.1 變電站出線端的線路分支故障情況當(dāng)線路發(fā)生單相永久金屬性接地故障時, 改變消 弧線圈參數(shù) (改變消弧線圈的電抗值,以下類同 ,可 以改變補(bǔ)償電流的大小, 而補(bǔ)償電流大小的變化只會 反映在故障線路的零序電流中; 當(dāng)線路發(fā)生永久性經(jīng) 阻抗接地故障時, 改變消弧線圈參數(shù)同樣會引起故障 電流的變化, 從而導(dǎo)致零序電壓發(fā)生變化, 而零序電 壓的變化會使各條線路的零序電流都發(fā)生變化, 此時 將零序電流折算到同一電壓下, 補(bǔ)償電流大小的變化 也只會反映在故障線路的零序電流中。在諧振接地配電網(wǎng)中,安裝有消弧線圈的變電 站出線端有很多線路分支,配電網(wǎng)的其他

12、地方也有 很多線路分支,下文分別對這 2種線路分支的零序 電流突變量以及故障點(diǎn)前后的零序電流突變量進(jìn) 行特征分析。先對諧振接地配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后的 零序電流進(jìn)行特征分析。假設(shè)從變電站出線端引出 的第 N 條線路發(fā)生單相接地故障, 零序電流參考方 向如圖 1所示,消弧線圈參數(shù)改變前后,消弧線 圈的電抗值分別為1LX 和2LX , 零序電壓分別為 01 U 和02U ,設(shè)各條分支在消弧線圈電抗值改變前后的零序電流分別為11I ,21I , ,1 1NI,1NI 和12I ,22I , , 1 2NI,2NI , 各 條 線 路 的 對 地 電 容 值 分 別 為 1C ,2C , ,1NC,

13、NC 。在第 N 線路發(fā)生單相金屬性接地故障、消弧 線圈參數(shù)未改變之前, 系統(tǒng)的零序等值電路如圖 1所示。 線路 12NN 1圖 1 變電站出線端的線路分支故障Fig. 1 Circuit branch fault of substation outlet 非故障線路的零序電流為101ji iI C U=, i N(1 故障線路的零序電流為11121111(N N LI I I I I=+ (2 消弧線圈參數(shù)改變后,非故障線路的零序電 流為202ji iI C U=, i N(3 故障線路的零序電流為21222122(N N LI I I I I=+ (4 由于發(fā)生金屬性接地故障時,消弧線圈參

14、數(shù)改變前后全網(wǎng)的零序電壓基本不變,即0102U U,因 此可求出消弧線圈參數(shù)變化前后各條分支的零序 電流的改變量。12i i iI I I=, i N( ( N N N LI I I I I I I I=+212011012/(j /(j L L LI I I U L U L=+=+(6 當(dāng)?shù)?N 條線路發(fā)生單相電阻接地故障時, 消弧 線圈參數(shù)改變前后,非故障線路的零序電流和故障 線路的零序電流同式 (1 (4。120 中 國 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報 第 30卷由于消弧線圈參數(shù)的改變引起故障電流的變化, 導(dǎo)致零序電壓發(fā)生變化, 會使各條線路的零序電流都發(fā)生變化,由式 (1和 (3得 101/i

15、 IU = 202/i I U ,即 120102/i i I I U U = (7如果將消弧線圈參數(shù)改變前后的零序電流折算到同一個電壓下,就可以去除零序電壓變化帶來 的影響,列寫各分支零序電流突變量方程:120102/0ii i I22201021/( ( /N N N L L L I I I U U I I I II I U U I =+=+20102011012/(j /(j L I U U U L U L =+ (92.2 非出線端的線路故障情況配電網(wǎng)中非出線端的線路故障時的電路如圖 2所示。 若消弧線圈參數(shù)改變前后 s1I折算值不變, 則 處在非故障線路上,后面各分支均為非故障線路;

16、若 s1I折算值明顯變化, 說明其處在故障線路上, 后 面某分支為故障支路。 線路 12NN 1圖 2 非出線端線路故障Fig. 2 Circuit fault of non-outlet同樣利用零序電流突變量法來確定故障分支, 可得i 120102/0i i I I I U U = , i N (101201021121s1/( NN N II I U U I I I =+ 1222s20102s1s20102( /I I I U U I I U U +=+ (11因 s1I在故障路徑上,由 2.1節(jié)類推可得: s1s20102120102/N L L I I I U U I I U U =

17、+=+=011012/(j /(j UL U L + (12 2.3 故障點(diǎn)前后零序電流的特征分析故障支路的電路圖如圖 3所示。消弧線圈參 數(shù)改變前后,對故障點(diǎn)前后的零序電流進(jìn)行特征 分析。 圖 3 故障點(diǎn)前后零序電流的特征分析Fig. 3 Characteristic analysis of the zero sequence currentfore-and-after fault point通過 2.1和 2.2節(jié)可以確定 sI 與消弧線圈電流 的變化保持一致。在消弧線圈參數(shù)改變前,故障點(diǎn)前后的零序電流分別為11s1101j II C U = (13 21201j I C U = (14在

18、消弧線圈參數(shù)改變后,故障點(diǎn)前后的零序電流分別為12s2102j II C U = (15 22202j I C U = (16改變前后的零序電流折算到同一個電壓下,故障點(diǎn)前后的零序電流突變量方程為11120102s1101s21020102s1s20102/(j ( j /I I U U I C U I C U U U I I U U =+=011012/(j /(j UL U L + (17 3 故障特征判據(jù)由第 2節(jié)可得,當(dāng)消弧線圈參數(shù)改變前后的零序電流折算到同一電壓下時,消弧線圈參數(shù)的改變 只會導(dǎo)致故障線路中的零序電流變化。以此為依據(jù),構(gòu)造以下判據(jù):120102/ii i II I U

19、U = , 1,2, , i N = (18 式中 N 為分支數(shù)。0i I 的那條線路為故障線路;若 s1I 折算前 后明顯變化,且各條分支的 iI 都等于零,則是母 線故障。根據(jù)故障特性可知:消弧線圈參數(shù)改變前,各 個采集點(diǎn)的零序電壓模值基本相等, 消弧線圈參數(shù)改 變后也是如此;并且零序電流折算到同一電壓下后, 前后對應(yīng)的相角相差很小。據(jù)此,將式 (18簡化: 120102120102/ii i i i II I U U I I U U = 120102/i i I I U U (19式中 1i I , 2i I , 01U , 02U 為對應(yīng)的零序電流、電壓 的有效值。利用零序電流突變量法

20、進(jìn)行帶電故障定位,只 需要測量消弧線圈參數(shù)改變前后的零序電流和零 序電壓模值, 利用判據(jù)方程 (19便可確定故障支路。 在故障支路范圍內(nèi),同樣可利用判據(jù)方程 (19進(jìn)行 故障點(diǎn)的確定。4 ATP仿真分析通過 ATP 仿真驗(yàn)證該判據(jù)的正確性和有效性, 仿真線路如圖 4所示。 線路 AB 長 5 km , BD 長 10 km , DE 長 10 km , DF 長 5 km ,支路 AG 長 30 km ,支第 31期 倪廣魁等:基于零序電流突變量的配電網(wǎng)單相故障帶電定位判據(jù) 121 路 BH 長 10 km ,線路 BD 的中點(diǎn) C 處發(fā)生單相 1 k 電阻接地故障。數(shù)據(jù)采集點(diǎn)為 AB 、 A

21、G 、 BD 、 BH 、 DE 、 DF 的始端以及故障點(diǎn) C 的前后 2點(diǎn)。 圖 4 仿真模擬線路 Fig. 4 Line simulation對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理,得消弧線圈參數(shù)改 變前后各個采集點(diǎn)的零序電流波形, 如圖 5、 6所示。 1t /ms i /A1線路 AB 始端零序電流 AB I ; 2 BC I ; 3 1C I ; 4 2C I ; 5 DEI , 6 DFI ; 7 AGI ; 8 BHI 。圖 5 消弧線圈參數(shù)改變前的零序電流波形Fig. 5 Zero sequence current waveforms before the parameter of the

22、arc suppression coil changest /ms i /A1線路 AB 始端零序電流 AB I ; 2 BC I ; 3 1C I ;4 2C I; 5 DEI , 6 DFI ; 7 AGI ; 8 BHI 。 圖 6 消弧線圈參數(shù)改變后的零序電流波形Fig. 6 Zero sequence current waveforms after the parameter of the arc suppression coil changes將消弧線圈參數(shù)改變前后各個采集點(diǎn)的零序 電流模值以及折算到同一電壓下的零序電流模值 列于表 1中。由表 1可知,將各采集點(diǎn)的零序電流折算到同

23、 一電壓下后:對于變電站出線端的 2個分支 AB 和 AG , AB 線路的零序電流突變量較大 (1.338 8 A , AG 線路的零序電流突變量幾乎為零 (0.4 mA ,可判斷 故障點(diǎn)在 AB 線路或其后方的線路分支上;對于配電網(wǎng)中非出線端線路分支 BD 與 BH , 同理可判斷出 故障點(diǎn)在線路 BD 或其后方的線路分支上;故障支 路中 C 點(diǎn)前的零序電流突變量較大 (1.260 6 A , C 點(diǎn)后的零序電流突變量幾乎為零 (0.9 mA ,據(jù)此可 確定故障點(diǎn)為 C 點(diǎn)。表 1 各采集點(diǎn)的零序電流有效值變化Tab. 1 Zero-sequence current-change at e

24、ach sampling point A各零序電流模值 電流大小變化情況 I ABI BCI C 1I C 2 I DE I DF I AG I BH改變前 2.114 7 1.824 0 1.727 0 0.388 2 0.194 1 0.097 1 0.581 1 0.193 8 折算前 改變后 2.033 2 1.861 8 1.804 6 0.229 1 0.114 6 0.057 3 0.342 4 0.114 3 改變前 2.114 7 1.824 0 1.727 0 0.388 2 0.194 1 0.097 1 0.581 1 0.193 8 折算后改變后3.453 53.16

25、2 43.065 20.389 10.194 60.097 30.581 50.194 15 結(jié)論本文通過對諧振接地配電網(wǎng)帶電定位難點(diǎn)分析以及零序電流突變量法的介紹,針對諧振接地配 電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時的特殊性,提出了利用零 序電流突變量法進(jìn)行帶電故障定位的判據(jù)。利用此 判據(jù)可以有效地解決諧振接地配電網(wǎng)發(fā)生單相接 地故障時帶電定位的難題, 通過 ATP 仿真驗(yàn)證了該 判據(jù)的正確性和有效性。參考文獻(xiàn)1 郭俊宏, 譚偉璞, 楊以涵, 等. 電力系統(tǒng)故障定位原理綜述 J. 繼電器, 2006, 34(3:76-81.Guo Junhong, Tan Weipu, Yang Yihan, et al

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