配電網單相接地故障殘余電流轉移消弧方法

配電網單相接地故障殘余電流轉移消弧方法范松海;陳坤燚;肖先勇;劉小江【摘要】根據消弧線圈和故障轉移滅弧裝置的優(yōu)缺點,提出了一種殘余電流轉移的消弧方法.該方法首先利用消弧線圈將故障點電流補償到較小數值,再投入故障轉移裝置轉移故障點的殘余電流,使電弧可靠熄滅.為了避免轉移裝置錯誤投入帶來負面影響,采用兩級開關結構,并用限流電阻對第一級合閘電流進行限制.通過檢測限流電阻的電壓或電流,可實現轉移裝置投入正確性以及電弧是否熄滅的判別,為故障轉移裝置的投退提供了可靠依據.仿真結果表明,該方法能夠解決消弧線圈殘流過大的問題,同時也能夠避免故障轉移裝置錯誤投入帶來的風險.期刊名稱】《電測與儀表》年(卷),期】2019(056)011【總頁數】6頁(P20-25)【關鍵詞】消弧;消弧線圈;殘余電流轉移消弧;中性點非有效接地【作者】范松海;陳坤燚;肖先勇;劉小江【作者單位】國網四川省電力公司電力科學研究院,成都610072;四川大學,成都610065;四川大學,成都610065;國網四川省電力公司電力科學研究院,成都610072【正文語種】中文中圖分類】TM7710引言我國配網多采用中性點非有效接地方式，可帶單相接地故障運行1-2小時。帶故障運行期間，若存在故障電弧，將給電網帶來不利影響，尤其是電纜線路，長時間受到電弧破壞，容易造成絕緣損傷積累，發(fā)展成相間短路故障［1］。隨著配網容量的增長和電纜線路的大量使用，配網對地電容大幅增加，單相接地故障電流隨之增大，電弧很難自行熄滅［1-3］。為了消除故障電弧，國內外做了大量研究，提出了多種消弧方法，總體可分為電壓消弧和電流消弧兩類，最具代表性的裝置是消弧線圈和故障轉移裝置［1-5］。消弧線圈是利用諧振補償原理來減小故障點的電容電流，從而達到消弧的目的。消弧線圈有手調式和隨調式兩類［5］。手調式消弧線圈不能跟隨系統電容的變化，為防止系統電容變化而引起中性點位移電壓過高，一般采用過補償方式，因而存在較大殘余電流；隨調式消弧線圈能夠在線測量電容，消弧線圈能夠自動調諧，補償后殘流大大減小［6-7］。但是，無論何種消弧線圈都僅僅能夠補償電流的無功基波分量，對于有功電流分量和諧波分量無能為力。文獻［3］指出，我國某些煤礦供電網絡的接地電流有功分量可達到十幾安培，有功電流含量足以維持電弧燃燒；電網中大量電力電子負荷的應用，使得諧波含量也是相當可觀的。無論手調式還是隨調式消弧線圈，補償后的殘流均不容忽視。為了解決殘流問題，國內外開展了“零殘流消弧線圈”的研究，而這項研究以注入法取得的成果最為顯著［3,8］。注入法是利用在消弧線圈處注入的電流來實現完全補償的，但注入電流大小的計算受到接地參數測量精度、諧波提取精度等因素的影響較大?？梢姡陔娙蓦娏鬏^大、諧波含量較高的場合，消弧線圈殘余電流問題尚需進一步研究。近年來，故障轉移消弧的思路逐漸得到了發(fā)展，諸多文獻稱之為“消弧柜”技術［1,8-11］。該技術利用母線處人為制造的一條金屬性接地支路來旁路故障點，并將故障點電壓鉗制于零，從而達到消弧的目的。該技術能轉移故障點的全部電流，受網絡結構、參數變化的影響小，不存在殘余電流的問題。然而，文獻［9］指出，由于故障轉移開關固有延時較長，很難滿足消弧的快速性要求，而且，故障轉移并不能減小電容電流，若裝置入地電流較大，會引起地電位升高，給人身安全帶來威脅［8］。文獻［1］提出采用快速開關可以提高滅弧的速度，但對于入地電流大小以及選相錯誤等問題文獻沒有討論。選相錯誤或轉移開關錯誤動作，會造成相間短路，引起保護跳閘，發(fā)生停電事故，使得故障轉移裝置運行具有一定的風險。另外，在故障轉移裝置動作策略方面的研究目前還比較欠缺，對轉移裝置投退時機缺乏充分的論證?？梢姡收限D移消弧提供了一種新的消弧思路，但是還存在諸多需要深入研究的問題。本文提出了一種殘余電流轉移消弧的方法。發(fā)生單相接地故障后，該方法首先利用消弧線圈快速補償故障電流，以減小故障電流的破壞能力，故障選相成功后，投入故障轉移裝置，轉移故障點殘流，可靠滅弧。為了避免轉移裝置錯誤投入帶來的風險，采用兩級開關結構，并用限流電阻對第一級合閘的電流進行限制。殘余電流轉移消弧裝置結構及原理殘余電流轉移消弧裝置結構殘余電流轉移消弧的基本思路是：發(fā)生單相接地故障時，首先消弧線圈對故障電流進行補償，抑制故障電流的破壞能力；待選相裝置選出故障相后，在母線故障相處人為制造一條金屬接地支路，使故障點殘流轉移到人為金屬接地支路，并嵌位故障點電壓為零，使得故障點電弧可靠熄滅。殘余電流轉移裝置由并聯于系統母線的兩級開關以及限流電阻組成，如圖1所示裝置第一級開關由KA、KB、KC三個開關組成，分別連接于母線A、B、C三相。第二級開關由開關KZ與限流電阻R并聯組成，限流電阻的主要作用是限制第一級開關錯誤合閘時的相間短路電流。圖1殘余電流轉移裝置結構Fig.1Structureofresidualcurrenttransferdevice系統單相接地故障后，啟動選相元件，選相成功后按照選相結果閉合殘余電流轉移裝置第一級開關，由于限流電阻的作用，故障點只有部分電流被轉移，此時流過限流電阻的電流必然小于電容電流，若監(jiān)測到限流電阻上的電流大于電容電流，說明第一級開關合閘錯誤或者選相錯誤，應立即退出裝置；若限流電阻上電流小于電容電流，則第一級開關合閘成功，可閉合第二級開關，將故障點全部殘流轉移，并嵌位故障點電壓為零，故障電弧可靠熄滅。殘余電流轉移消弧裝置控制方法殘余電流轉移裝置控制流程如圖2所示。電網發(fā)生故障時,通過對母線電壓互感器信號的分析，判定系統是否發(fā)生單相接地故障，并啟動故障選相元件。確認故障相后，閉合殘余電流轉移裝置第一級開關（KA或KB或KC），故障點部分電流轉移到限流電阻上。由于限流電阻的限流作用，可以有效抑制錯誤合閘時產生的相間短路電流,避免錯誤合閘時相間短路保護動作。通過對限流電阻電流的檢測可以判斷出第一級開關動作的正確性：若通過限流電阻的電流大于系統電容電流，可判定第一級開關動作有誤，需退出故障轉移裝置；若限流電阻的電流小于系統電容電流，可閉合第二級開關。圖2殘余電流轉移裝置動作流程圖Fig.2Processofresidualcurrenttransferdevice兩級開關合閘成功，保持一段時間后，進行復歸操作。復歸操作時，動作時序逆向：首先打開第二級開關，檢測限流電阻上的電流，若限流電阻上電流大于整定值，則說明單相故障已經清除，此時應該斷開第一級開關；若限流電阻上電流小于整定值，說明單相故障仍然存在，則重新閉合第二級開關。保持一定時間后重復上述復歸過程，若多次復歸操作均未能成功，則說明故障屬于永久性故障，則順序退出第二級開關和第一級開關。殘余電流轉移消弧裝置整定值計算2.1限流電阻R的整定限流電阻R的主要作用是限制錯誤合閘時的短路電流。錯誤合閘后，單相接地故障變?yōu)閮上嘟拥毓收?，可能引起保護裝置動作，所以，應限制短路電流處于速斷保護啟動值以下。同時，為了便于與正確合閘相區(qū)分，錯誤合閘時流過限流電阻的電流必須大于電網電容電流?？紤]最為嚴重的情況進行計算，即臨近母線處發(fā)生金屬性短路，殘余電流轉移裝置第一級開關錯誤合閘，如圖3所示。根據對稱分量法可以推導故障電流的近似計算公式:(1)式中Eeq為等效系統電壓；和分別代表以A相正序、負序和零序電流；X1、X2和X0分別代表從母線到系統電源的等效正序、負序和零序電抗；R代表限流電阻。圖3殘余電流轉移裝置錯誤合閘Fig.3Incorrectclosingofresidualcurrenttransferdevice由于中性點非有效接地，零序電抗XO遠遠大于正序電抗X1和負序電抗X2,且限流電阻的取值一般也比正序電抗大得多，故式(1)可簡化為：(2)由式(2)可知，通過調整電阻R的大小，可以影響各序電流的大小。錯誤合閘時流過故障相電流大小可近似表示為式(3)，且電流幅值應滿足式(4)的條件。(4)式中代表B相相電流，即錯誤合閘相電流；a=ej120°;Iset為線路電流速斷保護整定值。根據式(2)~式(4)便可確定合適的限流電阻R，即使合閘錯誤，也不會造成相間保護裝置誤動作。二級開關合閘判據第一級開關合閘后，若選相、合閘都正確，由于限流電阻的作用，故障點電流只有一部分轉移到殘余電流轉移裝置上，所以，限流電阻上的電流應小于系統電容電流；若選相錯誤或合閘錯誤，均會使得單相接地故障變?yōu)閮上嘟拥毓收?，流過限流電阻上的電流會大于系統電容電流。因此，第二級合閘判據可表示為式(5)。IRvUNwCO(5)式中IR為流過限流電阻上的電流有效值；UN為電網相電壓有效值；C0為電網零序電容。一級開關復歸判據復歸操作時，退出第二級開關，若故障點電弧已熄滅，則限流電阻上的電流為經消弧線圈補償后的所有殘流；若故障點仍然存在，則限流電阻上的電流只是故障點電流的一部分，由于限流電阻一般很大，所以，這部分電流非常小。因此，第一級開關復歸的判據可表示為：IR>Iset(6)式中k為可靠系數，可在0.8~0.9之間取值；L為消弧線圈電感。仿真分析采用PSCAD對10kV配電網進行仿真分析，仿真數據采用MATLAB進行處理。仿真模型共4條饋線，饋線L1、L2為電纜線路，長度均為10km，饋線L3、L4為架空線路，長度均為8km，各饋線阻抗參數如表1所示。中性點經消弧線圈過補償接地，補償度為10%，消弧線圈電感為0.5763H，消弧線圈串聯等效電阻為19Q。為了研究諧波對消弧的影響，在變壓器低壓側注入3%的三相對稱5次諧波電壓。根據網絡參數計算各條饋線速斷保護整定值最小為：1874A。根據式3~式(4)確定限流電阻R的值為：100Q。二級開關合閘整定值為：33A。一級開關復歸整定值為：4.1A。殘余電流轉移裝置正確合閘。為了仿真單相接地電流在各種運行方式下的特征，在L4饋線末端0.1s時單相接地，在0.5s時投入消弧線圈，1s時投入殘余電流轉移支路第一級開關,1.5s投入第二級開關。故障點電流波形變化情況如圖4(a)所示，其基波電流有效值和5次諧波電流有效值變化情況如圖4(b)所示。表1仿真模型線路阻抗參數Tab.1Lineimpedanceparametersofsimulationmodel線路類型正序參數R1/(Q/km)L1/(mH/km)C1/(pF/km)零序參數R0/(Q/km)L0/(mH/km)C0/(pF/km)架空線0.171.210.0110.235.480.008電纜線0.120.520.290.351.540.26圖4殘余電流轉移裝置正確合閘時故障點電流Fig.4Currentoffaultpointwhenresidualcurrenttransferdeviceoperatecorrectly由圖4可知，消弧線圈投入后基波電流大幅減小，而5次諧波電流變化不大，可見，消弧線圈對諧波電流基本無補償作用；第一級開關閉合后，由于限流電阻的作用，故障電流只有很小部分轉移；第二級開關閉合后，基波和諧波電流均轉移到殘余電流轉移裝置上，故障點電流基本為零。殘余電流轉移裝置錯誤合閘。為了仿真殘余電流轉移裝置錯誤合閘時的電流特征，假設線路L4在0.1s時A相發(fā)生單相接地短路，在0.5s時投入消弧線圈，1s時錯誤投入轉移裝置B相，1.5s時錯誤投入轉移裝置二級開關B相。故障點電流有效值變化情況如圖5所示。根據圖5可知，由于限流電阻的作用，將錯誤合閘的電流限值在很低的數值，遠小于速動保護的整定值，不會引起保護動作，而且經過限流電阻的限制后，錯誤合閘的電流仍然比電容電流大得多，容易區(qū)分；但是，若第二級開關合閘，即沒有限流電阻作用的情況下，電流增大到近2000A的數值，速斷保護可能會動作切斷故障，引起線路停電。圖5殘余電流轉移裝置錯誤合閘時故障點電流Fig.5Currentoffaultpointwhenresidualcurrenttransferdeviceoperatesfalsely殘余電流轉移裝置復歸。為了研究復歸判據的可行性，假設L4線路在0.1s發(fā)生單相接地故障，在0.5s故障轉移裝置第一級開關合閘，1s時第二級開關合閘，在1.6s第二級開關復歸，仿真結果如圖6所示。圖6(a)表示在1.6s之前故障電弧已經熄滅，故障清除后復歸時流過限流電阻的電流；圖6(b)反映的是故障尚未清除時復歸，流過限流電阻的電流。圖6第一級開關復歸時限流電阻電流Fig.6Resistancecurrentofcurrentlimitingwhenthefirststageswitchresets由圖6可知，第二級開關復歸時，若故障已經清除，則流過限流電阻大于復歸整定值4.1A，但若故障尚未清除，流過限流電阻的電流比復歸整定值4.1A要小很多。4結束語結合消弧線圈和故障轉移消弧技術，提出了一種殘余電流轉移消弧方法，并對該方法的消弧原理和控制策略進行了仿真分析，得出結論如下：利用消弧線圈自動補償接地電流，彌補了故障轉移消弧裝置投入慢以及轉移電流大的缺陷；利用兩級合閘及限流電阻消除了故障轉移裝置錯誤動作的風險，即使錯誤動作也不會產生過大的短路電流，造成速斷保護跳閘；監(jiān)測限流電阻的電壓或電流，可判別合閘的正確性以及電弧是否熄滅，給故障轉移裝置第二級合閘以及復歸提供了合理的依據。參考文獻【相關文獻】艾紹貴，李秀廣,黎煒,等.配電網快速開關型消除弧光接地故障技術研究[幾高壓電器,2017,(3):178-184.AiShaogui，LiXiuguang，LiWei,etal.ArcSuppressionTechnologyBasedonFastSwitchforDistributionNetwork[J].HighVoltageApparatus,2015,35(11):67-74.郭謀發(fā)，游建章,林先輝，等.適應線路參數及負載變化的配電網柔性優(yōu)化消弧方法[J].電力系統自動化,2017,(8):138-145.GuoMoufa,YouJianzhang,LinXianhui,etal.FlexibleArc-suppressi-onOptimizationMethodforDistributionNetworkAdaptabletoVariationofLineParametersandLoad[J].AutomationofElectricPowerSystems,2017,(8):138-145.李曉波，王崇林.零殘流消弧線圈綜述[J].電力自動化設備,2011,(6):116-121.LiXiaobo,WangChonglin.Surveyofzero-residual-currentarcsupper-ssioncoil[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2011,(6):116-121.余文輝，李健，陳祖勛?配電網接地故障電壓消弧新方法[J].電力科學與技術學報,2012,(1):64-69.YuWenhui,LiJian,ChenZuxun.Anovelvoltagearc-suppressionmethodforgroundingfaultsindistributionnetworks[J].JournalofElectricPowerScienceandTechnology,2012,(1):64-69.⑸要換年?電力系統諧振接地[M].第二版.北京:中國電力出版社,2000.⑹孫成勛,桑振華，楊曉瑛,等.基于定相增量法的消弧線圈新型調諧方法J].電測與儀表,2015,52(10):105-108.SunChengxun,SangZhenhua,YangXiaoying,etal.Anewtuingmethodofthearcsuppressioncoilbasedonthephasingincrements[J].ElectricalMeasurement&Instrumentation,2015,52(10):105-108.公茂法，葛卉婷，林煜清,等.10kV消弧線圈補償系統的應用研究J].電測與儀表,2015,52(17):84-87.GongMaofa,GeHuiting,LinYuqing,etal.Applicationresearchofarcsuppressioncoilcompensationsystemin10kV[J].ElectricalMeasurement&Instrumentation,2015,52(17):84-87.曾祥君,王媛媛,李健,等.基于配電網柔性接地控制的故障消弧與饋線保護新原理[J].中國電機工程學報,2012,(16):137-143.ZengXiangjun,WangYuanyuan,LiJian,etal.NovelPrincipleofFaultsArcExtinguishing&FeederProtectionBasedonF