基于动态接地方式的配电网单相接地故障区域隔离_邓晓风.pdf

Electrical Automation电力系统及其自动化Power System Automation电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期基于动态接地方式的配电网单相接地故障区域隔离邓晓风1，李景禄2，徐雄军1，伊国强2(1 国网湖北省电力有限公司孝感供电公司，湖北 孝感432000;2 长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙410114)摘要:中性点经消弧线圈接地配电网发生单相接地故障时，受消弧线圈调谐与过渡电阻的影响，导致故障选线和隔离困难，严重影响了人身安全与供电可靠性。为此，提出了一种基于动态接地方式的故障区域隔离方案，将消弧线圈接地改造为动态接地，对动态切换前后的各配电终端零序电流变化规律进行了理论分析，并提出节点零序电流比较法进行故障区段定位。现场试验验证了方案的准确性与可靠性，实现了 0 4 000 高阻接地故障下的区域隔离，为解决消弧线圈接地方式下的故障区段定位难题提供了工程应用案例。关键词:消弧线圈接地;动态接地;节点零序电流比较法;高阻接地:故障区域隔离DOI:10 3969/j issn 1000 3886 2023 01 016 中图分类号 TM72 文献标志码 A 文章编号 1000 3886(2023)01 0059 03Single-phase Grounding Fault Area Isolation inDistribution Network Based on Dynamic Grounding MethodDeng Xiaofeng1，Li Jinglu2，Xu Xiongjun1，Yi Guoqiang2(1 Xiaogan Power Supply Branch，State Grid Hubei Electric Power Co，Ltd，Xiaogan Hubei 432000，China;2 College of Electrial and Imformation Engineering，Changsha University ofScience Technology，Changsha Hunan 410114，China)Abstract:When a single-phase grounding fault occurs in the distribution network where the neutral point is grounded by the arc suppressioncoil，it will be affected by the tuning and transition resistance of the arc suppression coil，resulting in difficulty in fault line selectionand isolation，which will seriously affect personal safety and power supply reliability Therefore，a fault area isolation scheme basedon dynamic grounding method was proposed The grounding of the arc suppression coil was changed into dynamic grounding Thevariation law of the zero-sequence current of each distribution terminal before and after dynamic switching was theoretically analyzedThe sequence current comparison method was used to locate the fault section The field test verified the accuracy and reliability of thescheme，and the regional isolation was realized under 0 4 000 high-resistance grounding fault，which provided an engineeringapplication case for solving the problem of fault section location under the grounding method of the arc suppression coilKeywords:arc suppression coil grounding;dynamic grounding;node zero-sequence current comparison method;high resistance grounding;faultarea isolation定稿日期:2022 08 09基金项目:国家自然科学基金(52177070)0引言中性点经消弧线圈接地方式在发生单相接地故障时能限制故障点残流和快速熄弧，保持良好的供电可靠性，因而在配电网中得到了广泛的应用1。但与此同时，消弧线圈也存在无法判断故障性质和故障检测困难等问题，其现有研究成果主要集中在故障选线与故障定位，但随着电力需求的快速增长，馈线上的分支众多，负荷密集，通过选线切除整条故障馈线的方法已不满足供电可靠性的发展需求。通过故障区段定位，实现精准故障区域隔离成为了配电网故障处理的发展方向2。“十三五”期间我国对配电网进行了自动化改造，在配电线路上装设了大量的配电终端(feederterminal unit，FTU)3。但受消弧线圈调谐、过渡电阻大小和线路电容电流分布的综合影响，各配电终端所检测到的零序电流幅值和方向无可靠的差异性，无法通过稳态零序电流保护开展故障区域隔离，严重影响了供电可靠性。针对稳态检测方法的失效，有学者提出了基于暂态录波的故障区段定位方法4，但受限于高阻接地时暂态特征微弱、采集单元采样频率较低和录波时间不同步的综合作用，暂态法在进行接地故障区段定位时常有误判的现象5。为此，本文将配电终端简化为节点，构建了配电网节点电容分布模型，分析了消弧线圈接地系统的局限性，将消弧线圈接地改造为动态接地。针对改造前后各节点零序电流进行了理论分析，并采用节点零序电流比较法确定故障区段，结合配电自动化后台与 FTU 实现了快速故障区域隔离。理论分析与现场试验验证了所提方法的准确性与可靠性。1消弧线圈接地系统节点零序电流分析忽略线路电导的情况下，建立消弧线圈接地方式配电网节点电容分布如图 1 所示，其中:E 为系统的三相对称电源;C10、C10、Cn0为馈线L1、L1、Ln的对地电容;Sij为馈线上的 FTU;Cij0为Sij至负荷侧的对地电容之和;f 为馈线发生的 C 相接地故障点;f为故障点过渡电阻;L 为系统中性点所接消弧线圈。当馈线Ln发生单相接地故障时，根据节点电压法可得母线零序电压U0为:95Electrical Automation电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期电力系统及其自动化Power System Automation图 1消弧线圈接地系统节点电容分布图U0=EA1f1jL+1f+j C(1)式中:EA为 A 相工频电压;C为系统对地电容之和;为工频角频率。对于非故障馈线，其首端 3 倍零序电流 Ii0为:Ii0=U0j Ci0，i=1，2，n(2)为避免系统切断线路或者正常运行时系统发生谐振，消弧线圈系统都采用过补偿，常用脱谐度 一般在 0 10%之间，则有故障馈线首端的 3 倍零序电流 In0为:In0=U0j(Cn0 C)(3)比较式(2)和式(3)可知，故障馈线与非故障馈线首端节点的零序电流方向相同，且因馈线结构与脱谐度 的不同，幅值特征差异无法确定。故障馈线的各节点零序电流与馈线的拓扑结构与故障点位置有关。为便于分析，可取故障点为分界参考点，将分界参考点至电源侧部分节点定义为故障馈线的前部节点SF;分界参考点至负荷部分节点定义为故障馈线的后部节点SL;其余节点定义为故障馈线的分支节点SB;SF与SB的并集定义为故障馈线的前节点SM。根据节点定义规则，以 f 为分界参考点将故障馈线Ln进行节点划分，则故障馈线的前部节点为Sn0、Sn1和Sn4，故障馈线的后部节点为Sn5，故障馈线的分支节点为Sn2、Sn3，前节点为Sn0 Sn4。由式(3)可得，流过故障馈线前部节点SF的 3 倍零序电流InSF0为:InSF0=j U0(Cn0 C CSFM)(4)式中:CSFM为节点SF的前节点对地电容之和。Cn0必然大于CSFM，故障馈线前部的节点零序电流相位相同，幅值沿母线至负荷侧递减。故障馈线后部节点SL与馈线分支节点SB的3 倍零序电流为:InSL0=j U0CSLInSB0=j U0CSBL(5)式中:CSL为故障馈线后部节点SL至负荷侧的对地电容之和;CSBL为故障馈线分支节点SB至负荷侧的对地电容之和。根据分析可知，消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，受配电网拓扑结构、脱谐度及过渡电阻的综合影响，故障馈线与非故障馈线零序电流方向相同，故障馈线各节点零序电流变化无可靠规律，零序电流定值保护失效。即在发生永久性接地故障时，因消弧线圈的补偿作用，导致无法通过稳态零序电流保护进行故障区域隔离，需进行改进。2基于动态接地方式的配电网单相接地故障区域隔离2 1动态接地方式为了保留消弧线圈接地方式供电可靠性高、可消除瞬时性故障和自行熄灭接地弧光的优点，克服消弧线圈补偿电流所造成的图 2动态接地方式结构图故障区域隔离困难问题，将消弧线圈接地方式改造为动态接地方式。图 2 为动态接地方式结构图，电网正常运行时 QFL 合闸，QF 断开，装置处于预调式消弧线圈接地模式，通过 TA、TV 互感器实时检测中性点位移电压、三相电压、各馈线零序电流和消弧线圈支路电流等信息。当中性点位移电压增量 U 越限时，判定发生单相接地故障，消弧线圈进行电容电流补偿，延时 T 后，若中性点位移电压增量 U 恢复正常，则判定为瞬时性故障，装置复归。若延时 T 后中性点位移电压增量仍然越限，判定为永久性接地故障，动态切换至中电阻接地模式，通过群体零序电流比幅法选出故障馈线。2 2动态切换后节点零序电流分析接地方式切换为中电阻接地方式后，其母线零序电压U0为:U0=EA1f1+1f+j C(6)式中:为中性点接地电阻。对于故障馈线Ln，其首端 3 倍零序电流 In0为:In0=U01+j(C Cn0)(7)与式(4)同理，故障馈线前部节点SF的3 倍零序电流 InSF0为:InSF0=U01+j(C Cn0+CSFM)(8)故障馈线后部节点SL与馈线分支节点SB的 3 倍零序电流为:InSL0=j U0CSLInSB0=j U0CSBL(9)06Electrical Automation电力系统及其自动化Power System Automation电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期由式(7)式(9)可以得知动态切换后各节点零序电流的幅值变化规律。故障馈线前部节点的零序电流幅值均沿电源侧至故障点递增，故障馈线后部节点与分支节点的零序电流为本身的对地电容电流。对此，提出了基于节点零序电流比较法的故障区段定位方案。2 3基于节点零序电流比较法的单相接地故障区段定位需要说明的是，节点零序电流比较法具有一定的适用条件。对于 n 回出线的配电线路，若馈线Lj的对地电容电流ICjmax最大，应满足:ICjmaxIC ICjmax(10)如不满足，则应在中性点接入一定容量的接地补偿电容器进行补偿。当发生永久性单相接地故障时且配电线路满足式(10)时，对比式(7)、式(9)可知，故障馈线首端节点零序电流幅值必大于馈线后部节点与分支节点，而故障馈线前部节点的零序电流幅值都沿电源侧至故障