单相接地故障暂态电流方向选线研究.pdf

第3 7 卷第2 期中国矿业大学学报V 0 1 ．3 7N o ．2 2 0 0 8 年3 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y M a r ．2 0 0 8 单相接地故障暂态电流方向选线研究 唐轶，陈庆，陈 奎 中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 2 2 1 1 1 6 摘要通过理论分析和大量6k V 模拟实验验证，得到了电弧接地故障时暂态零序电压和电流的 特征1 零序电压和各馈线零序电流暂态分量的频率主要与变压器漏抗、电网对地电容和相间 电容有关，与中性点接地方式无关；2 故障线路与非故障线路的零序暂态电流的频率、衰减速 度等特性是相同的．非故障线路零序暂态电流的大小与本线路对地电容的大小呈正比，而故障线 路零序暂态电流等于所有非故障线路零序暂态电流之和，方向相反；3 单相接地故障发生在相 电压最大值附近时，暂态零序电流最大．在此基础上，提出一种新的、能在单片机上实现并满足在 线实时选线计算需要的单相接地故障暂态电流方向选线算法．经挂网运行证明，所提算法对电弧 接地故障是有效的． 关键词配电网；暂态零序电流；小电流接地选线；单相接地故障 中图分类号T M7 2 6文献标识码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 2 一0 2 0 1 一0 6 S t u d yo fD e t e c t i n gS i n g l e P h a s e - t o G r o u n dF a u l tF e e d e r U s i n gf l T r a n s i e n tC u r r e n tD i r e c t i o n T A N GY i ，C H E NQ i n g ，C H E NK u i S c h o o lo fI n f o r m a t i o na n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h e o r ya n a l y s e sa n ds i m u l a t i n ge x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n si na6k Vp o w e r n e t w o r k ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s i e n tz e r o s e q u e n c ev o l t a g ea n dc u r r e n td u r i n ga r c e a r t h f a u l tw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s 1 T h ef r e q u e n c yo ft r a n s i e n tc o m p o n e n ti nt h ez e r o - s e q u e n c e v o l t a g ea n dc u r r e n tw a sm a i n l yr e l e v a n tt ot h el e a k a g ei m p e d a n c eo ft r a n s f o r m e r ，t o - e a r t hc a p a c i t a n c e sa n dc a p a c i t a n c e sb e t w e e np h a s e sa n dn o tr e l e v a n tt ot h en e u t r a le a r t h e d ；2 T h ez e r o s e q u e n c et r a n s i e n tc u r r e n t so fn o n - f a u l tf e e d e r sa n df a u l tf e e d e rh a v ei d e n t i c a lf r e q u e n c y ，a t t e n u a t i o ns p e e da n dS Oo n 。T h ei n t e n s i t yo fn o n - f a u l tf e e d e r sw a sd i r e c t l yp r o p o r t i o n a lt ot h e t o - e a r t hc a p a c i t a n c e ，a n dt h ei n t e n s i t yo ft h ef a u l tf e e d e ri se q u a lt os u mo ft h a to fa l ln o n - f a u l t f e e d e r sw i t ho p p o s i t ed i r e c t i o n ；3 A st h es i n g l e - p h a s ee a r t hf a u l to c c u r sn e a r b yt h em a x i m u m v a l u eo fp h a s ev o l t a g e ，t h ez e r o - s e q u e n c et r a n s i e n tc u r r e n tw a st h el a r g e s t ．An e wm e t h o d ， w h i c hc a nd e t e c ts i n g l e - p h a s e - t o 。g r o u n df a u l tf e e d e ru s i n gat r a n s i e n tz e r o - s e q u e n c ec u r r e n td i _ r e c t i o n ，w a sp r o p o s e d ．T h em e t h o dc a nb eo p e r a t e di nt h es i n g l e - c h i pm i c r o - p r o c e s s o ra n d1 0 c a t et h ef a u l tf e e d e ro n - t i m e ．T h eo p e r a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sm e t h o dc a ne f f e c t i v e l y r a i s e dt h ea c c u r a c yo ft h ed e t e c t i n gf a u l tf e e d e rf o ra r c - e a r t hf a u l t ． K e yw o r d s d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；t r a n s i e n tz e r o - s e q u e n c ec u r r e n t ；e a r t h e df a u l tf e e d e rd e t e c t i o ni nt h ei n d i r e c t l yp o w e rs y s t e m ；o n e - p h a s e - t o g r o u n df a u l t 收稿日期2 0 0 7 0 6 1 6 基金项目中国矿业大学科学基金项目 E 2 0 0 4 2 7 作者简介唐秩 1 9 5 7 一 ，男，江苏省张家港市人，教授，博士生导师，从事电力系统自动化和电能质鼍监控方面的研究． E - m a i l t a n g y i c u m t ．e d u ．c aT e l 0 516 - 8 3 8 8 4 5 7 9 万方数据 2 0 2中国矿业大学学报第3 7 卷 由于电网故障的8 0 ％左右为单相接地故 障n { ] ，因此，单相接地故障的处理方式对用电户的 供电可靠性影响很大．运行经验证明，小电流接地 电网有利于提高供电的可靠性．但小电流接地电网 接地故障很复杂，有金属性实接地、低阻接地和高 阻接地、电弧接地等．因此，接地故障选线很困难． 已有许多小电流接地选线装置投入使用，并 且，他们大多是基于稳态分析来选线的[ 3 { ] ．但资料 记载[ 1 ‘2 ] 、实验和现场电网录波均证明小电流接地 电网的单相接地故障中约有一半是电弧接地故 障L z ] ．在电弧接地条件下，故障电流中稳态电流很 小或几乎为零，而暂态电流则很高，致使选线效果 均不很理想，误选、拒选的几率比较高．可见，研究 基于暂态分析的接地故障选线方法很重要． 近年来，已有不少学者在此方面作了探 索[ 7 15 1 ．但还停留在仿真研究和探索用何种算法来 提取暂态信号特征上，少有对小电流接地电网单相 接地故障的暂态特性进行研究的，并且，由于算法 复杂[ 8 1 引、计算耗时长，目前的微机技术还难以满 足在线实时选线计算的要求，难以用于选线装置的 1 0 0 ≤ 5 0 o - 5 0 a 不接地电嘲非故障馈线 t ／m s t ／m s 开发上．本文将通过理论分析和单相接地故障实验 录波验证，得到小电流接地电网单相接地故障的暂 态特性．在此基础上，提出一种新的、能在单片机上 实现并满足在线实时选线计算需要的单相接地故 障暂态电流方向选线算法． 1 小电流接地电网电弧接地故障的特性 1 ．1 6k V 模拟实验 为弄清小电流接地电网电弧接地故障电流特 征，在实验室6k V 模拟电网上，在不同的电网对 地电容值、不同的接地故障电阻值条件下做了2 0 0 余次实验，实验实录典型波形如图1 ．图1 a ～d 分 别为中性点不接地、中性点经消弧线圈接地 全补 偿 时，电弧接地故障的非故障线路与故障线路零 序测量电流的原始波形和对应的第1 次燃弧的展 开波形．图中实验条件为故障线路每相对地电容 3 ．6g F ，2 条非故障线路每相对地电容都为1 ．8 肛F ，模拟实验接地电阻R o ，采样频率1 2k H z ．两 非故障线路零序测量电流相同，因此只列出了其中 一路． 1 0 0 5 0 ≤0 5 0 ．1 0 0 t ／m s b 不按地电网故障馈线 c 伞补偿电嘲非故障馈线 d 令补偿电网故障馈线 、 图1 非故障线路与故障线路零序测量电流的波形 F i g ．1 W a v e f o r m so fz e r o - s e q u e n c ec u r r e n ti nt h en o n - f a u hf e e d e r sa n df a u l tf e e d e r 通过实验我们可以初步得到小电流接地电网 发生单相电弧接地故障时的以下特征1 电弧接 地时，每起弧一次均有暂态分量出现．故障线路与 非故障线路的特性是相同的，非故障线路零序暂态 测量电流的大小与本线路对地电容的大小呈正比， 而故障线路零序暂态测量电流等于所有非故障线 路零序暂态电流之和，且方向相反．这与中性点不 接地系统中零序稳态电流特性相似．2 暂态分量 的幅值主要由单相接地故障起弧时刻决定，也与电 网对地电容、变压器和线路电感及故障点电阻有 关．发生在相电压最大值附近时，高频衰减的暂态 零序电流最大，发生在相电压过零点附近时最小． 但在相电压最大值士3 0 。区间内，暂态分量远大于 稳态分量． 1 ．2 电弧接地故障特性分析 暂态零序电流可看成两部分电流之和；1 由 于故障相电压突然降低而引起的放电电容电流，此 电流通过母线流向故障点，放电电流频率高、衰减 速度快，对于接地选线的作用不大．2 由非故障 相电压突然升高而引起的充电电容电流，它要通过 变压器线圈而形成回路．由于整个流通回路的电感 较大，充电电流衰减较慢、振荡频率相对较低，它有 利于测量．本文只对充电电流的暂态过程进行分 析． 由于暂态电流频率高，消弧线圈的电感相当于 变压器的漏感大很多，为此，在分析单相接地暂态 一 声 一 一 n一0 ●n“q一 ●niiii 一 ●ni儿 一廷 啪 幻 。蜘㈣ ． 墨 ～j 8 { 8 蝴一 Ⅳ 一～J 8 州一 V l g∥1 W J 8憋 i j 一氅 n鼢一扩娃 万方数据 第2 期唐轶等中压配电网单相接地故障暂态电流方向选线方法的研究2 0 3 过程时可视为开路．故障发生时，相当于在故障点 的三相对称电压上叠加一个电压源“ ￡ 一 一U 如s i n c ￡J t 妒 ．在该叠加电压激励下的等值电 路如图2 ．图中R 为变压器损耗等值电阻；L 为变 压器漏感；C A C B c c C 为电网A ，B ，C 相对 地总电容；C A B C s c C c A C e 为相间电容；R j d 为电弧电阻． 图2充电回路等值电路 F i g ．2C h a r g i n ge q u i v a l e n tc i r c u i t 图2 是一个二阶电路，其解可以用下式表示 i j d I 。[ K e 。c o s o ．／o t p c o s “ 垆 ] ， 1 式中C O o 一 兰 ；‘c ’7 0 一 ／簖一护；艿为系 ～／3 L C C 。 统振荡阻尼系数，艿一生型娶￡＆． I L 从式 1 可见，小电流接地电网零序暂态分量 的频率和衰减速度与电网对地电容和相间电容、变 压器漏抗、故障点电阻等多种因素有关，但与中性 点接地方式无关．显然，他们在不同电网是不同的， 同一电网的不同时刻也可能是不同的．这是要注意 的设计基于暂态分析的小电流接地选线方法的依 据． 2 接地故障暂态电流方向选线原理 2 ．1 接地故障暂态电流方向选线原理的提出 文献[ 1 5 3 提出的“暂态电流互积求和法”2 0 0 3 年加人选线装置投入运行后，明显地提高了选线装 置选线的可靠性．尤其是对瞬时接地故障和间歇性 接地故障的选线效果尤为明显，大大地降低了误选 和拒选的概率．但运行中也发现一些问题，仍有误 选和拒选． 首先从文献E 1 5 3 中的式 3 和式 4 可以看出， 当各馈出线的电容电流相对于电网总电容电流越 小时，保护裕度就越大，反之则保护裕度小，甚至可 能误判．运行中发现的一些问题证明了这一点．对 于煤矿6k V 电网 如图3 所示 ，绝大多数的负荷 在井下，井下负荷的供电距离长，供电线路均为电 缆，并且，以屏蔽电缆为主，因此，电网的相对地电 容主要在井下．～般煤矿电网，井下电网的相对地 电容约占电网的相对地总电容6 0 ％～7 0 ％；个别 电网在9 0 ％以上．一般煤矿地面变电所6k V 电网 采用单母线分段方式运行，正常运行时2 段母线联 络．每段母线通过1 条 负荷大时用2 条 电缆向井 下中央配电所的一段母线供电． | 申地攀所k jj { i’{ } j { ；至地面各负荷至地面各负荷 并 简 i 井下中央变电所 6 k V { ji j{ jj j 至井底车场和各采区变电所 图3 典型的煤矿主变电所供电系统 F i g ．3T y p i c a lp o w e rs u p p l ys y s t e mo ft h e c o a lm i n em a i ns u b s t a t i o n 井下中央配电所也采用单母线分段方式运行， 并且，正常运行时母线分段运行，故障时2 段母线 可能会联络运行．因此，一般煤矿地面变电所的6 k V 电网下井馈出线相对地电容占电网总电容的 3 5 ％左右，若接地故障发生在2 根下井馈出线的其 中一根上，则故障馈出线的零序测量电流约为另一 根非故障下井馈出线的2 倍，相应的故障判断量 Ⅳ，就更大，有足够的保护裕度．但个别电网，可能 下井馈出线相对地电容占电网总电容的接近一半， 在这种电网条件下，若接地故障发生在2 根下井馈 出线的其中一根上，则故障馈出线与另一根非故障 下井馈出线的零序测量电流接近相等，相应的故障 判断量w ，也就接近相等，保护裕度很小，考虑到测 量误差，就可能误选．当井下中央变电所的2 段母 线联络运行时，下井馈出线相对地电容占电网总电 容的6 0 ％～7 0 ％左右，个别电网会更高．在这种 电网条件下，若接地故障发生在下井馈出线上，则 故障馈出线比非故障馈出线的零序测量电流小，相 应的故障判断量w ，也就更小，显然会误选。可见， 文献E 1 5 ] 提出的选线方法最适用于电网馈出线多 至少应大于等于3 ，且各馈出线的对地电容电流 差别不大的电网． 其二，文献[ 1 5 ] 提出的选线方法中没有对待处 理信号进行滤波．由于暂态时间很短，为消除稳态 电流的影响，只对首1 ／6 周波采样数据进行了计算 判断．判断数据少也增加了选线判断正确的或然 率．并且，一旦判断有误，就只能等稳态选线来纠 正，自身没有机会再纠错了．这显然不利于进一步 提高选线的准确性．从图1 可以看出，单相接地故 万方数据 2 0 4中国矿业大学学报 第3 7 卷 障暂态分量不仅仅只在故障发生时的首半波才有， 而是在每次起弧时都有，并且，均有较大的值．因 此，我们只要适当滤波，基本消除基波稳态分量的 影响，就可以在接地故障发生的全过程中充分利用 故障的暂态分量来判断故障馈出线．这样，即使由 于某些原因选错了，也有机会改正错误．这将大大 地提高单相接地故障选线的准确性和可靠性． 2 ．2接地故障暂态电流方向选线原理 以上运行中出现的问题说明，文献[ 1 5 ] 提出的 选线方法对绝大多数电网是适用的，并有相当大的 保护裕度．但对某些电网，仅对暂态电流的大小来 判断决定故障馈出线是不行的．从上面暂态分析还 有结论非故障线路零序暂态测量电流与故障线路 零序暂态测量电流方向相反．依据此结论，我们就 可以提出单相接地故障暂态电流方向选线原理． 由于单相接地故障的暂态零序电流、电压的频 率在不同电网是不同的，在同一电网的不同时刻也 可能是不同的．因此，我们不能采用带有滤波功能 的算法 如富氏算法等 ，而只能先对采样信号滤 波，然后进行计算判断．为尽量减少计算量，在我们 的接地选线装置上，仅采用了单零点非递归算法对 采样信号进行了5 0H z 基波陷波处理．对图1 经陷 波处理后的波形如图4 ． 2 0 0 ≤- 2 0 - 4 0 ■I ’ I 1 0 02 0 0 ∥m s 地电网 ≤二0 蛙 4 0 I 2 0 ． - L ≤ 7 r 喀 。一 I - 2 0 ． c 全补偿电网非故障馈线 d 全补偿电网故障馈线 图4陷波处理后的暂态电流波形 F i g ．4 T r a n s i e n tc u r r e n tw a v e f o r m sw h i c ht h ep o w e r - f r e q u e n c yi st r a p p e d 零序电压中暂态分量相对较小，并且，由于暂 态分量频率高，电压互感器的漏抗压降大，测量误 差大等原因，电网模拟试验和电网运行接地故障录 波显示的零序电压中暂态分量很小．因此，从零序 电压中滤出暂态分量，并以此为基准判断各馈出线 零序暂态电流的方向，进而判定单相接地故障馈出 线是困难的．本文将提出一种新的、能在单片机上 实现并满足在线实时选线计算需要的、仅依据零序 暂态电流来判断的单相接地故障暂态电流方向选 线算法．算法可用下式表示 f 一1 D 。f ≤一￡ ， D d i o f i o 』l一{ 1 D 。≥e ， 2 10 1D fI ￡ ， 式中i 。；和i 。j 分别为第i 条和第- 『条馈出线的零序 电流；￡为设定的门槛值． 若有第k 条馈出线，恒满足 D 捷I 斛≠1 ；D 可l ，≠ ≠一1 ， 则忌为故障馈出线；若D FI 喇均为非“一1 ” 时，则为母线故障． 3 元素 设电网有咒一6 条馈出线，单相接地故障发生 在第k 4 条上，由于故障馈出线与非故障馈出线 的暂态零序测量电流是反方向的，由式 2 可得 D 。，I 。} i ≠』 1 1 O1 11 OO 11 O1 O1 1O 11 0 O ． 4 式 4 矩阵有以下特点1 第愚一4 列的所有竹 一1 个元素均为非“1 ”元素，即所有竹一1 个元素不 是“一1 ”就是“0 ”，D ；。l 洲≠1 ．2 只有第k 一4 行 的所有咒一1 个元素均能保证为非“一1 ”元素，即所 有咒一1 个元素不是“1 ”就是“0 ”，D 。iI f ≠4 ≠一1 ，其 他行均可能出现“一1 ”元素．显然，只有第k 4 条 馈出线恒满足式 3 ．若故障发生在母线上，所有馈 出线均为非故障馈线，他们的暂态零序测量电流的 方向是相同的，因此，就不存在第k 4 列的所有行 一1 个元素均为非“1 ”元素．即D J 崩的所有列均 为非“一1 “元素时，必然是母线故障． 理想的继电保护每次给出的最好是唯一正确 的故障馈出线．在保护的灵敏度和准确性、可靠性 有矛盾时，希望后者得到保证．为此，设置了暂态零 1 1 1 1 1 1 一 一 一 一 一 O 1 1 1 O 万方数据 第2 期唐轶等中压配电网单相接地故障暂态电流方向选线方法的研究 2 0 5 序电流判断的门槛值e ．尽管暂态电流方向选线原 理对暂态零序电流的幅值没有要求，只需知道暂态 零序测量电流的采样时刻值是大于零还是小于零． 但由于零序电流互感器的测量误差、模拟电路处理 信号的误差和数字滤波可能带来的误差等，当暂态 零序电流在过零附近或是很小时，就难以保证过零 点的准确测量．设置￡门槛值，相当于暂态零序电 流在过零附近或是很小时不作选线判断，大大地降 低了误选线的可能性，提高了选线的可靠性．由于 ￡门槛值的存在，第愚一4 列的所有n 一1 个元素并 非均为“一1 ”元素，可能会有0 元素，因此，除第忌 4 行外，其他行的所有恕一1 个元素也有可能都 为非“一1 ”元素．但这时不能恒满足式 3 ，表示选 线失效．这样使相当一部分采样时刻的选线判断失 效、无结果，降低了保护的灵敏度．但这有效地提高 了选线的准确性和可靠性．应该注意到每次选线 判断，包括无效判断，仅使用了一个时刻的采样值． 为进一步提高选线的准确性和可靠性，还可再设置 一个M 值．只有当故障选线判断连续有M 次相同 结果，才输出故障馈出线号．这样，就可以利用更多 的暂态故障零序电流信号，更加减少故障选线判断 的或然率．实际运行证明是很有效的．若由于多方 面原因故障选线发生错误，则由于采用了基波陷波 措施，使得在整个电弧接地故障的全过程均能利用 暂态零序测量电流选线，为改正错误选线提供了机 会．改正过程与选线过程一样，只有当故障选线有 效判断连续M 次相同结果后，才改变故障馈出线 号的输出，使选线装置有了自动纠错的能力．综上 述，选线步骤如下 1 对各馈出线零序电流采样，并作A ／D 变换 及陷波处理． 2 按式 2 ， 3 计算、判断． 3 当有M 次连续有效判断相同时，输出故障 馈出线号． 4 持续进行1 ～3 步，验证选线的准确性或自 动纠正选线的错误． 3 结论 ＼ 本文提出的方法没有单独做样机挂网运行试 验，而是被加到了文献[ 6 3 提出的选线方法中去的， 两方法同时工作选线．1a 多的挂网运行情况证明 选线效果是很好的．在某些特殊电网条件下，有效 地克服了文献E 1 5 ] 没有解决的问题．依据以上分 析，本文提出的选线方法有以下特点 1 由于本文提出的选线判断中给暂态零序测 量电流设置了门槛值￡，消除了零序电流互感器、 模拟信号处理电路及数字滤波等可能带来的误差 的影响；M 值的设置；使得单相接地选线建立在多 数据判断的支持下，判断信息量大，干扰信号被众 多数据所“淹没”，有效地提高了故障选线的准确性 和可靠性． 2 本选线方法利用的是零序暂态高频电流， 因此，对中性点不接地和消弧线圈接地都是有效 的． 3 采用非递归算法滤除了稳态基频电流，使 选线判断可以贯穿于单相电弧接地的全过程，不仅 有利于提高选线的准确性，还能实现自动纠错． 4 相对于文献[ 8 - 1 4 ] 提出的基于暂态分析的 选线方法，本文提出的选线方法计算量小很多，因 此，它能用于单片机选线装置的开发上，有更高的 实用价值． 参考文献 [ 1 ] H A N N I N E NE ，L E H T O N E NM ．C h a r a c t e r i s t i c so f e a r t hf a u l t si ne l e c t r i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k sw i t h h i g hi m p e d a n c ee a r t h i n g [ J ] ．E l e c t r i cP o w e rS y s t e m R e s e a r c h ，1 9 9 8 ，4 4 1 5 5 1 6 1 ． [ 2 ] H A N N I N E NS ，L E H T O N E NM ，H A K O L AT ． E a r t hf a u l t sa n dr e l a t e dd i s t u r b a n c e si nd i s t r i b u t i o n n e t w o r k s [ J ] ．I E EP r o e - G e n eT r a n sD i s t r ，2 0 0 2 ， 1 4 9 3 2 8 3 - 2 8 8 ． [ 3 ]B A L W I NT ，R E N O V I C HF ．F a u l tl o c a t i n gi nu n g r o u n d e da n dh i g h - e e s i s t a n c eg r o u n d e da y s t e m s [ J ] ． I E E ET r a n so nI n d u s t r yA p p l i c a t i o n ，2 0 0 1 ，3 7 4 1 1 5 2 1 1 5 9 ． [ 4 ] T A N GY i ．Ac o m p l e t es e to fa u t o m a t i cc o m p e n s a t i o n e q u i p m e n to fac a p a c i t i v ec h a r g i n gc u r r e n ti na p p l i c a t i o no fam e d i u m - 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