中性点经消弧线圈并联中值电阻接地方式的研究*

doi:10.11985/2021.04.020

中性点经消弧线圈并联中值电阻接地方式的研究^*

叶远波^,¹, 汪胜和^,¹, 黄太贵^,¹, 魏立新^,²

1.国网安徽省电力有限公司合肥 230022

2.思源电气股份有限公司上海 201108

Study on Grounding Mode of Neutral Point through Arc Suppression Coil in Parallel with Median Resistance

YE Yuanbo^,¹, WANG Shenghe^,¹, HUANG Taigui^,¹, WEI Lixin^,²

1. State Grid Anhui Electric Power Co., Ltd., Hefei 230022

2. Sieyuan Electric Co., Ltd., Shanghai 201108

收稿日期: 2020-12-20 修回日期: 2021-10-8

基金资助:

* 国家电网公司科技资助项目. 52120018004L

Received: 2020-12-20 Revised: 2021-10-8

作者简介 About authors

叶远波,男,1973年生,硕士,教授级高级工程师。主要研究方向为电力系统继电保护。E-mail： yeyb7079@ah.sgcc.com.cn

汪胜和,男,1971年生,硕士,高级工程师。主要研究方向为电力系统自动化。E-mail： wangsh5518@ah.sgcc.com.cn

黄太贵,男,1963年生,硕士,教授级高级工程师。主要研究方向为电力系统自动化。E-mail： huangtg2053@ah.sgcc.com.cn

魏立新,男,1979年生,高级工程师。主要研究方向为变电站自动化、电力系统接地故障保护等。E-mail： wlx@sieyuan.com

摘要

针对传统中性点接地方式容易导致过补偿和欠补偿问题,接地故障定位误差较大的问题,设计出一种新型中性点接地方式,通过有源消弧技术并联中值电阻的方式解决故障电流过补偿和欠补偿问题,利用加权多源点最短路径算法(Floyd算法)进行单相接地故障定位,能够对多条输电线路同时进行故障定位处理。通过对比验证分析,比较三种不同接地方式的最大故障电流曲线和误差分析曲线,发现所提方法在故障电流处理最稳定,故障电流只在15~20 A之间,而且故障定位误差率最高不到3%,从而验证了所提接地方式性能的优越性,证明了本设计方案的可行性。

关键词： 有源消弧技术 ; 并联中值电阻接地方式 ; Floyd故障定位算法

Abstract

The traditional neutral grounding method is easy to lead to over-compensation and under-compensation, and the location error of grounding fault is large. A new neutral grounding method is designed to solve the problem of over-compensation and under-compensation of fault current by using active arc suppression technique and parallel connection of median resistance, single-phase-to-ground fault location based on the weighted multi-source shortest path algorithm (Floyd algorithm) can be used for fault location of multiple transmission lines. Finally, by comparing the maximum fault current curve and error analysis curve of three different grounding modes, it is found that the fault current of the proposed method is the most stable, and the fault current is only between 15 A and 20 A, the maximum error rate of fault location is less than 3%, which proves the superiority of the grounding mode and the feasibility of the design.

Keywords： Active arc suppression technology ; grounding mode of parallel median resistance ; Floyd fault location algorithm

PDF (424KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

叶远波, 汪胜和, 黄太贵, 魏立新. 中性点经消弧线圈并联中值电阻接地方式的研究^*. 电气工程学报[J], 2021, 16(4): 159-165 doi:10.11985/2021.04.020

YE Yuanbo, WANG Shenghe, HUANG Taigui, WEI Lixin. Study on Grounding Mode of Neutral Point through Arc Suppression Coil in Parallel with Median Resistance. Journal of Electrical Engineering[J], 2021, 16(4): 159-165 doi:10.11985/2021.04.020

1 引言

目前变电线路接地短路故障频发,传统解决方法大都是通过消弧线圈对故障节点进行电流补偿,但是这种方法无法精准辨别故障位置,从而无法保证供电系统的安全运行,而且这种方法容易造成过压补偿,从而影响整个电力系统的安全监测。

通过大量试验分析,各电力公司设计了多种应对中性点接地故障方案,文献[1]利用多端柔性直流系统接地的方式。这种方法采用星形联结的方式,在中性点接地的基础上计算得出输电线路接地故障位置,但是这种接地故障定位方式使用范围有限,不具有普遍适用性;文献[2]采用微电网接地方式进行接地故障定位,通过建立微电网为接地故障提供足够的电流保护。这种方案在欠电流和过电流条件下都没有超过安全阈值,能够快速定位接地故障位置并进行切除。但这种方法需要建立复杂的微电网,需要大量的微电源,耗时较长,花费较大^[3]。

根据上述接地方法存在的问题,本研究在消弧线圈的基础上加入恒流源,然后在接地线路并联中值电阻,从而实现单相接地故障的消弧处理和接地故障线路的定位,通过有源消弧技术完成电路接地故障的调节,利用Floyd故障定位算法完成故障的定位,从而保证线路的稳定运行^[4]。

2 消弧线圈接地系统分析

通过消弧线圈的电感作用可以对接地短路故障进行电磁消弧,产生的电感电流与接地电流大小相同,方向相反,这可以为接地电流提供保护,不会导致跳闸,避免瞬间停电事故,具备消弧线圈的线路能够消除接地故障引发的电弧过电压,解决配电网谐磁共振问题^[5]。在20 kV配电系统中,消弧线圈能够有效解决单相接地故障问题^[6]。消弧线圈在输电线路的应用如图1所示。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 消弧线圈接地电路图

消弧线圈补偿接地电流改变了输电线路的零序分布,导致接地故障电流差值只有5~6 A,难以判断接地故障线路准确位置^[7]。另外,单相接地故障导致的电阻变化范围较大,导致了接地部位电压幅值和相位的变化,间接引起单相回路电流大范围变化,从而更增大了电力选线识别难度^[8]。

通过消弧线圈进行单相故障诊断,在大多数配电网中成功率并不是很高,普遍在40%~50%,主要在于消弧线圈更换频繁、对单相接地电弧无法完全消除、接地电压幅值较大等问题仍无法解决^[9]。

3 并联中值电阻接地方式分析

本文在消弧线圈的基础上并联了中值电阻,能够在线路发生接地故障时进行精确识别定位^[10]。对故障零序电路进行电流数据采集,经过计算机处理分析,然后确定中值电阻的规格,经过中值电阻缓冲之后断开。中值电阻能够在此基础上区分电路中的电流,使电流运行产生时间差,方便利用算法进行定位。消弧线圈搭配中值电阻电路图如图2所示。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 消弧线圈和中值电阻结合电路图

从图2中箭头的方向能够判断电流流向,并联中值电阻需要根据线路故障威胁的大小判断所用规格,延时时间一般小于1 s,经过计算机采样得到故障电路前后的零序电流,采样结束通过中控开关切断中值电阻,在上述过程的基础上进行Floyd计算,确定最短节点距离,完成定位^[11]。当系统处于正常运行状态下,根据图2利用电气原理分析,在欧姆定律的基础上根据电路串并联关系得到输送电流的计算公式为

(1)$I = \frac{{e\omega C{g_d}}}{{\sqrt {{{\left( {{g_0} + {g_d}} \right)}^2} + {x^2}} }}$

式中,I表示配电网输入的正常电流;e表示输电线路三相中接地相的电压;g_d表示电流通过线路的困难程度,即导纳;g₀表示并联电阻之后输电线路的导纳;x表示线路正常运行电流流经速度与故障部位流经速度的差值;ω表示三相电压的相角频率;C表示电路正常运行状态下的接地电容^[12]。

输电线路电流出现阻碍,即出现故障点位置,在基尔霍夫定律找到应变电流的伏安特性,从而得到堆积电流为

(2)$I' = \frac{{e{g_d}\sqrt {g_0^2 + {{\left( {x - \omega C'} \right)}^2}} }}{{{{\left( {{g_0} + {g_d}} \right)}^2} + {x^2}}}$

式中,$I'$表示输电线路接地短路堆积电流;$C'$表示接地故障发生后的接地电容。

通过电路的堆积电流,根据故障点出现前后电流的变化,可以计算出输电线路电流变化量的比值为

(3)$\delta = \frac{{\Delta {I_i}}}{{\Delta {I_j}}}{\rm{ \times }}\frac{{{I_j}}}{{{I_i}}}$

式中,ΔI_i表示配电网正常运行下的输电线路第i条电路的电流变化量;ΔI_j表示第j条电路的电流变化量;I_j表示输电线路接地故障第j条电路的电流值;I_i表示第i条电路的电流值^[13]。

当配电输送系统未发生故障时,中值电阻两端电流大致相同,即I_i≈I_j,电流增大也是同比例增大的,即$\delta = \frac{{{I_i}}}{{{I_j}}} \approx 1$,当发现电流系数计算结果发生偏差,即δ≠1的情况,则判断线路发生接地故障。在故障线路出线位置找到故障走线,确定发生故障的线路的k因子,根据出线的线路系数k因子定位接地故障线路。

(4)$k = \frac{{{I_0}}}{{{I_d}}}$

式中,I₀表示输电线路零序电流;I_d表示接地故障电流。在输电系统正常运行时,k值与线路的输送距离和三相电流值关系不大,与架设线路的阻值有关;当发生接地故障时,k因子就会受到线路和系统的影响,经过并联电阻的调节之后,线路电流就会流向接地线路,从而使故障线路电流增大,从而判断出故障线路的位置^[14]。

4 有源消弧技术

针对消弧线圈无法彻底消除故障线路电流残弧的问题,本文采用有源消弧技术,向输电系统输入一个恒流源,通过计算机对其幅值和相角进行控制,称为有源控制^[15]。

本文设计的有源消弧技术通过有源消弧算法对接地故障电流进行数据分析,通过有源消弧装置对接地故障线路消弧处理。有源消弧算法能够保证线路发生接地故障时接地电压和故障电压趋于平衡。有源消弧装置主要作用是为输电线路提供可控的恒流源,使电路发生接地故障时能够及时进行电流补偿。在消弧线圈技术的基础上增加恒流源得到电路如图3所示。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 有源消弧技术电路图

图3中,S表示输送电流基站,T表示靠近发电基站变压装置,R_L表示近地侧接中值电阻的阻值,L表示线路接地故障外加消弧线圈,${\dot I_i}$表示经过逆变器的电流向量,R_d表示负荷端接地电阻。

有源消弧技术通过增加恒流源的方式对故障电流进行补偿,要比只有消弧线圈的电路更加稳定,能够解决单个消弧线圈间歇性做功的问题^[16]。恒流源的相角裕度γ=+45°,幅值裕度为20lgK_g≥15 dB,通过脉宽调制逆变器进行恒流源的幅值和相角控制,使电路符合相角条件,从而避免接地故障电流的欠补偿和过补偿。

5 Floyd故障定位算法

为精确定位故障线路,本文采用Floyd故障定位算法,该算法能够根据接地故障前后电流的变化自动完成矩阵化处理,使电流变化清晰地表达出来,从而完成故障电路的选线处理^[17]。

输电线路发生接地故障时,由于接地短路故障点电流沿最短线路输送到接地线路,使接地线路点电流极速升高,电路输送电能初始时间节点与发生故障点的时间关系为

(5)$k = \frac{{{I_0}}}{{{I_d}}}$

式中,t_i表示电路电流发生变化的时间点;t₀表示接地故障初始时刻;L_fi表示电能在故障时间内经过的线路长度;v表示电流流经的速度^[18]。

由式(5)可知,不同接地故障位置电流输送的线路长度不同,在不同的接地故障位置,接地电流经过故障点也难以判断故障位置。但是根据两个故障点通过电流的时间可以得到接地故障发生的时刻,而且时刻不会存在太大误差。接地电流如果未经过故障点计算得到的时刻会产生较大出入^[19]。通过式(6)可以计算两个时间节点发生故障的线路长度。

(6)$\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{{L_{Af}} = \left[ {{L_1} + \left( {{t_A} - {t_B}} \right)v} \right]/2}\\{{L_{Bf}} = \left[ {{L_1} + \left( {{t_B} - {t_A}} \right)v} \right]/2}\end{array}} \right.$

式中,L_Af表示接地故障节点到下一故障测量点A的距离;L_Bf表示另一线路到达故障测量点B的线路距离。根据式(5),将式(6)中t_A和t_B用初始时刻表示为

(7)$\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{{t_A} = {t_0} + {L_{Af}}/v}\\{{t_B} = {t_0} + {L_{Bf}}/v}\end{array}} \right.$

根据式(6)、(7)得到接地故障的精确时间节点如下

(8)$t_0^{AB} = \left( {{t_A} + {t_B} - {L_1}/v} \right)/2 = {t_0}$

式中,$t_0^{AB}$为两个故障点之间电能输送耗费的时间。根据上述可以得到接地故障电路AB两点的精确时间节点,同理可得AC之间的故障节点为

(9)$t_0^{AC} = \left( {{t_A} + {t_C} - \left( {{L_1} + {L_2}} \right)/v} \right)/2 = {t_0}$

当配电网两处节点没有发生电流变化,则两个测量点流经电流的时间为

(10)$t_0^{BC} = \left( {{t_B} + {t_C} - {L_2}/v} \right)/2 = {t_B}$

对式(8)~(10)进行比较可以发现,$t_0^{AB}$=$t_0^{AC}$<$t_0^{BC}$,可以验证上述分析结论的成立,且$t_0^{AB}$=$t_0^{AC}$为输电线路接地故障发生的时间节点,而$t_0^{BC}$时刻为BC处于正常电能输送状态。可以假设未经过计算的正常线路为可能故障节点,通过计算各节点的时间确定故障线路位置。根据式(8)~(10)的规律可以发现,需要确定两个可能故障发生位置,通过计算两个节点的时间,从而确定故障发生位置。多条输电线路两个时间节点流经电能所需时间

(11)$t_0^{XY} = \left( {{t_X} + {t_Y} - {L_{XY}}/v} \right)/2$

式中,$t_0^{XY}$表示任意输电线路两个测量时间故障节点输送电能时间;t_X、t_Y分别表示初始测量节点和末端时间测量节点;L_XY为两测量节点的最短线路长度^[20]。

测量点的线路长度

(12)${L_{AB}} = \sum\limits_{i = 1}^n {\left| {{t_{Ai}} - {t_{Bi}}} \right|} i$

式中,t_Ai表示第i条输电线路在A测量节点发生故障时电流通过的时间,t_Bi表示第i条输电线路在B测量节点发生故障时电流通过的时间。

输电线路发生多条线路接地故障需要进行矩阵化处理,通过多个节点的可能性接地故障节点得到测量点之间的距离矩阵

(13)$A = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}}0&{{d_{AB}}}&{{d_{AC}}}&\infty \\{{d_{AB}}}&0&\infty &{{d_{BD}}}\\{{d_{AC}}}&\infty &0&{{d_{CD}}}\\\infty &{{d_{BD}}}&{{d_{CD}}}&0\end{array}} \right]$

式中,d_ij为输电线路相邻故障节点的线路长度;$\infty$表示两个相邻接地故障节点无电阻干扰。

当接地故障发生瞬间存在一个故障点时间最小值记为t_min,而经过一段线路之后得到其他电路时间节点t_i,两者的差值为

(14)${t_i} - {t_{\min }} \le {t_{set}}$

通过计算时间上的差值能够更快找到线路接地故障位置,从而方便后续线路的维护。

6 试验结果与分析

本研究在Intel7500+128GB内存+320GB硬盘+千兆以太网卡+万兆局域网的计算机仿真环境下进行,试验温度为20~40 ℃,工作频率为50~70 Hz,输入电流为1 500 mA,通过中值电阻计算公式确定中值电阻数值为

(15)${R_{mid}} = {R_\varphi } = E/{I_g} = {R_g} + r + {R_0}$

根据计算结果分析本文采用RT03系列中值电阻器验证本研究对接地故障的准确定位功能,在同等试验环境下,将文献[1]多端柔性直流系统接地和文献[2]微电网接地方式的试验结果作为对照,明确分析三种方案在Floyd算法下得出的结果,并且针对三种方案的误差进行对比,最终得出结论,列出三种接地方式试验数据如表1所示^[21]。

表1 三种接地方式试验结果

接地方式	故障节点	稳定性/dB	误差(%)
本研究	单相接地	1.0	0.011
文献1	单相接地	2.5	0.124
文献2	单相接地	3.6	0.086

新窗口打开| 下载CSV

通过实地考察和参阅资料,选择某地区的多条输电线路作为试验线路,对线路节点设置三相不同方式接地故障,通过Floyd算法定位故障位置和节点距离获取多组试验数据,最终得到各故障节点发生故障位置如表2所示。

表2 接地故障节点位置

故障点	故障区间	Floyd故障点	Floyd定位距离/km
F1	1~3	L=403.33 m	0.78
F2	2~5	单相接地故障	12.63
F3	3~6	母线2接地故障	25.32
F4	4~8	母线2接地故障	21.35

新窗口打开| 下载CSV

根据现场试验记录数据,通过电路原理结合式(1)和式(2)得到故障电流幅值,根据并联中值电阻的大小变化得到三种不同消弧方法故障电流的变化曲线如图4所示。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4 三种不同消弧方法故障电流变化曲线

分析三种不同消弧方法故障电流的变化,可以发现本研究方法中故障电流幅值随着并联中值电阻的增大一直保持在15~20 A,超过200 A就会趋于零。而另外两种消弧方法的故障电流分别在35 A和45 A上下,而且随着并联中值电阻的增加,两种消弧方法的故障电流是逐渐减小的,这容易导致系统崩溃,使线路输电失稳^[22]。可以发现本研究所用的有源消弧方法比较稳定,针对线路接地故障能够保证稳定有效地去除残流。

本文研究的新型接地方式在有源消弧技术和中值电阻的结合下,经过Floyd算法计算出各故障节点位置,为验证设计方案的正确率,对系统存在的误差可以用式(16)分析

(16)$\delta {\rm{ = }}\Delta {I_{\max }}/I \times 100\%$

式中,ΔI_max表示配电网故障节点发生故障前后电流最大差值;I表示正常输电线路输送到电流值^[23]。

对三种不同方案的接地方式进行误差分析,通过式(16)计算误差结果,根据三种方案的误差结果画出误差分析曲线如图5所示。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5 三种不同方案误差分析

从图5可以看出本研究接地方式误差最低,最大误差不到3%,而另外两种方案误差都达到8%以上;而且随着设备运行的稳定本研究误差逐渐趋向稳定,方案1误差波动较大,随着时间的增加最终稳定在8%,方案2误差曲线坡度较大,表明误差增加较快,对接地方式的处理存在明显偏差^[24]。

综上所述,本研究接地方式对故障电流处理更加有效、稳定,误差更小,性能明显优于另外两种方法,能够解决传统接地方式故障定位不够准确的问题,避免故障电流的过补偿和欠补偿,证实了本研究方案的可行性。

7 结论

本文设计的接地方式在原有消弧线圈的基础上引用了恒流源,通过并联中值电阻使整个补偿系统能够更加全面,解决了传统接地方式对故障电流的补偿不完全问题;利用Floyd算法的精准定位功能,解决了输电线路故障节点定位不准确的问题。经验证本研究相对于传统方法更加具有优势,主要得出以下结论。

(1) 利用有源消弧技术和中值电阻相结合的方式解决故障电流过补偿和欠补偿问题,使输电线路更加稳定。

(2) 在接地方式的基础上利用Floyd故障定位算法,对输电线路的接地故障进行定位,使电站能够及时进行线路调整和后期维护。

在试验中,本设备消弧线圈和中值电阻更换频繁、成本较大,对单条输电线路接地故障无法完成电流补偿,这也是需要进一步的研究方向。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

陈仕龙, 李建平, 谢佳伟, 等.

利用模量传输时间差的特高压直流线路故障测距

[J]. 电力系统及其自动化学报, 2016, 28(8):20-24.

[本文引用: 2]

CHEN

Shilong

, LI

Jianping

, XIE

Jiawei

, et al.

Single-ended fault location for UHVDC transmission line based on propagation time gap between zero and aerial mode

[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2016, 28(8):20-24.

[本文引用: 2]

[2]

李自乾, 樊艳芳, 胡剑生.

不受波速影响的特高压直流输电线路单端故障测距方法

[J]. 电力系统保护与控制, 2018, 46(18):142-148.

[本文引用: 2]

Ziqian

, FAN

Yanfang

, HU

Jiansheng

Single terminal fault location method of UHVDC transmission line immune to wave speed

[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(18):142-148.

[本文引用: 2]

[3]

刘晓琴, 王大志, 江雪晨, 等.

利用行波到达时差关系的配电网故障定位算法

[J]. 中国电机工程学报, 2017, 37(14):4109-4115.