基于零序电荷-零序电压关系的谐振接地系统单相接地故障特征分析.pdf

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基于零序电荷-零序电压关系的谐振接地系统单相接地故障特征分析1 基于零序电荷-零序电压关系的谐振接地系统单相接地故障特征分析2 基于零序电荷-零序电压关系的谐振接地系统单相接地故障特征分析3 基于零序电荷-零序电压关系的谐振接地系统单相接地故障特征分析4 基于零序电荷-零序电压关系的谐振接地系统单相接地故障特征分析5 基于零序电荷-零序电压关系的谐振接地系统单相接地故障特征分析6 基于零序电荷-零序电压关系的谐振接地系统单相接地故障特征分析7
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第41卷第11期2013年6月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVo1.41No.11Jun.1.2013基于零序电荷一零序电压关系的谐振接地系统单相接地故障特征分析王王己,何正友,张姝(西南交通大学电气工程学院,四川成都610031)摘要:首先从理论上分析了中性点经消弧线圈接地的小电流接地系统(谐振接地系统)发生单相接地故障时,故障暂态持续时间内健康馈线和故障馈线的零序电荷与零序电压的关系特征。其次通过仿真分析了不同接地电阻、不同故障距离、混合线路和噪声干扰等各种工况对零序电荷一零序电压关系特征的影响。仿真结果表明,健康馈线零序电荷一零序电压呈直线关系,故障馈线则不满足直线关系。利用零序电荷一电压关系特征可以快速明显地区分健康馈线和故障馈线,为选线提供有效依据。关键词:谐振接地系统;单相接地;故障暂态;零序电荷一零序电压关系Characteristicsanalysisofsingle--phasegroundfaultinresonantgroundingsystembasedonzero--sequencecharge-voltagerelationship—WANGQi,HEZhengyou,ZHANGShu(SchoolofElectricalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)Abstract:Whenasingle-phasegroundfaulttakesplaceinsmallcurrentgroundingsystemwithneutralpointgroundingthroughthearcsuppressioncoil,namelyaresonantgroundingsystem,thecharge-voltagerelationshipofsoundfeederandfaultyfeederinfault’transienttimeisanalyzed.Thischaracteristicsperformanceundervariousworkingconditionssuchasdifferentgroundingresistance,differen—tfaultdistance.mixedlinesandnoiseisanalyzedbysimulation.Theresultsshowthatthezerosequencechargeislinearwiththezero.sequencevoltageinsoundfeederswhilethereiSnolinearrelationshipinfaultfeeders.Inaddition.thesecharacteristicsofthe—chargevoltagerelationshipcanbeusedtodistinguishsoundfeederfromfaultyfeederrapidlyandevidently.Itprovidesaneffectivebasisforthelineselection.Keywords:resonantgroundingsystem;single-phasegroundfault;faulttransient;zero-sequencecharge-voltagerelationship中图分类号:TM711;TM862文献标识码:A——文章编号:16743415(2013)110018.070引言我国的3~60kV配电网络多采用小电流接地方式,此方式允许系统故障后运行1~2h,大大提高了系统的可靠性Llj。然而随着电力电缆在城市配电网中的大量使用,配电网的对地电容电流迅速增大,单相接地电弧难以自行熄灭L2J,而中性点经消弧线圈接地的谐振接地方式,可以有效避免接地电弧的重燃,达到彻底熄弧的目的,所以在配电网中广泛使用。由于在配电网中单相接地故障占线路总故障的70%~80%,而中性点经消弧线圈接地的小电流接地系统发生单相接地故障时存在故障电流微弱、故障特征不明显、接地电弧不稳定等特点,使得接地故障选线判据特征一直没有得到很好的解决,致使谐振接地系统选线问题始终是研究和工程应用中的热点和难点。根据所利用信号特征的不同,现有选线方法主要可分为基于稳态电气量和基于暂态电气量的两大类。基于暂态的方法凭借故障零序电流的暂态分量远远大于稳态分量的特征,成为了研究的热点[3-41。常见的基于暂态分量的选线方法有首半波法、小波分析法、能量法、Prony算法等。首半波法利用了发生接地后的第1个半周期内故障线零序暂态电流和正常线零序暂态电流极性相反的特征进行选线,但故障发生在相电压过零点附近时,首半波电流的暂态分量很小,加上过渡电阻的影响,易引起方向误判l5J;小波分析法选用适当的小波基对瞬时零序电流进行小波变换,通过比较特征频带内各线路小王圮,等基于零序电荷一零序电压关系的谐振接地系统单相接地故障特征分析.19.波分解系数的幅值与极性特征实现选线,但是最能反映故障特征的频带是随系统接线方式、故障模式的不同而漂移不定的,它与暂态信号的特征息息相关[6-10],故其缺点是选线结果受暂态信号特征影响较大;能量法利用了能量函数的方向和大小的特征实现选线,此方法不受暂态过程和负荷谐波源的影响,但是由于系统有功分量所含比重小,对暂态信号的利用不充分,且积分函数易引入固定误差累”计ll;Prony算法[12-¨]是一种通过指数函数线性组合拟合信号的时频分析方法,利用了故障线路与非故障线路暂态主频导纳幅值和相位的不同特征进行选线,缺点是计算量大,不适于制造对简易性和快速性要求较高的选线装置。虽然选线方法研究很多,但在实际工程中一直存在选线不可靠的问题。因此寻找表征谐振接地系统单相接地故障特征,为故障选线提供可靠的依据具有重要意义。本文在文献[15.16]的基础上深入研究了不同接地电阻、不同故障距离、电缆架空线混合线路—以及存在噪声干扰等各种故障情况下,电荷.电压(qu)之间的关系特征,分析了其产生的原因及特征的适应性,为有效的故障选线提供依据。1单相接地时q.u关系特征分析本文以四馈线的小电流接地系统为例,分析谐振接地系统单相接地故障暂态特征。中性点经消弧线圈接地的小电流接地系统在发生单相接地短路时,其零序等效网络如图1所示,A相接地故障发生在馈线一上,可以得出健康馈线和故障馈线零序电流的相量表达式【l7-18]。健康馈线和故障馈线的零序电流分别为厶=jUoCOCo:+U。厶,=jUoCOCo。+Uo‘1)i04 ̄--"jCoOX:o+U。iO1 ̄+UJ0--Uf—+j。(Uouf)+(2)+J1十饥㈣一十(2jcoColUo式中:Uo为母线零序电压Uo的相量;Co1~Co4分别为各条馈线的等效接地分布电容;Co0~Co。分别为各条馈线负荷侧等效电容;R01~R04分别为各条馈线零序网络等效电阻;~L。分别为各条馈线线路电感;Uf为故障点零序电压f的相量;Rf为故障接地电阻。‘馈线馈线=馈线三馈线四图1谐振接地系统单相接地时的零序等效网络Fig.1Zero-sequenceequivalentnetworkofresonantgrounding—systemwhensinglephaseearthfaulthappened由于负荷侧电容可看作开路,即视为l0~Co40均为0,因此式(1)、式(2)可简化为IIo:=jUo{Io3=JUor.oCo3(3)lIo4=jr_oCo4—厶:+jcoco。Vo(4)R上001+j1+。对式(3)、式(4)在时域进行等号两边的同时积分得到零序电荷q。与零序电压。之间的关系:q(JO ̄(Jf‘酉dHC0(6)由式(5)可以看出,健康馈线的零序电压与零序电流的积分(即零序电荷)呈线性相关关系。而从式(6)可以看出,故障馈线的零序电压与零序电流的积分(即零序电荷)呈非线性相关关系。据此可以通过测量各条馈线的零序电流的积分(即零序电荷)与零序电压的关系,从而在坐标—平面上绘制qu关系图,根据图形来区别健康馈线和故障馈线。在仿真分析时,由于谐振接地系统发生单相接地故障时故障信息集中在故障发生后0.5~1个周期5绯234=ll=.,.●●●===.20.电力系统保护与控制内,因此将采样的时间窗长度选择为故障发生后的半个工频周期,通过测量每条馈线上每相电流、电压的瞬时值,利用式(7)、式(8)求得每条馈线零序电流、电压的瞬时值。毛=(7)(8)式中,、fB、fC和甜A、甜B、c分别A、B、C各相的瞬时电流和电压值。假设故障发生后的半个周波的时间段为~^,求取零序电流在这段时间的积分即零序电荷,在时间离散的情况下,零序电荷由式(9)计算[】。^qo(f)=qo(f一0+[io(t一1)+f0(f)].ro、厶,…(=+1,tl+2,,,2)△式中,f为采样的时间间隔。以/,/为横坐标,为纵坐标,建立直角坐标系,绘制每一时刻的Uo(f)和g。()构成q-u图,考查健康馈线和故障馈线的q.u图的特征关系。2仿真分析2.1接地电阻对q.u关系的影响采用图1的模型,在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建一个四馈线的谐振接地系统模型,假设四条馈线均由架空线路组成,其长度分别为30km、15Ion、14km和6kan,主变压器变比为220/35kV,消弧线圈均处于8%的过补偿状态,以考查在各种工况下谐振接地系统发生单相接地故障时q.u关系的特征。假设A相单相接地故障发生在馈线一上距母线15km处,对l0次不同故障接地电阻情况进行仿真,接地电阻取值及q.u特征如表1所示。这里给出R=0.01Q、R=500Q、R=5000Q时—的qu关系如图2所示。可以看出,在接地电阻为R=0.01Q、R=500等较小值时,健康馈线的q.u“”关系并不是严格的直线,而有一定程度的扭曲,“”但是这种扭曲与故障馈线明显是非直线的q.u图相比可以忽略,故在2.1~2.4节的仿真中均忽略了“”这种扭曲而认为健康馈线的q.u特征是直线。由图2可以看出当故障接地电阻由金属性接地的0.01逐渐过渡到高阻抗接地的5000Q时,健康“”馈线的直线性程度逐渐明显,扭曲现象逐渐减弱甚至消失,这说明了在高阻接地故障时健康馈线和故障馈线的q-u关系特征区别更加明显。表1不同接地电阻仿真时电阻取值及q-u特征Table1Resistancevaluesandcharge-voltagerelationshipcharacteristicsofdifferentgroundingresistance图2不同接地电阻R时的q-u图Fig.2q-ufigureofdifferentgroundingresistance2.2故障距离对q_u关系的影响仿真模型与2.1节相同,假设A相接地故障发65432lOl2王圮,等基于零序电荷一零序电压关系的谐振接地系统单相接地故障特征分析.21.生在馈线一上,且设故障距离d为故障点距母线的距离,对金属性接地(尺=0.01Q)和高阻接地(尺:5000Q)两种情况分别做7次不同故障距离的仿真,—故障距离取值及qu特征如表2所示。这里给出d=5km、d=l8km和d=29km时的q.u关系如图3、图4所示。可以看出,无论是金属表2不同故障距离仿真时距离取值及q-u特征Table2Distancevaluesa—ndchargevoltagerelationshipcharacteristicsofdifferentfaultdistance图3金属性接地不同故障距离d的q-u图Fig.3q-ufigureofdifferentfaultdistanceundermetalgroundingfaults性接地还是高阻抗接地,故障距离对于健康馈线的直线程度都没有太大影响,和故障馈线仍有明显区分,说明故障距离并不影响q.u关系的特征。此外,在高阻抗接地时不同故障距离下的q.u图变化程度较金属性接地时的变化程度更小,几乎看不出有变化,再次说明了在高阻抗接地故障时健康馈线和故—障馈线的qu关系特征区别更加明显。图4高阻抗接地不同故障距离d的q-u图—Fig.4qufigureofdifferentfaultdistanceunderhighimpedanceearthfaults2.3混合线路对q.u关系的影响以上仿真均是以架空线路为模型搭建的,而实际中存在电缆.架空线混合线路,因此还需考虑在电缆与架空线路混合的工况,这里搭建的模型参数与2.1节相同,A相接地故障发生在馈线一上距母线15km处,将四条馈线的架空线换为混合线路,线—缆组成及qu特征如表3所示。654321O1206543210l20-22-电力系统保护与控制表3混合线路仿真时馈线线缆组成及q.u特征Table3Compositionoffeedersandcharge-voltagerelationshipcharacteristicsofmixedlines在金属性接地(R=0.01Q)和高阻抗接地(尺=5000Q)时的仿真结果如图5所示。可以看出混合线路下健康馈线的直线程度远好于纯架空线路,在“”金属性接地时几乎看不出有扭曲现象。这说明在电缆与架空线组成的混合线路上,健康馈线和故障馈线的q.u关系特征区别更加明显。0.030.020O1U0.o0—0.010O2—76—5—43—21012WkV—图5混合线路下的qu图Fig.5q-ufigureofmixedlines2.4噪声干扰对q.u关系的影响上面的仿真均是在无噪声的理想环境下进行—的,若存在噪声干扰,则可能对qu关系产生一定—的影响,因此需要考查qu关系特征的抗噪能力。在2.1节的高阻抗接地(:5000Q)工况下,针对健康馈线二,利用Matlab的awgn函数对采集到的原始信号加入高斯白噪声,使信噪比SNR从70逐渐降到20。信噪比的选取及q.u特征如表4所示。这里选取信噪比SNR为50、40、30的情况绘制馈线二的q.u图如图6所示。可以看出在信噪比为50时q.u图的直线程度比较明显,当信噪比下降到40时直线程度有所减弱,但还能看出是一条直线,当信噪比下降到30时已基本不成直线。这说明q.u关系特征具备一定的抗噪声干扰能力,在信噪比大于4O时健康馈线的q.u关系仍能保留较为明显的直线特征。在更高信噪比的高噪情况下,可以与其他有效的信号处理手段结合加以识别,达到理想的选线效果。表4噪声干扰下的信噪 ̄g(SNR)选取及q.u特征—Table4SNRvaluesandchargevoltagerelationshipcharacteristicsundernoise√U—图6三种不同信噪比的噪声干扰下馈线二(健康)的qu图Fig.6q-ufigureoffeeder2(soundfeeder)undernoisewiththreevaluesofSNR2O2468O22O2468O24王圮,等基于零序电荷.零序电压关系的谐振接地系统单相接地故障特征分析.23.3结论谐振接地系统发生单相接地故障时,故障暂态内健康馈线和故障馈线的电荷.电压关系理论上分别为线性相关和非线性相关,区别明显;反映到直角坐标系上,则分别表现出直线和非直线的特征。根据电荷一电压关系特征可以明显地区分健康馈线与故障馈线,从而达到可靠、简单、高效的选线目的。本文通过分析验证,得出了如下结论:1)电荷.电压关系在高阻抗接地故障时的特征比金属性接地故障时更明显,更易区分健康馈线和故障馈线,且故障接地电阻越高,特征越明显。2)电荷.电压关系特征不受故障距离的影响,在不同故障距离下均能很好地被加以利用来达到选线目的。3)对于由电缆与架空线路组成的混合线路,电荷.电压关系特征更加明显,健康馈线与故障馈线的区别更显著于纯架空线路。4)电荷.电压关系特征具备一定的抗噪声干扰能力,当信噪比大于40时健康馈线的电荷.电压关系均能保留较为理想的直线特性。参考文献[1]徐青山.电力系统故障诊断及故障恢复【M】.北京:中国电力出版社,2007.—XUQingshan.Powersystemfaultdiagnosisandfaultrecovery[M].Beijing:ChinaElectricPowerPress,2007.[2]束洪春.配电网络故障选线[M】.北京:机械工业出版社.2008.SHUHong-chun.Faultlineselectionofdistributionpowersystem[M].Beijing:ChinaMachinePress,2008.[3]张海申.暂态信号小波分析系统开发及谐振接地系统故障选线研究[D】.成都:西南交通大学,2011:6-7.—ZHANGHaishen.Designoftransientsignalwaveletanalysissystemandstudyonfaultlineselectionofresonantgroundedsystem[D].Chengdu:SouthwestJiaotongUniversity,2011:6-7.[4]郭清滔,吴田.小电流接地系统故障选线方法综述『J1.电力系统保护与控制,2010,38(2):146.152.GUOQing-tao,WUTian.Surveyofthemethodstoselectfaultlineinneutralpointineffectivelygroundedpowersystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(2):146-152.[5]程路,陈乔夫.小电流接地系统单相接地选线技术综述[J].电网技术,2009,33(18):219-224.CHENGLu,CHENQiao.fu.Asurveyonfaultyline—selectiontechnologyforsinglephasegroundedtransmissionlineinsmallcurrentneutralgroundedsystem[J].PowerSystemTechnology,2009,33(18):—219224.[6]庞清乐,孙同景,孙波,等.基于小波包分析的配电网故障选线新方法[J].电力自动化设备,2007,27(4):19.22.PANGQing-le,SUNTongUing,SUNBo,eta1.Faultylinedetectionbasedonwaveletpacketanalysisfordistributionnetwork[J].ElectricPowerAutomation—Equipment,2007,27(4):1922.[7]张伟刚,张保会,胡海松,等.应用小波包分析实现配电网单相接地故障选线[J].电力系统自动化,2009,—34(23):6064.——ZHANGWeigang,ZHANGBao-hui,HUHaisong,etalApplicationofwaveletpacketanalysisin—phase-to・-groundfaultdetectionofdistributionnetworks[J].AutomationofElectricPowerSystems,—2009,34(23):6064.[8]戴剑锋,张艳霞.基于多频带分析的自适应配电网故障选线研究[J】.中国电机工程学报,2003,23(5):44-47.——DAIJianfeng,ZHANGYanxia.Studyonadaptively—choosingfaultlineundersinglephasetogroundfaultbasedonanalysisofmulti-frequencybands[J].ProceedingsoftheCSEE,2003,23(5):44-47.[9]赵慧梅,张保会,段建东,等.一种自适应捕捉特征频带的配电网单相接地故障选线新方案[J]_中国电机工程学报,2006,26(2):41.46.——ZHAOHui・mei,ZHANGBaohui,DUANJiandong,eta1.Anewschemeoffaultylineselectionwithadaptivelycapturingthefeaturebandforpowerdistributionnetworks[J].ProceedingsoftheCSEE,2006,26(2):41.46.[10]鲁改凤,化雨,金小兵,等.小电流接地系统单相接地故障选线方法探究fJ1.电力系统保护与控制,2010,38(12):44-49.—LUGai-feng,HUAYu,JINXiaobing,eta1.Researchon—amethodoffaultlineselectionforsinglephaseeachfaultinineffectivelygroundedpowersystems[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(12):44-49.[11]ZhangXH,HaHX,PanZC,eta1.Groundingfaulty—lineselectioninnonsolidlygroundedsystemsusingtransientenergy[C]//InternationalPowerEngineeringConference,2007.IPEC2007..24.电力系统保护与控制’[12]ChaariO,BastardP'MeunierM.PronySmethod:anefficienttoolfortheanalysisofearthfaultcurrentsin——Petersencoilprotectednetworks[J].IEEETranson—PowerDelivery,1995,1O(3):12341241.[13]张新慧.基于Prony算法的小电流接地故障暂态选线技术【D].济南:山东大学,2008.ZHANGXin-hui.Transientfaultyfeederselectiontechniquesfornon.effectivelyearthednetworkbasedonPronyalgorithm[D].Jinan:ShandongUniversity,2008.[14]刘奇,任建文.基于Prony算法的小电流接地系统不平衡电流分析[J].电力系统保护与控制,2011,39(13):14.19.LIUQi,RENJian-wen.Analysisofunbalancedcurrent—fornonsolidlygroundedsystembasedonPronyalgorithm[J].PowerSystemProtectionandControl,2011,—39(13):1419.[15]DrumlGKugiA,SeifertO.Anewdirectionaltransientrelayforhighohmicearthfaults[C】//Barcelona,Spain:17thInternationalConferenceonElectrici够Distribution,May2003:12-15.[16]HenriksenT.Faultyfeederidentificationinhigh[17][18]impedancegroundednetworkusingcharge-voltagerelationship[J].Elec 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周大爷
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