基于零序电流突变量的配电网单相故障带电定位判据

1、第 30卷 第 31期 中 国 电 机 工 程 学 报 V ol.30 No.31 Nov.5, 2010 118 2010年 11月 5日 Proceedings of the CSEE ©2010 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号:0258-8013 (2010 31-0118-05 中图分类号:TM 73 文献标志码:A 学科分类号:470·40基于零序电流突变量的配电网单相故障带电定位判据倪广魁 1,鲍海 1,张利 2,杨以涵 1(1.华北电力大学电气与电子工程学院,北京市 昌平区 102206;2.北京信息科技大学自动化学院,北京市 海淀区

2、100192Criterion Based on the Fault Component of Zero Sequence Current forOnline Fault Location of Single-phase Fault in Distribution NetworkNI Guangkui1, BAO Hai1, ZHANG Li2, YANG Yihan1(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Be

3、ijing 102206, China; 2. School of Automation, Beijing Information Science & Technology University, Haidian District, Beijing 100192, ChinaABSTRACT: When single-phase earthing fault occurs, the resonant grounded system could keep on running for 1 or 2 hours. If the fault is removed during this pe

4、riod, power will be continuously supplied to the distributed network system. In order to deal with the problem proposed above, a new online fault location criterion was proposed using zero-sequence current difference through analyzing the characteristic of the branch fault on substation outlet, the

5、branch fault on non-outlet, and the characteristic of the fault component of zero sequence current. By this criterion, the single-phase earthing fault in resonant earthing distributed network can be located online. ATP simulation results demonstrated the correctness and validity of the criterion.KEY

6、 WORDS: power system;resonant grounded; single-phase earthing fault; zero sequence current; fault location; criterion摘要:谐振接地配电网发生单相接地短路故障时, 可以继续 运行 12h ,如果在此期间可以排除故障,将可实现配电网 的持续性供电。 针对谐振接地配电网单相接地故障, 通过分 析变电站出线端的线路分支故障、 非出线端线路分支故障以 及故障点前后的零序电流特征, 提出一种利用零序电流突变 量进行带电故障定位的判据, 利用此判据可以很好地解决谐 振接地配电网单相接地故障带

7、电定位的难题。通过 ATP 仿 真,验证了该判据的正确性和有效性。关键词:电力系统;谐振接地;单相接地故障;零序电流; 故障定位;判据0 引言中国中压配电网一般采用中性点不接地或中 性点经消弧线圈接地 (小电流接地 的运行方式。长 期以来,单相接地故障定位是一个难题。目前,配 电网线路故障定位主要依靠人工巡线,但随着配电 网的发展,线路增长,分支增多,线路变得越来越 复杂 1,用传统的巡线方法找到具体故障点的位置 非常困难,对于类似绝缘子击穿的隐蔽故障 2,人 工寻找很难发现,不仅耗费了大量人力物力,而且 延长了停电时间,影响了供电可靠性。可见,一种 有效的故障定位方法是非常重要的。配电网故障

8、定位方法已有研究,如在三相不换 位情况下,利用传递函数法进行故障定位 3;利用 逐次判别法和误差向后传播算法实现故障区段的 在线识别 4;通过建立新的故障定位数学模型,开 发高级遗传法改善定位方法的容错性 5;采用贝叶 斯不精确推理法和面向对象技术,排除少数故障投 诉中错误信息的不利影响,获得比较可信的故障定 位结果 6。 但是, 这些方法都没有达到实用化水平。 利用 S 注入法 7-8进行故障定位较为常见, 但它容易 受到接地电阻和线路分布电容的影响。目前,利用行波法 9-10和交直流综合法 11-12的 离线定位技术基本解决了配电网离线故障定位的 问题,并且已经达到实用化水平。但是实际应用

9、中 有些用户对供电可靠性要求很高,希望在不停止线 路供电的情况下进行故障定位,所以有必要研究实基金项目:国家 863高技术基金项目 (2009AA122328。The National High Technology Research and Development of China 863 Program (2009AA122328.第 31期 倪广魁等:基于零序电流突变量的配电网单相故障带电定位判据 119用化的带电定位方法,以适应不同用户的需求,这 样就需要有一种行之有效的判据作为支持。对于中 性点不接地系统可利用零序功率方向 13和移动式 比相法 14实现带电故障定位, 而谐振接地配电

10、网的 带电定位却很少讨论,本文提出了一种针对谐振接 地配电网的带电故障定位的判据,利用此判据可以 实现谐振接地配电网的带电故障定位。1 谐振接地配电网带电定位的难点分析 在谐振接地配电网中,消弧线圈的存在为配电 网提供了一种可控手段,但由于消弧线圈的补偿作 用,使得各个线路的零序电流大小相差很小,相位 基本一致。发生单相接地故障时,故障线路和非故 障线路稳态时的特征无明显差异,这给故障带电定 位带来了困难。利用接地暂态过程中故障线路和非故障线路 的特征差异作为故障定位的判据 15时, 由于接地现 象复杂,其暂态持续时间的长短差异比较大,在很 多情况下当接地保护装置启动后,系统接地的暂态 过程就

11、己经基本结束,进入了接地的稳定状态;而 故障定位需要有持续保持的信号或者同时得到大 量短时信号,对于接地暂态信号则需要足够多的点 来进行数据的同步采集以保证定位可以实现,数据 采集特别困难,难以实现。这样就需要寻找一些其 他的方法。要想准确地找到故障点,首先要找出能够明显 区分故障线路和非故障线路的特征量;其次要有足 够大的被监测信号,同时该监测信号要有足够长的 持续时间。利用零序电流突变量法得到的判据就可 以有效地解决这一问题。2 零序电流突变量法2.1 变电站出线端的线路分支故障情况当线路发生单相永久金属性接地故障时, 改变消 弧线圈参数 (改变消弧线圈的电抗值,以下类同 ,可 以改变补偿

12、电流的大小, 而补偿电流大小的变化只会 反映在故障线路的零序电流中; 当线路发生永久性经 阻抗接地故障时, 改变消弧线圈参数同样会引起故障 电流的变化, 从而导致零序电压发生变化, 而零序电 压的变化会使各条线路的零序电流都发生变化, 此时 将零序电流折算到同一电压下, 补偿电流大小的变化 也只会反映在故障线路的零序电流中。在谐振接地配电网中,安装有消弧线圈的变电 站出线端有很多线路分支,配电网的其他地方也有 很多线路分支,下文分别对这 2种线路分支的零序 电流突变量以及故障点前后的零序电流突变量进 行特征分析。先对谐振接地配电网发生单相接地故障后的 零序电流进行特征分析。假设从变电站出线端引

13、出 的第 N 条线路发生单相接地故障, 零序电流参考方 向如图 1所示,消弧线圈参数改变前后,消弧线 圈的电抗值分别为1LX 和2LX , 零序电压分别为 01 U 和02U ,设各条分支在消弧线圈电抗值改变前后的零序电流分别为11I ,21I , ,1 1NI,1NI 和12I ,22I , , 1 2NI,2NI , 各 条 线 路 的 对 地 电 容 值 分 别 为 1C ,2C , ,1NC,NC 。在第 N 线路发生单相金属性接地故障、消弧 线圈参数未改变之前, 系统的零序等值电路如图 1所示。 线路 12NN 1图 1 变电站出线端的线路分支故障Fig. 1 Circuit bra

14、nch fault of substation outlet 非故障线路的零序电流为101ji iI C U=, i N(1 故障线路的零序电流为11121111(N N LI I I I I=+" (2 消弧线圈参数改变后,非故障线路的零序电 流为202ji iI C U=, i N(3 故障线路的零序电流为21222122(N N LI I I I I=+" (4 由于发生金属性接地故障时,消弧线圈参数改变前后全网的零序电压基本不变,即0102U U,因 此可求出消弧线圈参数变化前后各条分支的零序 电流的改变量。12i i iI I I=, i N(5 12112111

15、222( ( N N N LI I I I I I I I=+212011012/(j /(j L L LI I I U L U L=+=+(6 当第 N 条线路发生单相电阻接地故障时, 消弧 线圈参数改变前后,非故障线路的零序电流和故障 线路的零序电流同式 (1 (4。120 中 国 电 机 工 程 学 报 第 30卷由于消弧线圈参数的改变引起故障电流的变化, 导致零序电压发生变化, 会使各条线路的零序电流都发生变化,由式 (1和 (3得 101/i IU = 202/i I U ,即 120102/i i I I U U = (7如果将消弧线圈参数改变前后的零序电流折算到同一个电压下,就可

16、以去除零序电压变化带来 的影响,列写各分支零序电流突变量方程:120102/0ii i II I U U = , i N (8 120102112111222201021/( ( /N N N L L L I I I U U I I I II I U U I =+=+20102011012/(j /(j L I U U U L U L =+ (92.2 非出线端的线路故障情况配电网中非出线端的线路故障时的电路如图 2所示。 若消弧线圈参数改变前后 s1I折算值不变, 则 处在非故障线路上,后面各分支均为非故障线路;若 s1I折算值明显变化, 说明其处在故障线路上, 后 面某分支为故障支路。 线

17、路 12NN 1图 2 非出线端线路故障Fig. 2 Circuit fault of non-outlet同样利用零序电流突变量法来确定故障分支, 可得i 120102/0i i I I I U U = , i N (101201021121s1/( NN N II I U U I I I =+ 1222s20102s1s20102( /I I I U U I I U U +=+ (11因 s1I在故障路径上,由 2.1节类推可得: s1s20102120102/N L L I I I U U I I U U =+=+=011012/(j /(j UL U L + (12 2.3 故障点前后

18、零序电流的特征分析故障支路的电路图如图 3所示。消弧线圈参 数改变前后,对故障点前后的零序电流进行特征 分析。 图 3 故障点前后零序电流的特征分析Fig. 3 Characteristic analysis of the zero sequence currentfore-and-after fault point通过 2.1和 2.2节可以确定 sI 与消弧线圈电流 的变化保持一致。在消弧线圈参数改变前,故障点前后的零序电流分别为11s1101j II C U = (13 21201j I C U = (14在消弧线圈参数改变后,故障点前后的零序电流分别为12s2102j II C U =

19、 (15 22202j I C U = (16改变前后的零序电流折算到同一个电压下,故障点前后的零序电流突变量方程为11120102s1101s21020102s1s20102/(j ( j /I I U U I C U I C U U U I I U U =+=011012/(j /(j UL U L + (17 3 故障特征判据由第 2节可得,当消弧线圈参数改变前后的零序电流折算到同一电压下时,消弧线圈参数的改变 只会导致故障线路中的零序电流变化。以此为依据,构造以下判据:120102/ii i II I U U = , 1,2, , i N =" (18 式中 N 为分支数。0

20、i I 的那条线路为故障线路;若 s1I 折算前 后明显变化,且各条分支的 iI 都等于零,则是母 线故障。根据故障特性可知:消弧线圈参数改变前,各 个采集点的零序电压模值基本相等, 消弧线圈参数改 变后也是如此;并且零序电流折算到同一电压下后, 前后对应的相角相差很小。据此,将式 (18简化: 120102120102/ii i i i II I U U I I U U = 120102/i i I I U U (19式中 1i I , 2i I , 01U , 02U 为对应的零序电流、电压 的有效值。利用零序电流突变量法进行带电故障定位,只 需要测量消弧线圈参数改变前后的零序电流和零 序

21、电压模值, 利用判据方程 (19便可确定故障支路。 在故障支路范围内,同样可利用判据方程 (19进行 故障点的确定。4 ATP仿真分析通过 ATP 仿真验证该判据的正确性和有效性, 仿真线路如图 4所示。 线路 AB 长 5 km , BD 长 10 km , DE 长 10 km , DF 长 5 km ,支路 AG 长 30 km ,支第 31期 倪广魁等:基于零序电流突变量的配电网单相故障带电定位判据 121 路 BH 长 10 km ,线路 BD 的中点 C 处发生单相 1 k 电阻接地故障。数据采集点为 AB 、 AG 、 BD 、 BH 、 DE 、 DF 的始端以及故障点 C 的

22、前后 2点。 图 4 仿真模拟线路 Fig. 4 Line simulation对采集数据进行运算处理,得消弧线圈参数改 变前后各个采集点的零序电流波形, 如图 5、 6所示。 1t /ms i /A1线路 AB 始端零序电流 AB I ; 2 BC I ; 3 1C I ; 4 2C I ; 5 DEI , 6 DFI ; 7 AGI ; 8 BHI 。图 5 消弧线圈参数改变前的零序电流波形Fig. 5 Zero sequence current waveforms before the parameter of the arc suppression coil changest /ms

23、i /A1线路 AB 始端零序电流 AB I ; 2 BC I ; 3 1C I ;4 2C I; 5 DEI , 6 DFI ; 7 AGI ; 8 BHI 。 图 6 消弧线圈参数改变后的零序电流波形Fig. 6 Zero sequence current waveforms after the parameter of the arc suppression coil changes将消弧线圈参数改变前后各个采集点的零序 电流模值以及折算到同一电压下的零序电流模值 列于表 1中。由表 1可知,将各采集点的零序电流折算到同 一电压下后:对于变电站出线端的 2个分支 AB 和 AG , AB

24、 线路的零序电流突变量较大 (1.338 8 A , AG 线路的零序电流突变量几乎为零 (0.4 mA ,可判断 故障点在 AB 线路或其后方的线路分支上;对于配电网中非出线端线路分支 BD 与 BH , 同理可判断出 故障点在线路 BD 或其后方的线路分支上;故障支 路中 C 点前的零序电流突变量较大 (1.260 6 A , C 点后的零序电流突变量几乎为零 (0.9 mA ,据此可 确定故障点为 C 点。表 1 各采集点的零序电流有效值变化Tab. 1 Zero-sequence current-change at each sampling point A各零序电流模值 电流大小变化

25、情况 I ABI BCI C 1I C 2 I DE I DF I AG I BH改变前 2.114 7 1.824 0 1.727 0 0.388 2 0.194 1 0.097 1 0.581 1 0.193 8 折算前 改变后 2.033 2 1.861 8 1.804 6 0.229 1 0.114 6 0.057 3 0.342 4 0.114 3 改变前 2.114 7 1.824 0 1.727 0 0.388 2 0.194 1 0.097 1 0.581 1 0.193 8 折算后改变后3.453 53.162 43.065 20.389 10.194 60.097 30.5

26、81 50.194 15 结论本文通过对谐振接地配电网带电定位难点分析以及零序电流突变量法的介绍,针对谐振接地配 电网发生单相接地故障时的特殊性,提出了利用零 序电流突变量法进行带电故障定位的判据。利用此 判据可以有效地解决谐振接地配电网发生单相接 地故障时带电定位的难题, 通过 ATP 仿真验证了该 判据的正确性和有效性。参考文献1 郭俊宏, 谭伟璞, 杨以涵, 等. 电力系统故障定位原理综述 J. 继电器, 2006, 34(3:76-81.Guo Junhong, Tan Weipu, Yang Yihan, et al. Summary on fault location princi

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