一起10 kV諧振接地系統(tǒng)連續(xù)故障分析

衛(wèi)佳奇,袁明哲,陳 翔,令狐靜波,曹 柯,許立志

(國網(wǎng)四川電力公司成都供電公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

10 kV配電網(wǎng)具有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、覆蓋面廣且運行環(huán)境多變等特點,作為電力系統(tǒng)與用戶直接相連的重要環(huán)節(jié),其安全穩(wěn)定運行對提升供電企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益具有深遠(yuǎn)意義。電纜線路在城市配電網(wǎng)中已得到廣泛應(yīng)用,其發(fā)生單相接地故障的比例達(dá)70%,分析單相接地故障在配電網(wǎng)研究中具有重要意義[1-5]。為滿足電力系統(tǒng)不同供電需求,研究人員研究出了3種中性點接地方式[6],同時對不同接地方式下發(fā)生單相故障進行了詳細(xì)的研究[7-13]。

由于諧振接地系統(tǒng)的供電可靠性較高,故其在中國配電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。發(fā)生單相接地故障時諧振接地系統(tǒng)雖可短時帶故障運行,但快速精準(zhǔn)定位故障并切除故障可避免故障影響范圍擴大,保障設(shè)備及電網(wǎng)安全。目前已有較多文獻分析單相接地故障并用于故障選線和定位。文獻[14]提出了一種暫態(tài)選線和高精度穩(wěn)態(tài)選線相結(jié)合的綜合選線方案,克服了暫態(tài)信號不穩(wěn)定、穩(wěn)態(tài)信號不明顯的缺陷,選線準(zhǔn)確率高。文獻[15]提出了判別金屬性接地和間歇性接地故障的新方法,一定程度上解決了能量法數(shù)值偏小、靈敏度不高的問題。文獻[16]從理論上分析了諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時的零序電壓、零序電流變化規(guī)律,并提出諧振接地系統(tǒng)和中性點不接地系統(tǒng)單相接地時暫態(tài)特性相同。文獻[17]對故障線路的零序電流波形和補償方式進行分析,為研究小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時選線和定位提供了參考。

下面首先對單相穩(wěn)定接地和單相間歇性接地故障進行介紹;再對一起10 kV諧振接地系統(tǒng)連續(xù)故障的發(fā)展過程及實例波形進行分析,并通過Matlab仿真分析驗證對實測波形分析的正確性;最后,提出了10 kV諧振接地系統(tǒng)的整改措施以減小單相接地故障的影響范圍。

1 諧振接地系統(tǒng)單相接地故障

諧振接地系統(tǒng)指中性點經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)。接地故障是電力系統(tǒng)中最常發(fā)生的故障,可分為穩(wěn)定接地和間歇性接地。穩(wěn)定接地故障主要可分為完全接地與不完全接地,其中:完全接地故障表現(xiàn)為接地電阻近似為0,故障相電壓為0,非故障相電壓升高為線電壓值,也稱為金屬性接地故障;不完全接地故障常表現(xiàn)為電弧接地或高阻接地,接地電阻較大且接地點電壓與接地電阻的大小有關(guān),也稱為非金屬接地故障。在間歇性接地故障中,接地點電弧會出現(xiàn)間歇性重燃與熄滅現(xiàn)象,使電網(wǎng)運行方式瞬時多次改變,電磁能振蕩加強。下面重點介紹對單相穩(wěn)定接地和單相間歇性接地進行。

1.1 單相穩(wěn)定接地故障

單相穩(wěn)定金屬性接地故障時,非故障線路的零序電流為

(1)

單相接地故障使母線電壓中性點向故障相方向發(fā)生偏移,非故障相母線相電壓升高至線電壓值。

單相穩(wěn)定金屬性接地故障時,故障線路零序電流為

(2)

(3)

單相不完全接地故障時,故障相電流為

(4)

故障相電壓為

(5)

式中:Rg為過渡電阻;Z∑1和Z∑0分別為正序阻抗和零序阻抗。高阻接地時,故障相電壓不為0,母線電壓中性點不再向故障相方向偏移,非故障相電壓大小也不再相等。

1.2 單相間歇性接地故障

間歇性接地故障是指在絕緣較弱的部位產(chǎn)生接地電弧的多次反復(fù)燃熄現(xiàn)象,具有短時多變、接地電流大的特點。故障若長時間發(fā)生將導(dǎo)致絕緣水平進一步降低,間歇性電弧將發(fā)展成穩(wěn)定性電弧,最終發(fā)展為永久性接地故障。間歇性接地故障存在暫態(tài)過程,電流和電壓也具有相應(yīng)暫態(tài)特征。

對單相接地瞬間電容電流ic進行暫態(tài)分析。

ic=ic·os+ic·st=

Icm[(ωf/ωsinφsinωt-cosφcosωft)e-δt+

cos(ωt+φ)]

(6)

式中:ic·os和ic·st分別為瞬時電容電流的瞬時自由振蕩分量和穩(wěn)態(tài)工頻分量;Icm為電容電流的幅值;ωf為瞬時自由振蕩分量的角頻率;δ為自由振蕩分量的衰減系數(shù),其值為回路時間常數(shù)的倒數(shù)。由式(6)可知,瞬時電容電流的自由振蕩分量與相角φ有關(guān),當(dāng)φ=π/2時,自由振蕩分量最大;當(dāng)φ=0時,其值最小。

同理可得瞬時電感電流iL的表達(dá)式為

iL=ILm[cosφe1/τL-cos(ωt+φ)]

(7)

式中:ILm=Uφm/ωL;τL其為電感電路的時間常數(shù)。電感電流的幅值同樣也與接地瞬間電源電壓的相角φ有關(guān),當(dāng)φ=π/2時,其值最小;當(dāng)φ=0時,其值最大。

瞬時接地電流即為瞬時電容電流和瞬時電感電流之和,表達(dá)式為

id=iC+iL=(Icm-ILm)cos(ωt+φ)+

Icm(ωf/ωsinφ·sinωt-cosφ·cosωft)et/τC+

ILmcosφet/τL

(8)

式中,瞬時接地電流由穩(wěn)態(tài)分量與瞬時分量構(gòu)成。其中第一項為穩(wěn)態(tài)分量,即穩(wěn)態(tài)電容電流與穩(wěn)態(tài)電感電流幅值之差;瞬時分量為第二項電容電流的瞬時自由振蕩分量與第三項電感電流的瞬時直流分量之和。

2 10 kV諧振連續(xù)故障實例分析

2.1 故障前運行方式

該110 kV變電站主接線方式為內(nèi)橋接線,有兩臺主變壓器,均為三圈變壓器110 kV/10.5 kV/6 kV,容量為40 MVA,故障前通過110 kV線路帶兩臺主變壓器供全站負(fù)荷;110 kV并列運行,10 kV Ⅰ、Ⅱ母處于分列運行狀態(tài),10 kVⅠ母有5條出線,均為電纜線路,CT變比為600/5。

2.2 故障發(fā)展過程分析

某日14:20:00,10 kV L1出線因地鐵施工電纜受外力破壞,發(fā)生C相單相金屬性接地故障,致使該110 kV變電站10 kV Ⅰ段母線A、B相電壓升高;14:20:26進一步發(fā)展為L1出線A、C相短路故障,過流二段保護動作,二次動作值為97 A。在系統(tǒng)過電壓作用下,14:20:30,10 kV L2線路的某一聯(lián)絡(luò)電纜中間接頭B相絕緣薄弱點被擊穿發(fā)生單相接地,一直持續(xù)至14:27:59,調(diào)度拉停L2線路查找接地,接地信號消失,系統(tǒng)電壓恢復(fù)正常。同樣由于過電壓作用,15:13:05,10 kV L3線路發(fā)生高阻性單相接地;15:38:12調(diào)度拉停L3線路,接地信號消失。10 kV L4線路某變壓器電纜進線三叉處因長期受潮,有輕微的放電,絕緣逐漸在下降。因變電站10 kVⅠ段母線出線間隔多次發(fā)生接地,在系統(tǒng)過電壓的沖擊下絕緣被擊穿放電,16:13:51發(fā)生單相非金屬接地故障;16:40:43調(diào)度拉停L4路,接地信號消失。本次故障時序如圖1所示。

圖1 故障時序

2.3 實例故障波形分析

本次故障主要是由不同線路的單相接地導(dǎo)致的,圖2至圖4為故障錄波的10 kVⅠ母線電壓波形(二次值)。根據(jù)波形特點可以初步判斷圖2發(fā)生了C相金屬性穩(wěn)定接地故障,由于消弧線圈對電容電流的補償作用使得接地點處電流很小,母線故障相電壓處于很低水平;圖3發(fā)生了B相間歇性接地故障,接地電阻很小,屬于金屬性接地,由于系統(tǒng)的阻尼特性,使得A、C兩相在電壓恢復(fù)的過程中呈現(xiàn)不同的特性;圖4發(fā)生了A相非金屬性穩(wěn)定接地故障,母線故障相電壓并未下降太多,但有零序電壓存在。

圖2 實測C相穩(wěn)定接地故障母線波形

圖3 實測B相間歇性接地故障母線波形

3 單相接地故障Matlab仿真分析

為對上述結(jié)論進行驗證,對10 kV諧振接地系統(tǒng)進行仿真,模擬該系統(tǒng)在發(fā)生單相穩(wěn)定接地故障(金屬性接地)、單相間歇性接地(金屬性接地)和單相非金屬性接地故障時,系統(tǒng)母線電壓的變化情況。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。仿真模型中母線所帶的5條出線均為電纜線路,長度依次為12 km、5 km、15 km、10 km、7 km。使用三相故障模塊設(shè)置故障類型以及故障發(fā)生的時間,假設(shè)故障均發(fā)生于L1線路距母線10 km處。消弧裝置的電感值可以通過計算得出,約為0.15 H。使用該值進行單相接地故障仿真,得出故障處電流小于5 A,說明電感值選取較為合適。在電網(wǎng)實際運行中,錄波器并未采集支路的電壓電流,因此以母線電壓波形為研究對象。

3.1 單相穩(wěn)定接地故障仿真

通過三相故障模塊設(shè)置單相穩(wěn)定接地故障發(fā)生于0.08 s,仿真總時長為0.5 s,結(jié)果如圖6所示,仿真效果與理論分析一致。當(dāng)L1線路發(fā)生B相穩(wěn)定接地故障時,母線B相電壓瞬時降低,同時非故障相電壓幅值增大為線電壓值,零序電壓幅值為相電壓值。此時線電壓依然保持對稱,因此諧振接地系統(tǒng)可短時帶故障運行,有助于提高供電可靠性。

圖6 單相穩(wěn)定接地故障母線波形

3.2 單相間歇性接地故障仿真

在三相故障模塊中設(shè)置故障發(fā)生的時間以及故障持續(xù)時間,實現(xiàn)間歇性單相接地故障模擬。共設(shè)置了3次故障發(fā)生于0.05 s、0.21 s、0.53 s,故障持續(xù)時間均為2 ms,母線電壓波形如圖7所示。

圖7 B相間歇性接地故障母線電壓波形

可以看出,當(dāng)諧振接地系統(tǒng)發(fā)生間歇性接地故障時,故障相電壓也被迅速拉低,待電弧熄滅(接地故障消失)后,故障相電壓開始恢復(fù),由于系統(tǒng)參數(shù)原因,電壓恢復(fù)過程中存在超調(diào)的現(xiàn)象;同時零序電壓開始衰減,其衰減的快慢與消弧裝置電阻相關(guān)。圖8為第二次間歇性接地故障時故障點處B相對地電流和零序電流的波形。

圖8 故障處B相對地電流波形

由圖8可知,當(dāng)發(fā)生接地故障時,故障相流過較大的高頻對地電流,故障消失后對地電流也逐漸減小。瞬時分量的幅值隨相角變化而改變,電容分量和電感分量可能相互疊加,給瞬時接地電流帶來顯著增幅。瞬時接地電流首半波的極性與零序電壓首半波的極性之間存在90°的固定關(guān)系,可利用此關(guān)系作為故障選線判據(jù)。

3.3 單相非金屬性穩(wěn)定接地故障仿真

通過三相故障模塊在0.3 s時進行3次接地電阻分別為100 Ω、400 Ω、800 Ω的永久接地故障仿真,結(jié)果如圖9所示。

圖9 高阻接地時母線電壓波形

由圖9可知:發(fā)生單相接地故障時,隨著B相接地電阻的增大,故障相剩余電壓逐漸增大;非故障相電壓的增幅呈減小趨勢,且兩非故障相電壓的增幅不同。這是由于B相發(fā)生金屬性短路,中性點電壓會沿著B相發(fā)生偏移,此時AC兩相電壓是對稱的;而過渡電阻的存在不僅會影響B(tài)相的故障電流、中性點故障電流以及中性點電壓的大小,還會影響其相位,導(dǎo)致中性點的偏移不再沿原來B相的方向,使AC兩相電壓產(chǎn)生如圖所示的現(xiàn)象。仿真結(jié)果與實測結(jié)果具有較好的一致性。

4 結(jié) 論

通過對一起10 kV系統(tǒng)長時間過電壓引發(fā)的連續(xù)接地短路故障進行介紹,定性地分析了該故障的錄波波形;并利用Matlab搭建10 kV諧振接地系統(tǒng),得出了對應(yīng)故障情況下的母線電壓,為以后研究小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時選線和定位提供參考。針對10 kV諧振接地系統(tǒng)提出以下減小單相接地故障影響范圍的建議:

1)使用合適的消弧線圈在線調(diào)擋方式,以應(yīng)對間歇性接地故障;

2)選用適宜的故障選線策略,快速準(zhǔn)確地切除故障線路,避免系統(tǒng)長時間過電壓;

3)采用效果較好的絕緣監(jiān)測裝置對電纜的絕緣情況進行監(jiān)視。

4)重視日常維護工作,在故障發(fā)生前做好預(yù)防措施與應(yīng)急措施,以此來降低單相接地故障所產(chǎn)生的損失,確保配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行。