配电网中性点非直接接地系统故障检测技术

配电网中性点非直接接地系统故障检测技术

0故障区段定位原理在中国的35kv和以下电压等级的高压网络中，不接触平均点是一种常见的运行方法。在配电网中,单相接地故障占线路总故障的70%～80%。对于中性点不接地系统,当发生单相接地故障时,由于故障点电流较小,而且不影响对负荷的正常供电,一般允许继续运行1-2h。在此期间,其他两相的对地电压要升高,为了防止故障进一步扩大造成2点或多点接地短路,应及时发出信号,以便运行人员查找发生接地的线路,采取措施予以消除。目前,针对中性点非直接接地系统单相接地故障定位问题的研究很多。文献提出了基于注入信号原理的离线故障定位方法,该方法不受消弧线圈影响,但对于高阻接地,检测效果不好。利用线路零序电流的幅值及相位特征进行故障区段定位的零序电流法也得到了一定的发展,文献提出对谐振接地系统故障后的稳态零序电流增量进行分解,根据分解后的电流增量和相位定位故障区段,文献提出在故障发生后通过改变消弧线圈的补偿度,监测线路零序电流的增量变化来判断故障区段,这2种方法在一定程度上提高了零序电流法的检测灵敏度,但对于高阻故障检测仍然比较困难。本文分析了中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统的故障机理,提出用单位零序差流作为故障区段定位的判据。并利用PSCAD软件进行建模仿真,验证了基于零序差流进行单相接地故障区段定位的可靠性。1单相接地系统的小电流中断特征分析1.1零序电流的产生及特点如图1为中性点不接地系统简单网络示意图,正常运行状态下,中性点的对地电压是零,各相对地电容都为C0,没有零序电流的存在。当线路的A相发生单相接地短路,如忽略接地电阻值,则认为A相的接地电压为零。而故障后非故障相B、C的对地电压升高到正常运行时的倍,相应的非故障相的对地电容电流也增加到正常运行时的倍。当A相发生金属性单相接地故障时,全系统A相对地电压为零,对地电容电流也为零。中性点电位升高为相电压,非故障相相电压升高到正常运行时的倍,变为线电压,三相线电压仍旧对称。故障点处各相对地电压为:A相电压:B相电压:C相电压:故障点k的零序电压为:由式4可以看出接地点的零序电压与故障前的相电压大小相等方向相反。B、C两非故障相在故障点处产生的电容电流分别为:由式(5)、(6)可知,非故障相的电容电流有效值相等,为:式中:UΦ为相电压的有效值;C0为正常运行时系统各相对地电容值。由于A相为金属性单相接地故障,因此全系统A相对地的电压和对地电容电流均为零,此时流过A相故障点的电流为全系统非故障相电容电流之和,即:由图2可知其有效值为:其值为系统正常运行时3倍的单相对地电容电流值。由上述分析知:非故障线路中的零序电流为线路本身正常相的对地电容电流,容性无功功率由母线流向线路。如图2所示,当线路Ⅱ发生A相接地故障后,假设忽略负荷电流和电容电流在输电线路阻抗上的压降,则全系统A相对地的电压均等于零,因而各元件A相对地的电容电流等于零。同时B相C相对地电压和电容电流均升高到正常运行时的倍。分析图2可知,在健全线路Ⅰ上,A相电流为零,但B相和C相本身线路的电容电流还是存在的:也就是说,发生单相接地故障时,健全线路Ⅰ本身的零序电流为线路上本身的电容电流,该容性无功电流从母线流向非故障线路。可表示为:在故障线路Ⅱ中,B、C两非故障相中流过线路本身的电容电流和,而A相故障点处要流过全系统B相和C相对地电容电流的总和,其值为:其有效值为:由以上分析结果,可以做出单相接地时的零序等效网络,如图3所示。发生接地故障时相当于在零序网络中接地点加了1个零序电压。系统的零序电流通过网络中各个元件的对地电容构成回路,输电线路的零序阻抗相对于电容阻抗很小,因此可以忽略不计。中性点不接地网络的零序电流,就是网络中各元件的对地电容电流。综上所述,零序网络由各线路对地的等值电容来构成回路,网络零序阻抗较大;非故障线路的零序电流等于线路本身的对地电容电流;故障线路的零序电流为全系统非故障线路对地电容电流的总和。1.2从接地点流回的电流对中性点经消弧线圈接地系统,由于采用了消弧线圈,单相接地时的故障电流分布将发生重大变化。假定在图4所示网络中,在电源的中性点接入了消弧线圈,当线路Ⅱ上A相接地以后,电容电流的大小和分布与不接消弧线圈时是一样的,不同之处是在接地点又增加了1个电感分量的电流,因此,从接地点流回的总电流为:式中:为全系统的对地电容电流;为消弧线圈的电流,设用L表示它的电感,则。由于和的相位大约相差180°,因此因消弧线圈的补偿而减小。相似地,可以作出它的零序等效网络,如图5所示。由于一般采用过补偿方式,流经故障线路的零序电流是流过消弧线圈的零序电流与非故障元件零序电流之差,而容性无功功率的实际方向仍然是由母线流向线路(实际上是感性无功由线路流向母线),和非故障线路的方向一样。因此,在这种情况下,首先无法利用功率方向的差别来判别故障线路,其次由于过补偿度不大,因此也很难像中性点不接地系统那样,利用零序电流大小的不同来找出故障线路。2传统零序电流比幅法差流与长度比传统的稳态零序电流比幅法是利用中性点非直接接地系统发生单相接地故障时,故障线路流过的零序电流等于非故障线路零序电流的总和,此时故障线路上的零序电流最大,从而来实现配电网故障区段定位。但该方法在实际运过程中有很多缺陷和不足,具体表现在以下几个方面:(1)传统的稳态零序电流比幅法不仅受线路长短的影响,而且受过渡电阻大小的影响。尤其是当系统中某条线路远远比其他线路长时,此时该线路的分布电容与系统总的分布电容比较接近,用传统的稳态零序电流比幅法容易发生误判。(2)对于中性点经消弧线圈接地的系统,故障线路流过的零序电流为全系统非故障线路容性零序电流和消弧线圈所产生的感性零序电流之和,由于容性零序电流和感性零序电流相位相反,这就造成故障时故障线路的零序电流会因为过补偿而减小,且随消弧线圈的补偿状态(过补偿、欠补偿、完全补偿)不同,零序电流的大小和方向都有可能发生变化,从而造成原来的判据容易发生误判。以上的分析表明传统零序电流比幅法在多分支配电网中精度不够,主要原因是在多分支线路下,故障线路与非故障线路的零序电流幅值差别不是很大,且规律性不强,容易导致误判。因此本文提出利用“差流”与长度的比值来拉大故障线路与非故障线路之间的差距,使得判据更加明显,以提高区间定位精度。所谓差流就是线路始末两端的零序电流差,该值即为线路本身的零序电流值,其大小与线路长度成正比,为了消除各分支线路长短的影响,仍然利用差流与长度的比值计算得到各分支线路的单位零序差流,其计算公式如下:式中:为线路差流;为线路始端零序电流;为线路末端零序电流;L为线路长度;I为线路单位零序差流幅值。分析表明非故障线路的单位零序差流近似相等,故障线路两端的零序电流与其下游分支线路的长度相关,其单位零序差流与非故障线路不同,根据故障分支和中性点接地点方式的不同,该值虽有变化但仍旧与非故障线路单位零序差流的差别较大,因此以单位零序电流作为故障区间定位的新判据可拉大故障线路和非故障线路之间的差距,再根据各线路单位零序差流幅值之间的差异来定位故障区间。3单位零序差流法仿真为了验证单位零序差流原理的准确性,本文对不同过渡电阻、不同分支线路、不同中性点接地方式等情况进行仿真。利用PSCAD搭建的配电网模型如图6所示。线路模型采用Bergeron模型,采样频率为100kHz,仿真时间0.35s,具体仿真参数如下:线路长度分别为:LAB=30km,LCD=35km,LEf=26km,LGH=28km,LKL=28km;线路正序参数为:R1=0.3629×10-4Ω/m,ωL1=0.5031×10-3Ω/m,;线路零序参数为:R0=0.37958×10-3Ω/m,ωL0=0.13277×10-2Ω/m,;系统阻抗为:Z0=0.1121+j6.723Ω/km。当中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障时,一般选择补偿度P为5%～10%。本算例采用消弧线圈过补偿方式,补偿度P设为10%。以下仿真的时间均为0.35s,在0.205s时分别在不同线路发生A相单相接地故障,分别对不同情况下的各分支零序电流进行计算验证。分析表1的数据可知,当中性点不接地时,非故障线路的单位零序差流近似相等;故障线路的单位零序差流大于非故障线路,两者之间的最大差距达到近6倍,而两者之间的最小差距也达到近5倍。当过渡电阻变大时,虽然单位零序差流幅值随之减小,但故障线路与非故障线路之间单位零序电流的差距却依旧明显。因此,利用单位零序差流法可准确判断出中性点不接地系统单相接地时的故障区间,此时该方法不受过渡电阻、线路长度等影响。分析表2的数据可知,当中性点经消弧线圈接地时,非故障线路的单位零序差流近似相等;故障线路的单位零序差流大于非故障线路,两者之间的差距相比中性点不接地时有所减小,最大时差距达到3倍左右,而两者之间的最小差距也达到2倍左右。当过渡电阻变大时,虽然单位零序差流幅值随之减小,但故障线路与非故障线路之间的差距却依旧明显。因此,利用单位零序差流法可准确判断出中性点经消弧线圈接地系统单相接地时的故障区间,此时该方法不受过渡电阻、线路长度等影响。4基本概念定位原理本文对中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统发生单相