10kV中压配电网单相接地故障有源诊断技术的分析与应用_产品与技术_机械工业北京电工技术经济研究所

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10kV中压配电网单相接地故障有源诊断技术的分析与应用

作者: ​高建东 沈捷 樊敏杰 吴星昂 王梁  来源:​ (浙江华云清洁能源有限公司) 时间:2020-11-20


摘要:传统10kV中压配电线路缺乏保护措施,故障处理手段匮乏,在潮湿、多雨天气常发生单相接地故障,影响用户用电体验。不及时处理不仅会对配电设备造成严重损害,扩大故障范围,甚至造成人身伤害。本文在充分阐述10kV中压配电网单相接地故障的基础上,分析了采用有源信号注入的方式对发生单相接地故障的线路进行故障诊断,重点论述有源信号注入诊断系统的结构配置,并通过在某电力公司的实际应用,进一步说明该方法对单相接地故障诊断的有效性和实用性,对相关工程提供一定的技术参考。

关键字:10kV;中压配电网;单相接地故障;信号注入;故障诊断系统结构


 

0 引言

我国的配电系统(6-35kV系统)是中性点非直接接地系统,大多数系统是经消弧线圈接地或不接地系统[1-3],其单相接地故障发生后,故障点产生的信号相对较小,抗干扰能力相对较薄弱,又由于外部环境较恶劣、信号干扰因素较多,造成故障信号失真,从而致使故障判断准确度相对较低。而小电流接地系统在发生单相接地故障时,由于中性点不直接接地,不能形成闭环短路路径,且接地电阻往往比较大,造成电流信号十分微小,信号采集要求就十分严格,给故障选线定位提出更高要求,而在不借助外在设备的情况下,故障选线是十分困难的。目前的选线方法中,由于消弧线圈补偿后的残余电流很小及故障线路本身不能形成闭合回路的原因,导致基于单稳态信号的选线方式无法对接入消弧线圈接地的系统进行选线,且此选线的方法易受到运线路结构、设备配置及外部环境等因素影响;基于电流谐波的选线方法,排除了消弧线圈的影响,但是由于高次谐波分量本身含量小,易受负荷本身谐波和过渡电阻影响,实际运行效果不佳[5-6];基于暂态电气量的方法,虽然结合了一些数学相关理论,如小波理论、神经元算法、数学形态学等,但是暂态信号相比稳态信号更易受不平衡电流、过渡电阻的影响,因而易导致误判[7-8]。有源信号注入法相比较上述方法而言,有一定的优势并得到了发展。注入信号法通过在线路上安装信号源装置,该装置在系统正常运行时实时监测系统电压,当发生单相接地故障时,自动控制信号源内部开关设备投切,在故障线路上产生具有明显特征的电流信号序列,用于辅助配电自动化远方终端识别单相接地故障[9-10]

1  有源信号注入法原理

有源信号注入法结构示意图如图1所示。


 

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1 有源信号注入法结构示意图


 

当发生单相接地时控制器按照预定的时序和占空比控制中电阻投入,在接地线路上的接地点和信号源装置之间产生一个明显的阻性脉动电流波动,在非接地相、非接地线路以及接地线路的非接地部分则没有这个阻性电流的流过。配电终端通过CT能采集到这个阻性脉动电流,从而进行单相接地的定位和切除。

信号源通常安装在线路母线上,每段母线安装一台,满足线路上的所有终端检测注入信号使用。其主要作用是为了实时监测线路电压、零序电压等电量参数,当线路上发生接地故障时,根据采集的系统参数和设定的判据条件判断单相接地故障;当接地故障持续预设的时间后,自动投切单相操作开关,发送电流信号序列;该电流信号流经故障线路的故障相、接地点及大地返回至信号源工作地;故障点后和非故障线路无此信号流过。

当接地故障持续预设的时间后,自动投切单相操作开关,发送电流信号序列;注入电流信号将与线路本身电流信号进行叠加,增强故障信号强度,从而提高故障判断准确率。其中信号源注入信号只存在变电站与故障点之间的线路,即便有线路分支,注入信号也不进行流入,避免信号的进一步减弱。

配网线路上配置的配电终端通过接收注入信号及电流信号,进一步自动解码,拓扑分析,完成故障点的故障定位。同时,配电终端根据事先设定的FA策略对开关进行操作,进行故障处理;设备也会将故障信息同步传送到后台主站,通知相关运维人员。

本文从常用的对等通信方式和时间级差方式两方面出发,分别对故障处理过程进行了阐述和分析。

1.1 对等通信方式

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2 对等通信方式下系统配置图

对等通信方式下系统配置如下:

1变电站每段母线或该母线某条出线上安装一台信号源,此段母线所有出线可公用此信号源设备;

2)每台自动化开关配置单侧三相五柱式电压互感器一台,便于采集线路零序电压信号,配置ACO三只电流互感器,采集线路电流信号;

3)每台自动化开关需配置一台智能配电终端,终端之间通过光纤通信方式信息交互。

断路器、负荷开关均可实现单相接地故障处理,故障处理过程如下步骤:

1)当单相接地故障发生在F2F3之间,线路上的相电压及零序电压发生变化,当变化达到一定值后,安装在线路上的信号源装置向线路注入有规律的阻性电流信号;

2)故障点之前的F1F2均可检测到该特殊编码信号,F3F4未检测到该信号,各配电终端之间通过相互通信确认故障发生在F2之后,F3之前,F2开关跳闸隔离故障点。

智能配电终端以光纤通信的方式将故障信息发送到后台主站系统,便于运维人员查询故障处理结果。

1.2 时间级差方式

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3 时间级差方式下系统配置图

时间级差方式下系统配置如下:

1)变电站每段母线或该母线某条出线上安装一台信号源,此段母线所有出线可公用此信号源设备;

2)每台自动化开关配置单侧三相五柱式电压互感器一台,便于采集线路零序电压信号,配置ACO三只电流互感器,采集线路电流信号;

3)每台自动化开关配置一台配电终端,终端除具备三遥功能外,具备逻辑功能,不依赖通信,就地判断;

4)主干线分段开关依靠时间级差配合实现保护的选择性,从线路末端向前,时间依次递增,级差为5S,分支线路上的开关零序保护动作时间为0S

以上述10kV单电源辐射型线路为例,故障处理过程如下步骤:

1F3点后发生单相接地故障时,线路上的各相电压及零序电压发生变化,当满足一定条件时,安装在线路上的信号源装置向线路注入特定的电流信号;

2)故障点之前的F1F2F3开关均可检测到脉冲信号和零序电压,在F3检测故障脉冲后,会延时10秒后动作,开关分闸,隔离故障。

3F3开关将接地故障点成功隔离,F1F2开关检测零序电压消失,分闸功能返回,线路恢复正常。

当故障发生在分支上时,分支设置的保护动作是0s,分支开关在检测到特殊编码信号后会直接跳闸,完成分支故障隔离。

2  实际应用实例

系统方案已在部分地市电力公司投入运行,经过了实际运行的检验,运行效果良好,很大程度上提高了单相接地故障的判断准确性,具有一定的工程参考价值。

4为现场接地故障试验录波示意图:其中A相为非故障线路,C相为故障线路。

4现场接地试验录波

3  结束语

本文在充分阐述10kV中压配电网单相接地故障特征的基础上,分析了采用有源信号注入的方式对发生单相接地故障的线路进行故障诊断,重点论述有源信号注入诊断系统的结构配置,并通过在某电力公司的实际应用,进一步说明该方法对单相接地故障诊断的有效性和实用性,对相关工程提供一定的技术参考。

参考文献

[1]王建元, 张峥. 基于注入信号与小波能量的小电流接地故障选线研究[J]. 电测与仪表, 2018, 55(5): 28-32.

[2]杨海生, 王先佐, 杨孟卓, . 小电流接地系统单相接地注入信号源协调控制策略研究[J]. 电测与仪表, 2018, 55(2): 66-69.

[3]王宏民, 娄峥, 宋莹莹. 小电流接地系统单相接地故障的小波选线方法[J]. 黑龙江科技大学学报, 2017 (3): 281-286.

[4]张宏亮. 基于信号注入的 10kV 配电网故障定位系统设计[D]. 华南理工大学, 2017.

[5]车永强. 配电网故障定位信号源远程监控系统设计与实现[D]. 华北电力大学, 2017.

[6]刘洋, 刘辉. 基于网络脉冲响应的 10 kV 配电网故障定位研究[J]. 湖北工业大学学报, 2018, 33(2): 51-54.

[7]刘健, 张小庆, 申巍, . 中性点非有效接地配电网的单相接地定位能力测试技术[J]. 电力系统自动化, 2018, 42(1): 138G143.

[8]王涛. 多方法融合的配电网选线定位一体化方法研究[D]. 华北电力大学 (北京), 2017.

[9]张凯, 黄梅, 林亚阳. 配网运行中单相接地选线装置现状及可靠性验证[J]. 高电压技术, 2017, 43(2): 288-291.

[10] 陈伟. 配电网单相接地故障定位新技术分析[J]. 收藏, 2017, 35: 058.

[11]吴博.基于蚁群算法的配电网保护最优协调整定[J].电气技术与经济,2018(03):3-8.

 

(收稿日期:2019-12-31)

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