参数增量法在优化谐振接地方式中的应用

参数增量法在优化谐振接地方式中的应用要焕年，曹梅月(厦门电业局，福建厦门361004)摘要：在补偿电网中发生单相接地故障时，继电保护选择性是国内外长期存在的一大技术难题。利用参数增量法研制成功的微机接地保护或自动选线装置，原理简明、灵敏度高、可靠性好，能够检出高阻接地故障，现已在我国的中压电网中投入运行。关键词：参数增量法；微机接地保护；自动消弧线圈；优化；谐振接地方式中图分类号：TM475；TM7740引言国内外电力系统的运行经验表明，中压电网中性点采用谐振接地方式，对于提高供电可靠性、人身安全、设备安全和降低通信干扰、改善电磁环境等方面，具有良好的作用。不过，此种接地方式在过去曾有两个缺点：一是消弧线圈需要人工调谐，比较麻烦和不便；一是继电保护的选择性，长期存在困难。这在一定程度上限制了此种接地方式在一些国家和地区中压电网中的应用与发展。近些年来，随着科学技术的进步和制造业的发展，上述缺点和问题相继得到克服和解决，谐振接地方式具有了更加优良的运行特性。用于优化谐振接地方式的自动消弧线圈，品种较多，各具特色，实践表明可以满足运行要求；而微机接地保护或自动选线装置，在灵敏度和可靠性方面尚欠理想，是目前人们集中关注的一大问题。最近研制成功的参数增量法微机接地保护或自动选线装置，在原理、灵敏度和可靠性方面都有所突破。本文除简要介绍自动消弧线圈的分类外，将重点论述微机接地保护或自动选线装置的有关问题。1自动消弧线圈分类自动消弧线圈与人工调谐的消弧线圈相比，具有显著的优越性，不仅可以避免人工调谐的诸多麻烦，而且在调谐过程中不会使电网的部分或全部失去补偿，同时由于提高了调谐的精度，可有力地限制电弧接地过电压的危害，等等。自动消弧线圈一般由驱动式消弧线圈和自动测控系统构成，这样方能完成电网电容电流的跟踪测量和跟踪补偿，使单相瞬间接地故障自动消除，为单相永久接地故障的检出与消除创造必要条件。自动消弧线圈按调节方式可分为预调式和随调式两大类。采用不同的措施，两者均可构成参数增量法微机接地保护或自动选线装置。1.1预调式自动消弧线圈预调式自动消弧线圈是在电网正常运行的情况下，也即发生单相接地故障之前，根据跟踪测量电容电流的结果，预先自动将消弧线圈调谐到合理的补偿位置。由于调谐所需时间允许稍长，一般可由机械传动机构完成。此类自动消弧线圈主要有调匝式、动铁式和动圈式等。这类自动消弧线圈可通过改变电网的运行方式、采用非线性限压电阻或短接与接入线性限压电阻等措施，实现参数增量法微机接地保护，但不及随调式自动消弧线圈方便。1.2随调式自动消弧线圈随调式自动消弧线圈是在电网发生单相接地故障之后，即刻自动将消弧线圈调谐到合理的补偿位置。因响应时间要求甚短，故只能由电气调节装置来实现。此类自动消弧线圈主要有调容式、调感式、磁阀式和直流助磁式等。在电网发生单相永久接地故障期间，因改变此类消弧线圈的失谐度比较容易，故参数增量法微机接地保护容易实现，这样便可方便准确地为检出并清除故障线路创造有利的条件。2参数增量法微机接地保护原理补偿电网的继电保护选择性是国际上长期存在的技术难题，只是在微机接地保护步入实用之后，这一问题方获解决。国内外的研究结果和运行经验表明[1，2]：(1)所有使用原始技术数据的传统方法，均不能完全满足接地保护装置的启动和选择性要求，而慎重改变故障量值的一些方法，则比较可靠；(2)各种保护装置的动作成功率，都随接地故障电阻的增大而降低，当故障电阻超过1kΩ时，传统继电保护的可靠性急剧降低；(3)通过适当变动失谐度而改变零序电流的方法，可以很好地满足接地保护装置的启动条件；(4)只有数字式方法才能利用原始的技术数据，测得高阻接地故障的方向和距离等。以上几点，正在成为国内外广大专业人士的共识。从以下的分析讨论中可以看出，参数增量法微机接地保护即与此相符。2.1基本原理参数增量法微机接地保护的原理十分简明。在电网发生单相接地故障期间，如果适当改变消弧线圈的失谐度，则仅有故障线路的零序电流或零序阻抗会出现增量，这样便可准确地判定故障或线路。2.2残余电流增量法当补偿电网发生单相永久接地故障时，自动增大消弧线圈的失谐度，利用微机计算速度快、综合分析和判断能力强等特点，在变更失谐度前后，通过实时采集和同步记录、集中处理和分析对比各条馈线的零序电流，其中零序电流(残余电流)出现增量的馈线，便是所要检出的故障线路。2.3零序阻抗增量法零序阻抗增量法微机接地保护是在残余电流增量法的基础上演变而成的。其目的是为了扩展保护的功能，不是为了防止接地保护误动作的可能性。这样，可使该接地保护增添故障定位和测距功能，为在我国开展配电系统的故障管理工作，创造了有利的条件。“配电系统故障管理”是当前发达国家正在研究开展的一项重要工作，它对防止配电系统的事故扩大和缩短停电时间，作用十分显著，是配电网自动化中的重要组成部分[3]。2.4参数增量法的特点(1)准确度高：零序电流或零序阻抗的增量，只产生于故障线路中，具有唯一性；(2)计算方便：只要有关参数的简单运算，无需EMTP程序和傅立叶快速转换；(3)灵敏度高：判据不是绝对值，而是相对值，即有关参数的增量，故灵敏度较高；(4)可靠性高：避免了电流互感器测量回路的误差及背景干扰等因素的影响，故可靠性高。值得关注的是，微机接地保护检出单相永久接地故障的可靠性，这个问题解决了，目的就达到了。而检出单相瞬间接地故障不是重要的。3可靠性与灵敏度分析3.1影响可靠性的因素3.1.1电压波动根据对中性点不接地电网进行分析的结果，发生单相金属接地故障的前后，电网的无功充电功率QC'、QC，分别如式(1)、(2)所示：Qc’＝IcUф(1)Qc'＝2IcUф(2)式中Ic为电网的接地电容电流Uф为电网的额定相电压。由上可知，故障后的Qc'增大为故障前Qc'的2倍。电网无功充电功率如此大的变动，可能引起电压较大波动。至于负荷无功功率的改变，同样可能引起电压的波动，但因采样的时间间隙甚短，故可以忽略不计。根据对中性点谐振接地电网的分析结果，单相金属接地故障发生后，电网的无功充电功率为：Qc''＝Ic(1＋υ)Uф(3)式中υ＝(Ic-IL)/Ic为消弧线圈的失谐度，其中IL为消弧线圈的补偿电流；余同式(1)、(2)。由于自动消弧线圈经常运行在谐振点附近，故失谐度υ≈0，所以故障前后补偿电网的无功充电功率基本保持不变，而负荷无功功率的变动，仍可不予考虑。3.1.2频率波动补偿电网工作频率的波动，对失谐度υ和阻尼率d的影响，如式(4)、(5)所示[1]：υ2＝1＋(f1/f2)2＋υ1(f1/f2)2(4)d2＝(f1/f2)d1(5)式中f1、f2分别为补偿电网的不同工作频率；υ1、υ2分别为与f1、f2对应的失谐度；d1、d2分别为与f1、f2对应的阻尼率。当补偿电网发生单相接地故障时，用户并未感知，电网继续保持正常运行。同样，因采样的时间间隙甚短，用户的有功和无功负荷可以认为保持不变，所以故障电网的工作频率波动，不会超过规程允许的范围。因此，在检出单相永久接地故障的瞬间，不会引起微机接地保护或自动选线装置的误动作。3.1.3测量回路误差实践经验表明，电流互感器、特别是零序电流互感器的测量误差一般较大。即使是同一厂家在同一时期生产的同类型产品，情况也往往如此。当补偿电网发生单相永久接地故障后，参数增量法微机接地保护或自动选线装置依靠失谐度改变前后所测同一参数的增量(其值可正可负)，进行故障线路的检出，可以免除电流互感器和测量回路误差的影响。这样，所得结果自然是准确的。3.1.4背景干扰变电站和发电厂中的电磁干扰现象是很难避免的。由于具体条件不同，干扰的影响可大可小，于是在某一位置的设备上，便会形成一定的背景干扰。例如，由于谐波污染原因，往往会引起高次谐波和负序电流原理的微机接地保护误判断。但是，对于参数增量法微机接地保护来说，由于采样的时间间隙很短，可以认为背景干扰是个常数，因而其干扰的影响也可忽略不计。3.1.5脉冲干扰关于脉冲干扰的特点，一般说来是幅值可能较高，持续作用时间较短。这对于某些原理的微机接地保护的可靠性，可能有较大的影响，例如，对于小波变换原理和注入电流信号等微机接地保护或自动选线装置，情况就值得注意。对于参数增量法微机接地保护或自动选线装置而言，情况则有所不同。因为它系稳态采样，并且能够进行重复计算和判断，所以干扰的影响可以降低，乃至完全免除。3.2灵敏度分析运行经验表明，在架空线路和电缆电网中，高阻接地故障均时有发生。微机接地保护或自动选线装置的灵敏度，主要是针对高阻接地故障而言的。根据法国电力公司(EDF)的统计，在中压电网大约有12％的单相接地故障阻值高于4kΩ，最高可达到100kΩ。所以值得关注的还有，微机地保护检出高阻接地故障的灵敏度。而单相瞬间接地故障因存在的时间很短，故可暂不考虑。3.2.1用相对值为判据以提高灵敏度EDF研制的两种检出高阻接地故障微机保护的共同特点，就是以相对参量作为判据来提高接地保护的灵敏度的。零序导纳接地保护是比较发生单相接地故障前后、零序导纳系数的变化而检出故障的，灵敏度为100kΩ；有功电流方向接地保护主要是比较有功电流的相对相位，其灵敏度为50kΩ。详见文献[4]。由此可以认为，参数增量法微机接地保护或自动选线装置的灵敏度也是相当高的。3.2.2适当增大失谐度以提高灵敏度根据德国中部供电公司(MEAG)的现场试验和研究分析结果，“通过适当变动失谐度而改变零序电流的方法，可以很好地满足启动条件”[2]。最近，我国在6kV补偿电网中进行了现场试验，包括导线断落在干燥的水泥地面的情况在内，此类保护均能灵敏地动作、可靠地检出故障线路。这些情况说明，参数增量法微机接地保护的灵敏度，是可以达到满意程度的。补偿电网故障点的残余电流仅与电网的电容电流、失谐度、故障点的接地电阻等因素有关，可以通过变更失谐度来实现。对于单相瞬间接地故障来说，它存在的时间很短，一般仅为几个到几十个毫秒，在此期间即使在大范围内增大失谐度来提高灵敏度，乃至改变失谐度的正负号，也是无济于事甚至还会产生不良后果。4参数增量法应用实例4.1“二合一”成套装置[4]调容式自动消弧线圈与参数增量法微机接地保护或自动选线装置，通过自动测控系统的统一管理，实现了两者合一，这对熄灭瞬间单相接地电弧和迅速检出单相永久接地故障十分有利。其中的调容式自动消弧线圈，是在人工调匝式消弧线圈的基础上增加一个二次绕组，其额定电压是个重要参数，必须全面考虑后确定，以便于电容器组的选择与控制，实现补偿电流调节范围宽、调谐精度高的目的。此种自动消弧线圈可单台独立运行，也可多台并联运行，不仅广泛适用于各种不同结构和大小的补偿电网，而且还可用来改造量大面广的老式调匝式消弧线圈。此种“二合一”成套装置，采用双CPU控制，互为备用，能够记录并储存多种信息，运行可靠性高。关于二次绕组中电容器组的控制，真空接触器简单可靠，唯响应时间较长(约45ms)；晶闸管的响应时间甚短(约5ms)，但长期工作可靠性稍差，利用两者联合控制，取长去短，效果最佳。只要配合适当，实现起来并无困难。故此种成套装置问世以来，仅半年时间便有数十套在我国中压电网投入运行，其中分别配有残余电流增量法或零序阻抗增量法微机接地保护，运行情况良好。4.2配合线路综合微机保护我国近年来研制成功的高短路阻抗调感式自动消弧线圈，由晶闸管控制，补偿电流可连续无级调节，调节范围宽，同样可广泛适用于不同结构和大小的补偿电网。此种自动消弧线圈最初是与电流信号注入式微机接地保护配套，来实现故障线路的检出。由于自动巡检式接地保护装置要求在每条馈线上必须装设一个带有编码电路的探测器，价格较贵，增大了总体投资。后经建议，应利用残余电流增量法构成的微机接地保护，取代了线路综合微机保护中的零序过电流接地保护，以便自动检出与清除接地故障线路。4.3利用限压电阻改变残余电流的大小参数增量法微机接地保护除与以上两种随调式的自动消弧线圈配套投入运行外，部分预调式的自动消弧线圈也采用了此种微机接地保护或自动选线装置。例如，自动调匝式消弧线