基于零序电流突变量的配电网单相故障带电定位判据

第30卷第31期中国电机工程学报Vol.30No.31Nov.5,20101182010年11月5日ProceedingsoftheCSEE©2010Chin.Soc.forElec.Eng.文章编号：0258-8013(2010)31-0118-05中图分类号：TM73文献标志码：A学科分类号：470·40基于零序电流突变量的配电网单相故障带电定位判据倪广魁1，鲍海1，张利2，杨以涵1(1．华北电力大学电气与电子工程学院，北京市昌平区102206；2．北京信息科技大学自动化学院，北京市海淀区100192)CriterionBasedontheFaultComponentofZeroSequenceCurrentforOnlineFaultLocationofSingle-phaseFaultinDistributionNetworkNIGuangkui1,BAOHai1,ZHANGLi2,YANGYihan1(1.SchoolofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,ChangpingDistrict,Beijing102206,China;2.SchoolofAutomation,BeijingInformationScience&TechnologyUniversity,HaidianDistrict,Beijing100192,China)ABSTRACT:Whensingle-phaseearthingfaultoccurs,theresonantgroundedsystemcouldkeeponrunningfor1or2hours.Ifthefaultisremovedduringthisperiod,powerwillbecontinuouslysuppliedtothedistributednetworksystem.Inordertodealwiththeproblemproposedabove,anewonlinefaultlocationcriterionwasproposedusingzero-sequencecurrentdifferencethroughanalyzingthecharacteristicofthebranchfaultonsubstationoutlet,thebranchfaultonnon-outlet,andthecharacteristicofthefaultcomponentofzerosequencecurrent.Bythiscriterion,thesingle-phaseearthingfaultinresonantearthingdistributednetworkcanbelocatedonline.ATPsimulationresultsdemonstratedthecorrectnessandvalidityofthecriterion.KEYWORDS:powersystem;resonantgrounded;single-phaseearthingfault;zerosequencecurrent;faultlocation;criterion摘要：谐振接地配电网发生单相接地短路故障时，可以继续运行1~2h，如果在此期间可以排除故障，将可实现配电网的持续性供电。针对谐振接地配电网单相接地故障，通过分析变电站出线端的线路分支故障、非出线端线路分支故障以及故障点前后的零序电流特征，提出一种利用零序电流突变量进行带电故障定位的判据，利用此判据可以很好地解决谐振接地配电网单相接地故障带电定位的难题。通过ATP仿真，验证了该判据的正确性和有效性。关键词：电力系统；谐振接地；单相接地故障；零序电流；故障定位；判据0引言中国中压配电网一般采用中性点不接地或中性点经消弧线圈接地(小电流接地)的运行方式。长期以来，单相接地故障定位是一个难题。目前，配电网线路故障定位主要依靠人工巡线，但随着配电网的发展，线路增长，分支增多，线路变得越来越复杂[1]，用传统的巡线方法找到具体故障点的位置非常困难，对于类似绝缘子击穿的隐蔽故障[2]，人工寻找很难发现，不仅耗费了大量人力物力，而且延长了停电时间，影响了供电可靠性。可见，一种有效的故障定位方法是非常重要的。配电网故障定位方法已有研究，如在三相不换位情况下，利用传递函数法进行故障定位[3]；利用逐次判别法和误差向后传播算法实现故障区段的在线识别[4]；通过建立新的故障定位数学模型，开发高级遗传法改善定位方法的容错性[5]；采用贝叶斯不精确推理法和面向对象技术，排除少数故障投诉中错误信息的不利影响，获得比较可信的故障定位结果[6]。但是，这些方法都没有达到实用化水平。利用S注入法[7-8]进行故障定位较为常见，但它容易受到接地电阻和线路分布电容的影响。目前，利用行波法[9-10]和交直流综合法[11-12]的离线定位技术基本解决了配电网离线故障定位的问题，并且已经达到实用化水平。但是实际应用中有些用户对供电可靠性要求很高，希望在不停止线路供电的情况下进行故障定位，所以有必要研究实基金项目：国家863高技术基金项目(2009AA122328)。TheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentofChina863Program(2009AA122328).第31期倪广魁等：基于零序电流突变量的配电网单相故障带电定位判据119用化的带电定位方法，以适应不同用户的需求，这样就需要有一种行之有效的判据作为支持。对于中性点不接地系统可利用零序功率方向[13]和移动式比相法[14]实现带电故障定位，而谐振接地配电网的带电定位却很少讨论，本文提出了一种针对谐振接地配电网的带电故障定位的判据，利用此判据可以实现谐振接地配电网的带电故障定位。1谐振接地配电网带电定位的难点分析在谐振接地配电网中，消弧线圈的存在为配电网提供了一种可控手段，但由于消弧线圈的补偿作用，使得各个线路的零序电流大小相差很小，相位基本一致。发生单相接地故障时，故障线路和非故障线路稳态时的特征无明显差异，这给故障带电定位带来了困难。利用接地暂态过程中故障线路和非故障线路的特征差异作为故障定位的判据[15]时，由于接地现象复杂，其暂态持续时间的长短差异比较大，在很多情况下当接地保护装置启动后，系统接地的暂态过程就己经基本结束，进入了接地的稳定状态；而故障定位需要有持续保持的信号或者同时得到大量短时信号，对于接地暂态信号则需要足够多的点来进行数据的同步采集以保证定位可以实现，数据采集特别困难，难以实现。这样就需要寻找一些其他的方法。要想准确地找到故障点，首先要找出能够明显区分故障线路和非故障线路的特征量；其次要有足够大的被监测信号，同时该监测信号要有足够长的持续时间。利用零序电流突变量法得到的判据就可以有效地解决这一问题。2零序电流突变量法2.1变电站出线端的线路分支故障情况当线路发生单相永久金属性接地故障时，改变消弧线圈参数(改变消弧线圈的电抗值，以下类同)，可以改变补偿电流的大小，而补偿电流大小的变化只会反映在故障线路的零序电流中；当线路发生永久性经阻抗接地故障时，改变消弧线圈参数同样会引起故障电流的变化，从而导致零序电压发生变化，而零序电压的变化会使各条线路的零序电流都发生变化，此时将零序电流折算到同一电压下，补偿电流大小的变化也只会反映在故障线路的零序电流中。在谐振接地配电网中，安装有消弧线圈的变电站出线端有很多线路分支，配电网的其他地方也有很多线路分支，下文分别对这2种线路分支的零序电流突变量以及故障点前后的零序电流突变量进行特征分析。先对谐振接地配电网发生单相接地故障后的零序电流进行特征分析。假设从变电站出线端引出的第N条线路发生单相接地故障，零序电流参考方向如图1所示，消弧线圈参数改变前后，消弧线圈的电抗值分别为1LX和2LX，零序电压分别为01U和02U，设各条分支在消弧线圈电抗值改变前后的零序电流分别为11I,21I,…,11NI−，1NI和12I,22I,…，12NI−,2NI，各条线路的对地电容值分别为1C,2C,…,1NC−，NC。在第N线路发生单相金属性接地故障、消弧线圈参数未改变之前，系统的零序等值电路如图1所示。线路1C1线路2线路N线路N−1C2CN−1CNİ11İ21İN−11İN1L……图1变电站出线端的线路分支故障Fig.1Circuitbranchfaultofsubstationoutlet非故障线路的零序电流为101jiiICUω=，iN≠(1)故障线路的零序电流为11121111()NNLIIIII−=−+++−(2)消弧线圈参数改变后，非故障线路的零序电流为202jiiICUω=，iN≠(3)故障线路的零序电流为21222122()NNLIIIII−=−+++−(4)由于发生金属性接地故障时，消弧线圈参数改变前后全网的零序电压基本不变，即0102UU≈，因此可求出消弧线圈参数变化前后各条分支的零序电流的改变量。120iiiIII∆=−=，iN≠(5)12112111222()[()NNNLIIIIIIII∆=−=−+−−−+−212011012]/(j)/(j)LLLIIIULULωω=−+=−+(6)当第N条线路发生单相电阻接地故障时，消弧线圈参数改变前后，非故障线路的零序电流和故障线路的零序电流同式(1)—(4)。120中国电机工程学报第30卷由于消弧线圈参数的改变引起故障电流的变化，导致零序电压发生变化，会使各条线路的零序电流都发生变化，由式(1)和(3)得101/iIU=202/iIU，即120102/iiIIUU=(7)如果将消弧线圈参数改变前后的零序电流折算到同一个电压下，就可以去除零序电压变化带来的影响，列写各分支零序电流突变量方程：120102/0iiiIIIUU∆=−=，iN≠(8)120102112111222201021/()[()]/NNNLLLIIIUUIIIIIIUUI∆=−=−+−−−+−=−+20102011012//(j)/(j)LIUUULULωω=−+(9)2.2非出线端的线路故障情况配电网中非出线端的线路故障时的电路如图2所示。若消弧线圈参数改变前后s1I折算值不变，则处在非故障线路上，后面各分支均为非故障线路；若s1I折算值明显变化，说明其处在故障线路上，后面某分支为故障支路。非故障出线线路1C1线路2线路N线路N−1C2CN−1CNİ11İ21İN−11İN1L……İs1图2非出线端线路故障Fig.2Circuitfaultofnon-outlet同样利用零序电流突变量法来确定故障分支，可得i120102/0iiIIIUU∆=−=，iN≠(10)1201021121s1/()NNNIIIUUIII∆=−=−+−−1222s20102s1s20102[()]//IIIUUIIUU−+−=−+(11)因s1I在故障路径上，由2.1节类推可得：s1s20102120102//NLLIIIUUIIUU∆=−+=−+=011012/(j)/(j)ULULωω−+(12)2.3故障点前后零序电流的特征分析故障支路的电路图如图3所示。消弧线圈参数改变前后，对故障点前后的零序电流进行特征分析。İ11İ12İsC1C2图3故障点前后零序电流的特征分析Fig.3Characteristicanalysisofthezerosequencecurrentfore-and-afterfaultpoint通过2.1和2.2节可以确定sI与消弧线圈电流的变化保持一致。在消弧线圈参数改变前，故障点前后的零序电流分别为11s1101jIICUω=−