引言

我國(guó)中低壓配電網(wǎng)線路總長(zhǎng)度約占整個(gè)電網(wǎng)的95%,配電網(wǎng)故障占整個(gè)電網(wǎng)故障的70%以上。單相接地故障是配電網(wǎng)常見的臨時(shí)性故障,占配電網(wǎng)故障總量的80%左右。由于中低壓配電網(wǎng)的中性點(diǎn)一般非有效接地,因此在單相接地的情況下,并不需要立即切除,根據(jù)章程規(guī)定可以繼續(xù)運(yùn)行1~2h。單相接地故障如果得不到及時(shí)處理,可能會(huì)讓健全線路因過電壓發(fā)生絕緣擊穿,進(jìn)而發(fā)展為相間短路故障,造成故障擴(kuò)大化。

單相接地故障處理面臨的主要困難是工頻故障電流微弱與電弧不穩(wěn)定,同時(shí)線路無法形成回路,接地故障電流是分布電容電流,數(shù)值比負(fù)荷電流小很多,故障特征也不明顯,從而給故障的準(zhǔn)確研判和定位帶來很大的挑戰(zhàn)。

目前常見的小電流接地選線在單相接地故障處理方面大多采用暫態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法,其中,對(duì)于暫態(tài)法,暫態(tài)特征僅在接地瞬間存在,一旦漏檢就無機(jī)會(huì)再次檢測(cè),對(duì)互感器的要求低:對(duì)于穩(wěn)態(tài)法,穩(wěn)態(tài)特征始終存在,對(duì)互感器精度要求高。無論是暫態(tài)法還是穩(wěn)態(tài)法,都需要采集線路上的零壓和零流,無法在不停電、不改造和更換現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)單相接地故障的準(zhǔn)確研判。

為解決以上問題,本文提出了一種基于相突變電流不對(duì)稱(Ai-PhaseCurrentAsymmetry,Ai-PCA)原理的分布式小電流接地選線保護(hù)方法,無須停電和增加互感器以及更換現(xiàn)有設(shè)備,只要檢測(cè)線路中的A、B、C三相電流即可實(shí)現(xiàn)對(duì)10kV小電流接地系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)預(yù)警,精確研判單相接地故障和故障選線跳閘。

1基于相突變電流不對(duì)稱原理的區(qū)段定位策略

1.1相突變電流不對(duì)稱(Ai-PCA)算法原理

基于電路理論基礎(chǔ),采用電路解析方法,對(duì)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障進(jìn)行分析。在單相接地故障時(shí),如圖1所示,健全線路以及故障所在線路的故障下游的終端,同一點(diǎn)測(cè)得的三相突變電流相同,三相電流突變量就是接地故障時(shí)的電容電流量:故障所在線路的故障上游的終端,兩健全相的突變電流相同,而與故障相在幅值和波形上差異較大,接地點(diǎn)則為全網(wǎng)電容電流量及可能中性點(diǎn)零序電流之和。利用此差異特征進(jìn)行單相接地選線和定位。此方法不受中性點(diǎn)接地方式等因素影響,耐過渡電阻能力強(qiáng)。

分析故障前各線路各相的相電流表達(dá)式如下:

式中:inp為故障前某條線路的某相電流量,n為線路編號(hào),p為A、B、C任一相;inpC為該相電容電流量;inpL為該相負(fù)荷電流量;Cnp為本線路某相對(duì)地電容;uN為中性點(diǎn)對(duì)地電壓;ep為電源某相電壓。

故障后,以線路1的A相接地故障為例,故障點(diǎn)之前故障相測(cè)量電流量表達(dá)式如下:

式中:i1Af為圖1中故障時(shí)線路1的A相電流量;i1ACf為線路1的A相電容電流量;i1ALf為線路1的A相負(fù)荷電流量;if為單相接地故障點(diǎn)電流,且if≠0;C1A為線路1的A相對(duì)地電容;uNf為中性點(diǎn)對(duì)地電壓;eA為電源相電壓。

而非故障線路及故障線路非故障相及故障點(diǎn)之后的測(cè)量電流表達(dá)式如下:

式中:n為線路編號(hào);對(duì)于故障線路,p為非A相及故障點(diǎn)之后的A相;對(duì)于健全線路,p為A、B、C任一相;inpf為非故障線路及故障線路非故障相及故障點(diǎn)之后的某相電流量;inpCf為該相電容電流量;inpLf為該相負(fù)荷電流量;Cnp為本線路某相對(duì)地電容;uNf為中性點(diǎn)對(duì)地電壓;ep為電源某相電壓。

在故障前后,可以認(rèn)為系統(tǒng)電壓保持不變,且負(fù)荷電流由于線電壓依然對(duì)稱而可以認(rèn)為不變,則故障線路故障點(diǎn)前的故障相電流突變量表達(dá)式由公式(1)和(2)推導(dǎo)如下:

在故障前后,健全線路和故障線路非故障相及故障點(diǎn)之后的相電流突變量表達(dá)式同樣由公式(1)和(3)推導(dǎo)如下:

當(dāng)10kV配網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),由公式(5)分析可知,健全線路的三相相電流突變量為對(duì)地電容電流,其特征是幅值大小相等、波形一致,具有對(duì)稱性。故障線路兩個(gè)非故障相的突變電流是相同的,而故障相的突變電流除了故障點(diǎn)的故障電流外還包含了故障點(diǎn)的對(duì)地電容電流,如公式(4)表達(dá)式分析結(jié)果,為所有非故障線路對(duì)地電容電流的相量和,表現(xiàn)特征是遠(yuǎn)大于非故障相Ai,且波形不一致,具有不對(duì)稱性的特征。因此,公式(4)和公式(5)的故障相和非故障相的Ai表達(dá)式,就是基于Ai-PCA原理的保護(hù)判據(jù)基本理論公式,此理論公式可以作為小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的判斷依據(jù)。

1.2采用Ai-PCA技術(shù)實(shí)現(xiàn)單相接地故障的研判

10kV配電線路發(fā)生單相接地故障的時(shí)候,配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)將發(fā)生突變,線路上相應(yīng)的電流相量也會(huì)發(fā)生突變。通過在10kV配電線路上合理布置基于Ai-PCA原理的故障檢測(cè)裝置,在發(fā)生接地故障時(shí)實(shí)時(shí)采集線路上的A、B、C三相電流,然后利用Ai-PCA算法獲得有效的研判數(shù)據(jù),無須零壓和零流的測(cè)量就能實(shí)現(xiàn)對(duì)10kV線路小電流中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的故障檢測(cè),同時(shí)把結(jié)果上報(bào)配網(wǎng)主站,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的接地故障定位和選線。

2相突變電流不對(duì)稱系統(tǒng)啟動(dòng)和動(dòng)作判據(jù)主要邏輯

2.1Ai-PCA啟動(dòng)和動(dòng)作判據(jù)主要邏輯

式中:k0為啟動(dòng)系數(shù);Aiset為相突變電流量最小定值;ip為某相電流量,p為A、B、C三相電流中任一相。

在啟動(dòng)判斷中,采用慣性數(shù)據(jù)窗方法,增強(qiáng)抗干擾能力。數(shù)據(jù)窗均滿足啟動(dòng)判據(jù)時(shí),才確認(rèn)可能有單相接地故障導(dǎo)致相突變電流,然后置啟動(dòng)標(biāo)志確認(rèn)啟動(dòng)。否則,就確認(rèn)不啟動(dòng)。

在設(shè)計(jì)啟動(dòng)元件時(shí),采用一旦滿足啟動(dòng)算法,就立刻鎖存啟動(dòng)時(shí)刻采樣數(shù)據(jù)指針,捕捉啟動(dòng)點(diǎn)用于后續(xù)判斷和識(shí)別數(shù)據(jù)記憶存儲(chǔ)的啟動(dòng)計(jì)算等。一般啟動(dòng)元件配置在采樣處理部分要求每個(gè)采樣間隔處理一次,保證啟動(dòng)的實(shí)時(shí)性和靈敏性。啟動(dòng)元件邏輯框圖如圖2所示。

動(dòng)作判據(jù)由主判據(jù)相不對(duì)稱元件、輔助判據(jù)元件和控制字組成,再加上必要的延時(shí),綜合決策結(jié)果。7alarm為告警時(shí)間,整定范圍0.00~300s;ttrip為跳閘時(shí)間,整定范圍0.0~300s。動(dòng)作判據(jù)邏輯圖如圖3所示。

2.2Ai-PCA啟動(dòng)和動(dòng)作的返回

(1)啟動(dòng)返回判據(jù):

(2)啟動(dòng)長(zhǎng)時(shí)返回判據(jù):

(3)動(dòng)作返回判據(jù):

式中:3i0ppt為當(dāng)前采樣點(diǎn)一個(gè)周波3i0(3i0=ia＋ib＋ic)計(jì)算采樣值中峰峰值差的絕對(duì)值:3i0pp1T為記憶第一個(gè)周波3i0計(jì)算采樣值中峰峰值差的絕對(duì)值:人r為返回系數(shù),整定范圍0.10~1.0:1為啟動(dòng)或動(dòng)作返回時(shí)間:1rtrip為動(dòng)作返回時(shí)間定值。

設(shè)備啟動(dòng)與動(dòng)作返回邏輯示意圖如圖4所示。

3故障檢測(cè)和判斷

3.1單相接地故障檢測(cè)

發(fā)生單相接地故障時(shí),接地故障類型可能千差萬別,種類非常多,但總體上可以按照永久性故障、間歇性故障和瞬時(shí)性故障三種類型劃分,如圖5所示,其識(shí)別原則如下:

(1)永久性故障判據(jù):

式中:人fr為可靠系數(shù),范圍0.10~1.0:1forever為永久性故障時(shí)間,范圍0~10s。

(2)間歇性故障判據(jù):

式中:人wr為可靠系數(shù),范圍0.10~1.0:1work為本次啟動(dòng)后工作時(shí)間。

(3)瞬時(shí)性故障判據(jù):

式中:人tr為可靠系數(shù),范圍0.10~1.0:1transient為瞬時(shí)性故障時(shí)間。

3.2過電流檢測(cè)

采用三相電流分相過流判斷邏輯與限時(shí)動(dòng)作的方式。在啟動(dòng)元件未動(dòng)作時(shí),滿足過流條件并延時(shí)到告警:在啟動(dòng)元件動(dòng)作時(shí),滿足過流條件并啟動(dòng)點(diǎn)計(jì)時(shí)25ms先發(fā)閉鎖信號(hào),并延時(shí)到告警。當(dāng)過電流檢測(cè)動(dòng)作時(shí),發(fā)出告警信號(hào),并給出相應(yīng)的動(dòng)作報(bào)文和就地指示燈。

在動(dòng)作后不滿足過電流動(dòng)作判據(jù)時(shí),過電流檢測(cè)瞬時(shí)自動(dòng)返回。

過電流檢測(cè)判據(jù):

式中:IA、IB、IC為三相電流有效值:Iset為過電流檢測(cè)整定值:t0C為過電流檢測(cè)告警時(shí)間。

啟動(dòng)元件動(dòng)作t≥32ms置閉鎖標(biāo)志。

過電流檢測(cè)判斷依據(jù)如圖6所示。

3.3剩余電流告警

剩余電流保護(hù)是指保護(hù)裝置接入外部流出和流回的電流線路(如相線和中性線),正常時(shí)大小相等、方向相反則其和流為零,被保護(hù)部分有接地故障時(shí)將有電流通過地流回,導(dǎo)致保護(hù)安裝處電流不再平衡產(chǎn)生所謂的"剩余電流",當(dāng)剩余電流達(dá)到一定值時(shí)保護(hù)動(dòng)作。

剩余電流告警動(dòng)作判據(jù):

式中:1i0=ia+ib+ic;1I0set為零序電流定值;trd為剩余電流動(dòng)作時(shí)間。

3.4CT斷線告警

CT斷線/缺相告警功能,采用最大電流高于起判準(zhǔn)確電流定值而小于1.2倍額定電流時(shí),任一相或兩相電流值變化量高于門檻值時(shí),經(jīng)延時(shí)判斷是否發(fā)生了CT斷線或缺相。在啟動(dòng)元件未動(dòng)作時(shí),符合判據(jù)條件下,延時(shí)32ms置閉鎖標(biāo)志,延時(shí)1s給出告警信號(hào),并給出相應(yīng)的動(dòng)作報(bào)文和就地指示燈:在啟動(dòng)元件動(dòng)作時(shí),符合判據(jù)條件下,啟動(dòng)點(diǎn)計(jì)時(shí)32ms置閉鎖標(biāo)志,延時(shí)1s給出告警信號(hào)。

4應(yīng)用實(shí)踐

某電力公司10kV線路多數(shù)不具備零序電壓互感器和零序電流互感器,目前運(yùn)行中的存量配電終端多數(shù)不具備單相接地告警功能。如改造一次設(shè)備(增加零序互感器)并更換二次終端,改造成本太高,同時(shí)還需要停電,從而影響了系統(tǒng)的整體可靠性。采用基于Ai-PCA原理的單相接地檢測(cè)裝置完美地解決了該難題。

4.1改造前提條件

(1)每條線路具備Ia、Ib、Ic三相電流。若現(xiàn)場(chǎng)只有A、C兩相電流,可以增加開口電流互感器卡在B相上(變比與其他兩相相同)。

(2)配電終端上具備冗余遙信。

(3)配電終端上具備通過101規(guī)約將接地告警遙信增加到之前的遙信點(diǎn)表中并轉(zhuǎn)發(fā)主站的能力。

4.2改造方案

4.3.1變電站10kV出線單相接地解決方案

如圖7所示,在每個(gè)10kV間隔柜的二次小室內(nèi)卡導(dǎo)軌安裝單回線路單相接地檢測(cè)裝置,所有單相接地檢測(cè)裝置與變電站內(nèi)自動(dòng)化設(shè)備按照IEC101規(guī)約上送單相接地故障遙信。每個(gè)二次小室內(nèi)增加電源端子及電流轉(zhuǎn)接端子,其中一個(gè)間隔還需要安裝電源模塊和電源總開關(guān),接入單相接地裝置的電流回路優(yōu)選測(cè)量CT以保證測(cè)量精度。

4.3.3開閉所10kV進(jìn)出線單相接地解決方案

如圖8所示,在投運(yùn)的自動(dòng)化設(shè)備機(jī)柜上安裝兩個(gè)機(jī)架式線路單相接地檢測(cè)裝置,接地檢測(cè)裝置級(jí)聯(lián)完成單相接地故障檢測(cè)。按照IEC101規(guī)約上送單相接地故障遙信。自動(dòng)化設(shè)備機(jī)柜內(nèi)增加電流轉(zhuǎn)接端子,以便將每回路三相電流串連接入單相接地裝置。接入單相接地裝置的電流回路優(yōu)選測(cè)量CT以保證測(cè)量精度,沒有測(cè)量CT時(shí)也可以接入保護(hù)CT。

4.3模擬實(shí)驗(yàn)

如表1所示,模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了裝置單相接地故障判斷功能的正確性,表明采用基于Ai-PCA原理的分布式小電流接地選線保護(hù)方法能大大提高單相接地故障防御能力,避免了傳統(tǒng)的人工巡查、拉路選線的弊端,大幅提升了選線正確性,提高了工作效率。

5結(jié)語

近年來,隨著國(guó)內(nèi)配電自動(dòng)化建設(shè)的大力推廣,大量配電成套設(shè)備接入配電自動(dòng)化系統(tǒng),大大提高了用電的安全性和穩(wěn)定性。本文提出的基于Ai-PCA原理的分布式小電流接地選線保護(hù)方法,有效解決了在單相接地故障處理上困擾電力公司的難題,在不停電、不改造現(xiàn)有設(shè)備的前提下,在提高故障時(shí)研判的精準(zhǔn)度,縮短故障檢修時(shí)間,優(yōu)化故障處理流程等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),可廣泛應(yīng)用于10kV小電流接地系統(tǒng),具有很高的現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用價(jià)值。