一起10 kV谐振接地系统连续故障分析

卫佳奇,袁明哲,陈 翔,令狐静波,曹 柯,许立志

(国网四川电力公司成都供电公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

10 kV配电网具有网架结构复杂、覆盖面广且运行环境多变等特点,作为电力系统与用户直接相连的重要环节,其安全稳定运行对提升供电企业经济效益和社会效益具有深远意义。电缆线路在城市配电网中已得到广泛应用,其发生单相接地故障的比例达70%,分析单相接地故障在配电网研究中具有重要意义[1-5]。为满足电力系统不同供电需求,研究人员研究出了3种中性点接地方式[6],同时对不同接地方式下发生单相故障进行了详细的研究[7-13]。

由于谐振接地系统的供电可靠性较高,故其在中国配电网中得到了广泛应用。发生单相接地故障时谐振接地系统虽可短时带故障运行,但快速精准定位故障并切除故障可避免故障影响范围扩大,保障设备及电网安全。目前已有较多文献分析单相接地故障并用于故障选线和定位。文献[14]提出了一种暂态选线和高精度稳态选线相结合的综合选线方案,克服了暂态信号不稳定、稳态信号不明显的缺陷,选线准确率高。文献[15]提出了判别金属性接地和间歇性接地故障的新方法,一定程度上解决了能量法数值偏小、灵敏度不高的问题。文献[16]从理论上分析了谐振接地系统发生单相接地故障时的零序电压、零序电流变化规律,并提出谐振接地系统和中性点不接地系统单相接地时暂态特性相同。文献[17]对故障线路的零序电流波形和补偿方式进行分析,为研究小电流接地系统发生单相接地故障时选线和定位提供了参考。

下面首先对单相稳定接地和单相间歇性接地故障进行介绍;再对一起10 kV谐振接地系统连续故障的发展过程及实例波形进行分析,并通过Matlab仿真分析验证对实测波形分析的正确性;最后,提出了10 kV谐振接地系统的整改措施以减小单相接地故障的影响范围。

1 谐振接地系统单相接地故障

谐振接地系统指中性点经消弧线圈接地的系统。接地故障是电力系统中最常发生的故障,可分为稳定接地和间歇性接地。稳定接地故障主要可分为完全接地与不完全接地,其中:完全接地故障表现为接地电阻近似为0,故障相电压为0,非故障相电压升高为线电压值,也称为金属性接地故障;不完全接地故障常表现为电弧接地或高阻接地,接地电阻较大且接地点电压与接地电阻的大小有关,也称为非金属接地故障。在间歇性接地故障中,接地点电弧会出现间歇性重燃与熄灭现象,使电网运行方式瞬时多次改变,电磁能振荡加强。下面重点介绍对单相稳定接地和单相间歇性接地进行。

1.1 单相稳定接地故障

单相稳定金属性接地故障时,非故障线路的零序电流为

(1)

单相接地故障使母线电压中性点向故障相方向发生偏移,非故障相母线相电压升高至线电压值。

单相稳定金属性接地故障时,故障线路零序电流为

(2)

(3)

单相不完全接地故障时,故障相电流为

(4)

故障相电压为

(5)

式中:Rg为过渡电阻;Z∑1和Z∑0分别为正序阻抗和零序阻抗。高阻接地时,故障相电压不为0,母线电压中性点不再向故障相方向偏移,非故障相电压大小也不再相等。

1.2 单相间歇性接地故障

间歇性接地故障是指在绝缘较弱的部位产生接地电弧的多次反复燃熄现象,具有短时多变、接地电流大的特点。故障若长时间发生将导致绝缘水平进一步降低,间歇性电弧将发展成稳定性电弧,最终发展为永久性接地故障。间歇性接地故障存在暂态过程,电流和电压也具有相应暂态特征。

对单相接地瞬间电容电流ic进行暂态分析。

ic=ic·os+ic·st=

Icm[(ωf/ωsinφsinωt-cosφcosωft)e-δt+

cos(ωt+φ)]

(6)

式中:ic·os和ic·st分别为瞬时电容电流的瞬时自由振荡分量和稳态工频分量;Icm为电容电流的幅值;ωf为瞬时自由振荡分量的角频率;δ为自由振荡分量的衰减系数,其值为回路时间常数的倒数。由式(6)可知,瞬时电容电流的自由振荡分量与相角φ有关,当φ=π/2时,自由振荡分量最大;当φ=0时,其值最小。

同理可得瞬时电感电流iL的表达式为

iL=ILm[cosφe1/τL-cos(ωt+φ)]

(7)

式中:ILm=Uφm/ωL;τL其为电感电路的时间常数。电感电流的幅值同样也与接地瞬间电源电压的相角φ有关,当φ=π/2时,其值最小;当φ=0时,其值最大。

瞬时接地电流即为瞬时电容电流和瞬时电感电流之和,表达式为

id=iC+iL=(Icm-ILm)cos(ωt+φ)+

Icm(ωf/ωsinφ·sinωt-cosφ·cosωft)et/τC+

ILmcosφet/τL

(8)

式中,瞬时接地电流由稳态分量与瞬时分量构成。其中第一项为稳态分量,即稳态电容电流与稳态电感电流幅值之差;瞬时分量为第二项电容电流的瞬时自由振荡分量与第三项电感电流的瞬时直流分量之和。

2 10 kV谐振连续故障实例分析

2.1 故障前运行方式

该110 kV变电站主接线方式为内桥接线,有两台主变压器,均为三圈变压器110 kV/10.5 kV/6 kV,容量为40 MVA,故障前通过110 kV线路带两台主变压器供全站负荷;110 kV并列运行,10 kV Ⅰ、Ⅱ母处于分列运行状态,10 kVⅠ母有5条出线,均为电缆线路,CT变比为600/5。

2.2 故障发展过程分析

某日14:20:00,10 kV L1出线因地铁施工电缆受外力破坏,发生C相单相金属性接地故障,致使该110 kV变电站10 kV Ⅰ段母线A、B相电压升高;14:20:26进一步发展为L1出线A、C相短路故障,过流二段保护动作,二次动作值为97 A。在系统过电压作用下,14:20:30,10 kV L2线路的某一联络电缆中间接头B相绝缘薄弱点被击穿发生单相接地,一直持续至14:27:59,调度拉停L2线路查找接地,接地信号消失,系统电压恢复正常。同样由于过电压作用,15:13:05,10 kV L3线路发生高阻性单相接地;15:38:12调度拉停L3线路,接地信号消失。10 kV L4线路某变压器电缆进线三叉处因长期受潮,有轻微的放电,绝缘逐渐在下降。因变电站10 kVⅠ段母线出线间隔多次发生接地,在系统过电压的冲击下绝缘被击穿放电,16:13:51发生单相非金属接地故障;16:40:43调度拉停L4路,接地信号消失。本次故障时序如图1所示。

图1 故障时序

2.3 实例故障波形分析

本次故障主要是由不同线路的单相接地导致的,图2至图4为故障录波的10 kVⅠ母线电压波形(二次值)。根据波形特点可以初步判断图2发生了C相金属性稳定接地故障,由于消弧线圈对电容电流的补偿作用使得接地点处电流很小,母线故障相电压处于很低水平;图3发生了B相间歇性接地故障,接地电阻很小,属于金属性接地,由于系统的阻尼特性,使得A、C两相在电压恢复的过程中呈现不同的特性;图4发生了A相非金属性稳定接地故障,母线故障相电压并未下降太多,但有零序电压存在。

图2 实测C相稳定接地故障母线波形

图3 实测B相间歇性接地故障母线波形

3 单相接地故障Matlab仿真分析

为对上述结论进行验证,对10 kV谐振接地系统进行仿真,模拟该系统在发生单相稳定接地故障(金属性接地)、单相间歇性接地(金属性接地)和单相非金属性接地故障时,系统母线电压的变化情况。仿真系统结构如图5所示。仿真模型中母线所带的5条出线均为电缆线路,长度依次为12 km、5 km、15 km、10 km、7 km。使用三相故障模块设置故障类型以及故障发生的时间,假设故障均发生于L1线路距母线10 km处。消弧装置的电感值可以通过计算得出,约为0.15 H。使用该值进行单相接地故障仿真,得出故障处电流小于5 A,说明电感值选取较为合适。在电网实际运行中,录波器并未采集支路的电压电流,因此以母线电压波形为研究对象。

3.1 单相稳定接地故障仿真

通过三相故障模块设置单相稳定接地故障发生于0.08 s,仿真总时长为0.5 s,结果如图6所示,仿真效果与理论分析一致。当L1线路发生B相稳定接地故障时,母线B相电压瞬时降低,同时非故障相电压幅值增大为线电压值,零序电压幅值为相电压值。此时线电压依然保持对称,因此谐振接地系统可短时带故障运行,有助于提高供电可靠性。

图6 单相稳定接地故障母线波形

3.2 单相间歇性接地故障仿真

在三相故障模块中设置故障发生的时间以及故障持续时间,实现间歇性单相接地故障模拟。共设置了3次故障发生于0.05 s、0.21 s、0.53 s,故障持续时间均为2 ms,母线电压波形如图7所示。

图7 B相间歇性接地故障母线电压波形

可以看出,当谐振接地系统发生间歇性接地故障时,故障相电压也被迅速拉低,待电弧熄灭(接地故障消失)后,故障相电压开始恢复,由于系统参数原因,电压恢复过程中存在超调的现象;同时零序电压开始衰减,其衰减的快慢与消弧装置电阻相关。图8为第二次间歇性接地故障时故障点处B相对地电流和零序电流的波形。

图8 故障处B相对地电流波形

由图8可知,当发生接地故障时,故障相流过较大的高频对地电流,故障消失后对地电流也逐渐减小。瞬时分量的幅值随相角变化而改变,电容分量和电感分量可能相互叠加,给瞬时接地电流带来显著增幅。瞬时接地电流首半波的极性与零序电压首半波的极性之间存在90°的固定关系,可利用此关系作为故障选线判据。

3.3 单相非金属性稳定接地故障仿真

通过三相故障模块在0.3 s时进行3次接地电阻分别为100 Ω、400 Ω、800 Ω的永久接地故障仿真,结果如图9所示。

图9 高阻接地时母线电压波形

由图9可知:发生单相接地故障时,随着B相接地电阻的增大,故障相剩余电压逐渐增大;非故障相电压的增幅呈减小趋势,且两非故障相电压的增幅不同。这是由于B相发生金属性短路,中性点电压会沿着B相发生偏移,此时AC两相电压是对称的;而过渡电阻的存在不仅会影响B相的故障电流、中性点故障电流以及中性点电压的大小,还会影响其相位,导致中性点的偏移不再沿原来B相的方向,使AC两相电压产生如图所示的现象。仿真结果与实测结果具有较好的一致性。

4 结 论

通过对一起10 kV系统长时间过电压引发的连续接地短路故障进行介绍,定性地分析了该故障的录波波形;并利用Matlab搭建10 kV谐振接地系统,得出了对应故障情况下的母线电压,为以后研究小电流接地系统发生单相接地故障时选线和定位提供参考。针对10 kV谐振接地系统提出以下减小单相接地故障影响范围的建议:

1)使用合适的消弧线圈在线调挡方式,以应对间歇性接地故障;

2)选用适宜的故障选线策略,快速准确地切除故障线路,避免系统长时间过电压;

3)采用效果较好的绝缘监测装置对电缆的绝缘情况进行监视。

4)重视日常维护工作,在故障发生前做好预防措施与应急措施,以此来降低单相接地故障所产生的损失,确保配电网的安全、稳定运行。