配电网小电阻接地缺陷性分析及动态电阻接地研究
2022-02-26李必伟李景禄易洲楠朱文葛
李必伟,李景禄,易洲楠,朱文葛,刘 洋
(长沙理工大学电气与信息工程学院,长沙 410114)
0 引言
配电网接地方式大致分为不接地、电阻接地以及消弧线圈接地3种方式[1]。随着城区配电网的线路不断增加,电网的容性电流远远大于30 A,不接地方式已不再适用于城区配电网[2]。消弧线圈接地方式虽然能解决瞬时性故障,但是该方式不能准确选出故障线路切除故障,无法确保配电网安全运行[3-6]。小电阻接地方式由于其准确的选线能力而被广泛应用,但该方式存在高阻故障选线失灵以及对无法保证配电网供电可靠性的问题[7-11],为解决该系列问题众多学者进行了大量研究。文献[10]研究了各馈线出口处零序电压、零序电流与接地电阻的关系,提出基于零序电压比率制动的小电阻接地方式,保证在零序装置保护区内发生高阻故障能准确动作,区外保护装置不误动,但该处理方式所诊断高阻故障只能达到1 000 Ω;文献[12]提出电流、电压暂态量信息判断单相高阻接地故障,但随着过渡电阻的增大,其暂态分量将越发不明显;为解决小电阻供电可靠性,文献[13]提出了中性点消弧线圈并电阻接地方式,从而满足配电网供电可靠性以及瞬时性故障的准确熄弧,但该方法仍存在高阻选线失灵以及接地方式切换时易出现开关损坏等问题。
为解决配电网经小电阻接地系统单相高阻接地故障选线难及供电可靠性低的问题,本研究将建立小电阻接地模型,研究小电阻接地系统零序电流、中性点电压、三相电压以及零序阻抗之间的关系,通过对上述参数的分析,提出一种动态电阻接地方式,用于弥补小电阻接地方式所出现的不足。
1 小电阻接地系统分析
1.1 故障分析
区别于消弧线圈接地系统,发生单相接地故障时,小电阻接地系统所产生的故障电流较大,有利于故障检测及时切除故障线路;同时小电阻接地方式可限制过电压水平,避免过高的电压损坏配电网设备。图1为经小电阻接地系统单相接地故障模型,RN为中性点接地电阻,C1、C2、C3分别为输电线路对地电容。
图1 小电阻单相接地故障模型Fig.1 Small-resistance single-phase ground fault model
经等效变换后其单相接地故障等效电路见图2,Rd为故障处过渡电阻,U为故障相电压。在中性点经电阻接地的情况下,若系统C相发生单相接地故障时,其故障电流可表示为
图2 单相接地故障等效电路Fig.2 Single-phase ground fault equivalent circuit
(1)
则中性点电压表达式为
(2)
其非故障线路零序电流为:
(3)
(4)
故障线路零序电流为
(5)
对比上述公式可知系统发生单相接地故障时,中性点电压将发生偏移;故障线路的零序电流最大其大小为所有非故障线路零序电流之和。
1.2 高阻选线失灵
配电网小电阻接地系统发生单相故障时,由于其零序电流大,易满足零序保护的灵敏性以及选择性达到快速选线的效果而被广泛应用在配电网。但配电网发生单相高阻接地故障,例如因雷击、工人施工等导致线路断线,会出现发生零序选线失灵的情况。表1为导线断线时与不同地质表面接触时过渡电阻阻值。
表1 不同接触地面过渡电阻值Table 1 Transition resistance values at different contact grounds
系统零序保护Ⅱ段是为了弥补零序Ⅰ段的不足,应可靠躲过故障线路的电容电流以及相间故障时产生的不平衡电流。由公式(5)可知,对于10 kV中性点经小电阻接地系统,若中性点电阻为20 Ω,零序电流保护Ⅱ段整定值设置为30 A,经计算可得到Ⅱ段保护动作的临界过渡电阻为173 Ω。当该线路某条馈线单相接地故障过渡电阻大于173 Ω时,线路零序保护将无法启动。当配电线路出现断线故障,断裂线路落在混泥土水泥地或者柏油路上,而该两种接触面过渡电阻都在500 Ω以上,远远大于线路临界过度电阻;一般人体自身内阻抗电阻大约在1 000~1 500 Ω,过大的过渡电阻会使线路零序保护装置不动作,故障线路不能及时切除,当事故发生地有行人路过时,极易发生人身触电情况事故。
1.3 供电可靠性低
配电网线路大多存在架空—电缆混合线路,线路遭受雷击时,线路绝缘子极易在过大的雷电冲击电压下发生击穿,产生瞬时的接地电弧,因杆塔上装设有接地装置,其故障电流大多满足零序保护装置的整定值,线路将立即跳闸。小电阻接地方式保护特点是瞬时切除故障线路,但对于单电源放射式的配电系统,一旦限流发生跳闸,必然会使该地区供电可靠性降低。对于雷电活动频繁的地区,由雷击引起的跳闸事故发生率将大大提高,这严重影响了电网的供电可靠性。
2 动态电阻接地
2.1 动态电阻原理介绍
在配电网接地系统中,中性点经小电阻接地方式都存在着高阻选线失灵以及供电可靠性低的缺陷。为确保电网的可靠运行、供电可靠性及经济性,本研究提出动态电阻接地方式,见图3为动态电阻接地原理图。
图3 动态电阻接地原理图Fig.3 Dynamic resistance grounding schematic
动态电阻接地装置由接地变压器引出配电线路中性点,R1、R2为中性点接地电阻,QFR1、QFR2为真空断路器,AV、TV为电流互感器和电压互感器用于提取流进中性点电流以及中性点电压,将所提取的实时数据传输到计算机测控单元,由计算机判断故障类型,对不同的故障类型进行不同的处理。动态电阻接地装置初始状态为中电阻接地,即动态电阻达到最大值。中性点动态电阻接地通过监测中性点电压(UN1、UN2为中性点电压临界值)将故障分为高、中、低阻3种故障状态。
1)当配电网处于低阻故障时(UN>UN2),由于动态电阻接地方式处于中电阻接地方式,其故障电流不会过大,从而导致装置烧坏。线路上的零序电流互感器监测各馈线上的零序电流,故障馈线零序电流由除该条馈线容抗外的容性电流以及中性点阻性电流之和,而非故障馈线零序电流为该自身馈线所产生的容性电流,因此故障馈线零序电流将远大于非故障馈线零序电流,可通过确定最大的零序电流来选出故障馈线。同时通过一段时间的延时处理,检测比较中性点所流过的电流及零序电流变化来判断故障性质,进而判断是否切除故障线路。
2)当配电网处于中阻故障时(UN1 3)当配电网处于高阻状态时(UN 为确定中性点所接电阻值,本研究将通过分析不接地系统弧光过电压作用机理来确定电阻大小。若系统C相发生故障,可得到不接地方式下故障相放电等值电路,见图4,利用开关K来模拟电弧的重燃和熄灭,C为系统对地电容,L为系统内部电感量。 图4 不接地方式下故障相放电等值电路Fig.4 Equivalent circuit of fault phase discharge in ungrounded mode 设在t1时刻电弧重燃,即开关K闭合,在开关闭合时,作用在电容上的瞬时电压为 Uc=Usinωt1+[U0+Usinωt1]cosω0t (6) UCm=2Usinωt1-U0 (7) 电容上所承受电压与接地点电弧重燃的时间以及系统中电容残余电压U0有关,如果电容残余电压方向与电弧重燃时刻电源电压方向刚好相反,则电容上所承受的电压绝对值为 |UCm|=2|Usinωt1|+|U0| (8) 可知|UCm|>|U0|,这种情况下线路电容将出现了电荷累积。如果在下半个周期某时刻t2电弧又发生重燃,则又将出现电容上残余电压U0和电源电压Usinωt2相反的情况,电容上的电荷将不断的积累。若电容上的电荷不能及时泄放,电弧重燃将会导致电容上的电压持续上升,直至故障扩散。 图5 动态电阻接地方式下非故障相放电等值电路Fig.5 Non-fault phase discharge equivalent circuit in dynamic resistance grounding mode (9) 经上述计算分析,可以根据所接系统的电容电流计算出满足快速泄放线路电荷电阻值大小,作为中性点所接电阻的初始值。若为电容电流为30 A的10 kV配电网,经计算的其初始电阻应为取209~349 Ω,当切换到小电阻接地模式时其电阻值可取为30 Ω,保证在发生高阻接地故障切换电阻状态时零序电流检测装置能准确捕捉馈线上零序电流的增量,使得正发生高阻故障时正确选取发生故障的馈线。 动态接地方式由于初始状态为中电阻接地方式,在系统发生单相接地故障时,故障点所经过的电流会远远小于小电阻接地方式下所产生的故障电流。若所发生的故障为瞬时性故障,由于故障电流很小,所发生的瞬时性故障可以快速消减,使得系统恢复到正常运行状态,所以动态接地方式通过对故障的延时处理对故障进行判断;若经一定时间后系统未恢复到正常运行状态,则利用零序电流选线法选出故障线路并切除,以避免故障扩大。根据发热定律: Q=I2Rt (10) 在采取相同的延时条件下,当采用小电阻接地方式时,由于所产生的故障电流较大,使得故障时电阻产生巨大的热量,附近设备存在热量过大发生火灾的风险。动态电阻接地方式初始状态为中电阻方式,即使故障时所产生的故障电流也将远小于小电阻接地方式,规避了小电阻接地方式存在的潜在风险。 为检验动态电阻方式实际应用正确性,本次试验依托漯河真型试验场对该接地方式进行了针对性试验,特别是配网出线发生高阻接地故障时,验证该接地方式故障处理能力。 试验场主要包含:变电所子系统、故障模拟子系统、线路子系统。该模拟实验场电源来自10 kV公共电网,经隔离环节接入实验室,不影响外部电网的运行安全。试验场具有3条真实线路以及3条模拟线路。Ⅴ真培线路、Ⅵ真培线路为真实架空线,两条线路末端通过断路器实现多分段联络、“手拉手”等多种典型配网网架;Ⅳ真培线路为真实电缆线路,末端与Ⅴ真培首端进行联结,可模拟架空—电缆混合线路;Ⅰ真培、Ⅱ真培、Ⅲ真培线路为集中参数模拟线路,通过调整线路首末端分散布置的电容可以模拟电容电流为10~150 A的配电网系统。 图6 漯河真型模拟试验场Fig.6 True simulation test field 图7 瞬时性接地故障实验现场Fig.7 Test site of transient earth fault 此次试验采用故障线路为Ⅱ真培(具有负荷模拟和断线模拟能力),系统电容电流IC=65 A,中性点动态电阻采用120 Ω、60 Ω两个档位。模拟配电网瞬时性弧光接地和永久性接地故障,验证动态电阻接地正确处理各类故障的能力。 通过现场试验模拟Ⅱ真培发生单相瞬时性弧光接地故障,根据表2实验数据得到,当发生弧光接地故障时,其非故障相电压幅值相近且电压大小明显大于故障相电压,瞬时性弧光试验表明动态电阻接地方式能快速准确熄弧。当A相发生故生后,实现B、C两相电压升高,A相电压降低,故障电流存在一定波动,在中电阻的阻尼作用下,故障点电弧能在短时间内熄灭,使得三相电压恢复正常,相比于小电阻接地,其熄弧时间更快,极大提高了供电可靠性。 图8 永久性接地故障实验现场Fig.8 Permanent ground fault experiment site 表2 瞬时性弧光接地故障实验Table 2 Transient arc light ground fault experiment 通过改变试验场接地电阻柜中电阻大小模拟过渡电阻为0、1 000、3 000、3 500、5 000 Ω的永久性故障,记录各馈线故障时零序电流及中性点电压大小。通过表3数据可知,过渡电阻越大,配电网中性点电压偏移越小,同时各馈线零序电流也有所下降。由于故障馈线零序回路叠加了阻性电流,故障馈线零序电流明显大于其他线路。 表3 各过渡电阻下线路试验数据Table 3 Line test data under each transition resistance 续表3 图9为单相金属性接地时各特征量波形图,故障馈线零序电流明显比非故障馈线零序电流大,故障相电压下降至0附近,非故障相其电压接近于线电压;通过2 s延时处理后判断故障类型切除故障,三相电压恢复至正常水平。 图9 金属性接地故障时各状态量波形图Fig.9 The waveform diagram of each state quantity in the case of a metallic ground fault 图10为单相高阻接地时各特征量波形图,由图像可知故障相与非故障相电压接近,且故障时零序电流较低,可能无法达到零序电流保护装置启动精度;经一定延时处理后判断所发生故障为高阻接地,将动态电阻接地的接地状态由中电阻接地方式切换为小电阻接地方式,增大零序电流中的阻性电流,在满足零序电流互感器的检测要求的情况下,通过检测零序电流增量最大的馈线从而确定故障馈线,所以在配电网出现高阻接地情况下也能准确选出故障馈线,从而供电的可靠性以及电网稳定运行。 图10 过渡电阻3 000 Ω时各状态量波形图Fig.10 The waveform diagram of each state when the transition resistance is 3 000 Ω 1)配电网小电阻接地系统发生单相高阻接地故障时,由于过渡电阻过大导致零序保护处于动作死区,不能及时切除故障;发生瞬时性故障时,不能判断其故障类型将立即动作切断线路,降低了电网供电可靠性。 2)通过研究配电网发生单相接地故障时中性点电压、零序电流以及三相电压之间的关系,将单相故障分为高阻、中阻、低阻3种故障状态,不同的故障状态对应不同的处理手段。配电网发生高阻接地故障时,通过检测各馈线零序电流增量幅度判断故障馈线,从而解决小电阻接地故障高阻零序保护死区问题。 3)动态电阻接地方式能及时给瞬时性弧光接地故障提供放电通道,避免故障时线路电容上累积电荷而导致系统发生弧光接地过电压,经试验得知该方法能在半个周期内将瞬时性电弧熄灭,使电网快速恢复稳定。 4)在国网配电智能化应用及关键设备联合实验室对动态电阻选线方式进行了试验验证,结果表明该方式在金属性接地和经高过渡电阻接地故障发生时选线程序都能迅速启动并准确地选出故障馈线,其过渡电阻识别能力达5 000 Ω。2.2 动态电阻接地阻值选取
2.3 动态电阻接地对故障类型的判断
3 动态电阻接地装置现场试验
4 结 论