小电流接地选线系统的设计与实现

1、小电流接地选线系统的设计与实现A N ovel D evice of Ground Fau lted L ine D etecti on in R esonan t Grounding闫静 1, 金黎 1, 张志成 2, 刘燕 2(11西安交通大学电气工程学院 , 西安 710049; 21陕西省地方电力 (集团 公司 , 西安 710054摘要 分析了谐振接地系统单相接地故障的特点 , 以零序 电流的有功功率和 5次谐波功率方向在单相接地故障时的 特征为依据 , 设计并实现的基于 PC 104工控机的新型小电 流接地选线系统选线准确率高 , 能区分母线和线路故障 。 Abstract In

2、th is paper , the characteristics of ground fault in resonant grounding system is analyzed . A cco rding to the active component of zero 2sequence current and the pow er di 2recti on of fifth har monic tuning , a novel device of ground faulted line detecti on is designed based on the PC 104indus 2tr

3、ial computer . T he accuracy of faulted line detecti on is ob 2vi ously i m p roved and bus bar fault is distinguished from line fault .关键词 谐振接地小电流接地选线零序电流Key words resonant grounding ground faulted line detec 2ti on zero 2sequence current中图分类号 TM 773文献标识码 A0引言目前 , 我国 kV , 中性点经消弧线圈 接地又称为谐振接地 。 随着配网的

4、扩大以及电缆线 路的增加 , 系统电容电流急剧增加 , 发生单相接地故 障时电弧不能自熄而引起相间短路或间歇性弧光接 地过电压 , 应采用谐振接地方式 1。 谐振接地属于小 电流接地系统 , 单相接地时故障点的电流较小 , 且电 源三相线电压仍保持对称 , 不影响系统的供电 , 通常 允许带故障运行 12h 。 但发生单相接地时 , 非故 障相对地电压升高为原来的 3倍 , 若为永久性故 障 , 会对系统绝缘薄弱的环节造成破坏 , 可能发展为 两相 、 甚至三相短路 。 因此在发生永久性故障时须准 确选出故障线路 , 及时切除故障 , 保证供电可靠性 。 1谐振接地系单相接地故障的特点谐振接地

5、系统发生单相接地故障时 , 其零序电 流分布与中性点不接地系统相比发生了很大变化 , 单相接地时的零序等效网络见图 12。中性点接入消弧线圈 , 单相接地时 , 在接地点有 一个电感分量的电流通过 , 和原系统中的电容电流抵消 , 流过接地点的电流为 :I d = ni =1I0i+I L +I 0F ,式中 2I 0i 为各线路电容电流总和 ; I L 为消弧线圈电 流 ; I 0F 为变压器或发电机的电容电流 。图 1, 故适当选择消弧线 0i I 0F , 减小总接地电流 , 电弧自熄 。 , 实际采用过补偿的方 式 3, 即 I L -(I 0i +I 0F =5%10%, 因此 I

6、d 呈感 性 。 流经故障线路的零序电流将大于本身的电容电 流 , 而电容性无功功率的方向仍由母线流向线路 , 和 非故障线路的方向一样 , 这种情况下不能利用功率 方向的差别来判断故障线路 , 且由于过补偿度不大 , 故障点的残流小 , 很难像中性点不接地系统那样 , 利 用零序电流大小的不同来选择故障线路 4。 2零序有功方向选线原理假定谐振接地系统有 n 回出线 , 出口均装设零 序电流互感器 TA 。 线路 n 的 C 相发生单相接地故 障 , 此时中性点位移电压为 U 0, 每条线路经零序 TA 采样所得零序电流为 I 0i , 其中 i 为线路序号 , U 0和 I 0i 之间的相

7、角差为 i , 因此 , 每条线路中存在零序电流 有功功率 P i =U 0I 0i co s i 。从图 1的零序等效网络可知 , 故障线路中 (线路 序号为 n 的电流经零序 TA 采样后计算出的零序 电流的有功功率 P n 是流过其它线路和消弧线圈的零序电流的有功功率之和 , 即 :P n = n -11Pi+P l , 可见经故障线路零序 TA 采样数据计算的零序电流的P n 比其它线路的 P i 都大 , 但需注意当故障发生在零序 TA 的左侧 (即母线侧 且 P n 由线路流向母线 而非故障线的 P i 则相反 。 即母线和变压器 (或发电 机 间单相接地时每条线路的 P i 均从

8、母线流向线 路 , 且其值相差不大 , 不能判断是那条线路故障 , 但 21 D ec . 2003 H IGH VOL TA GE EN G I N EER I N G V o l. 29N o . 12可据此特点区分母线与线路故障 。 先求出各线路P i , 找到其中的最大值 P m ax , 再求出其余线路的平均值 P , 利用比值 R =(P m ax -P P 的大小来区分是 母线还是线路故障 :当 R 小于某一预设门槛值时判 断为母线故障 , 反之则为线路故障 , 并进一步根据P i 确定故障线路 。对于谐振接地系统 , 工频零序电容电流基本被 消弧线圈补偿 , 采用零序无功电流难

9、以判断 , 但 5次 谐波不会被补偿 。 发生单相接地后 , 其 5次谐波电容 电流的分布基本上与中性点不接地系统中基波电容 电流的分布规律相同 。 故障线路 5次谐波电容电流 基本等于非故障线路 5次谐波电容电流之和 , 故障 线路 5次谐波电容电流方向与非故障线路相反 。 根 据以上特点可通过比较 5次谐波电流大小 、 方向或 功率方向来区分故障和非故障线路 。对 U 0和 I 0i 采样后进行傅立叶变换 , 分解出其 中的基波和 5次谐波分量 , 和零序电流的有功功率 法一样 , 计算基波零序电流的有功功率和 5电流的有功功率 , 为了选线的准确 , 波和 5致 ( 断为母线故障 5次谐

10、波 分量的大小 、 方向作为判断接地故障的依据 , 即对于 接地线路 , 有功功率 P >0; 未接地线路 , P <0。 对 于接地线路 , 零序电流的 5次谐波分量滞后于零序 电压的 5次谐波分量约 90° 对于未接地线路 , 零序 电流的 5次谐波分量超前零序电压的 5次谐波分量 约 90°。 3仿真分析利用电磁暂态仿真程序 E M T P 对图 2的单母图 2小电流接地选线 E M T P 仿真系统线 4馈线 10kV 系统进行仿真分析 。 其中 , 消弧线 圈 :L =7. 96H , R L =148; 正序阻抗 :R =01178 km , X =

11、01388 km , C =917nF km ; 零序阻抗 :R =01238 km , X =11728 km , C =610nF km ; 线 路 14的长度分别为 29、 34、 45、 37km ; 过渡电阻R p =0, 20, 1008; 计算得系统电容电流为 21314A ,表 1为不同过渡电阻时线路 4的 C 相及母线 C 相单相接地时的 E M T P 仿真结果 (P 1P 4为线路 14的零序有功分量 , 可见 #4线单相接地时 , P 4µP 1、 P 2、 P 3; 当母线单相接地时 , 各条线路的 P i 相差不大 , 故该方法选线准确率很高 。表 1小电

12、流接地选线仿真结果k W故障类型 R p 8P 1P 2P 3P 4118382129811972本文设计的基于 PC 104嵌入式工控机的新型 小电流接地选线装置中 , PC 104总线及产品与 PC 机软 、 硬件完全兼容 , 体积超小 (90mm ×96mm ×图 3小电流选线装置硬件结构原理图 15mm , 功耗低 (12W , 抗干扰能力强 , 性 能可靠 , 应用广泛 5。 本 装 置 采 用 PC 104A ll 2in 2O ne 嵌入式 CPU 模 板 A X 10402, 主频高达 40M H z ; 48位 数 字 输入输出模块 A X 10420;

13、高 速 数 据 采 集 模 板 A X 10410的 最 大 采 样 频率可达 90kH z 。该装 置的硬件原理见图 3。其中一次零序 TA 和 二 次 TA 均 为 011级 ; 一次 TV 为 012级 , 二次 TV 为 011级 , 保证了输入模拟信号的高精度要求 。 在信号调理电路 中 , 输入的模拟信号经特殊的抗干扰措施和滤波措 施进入 PC 104模块 。 装置带有液晶显示模块 , 用户 方便查阅目前系统运行状况和故障信息及历史数 据 , 做到人机界面友好 ; 具有故障报警和在线参数修31 2003年 12月高 电 压 技 术第 29卷第 12期改 、 故障信息打印与上位机进行

14、通讯功能 。 小电流选 线装置的软件流程见图 4。 对装置在模拟线路上进 行了试验 , 选线准确率 >98% 。图 4小电流选线装置软件流程图5应用中注意的问题动 , , 选出接地线路 。 当 系统零序电压大于其整定值 (可调 , 一般 20100V 时 , 立即起动 , 判别故障 。在电网中有双 、 多或单母线分段 , 运行中有时需 并列运行 。 在站与站之间联网运行 , 电容电流较大时 需多台并联补偿 , 要求小电流接地选线装置既能在 单台消弧线圈独立运行时使用 , 又能在多台消弧线 圈并联运行时使用 。当多个变电站联网运行或不同变电站有数台消 弧线圈并联运行时 , 应尽量使消弧线圈

15、过补偿运行 , 同时应尽量发挥自动消弧装置的自动跟踪补偿作 用 , 尽量减少消弧线圈的调节台数 , 避免消弧线圈大 范围调节 。 此时对于小电流接地选线装置 , 采用通讯 接口法 , 主从机方式 , 从机将采集的电气量传送给主 机 , 由主机完成故障判别 。 消弧线圈是配网的一部 分 , 还可利用 R TU 对各个分散并联的消弧线圈的 各馈线的零序电流测量采集 , 将各个零序电流经通 信系统送至调度中心数据库调节控制 。 实际上 , 对多 台消弧线圈并联的情况 , 只需分别采集各零序电流 , 通过各种通信方式上传数据 , 综合起来判别故障 。 6结语谐振接地的电网运行可靠性高 , 灭弧条件好

16、, 残 流小 , 地电位低 , 安全性好 。 366kV 配网接地 方式的良好选择 , 。 , , , 并且能准确区 。参考 文 献1 DL T 620-1997, 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 S 12贺家李 , 宋从矩 1电力系统继电保护 (第三版 M 1北京 :中国电力出版社 , 19943要焕年 , 曹梅月 1电力系统谐振接地 M 1北京 :中国电力出版社 , 20004李润先 1中压电网系统接地实用技术 M 1北京 :中国电力出版社 , 20025武自芳 , 虞鹤松 1微机控制系统及其应用 (修订本 M 1西安 :西安交通大学出版社 , 1998(收稿日期 2003206216闫静 1973年生 , 讲师 , 博士生 , 从事新型高压电器 、 智能化电气(上接第 11页 3结论a 1进化规划算法既能在解空间多点并行快速寻找全局最优解 , 完全克服 B P 算法易陷入局部极 小和收敛速度慢的缺点 , 又能与 B P 算法结合 , 进一步减小误差 , 提高精度和可靠性 。b 1EP 2ANN 能有效地诊断变压器故障 。参 考文献1张立明 1人工神经网络的模型及其应用 M 1上海 :复旦大学出版社 , 19932云庆夏 1进化算法 M 1北京 :冶金工业出版社 , 20003 IEEE Std C 57. 104219