一种电压型配电网单相接地故障处理方法

薛永端1,吴　敏2,王俊江3,冯祖仁1,徐为纲2,徐丙垠3

(1.西安交通大学系统工程研究所,陕西省西安市710049)

(2.绍兴市用电管理所,浙江省绍兴市312000;3.科汇电气有限公司,山东省淄博市255031)

摘要:针对配电系统架空线路零序电流不易获取、误差较大的特点,提出一种电压型小电流接地故

障处理方法:根据三相电压的变化实现故障检测,依靠电站小电流接地选线装置或人工拉路以及断路器、负荷开关的相互配合,实现故障分段、隔离并恢复健全线路供电。该方法属于分布智能模式,适用于无信道系统,可靠性高。该技术已应用于绍兴供电局配电自动化系统,并通过了现场试验进入实际运行,效果良好。

关键词:配电网;馈线自动化;小电流接地;故障隔离中图分类号:TM711;TM72712

收稿日期:2001211215。

0　引言

我国配电网大多采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式。随着馈线自动化的发展和故障管理功能的不断完善,要求对单相接地故障也能像短路故障那样,实现故障区段快速隔离并恢复健全线路的供电,而不仅局限于传统的故障选线。这对小电流接地故障检测和馈线自动化技术提出了新的要求。

在电流型集中智能模式故障处理方法中,要求各个F TU 将检测到的零序电流幅值或相位信息上传主站,由主站判断故障区段并发出指令隔离相应开关[1]。F TU 使用的故障检测方法可以是国内外现有的任何一种电流型检测方法[2～4]。由于故障电流小、接地过程不稳定等原因,基于稳态的方法各有优缺点,可靠性较低。特别在架空线路中直接获取零序电流非常困难,而通过三相电流互感器(TA )合成的零序电流精度又不够高。同时,国内配电自动化系统大多是分批、分阶段实施,在通信系统不完善的条件下,电流型处理方法的适用性显著降低。

本文提出一种根据三相电压变化规律进行故障检测、在其他设备配合下实现故障隔离并恢复健全线路供电的新方法。由于正常工作和对故障的检测处理均以电压信号为判据,相对于电流型方法,其可靠性更高且不依赖于通信系统。

1　电压型单相接地故障处理方法

1.1　基本原理

在小电流接地系统中,某条出线发生单相接地故障后,接地相电压下降,健全相电压升高,且整个系统都能感受到这种电压变化。如果故障区段被隔

离,则系统三相对地电压恢复正常,恢复故障区段供电后又立即出现上述接地现象。而健全区段无论在被隔离或是恢复供电前后,三相电压都不会发生明显变化。

本文提出的电压型单相接地故障处理技术属于分布智能模式。利用三相电压(虚拟3U 0)的变化,依靠断路器、分段/联络开关根据不同时延的相互配合,先断开故障线路、再逐段恢复供电的方法,实现故障区段隔离、健全区段恢复供电。其确定故障区段的判据是:该区段相邻开关或出线断路器合闸前没有出现、而合闸后的故障识别期内出现接地现象。

在电站,可以根据出线断路器重合到重新出现接地现象的时间差t f 、分段/联络开关故障识别期时间长度t d 以及开关合闸动作时间t c ,来确定故障点到电站的逻辑区段数n ,即:

n =

t f

t d +t c

+1

(1)

再根据网络拓扑结构、各个开关的重合延时确定故障区段位置。1.2　有关设备功能配置要求

a.变配电站:如果配有小电流接地选线设备,选出故障线路后自动或人工指令出线断路器跳闸断开故障线路;否则,在故障时对所有出线要求人工依次断开直到故障分段成功。

b.出线断路器:在跳闸后延时重合;重合前无接地现象而重合后故障识别期内出现接地现象,则立即跳闸并闭锁再次重合;闭锁重合后需人工解锁。

c.分段/联络开关:两侧均失压后延时跳闸;一侧有压一侧无压时延时重合;重合前无接地现象而重合后故障识别期内出现接地现象,则立即跳闸并

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6第26卷　第12期2002年6月25日　　　　　　

电力系统自动化

Automation of Electric Power Systems 　　　　　　

Vol.26　No.12

J une 25,2002

闭锁再次重合;闭锁重合后需人工解锁。

d.断路器、分段/联络开关的各种延时时间整定值应配合完好,以免合闸于有压线路造成双电源供电或改变线路应有的结构。1.3　永久性接地故障处理过程

以图1所示线路为例。这是一个含有2个出线断路器、4个分段开关和1个联络开关的手拉手式供电网络,正常运行时联络开关L 处于分位

。

图1　电压型单相永久性接地故障处理过程

Fig.1　Procedure of voltage type fault management for permanent grounding fault

当线路区段Ⅲ发生单相永久接地故障后,自动或人工指令出线断路器CB1跳闸,随后分段开关A ～C 失压跳闸;CB1重合前以及重合后的故障识别期内均无接地现象,重合成功;同理,A 也重合成功;B 重合前无接地现象、重合后故障识别期内出现接地现象,立即跳闸并闭锁重合功能;联络开关L 经过延时后重合成功;与B 同理,C 重合后立即跳闸并闭锁重合功能。至此,故障区段被隔离、所有健全区段恢复供电。

在电站,可以利用公式(1)确定故障区段。在本例中,n =3,即故障位于区段Ⅲ。1.4　瞬时性接地故障处理过程

断路器和分段/联络开关分闸后,在重合于故障区段之前若故障恢复、接地信号消失,则各个开关(包括断路器)顺利重合,线路恢复原有运行结构。

根据有关规程,单相接地后系统可以继续运行最多2h 。因此,在发现接地故障后,可以使断路器适当延时跳闸。对于瞬时性接地故障,既能避免跳闸、重合等一系列动作对设备和线路的冲击,又能增加供电的可靠性。

2　性能分析

2.1　中性点接地方式的影响

我国配电网小电流接地系统中性点主要是不接地和消弧线圈接地2种。由于接地方式主要影响故障线路的零序电流,对于三相电压,除了消弧线圈可能引起谐振电压外,基本上没有影响。而谐振电压可以通过修改整定值予以克服(见第2.4节)。因此,电压型技术能适用于任何一种接地方式且工作原理和处理过程都相同,特别适用于需要经常改变接地方式、消弧线圈调谐度和线路运行结构的系统。2.2　分段/联络开关类型的影响

单相接地故障的接地电流很小,不会过多增加开关的开断负荷。因此,分段/联络开关无论选用负荷开关还是断路器,其故障处理方法都相同,整个过程中,主供侧出线断路器只需要1次跳闸和重合,而备供侧出线断路器不需要跳闸和重合,系统停电时间较短。2.3　分段/联络开关的TV 配置和接地判据

为了实现本方法,必须测量开关两侧三相对地电压。在传统的3个(或以下)电压互感器(TV )配置方法中,开关至少有一侧最多有1个TV 。由于小电流接地时故障电压变化的特殊性,直接接地可能发生下述情况:接地故障发生在联络开关单TV 侧,其检测到一侧有压一侧无压,经延时后合闸造成误动,使双电源同时供电并使故障扩大到对端母线;误断开健全线路且主供方向为单TV 侧,重合时分段开关检测不到主供侧恢复供电,引起拒动并最终导致联络开关闭合,改变线路原有的运行结构。

因此,每个分段/联络开关的TV 配置应该满足:分别测量开关两侧相电压,每侧TV 数量为2个到3个;所有TV 能完全监视三相电压且测量同相电压的2个TV 不能位于开关同一侧。相应的单相接地判据为:

a.分段/联络开关处于合位时,三相电压中一

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6・工程应用・　薛永端等　一种电压型配电网单相接地故障处理方法

相欠压、另外两相过压。

b.分段开关处于分位时,满足有压侧一相电压欠压、一相或两相电压过压或者两相电压均过压。

c.联络开关处于分位时,满足任意一侧一相电压欠压、一相或两相电压过压或者任意一侧两相电压均过压。2.4　电压过压、欠压整定值的确定

发生单相金属性接地故障,接地相电压降为0、健全相电压升高为线电压。但是,当接地点存在过渡电阻时,接地相电压下降程度、健全相电压增加程度将随之减小。为了增加故障检测的灵敏度,要求作为过压、欠压判断基准的整定值越接近相电压越好。但为了防止正常运行条件下三相电压不对称(

特别是消弧线圈谐振)引起误动,又要求整定值远离相电压。因此,整定值应结合两方面因素综合考虑。一般可设欠压整定值为相电压的50%,相应的过电压整定值为1.32倍的相电压。2.5　在复杂线路结构中的应用

为了能在较复杂的线路结构中应用本方法,防止出现误判断,必须满足以下条件(证明略):

a.条件1:若整个系统在同一时段最多只有1个开关处于故障识别期,则能正确识别故障区段。

b.条件2:为了保证除故障分支线外,避免其他线路运行结构的改变,只允许故障区段下游最近的联络开关合闸引入备用侧电源。

满足上述条件的主要方法是针对不同线路结构,对分段/联络开关由检测到一侧有压到重合的延时时间做不同的整定。以树型结构为例,可以有多种整定方案:如果在线路存在分支时以分支为顺序进行处理;即前一分支处理全部完成后才允许下一分支开始处理;或以开关到分支点的距离为序。在前一种方案中,要求分支第1个开关的重合延时大于先于其处理的所有分支处理时间的总和。设所有开关的故障识别期和动作时间均为0.5s ,一个典型的树型结构网络及其开关延时整定值如图2所示。

图2　树型结构及延时整定示例

Fig.2　T ree type structure

and delay setting

对于复杂网络,主站利用式(1)同样可以确定故障区段的位置。2.6　与选线装置的配合

如果电站没有小电流接地选线装置或者选线装

置动作不正确,则必须由人工将所有出线依次拉路,以确定故障线路并进一步确定故障区段。拉开健全线路后其处理过程等同于瞬时性接地过程,该线路将恢复原有运行结构;拉开故障线路后则处理过程如第1.3节所述。应该注意的是,在前一条线路处理未结束前不能拉开下一条线路(条件1),否则,可能将健全区段误认为故障线路而隔离或改变该线路原有的运行结构。2.7　传感器特性的影响

根据故障时的序网等效图,单相接地时由故障所产生的零序电流与负序电流相同,都存在信号微弱、不易检测的缺点。故障时零序(负序)电流幅值远小于正常负荷电流,因此,在馈线上用三相电流互感器(TA )合成零序(负序)电流的做法,将受到TA 本身的精度、分辨率等因素的,而零序电压的变化与相电压幅值接近,受传感器特性的影响较小。2.8　不稳定接地故障的处理

配电网单相接地故障中弧光接地的比例较大,由此造成的不稳定接地特别是间歇性接地故障将对所有利用稳态信息的检测方法带来不利影响[4]。电压型检测方法也不例外。图3为某电站实地记录的故障电压波形,从中可看出,不稳定接地故障将会降低本方法检测的灵敏度。

图3　间歇性弧光接地故障的三相电压波形Fig.3　Three 2phase voltage w aves of intermittent

arc grounding fault

为了克服不稳定接地的影响,可以使用三相电压真有效值代替常用的工频幅值作为判断依据。另一种处理方法是利用三相电压的瞬时值作为判据,即若某相电压V x (t )满足:

V x (t 0+τ)>V H 　　0<τV y (t )满足:

V y (t 0+τ)(3)可以认为该相欠压。式中:V H ,V L 分别为预设的过压、欠压瞬时值门槛;T 0为一固定时段。显然,瞬时值方法可以适当提高灵敏度,但可靠性却有所降低。2.9　与其他故障的配合

在发生其他类型故障(如过流故障)时也可能出现上述单相接地故障现象,而它们的处理过程可能

7　　　　电力系统自动化

不一致[5]。因此,应注意区分,防止发生负荷开关

切断过流故障之类的事故。

3　现场应用

使用本技术的馈线自动化系统已在绍兴供电局通过现场试验并试运行。试验线路如图4所示(图中符号含义与图1相同)

。

图4　现场试验线路示意图

Fig.4　Field test diagram

在洋渎支线人工将C 相接地。西郭变试跳—

28号,76号,43号开关失压分闸—西郭变重合—28号开关合闸—76号开关合闸—43号开关合闸—43号开关分闸并闭锁;15s 后,41号(联络)开关合闸—41号开关分闸并闭锁;故障被隔离、健全区段恢复供电。

改变线路运行结构,43号开关改为联络开关处于热备用,41号开关改为普通开关负责正常运行时洋渎支线的供电。重复上述试验过程,故障同样被正确隔离。

该技术将在绍兴供电局下一步配网自动化项目中全面推广。

4　结语

本文提出的电压型处理技术可以在无信道条件

下实现小电流接地故障的隔离、健全线路恢复供电等功能,能满足馈线自动化要求。其判据是三相电压信号,与电流型技术相比,可靠性更高,且不受系统接地方式影响;每个开关至少配置4个TV 且满足

一定的分布规律;分段/联络开关无论是负荷开关还是断路器,其工作过程均相同;在电站选线装置动作不正确或没有选线装置时,仍可通过依次拉路的方法实现所有功能;能适用于较复杂的网络结构。现场试验和运行证明了本方法的正确性及有效性。

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薛永端(1970—

),男,博士研究生,研究方向为配电网自动化及其故障检测。E 2mail :xueyongduan @hotmail.com

吴　敏(1962—

),男,工程师,从事配电网自动化设计及管理工作。E 2mail :wuminem @263.net

王俊江(1968—

),男,工程师,从事配电网自动化产品的设计工作。E 2mail :wangjj @kehui.com

SING L E PHASE FAU LT ISOLATION BASE D ON V OLTAGE MEASUREMENTS

IN N ON 2SOL ID GR OUN DE D DISTRIBUTION SYSTEM

X ue Yongduan 1

,W u Min 2

,W ang J unjiang 3

,Feng Zuren 1

,X u Weigang 2

,X u Bingyin

3

(1.Xi’an Jiaotong University ,Xi’an 710049,China )

(2.Shaoxing Electric Power Bureau ,Shaoxing 312000,China ;3.K ehui Electric Ltd ,Z ibo 255031,China )

Abstract :A new single 2phase fault isolation method for a non 2solid grounded distribution system is presented.Single 2phase fault is picked up when one of the measured three 2phase voltages falls below a threshold and other two voltages rise above another threshold.Furthermore ,fault location ,isolation and power supply restoration are achieved via feeder circuit breakers and sectionalizin g switches’operations in a preset logical sequence.The process is started from manually opening circuit breaker of the faulted feeder.The faulted feeder can be identified using intelligent electronic device or manual method.In particular ,this method is inde pendent of the commu 2nication system and more reliable.The presented technology has been applied into Shaoxing distribution automation system ,and proved to be successful in isolating actual feeder faults.

K ey w ords :distribution system ;feeder automation ;non 2solid grounded system ;fault isolation

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