基于行波的小电流接地故障选线 相域.docx
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基于行波的小电流接地故障选线相域
基于行波的小电流接地故障选线
1背景
中性点非有效接地配电系统单相接地选线的问题是一个迄今为止并未彻底解决的问题。
国内外不少专家和学者展开了研究,也提出了许多原理和方法,主要包括拉路法、注入信号法、稳态分量选线法、暂态分量选线法和基于测度的多种方法组合的综合选线方法等,但是这些方法有各自的局限性,在实际运行中的选线结果并不能令人满意,导致接地选线问题成为长期困扰实际运行的一个技术难题。
这是由于中性点非有效接地配电系统自身的特殊性所决定的,故障的边界很复杂、随机性,难以用单一的统计模型来表示。
故障可能是稳定型的也可能是断续的接地故障,可能是电阻性的或者是电弧型故障。
故障状况不同,产生的故障量在数值上及变化规律上相差很大;尤其是一些不稳定的断断续续的故障,波形很不规则,且衰减快。
综上所述,非有效接地电网单相接地故障的选线问题表面上看似简单,实践证明其实很复杂。
但由于非有效接地方式有着不可替代的优越性,并在我国及其他国家电网中被广泛采用。
因此,进一步开展选线保护领域的研究工作具有重要的理论和实际价值。
近年来,随着配电网自动化水平的提高,单相接地故障选线问题得到了极大的关注,研究人员不断提出新方法、新思路,发表了大量的相关的学术论文,工程领域也更加意识到选线保护装置的重要性。
2基于行波的故障选线的现状
目前基于行波的故障选线研究的较少,主要是基于工频或频率较高的暂态信号进行选线。
已有的行波选线装置主要有:
北京先科达科技有限责任公司SCTL-01行波电流选线装置;北京衡天北斗科技有限公司研制的SL-X系列的装置;深圳市索图科技有限公司ST-601行波选线装置等。
这些产品都是基于高速采样得到故障行波信号,再用小波变换等数字信号处理技术进行分析,最后判断出故障线路。
本文以行波理论为基础研究了配电线路单相接地后所产生的暂态电流行波的特点,刻划了该行波的接地故障特征,并发现:
单相接地瞬间所产生的初始暂态电流行波与接地方式无关,从而为接地选线开辟了新思路。
该文最后给出了基于初始电流行波的接地选线判据,并以一些仿真例证明了文中理论推导和所提方法的正确性。
3工作原理以及本算法的优点
3.1算法原理
经过一系列的理论推导可得测量点的相量初始电流行波为
(1)
其中:
和
分别为故障线路a、b和c相电流互感器测得的的电流行波;
和
分别为健全线路a、b和c相电流互感器测得的电流行波。
n出线总数,Z0Z1分别为线路零模线模波阻抗,uaF为负荷网络中故障点的A相电压.
由式
(1)可得结论:
对线路上测得的相电流初始行波而言,不管是故障相还是非故障相,故障线的电流行波的大小是非故障线同一相的n-1倍,且极性相反。
本文的选线判据为:
利用故障线的故障相和非故障线的故障相极性相反的特点进行故障选线。
当只有两条出线是可结合母线端的电压进行选线,即母线故障相电压行波与故障线路故障相电流行波极性相反
第四节将结合仿真具体说明。
3.2硬件提取行波原理
本文基于我公司研制的特有的行波传感器进行行波波头的时刻提取和极性识别,避免了因高速采样导致的硬件投资大的问题。
故本文故障选线的基本原理:
利用我公司特有的行波传感器提取每条出线的各相电流行波波头,识别各自的极性并记录,再利用式
(1)所得结论进行故障选线。
3.3算法优点
1)原理方面:
有以上原理分析表明:
基于单相电流初始行波的故障选线与系统的中性点接地方式无关,不仅适用于小电流系统,包括中性点不接地系统,中性点经消弧线圈系统等等,甚至对大电流系统,如中性点直接接地系统也同样适用。
所提原理比较故障线路与非故障线路电流行波之间的相对关系,所以从原理上讲,不受电流行波绝对大小的影响。
也就是说该原理不受故障电阻,线路波阻抗(线路形式)、线路回数的影响;基本不受故障初始电压的影响。
2)硬件投资一:
与零模行波故障选线相比,单相电流行波故障选线不需要零序电流互感器,简单易行,尤其适用于架空线出线无法配置零序电流互感器的系统;而且单相电流初始行波损耗小,故障特征明显。
与二相、三相电流行波故障选线相比,单相电流行波故障选线接线简单,易于现场应用。
3)硬件投资二:
以往所提到的关于行波的各类算法,都是基于高速采样装置的,增加了硬件投资,这也是行波不能广泛应用的瓶颈之一。
本文采用我公司最新研制的专用行波传感器来采集故障行波信号,该行波传感器不必进行高速采集,只需提取故障行波波头,造价低,安装简单,满足电力系统安全运行要求。
下面将用matlab仿真来说明当发生单相接地时,各出线电流初始行波及母线电压初始行波的特点以及选线判据。
4仿真分析
本文参照电网实际数据,建立了一个小电流接地系统仿真模型,其matlab仿真示意图如图1,这是一个有4条35kV的出线系统,变压器容量为41.5MVA,变比110kv/35kv,连接组别为YN/d11,线路采用为钢芯铝导线LJG-95/15和电缆YJV23-35/95两种线型,开关K1、K2通过Z型变压器可将中性点设置成不同的接地方式。
线型参数如下:
钢芯铝导线LJG-95/15:
正序电阻,零序电阻0.4601Ω/km0.6049Ω/km;正序感抗、零序感抗0.0013H/km0.0047H/km;正序容抗、零序容抗0.8711e-8F/km0.4785e-8F/km;
电缆YJV23-35/95:
正序电阻,零序电阻0.193Ω/km1.93Ω/km;正序感抗、零序感抗0.422e-3H/km1.477e-3H/km;正序容抗、零序容抗135e-9F/km135e-9F/km;
各出线参数如下:
线路1为电缆线路,长度6km,
线路2为架空电缆混合线路,长度分别为10km、4km,
线路3为架空线路,长度20km,
线路4为架空线路,长度28km。
本文以最常见的谐振接地系统为例,对接地选线进行研究。
中性点经消弧线圈接地,取过补偿度为5%
图1简单配电系统仿真示意图
4.1线路3发生A相接地时仿真结果
1)图2是中性点谐振接地系统,线路2距母线4km处A相金属性接地时,接地和各非接地线路电流行波波形。
(图形说明:
黄红绿分别对应A、B、C)
故障时刻:
0.0001s
线路1
线路2
线路3
线路4
母线三相电压
图2线路2发生A单相金属接地ABC时
各出线三相电流行波和母线三相电压行波
由图2分析可得:
当发生A相接地时,A相的行波电流突变最明显,最易于提取,且故障线路A相与非故障线路A相的极性相反,于母线端A相电压行波极性也相反,据此可选出线路2为故障线路(非故障相同样满足,可作为辅助)。
2)图3是中性点谐振接地系统,线路3距母线10km处B相高阻(200欧姆)接地时,接地和各非接地线路电流行波波形。
(图形说明:
黄红绿分别对应A、B、C)
故障时刻:
0.0001s
线路1
线路2
线路3
线路4
母线三相电压行波
图3线路3发生B单相地高阻接地时ABC三相电流行波和母线三相电压行波
由图3分析可得:
当过渡电阻较大时,接地线路和大部分非接地线路故障相的初始电流行波的突变还是比较明显的,可以提取到它们的极性,依然可选出故障相和对应的故障线路。
线路四由于线路本身较短,电流较小,因此突变不明显,但局部放大后可以看出,突变仍然存在,即使实际中由于干扰等原因无法采集到该线路的行波极性,一句其他可采集到的所有出线的行波极性也可以选出故障线路,不会影响最终的选线结果。
即使所有非故障线路的极性提取不到,也可以只根据故障线路故障相电流极性和母线故障相电压极性相反选出故障线路。
这也就是选线方法中经典的‘首半波法’。
4.2母线发生A相接地时的仿真结果
母线三相电压行波
图4母线发生A相金属接地的线路ABC三相电流行波和母线三相电压行波
由图4分析可得:
当母线发生接地时,所有线路故障相的初始电流行波极性相同,据此可选出母线故障
算法流程图
总结:
在现场由于各种干扰存在,可能导致某些出线较短的线路无法测到行波波头极性,如上面的仿真所得:
电压初始行波极性与电流行波的极性相反,这时可以结合母线端的三相电压进行故障相的选择,和故障线路的判断。
5总结
在配电网系统中,单相接地故障率最高,约占配电网故障的80%以上。
由于在小电流接地系统中发生单相接地故障时不形成短路回路,只在系统中产生很小的零序电流,三相线电压依然对称,不影响系统正常工作,我国电力规程规定,小电流接地系统可带单相接地故障继续运行1~2小时。
这样能够提高供电的持续性和可靠性,这是小电流接地系统的突出优点。
但随着馈线的增多,电容电流也在增大,长时间带故障运行就易使故障扩大为相间短路或两点及多点接地故障。
弧光接地还会引起全系统过电压,进而损坏设备,破坏系统安全运行,所以必须及时找到故障线路予以切除。
现有的小电流接地保护不能从根本上解决小电流接地的选线问题,这与电力系统提高供电可靠性的要求与呼声背道而驰。
因此,进一步研究小电流接地系统单相接地故障保护并开发出相应的现场装置具有很强的理论和实际意义。
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