基于零序電流突變量的配電網單相故障帶電定位判據

1、第 30卷 第 31期 中 國 電 機 工 程 學 報 V ol.30 No.31 Nov.5, 2010 118 2010年 11月 5日 Proceedings of the CSEE ©2010 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章編號:0258-8013 (2010 31-0118-05 中圖分類號:TM 73 文獻標志碼:A 學科分類號:470·40基于零序電流突變量的配電網單相故障帶電定位判據倪廣魁 1,鮑海 1,張利 2,楊以涵 1(1.華北電力大學電氣與電子工程學院,北京市 昌平區(qū) 102206;2.北京信息科技大學自動化學院,北京市 海淀區(qū)

2、100192Criterion Based on the Fault Component of Zero Sequence Current forOnline Fault Location of Single-phase Fault in Distribution NetworkNI Guangkui1, BAO Hai1, ZHANG Li2, YANG Yihan1(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Be

3、ijing 102206, China; 2. School of Automation, Beijing Information Science & Technology University, Haidian District, Beijing 100192, ChinaABSTRACT: When single-phase earthing fault occurs, the resonant grounded system could keep on running for 1 or 2 hours. If the fault is removed during this pe

4、riod, power will be continuously supplied to the distributed network system. In order to deal with the problem proposed above, a new online fault location criterion was proposed using zero-sequence current difference through analyzing the characteristic of the branch fault on substation outlet, the

5、branch fault on non-outlet, and the characteristic of the fault component of zero sequence current. By this criterion, the single-phase earthing fault in resonant earthing distributed network can be located online. ATP simulation results demonstrated the correctness and validity of the criterion.KEY

6、 WORDS: power system;resonant grounded; single-phase earthing fault; zero sequence current; fault location; criterion摘要:諧振接地配電網發(fā)生單相接地短路故障時, 可以繼續(xù) 運行 12h ,如果在此期間可以排除故障,將可實現配電網 的持續(xù)性供電。 針對諧振接地配電網單相接地故障, 通過分 析變電站出線端的線路分支故障、 非出線端線路分支故障以 及故障點前后的零序電流特征, 提出一種利用零序電流突變 量進行帶電故障定位的判據, 利用此判據可以很好地解決諧 振接地配電網單相接地故障帶

7、電定位的難題。通過 ATP 仿 真,驗證了該判據的正確性和有效性。關鍵詞:電力系統(tǒng);諧振接地;單相接地故障;零序電流; 故障定位;判據0 引言中國中壓配電網一般采用中性點不接地或中 性點經消弧線圈接地 (小電流接地 的運行方式。長 期以來,單相接地故障定位是一個難題。目前,配 電網線路故障定位主要依靠人工巡線,但隨著配電 網的發(fā)展,線路增長,分支增多,線路變得越來越 復雜 1,用傳統(tǒng)的巡線方法找到具體故障點的位置 非常困難,對于類似絕緣子擊穿的隱蔽故障 2,人 工尋找很難發(fā)現,不僅耗費了大量人力物力,而且 延長了停電時間,影響了供電可靠性?？梢?一種 有效的故障定位方法是非常重要的。配電網故障

8、定位方法已有研究,如在三相不換 位情況下,利用傳遞函數法進行故障定位 3;利用 逐次判別法和誤差向后傳播算法實現故障區(qū)段的 在線識別 4;通過建立新的故障定位數學模型,開 發(fā)高級遺傳法改善定位方法的容錯性 5;采用貝葉 斯不精確推理法和面向對象技術,排除少數故障投 訴中錯誤信息的不利影響,獲得比較可信的故障定 位結果 6。 但是, 這些方法都沒有達到實用化水平。 利用 S 注入法 7-8進行故障定位較為常見, 但它容易 受到接地電阻和線路分布電容的影響。目前,利用行波法 9-10和交直流綜合法 11-12的 離線定位技術基本解決了配電網離線故障定位的 問題,并且已經達到實用化水平。但是實際應用

9、中 有些用戶對供電可靠性要求很高,希望在不停止線 路供電的情況下進行故障定位,所以有必要研究實基金項目:國家 863高技術基金項目 (2009AA122328。The National High Technology Research and Development of China 863 Program (2009AA122328.第 31期 倪廣魁等:基于零序電流突變量的配電網單相故障帶電定位判據 119用化的帶電定位方法,以適應不同用戶的需求,這 樣就需要有一種行之有效的判據作為支持。對于中 性點不接地系統(tǒng)可利用零序功率方向 13和移動式 比相法 14實現帶電故障定位, 而諧振接地配電

10、網的 帶電定位卻很少討論,本文提出了一種針對諧振接 地配電網的帶電故障定位的判據,利用此判據可以 實現諧振接地配電網的帶電故障定位。1 諧振接地配電網帶電定位的難點分析 在諧振接地配電網中,消弧線圈的存在為配電 網提供了一種可控手段,但由于消弧線圈的補償作 用,使得各個線路的零序電流大小相差很小,相位 基本一致。發(fā)生單相接地故障時,故障線路和非故 障線路穩(wěn)態(tài)時的特征無明顯差異,這給故障帶電定 位帶來了困難。利用接地暫態(tài)過程中故障線路和非故障線路 的特征差異作為故障定位的判據 15時, 由于接地現 象復雜,其暫態(tài)持續(xù)時間的長短差異比較大,在很 多情況下當接地保護裝置啟動后,系統(tǒng)接地的暫態(tài) 過程就

11、己經基本結束,進入了接地的穩(wěn)定狀態(tài);而 故障定位需要有持續(xù)保持的信號或者同時得到大 量短時信號,對于接地暫態(tài)信號則需要足夠多的點 來進行數據的同步采集以保證定位可以實現,數據 采集特別困難,難以實現。這樣就需要尋找一些其 他的方法。要想準確地找到故障點,首先要找出能夠明顯 區(qū)分故障線路和非故障線路的特征量;其次要有足 夠大的被監(jiān)測信號,同時該監(jiān)測信號要有足夠長的 持續(xù)時間。利用零序電流突變量法得到的判據就可 以有效地解決這一問題。2 零序電流突變量法2.1 變電站出線端的線路分支故障情況當線路發(fā)生單相永久金屬性接地故障時, 改變消 弧線圈參數 (改變消弧線圈的電抗值,以下類同 ,可 以改變補償

12、電流的大小, 而補償電流大小的變化只會 反映在故障線路的零序電流中; 當線路發(fā)生永久性經 阻抗接地故障時, 改變消弧線圈參數同樣會引起故障 電流的變化, 從而導致零序電壓發(fā)生變化, 而零序電 壓的變化會使各條線路的零序電流都發(fā)生變化, 此時 將零序電流折算到同一電壓下, 補償電流大小的變化 也只會反映在故障線路的零序電流中。在諧振接地配電網中,安裝有消弧線圈的變電 站出線端有很多線路分支,配電網的其他地方也有 很多線路分支,下文分別對這 2種線路分支的零序 電流突變量以及故障點前后的零序電流突變量進 行特征分析。先對諧振接地配電網發(fā)生單相接地故障后的 零序電流進行特征分析。假設從變電站出線端引

13、出 的第 N 條線路發(fā)生單相接地故障, 零序電流參考方 向如圖 1所示,消弧線圈參數改變前后,消弧線 圈的電抗值分別為1LX 和2LX , 零序電壓分別為 01 U 和02U ,設各條分支在消弧線圈電抗值改變前后的零序電流分別為11I ,21I , ,1 1NI,1NI 和12I ,22I , , 1 2NI,2NI , 各 條 線 路 的 對 地 電 容 值 分 別 為 1C ,2C , ,1NC,NC 。在第 N 線路發(fā)生單相金屬性接地故障、消弧 線圈參數未改變之前, 系統(tǒng)的零序等值電路如圖 1所示。 線路 12NN 1圖 1 變電站出線端的線路分支故障Fig. 1 Circuit bra

14、nch fault of substation outlet 非故障線路的零序電流為101ji iI C U=, i N(1 故障線路的零序電流為11121111(N N LI I I I I=+" (2 消弧線圈參數改變后,非故障線路的零序電 流為202ji iI C U=, i N(3 故障線路的零序電流為21222122(N N LI I I I I=+" (4 由于發(fā)生金屬性接地故障時,消弧線圈參數改變前后全網的零序電壓基本不變,即0102U U,因 此可求出消弧線圈參數變化前后各條分支的零序 電流的改變量。12i i iI I I=, i N(5 12112111

15、222( ( N N N LI I I I I I I I=+212011012/(j /(j L L LI I I U L U L=+=+(6 當第 N 條線路發(fā)生單相電阻接地故障時, 消弧 線圈參數改變前后,非故障線路的零序電流和故障 線路的零序電流同式 (1 (4。120 中 國 電 機 工 程 學 報 第 30卷由于消弧線圈參數的改變引起故障電流的變化, 導致零序電壓發(fā)生變化, 會使各條線路的零序電流都發(fā)生變化,由式 (1和 (3得 101/i IU = 202/i I U ,即 120102/i i I I U U = (7如果將消弧線圈參數改變前后的零序電流折算到同一個電壓下,就可

16、以去除零序電壓變化帶來 的影響,列寫各分支零序電流突變量方程:120102/0ii i II I U U = , i N (8 120102112111222201021/( ( /N N N L L L I I I U U I I I II I U U I =+=+20102011012/(j /(j L I U U U L U L =+ (92.2 非出線端的線路故障情況配電網中非出線端的線路故障時的電路如圖 2所示。 若消弧線圈參數改變前后 s1I折算值不變, 則 處在非故障線路上,后面各分支均為非故障線路;若 s1I折算值明顯變化, 說明其處在故障線路上, 后 面某分支為故障支路。 線

17、路 12NN 1圖 2 非出線端線路故障Fig. 2 Circuit fault of non-outlet同樣利用零序電流突變量法來確定故障分支, 可得i 120102/0i i I I I U U = , i N (101201021121s1/( NN N II I U U I I I =+ 1222s20102s1s20102( /I I I U U I I U U +=+ (11因 s1I在故障路徑上,由 2.1節(jié)類推可得: s1s20102120102/N L L I I I U U I I U U =+=+=011012/(j /(j UL U L + (12 2.3 故障點前后

18、零序電流的特征分析故障支路的電路圖如圖 3所示。消弧線圈參 數改變前后,對故障點前后的零序電流進行特征 分析。 圖 3 故障點前后零序電流的特征分析Fig. 3 Characteristic analysis of the zero sequence currentfore-and-after fault point通過 2.1和 2.2節(jié)可以確定 sI 與消弧線圈電流 的變化保持一致。在消弧線圈參數改變前,故障點前后的零序電流分別為11s1101j II C U = (13 21201j I C U = (14在消弧線圈參數改變后,故障點前后的零序電流分別為12s2102j II C U =

19、 (15 22202j I C U = (16改變前后的零序電流折算到同一個電壓下,故障點前后的零序電流突變量方程為11120102s1101s21020102s1s20102/(j ( j /I I U U I C U I C U U U I I U U =+=011012/(j /(j UL U L + (17 3 故障特征判據由第 2節(jié)可得,當消弧線圈參數改變前后的零序電流折算到同一電壓下時,消弧線圈參數的改變 只會導致故障線路中的零序電流變化。以此為依據,構造以下判據:120102/ii i II I U U = , 1,2, , i N =" (18 式中 N 為分支數。0

20、i I 的那條線路為故障線路;若 s1I 折算前 后明顯變化,且各條分支的 iI 都等于零,則是母 線故障。根據故障特性可知:消弧線圈參數改變前,各 個采集點的零序電壓模值基本相等, 消弧線圈參數改 變后也是如此;并且零序電流折算到同一電壓下后, 前后對應的相角相差很小。據此,將式 (18簡化: 120102120102/ii i i i II I U U I I U U = 120102/i i I I U U (19式中 1i I , 2i I , 01U , 02U 為對應的零序電流、電壓 的有效值。利用零序電流突變量法進行帶電故障定位,只 需要測量消弧線圈參數改變前后的零序電流和零 序

21、電壓模值, 利用判據方程 (19便可確定故障支路。 在故障支路范圍內,同樣可利用判據方程 (19進行 故障點的確定。4 ATP仿真分析通過 ATP 仿真驗證該判據的正確性和有效性, 仿真線路如圖 4所示。 線路 AB 長 5 km , BD 長 10 km , DE 長 10 km , DF 長 5 km ,支路 AG 長 30 km ,支第 31期 倪廣魁等:基于零序電流突變量的配電網單相故障帶電定位判據 121 路 BH 長 10 km ,線路 BD 的中點 C 處發(fā)生單相 1 k 電阻接地故障。數據采集點為 AB 、 AG 、 BD 、 BH 、 DE 、 DF 的始端以及故障點 C 的

22、前后 2點。 圖 4 仿真模擬線路 Fig. 4 Line simulation對采集數據進行運算處理,得消弧線圈參數改 變前后各個采集點的零序電流波形, 如圖 5、 6所示。 1t /ms i /A1線路 AB 始端零序電流 AB I ; 2 BC I ; 3 1C I ; 4 2C I ; 5 DEI , 6 DFI ; 7 AGI ; 8 BHI 。圖 5 消弧線圈參數改變前的零序電流波形Fig. 5 Zero sequence current waveforms before the parameter of the arc suppression coil changest /ms

23、i /A1線路 AB 始端零序電流 AB I ; 2 BC I ; 3 1C I ;4 2C I; 5 DEI , 6 DFI ; 7 AGI ; 8 BHI 。 圖 6 消弧線圈參數改變后的零序電流波形Fig. 6 Zero sequence current waveforms after the parameter of the arc suppression coil changes將消弧線圈參數改變前后各個采集點的零序 電流模值以及折算到同一電壓下的零序電流模值 列于表 1中。由表 1可知,將各采集點的零序電流折算到同 一電壓下后:對于變電站出線端的 2個分支 AB 和 AG , AB

24、 線路的零序電流突變量較大 (1.338 8 A , AG 線路的零序電流突變量幾乎為零 (0.4 mA ,可判斷 故障點在 AB 線路或其后方的線路分支上;對于配電網中非出線端線路分支 BD 與 BH , 同理可判斷出 故障點在線路 BD 或其后方的線路分支上;故障支 路中 C 點前的零序電流突變量較大 (1.260 6 A , C 點后的零序電流突變量幾乎為零 (0.9 mA ,據此可 確定故障點為 C 點。表 1 各采集點的零序電流有效值變化Tab. 1 Zero-sequence current-change at each sampling point A各零序電流模值 電流大小變化

25、情況 I ABI BCI C 1I C 2 I DE I DF I AG I BH改變前 2.114 7 1.824 0 1.727 0 0.388 2 0.194 1 0.097 1 0.581 1 0.193 8 折算前 改變后 2.033 2 1.861 8 1.804 6 0.229 1 0.114 6 0.057 3 0.342 4 0.114 3 改變前 2.114 7 1.824 0 1.727 0 0.388 2 0.194 1 0.097 1 0.581 1 0.193 8 折算后改變后3.453 53.162 43.065 20.389 10.194 60.097 30.5

26、81 50.194 15 結論本文通過對諧振接地配電網帶電定位難點分析以及零序電流突變量法的介紹,針對諧振接地配 電網發(fā)生單相接地故障時的特殊性,提出了利用零 序電流突變量法進行帶電故障定位的判據。利用此 判據可以有效地解決諧振接地配電網發(fā)生單相接 地故障時帶電定位的難題, 通過 ATP 仿真驗證了該 判據的正確性和有效性。參考文獻1 郭俊宏, 譚偉璞, 楊以涵, 等. 電力系統(tǒng)故障定位原理綜述 J. 繼電器, 2006, 34(3:76-81.Guo Junhong, Tan Weipu, Yang Yihan, et al. Summary on fault location princi

27、ple in power systemJ. Relay , 2006, 34(3:76-81(in Chinese .2 季濤, 孫同景, 薛永端, 等. 配電網故障定位技術現狀與展望 J. 繼電器, 2005, 33(24:32-37.Ji Tao, Sun Tongjing, Xue Yongduan, et al. Current status and development of fault location technique for distibution network J. Relay , 2005, 33(24:32-37(in Chinese.3 吳振升,楊學昌,伊貴業(yè),等

28、.配電網三相不換位線路接地故障定位的傳遞函數法 J.中國電機工程學報, 2001, 21(12:7-11. Wu Zhensheng, Yang Xuechang, Yi Guiye, et al. Theoretical analysis of transfer function location algorithm for grounded fault on unbalanced or imperfectly transposed lines in power distribution122 中 國 電 機 工 程 學 報 第 30卷networksJ. Proceedings of th

29、e CSEE, 2001, 21(12:7-11(in Chinese .4 費軍,單淵達.配網中自動故障定位系統(tǒng)的研究 J.中國電機工 程學報, 2000, 20(9:32-35.Fei Jun, Shan Yuanda. study of automatic fault location system in the distribution networkJ. Proceedings of the CSEE, 2000, 20(9: 32-35(in Chinese.5 衛(wèi)志農, 何樺, 鄭玉平. 配電網故障區(qū)間定位的高級遺傳算法 J. 中 國電機工程學報, 2002, 22(4:127-

30、130.Wei Zhinong, He Hua, Zheng Yuping. A refined genetic algorithm for the fault sections locationJ. Proceedings of the CSEE, 2002, 22(4: 127-130(in Chinese.6 馬佳,余文輝,車偉揚,等.基于改進的 S 注入法的新型樹狀配 電網故障檢測裝置 J.繼電器, 2002, 30(10:51-54.Ma Jia, Yu Wenhui, Che Weiyang, et al. A novel fault localizer of tree form

31、distribution networks based on improved S injection methodJ. Relay , 2002, 30(10:51-54(in Chinese.7 潘貞存,張慧芬,張帆,等.信號注入式接地選線定位保護的分 析與改進 J.電力系統(tǒng)自動化, 2007, 31(4:71-75.Pan Zhencun, Zhang Huifen, Zhang Fan, et al. Analysis and modification of signal injection based fault line selection protection J. Automa

32、tion of Electric Power Systems, 2007, 31(4:71-75(in Chinese .8 蔡建新,劉健.基于故障投訴的配電網故障定位不精確推理系統(tǒng) J.中國電機工程學報, 2003, 23(4:57-61.Cai Jianxin, Liu Jian. An uncertainty feasoning system based on trouble call information for locating faults on distribution network J. Proceedings of the CSEE, 2003, 23(4:57-61(i

33、n Chinese. 9 嚴鳳,楊奇遜,齊鄭,等.基于行波理論的配電網故障定位方法 的研究 J.中國電機工程學報, 2004, 24(9:37-43.Yan Feng, Yang Qixun, Qi Zheng, et al. Study on fault location scheme for distribution network based on traveling wave theory J. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(9:37-43(in Chinese. 10 于盛楠,鮑海,楊以涵.配電線路故障定位的實用方法 J.中國 電機工程學報, 2

34、008, 28(28:86-90.Yu Shengnan, Bao Hai, Yang Yihan. Practicalization of fault location in distribution linesJ. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(28: 86-90(in Chinese.11 司冬梅, 齊鄭, 錢敏, 等. 10 kV配電網故障定位的研究和實現 J. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2008, 36(18:24-28.Si Dongmei, Qi Zheng, Qian Min, et al. Study and realization on fault location about 10 kV distribution networkJ. Power System Protection and Control, 2008, 3