基于电压-时间型重合器的配电网单相接地故障自动隔离技术研究.pdf

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基于电压-时间型重合器的配电网单相接地故障自动隔离技术研究1 基于电压-时间型重合器的配电网单相接地故障自动隔离技术研究2 基于电压-时间型重合器的配电网单相接地故障自动隔离技术研究3 基于电压-时间型重合器的配电网单相接地故障自动隔离技术研究4 基于电压-时间型重合器的配电网单相接地故障自动隔离技术研究5
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第38卷第1期2010年1月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlV01.38NO.1Jan.1.20l0基于电压一时间型重合器的配电网单相接地故障自动隔离技术研究.齐郑,高玉华,孙海新,岂小梅,赵晓东,张衡(1.华北电力大学电气与电子工程学院,北京1022063.内蒙古超高压供电局,内蒙古呼和浩特O10080;2.沧州供电公司,河北沧州061000;4.宁夏电力调度中心,宁夏银川750001)摘要:提出了利用选线装置与电压一时间型线路重合器相配合,实现单相接地故障自动隔离与非故障区段自动恢复供电的新技术。讨论了选线装置与电压一时间型线路重合器的配合工作方式,通过第一次重合闸确定故障区段,通过第二次重合闸隔离故障区段。该技术能够快速选出故障线路并隔离该故障区段,有利于故障快速消除,提高系统运行的安全性、可靠性,同时为快速准确的故障定4E4,]造条件现场的实际运行充分验证了该技术的正确性与可行性。关键词:小电流接地系统;单相接地故障选线;电压一时间型重合器;重合闸Technologyresearchoffaultautomaticisolationindistributedsingle--phase・・to-・groundbasedonvoltage-timetyperecloser—’——Q1Zheng,GAOYuhuaSUNHaixin2,QIXiao-mei,ZHAOXiaodong,ZHANGHeng4(1.DepartmentofElectricPowerEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China;2.CangzhouPowerSupplyCorporation,Cangzhou061000,China;3.MongoliaEHVPowerSupplyBureau,Hohhot010080,China;4.NingxiaElectricPowerDispatchingCenter,Yinchuan750001,China)—Abstract:Anewmethodispresentedbycombiningfaultlinedetectionandautomaticreclosertoachievesinglephasegrounding—fauhinsulationandresumenonfaultsectionautomatically.Thispaperdiscussesconjunctivemodebetweenfaultlinedetectionandautomaticrecloser,i.e.throughrecloserdeterminingfaultsectionfirstly,andisolatingfaultsectionsecondly.Themethodcanselectfaultlineandisolatefaultsectionquickly.ThemethodisbeneficialtOclearfaultsquickly,improvethesecurityandreliabilityintherun,andalsocreateconditionofquickandexactfaultlocation.Practicallocaloperationverifiesthecorrectnessandfeasibilityofthismethodfully.—Keywords:neutralindirectgroundingsystem:singlephasegroundingfaultdetection:voltagetimetyperecloser;recloser中图分类号:TM76文献标识码:A——文章编号:16743415(2010)010032.050引言我国6~35kV配电网多数采用中性点不接地或中性点经消弧线圈接地方式,又称为小电流接地系统。目前规程要求小电流接地系统发生单相接地故障后允许在故障情况下继续运行l~2h,但是在实际运行过程中,由于非故障相电压升高,极有可能造成故障扩大。如果中性点不接地或者消弧线圈的脱谐度过大,电弧接地故障将引起更高的过电压,严重威胁电网安全【IJ。文献【21充分论证了快速切除故障的必要性,并提出利用重合闸技术消除瞬时接地故障及限制过电压,但是不足之处在于对于永久性接地故障,一次重合闸失败将导致整条线路停电。现在很多电网采用电压一时间型线路重合器【j解决线路短路故障隔离及非故障区段恢复供电,其优点是不需要通信设备、结构简单,而且故障隔离准确,减小了故障定位难度。但是目前线路重合器只能解决短路故障,而无法对更为常见的接地故障进行隔离。本文提出了利用选线装置与电压一时问型线路重合器相配合,实现单相接地故障自动隔离与非故障区段自动恢复供电的新技术,通过第一次重合闸确定故障区段,通过第二次重合闸隔离故障区段。该技术能够快速选出故障线路并隔离故障区段,有利于故障快速消除,提高系统运行的安全性,同时为快速准确的故障定位创造条件。依据本文提出的齐郑,等基于电压一时间型重合器的配电网单相接地故障自动隔离技术研究一33一技术研制成的成套系统已投入现场运行,现场的实际运行充分验证了技术的正确性与可行性。1系统运行原理1.1单相接地故障的隔离与恢复供电原理电压一时间型线路重合器的工作原理是基于电压延时方式[4J'无需通信设备,下面举例说明一条线路不同位置发生单相接地故障后选线装置和重合器配合工作原理。对于分段点位置的开关,在正常工作时开关为常闭状态。当线路发生单相接地故障后,选线装置动作引起断路器跳闸,线路因故障失压时,所有的开关都打开。在第一一次重合后,根据控制器设计的延时设置,线路分段一级一级的投入,直至投到故障段后线路再次跳闸,故障区段两侧的开关因感受到故障电压而闭锁。当站内断路器再次合闸后,正常区间恢复供电、故障区间通过闭锁而隔离。装置要求重合到故障线路后必须在电压型终端的Y时限(5S或10S,可设)以内跳闸,根据电压型设备的工作原理,如超过该时限将不认为是故障,不能正确隔离。对于联络点位置的开关,在正常时感受到两侧有电压时为常开状态,当一侧电源失压时,该联络开关开始延时进行故障确认,延时时间整定值为故障侧线路完成对故障确定并闭锁的时间。在延时时间完成后,联络开关投入,后备电源向故障线路的故障后端正常区间恢复供电j。本套电压型馈线自动化设备与站内出线断路器实现二次重合闸配合使用,第一次重合闸,判定故障区间并闭锁故障线路前后开关,第二次重合闸恢复故障前端正常线路的供电。下面是一条环网线路的基本结构,CB1、CB2分别为线路站1和站2的出线断路器,线路上分别“”“”“”“”“”“”安装了分段开关PVSBCDEFG,其中除“”环网点开关E为常开开关外,其余在正常工作时为常闭。这些开关的控制器具有延时设置键,根“”“”“”“”“”据线路的状况,分别将BCDFG的控制器延时设为7S、7S、7s、7s、7S,表示当各级开关在感受到一端来电时,通过上述的延时时间完成关“”合,而环网点开关E的控制器延时时间设置为45S,(这个时间是在考虑远端d区段故障所需延时时间和一定的裕度时间)。下面给出了当线路c区段发生单相接地故障时,整条线路的工作过程。①“”在正常状态下,CB1、CB2和除PVSE以外的所有开关均关合。②故障发生在c段,因单相接地引起断路器“”“”“”CB1跳闸,PVSB、PVSC、PVSD因失压而同“”时断开。这时,PVSE的控制器因感受到一侧掉电而开始计数。③断路器CB1经过延时后重合闸,开关顺序“”“”延时关合至PVSB和C。④“”当关至PVSC时,因再次关合至接地点引“”“”起线路再次跳闸。这时,PVSC和PVSD因感受到其区间故障而闭锁。⑤CBl通过再次重合闸,顺序延时将正常区问恢复供电。⑥“”环网点开关PVSE在计时过程中始终未感到一方的供电,因此,在经过一定的延时后,关合“”PVSE,由CB2给位于故障区问后端的正常区段d供电。}aC回D早一{卜口CBIB…i口回…I}C-BI早l}-早lf=?ll¨al}a曙甲l}=a悬l=悬l}a窜甲ll窜甲l图1电压型馈线自动化设备的动作原理图Flg.1OperationprlnmpleotV0Itage-typefeederautomation1.2单相接地故障选线原理本系统要求选线装置在3S以内选出故障线路,由于时间很短,因此选线装置采用利用暂态信号的选线方法进行选线,具体包括小波法、首半波法电力系统保护与控制和暂态能量函数法。为了提高选线的正确性,选线装置采用粗糙集理论[7-81确定各个选线方法的有效域,对多种选线方法进行融合,极大地提高了选线的正确性。具体选线技术可以参见作者所在课题组发表的文献『9.111。1.3故障区段监测原理根据上述的系统工作原理,我们在变电站增设一个监控终端,通过记录变电站内断路器的变位时间,配合线路分段的延时时间设定,判断出故障发生的区段。具体实现的方法如下:如图1,由于我们设定的是:在发生接地故障的毫秒级内选线装置选出故障线路;3s后选线装置发出跳闸信号,断开故障线路,这时监控装置开始计时;8s时断路器CB1重合,如果11s时再次发生跳闸,说明是线路始端a段发生故障,CB1将不再重合。监控器指示a段故障。“”“”“”如果l1s时没发生跳闸,分段开关BcD的控制器将根据延时重合时间7s依次重合。当重合到故障区段前的分段开关时,断路器CB1将跳闸。监控装置根据这个时间与开始计时之间的间隔即5+7×—(H1)来进行判断区段,其中g/为故障所在的区段数。例如在图1中的线路c段发生单相接地故障,3S后选线装置发出跳闸信号,断开故障线路,监“”“”控装置开始计时;8s后断路器CB1重合的;BC分别在15s、22s闭合,22S时重合器重合到故障点,这时选线装置再次发出跳闸信号,监控装置根据这个时间间隔19S来判断故障发生在线路C区段。通过上述处理方式,可以自动完成故障区段的检测、判断、隔离,达到对非故障区段的迅速供电恢复,并迅速通知人员检修恢复,从而减小停电区间、缩短停电时间、提高供电可靠性。2电压型馈线自动化系统设备组成系统设备包括一次设备和二次设备,一次设备由真空开关、电源变压器组成,安装于户外架空线路上;二次设备由接地选线装置和线路故障区段检测终端组成,安装于变电站内。真空自动配电开关在电网来电或控制器发出合闸命令时,自动合闸;在电网掉电时无压释放,或控制器发出分闸命令时分开;在遇到故障时,控制器自动闭锁,使开关处于分闸状态。电源变压器的主要作用是为开关和控制器提供操作电源和检测信号。接地选线装置用于在小电流接地系统接地故障发生后快速选线,并断开故障线路。线路故障区段检测终端其负责故障线路的故障类型和故障区段的判断,清晰显示哪个区段的故障,同时把信息上传给后台系统。图2电压型馈线自动化系统结构图Fig.2Schematicdiagramoffeederautomation(FA)systemcontrolledbyvoltage3现场应用情况依据本文提出的技术研制成的成套系统己投入现场运行,通过对现场实际接地故障分析证明本文技术的正确性与可行性。系统基本情况如图3所示,本系统是单电源系统。三套线路重合器将线路分为A、B、C、D四段,每段间距3km。图3接地选线装置与重合器配合使用示意图Fig.3Schematicdiagramofthecooperationoffaultline.detectionandautomaticrecloser故障一:A段发生金属性接地10:04:55发生接地,通过波形分析故障类型为单相金属性接地,接地故障前后各20ms波形如图4所示。折算至一次侧的零序电压有效值为5351V,故障线零序电流6.6A,变电站的综自装置报警。图中幅值最大的为母线零序电压,其余为线路零序电流,由图可见当前中性点运行方式为消弧线圈过补偿运行。本次动作正确,动作过程为:(1)10:04:55接地发生,选线装置正确选线;(2)10:04:58,选线装置发出跳闸信号,断开故障线路;(3)10:05:03断路器重合,原地点又发生接地故障(永久性故障),选线装置正确选线;(4)10:05:06选线装置发出跳闸信一国)¨一@一齐郑,等基于电压一时间型重合器的配电网单相接地故障自动隔离技术研究一35一号,断开故障线路,没有进行-次重合,故障点被成功隔离。由此判断故障区段存A段,选线装置及重合器动作正确,与实际情况一致。‘辱}l』f、’2一接地【盘’一———————妒一一r{’图4A段金属性接地故障发生时电压电流波形—Fig.4Waveformofvoltageandcurrentwhensinglephase—groundarcingfaultsishappeninginAstep故障二:C段发生高阻接地13:17:10发生接地,通过波形分析故障类型为高阻接地,接地故障前后各20ms波形如图5所示。折算至一次侧的零序电压有效值为2800V,故障线零序电流3.12A,变电站的综自装置报警。‘三‘讣、、】三20J“啦障妄地电流。÷‘————一二如-一、■}2(¨~』10}j———————q丁一___丁一1__彝l{蔚l0ms图5c段经1kQ电阻接地故障时电压电流波形Fig.5Waveformofvoltageandcurrentwhensingle・phasegroundfaultsthroughresistanceishappeninginC-step本次动作正确,具体动作过程为:(1)l3:17:10接地发生,选线装置正确选线;(2)13:17:l3,选线装置发出跳闸信号,断开故障线路;f3)13:17:l8断路器重合:(4)13:17:32因断路器重合于故障点所在C段,选线装置正确选线;(5)13:17:35选线装置发出跳闸信号,断开故障线路,之后进行二次重合,故障点被成功隔离。由此判断故障区段在c段,选线装置及重合器动作正确,与实际情况一致。4结语本文提出了利用选线装置与电压.时问型线路重合器相配合,实现单相接地故障自动隔离与非故障区段自动恢复供电的新技术。讨论了选线装置与电压.时间型线路重合器的配合工作方式,通过第一次重合闸确定故障区段,通过第二次重合闸隔离故障区段。该技术能够快速选出故障线路并隔离故障区段,有利于故障快速消除,提高系统运行的安全性。同时减小停电区间、缩短停电时间、为快速准确的故障定位创造条件。现场的实际运行充分验证了该技术的正确性与可行性。但是本系统还有如下几个有待进一步研究的问题:(1)在本系统中没有装设分段开关的反馈线,不能及时准确地掌握开关的状况,在开关误动作时无法快速发现。(2)由于采用控制器延时的方法,当故障发生在线路远端时,正常线路恢复供电的时间比较长。给用户造成一定的不便。参考文献“l]HanninenS,LehtonenM.CharactesticsofEaghFaultsinElectricalDistributionNetworkswithHighImpedanceEarthing[J1.ElectricPowerSystems—Research,1998,44(3):155161.2]连肖白,束洪春,高峰.,】、电流接地系统单相接地故障选线方法综述『J].电力系统保护与控制,200l,—29(4):1620.XIAOBai.SHUHong.chun,GAOFeng.Surveyof———MethodsofFaultLineSelectionforSinglephasetoearthFaultinNetworkswithUngroundedNeutral[J].PowerSystemProtectionandControl,2001,—29(4):1620.3]陈刚,李志勇,王攀.自动重合器在配电网中的应用fJ1.电力系统保护与控制,1999,27(5):35.38.CHENGang,LIZhi-yong,WANGPan。ApplicationofAutomaticRecloserinPowerDistributionNetwork[J].—PowerSystemProtectionandControl,1999、27(5):3538.[4]杨涛,何奔腾,黄瀛.单相重合闸自适应零序电流加速保护方案【J1.电力系统保护与控制,2004,32(13):59.62.—YANGTao,HEBenteng,HUANGYing.AdaptiveAcceleratingSchemeforZeroSequenceCurrent—ProtectiononSinglephaseReclosing[J].PowerSystem—ProtectionandControl,2004,32(13):5962.[5]贾清泉,肖鹏,杨以涵,等./J、电流接地电网单相接地故障的小波选线方法【J】.电力系统保护与控制,2001,29(3):5-8.—JIAQing-quan,XIAOPeng,YANGYihan,eta1.WaveletsMethodtoSelectSinglePhaseFaultedCircuitforSmallCurrentGroundingPowersystems[J].PowerSystemProtectionandControl,2001.29(3):5-8.[6]赵凤贤,闫钿,孙丽颖.基于暂态零序无功功率的小电…流系统单相接地选线.电力系统保护与控制,2007,—35(s1):5962.—ZHAOFeng.xian,YANTian,SUNLiying.Zero-36。电力系统保护与控制SequenceTransientReactivePowerfora——SinglephaseearthFeederonnon.solidDistribution[J].PowerSystemProtectionandControl,2007,35(s1、:59.62.[7]陈炯聪,齐郑,杨奇逊,基于模糊理论的小电流单相接地选线装置[J1.电力系统自动化,2004,28(8):88.91.—CHENJiong-cong,QIZheng,YANGQIxun.AFaultLineDetectionDevicefortheNon.solidlyGroundedSystemBasedonFuzzySetsTheors[J].Automationof—ElectricPowerSystems,2004,28(8):8891.L8jBarnettJA.ComputationalMethodforaMathematicalTheoryofEvidence[A].in:Proceedingsofthe7thInternationalJointConferenceonArtificial—Intelligence[C].1981.868875.[9]齐郑-,J、电流接地系统单相接地故障选线与定位技术的研究[D】.北京:华北电力大学,2005.0IZheng.ResearchonTechnologyofLineDetection—andFaultLocationforSingle..phaseto..earthFaultin—NeutralPointNoneffectivelyGroundedSystems[D1.Beijing:NortbChinaElectricPowerUniversity,2005[10]齐郑,陈炯聪,杨奇逊.基于小波变换和LMS自适应滤波器的单相接地选线方法[J].电力系统自动化,2004,28(9):58.61.——QIZheng,CHENJiongcong,YANGQixun.Selection—ofSinglephasetoGroundFaultLineBasedonWaveletTransforinAndLMSAdaptiveFilter『J1.AutomationofElectricPowerSystems,200428(9):58.61[11]连鸿波.谐振接地电网单相接地故障消弧及选线技术一体化研究ID1.保定:华北电力大学,2003.—LIANHongbo.ResearchonIntegrationControlSystem——inArcsuppressingandFaultLineSelectionofSingle—Phase-togroundFaultinResonantGroundedSystems[D1.Baoding:NorthChinaElectricPowerUniversity,2003.收稿日期:2009-03-12;——修回日期:20090402作者简介:齐郑(1977-),男,博士,讲师,研究方向为电力系统分析与控制;高玉华(1982一),男,硕士研究生,主要研究方向为电力系统分析与控制;E-mail:gyh—z@163.com孙海新(1971一),男,研究方向为电力调度自动化。(上接第18页continuedfrompage18)[2]迟永宁,王伟胜,刘燕华.大型风电场对电力系统暂态稳定性的影响fJ].电力系统自动化,2006,30(151:10-14.——CHIYong-ning,WANGWeisheng,LIUYanhua.ImpactofLargeScaleWindFarmIntegrationonPowerSystemTransientStability[J].AutomationofElectric—PowerSystems,2006,30(15):1014.[3]卞松江,吕晓美,相会杰,等.交流励磁变速恒频风力发电系统控制策略的仿真研究[J].中国电机工程学—报.2005.25(16):5762.—BIANSong-jiang,LUXiaomei,X1ANGHui-jie,eta1.ModelingandSimulationofAC-ExcitedVSCFinWindPowerSystems[J].ProceedingsoftheCSEE,2005,25(16):57-62.[4]关宏亮,迟永宁,王伟胜.双馈变速风电机组频率控—制的仿真研究fJ1.电力系统自动化,2007,31(7):6165.——GUANGHongliang,CHIYongning,WANGWei・shengSimulationonFrequencyControlofDoublyFedInductionGeneratorBasedWindTurbine[J1.AutomationofElectricPowerSystems,2007,31(7):61-65.[5]姚骏,廖勇,唐建平.电网短路故障时交流励磁风力发电机不脱网运行的励磁控制策略.中国电机工程学—报,2007,27(30):6471.YAOJun,LIAOYong,TANGJian-ping.Ride・throughControlStrategyofACExcitedWind-powerGeneratorforGridShort.circuitFault[J].ProceedingsoftheCSEE,—2007,27(30):6471.16jPabloLedesma,JulioUsaol ̄DoublyFedInductionGeneratorModelforTransientStabilityAnalysis[J].IEEETransonEnergyConversion,2005,2(20):388-397.—17]LEIYazhou,MullaneAlan,LightbodyGordon,eta1.ModelingoftheWindTurbineWithaDoublyFedInductionGeneratorforGridIntegrationStudies[J].IEEETransonEnergyConversion.2006,21(1).[8]WUFeng,ZHANGXiao・Ping,KeithGodfrey,eta1.ModelingandControlofWindTurbinewithDoublyFedInductionGenerator[J].2006.[9]XULie.CartwrightPhillip.DirectActiveandReactivePowerControlofDFIGforWindEnergyGeneration[J].—IEEETransonEnergyConversion,2006,21(3):750758.[10]YakejEK,JenkinSN.ComparisonoftheResponseof—DoublyFedandFixedspeedInductionGeneratorWindTurbinestoChangesinNetworkFrequency[J].IEEE—TransonEnergyConversion,2004,19(4):800802.—收稿日期:200901-04;——修回B期:20090316作者简介:杨之俊(1983一),男,硕士研究生,研究方向为新能源—与分布式发电技术;Email:hfyzj1981@163.com吴红斌(1972一),男,博士,副教授,目前主要从事分布式发电、电力系统安全性分析的研究和教学工作。
布丁老师
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