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基于故障模型的补偿电网接地综合选线装置

由于消弧线圈的接入,补偿电网改变了电网的电气特征量的性质,给利用电气特征量进行接地选线带来了诸多困难,且较高的过渡电阻对选线的结果也有较大影响。

为解决上述问题,本文研制了一种基于接地故障模型的小电流接地综合选线装置。首先建立了接地故障的数学模型,根据数学模型识别出瞬时性接地故障、高阻接地故障和低阻接地故障。瞬时性接地故障时选线进行闭锁。根据高阻接地故障的特点,优选出零序电流有功分量法和零序电流增量法,这两种选线方法受过渡电阻的影响比较小。在此基础上,构成接地综合选线装置。仿真实验和低压模拟实验验证了这两种方法的有效性,达到了满意的选线结果。

补偿电网的接地选线一直是电力系统研究的难点和热点。目前市场上的大多数接地选线装置选线准确率不高,误选和漏选的情况比较多,离实用化尚有一定的距离。接地选线装置的选线准确率不高,原因有多种:①消弧线圈的接入使得配电网变成补偿电网,同时也改变了接地故障时的电气特征量性质,利用电气特征量进行选线就出现了困难;②对于复杂多变的单相接地类型,如高阻接地、低阻接地、间歇性电弧接地、瞬时性接地等,现有的选线方法无法一一适应,时常会出现漏选、误选、拒选等情况,因此无法保证选线的准确率和效果。

目前中压配电网安装消弧线圈已经成为潮流和趋势,因此寻找适合补偿电网的选线方法,构成接地综合选线是一种切实可行的思路。同时,现有的接地选线装置不具备对接地故障进行判断和识别功能。如果研制一种建立在接地故障类型识别基础上的接地综合选线,同时充分利用消弧线圈的调谐功能,就必将提高选线装置对补偿电网各种接地故障的适应能力,减少误选、漏选和拒选的概率,提高选线的准确率,使其能够达到实用化水平。

1  补偿电网接地故障模型的构建(略)

首先画出接地选线在补偿电网中应用的一次原理接线图,如图1所示。

基于故障模型的补偿电网接地综合选线装置
图1  接地选线在补偿电网中的一次原理接线图

图1中,电压互感器TV1被装设在选线系统中,用于对中性点电压的检测,利用中性点电压这一电气特征量可对接地故障类型进行识别判断。利用阻尼电阻R可进行零序电流有功分量法的选线,同时与消弧线圈共用,抑制可能出现的串联谐振过电压。接地变压器用于10kV系统中性点的引出。L为消弧线圈,KM为接触器用于对阻尼电阻的投切。电压互感器TV2和电流互感器TA装设在消弧线圈系统里。K为中性点刀闸。

补偿电网的单相接地故障有多种类型,主要可以分为高阻接地、低阻接地、间歇性电弧接地故障、瞬时性接地故障等几种主要类型。前二者可归属于稳定性接地,后二者可归属于非稳定性接地。

对于间歇性电弧接地来说,在补偿电网中,消弧线圈的补偿既能使残流降低到一个很小的数值,又能使接地点的恢复电压上升速度变慢,避免电弧发生重燃;使间歇性电弧接地或者瞬间自行熄灭。此故障类型可从瞬时性接地考虑,或者从高、低阻接地考虑,成为高、低阻接地故障。

2  基于接地故障类型的补偿电网选线方法的综合性应用(略)

补偿电网在单相接地时,不同情况下电网的谐波含量也不同,且谐波受过渡电阻的影响较大。在单相接地故障瞬间,其暂态电流的首半波自由分量受初始电压影响较大,而初始电压与过渡电阻有关,也不稳定。而零序电流基波分量最大,也比较稳定,因此,为了在高阻接地情况下能够准确地选出接地故障线路,不宜选择谐波法,而应选择基波分量作为选线的主要依据。

在基波分量中,可充分利用补偿电网中所接入的消弧线圈和阻尼电阻所产生的幅值较大的无功分量和有功分量,这两种方法比较稳定,易于控制,且受过渡电阻影响较小。基于以上考虑,本文将零序电流有功分量法和增量法等共同构成综合判据,组成小电流接地综合选线装置。

3  零序电流有功分量法与增量法在高阻接地故障情况下的仿真(略)

4  选线装置的硬软件设计及低压模拟试验

4.1  装置硬件设计

硬件组成如图9所示。测控系统以数字信号处理器(DSP)作为核心,选用TMS320F2812,此芯片整合了DSP和微控器的最佳特性,集成了时间管理器、A/D转换模块、SCI通信电路、看门狗电路、通用数字I/O口、多通道缓冲串口等多种功能模块,作为选线装置的CPU非常合适。还开发了数据采集模块、人机接口模块、跳闸输出模块(可选)等。

基于故障模型的补偿电网接地综合选线装置
图9  接地选线的硬件构成图

4.2  装置软件设计

软件的核心首先是对接地故障进行模型的建立以及识别工作,并将接地故障的类型在液晶屏幕上显示出来,同时可通过通信接口进行远传。其次是根据这两种选线法的特点和适用场合,将其有机综合在一起,使选线的准确率得到提高。

当采用综合应用选线方法时,可充分利用模糊数学工具,根据不同的应用,为两种选线法设定不同的隶属度函数。在单相接地故障后,将两种选线结果分别代入隶属度函数,得到综合选线结果的隶属度(可信度),可信度最高的选为综合选线结果,次之的选为参考。图10为主程序流程图。

4.3  低压模拟试验

根据以上软硬件设计思路,研制了选线装置样机。为检验样机性能指标,在实验室搭建了低压模拟电网,对样机进行了各项指标的模拟实验。所搭建的的低压模拟电网由1条母线和8条出线构成。实验分别模拟了金属性接地故障、高阻接地故障,并得到相应的选线结果。

实验结果表明,金属性接地故障时,选线准确率达到了100%;高阻接地故障时,选线的准确率也达到了98%。以上结果充分说明选线装置采用的基于接地故障模型的选线方案是可行的、实用的。
 
基于故障模型的补偿电网接地综合选线装置
图10  主程序流程图

结论
1)本文在建立接地故障模型的基础上,首先识别出系统接地故障类型,并根据故障类型采取相应的措施。仿真验证了高阻接地时零序电流有功分量法和增量法的有效性,说明这两种选线方法适合在补偿电网应用,受接地过渡电阻阻值影响比较小,由此构成基于接地故障模型的综合选线系统是可  行的。

2)在单相接地故障发生后,首先得到初选结果,再由隶属度函数的设定,得出综合选线结果,由此使选线的准确率得到较大的提高。

3)采用适合于补偿电网的这两种接地选线方法组成的综合选线装置,充分利用了阻尼电阻与消弧线圈的调谐功能,具有较高的灵活性和较强的适用性。

低压模拟实验的结果表明,即使在最不利的高阻接地情况下,选线的准确率也能达到98%,此结果令人满意。
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