配电网单相接地故障的负序电流纵联差动选线方法

《配电网单相接地故障的负序电流纵联差动选线方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《配电网单相接地故障的负序电流纵联差动选线方法（10页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、配电网单相接地故障的负序电流纵联差动选线方法图尔荪依明;吴俊勇;陈占锋;王晨;郝亮亮;吴之林;何立汉【摘 要】单相接地是配电网发生几率最高的故障,但单相接地故障选线一直是困扰 人们的技术难题.本文首先分析了配电网单相接地故障负序电流的分布规律.在此基 础上,提出了一种用于配电网单相接地故障的负序电流纵联差动选线方法,该方法通 过比较线路两端的负序电流选出故障线路，具有较强的实用价值利用35kV配电网 的 PSCAD 模型进行仿真,并且进行了相关的动模实验.仿真结果和实验结果表明,该 方法能够正确、可靠地选出故障线路,并能摒弃系统正常运行时固有负序电流的影 响,该原理不因接地方式改变而失效,且适

2、用于包括消弧线圈接地在内的所有接地类 型配电网本文最后提出了该方法的优缺点以及今后可在配电网单相接地故障选线 方面开展的进一步研究工作.期刊名称】电工电能新技术年(卷),期】2015(034)006【总页数】7页（P38-44） 【关键词】 配电网;故障选线;负序电流;双端;差动【作者】图尔荪依明;吴俊勇;陈占锋;王晨;郝亮亮;吴之林;何立汉【作者单位】 北京交通大学电气工程学院,北京 100044;北京交通大学电气工程学 院,北京 100044;北京交通大学电气工程学院,北京 100044;北京交通大学电气工程 学院,北京 100044;北京交通大学电气工程学院,北京 100044;通用电气

3、全球研究中 心（上海）,上海 201203;通用电气全球研究中心（上海）,上海 201203【正文语种】中文【中图分类】TM727.2;TM711我国中压配电网普遍采用小电流接地系统，单相接地故障是小电流接地系统中最常 见的故障，由于故障电流很小，因此其故障检测问题一直是电力系统亟待解决的难 题之一1。国内外虽然已研究出了众多故障检测技术，但实际应用效果并不理想。故障指示器 法对于短路故障检测的效果比较好，但对于小电流接地故障检测容易出现误判2。信号注入法需要加装信号注入设备，投资大，对于瞬时性故障和间歇性弧 光接地故障效果不好3-5。零序电流方向法在中性点不接地系统和中性点经电 阻接地系统中

4、得到广泛应用，但当配电网经消弧线圈接地时，由于消弧线圈的电感 电流补偿故障产生的电容电流，使得故障线路上的零序电流方向跟健全线路的方向 相同，该方法失去作用6-10。五次谐波电流方向法受消弧线圈的影响较小， 但负荷和现代电力电子设备产生的谐波影响了该方法的有效性11-13。配电网故障后的负序电流故障特征明显，故障线路负序电流较大，非故障线路负序 电流基本为零。负序不平衡电流主要受负荷和互感器影响，利用负序电流选线算法 不受中性点接地方式的影响。此外，负序电流提取只需测量三个相电流，便于在馈 线终端装置(FTU)和开关柜中实现，十分适合应用于配电自动化系统以实现配电网 的故障选线14。本文考虑配

5、电网正常运行时，负荷不对称等因素引起的固有负序电流的影响，提出 了一种适用于配电网单相接地故障的负序电流纵联差动选线方法，并通过仿真算例 和动模实验验证了该方法的有效性。对称分量法已被广泛应用于电力系统的故障计算和分析15。利用对称分量法 分解出的序分量构成的选线原理具有不受系统负荷电流、系统振荡的影响等优点。 以图1(a)所示的小电流接地系统单相接地故障网络为例进行说明，其对应的负序 等效网络如图1(b)所示。图1中，Z2s为系统的负序阻抗；Z2kf1为故障点到母线处的线路负序阻抗;Z2kf2 为故障点到线路负载处的线路负序阻抗;Z2if为正常线路的线路负序阻抗;Z2il和 Z2kl分别为正

6、常线路和故障线路的负载负序阻抗。在配电网中，系统高压侧阻抗折算到低压侧，阻抗值变小。随着配电网的增大，系 统的负序阻抗变小。而配电网绝大部分为辐射网络，每条线路的负荷不大，负荷阻 抗较大。一般线路的负序阻抗(主要指负荷的负序阻抗)是系统负序阻抗的上百倍。因此，有: 另外，因馈线一般较短，负荷的负序阻抗却较大，负荷的负序阻抗远大于馈线的负 序阻抗: 因此负序电流大部分由故障点经故障线路流向电源，非故障线路负序电流比较小。 配电网线路对地的负序电流很小，可以忽略不计。根据基尔霍夫电流定律(KCL )可 知:对于如图1 (b)所示的负序等效网络，在不考虑分布电容的影响时，健全线路首 端负序电流I2i

7、与末端负序电流I2i相等，两者相差约为零。而对于发生故障的线 路，由于在故障处附加等值负序电源UK2的接入将会在故障点产生流向母线及下 一级线路或负荷的负序电流12，因而，故障线路首端负序电流I2k与末端负序电 流T2k相差不再等于零，反而等于由故障点流向整个系统的负序电流，即故障线 路两端负序电流矢量差的幅值约等于首末端负序电流有效值之和。 本文方法利用负序电流的大小及方向进行故障选线，把线路首末端负序电流(相量) 之差作为判据，与负序电流幅值差作为判据相比，该方法把负序电流的方向也考虑 在内，可见，该方法不受流向电源侧或者负荷侧的负序电流大小变化的影响。另外， 由图1(b)可见，负序电流的

8、流通回路中不包括消弧线圈，因此，利用负序分量进 行选线的故障特征将不受消弧线圈影响，但因消弧线圈的使用减小了残流，将使故 障线路和非故障线路负序电流都有所减小，影响选线精度。由于系统中存在不对称负荷，造成了系统的不对称，从而产生负序电流。配电网正 常运行时，负荷不对称引起的负序电流在线路首末端的分量相等，两者相减后约为 零。与文献15提出的负序过流保护相比，该方法可以完全摒弃负荷不对称等 因素引起的负序电流对故障选线的影响。3.1 选线判据及其步骤选线判据:若线路i首末端负序电流矢量差的幅值Ii大于所设定整定值Izd，即：判断线路i为故障线路。反之，则为非故障线路。整定值Izd按配电网正常运行

9、时线路首末端负序电流矢量差的幅值的最大值进行整 定:式中,AIi为配电网正常运行时线路中首末端负序电流之差;k为可靠系数。该判据的主要步骤如下:对配电网线路i的首末端三相电流进行同步采样。(2) 计算所述配电网线路i首末端的负序电流。首先采用傅立叶滤波算法求得各相电流基频分量。令线路i三相电流相量记为：式中，Ii为线路i电流相量；IRi为线路i电流的实部；IIi为线路i电流的虚部;下标a、b、c 分别表示 A、B、C 三相。然后计算出线路i首末端负序电流的实部和虚部：(3) 根据式(6)所得出的负序电流的实部和虚部，计算出线路首末端负序电流之差的 绝对值Ii。式中，I2i和分别为线路i首端和末

10、端负序电流。最后利用判据式判断线路i是否为故障线路。3.2 负序电流纵联差动选线方法的具体实现通过前面的分析可知，在线故障选线首先需要通过灵敏度高的电流互感器检测线路 上各节点的负序电流，然后通过无线通信(GPRS)把负序电流信息传送给主站。主站根据收到的负序电流信息计算出线路首端负序电流与末端负序电流之差，最后利 用判据式(3)判断线路是否是故障线路，从而实现配电网在线故障选线。在上述过程中需要解决三个问题:同步测量问题，必须实现负序电流的同步测量 及精确授时;信号的无线传输问题，将线路节点上的测量信息传送至主站以计算 线路首端负序电流与末端负序电流之差8 ；必须考虑到设备成本问题，增强此

11、方法的实用性。该方法具体实现所用装置的系统结构如图2所示。 本文采用上述方法，对不同接地方式的单相接地故障、不同过渡电阻的单相接地故 障和配电网中有不对称负荷时的单相接地故障等多种类型进行了仿真分析验证和动 模实验检验。4.1 仿真分析仿真模型为35kV的38节点配电网，如图3所示，本文在PSCAD/EMTDC中建 立仿真模型。配电网线路模型为n型等值网络，参数为:R二0.2625Q/km,L=0.692mH/km , C=0.0173pF/km;负荷为恒阻抗模型;对地电容电流为16.261A消弧线圈按过补偿 度10%的原则整定，经过计算得出消弧线圈参数为L=3.573H，消弧线圈串电阻 接地

12、时的电阻值取6.777Q。记节点25和节点26之间的线路为L1,节点25和 节点34之间的线路为L2。在线路L1中间设置单相接地故障，仿真运行时间为1s , 在0.2s时发生故障，故障持续时间为0.1s。4.1.1 不同接地方式的单相接地故障配电网负荷对称，中性点采用不同接地方式时设置单相接地故障。线路L1和线路L2 的首末端负序电流分布情况见表 1，可以看出，无论中性点采用何种接地方式， 单相接地故障时，健全线路L2首末端负序电流(相量)基本相同，两者差几乎等于 零;故障线路L1首末端负序电流的相位基本相反，首端与末端负序电流之差约等于 两者绝对值之和。利用判据式判断线路L1为故障线路，线路

13、L2为健全线路。中性点接地方式的改变将使故障线路和非故障线路负序电流都有所减小，影响选线 精度。而对于最后的判断结果不会产生影响。仿真结果表明，该方法适用于任何接地方式的配电网。4.1.2 不同过渡电阻的单相接地故障 配电网负荷对称，故障过渡电阻取不同值时的仿真结果见表2。由表2 可知，随着 过渡电阻值的增大线路首末端负序电流变小，从而引起线路首末端负序电流之差减 小。可最后的判断结果还是有效。可见，该方法抗过渡电阻能力强。4.1.3 单相弧光接地故障 本文从放电电弧的实际物理特性入手，建立针对小电流接地系统的弧光接地仿真模 型。图4是一种典型状态下的弧光电阻特性，弧光电阻是在03kQ之间时变

14、的 非线性电阻。在PSCAD中可以将随时间变化的弧光电阻通过可变电阻的方式进行 简单模拟。然后在变化的弧光电阻的情况下，验证本方法的适用性。图5(a)和图5(b)分别为中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统发生单相 弧光接地故障时，线路L1两端负序电流之差。由以上结果可知，不论是中性点不接地系统还是经消弧线圈接地系统，在发生弧光 接地故障时，故障线路两端负序电流之差随着弧光电阻的变化而变化，但该值仍然 大于零，故障发生前和故障结束后该值等于零。可见，时变的弧光电阻只改变了故 障线路两端负序电流差值的大小，其值仍然大于零，最后仍然可以利用判据式(3) 有效地选出故障线路。4.1.4 配电网有

15、不对称负荷时的单相接地故障在负荷不对称时线路L1首末端负序电流如图6(a)所示，可以明显看出，故障前和 故障结束后在线路中仍存在负序电流(4.7612A)。故障线路L1首端负序电流与末 端负序电流之差如图6(b)所示，可以看出，故障期间的首端负序电流与末端负序 电流之差明显大于零，在故障前和故障结束后两者差约为零。因而，可以判断线路 L1 为故障线路。可见，该方法可以完全消除负荷不对称引起的负序电流对故障判 断的影响。4.2 动模实验 利用已研制完成的装置，在华中科技大学动模实验室进行了实验。实验拓扑图如图7所示，其中标注CT和PT位置的三相电流和三相电压可测，D表示故障点;线路 模型为n型等

16、值网络，其中包括架空线路和电缆线路。接地电抗器L=647mH;系 统中性点经消弧线圈接地时，在故障点D12分别设置过渡电阻为零和过渡电阻为 416Q的单相接地故障，测量点44QF的负序电流和91QF的负序电流之差结果如 图8(a)和图8(b)所示，可以看出故障期间的负序电流差值明显大于零，在故障前 和故障结束后的负序电流差值约为零，利用判据式(3)能够有效选出故障线路。此外，本文还针对不同接地方式、不同过渡电阻和配电网中有不对称负荷时的单相 接地故障等多种类型故障进行了大量的仿真分析和动模实验工作，其变化规律近似 相同，在此不一一列出。本文提出了一种配电网单相接地故障的负序电流纵联差动选线方法

17、。该方法具有适 用于任何接地方式、不受负荷不对称等因素引起的负序电流的影响、抗过渡电阻能 力强以及能有效判断弧光接地故障等优势，故障选线的准确度和可靠性高。本文针 对不同接地方式、不同过渡电阻、弧光接地故障以及配电网中有不对称负荷时的单 相接地故障等多种类型故障进行了 PSCAD仿真分析，并且通过动模实验验证了该 方法的有效性。虽然该方法具有上述优势，但是因为本文采用纵联差动保护原理，需要在配电网线 路两端都安装电流测量装置，这样成本自然会较高。因此，该方法更适用于较重要 的一类负荷区域。为了降低成本，在配电网中选择关键的节点和线路装设测量装置， 并且制造出成本低的测量和通信装置是十分必要的。

18、本课题组目前在研究一种新型廉价的非接触式智能传感器16，这种新型电流 传感器成本低、体积小，单个传感器成本只需几块钱，目前正处于调试阶段。如果 此电流传感器能达到理想的测量效果，将大幅降低设备的成本，推动理论走向应用， 从而实现配电网在线故障选线，有效提高配电网运行可靠性。国内基于负序电流的 配电网保护和故障选线研究很少，从理论到实现技术都需要进一步研究。【相关文献】1贺家李，宋从矩(He Jiali , So ng Congju) 电力系统继电保护原理(Relay protecti ontheory of power system) M .北京:中国电力出版社(Beijing:China E

19、lectric Power Press),19942 张彩友(Zhang Caiyou) 单相接地故障指示器技术现状分析(Analysis for present situationof the sin glephase-to-gro und fault in dicator) J.电网技术(Power System Tech no logy),2007，31(2):280-283.3 潘贞存，张慧芬，张帆(Pan Zhencun , Zhang Huifen , Zhang Fan) 信号注入式接地选线定位保护的分析与改进(An alysis and modificati on of sig

20、 nal injectio n based fault line selection protection)J.电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems) , 2007 , 31 (4):71-75.4 Bai Yong.Single phase to earth fault location method in distribution network basedon signal injection principle A .2011 4th International Conference on Electric UtilityDeregu

21、lation and Restructuring and Power Technologies (DRPT) C .2011.7:204-208 .5 Crossley P，Davidson M，Gale P.Fault location using travelling wavesA.IEEColloquium On Instrumentation in the Electrical Supply IndustryC.1993.1-6.6 张林利，徐丙垠，薛永端，等(Zhang Linli , Xu Bingyin , Xue Yongduan , et al.).基于线电压和零模电流的小电

22、流接地故障暂态定位方法(Tra nsie nt fault locati ngmethod based online voltage and zero-mode current in non-solidly earthed network) J.中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE) , 2012 , 32(13):110-115 .7Zhang Linli，Gao Houlei，Xu Bingyin，et al.Fault location method based on zerosequence admittance measurement in non-eff

23、ectively earthed system A .2012 IEEEInnovative Smart Grid Technologies-Asia(ISGT Asia)C.2012.1-4.8 张利，杨鹏，司冬梅，等(Zha ng Li , Ya ng Peng , Si D on gmei , et al.).基于零序功率方向的中性点不接地系统在线故障定位(Onlin e fault locatio n of n eutral poi nt un grou nded芒伺皿煤张只曲 二(UOS 一dluoo -Uno0Unbes 0z 1U2SU1 co peseq IOMU p毛A_p=

24、osuou u 一 uotizoQ.l_n42-C七巴怎医密垠书粮會二、擀去煤曲ep pu snlls luero)黜哩-lJP奖密长dH 轻盪曲區 (_p 一、UFIP6UOA nx、6U=6UO1 urs、01 一)帅、眶怡猛、叵帝、飓U 0叩8 寸p)0T 8000、(SUJZSASM0d 2t;2LJJ0 uolUJOlnv)M 伺皿煤张 只曲二(slue3 POLUO z 1U2SUE1 jo uolp05oo 6wwex q E 一sAs uolpluoln W po-c刼 uj 6wloo 二一n4 毛 =)庚旧0般迴轻书卸二、gHflx、6UO0ZS 乏)帅、mm恤、呼底強 w

25、HHrl?- 01 6叩9(10)6、一JO0、(_oluco pu uot; 10d iu 一sseMod)ffllJP&只曲二二iu no 0U nbes 0 z -co peseq u一-七 nou-qnop0J uolo 10d oupls 一 p puno6 jo iu 一ps05ou IOMU uolnqss 一 p 、 PUD 七 es co SUOIOPSUEILULJJLJJI 二solonpuoo B 三-nOJosues luauno 七 Lus 1soomo-05ou -PP 一 E u 一 UO10 10d siu 一sAseMod 61-0 -PP 一 E u 一 uolo 10d 1-PI42puno6 pu 6upnq 一1S-P luauno Ou nbes 一16 u0J Apnls)Effl&佟毎 0煤曲、unwuQX 6uez)紀嘗、陳范刼3 8661、(ss d Mod 2t;2IJJuzoeum 巴-HigsREI f:底氓乏二s 一 SA_PU l_n42UJZSASMod)0轻煤矗只曲 (Un-CSUPM nes_4x寸-c msooHszz、mood、(SUJZSASM0d 2t;2LJJJo uolpujolnv)