基于信号注入的谐振接地系统故障点残流测算方法.pdf
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1、第51 卷 第13 期 电力系统保护与控制电力系统保护与控制 Vol.51 No.13 2023年7 月1 日 Power System Protection and Control Jul.1,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.221453 基于信号注入的谐振接地系统故障点残流测算方法 张 帆1,薛永端1,徐丙垠2(1.中国石油大学(华东)新能源学院,山东 青岛 266580;2.山东理工大学电气与 电子工程学院智能电网研究院,山东 淄博 255000)摘要:谐振接地系统中,故障点残流的测算对于故障风险防范、消弧线圈补偿效果评估等运维工作具有指导意义。然而,长期以来始终未找
2、到合理的技术方向。针对谐振接地系统单相接地故障,首先分析正常状态下信号注入和接地故障燃弧状态下两个不同阶段线路出口处的零序测量导纳。分析表明,信号注入时所有线路的零序测量导纳为本线路导纳,而故障发生后故障线路的零序测量导纳为背后导纳。然后,根据零序测量导纳和母线零序电压,分别计算故障点残流中的有功分量和无功分量,进而提出一种故障点残流测算方法。Matlab/Simulink 仿真验证表明,该方法基本不受系统失谐度和过渡电阻的影响,且测算结果准确性较高。关键词:谐振接地系统;单相接地故障;故障点残流;零序测量导纳;信号注入 A method for calculating residual cu
3、rrent in a resonant grounding system based on signal injection ZHANG Fan1,XUE Yongduan1,XU Bingyin2(1.College of New Energy,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China;2.Smart Grid Research Institute,College of Electrical and Electronic Engineering,Shandong University of Technolog
4、y,Zibo 255000,China)Abstract:In a resonant grounding system,calculation of the residual current of the grounding point has guiding significance for prevention of fault risk,the compensation effect evaluation of the arc suppression coil and other maintenance.However,a reasonable technical direction h
5、as not been found.Considering the single-phase grounding fault of the resonant grounding system,this paper analyzes the zero-sequence measured admittance at line outlets in the two different stages(normal state of signal injection and arc-ignition state of grounding fault).The analysis shows that th
6、e zero-sequence measured admittance at all line outlets when there is signal injection reflects the admittance of the line admittance.Those of the faulty line outlet when grounding fault occurrence reflect the back admittance.Then according to the two admittances and the bus zero-sequence voltage,th
7、e active and reactive components of residual current can be calculated.A method for calculating residual current is proposed.Matlab/Simulink simulation shows that the method is basically not affected by detuning degree and transition resistance,and has higher calculation accuracy.This work is suppor
8、ted by the National Natural Science Foundation of China(No.52077221).Key words:resonant grounding system;single-phase grounding fault;residual current;zero-sequence measured admittance;signal injection 0 引言 在谐振接地系统中,单相接地故障为最主要的故障类型,占比 60%80%1-3。尽管在消弧线圈的补偿作用下,故障点残流较小,短时间内对电力设备和系统的稳定性危害不大,但是如果不及时处理,很容
9、易引发火灾、大面积停电等更为严重的事故4-7。基金项目:国家自然科学基金项目资助(52077221)因此,故障点残流测算对于故障风险防范具有重要指导意义。除此之外,故障点残流的大小是反映消弧线圈补偿效果最直接、最根本的指标。根据交流电气装置的过电压保护和绝缘配合(GB/T 500642014)要求,系统接地故障残流不应大于 10 A,但是实际运行中,由于消弧线圈运维管理不当8,故障点残流常大于 10 A,而且大于 30 A 的情况也时有出现。在单相接地故障燃弧期间,故障激励源位于故张 帆,等 基于信号注入的谐振接地系统故障点残流测算方法 -133-障点9,检测点的故障电气量仅能反映其背后导纳特
10、性,无法推算故障点残流,因此长期以来始终未找到合理的故障点残流测算技术方向。文献10提出了基于熄弧后暂态信息(主谐振频率和衰减因子)的系统失谐度计算方法,结合燃弧期间的消弧线圈电流,可测算故障点残流。该方法属于事后测量,无益于故障风险防范,而且如何有效提取暂态信息有待进一步研究,但是该方法为测算故障点残流提供了重要思路。除了利用熄弧后过程的暂态信息外,同样可以结合正常状态下零序回路中的特征信息,实现故障点残流的测算。一般而言,正常状态下零序回路中无电气量信号,但是可通过向零序回路中注入信号产生电气量信号,目前信号注入法已在有源消弧、系统电容电流测量、故障区段定位和不平衡电压抑制等方面获得了广泛
11、应用。文献11通过 PWM 有源逆变器灵活注入零序电流,实现故障消弧和馈线保护;文献12利用中性点处和线路上零序电压互感器的三角形开口侧进行变频信号注入和测量,提出了一种系统电容电流测量方法,并克服了电压互感器内阻和消谐电阻的影响;文献13利用注入电流逐次调控中性点电压,并根据零序电流特征的变化趋势实现高阻故障区段判别;文献14利用电压-电流互换特性提出一种可适应系统结构动态变化的不对称电压闭环控制方法,利用注入电流实现不对称电压的全局最小。本文首先定量分析不同阶段(正常状态下信号注入和接地故障燃弧状态下)谐振接地系统的零序测量导纳,然后结合故障时母线零序电压,提出工频故障点残流测算方法,最后
12、通过 Matlab/Simulink仿真验证方法的准确性。1 谐振接地系统的零序测量导纳分析 1.1 谐振接地系统单相接地故障零序网络 图 1 为具有 n 条线路的谐振接地系统单相接地故障零序(零模)网络。假设三相系统对称、三相负荷对称,在线路Ln上发生单相接地故障。图1中,L和LR为消弧线圈电感及其串联电阻,xi为通过PWM 有源逆变器注入的零序电流,fm0sin()uUt为故障点虚拟电源,其中,为故障相接地瞬间电源电动势相角,mU为电源电压幅值,0为工频角频率,fR为故障点过渡电阻,0u为母线零序电压,0ni为故障线路出线口的零序电流,0(1,2,iii 1)n为健全线路出线口的零序电流。
13、开关S代表故障点状态,当S断开时,系统处于正常状态;当S闭合时,系统处于接地故障的燃弧状态。开关K表示信号注入设备的工作状态,当K闭合时,设备从中性点处向系统零序网络注入工频电流信号。图 1 谐振接地系统单相接地故障零序网络 Fig.1 Zero-sequence equivalent network of single phase grounding fault in resonant grounding system 为了方便阅读,对本文公式中测量参数的下标特此说明:N表示正常状态信息,F表示故障状态信息。1.2 正常状态下信号注入的零序测量导纳 一般而言,正常状态下零序回路中无电气量信号
14、,但是可以通过PWM有源逆变器15向零序回路中注入幅值、相位可控的工频电流xi产生相应的电气量信号,xi将在系统零序回路中流通,流通方向如图1中蓝色箭头所示,此时激励源位于中性点处,因此各线路出口处检测点检测到的零序电流和零序电压反映本线路导纳。对于线路n,其零序测量导纳为 0,N0,N0,N0,N0,N00/jjnnnnnnnYIUGBGB(1)式中:0,NnY为线路n出口处检测点的零序测量导纳,0,NnG和0,NnB分别为对应的零序测量电导和零序测量电纳;0,NnI和0,NnU分别为线路n出口处检测点的零序电流和零序电压的相量形式;0nG和0nB分别为线路n的对地电导和电纳。设线路n的对地
15、电纳0nB与整个系统所有线路的电纳0B满足式(2)的关系。0001nniiBBB (2)式中,为线路n的对地电纳0nB与整个系统所有线路的电纳0B的比值,且01。1.3 接地故障燃弧状态下的零序测量导纳 在谐振接地系统发生单相接地故障后,故障激励源位于故障点,在故障点虚拟电源的作用下,系统零序回路中零序电流的流通方向如图1中红色箭头所示,故障线路n出线口检测点检测到的零序电-134-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 流与零序电压反映背后导纳(包括所有健全线路零序导纳以及消弧线圈零序导纳)的负数16-18,即 0,F0,F0,F0,F0,F11L0L011jjnnnnnnniiiiYIUGB
16、GGBB (3)式中:0,FnY为故障线路n出口处检测点的零序测量导纳;0,FnG和0,FnB分别为对应的零序测量电导和零序测量电纳;0,FnI和0,FnU分别为故障线路n出口处检测点的零序电流和零序电压的相量形式;LG和LB分别为消弧线圈的电导和电纳;0iG和0iB分别为所有健全线路的对地电导和电纳,且1,2,1in。系统失谐度v可定义为 CL0LC0IIBBvIB (4)式中,CI和LI分别为系统电容电流和消弧线圈电流。则故障线路n出口处检测点零序测量电纳0,FnB为 10,FL001()nniiBBBv B (5)2 故障点残流测算方法与工作流程 2.1 故障点残流 单相接地故障中,故障
17、点残流fI包括无功分量QI和有功分量PI19,二者相互正交,即 22fQPIII (6)式中:无功分量QI是由系统对地电容和消弧线圈电感决定的,当系统对地电容产生的容性分量大于消弧线圈电感产生的感性分量时,fI取正号,反之,fI取负号;而有功分量PI主要是由消弧线圈的有功损耗和线路对地电导产生的,且有功分量与系统电容电流之比为系统阻尼率20,即 0L0(1)ddddv P (7)式中:d为系统阻尼率;0d为线路对地电导产生的阻尼率,当电缆绝缘老化、受潮或架空线路污秽严重时,其值可能达到5%左右;Ld为消弧线圈有功损耗产生的阻尼率;P(%)为消弧线圈有功损耗,一般取1.52。当系统失谐度60%v
18、 时,max8.2%d,即相对极限的情况下,系统阻尼率仍小于10%,因此一般认为系统阻尼率或故障点电流的有功分量PI不会对谐振接地系统电弧的熄灭等产生实际的影响。但是当系统规模扩大或系统失谐度接近于谐振点时,有功分量PI可能将不能忽略。在配电网系统的拓扑结构和运行方式确定后,有功分量PI基本是一个常数,因此式(6)可改写为 22Qf22PP1IIII (8)根据式(8)可知,故障点残流fI及其无功分量QI满足双曲线方程。由于故障点残流的无功分量QI等于系统电容电流CI与消弧线圈电流LI之差,即 QCLCIIIvI (9)当系统过补偿,即0v时,Q0I,故障点残流的无功分量QI为感性电流;当系统
19、欠补偿,即0v时,Q0I,故障点残流的无功分量QI为容性电流。因此,故障点残流fI及其无功分量QI和有功分量PI的关系如图2所示。其中,由于以上所述的正负关系限制,三者仅满足第一和第三象限的双曲线方程(图2中的红色部分);双曲线方程与坐标轴的交点为P(0,)I和P(0,)I,即故障点残流中仅包含有功分量;双曲线方程的渐近线方程为fQII,即表示忽略故障点残流的有功分量PI时的故障点电流,此时fCIvI,此时故障点残流测量误差与系统失谐度有关,当系统失谐度的绝对值|v|越大时,双曲线与渐近线距离越近,误差越小,否则越大,当0v 时,误差取得最大值且等于故障点残流的有功分量PI。图 2 故障点残流
20、 If与其无功分量 IQ和有功分量 IP的关系 Fig.2 Relation among If with IQ and IP 2.2 故障点残流测算方法 1)故障点残流有功分量的测算 故障点残流的有功分量PI是由消弧线圈的并联和所有线路的对地电导在母线零序电压的作用下产生的,即 PL0013niiIGGU (10)式中,0U为母线零序电压0u的幅值。张 帆,等 基于信号注入的谐振接地系统故障点残流测算方法 -135-2)故障点残流无功分量的测算 系统电容电流CI是由整个系统所有线路的电纳0B在母线零序电压0u的作用下产生的,即 C003IB U (11)根据式(2)和式(5),可知 0,N0,
21、F000()nnBBBv BvB (12)根据式(9)、式(11)和式(12),可知 Q0,N0,F03()nnIBBU (13)式中:0,NnB和0,FnB分别在正常状态下信号注入和接地故障燃弧状态下由线路n出口处检测点的电压互感器、电流互感器测量得到;0U在接地故障的燃弧状态下由母线电压互感器测量得到。单相接地故障中,过渡电阻的存在并不会影响故障特征,因此,该故障点残流测算方法及其测算误差并不会受到影响,但是会使得实际故障中母线零序电压偏小。对于10 kV谐振接地系统,如果需要计算金属性接地故障时的故障点残流,取0U 5.77 kV;如果需要计算配电网可能发生的最严重接地故障的故障点残流,
22、需要考虑系统电压偏移,取0(1)5.77 kVUk,其中,k为电压偏移系数,且根据 电能质量供电电压允许偏差(GB/T 12325 2008)可得0.07k。综上,在得到正常状态下信号注入和接地故障燃弧状态下两个阶段出口处的零序测量导纳后,分别利用式(10)和式(13)计算故障点残流的有功分量PI和无功分量QI,代入式(6)后即可实现故障点残流的测算。2.3 故障点残流测算工作流程 根据以上对故障点残流测算方法的分析,基于信号注入的谐振接地系统故障点残流测算工作流程如下:1)系统正常运行时,定期或不定期(例如,配电网拓扑结构改变时)通过PWM有源逆变器向零序网络中注入零序电流,计算消弧线圈和系
23、统各条线路的零序测量导纳并记录;2)当系统发生单相接地故障时,记录母线零序电压、消弧线圈电流、系统各条线路检测点的零序电流和零序电压;3)通过业已成熟的小电流接地故障暂态选线技术21-22,判断出故障线路;4)利用故障线路检测点的零序电流和零序电压,计算零序测量导纳;5)利用式(10)和式(13)分别计算故障点残流的有功分量PI和无功分量QI;6)利用式(6)计算故障点残流fI。故障点残流测算工作流程图如图3所示。图 3 基于信号注入的故障点残流测算工作流程图 Fig.3 Flowchart of the method for calculating residual current base
24、d on signal injection 3 仿真验证 3.1 仿真设置 利用Matlab/Simulink搭建谐振接地系统仿真模拟单相接地故障,仿真模拟系统结构如图4所示。仿真模拟系统的电压等级为10 kV,包含电缆线路、架空线路和混合线路等4条线路(L1L4)。不同线路类型的零序参数如表1所示。其中,0uR、0uL和0uC分别为零序分布电阻、电感和电容参数。仿真频率为50 Hz。因此,系统对地电容为6.67 FC,对于该10 kV系统,系统电容电流为C36.29 AI。而且线路L1L4的零序对地电纳分别为0.46 mS、0.010 mS、1.03 mS和0.60 mS。图 4 谐振接地系
25、统仿真结构图 Fig.4 Simulation structure of resonant grounding system-136-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 表 1 架空线路及电缆线路零序参数 Table 1 Zero-sequence parameters of overhead line and cable R0u/(/km)L0u/(mH/km)C0u/(F/km)架空线路 0.3460 4.787 0.004 035 零序参数 电缆线路 0.079 70 0.2739 0.4700 3.2 仿真结果 1)仿真验证1:系统失谐度的影响 在系统正常运行状态下,由xi向中性点注
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