配电网接地故障负序电流分布及接地保护原理研究

2022-09-12

据有关资料显示, 单相接地故障占到了整个配电网故障的80%以上, 已成为配电网运行质量和运行效率提升的主要制约因素[1]。在我国, 通常采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式的方式实现3—60KV压电网的架设, 使得配电网发生接地故障时, 我们只能通过对每一条出线实施拉闸停电的方式判断故障线路的位置, 不仅增加了故障点位置的获取时间, 同时也严重影响着配电网供电的可靠性。虽然国内外转接和研究学者相继提出了运用基波或谐波零序电流的大小和方向、注入信号法等方式进行故障选线, 但是, 在实际应用的过程中, 常常会出现仪器接线复杂、按照工序繁琐等问题, 根本没有从实质上解决当前配电网中接地故障高发的问题。本文论述的小电流接地系统主要是通过分析接地故障发生后负序电流的分布状况的方式, 高效、快速的获取接地故障的位置信息, 具有适用范围广、抗过度电阻能力强以及接地性能高等优势, 能够有效解决当前配电网中的接地故障问题[2]。

一、负序电流分布

(一) 对称分量法分析接地故障

用对称分量的方法分析小电流接地系统发生的单相接地故障, 将零序分布容抗命名为X0C、正序分布容抗命名为X1C、负序分布容抗命名为X2c, 则可是根据以下关系式计算出正序、负序以及零序的电流值, 计算公式为:

式中EA表示的是故障相电源电压值;Z0、Z1、Z2表示的是整个配电网的正序、负序、零序阻抗;Rf表示的是故障点接地过渡电阻。在小电流关系中, 存在着小电流接地系统中, 可将Z1、Z2看做与Zo相等, 所以, 可将正序、负序以及零序的电流值的计算公式转化为:

同时, 如果我们忽略不计正序、负序阻抗和线路零序电抗, 那么小电流接地故障杰只受到线路零序分布电容的影响时, 从而得到小电流接地系统接地故障的等效电路。当金属性接地故障 (Rf=0) 时, 可获得以下计算公式:

该等式计算的接地故障残留与电容充放电、矢量法计算等方式获得的计算结果相一致。

(二) 单相接地故障负序电流分布

用Z2S表示小电流接地系统的负序阻抗;Z2if表示正常线路i的负序阻抗;Z2k1表示母线与故障点之间故障线路k的负序阻抗;Z2kf2表示故障线路其它部分的负序阻抗;Z2il表示线路i负载的负序阻抗;Z2ik表示线路k负载的负序阻抗。可以得出以下关系式:故障点产生的负序电流流向电源和负载。

式中的K2表示的是流向非故障线路的负序电流与流向电源的负序电流之间的比值。在配电网中, 由于高压侧负序阻抗折算到低压侧时, 获得的值很小, 且随着电网的增大, 系统的负序阻抗也会逐渐减小, 所以, 小电流接地系统的负序阻抗、线路i负载的负序阻抗以及母线与故障点之间故障线路k的负序阻抗之间的差异可以忽略不计。同时, 由于小电流接地系统的馈线长度大多在10km以内, 自身存在着的阻抗值就很小, 而每条馈线复核的负序阻抗却大于巨馈线自身的负序阻抗, 所以, 可以得出|I2i|近似于|I2s|、I2i|近似于|I2k|, I2k约等于I2约等于I2S。

接地故障产生的负序电流有很大一部分会从故障线路回流至电流, 而非故障线路产生的负序电流则相对较小, 所以, 一旦电源位置出现较大的负序电流, 则说明配电网系统中存在着接地故障。此外, 由于接地故障的发生常常会产生一定的过度电阻, 再加上故障相电压与故障电流的方向相同这一也行, 我们就能准确的判断出接地故障的方向和大小[3]。

二、负序电流的接地保护原理

(一) 接地故障的保护启动

运用零序电压的变化情况实现接地故障保护系统的启动。当两个相邻的零序电压变化量大于整定电压是, 我们就可以确定小电流接地系统发生了接地故障, 零序电压发生突变的时间, 即是接地故障发生的时间。因此, 一旦系统监测到配电网中出现零序电压突变的情况时, 就会自行启动接地故障保护装置, 在降低故障对配电网运行质量和运行效率影响的同时, 最大限度的提升配电网的安全性和稳定性。

(二) 负序电流保护的判断依据

负序电流中的精确工作电流可以将接地保护装置测量负序电流的误差控制在30%以内, 相位测量误差控制在0—30°的范围内。当配电网中出现负序电流大于精准工作的电流值是, 抚恤电流则可以从以下两个方面进行判定[4]。

(1) 当出现线路负序电流大于整定值的情况时, 可以通过分析馈线K的接地保护, 根据避开其他正常馈线的金属性接地故障的方式, 整定故障馈线上产生的负序电流。

(2) 将流出母线的电流方向定义为正方向, 将流向系统中产生的负序电流作为极化电流, 被保护线路中的负序电流作为比较电流, 当极化电流与比较电流的方向相反时, 故障线路中的负序电流与系统负序电流之间的方向就会相反, 从而做出负序电流保护装置的动作判断。

(3) 将电压最低相作为故障相电压的计划电压, 线路中的负序电流作为比较电流, 当比较电流与计划电压的方向相同时, 故障线路的负序电流与故障电压基本相同, 在综合考虑系统的灵敏度范围之后, 从而做出负序电流保护装置的动作判断。

(4) 取故障后2周波负序电流与故障相电压的乘积对时间的积分。配电网接地故障时, 我们可以根据故障点损耗能力的大小等于故障线路故障相电压与3倍负序电流乘积对时间的积分, 为正值的关系列出故障点的能力损耗的等式。该等式反映的是故障线路的能量函数, 呈现出单调上升的趋势。由于非故障负序电流的能量函数很小, 使得在1个周波内的计算能量为负。因此, 故障线路计算得到的损耗能量要远远高于非故障线路损耗的能力, 且故障线路的损耗能量为正数、费故障线路的损耗能量为负数。也就是说, 我们可以通过比较配电网各接地线路的能量损耗情况确定接地故障的大小及方向。弧光接地故障时, 能量频繁在故障点损耗。故障线路能量函数计算值为正, 非故障线路能量函数计算值为一很小的负值, 故暂态能量保护同样适合弧光接地故障[5]。

三、结束语

在城市化进程不断加快、用电设备不断普及以及配电网规模不断扩大等因素的共同作用下, 传统接地保护装置中存在的弊端也在不断凸显, 很难有效满足我国民用和工用领域的用电需求。而配电网接地故障负序电流分布及接地保护系统的研发和使用, 有效的弥补了传统接地保护装置中使用成本高、操作复杂以及测试结果准确性低等问题, 为我国配电网安全性能和稳定性能的提升奠定了坚实的基础。身为供电企业工作人员的我们, 必须在今后的工作中积极学习与配电网接地故障负序电流分布及接地保护系统的相关知识, 力求在改善配电网运行质量和运行效率的同时, 增强供电企业的盈利能力和市场竞争能力。

摘要：接地故障是配电网常见的故障类型之一, 在很大程度上制约着配电网运行过程中安全性能和稳定性能的提升, 因此, 如何准确的对接地故障进行检测和隔离, 成为了当前供电企业共同关注的问题。在传统的故障选线工作中, 我们主要使用的是比较零序电流方法进行选线, 这种方法很难满足馈线保护和现场终端单元的保护。文章在参考前人研究结果的基础上, 提出了负序电流接地保护思路, 并运用EMTP仿真对该设计方案进行分析, 现将相关研究结果总结于下文, 以供各位读者参考。

关键词：配电自动化,故障选线,继电保护