配電網(wǎng)單相接地故障殘余電流轉(zhuǎn)移消弧方法

配電網(wǎng)單相接地故障殘余電流轉(zhuǎn)移消弧方法范松海;陳坤燚;肖先勇;劉小江【摘要】根據(jù)消弧線圈和故障轉(zhuǎn)移滅弧裝置的優(yōu)缺點,提出了一種殘余電流轉(zhuǎn)移的消弧方法.該方法首先利用消弧線圈將故障點電流補(bǔ)償?shù)捷^小數(shù)值,再投入故障轉(zhuǎn)移裝置轉(zhuǎn)移故障點的殘余電流,使電弧可靠熄滅.為了避免轉(zhuǎn)移裝置錯誤投入帶來負(fù)面影響,采用兩級開關(guān)結(jié)構(gòu),并用限流電阻對第一級合閘電流進(jìn)行限制.通過檢測限流電阻的電壓或電流,可實現(xiàn)轉(zhuǎn)移裝置投入正確性以及電弧是否熄滅的判別,為故障轉(zhuǎn)移裝置的投退提供了可靠依據(jù).仿真結(jié)果表明,該方法能夠解決消弧線圈殘流過大的問題,同時也能夠避免故障轉(zhuǎn)移裝置錯誤投入帶來的風(fēng)險.期刊名稱】《電測與儀表》年(卷),期】2019(056)011【總頁數(shù)】6頁(P20-25)【關(guān)鍵詞】消弧;消弧線圈;殘余電流轉(zhuǎn)移消弧;中性點非有效接地【作者】范松海;陳坤燚;肖先勇;劉小江【作者單位】國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院,成都610072;四川大學(xué),成都610065;四川大學(xué),成都610065;國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院,成都610072【正文語種】中文中圖分類】TM7710引言我國配網(wǎng)多采用中性點非有效接地方式，可帶單相接地故障運行1-2小時。帶故障運行期間，若存在故障電弧，將給電網(wǎng)帶來不利影響，尤其是電纜線路，長時間受到電弧破壞，容易造成絕緣損傷積累，發(fā)展成相間短路故障［1］。隨著配網(wǎng)容量的增長和電纜線路的大量使用，配網(wǎng)對地電容大幅增加，單相接地故障電流隨之增大，電弧很難自行熄滅［1-3］。為了消除故障電弧，國內(nèi)外做了大量研究，提出了多種消弧方法，總體可分為電壓消弧和電流消弧兩類，最具代表性的裝置是消弧線圈和故障轉(zhuǎn)移裝置［1-5］。消弧線圈是利用諧振補(bǔ)償原理來減小故障點的電容電流，從而達(dá)到消弧的目的。消弧線圈有手調(diào)式和隨調(diào)式兩類［5］。手調(diào)式消弧線圈不能跟隨系統(tǒng)電容的變化，為防止系統(tǒng)電容變化而引起中性點位移電壓過高，一般采用過補(bǔ)償方式，因而存在較大殘余電流；隨調(diào)式消弧線圈能夠在線測量電容，消弧線圈能夠自動調(diào)諧，補(bǔ)償后殘流大大減?。?-7］。但是，無論何種消弧線圈都僅僅能夠補(bǔ)償電流的無功基波分量，對于有功電流分量和諧波分量無能為力。文獻(xiàn)［3］指出，我國某些煤礦供電網(wǎng)絡(luò)的接地電流有功分量可達(dá)到十幾安培，有功電流含量足以維持電弧燃燒；電網(wǎng)中大量電力電子負(fù)荷的應(yīng)用，使得諧波含量也是相當(dāng)可觀的。無論手調(diào)式還是隨調(diào)式消弧線圈，補(bǔ)償后的殘流均不容忽視。為了解決殘流問題，國內(nèi)外開展了“零殘流消弧線圈”的研究，而這項研究以注入法取得的成果最為顯著［3,8］。注入法是利用在消弧線圈處注入的電流來實現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)?，但注入電流大小的計算受到接地參?shù)測量精度、諧波提取精度等因素的影響較大?？梢?，在電容電流較大、諧波含量較高的場合，消弧線圈殘余電流問題尚需進(jìn)一步研究。近年來，故障轉(zhuǎn)移消弧的思路逐漸得到了發(fā)展，諸多文獻(xiàn)稱之為“消弧柜”技術(shù)［1,8-11］。該技術(shù)利用母線處人為制造的一條金屬性接地支路來旁路故障點，并將故障點電壓鉗制于零，從而達(dá)到消弧的目的。該技術(shù)能轉(zhuǎn)移故障點的全部電流，受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、參數(shù)變化的影響小，不存在殘余電流的問題。然而，文獻(xiàn)［9］指出，由于故障轉(zhuǎn)移開關(guān)固有延時較長，很難滿足消弧的快速性要求，而且，故障轉(zhuǎn)移并不能減小電容電流，若裝置入地電流較大，會引起地電位升高，給人身安全帶來威脅［8］。文獻(xiàn)［1］提出采用快速開關(guān)可以提高滅弧的速度，但對于入地電流大小以及選相錯誤等問題文獻(xiàn)沒有討論。選相錯誤或轉(zhuǎn)移開關(guān)錯誤動作，會造成相間短路，引起保護(hù)跳閘，發(fā)生停電事故，使得故障轉(zhuǎn)移裝置運行具有一定的風(fēng)險。另外，在故障轉(zhuǎn)移裝置動作策略方面的研究目前還比較欠缺，對轉(zhuǎn)移裝置投退時機(jī)缺乏充分的論證?？梢?，故障轉(zhuǎn)移消弧提供了一種新的消弧思路，但是還存在諸多需要深入研究的問題。本文提出了一種殘余電流轉(zhuǎn)移消弧的方法。發(fā)生單相接地故障后，該方法首先利用消弧線圈快速補(bǔ)償故障電流，以減小故障電流的破壞能力，故障選相成功后，投入故障轉(zhuǎn)移裝置，轉(zhuǎn)移故障點殘流，可靠滅弧。為了避免轉(zhuǎn)移裝置錯誤投入帶來的風(fēng)險，采用兩級開關(guān)結(jié)構(gòu)，并用限流電阻對第一級合閘的電流進(jìn)行限制。殘余電流轉(zhuǎn)移消弧裝置結(jié)構(gòu)及原理殘余電流轉(zhuǎn)移消弧裝置結(jié)構(gòu)殘余電流轉(zhuǎn)移消弧的基本思路是：發(fā)生單相接地故障時，首先消弧線圈對故障電流進(jìn)行補(bǔ)償，抑制故障電流的破壞能力；待選相裝置選出故障相后，在母線故障相處人為制造一條金屬接地支路，使故障點殘流轉(zhuǎn)移到人為金屬接地支路，并嵌位故障點電壓為零，使得故障點電弧可靠熄滅。殘余電流轉(zhuǎn)移裝置由并聯(lián)于系統(tǒng)母線的兩級開關(guān)以及限流電阻組成，如圖1所示裝置第一級開關(guān)由KA、KB、KC三個開關(guān)組成，分別連接于母線A、B、C三相。第二級開關(guān)由開關(guān)KZ與限流電阻R并聯(lián)組成，限流電阻的主要作用是限制第一級開關(guān)錯誤合閘時的相間短路電流。圖1殘余電流轉(zhuǎn)移裝置結(jié)構(gòu)Fig.1Structureofresidualcurrenttransferdevice系統(tǒng)單相接地故障后，啟動選相元件，選相成功后按照選相結(jié)果閉合殘余電流轉(zhuǎn)移裝置第一級開關(guān)，由于限流電阻的作用，故障點只有部分電流被轉(zhuǎn)移，此時流過限流電阻的電流必然小于電容電流，若監(jiān)測到限流電阻上的電流大于電容電流，說明第一級開關(guān)合閘錯誤或者選相錯誤，應(yīng)立即退出裝置；若限流電阻上電流小于電容電流，則第一級開關(guān)合閘成功，可閉合第二級開關(guān)，將故障點全部殘流轉(zhuǎn)移，并嵌位故障點電壓為零，故障電弧可靠熄滅。殘余電流轉(zhuǎn)移消弧裝置控制方法殘余電流轉(zhuǎn)移裝置控制流程如圖2所示。電網(wǎng)發(fā)生故障時,通過對母線電壓互感器信號的分析，判定系統(tǒng)是否發(fā)生單相接地故障，并啟動故障選相元件。確認(rèn)故障相后，閉合殘余電流轉(zhuǎn)移裝置第一級開關(guān)（KA或KB或KC），故障點部分電流轉(zhuǎn)移到限流電阻上。由于限流電阻的限流作用，可以有效抑制錯誤合閘時產(chǎn)生的相間短路電流,避免錯誤合閘時相間短路保護(hù)動作。通過對限流電阻電流的檢測可以判斷出第一級開關(guān)動作的正確性：若通過限流電阻的電流大于系統(tǒng)電容電流，可判定第一級開關(guān)動作有誤，需退出故障轉(zhuǎn)移裝置；若限流電阻的電流小于系統(tǒng)電容電流，可閉合第二級開關(guān)。圖2殘余電流轉(zhuǎn)移裝置動作流程圖Fig.2Processofresidualcurrenttransferdevice兩級開關(guān)合閘成功，保持一段時間后，進(jìn)行復(fù)歸操作。復(fù)歸操作時，動作時序逆向：首先打開第二級開關(guān)，檢測限流電阻上的電流，若限流電阻上電流大于整定值，則說明單相故障已經(jīng)清除，此時應(yīng)該斷開第一級開關(guān)；若限流電阻上電流小于整定值，說明單相故障仍然存在，則重新閉合第二級開關(guān)。保持一定時間后重復(fù)上述復(fù)歸過程，若多次復(fù)歸操作均未能成功，則說明故障屬于永久性故障，則順序退出第二級開關(guān)和第一級開關(guān)。殘余電流轉(zhuǎn)移消弧裝置整定值計算2.1限流電阻R的整定限流電阻R的主要作用是限制錯誤合閘時的短路電流。錯誤合閘后，單相接地故障變?yōu)閮上嘟拥毓收?，可能引起保護(hù)裝置動作，所以，應(yīng)限制短路電流處于速斷保護(hù)啟動值以下。同時，為了便于與正確合閘相區(qū)分，錯誤合閘時流過限流電阻的電流必須大于電網(wǎng)電容電流?？紤]最為嚴(yán)重的情況進(jìn)行計算，即臨近母線處發(fā)生金屬性短路，殘余電流轉(zhuǎn)移裝置第一級開關(guān)錯誤合閘，如圖3所示。根據(jù)對稱分量法可以推導(dǎo)故障電流的近似計算公式:(1)式中Eeq為等效系統(tǒng)電壓；和分別代表以A相正序、負(fù)序和零序電流；X1、X2和X0分別代表從母線到系統(tǒng)電源的等效正序、負(fù)序和零序電抗；R代表限流電阻。圖3殘余電流轉(zhuǎn)移裝置錯誤合閘Fig.3Incorrectclosingofresidualcurrenttransferdevice由于中性點非有效接地，零序電抗XO遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正序電抗X1和負(fù)序電抗X2,且限流電阻的取值一般也比正序電抗大得多，故式(1)可簡化為：(2)由式(2)可知，通過調(diào)整電阻R的大小，可以影響各序電流的大小。錯誤合閘時流過故障相電流大小可近似表示為式(3)，且電流幅值應(yīng)滿足式(4)的條件。(4)式中代表B相相電流，即錯誤合閘相電流；a=ej120°;Iset為線路電流速斷保護(hù)整定值。根據(jù)式(2)~式(4)便可確定合適的限流電阻R，即使合閘錯誤，也不會造成相間保護(hù)裝置誤動作。二級開關(guān)合閘判據(jù)第一級開關(guān)合閘后，若選相、合閘都正確，由于限流電阻的作用，故障點電流只有一部分轉(zhuǎn)移到殘余電流轉(zhuǎn)移裝置上，所以，限流電阻上的電流應(yīng)小于系統(tǒng)電容電流；若選相錯誤或合閘錯誤，均會使得單相接地故障變?yōu)閮上嘟拥毓收希鬟^限流電阻上的電流會大于系統(tǒng)電容電流。因此，第二級合閘判據(jù)可表示為式(5)。IRvUNwCO(5)式中IR為流過限流電阻上的電流有效值；UN為電網(wǎng)相電壓有效值；C0為電網(wǎng)零序電容。一級開關(guān)復(fù)歸判據(jù)復(fù)歸操作時，退出第二級開關(guān)，若故障點電弧已熄滅，則限流電阻上的電流為經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償后的所有殘流；若故障點仍然存在，則限流電阻上的電流只是故障點電流的一部分，由于限流電阻一般很大，所以，這部分電流非常小。因此，第一級開關(guān)復(fù)歸的判據(jù)可表示為：IR>Iset(6)式中k為可靠系數(shù)，可在0.8~0.9之間取值；L為消弧線圈電感。仿真分析采用PSCAD對10kV配電網(wǎng)進(jìn)行仿真分析，仿真數(shù)據(jù)采用MATLAB進(jìn)行處理。仿真模型共4條饋線，饋線L1、L2為電纜線路，長度均為10km，饋線L3、L4為架空線路，長度均為8km，各饋線阻抗參數(shù)如表1所示。中性點經(jīng)消弧線圈過補(bǔ)償接地，補(bǔ)償度為10%，消弧線圈電感為0.5763H，消弧線圈串聯(lián)等效電阻為19Q。為了研究諧波對消弧的影響，在變壓器低壓側(cè)注入3%的三相對稱5次諧波電壓。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計算各條饋線速斷保護(hù)整定值最小為：1874A。根據(jù)式3~式(4)確定限流電阻R的值為：100Q。二級開關(guān)合閘整定值為：33A。一級開關(guān)復(fù)歸整定值為：4.1A。殘余電流轉(zhuǎn)移裝置正確合閘。為了仿真單相接地電流在各種運行方式下的特征，在L4饋線末端0.1s時單相接地，在0.5s時投入消弧線圈，1s時投入殘余電流轉(zhuǎn)移支路第一級開關(guān),1.5s投入第二級開關(guān)。故障點電流波形變化情況如圖4(a)所示，其基波電流有效值和5次諧波電流有效值變化情況如圖4(b)所示。表1仿真模型線路阻抗參數(shù)Tab.1Lineimpedanceparametersofsimulationmodel線路類型正序參數(shù)R1/(Q/km)L1/(mH/km)C1/(pF/km)零序參數(shù)R0/(Q/km)L0/(mH/km)C0/(pF/km)架空線0.171.210.0110.235.480.008電纜線0.120.520.290.351.540.26圖4殘余電流轉(zhuǎn)移裝置正確合閘時故障點電流Fig.4Currentoffaultpointwhenresidualcurrenttransferdeviceoperatecorrectly由圖4可知，消弧線圈投入后基波電流大幅減小，而5次諧波電流變化不大，可見，消弧線圈對諧波電流基本無補(bǔ)償作用；第一級開關(guān)閉合后，由于限流電阻的作用，故障電流只有很小部分轉(zhuǎn)移；第二級開關(guān)閉合后，基波和諧波電流均轉(zhuǎn)移到殘余電流轉(zhuǎn)移裝置上，故障點電流基本為零。殘余電流轉(zhuǎn)移裝置錯誤合閘。為了仿真殘余電流轉(zhuǎn)移裝置錯誤合閘時的電流特征，假設(shè)線路L4在0.1s時A相發(fā)生單相接地短路，在0.5s時投入消弧線圈，1s時錯誤投入轉(zhuǎn)移裝置B相，1.5s時錯誤投入轉(zhuǎn)移裝置二級開關(guān)B相。故障點電流有效值變化情況如圖5所示。根據(jù)圖5可知，由于限流電阻的作用，將錯誤合閘的電流限值在很低的數(shù)值，遠(yuǎn)小于速動保護(hù)的整定值，不會引起保護(hù)動作，而且經(jīng)過限流電阻的限制后，錯誤合閘的電流仍然比電容電流大得多，容易區(qū)分；但是，若第二級開關(guān)合閘，即沒有限流電阻作用的情況下，電流增大到近2000A的數(shù)值，速斷保護(hù)可能會動作切斷故障，引起線路停電。圖5殘余電流轉(zhuǎn)移裝置錯誤合閘時故障點電流Fig.5Currentoffaultpointwhenresidualcurrenttransferdeviceoperatesfalsely殘余電流轉(zhuǎn)移裝置復(fù)歸。為了研究復(fù)歸判據(jù)的可行性，假設(shè)L4線路在0.1s發(fā)生單相接地故障，在0.5s故障轉(zhuǎn)移裝置第一級開關(guān)合閘，1s時第二級開關(guān)合閘，在1.6s第二級開關(guān)復(fù)歸，仿真結(jié)果如圖6所示。圖6(a)表示在1.6s之前故障電弧已經(jīng)熄滅，故障清除后復(fù)歸時流過限流電阻的電流；圖6(b)反映的是故障尚未清除時復(fù)歸，流過限流電阻的電流。圖6第一級開關(guān)復(fù)歸時限流電阻電流Fig.6Resistancecurrentofcurrentlimitingwhenthefirststageswitchresets由圖6可知，第二級開關(guān)復(fù)歸時，若故障已經(jīng)清除，則流過限流電阻大于復(fù)歸整定值4.1A，但若故障尚未清除，流過限流電阻的電流比復(fù)歸整定值4.1A要小很多。4結(jié)束語結(jié)合消弧線圈和故障轉(zhuǎn)移消弧技術(shù)，提出了一種殘余電流轉(zhuǎn)移消弧方法，并對該方法的消弧原理和控制策略進(jìn)行了仿真分析，得出結(jié)論如下：利用消弧線圈自動補(bǔ)償接地電流，彌補(bǔ)了故障轉(zhuǎn)移消弧裝置投入慢以及轉(zhuǎn)移電流大的缺陷；利用兩級合閘及限流電阻消除了故障轉(zhuǎn)移裝置錯誤動作的風(fēng)險，即使錯誤動作也不會產(chǎn)生過大的短路電流，造成速斷保護(hù)跳閘；監(jiān)測限流電阻的電壓或電流，可判別合閘的正確性以及電弧是否熄滅，給故障轉(zhuǎn)移裝置第二級合閘以及復(fù)歸提供了合理的依據(jù)。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】艾紹貴，李秀廣,黎煒,等.配電網(wǎng)快速開關(guān)型消除弧光接地故障技術(shù)研究[幾高壓電器,2017,(3):178-184.AiShaogui，LiXiuguang，LiWei,etal.ArcSuppressionTechnologyBasedonFastSwitchforDistributionNetwork[J].HighVoltageApparatus,2015,35(11):67-74.郭謀發(fā)，游建章,林先輝，等.適應(yīng)線路參數(shù)及負(fù)載變化的配電網(wǎng)柔性優(yōu)化消弧方法[J].電力系統(tǒng)自動化,2017,(8):138-145.GuoMoufa,YouJianzhang,LinXianhui,etal.FlexibleArc-suppressi-onOptimizationMethodforDistributionNetworkAdaptabletoVariationofLineParametersandLoad[J].AutomationofElectricPowerSystems,2017,(8):138-145.李曉波，王崇林.零殘流消弧線圈綜述[J].電力自動化設(shè)備,2011,(6):116-121.LiXiaobo,WangChonglin.Surveyofzero-residual-currentarcsupper-ssioncoil[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2011,(6):116-121.余文輝，李健，陳祖勛?配電網(wǎng)接地故障電壓消弧新方法[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2012,(1):64-69.YuWenhui,LiJian,ChenZuxun.Anovelvoltagearc-suppressionmethodforgroundingfaultsindistributionnetworks[J].JournalofElectricPowerScienceandTechnology,2012,(1):64-69.⑸要換年?電力系統(tǒng)諧振接地[M].第二版.北京:中國電力出版社,2000.⑹孫成勛,桑振華，楊曉瑛,等.基于定相增量法的消弧線圈新型調(diào)諧方法J].電測與儀表,2015,52(10):105-108.SunChengxun,SangZhenhua,YangXiaoying,etal.Anewtuingmethodofthearcsuppressioncoilbasedonthephasingincrements[J].ElectricalMeasurement&Instrumentation,2015,52(10):105-108.公茂法，葛卉婷，林煜清,等.10kV消弧線圈補(bǔ)償系統(tǒng)的應(yīng)用研究J].電測與儀表,2015,52(17):84-87.GongMaofa,GeHuiting,LinYuqing,etal.Applicationresearchofarcsuppressioncoilcompensationsystemin10kV[J].ElectricalMeasurement&Instrumentation,2015,52(17):84-87.曾祥君,王媛媛,李健,等.基于配電網(wǎng)柔性接地控制的故障消弧與饋線保護(hù)新原理[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2012,(16):137-143.ZengXiangjun,WangYuanyuan,LiJian,etal.NovelPrincipleofFaultsArcExtinguishing&FeederProtectionBasedonF