零序?qū)Ъ{法饋線接地保護(hù)的研究

1引言

我國(guó)3～60kV中壓電網(wǎng)一般采用中性點(diǎn)不接地方式或經(jīng)消弧線圈接地方式。這種接地方式故障接地殘流小，故障選線較困難［1，2］。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，一般依靠逐條出線拉閘停電來判斷故障線路，嚴(yán)重地影響供電的可靠性。為了提高配電自動(dòng)化水平，國(guó)內(nèi)外提出了一些故障選線方法，其中應(yīng)用較多的有：采用基波或諧波零序電流的大小和方向進(jìn)行故障選線［3，4］及采用注入信號(hào)法故障選線［5，6］。

傳統(tǒng)的以零序電流為特征的接地選線方法一般采用對(duì)所有出線零序電流的大小和方向進(jìn)行比較，判斷零序電流最大且方向與其它線路不一樣的線路為故障線路。受系統(tǒng)阻抗尤其是消弧線圈的補(bǔ)償度、線路參數(shù)及接地故障電阻的影響，接地故障電流變化范圍較大；當(dāng)消弧線圈全補(bǔ)償或高阻接地故障時(shí)［7］，故障電流很小，使零序電流的大小和方向精確測(cè)量困難，影響保護(hù)精度。另一方面，以上故障選線方法都需集中比較各條出線的零序測(cè)量電流的大小或相位，其儀器接線復(fù)雜，難以與饋線保護(hù)結(jié)合為一體，不宜在開關(guān)柜上就地安裝，滿足不了配電自動(dòng)化在FTU上實(shí)現(xiàn)的要求。

最近，國(guó)內(nèi)外提出的基于暫態(tài)能量及零序有功電流分量的故障選線方法，有待進(jìn)一步完善［7，8］。

本文提出的基于零序?qū)Ъ{接地保護(hù)原理不受接地故障過渡電阻的影響，具有較高的保護(hù)精度，適合在饋線保護(hù)中實(shí)現(xiàn)和在FTU上安裝。

2零序測(cè)量導(dǎo)納分析

假設(shè)一配電網(wǎng)含有n回出線，三相負(fù)荷對(duì)稱，系統(tǒng)參數(shù)對(duì)稱如圖1、2所示。電源對(duì)地導(dǎo)納Y0s＝gs+jbs.任意線路i的對(duì)地導(dǎo)納YOI=GI+JBI被查線路k的對(duì)地導(dǎo)納：Y0k＝gk＋jbk，取線路k的對(duì)地導(dǎo)納：Y0K=gk+jbk，取線路k的零序測(cè)量導(dǎo)納為本線路的零序測(cè)量電流與零序電壓

(1)非故障線路的零序測(cè)量導(dǎo)納分析

其他任意線路i發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障線路k的零序測(cè)量導(dǎo)納等于線路自身導(dǎo)納，電導(dǎo)與電納均為正數(shù)

架空線路的阻尼率d約為3%～5%，線路污染受潮，d可增至10%；電纜線路d值約為2%～4%，絕緣老化時(shí)，可增至10%［1］。導(dǎo)納角α一般在84.2°～88.9°的范圍內(nèi)。其它線路故障時(shí)，非故障線路k的零序測(cè)量導(dǎo)納在導(dǎo)納平面上為矢量1，如圖3所示。

(2)故障線路零序測(cè)量導(dǎo)納分析

線路k自身發(fā)生單相接地故障時(shí)，零序測(cè)量導(dǎo)納為

由式(3)看出：故障線路零序測(cè)量導(dǎo)納等于電源零序?qū)Ъ{與非故障線路零序?qū)Ъ{之和的負(fù)數(shù)。

根據(jù)式(3)、(5)，對(duì)圖3的導(dǎo)納平面進(jìn)行分析，其中2為中性點(diǎn)不接地時(shí)接地故障線路k的零序測(cè)量導(dǎo)納；3為中性點(diǎn)高阻接地時(shí)測(cè)量導(dǎo)納；4、5為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈直接接地時(shí)的測(cè)量導(dǎo)納，其中4為諧振補(bǔ)償時(shí)的導(dǎo)納，5為過補(bǔ)償時(shí)的導(dǎo)納，隨著系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化，脫諧度v變化，測(cè)量導(dǎo)納在直線6上變化；7、8為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地時(shí)的零序測(cè)量導(dǎo)納，其中7為諧振補(bǔ)償時(shí)的導(dǎo)納，8為過補(bǔ)償時(shí)的導(dǎo)納，隨著系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化，脫諧度v變化，測(cè)量導(dǎo)納在直線9上變化。

式(5)減式(1)得

即線路k自身接地故障時(shí)零序測(cè)量導(dǎo)納與其它線路接地故障時(shí)線路k的測(cè)量導(dǎo)納之差(零序測(cè)量導(dǎo)納的變化)的絕對(duì)值等于整個(gè)配電網(wǎng)的總對(duì)地導(dǎo)納YT。

零序?qū)Ъ{接地保護(hù)即為把圖3中所示的其它線路故障時(shí)饋線k的測(cè)量導(dǎo)納矢量1與饋線k自身故障時(shí)的測(cè)量導(dǎo)納矢量2～9進(jìn)行區(qū)分。圖中二者存在明顯的界限：矢量1在第一象限，其它矢量在第二或第三象限，很容易把二者進(jìn)行區(qū)分，完成接地保護(hù)。

3零序?qū)Ъ{法接地保護(hù)的基本原理

配電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí)，零序電壓升高。此時(shí)，可采用零序電壓突變量作為啟動(dòng)元件，并采用零序電壓幅值作為輔助判據(jù)，令

U0≥Uzd(7)

式中U0為零電壓幅值；Uzd為零序電壓整定值，根據(jù)系統(tǒng)不對(duì)稱度等參數(shù)選取，一般取為15％相電壓。

3.1零序?qū)Ъ{接地保護(hù)

理論上，對(duì)于每一條饋線，在一定時(shí)期內(nèi)其長(zhǎng)度不變，則饋線自身零序?qū)Ъ{幾乎不變。但由于饋線自身導(dǎo)納小，測(cè)量的誤差大，使得其它線路接地故障時(shí)饋線k的零序測(cè)量導(dǎo)納值在圖中區(qū)域1的范圍內(nèi)變化。當(dāng)考慮系統(tǒng)參數(shù)變化(包括消弧線圈的調(diào)諧、變電所出線回路的變化等導(dǎo)致的系統(tǒng)導(dǎo)納的變化)及測(cè)量誤差的影響時(shí)，饋線k自身故障時(shí)的零序測(cè)量導(dǎo)納在區(qū)域2的范圍內(nèi)變化。

與距離保護(hù)的阻抗繼電器一樣，零序?qū)Ъ{法接地保護(hù)采用一些算法計(jì)算零序?qū)Ъ{，形成導(dǎo)納繼電器，以便把導(dǎo)納平面的故障區(qū)域2與非故障區(qū)域1進(jìn)行區(qū)分，從而進(jìn)行接地保護(hù)。導(dǎo)納繼電器也有很多種，如四邊形繼電器、圓形繼電器、橢圓繼電器、直線繼電器、折線繼電器等。由于區(qū)域1和區(qū)域2二者之間存在著明顯的界限，圖4中的圓形導(dǎo)納繼電器、圖5中的折線導(dǎo)納繼電器都能可靠地對(duì)二者進(jìn)行區(qū)分，實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)。

3.2

直線式導(dǎo)納繼電器分析

與阻抗繼電器一樣，不同的導(dǎo)納繼電器有不同的特性。以下以直線導(dǎo)納繼電器為例進(jìn)行討論圖6中為區(qū)分區(qū)域1與區(qū)域2即饋線k的內(nèi)部接地故障和外部接地故障，采用直線式導(dǎo)納繼電器選取整定直線垂直于線段AB，交點(diǎn)為C,設(shè)

AC＝kAB

(8)

式中k為整定值，取k在0～1的范圍內(nèi)。在圖6的導(dǎo)納平面中,A0取其它線路接地故障時(shí)饋線k自身的零序測(cè)量導(dǎo)納的典型值Y0k;B0取饋線k自身故障時(shí)的零序測(cè)量導(dǎo)納的典型值Y′0k;AB對(duì)應(yīng)(Y′0k－Y0k)即Y″0k;C0對(duì)應(yīng)(kY″0k＋Y0k)。采用相位比較方式(相位差β)，區(qū)域3(動(dòng)作區(qū))可表示為

圖7、8分別表示中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)及經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的直線式導(dǎo)納繼電器的動(dòng)作特征。比較圖6～8接地保護(hù)的裕度，中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)的保護(hù)裕度最大，經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的保護(hù)裕度最小。

4

零序?qū)Ъ{接地保護(hù)的特點(diǎn)

(1)中性點(diǎn)接地方式對(duì)零序?qū)Ъ{接地保護(hù)的影響

中性點(diǎn)接地方式直接決定電源的零序?qū)Ъ{：gs＋jbs，并影響配電網(wǎng)總對(duì)地導(dǎo)納。由式(6)可知，配電網(wǎng)總對(duì)地導(dǎo)納越大，線路k自身接地故障時(shí)與其它線路接地故障時(shí)線路k的測(cè)量導(dǎo)納之差越大，區(qū)域2與區(qū)域1相距越遠(yuǎn)，保護(hù)的裕度越大，保護(hù)靈敏度越高。比較各種接地方式可知：①中性點(diǎn)有電阻接地系統(tǒng)比無電阻接地系統(tǒng)的零序電導(dǎo)大，接地保護(hù)靈敏度高;②無補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)比經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償系統(tǒng)的總零序電納大，接地保護(hù)靈敏度高;③經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償電網(wǎng)脫諧度絕對(duì)值越大，總零序電納越大，接地保護(hù)靈敏度越高;④系統(tǒng)越大，對(duì)地導(dǎo)納越大，接地保護(hù)靈敏度越高。

(2)保護(hù)原理不受接地故障電阻的影響，且適合對(duì)地絕緣老化型故障的檢測(cè)。從原理上講，每條饋線的零序測(cè)量導(dǎo)納的大小和方向不受故障接地電阻的影響。但實(shí)際運(yùn)行中，故障接地電阻的大小直接決定故障產(chǎn)生的零序電流及零序電壓的大小，影響零序?qū)Ъ{繼電器的測(cè)量精度，從而對(duì)保護(hù)的靈敏度有一定的影響。

(3)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)在一定程度上的變化不影響保護(hù)性能。如前面分析，當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、補(bǔ)償度及參數(shù)等變化時(shí)，Y0k始終在區(qū)域1內(nèi)變化，而Y′0k始終在區(qū)域2內(nèi)變化，區(qū)域1與區(qū)域2一般不會(huì)重疊。選擇合適的繼電器，Y0k、Y′0k按典型值(取區(qū)域1的中心點(diǎn)與區(qū)域2的中心點(diǎn))進(jìn)行整定，保證在配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)在一定程度上變化的條件下，能精確地區(qū)分區(qū)域1與區(qū)域2，從而滿足各種運(yùn)行條件下接地保護(hù)可靠地動(dòng)作。

(4)能反應(yīng)“母線上所有線路的等值零序?qū)Ъ{與故障線路的等值零序?qū)Ъ{相差不大”的特殊情況下的接地保護(hù)。

這種特例意味著母線上其它線路的等值零序?qū)Ъ{接近于零，則故障線路出口處零序電流I0k接近為零。因電流太小，精確地測(cè)量方向困難，很難通過傳統(tǒng)方法尋找故障線路。而導(dǎo)納繼電器如圖9所示，采用上述的整定方法，則能滿足精度的要求。

(5)如采用在線測(cè)量系統(tǒng)導(dǎo)納，Y0k、Y′0k不是按上述的典型值整定，而是由測(cè)量值自適應(yīng)整定，則可進(jìn)一步提高保護(hù)精度。

(6)該保護(hù)原理不受低壓不對(duì)稱負(fù)荷包括單相沖擊負(fù)荷的影響。

5

仿真分析

采用EMTP仿真軟件對(duì)一35kV配電網(wǎng)進(jìn)行仿真，見圖10。分析在各種中性點(diǎn)接地方式下，分別在電纜線路3及架空線路4上發(fā)生金屬接地及高阻接地故障時(shí)，安裝在線路4上的零序?qū)Ъ{接地繼電器的動(dòng)作情況。線路4的自身導(dǎo)納為：16.5＋j314μs，仿真結(jié)果見表1。

從表1可以看出：

(1)采用導(dǎo)納繼電器能保證自身接地故障時(shí)正確動(dòng)作；其他線路故障時(shí)，可靠不動(dòng)作。

(2)零序接地導(dǎo)納繼電器受過渡電阻影響小，抗過渡電阻能力強(qiáng)。

(3)當(dāng)中性點(diǎn)接入接地電阻時(shí)，增大了接地殘流、極化電流及補(bǔ)償電流，有利于提高保護(hù)精度。

(4)當(dāng)中性點(diǎn)接入消弧線圈時(shí)，減小了接地殘流、極化電流及補(bǔ)償電流幅值，降低了保護(hù)精度。

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(5)該保護(hù)方法保護(hù)精度高，能滿足各種中性點(diǎn)接地方式的電網(wǎng)及各種故障接地電阻的保護(hù)要求。

6

結(jié)論

本文提出了基于零序?qū)Ъ{的饋線接地保護(hù)原理，討論了直線式導(dǎo)納繼電器的判據(jù)。并用EMTP仿真程序?qū)σ坏湫团潆娋W(wǎng)進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該保護(hù)原理的可行性。本文對(duì)零序?qū)Ъ{接地保護(hù)進(jìn)行了詳細(xì)的理論及仿真分析，得出接地導(dǎo)納繼電器具有如下特點(diǎn)：

(1)零序?qū)Ъ{保護(hù)原理不受故障接地電阻的影響，抗過渡電阻能力強(qiáng)，且適合對(duì)地絕緣老化型故障的檢測(cè)；

(2)不需測(cè)量其他線路信號(hào)，便于在FTU上安裝，有利于在配電自動(dòng)化中推廣；

(3)保護(hù)動(dòng)作裕度大，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)在一定程度上的變化不影響保護(hù)性能；

(4)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地或經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地，能增大系統(tǒng)零序電導(dǎo)，有利于提高接地導(dǎo)納繼電器的靈敏度。

該技術(shù)有待于進(jìn)一步研究，以研制饋線導(dǎo)納接地保護(hù)繼電器，滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行要求。參考文獻(xiàn)：

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