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第39卷第17期2011年9月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlV01.39No.17Sept.1.2011基于接地阻抗判断的配网自适应接地选线新技术毛幸远,陈晓敏(1.福建水利电力职业技术学院,福建永安366000;2.福建省电力有限公司输变电设备检修分公司,福建福州350002)摘要:分析了中压配网发生单相接地故障后接地阻抗对暂态电气量和接地选线的影响,提出了根据接地阻抗的大小自适应选取不同选线判据的选线新思路介绍了小波特征频段选取方法与基于小波特征频段信号的暂态无功选线判据,以及利用故障相暂态对地电压的暂态有功能量选线判据计算方法。最后利用ATP电磁暂态仿真软件搭建了单相接地故障的仿真模型,仿真结果表明,自适应选线技术在不同接地阻抗的情况下能够有效、可靠地选择出故障线路,解决了目前选线技术无法有效地适应不同接地阻抗的技术瓶颈。关键词:接地阻抗;中压配电网;自适应性;选线AnewadaptiontechnologyoflineselectionbasedOiljudgementofgroundingimpedanceformediumvoltagedistributionnetwork—MAOXingyuan1.—CHENXiaorain2(1.FujianCollegeofWaterConservancyandElectricPower,Yongan366000,China;2.PowerTransmission&SubstmionEquipmentMaintenanceBranchofFujianElectricPowerCompanyLimited,Fuzhou350002,China)Abstract:Thispaperanalyzestheeffectsofgroundingimpedanceontransientelectricalvalueandlineselectionwhenthemediumvoltagedistributionfallsintosingle-phasegrounding,andanewideaoflineselectionwithadaptabilityaccordingtogroundingimpedanceisproposed.Theselectionmethodofwaveletcharacteristicfrequencybandandfrequencylineselectioncriterionoftransientreactivepowerinthebandareintroduced,andthecriterionbasedontransientactivepowerusingtransientvoltagebetweenfaultphaseandgroundisexpounded.Finally,theATPsof—twareisusedtobuildthesimulationmodelofsinglephasegrounding.Thesimulmionshowsthatthisnewadaptiontechnologyiscredibleforlineselectionunderdifferentgroundingimpedanceconditions,andtheproblemthatcurrentmethodsoflineselectioncannotadjusttodifferentgroundingimpedancesissolved.efficiently.Keywords:groundingimpedance;mediumvoltagedistribution;adaptability;lineselection中图分类号:TM77文献标识码:A——文章编号:16743415(2011)17-0109050引言随着中压配电网架的扩展,系统对地电容容量不断增大,为了解决单相接地后电弧不易熄灭而容易诱发过电压的问题,中性点经消弧线圈接地中压配网在国内得到了较大程度的推广L1之J。但是中性点接入消弧线圈后,在抵偿对地电容电流的同时,也给接地选线技术带来了较大的挑战。经消弧线圈接地中压配网发生单相接地后存在较为复杂的暂态过程ljJ,其电气暂态量受接地阻抗大小的影响很大。永久性单相接地故障大多由配电网对地绝缘劣化造成,而接地故障阻抗的大小具有一定的统计性(主要与劣化的对地绝缘介质等因素有关),从而使得故障电气暂态量的幅值变化范围较大。实际运行数据与理论分析表明,采用一种选线技术往往无法适应不同大小接地阻抗的接地选线~1,选线的总体可靠度具有较大的局限性。以下就基于接地阻抗判断的白适应选线技术进行阐述。1接地阻抗对故障电气暂态量和选线的影响分析中性点经消弧线圈接地的中压配网发生单相接地后,在对地电容与消弧线圈等动态冗件的作用下,经Karrenbauer变换后的0模电流暂态分量主要由电感电流暂态分量与电容电流自由振荡分量构成I引。前者为单相接地故障后电源中性点对地电压升高引起的电感直流分量;后者为接地故障相对地电压下降引起的故障相电容对地放电电流,以及非故障相.110.电力系统保护与控制对地电压升高引起的非故障相电容充电电流。以上暂态量的产生可以等效于在发生单相接地故障时,在电网0模网络故障点处突然施加了一个0模电压而引起的暂态过程,0模等效电路如图1所示。图10模等效电路图Fig.1Zeromodelequalcircuit图I中,R。为0模回路中的等值电阻(其中包括故障点接地阻抗中的电阻成份);c为配电网三相对地电容;L0主要为三相线路和电源变压器等在0模回路中的等值电感;、分别为消弧线圈的“’有功损耗电阻和电感;0为0模电源电压,为0’’模电流暂态分量,为电感电流暂态分量,为电容电流自由振荡分量;s为开关(在发生接地故障时瞬间闭合)。0模电流暂态分量的幅值和频率主要由电容电流自由振荡分量确定J,其计算方法如式(1)所示。…,,、’fc=lsinrpsinwrt-cOS(ffCOSwftle(1)\、W/’式(1)中:fr为电容电流自由振荡分量;L为稳态电容电流幅值;为接地瞬间的电源电压相位角;W为电源电压角频率;为电容电流自由振荡分量的衰减系数;为电容电流自由振荡分量角频率。与的计算方法如式(2)与式(3)所示。::(2)2(3)由式(2)与式(3)可见,由于C与为中压配网已知量,衰减系数与角频率wf主要与故障接地电阻有关;又由于对地绝缘劣化引起单相接地故障大多发生在电源电压峰值附近,即约等价为±7t/2,由式(1)可见电容电流自由振荡分量’fr的暂态幅值主要与和有关。因此,当故障点接地阻抗(主要为阻性成份)较小也即较小时,较小和较大,而较小的和较大的将形成高暂态幅值的电容电流自由振荡分量,从而产生较大幅值的暂态0模电流,对于架空线路其幅值经计算约为稳态幅值的6倍至30倍,暂态过程较显著;但是当发生高阻抗接地时,较大和wf很小,暂态0模电流很微弱。对于母线的0模电压和故障相对地电压两个暂态电气量,故障接地阻抗较小时,由于0模电源电压甜0在接地阻抗的分压很小,使得母线处的暂态0模电压很大而故障相的暂态对地电压仍保持在相电压附近;同理,高阻接地时刚好相反。由上可见,3个暂态电气量的幅值受接地阻抗的影响较大,只利用暂态0模电流与0模电压或只利用故障相暂态对地电压做为分析数据进行选线,将在高阻接地或低阻接地时由于数据信号较微弱而降低故障线路与健全线路的区别度,从而降低选线的可靠性,甚至造成误判。2中压配网自适应接地选线技术由第1节的分析可见,在接地故障选线前可预先设置一个选线电压门槛值(一般设为1.5kV),当母线暂态0模电压在一个工频内的均方根值大于门槛值时即认为发生了低阻接地故障,也即母线的暂态0模电压与线路暂态0模电流较大,而故障相的暂态对地电压较小,可以将前二者的实时采样数据做为选线的分析数据,利用小波分析优异的时频分率采用基于小波特征频带的暂态无功判据进行选线【6];相反,则认为发生了高阻接地故障,可以将故障相的暂态对地电压(配合线路暂态0模电流)的采样数据做为选线的分析数据,采用暂态有功能量判据进行选线。以下分别就两种选线判据进行介绍。2.1基于小波特征频带的暂态无功选线判据中压配电网发生单相永久性接地后,当频率处于某一频段(设为(,))时,所有健全线路检测阻抗均呈容性,均可以等效为集中参数电容,故障线路0模电流的极性与健全线路相反,且幅值Ⅵ比健全线路都大【。频率处于(,)时中压配网发生接地故障后的0模等效电路图如图2所示图2中,为故障接地线路,其余为健全线路;C(.…≠,=1,2,,,七)为各健全线路的等效电容;…(J=l,2,,,2)为各条线路的0模电流(正方向都规定为由母线流向线路);U为故障线路母线出口处的0模电压;为消弧线圈流过的0模电流;xh为消弧线圈的电感。毛幸远,等基于接地阻抗判断的配网自适应接地选线新技术.111_IC1。q——广]ICz,—————r]上lC3q————r_]3lcq—r]£n图2<w<W时配网接地故障的0模等效电路图Fig.2Zeromodelequalcircuitofdistributionwhen<W'(Wkc由于配网中最大两条线路的零序电容之和一般不会超过整个系统的89%I,经分析w约为2兀×200Hz。但中压馈线既有架空线路,又有电缆线路,或二者混合架设,且运行方式可能随时发生变化,w不易预先确定,也即选线特征量的频率范围不易确定。中压配网存在着非线性阻抗以及谐波源,故障后的暂态信号中的频率分量非常丰富,但在所有频率分量中必定存在一主频率,主频率的暂态信号能量最大,可以证明的是wm一定位于(,w)内。因此可利用小波方法对暂态信号进…行时频分析【l,先将暂态信息分解为数量较多的等频宽的区间频段,然后即可自动确定包含的能量最大区间频段。若令能量最大区间频段左边界、右边界角频率分别为Wm1与wm2,则可定义小波特征频段(WaveFeatureBandWFB)为2兀×250Hz<W<W一,,基分布示意图如图所示。m3WFR图3小波特征频段WFB的分布示意图Fig.3DistributionofWFBposition从图2见可,WFB位于特征频段(,w)内,因此利用小波分析提取出WFB频段内的暂态信号做为选线特征信号,能够充分利用有利于选线的暂态信号,很好地解决特任频段的右边界频率w不易确定的问题,从而在低阻接地的情况下能够准确地做出选线判断。根据WFB频段内暂态0模电流的极性与幅值特点可知,暂态无功功率从故障线路的零模电压源流向母线,再从母线流向健全线路与消弧线圈,因此故障线路的瞬时无功功率不仅流向与健全线路相反,且幅值比任一健全线路都大【j引。为了求得暂态无功功率,可先对母线0模电压WFB分量的离散值L/Ow(尼)进行Hilbert变换,得=㈩式(4)中:UOwh(七)为b/0w(尼)的Hilbert变换值;k△为故障发生后一个工频周期内的采样序列;为采样间隔。为每一线路设一比例常数G为=∑∑{h(尼)(忌)l/甜h(j})(5)式(5)中:,(尼)为第条线路的零模电流WFBⅣ分量离散值;为一个工频周期内的总采样点数。由式(4)、式(5)可得第,条线路的零模电流,的无功功率分量为‘lowjq()=/,/Owh(足)(6)因此,可将第,条线路的暂态无功功率瞬时值与暂态无功功率分别定义为’g,()=b/0wh(k)ioq(尼)(7):∑g(k)Ar(8)』k=l由式(7)、式(8)对线路暂态无功功率的定义,以及WFB频段暂态信号的含义可知,故障线路的值和Q值皆大于零,而健全线路皆小于零,且故障线路值和Q值的幅值皆大于健全线路。因此,将线路的值或Q值做为绝缘故障选线的判据是有效与可靠的。2.2暂态有功能量选线判据当故障接地电阻较大时,暂态0模电流与暂态0模电压的幅值很微弱,很容易受到互感器精度等其他外界因素的影响,分辨率较低,小波特征频带暂态选线法的精度受到影响而应给予屏蔽。此时可充分利用故障相的暂态对地电压仍保护较高的特点,定义第,条线路的暂态有功能量为:(k)ioj3u(k)iojAT(9)∑:(9)k=1式(9)中:。为母线处的故障相暂态对地电压,为第,条线路的暂态0模电流,二者皆为提取WFB分量之前的原始暂态信号。从式(9)可见,对于故障线路来说,相当于故障相电源对故障线路接地电阻提供的有功能量,有功电流从电源流经故障线路接地电阻后从大地、消弧线圈流回电源而形成回路,且按照电流的参考方向此故障线路的单相暂态能量应为正值[13-14]。而对于健全线路来说,其0模电流不包括以上所述的故障相电源在接地电阻上形成的电力系统保护与控制有功电流,只包含由接地处的0模电压源所提供的该健全线路暂态电流中的有功部分,由于该回路中主要为对地电容以及线路电感,因此有功电流部分很小。另一方面,由于故障相电压的方向与零序电压相反,所以式(9)对于健全线路所计算出的暂态能量为负。由此可见,可用式(9)在高阻接地时作为选线的判据j线路的单相暂态能量为正,且幅值最大者即为故障线路;相反,若单相暂态能量为负且幅值不是最大的线路则都为健全线路,从而提高了在高阻接地情况下选线的精准性。3自适应选线技术的仿真分析仿真分析采用电磁暂态仿真程序ATP建立一个含5条线路的接地故障模型,并用Matlab软件进行数据处理,仿真接线图如图4所示。.:薄.一L2Load2—————屯10kVLT—L4Load4弓——盈卜RT图4基千ATP软件的仿真模型接线图Fig;4SimulationcircuitbasedonATP图4中,L1-L5模块为5条架空线路(在L3线路上距首端8km处发生绝缘接地故障),架空线路的采用标准参数:Z1=(0.17+jo.38)Q/km,Bl=(j3.045)s/km,Zo(0.23+j1.72)Q/l(1Tl,bo=(i1.884)s/klTl,线路长度依次为8km、12km、18km、22km、26kmoRLC的正常负荷都设成参数为400+j20Q的阻抗元件。变压器模块T的变比为110/10.5kV,=35.63kW,R1=0.4Q,1=2.2Q,R2=0.006Q,L2_0.183Q;励磁电流为0.672A,励磁磁通为202.2Wb,磁路电阻为400kQ。消弧线圈的参数以8%过补偿设置,电感设为6.5H。故障初相角为90。,采样频率为9600Hz,瞬时性故障时间为.0 ̄0.02s;仿真一为低阻单相接地,故障接地电阻RG设置为50Q;仿真二为高阻单相接地,故障接地电阻RG设置为5000Q;进行ATP软件仿真后,仿真一的暂态0模电压在一个工频周期内的均方根值约为4.82kV(高于门槛值),因此自动诊断为发生了低阻单相接地故障,采用基于小波特征频带的暂态选线判据[1,判据量计算结果如表1所示;仿真二的暂态0模电压在一个工频周期内的均方根值约为0.87kV(低于门槛值),因此自动诊断为发生了高阻单相接地故障,采用基于暂态有功能量的选线判据,判据量计算结果如表2所示。表1基于小波特征频带的判据量≯Tab.1Criterionvaluebasedonwaveletcharacteristicband}表2基于暂态有功能量的判据量Tab.2Criterionvaluebasedontransientactivepower由表1可见,发生低阻接地时,只有故障线路L3的Q值为正,而健全线路皆为正,且Q2的绝对值明显大于健全线路,即利用基于小波特征频带的暂态无功选线判据可在低阻接地时准确地判断出故障线路L3;由表2可见,发生高阻接地时,只有故障线路L3的P值为正,而健全线路皆为正,且的绝对值明显大于健全线路,即利用暂态有功能量判据可在高阻接地时准确地判断出故障线路L3。值得一提的是,经仿真数据计算,仿真一(低阻接地)若采用暂态有功能量选线法,仿真二(高阻接地>若采用基于小波特征频带的暂态无功选线法,则由于分析信号微弱都出现了误判现象。因此,由仿真结果可见,通过判断接地阻抗大小而自适应地选择两种不同的暂态选线判据可明显地提高选线的准确性。4结语从以上的理论与仿真分析可见,发生单相低阻接地时,中压配网的对地电容存在着明显的充放电暂态过程,暂态0模电流与暂态0模电压的幅值较大,利用二者的采样数据并采用基于小波特征频带的暂态无功选线判据可准确地判断出故障线路;而发生高阻接地时,故障相的暂态对地电压较大,采用暂态有功能量选线判据可有效地利用这一暂态电气量准确地选择出故障线路。由此,通过计算暂态0模电压的大小从而判断低阻接地与高阻接地的两种不同故障类型,自适应地选择与故障类型对应的两种不同暂态选线法可显著地提高选线的准确性与总体可靠度,解决了目前选线法无法在不同接地阻毛幸远,等基于接地阻抗判断的配网自适应接地选线新技术.113.抗下保持较高准确度的技术问题。参考文献[1]赵智大.高电压技术[M】.北京:中围电力出版社,2006.[2]贺家李,宋从矩.电力系统继电保护原理『M].北京:中国电力出版社,1994.[3]要焕年,营梅月.电力系统谐振接地【M】.北京:中国电力出版社,2009.5.[4]肖白,穆钢,黎平,等.配电网单相接地故障选线方案[J].继电器,2005,33(24):1-5.XIAOBai,MUGang,LIPing,eta1.Projectoffaultlinedetectionforsingle・-phase-・to・-earthindistributionsystem[J].Relay,2005,33(24):25.[5]郭清滔,吴田.小电流接地系统故障选线方法综述[J].电力系统保护与控制,2010,38(2):146.151.—GUOQingtao,WUTian.Surveyofthemethodstoselectfoultlineinneutralpointineffectivelygroundedpowersystem[J].PowerSystemProtectionandControl,20l0,38(2):146.151.[6]王军芬,康怡,韩钧,等.基于小波包的配电网单相接地故障判别fJ1.继电器,2005,33(24):10.15.WANGJun.fen,KANGYi,HANJun,eta1.Selectionon—singlephasetogroundfoultlinebasedonWavelet—packets[J].Relay,2005,33(24):1015.[7]薛永端.基于暂态特征信息的配电网单相接地故障检测研究[D】.西安:西安交通大学,2003.[8]MatllatS,HwangWL.Singularity,detectionandprocessingwithwavelets[J].IEEETransonInformationTheory,1992.38(2):617-643.[9]MmllmS,ZhongS.Charicterizationofsignalsfrommultiscaleedges[J].IEEETransonPetenandMachineIntelligence,1992,14(7):710・732.[1O]王耀南,霍百林,王辉,等.基于小波包的小电流接地故障选线新叛据『J】.中国电机工程学报,2004,24(6):58.62.WANGYao.nan,HU0Bai.1in,NGHui,eta1.Anewcriterionforearthfaultlineselectionbasedonwaveletpacketsinsmallcurrentneutralgroundingsystem[J].—ProceedingsoftheCSEE,2004,24(6):5862.[11]毛鹏,孙雅明,张兆宁,等.小波包在配电网单相接地故障选线中的应用[J】1电网技术,2000,26(4):9一l3,17.MAOPeng,SUNYa-ming,ZHANGZhao-ning,eta1.——Waveletspacketbaseddetectionofphasetogroundfaultindistributionautomationsystem[J].PowerSystemTechnology,2000,26(4):9-13,17.[12]薛永端,徐丙垠,陈羽,等.小电流接地故障暂态监测新技术[J1.电力设备,2004,5(6):29.33.—XUEYong-duan,XUBingyin,CHENYu,eta1.Newtechnlolgyoffaulttransientmonitoringforsmallcunentneutralgroundingsystem[J].EletricalEquipment,2004,5(6):29.33.[13]朱丹,贾雅君,蔡旭.暂态能量法选线『J1.电力自动化设备,2004,24(3):75.78.ZHUDan,JIAYa-jun,CAIXu.Transientenergyto—detectsinglephaseearthingfault[J].ElectricPower—AutomationEquipment,2004,24(3):7578.[14]薛金娃.零序有功选线与消弧线圈接地系统单相接地故障处理过程优化【J].继电器,2004,32(2):61.63.—XUEJinwa.Faultlinedetectingwithzerosequenceactivepowerandoptimizationofsinglephasegroundingfaultdisposingprocesswithneutralgroundingviaarcextingwishingcoilsystem[J].Relay,2004,32(2):61-63.[15]关履泰.小波方法与应用【M】.北京:高等教育出版社,2007.收稿日期:作者简介:2010-09-16;修回日期:2010-11-27毛幸远(1975一),面的教学与研究工作;陈晓敏(1981一),女,讲师,从事电力系统继电保护方—Email:13328580922@189.Cn女,本科,研究方向为继电保护。(上接第108页continuedfrompage108)收稿日期;2010-09-02;修回日期:2010-1卜O8作者简介:党震字(1983-),男,工程师,从事供配电工程设计和—研究工作;Email:dangdang830101@yahoo.com.ca刘智铭(1983一),男,在读研究生,研究方向为非线性理论在电力系统中的应用;张晓字(1983一),男,硕士,研究领域为电力系统及其自动化。
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