配電網(wǎng)單相接地故障殘余電流轉(zhuǎn)移消弧方法

配電網(wǎng)單相接地故障殘余電流轉(zhuǎn)移消弧方法范松海;陳坤燚;肖先勇;劉小江【摘要】根據(jù)消弧線(xiàn)圈和故障轉(zhuǎn)移滅弧裝置的優(yōu)缺點(diǎn),提出了一種殘余電流轉(zhuǎn)移的消弧方法.該方法首先利用消弧線(xiàn)圈將故障點(diǎn)電流補(bǔ)償?shù)捷^小數(shù)值,再投入故障轉(zhuǎn)移裝置轉(zhuǎn)移故障點(diǎn)的殘余電流,使電弧可靠熄滅.為了避免轉(zhuǎn)移裝置錯(cuò)誤投入帶來(lái)負(fù)面影響,采用兩級(jí)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu),并用限流電阻對(duì)第一級(jí)合閘電流進(jìn)行限制.通過(guò)檢測(cè)限流電阻的電壓或電流,可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移裝置投入正確性以及電弧是否熄滅的判別,為故障轉(zhuǎn)移裝置的投退提供了可靠依據(jù).仿真結(jié)果表明,該方法能夠解決消弧線(xiàn)圈殘流過(guò)大的問(wèn)題,同時(shí)也能夠避免故障轉(zhuǎn)移裝置錯(cuò)誤投入帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn).期刊名稱(chēng)】《電測(cè)與儀表》年(卷),期】2019(056)011【總頁(yè)數(shù)】6頁(yè)(P20-25)【關(guān)鍵詞】消弧;消弧線(xiàn)圈;殘余電流轉(zhuǎn)移消弧;中性點(diǎn)非有效接地【作者】范松海;陳坤燚;肖先勇;劉小江【作者單位】國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院,成都610072;四川大學(xué),成都610065;四川大學(xué),成都610065;國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院,成都610072【正文語(yǔ)種】中文中圖分類(lèi)】TM7710引言我國(guó)配網(wǎng)多采用中性點(diǎn)非有效接地方式，可帶單相接地故障運(yùn)行1-2小時(shí)。帶故障運(yùn)行期間，若存在故障電弧，將給電網(wǎng)帶來(lái)不利影響，尤其是電纜線(xiàn)路，長(zhǎng)時(shí)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(wǎng)容量的增長(zhǎng)和電纜線(xiàn)路的大量使用，配網(wǎng)對(duì)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(guó)內(nèi)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(lèi)，最具代表性的裝置是消弧線(xiàn)圈和故障轉(zhuǎn)移裝置［1-5］。消弧線(xiàn)圈是利用諧振補(bǔ)償原理來(lái)減小故障點(diǎn)的電容電流，從而達(dá)到消弧的目的。消弧線(xiàn)圈有手調(diào)式和隨調(diào)式兩類(lèi)［5］。手調(diào)式消弧線(xiàn)圈不能跟隨系統(tǒng)電容的變化，為防止系統(tǒng)電容變化而引起中性點(diǎn)位移電壓過(guò)高，一般采用過(guò)補(bǔ)償方式，因而存在較大殘余電流；隨調(diào)式消弧線(xiàn)圈能夠在線(xiàn)測(cè)量電容，消弧線(xiàn)圈能夠自動(dòng)調(diào)諧，補(bǔ)償后殘流大大減小［6-7］。但是，無(wú)論何種消弧線(xiàn)圈都僅僅能夠補(bǔ)償電流的無(wú)功基波分量，對(duì)于有功電流分量和諧波分量無(wú)能為力。文獻(xiàn)［3］指出，我國(guó)某些煤礦供電網(wǎng)絡(luò)的接地電流有功分量可達(dá)到十幾安培，有功電流含量足以維持電弧燃燒；電網(wǎng)中大量電力電子負(fù)荷的應(yīng)用，使得諧波含量也是相當(dāng)可觀(guān)的。無(wú)論手調(diào)式還是隨調(diào)式消弧線(xiàn)圈，補(bǔ)償后的殘流均不容忽視。為了解決殘流問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了“零殘流消弧線(xiàn)圈”的研究，而這項(xiàng)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(xiàn)圈處注入的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)模⑷腚娏鞔笮〉挠?jì)算受到接地參數(shù)測(cè)量精度、諧波提取精度等因素的影響較大?？梢?jiàn)，在電容電流較大、諧波含量較高的場(chǎng)合，消弧線(xiàn)圈殘余電流問(wèn)題尚需進(jìn)一步研究。近年來(lái)，故障轉(zhuǎn)移消弧的思路逐漸得到了發(fā)展，諸多文獻(xiàn)稱(chēng)之為“消弧柜”技術(shù)［1,8-11］。該技術(shù)利用母線(xiàn)處人為制造的一條金屬性接地支路來(lái)旁路故障點(diǎn)，并將故障點(diǎn)電壓鉗制于零，從而達(dá)到消弧的目的。該技術(shù)能轉(zhuǎn)移故障點(diǎn)的全部電流，受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、參數(shù)變化的影響小，不存在殘余電流的問(wèn)題。然而，文獻(xiàn)［9］指出，由于故障轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)固有延時(shí)較長(zhǎng)，很難滿(mǎn)足消弧的快速性要求，而且，故障轉(zhuǎn)移并不能減小電容電流，若裝置入地電流較大，會(huì)引起地電位升高，給人身安全帶來(lái)威脅［8］。文獻(xiàn)［1］提出采用快速開(kāi)關(guān)可以提高滅弧的速度，但對(duì)于入地電流大小以及選相錯(cuò)誤等問(wèn)題文獻(xiàn)沒(méi)有討論。選相錯(cuò)誤或轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)錯(cuò)誤動(dòng)作，會(huì)造成相間短路，引起保護(hù)跳閘，發(fā)生停電事故，使得故障轉(zhuǎn)移裝置運(yùn)行具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。另外，在故障轉(zhuǎn)移裝置動(dòng)作策略方面的研究目前還比較欠缺，對(duì)轉(zhuǎn)移裝置投退時(shí)機(jī)缺乏充分的論證?？梢?jiàn)，故障轉(zhuǎn)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(wèn)題。本文提出了一種殘余電流轉(zhuǎn)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(xiàn)圈快速補(bǔ)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(zhuǎn)移裝置，轉(zhuǎn)移故障點(diǎn)殘流，可靠滅弧。為了避免轉(zhuǎn)移裝置錯(cuò)誤投入帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，采用兩級(jí)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，并用限流電阻對(duì)第一級(jí)合閘的電流進(jìn)行限制。殘余電流轉(zhuǎn)移消弧裝置結(jié)構(gòu)及原理殘余電流轉(zhuǎn)移消弧裝置結(jié)構(gòu)殘余電流轉(zhuǎn)移消弧的基本思路是：發(fā)生單相接地故障時(shí)，首先消弧線(xiàn)圈對(duì)故障電流進(jìn)行補(bǔ)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(xiàn)故障相處人為制造一條金屬接地支路，使故障點(diǎn)殘流轉(zhuǎn)移到人為金屬接地支路，并嵌位故障點(diǎn)電壓為零，使得故障點(diǎn)電弧可靠熄滅。殘余電流轉(zhuǎn)移裝置由并聯(lián)于系統(tǒng)母線(xiàn)的兩級(jí)開(kāi)關(guān)以及限流電阻組成，如圖1所示裝置第一級(jí)開(kāi)關(guān)由KA、KB、KC三個(gè)開(kāi)關(guān)組成，分別連接于母線(xiàn)A、B、C三相。第二級(jí)開(kāi)關(guān)由開(kāi)關(guān)KZ與限流電阻R并聯(lián)組成，限流電阻的主要作用是限制第一級(jí)開(kāi)關(guān)錯(cuò)誤合閘時(shí)的相間短路電流。圖1殘余電流轉(zhuǎn)移裝置結(jié)構(gòu)Fig.1Structureofresidualcurrenttransferdevice系統(tǒng)單相接地故障后，啟動(dòng)選相元件，選相成功后按照選相結(jié)果閉合殘余電流轉(zhuǎn)移裝置第一級(jí)開(kāi)關(guān)，由于限流電阻的作用，故障點(diǎn)只有部分電流被轉(zhuǎn)移，此時(shí)流過(guò)限流電阻的電流必然小于電容電流，若監(jiān)測(cè)到限流電阻上的電流大于電容電流，說(shuō)明第一級(jí)開(kāi)關(guān)合閘錯(cuò)誤或者選相錯(cuò)誤，應(yīng)立即退出裝置；若限流電阻上電流小于電容電流，則第一級(jí)開(kāi)關(guān)合閘成功，可閉合第二級(jí)開(kāi)關(guān)，將故障點(diǎn)全部殘流轉(zhuǎn)移，并嵌位故障點(diǎn)電壓為零，故障電弧可靠熄滅。殘余電流轉(zhuǎn)移消弧裝置控制方法殘余電流轉(zhuǎn)移裝置控制流程如圖2所示。電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),通過(guò)對(duì)母線(xiàn)電壓互感器信號(hào)的分析，判定系統(tǒng)是否發(fā)生單相接地故障，并啟動(dòng)故障選相元件。確認(rèn)故障相后，閉合殘余電流轉(zhuǎn)移裝置第一級(jí)開(kāi)關(guān)（KA或KB或KC），故障點(diǎn)部分電流轉(zhuǎn)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(cuò)誤合閘時(shí)產(chǎn)生的相間短路電流,避免錯(cuò)誤合閘時(shí)相間短路保護(hù)動(dòng)作。通過(guò)對(duì)限流電阻電流的檢測(cè)可以判斷出第一級(jí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的正確性：若通過(guò)限流電阻的電流大于系統(tǒng)電容電流，可判定第一級(jí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作有誤，需退出故障轉(zhuǎn)移裝置；若限流電阻的電流小于系統(tǒng)電容電流，可閉合第二級(jí)開(kāi)關(guān)。圖2殘余電流轉(zhuǎn)移裝置動(dòng)作流程圖Fig.2Processofresidualcurrenttransferdevice兩級(jí)開(kāi)關(guān)合閘成功，保持一段時(shí)間后，進(jìn)行復(fù)歸操作。復(fù)歸操作時(shí)，動(dòng)作時(shí)序逆向：首先打開(kāi)第二級(jí)開(kāi)關(guān)，檢測(cè)限流電阻上的電流，若限流電阻上電流大于整定值，則說(shuō)明單相故障已經(jīng)清除，此時(shí)應(yīng)該斷開(kāi)第一級(jí)開(kāi)關(guān)；若限流電阻上電流小于整定值，說(shuō)明單相故障仍然存在，則重新閉合第二級(jí)開(kāi)關(guān)。保持一定時(shí)間后重復(fù)上述復(fù)歸過(guò)程，若多次復(fù)歸操作均未能成功，則說(shuō)明故障屬于永久性故障，則順序退出第二級(jí)開(kāi)關(guān)和第一級(jí)開(kāi)關(guān)。殘余電流轉(zhuǎn)移消弧裝置整定值計(jì)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(cuò)誤合閘時(shí)的短路電流。錯(cuò)誤合閘后，單相接地故障變?yōu)閮上嘟拥毓收希赡芤鸨Ｗo(hù)裝置動(dòng)作，所以，應(yīng)限制短路電流處于速斷保護(hù)啟動(dòng)值以下。同時(shí)，為了便于與正確合閘相區(qū)分，錯(cuò)誤合閘時(shí)流過(guò)限流電阻的電流必須大于電網(wǎng)電容電流?？紤]最為嚴(yán)重的情況進(jìn)行計(jì)算，即臨近母線(xiàn)處發(fā)生金屬性短路，殘余電流轉(zhuǎn)移裝置第一級(jí)開(kāi)關(guān)錯(cuò)誤合閘，如圖3所示。根據(jù)對(duì)稱(chēng)分量法可以推導(dǎo)故障電流的近似計(jì)算公式:(1)式中Eeq為等效系統(tǒng)電壓；和分別代表以A相正序、負(fù)序和零序電流；X1、X2和X0分別代表從母線(xiàn)到系統(tǒng)電源的等效正序、負(fù)序和零序電抗；R代表限流電阻。圖3殘余電流轉(zhuǎn)移裝置錯(cuò)誤合閘Fig.3Incorrectclosingofresidualcurrenttransferdevice由于中性點(diǎn)非有效接地，零序電抗XO遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正序電抗X1和負(fù)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(jiǎn)化為：(2)由式(2)可知，通過(guò)調(diào)整電阻R的大小，可以影響各序電流的大小。錯(cuò)誤合閘時(shí)流過(guò)故障相電流大小可近似表示為式(3)，且電流幅值應(yīng)滿(mǎn)足式(4)的條件。(4)式中代表B相相電流，即錯(cuò)誤合閘相電流；a=ej120°;Iset為線(xiàn)路電流速斷保護(hù)整定值。根據(jù)式(2)~式(4)便可確定合適的限流電阻R，即使合閘錯(cuò)誤，也不會(huì)造成相間保護(hù)裝置誤動(dòng)作。二級(jí)開(kāi)關(guān)合閘判據(jù)第一級(jí)開(kāi)關(guān)合閘后，若選相、合閘都正確，由于限流電阻的作用，故障點(diǎn)電流只有一部分轉(zhuǎn)移到殘余電流轉(zhuǎn)移裝置上，所以，限流電阻上的電流應(yīng)小于系統(tǒng)電容電流；若選相錯(cuò)誤或合閘錯(cuò)誤，均會(huì)使得單相接地故障變?yōu)閮上嘟拥毓收?，流過(guò)限流電阻上的電流會(huì)大于系統(tǒng)電容電流。因此，第二級(jí)合閘判據(jù)可表示為式(5)。IRvUNwCO(5)式中IR為流過(guò)限流電阻上的電流有效值；UN為電網(wǎng)相電壓有效值；C0為電網(wǎng)零序電容。一級(jí)開(kāi)關(guān)復(fù)歸判據(jù)復(fù)歸操作時(shí)，退出第二級(jí)開(kāi)關(guān)，若故障點(diǎn)電弧已熄滅，則限流電阻上的電流為經(jīng)消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償后的所有殘流；若故障點(diǎn)仍然存在，則限流電阻上的電流只是故障點(diǎn)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(jí)開(kāi)關(guān)復(fù)歸的判據(jù)可表示為：IR>Iset(6)式中k為可靠系數(shù)，可在0.8~0.9之間取值；L為消弧線(xiàn)圈電感。仿真分析采用PSCAD對(duì)10kV配電網(wǎng)進(jìn)行仿真分析，仿真數(shù)據(jù)采用MATLAB進(jìn)行處理。仿真模型共4條饋線(xiàn)，饋線(xiàn)L1、L2為電纜線(xiàn)路，長(zhǎng)度均為10km，饋線(xiàn)L3、L4為架空線(xiàn)路，長(zhǎng)度均為8km，各饋線(xiàn)阻抗參數(shù)如表1所示。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈過(guò)補(bǔ)償接地，補(bǔ)償度為10%，消弧線(xiàn)圈電感為0.5763H，消弧線(xiàn)圈串聯(lián)等效電阻為19Q。為了研究諧波對(duì)消弧的影響，在變壓器低壓側(cè)注入3%的三相對(duì)稱(chēng)5次諧波電壓。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計(jì)算各條饋線(xiàn)速斷保護(hù)整定值最小為：1874A。根據(jù)式3~式(4)確定限流電阻R的值為：100Q。二級(jí)開(kāi)關(guān)合閘整定值為：33A。一級(jí)開(kāi)關(guān)復(fù)歸整定值為：4.1A。殘余電流轉(zhuǎn)移裝置正確合閘。為了仿真單相接地電流在各種運(yùn)行方式下的特征，在L4饋線(xiàn)末端0.1s時(shí)單相接地，在0.5s時(shí)投入消弧線(xiàn)圈，1s時(shí)投入殘余電流轉(zhuǎn)移支路第一級(jí)開(kāi)關(guān),1.5s投入第二級(jí)開(kāi)關(guān)。故障點(diǎn)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(xiàn)路阻抗參數(shù)Tab.1Lineimpedanceparametersofsimulationmodel線(xiàn)路類(lèi)型正序參數(shù)R1/(Q/km)L1/(mH/km)C1/(pF/km)零序參數(shù)R0/(Q/km)L0/(mH/km)C0/(pF/km)架空線(xiàn)0.171.210.0110.235.480.008電纜線(xiàn)0.120.520.290.351.540.26圖4殘余電流轉(zhuǎn)移裝置正確合閘時(shí)故障點(diǎn)電流Fig.4Currentoffaultpointwhenresidualcurrenttransferdeviceoperatecorrectly由圖4可知，消弧線(xiàn)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(jiàn)，消弧線(xiàn)圈對(duì)諧波電流基本無(wú)補(bǔ)償作用；第一級(jí)開(kāi)關(guān)閉合后，由于限流電阻的作用，故障電流只有很小部分轉(zhuǎn)移；第二級(jí)開(kāi)關(guān)閉合后，基波和諧波電流均轉(zhuǎn)移到殘余電流轉(zhuǎn)移裝置上，故障點(diǎn)電流基本為零。殘余電流轉(zhuǎn)移裝置錯(cuò)誤合閘。為了仿真殘余電流轉(zhuǎn)移裝置錯(cuò)誤合閘時(shí)的電流特征，假設(shè)線(xiàn)路L4在0.1s時(shí)A相發(fā)生單相接地短路，在0.5s時(shí)投入消弧線(xiàn)圈，1s時(shí)錯(cuò)誤投入轉(zhuǎn)移裝置B相，1.5s時(shí)錯(cuò)誤投入轉(zhuǎn)移裝置二級(jí)開(kāi)關(guān)B相。故障點(diǎn)電流有效值變化情況如圖5所示。根據(jù)圖5可知，由于限流電阻的作用，將錯(cuò)誤合閘的電流限值在很低的數(shù)值，遠(yuǎn)小于速動(dòng)保護(hù)的整定值，不會(huì)引起保護(hù)動(dòng)作，而且經(jīng)過(guò)限流電阻的限制后，錯(cuò)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(jí)開(kāi)關(guān)合閘，即沒(méi)有限流電阻作用的情況下，電流增大到近2000A的數(shù)值，速斷保護(hù)可能會(huì)動(dòng)作切斷故障，引起線(xiàn)路停電。圖5殘余電流轉(zhuǎn)移裝置錯(cuò)誤合閘時(shí)故障點(diǎn)電流Fig.5Currentoffaultpointwhenresidualcurrenttransferdeviceoperatesfalsely殘余電流轉(zhuǎn)移裝置復(fù)歸。為了研究復(fù)歸判據(jù)的可行性，假設(shè)L4線(xiàn)路在0.1s發(fā)生單相接地故障，在0.5s故障轉(zhuǎn)移裝置第一級(jí)開(kāi)關(guān)合閘，1s時(shí)第二級(jí)開(kāi)關(guān)合閘，在1.6s第二級(jí)開(kāi)關(guān)復(fù)歸，仿真結(jié)果如圖6所示。圖6(a)表示在1.6s之前故障電弧已經(jīng)熄滅，故障清除后復(fù)歸時(shí)流過(guò)限流電阻的電流；圖6(b)反映的是故障尚未清除時(shí)復(fù)歸，流過(guò)限流電阻的電流。圖6第一級(jí)開(kāi)關(guān)復(fù)歸時(shí)限流電阻電流Fig.6Resistancecurrentofcurrentlimitingwhenthefirststageswitchresets由圖6可知，第二級(jí)開(kāi)關(guān)復(fù)歸時(shí)，若故障已經(jīng)清除，則流過(guò)限流電阻大于復(fù)歸整定值4.1A，但若故障尚未清除，流過(guò)限流電阻的電流比復(fù)歸整定值4.1A要小很多。4結(jié)束語(yǔ)結(jié)合消弧線(xiàn)圈和故障轉(zhuǎn)移消弧技術(shù)，提出了一種殘余電流轉(zhuǎn)移消弧方法，并對(duì)該方法的消弧原理和控制策略進(jìn)行了仿真分析，得出結(jié)論如下：利用消弧線(xiàn)圈自動(dòng)補(bǔ)償接地電流，彌補(bǔ)了故障轉(zhuǎn)移消弧裝置投入慢以及轉(zhuǎn)移電流大的缺陷；利用兩級(jí)合閘及限流電阻消除了故障轉(zhuǎn)移裝置錯(cuò)誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)，即使錯(cuò)誤動(dòng)作也不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的短路電流，造成速斷保護(hù)跳閘；監(jiān)測(cè)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(zhuǎn)移裝置第二級(jí)合閘以及復(fù)歸提供了合理的依據(jù)。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】艾紹貴，李秀廣,黎煒,等.配電網(wǎng)快速開(kāi)關(guān)型消除弧光接地故障技術(shù)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(yīng)線(xiàn)路參數(shù)及負(fù)載變化的配電網(wǎng)柔性?xún)?yōu)化消弧方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)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(xiàn)圈綜述[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2011,(6):116-121.LiXiaobo,WangChonglin.Surveyofzero-residual-currentarcsupper-ssioncoil[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2011,(6):11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