基于PSCAD的城轨交通35 kV供电系统接地故障及其保护的仿真分析

钟素梅

(深圳市地铁运营集团有限公司,广东 深圳518040)

0 引 言

国内城轨交通35 kV供电系统通常采用小电阻接地方式,以降低大量使用环网电缆带来的诸多不良影响,并越来越多地采用大分区接线方式,以节约35 kV环网电缆投资[1-3],上述因素使得城轨交通35 kV供电系统的零序电流保护有其特殊之处。另外,城轨交通35 kV供电系统的继电保护设计、整定涉及多家不同的设计、调度单位,给设计、整定配合工作带来一定困难,因继电保护整定、配置不当而导致的事故扩大偶有发生。该文采用对称分量法进行理论分析,并应用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC搭建模型进行仿真验证,提出可行建议,供同行参考。

1 35 kV供电系统的接地故障

表1 35 kV供电系统设备参数

表2 35 kV供电系统线路参数Table 2 Line parameter of 35 kV power system

图1 35 kV供电系统简化接线

图2 35 kV母线A相接地故障复合序网

2 建模仿真

PSCAD/EMTDC作为电力系统电磁暂态仿真软件,可实现电力系统的故障建模及故障仿真。通过PSCAD/EMTDC搭建模型对前节所述进行验证。

2.1 一次系统模型

对于系统电源、主变、接地电阻、断路器、故障类型,可直接选用PSCAD元件库中的三相电压源元件、3/5铁芯柱UMEC变压器元件、三相断路元件器、三相故障元件并按其参数设置。

图3 Z联结接地变模型

由于零序电流通过Z联结时,仅产生零序漏磁通,零序漏抗与铁芯结构无关,选用单相双绕组变压器元件或单相双绕组UMEC变压器元件(考虑铁芯尺寸,能表示相间耦合),仿真结果是相同的。值得注意的是,单相双绕组变压器元件无法设置直接零序漏抗,需通过搭建零序漏抗测量电路,调整正序漏抗设置,测得相符的零序漏抗值。

PSCAD元件库中的电缆元件仅能直接设置敷设深度、电缆结构等物理参数,再通过物理参数计算出电气参数。已知电缆的电气参数时,选用PI线路段元件进行建模更为方便。对于50 μs 仿真步长下长度小于15 km的线路,PI线路段元件能提供正确的工频阻抗。

从表1可知,变电所之间的电缆长度不超过9 km,PI线路段元件能满足电力系统故障稳态的仿真要求。设置PI线路段元件的正序容抗、零序容抗参数时,应计入变电所设备的容抗,对于35 kV变电所按容抗降低13%考虑。由于金属屏蔽层的作用,35 kV单芯电缆的正序电容和零序电容是相同的。

2.2 二次系统模型

因城轨交通35 kV供电系统采用闭环接线、开环运行,均是单侧电源供电,故只需通过快速傅里叶变换元件对电流量进行处理,获得各序电流分量的工频幅值,再与过电流检测元件中的设定值进行比较,若工频幅值在指定的时间内持续超出设定值,过电流检测元件输出为1,否则输出为0。

2.3 单相接地故障仿真

对第1节所述进行仿真验证,图4～图5所示为故障稳态时xlm变电所接地电阻处电流与保护311～315处的三相电流、各序分量电流有效值,可以看出仿真波形与第1节分析相符。

图4 线路311～315处的三相电流仿真波形

图5 线路311～315处的各序分量电流仿真波形

由于电缆的分布电容难以忽略,母线并列运行时,非故障线路保护处流过的电容电流会增大,图6所示为保护312～315流过的最大电容电流。分别对xl、lxd、xd变电所母线A相接地故障进行仿真,从图7可以看出,由于接地变、接地电阻的零序阻抗较大,不同位置发生单相接地故障时,保护313处零序电流幅值不大且差异不大。

图6 保护312～315流过的最大电容电流仿真波形

图7 不同位置发生单相接地故障保护313处

3 零序电流保护

从第2节的仿真结果可知,由于在小电阻接地方式中,线路不同位置发生单相接地故障时,零序电流幅值不大且差异不大,无法通过电流定值的配合实现选择性动作,为简化整定可只配置一段线路零序电流保护,通过动作时间的配合实现选择性动作。由于非故障线路保护处也流经零序电流,即分布电容形成的电容电流,线路零序电流保护应可靠躲过线路的电容电流,对本线路单相接地故障有规定的灵敏度且与相邻元件的零序电流保护配合,如表3所示。若按上述整定原则,保护整定值如表4所示。仿真xd变电所母线发生A相接地故障,各保护动作情况如图8所示,保护313、xl303、lxd303满足选择性切除故障的要求,保护312、314、315未误动作。

表3 线路零序电流保护整定原则

表4 线路零序电流保护整定值Table 4 Setting value for zero sequence current protection

注:图中纵坐标为开矢量,0为未动作,1为动作。

对于保护315,因被其保护线路的电容电流较大,导致电流定值整定得较大,对本线路末端故障的灵敏度刚刚满足要求,但对下级线路故障的灵敏度不足,无法可靠作为下级线路的后备保护。城轨交通的电缆线路敷设环境并不如城市配电线路深入人员密集区域,受环境、人为等因素影响,常发生经非理想导体的单相高阻接地故障,如导线跌落在草地、马路、沙地、水塘等,过渡电阻在100 Ω以上甚至1 000 Ω[5-7],零序电流保护整定不必考虑经过渡电阻接地故障。但城轨交通的电容电流较大,会导致保护灵敏度不足,故单相接地故障电流不宜太小,应综合考虑保护灵敏度、限制过电压倍数、通信干扰等因素选取接地电阻值。

4 电流选跳保护

电流选跳保护通过数字通信技术实现保护装置之间的信息传递、逻辑判断,做到选择性地快速切除故障。电流选跳保护的动作原理是上级保护在动作时间内收到下级保护发送的闭锁信号后闭锁动作,否则在启动条件达到动作时间后动作。

国内某城轨交通35 kV供电系统采用电流选跳保护,在一次变压器电缆终端头短路故障中发生保护误动,导致事故扩大。图9为变压器保护录得波形,从上至下依次为三相电流、电压。故障初期为C相接地故障,持续约5个周波后发展成BC相接地故障, BC相接地故障持续半个周波后,故障被切除。结合保护定值和SOE事件分析,故障电流使变压器保护启动,但其持续时间未达到保护动作时间(电流速断保护0.1 s,零序电流保护0.3 s),上级变电所出线保护先于变压器保护动作跳开断路器。说明上级保护未被下级保护的信号闭锁,保护通信与保护逻辑出现问题。应用PSCAD软件对该故障进行仿真,图10为变压器保护301的仿真故障波形,与故障录波相吻合,验证了上述分析。为保证电流选跳保护的可靠性,可采用GOOSE冗余双网拓扑结构并配置通信监测措施;优化保护动作原理,采用允许式动作逻辑[8]。

注:图左侧数据为幅值的最大值和最小值。

图10 PSCAD仿真的故障波形

5 结 语

1)城轨交通电力电缆的敷设环境并不复杂,发生接地故障基本为金属性故障,零序电流保护整定不必考虑过渡电阻。

2)为避免因零序电流保护躲线路电容电流整定而导致灵敏度不足的问题,对于有大分区接线方式或电缆长度较长的回路,单相接地故障电流(3I0)不宜过小,应综合考虑小电阻接地系统的接地电阻值,规范建议以5～30 Ω为宜。

3)受接地变零序电流保护动作时间的限制,即使缩短保护级差也无法满足上下级保护的选择性时,只能采用电流选跳保护。

4)为降低通信故障对电流选跳保护的影响,可采取配置通信网络冗余及监测与优化保护动作逻辑的措施。