中性点不接地系统铁磁谐振与单相接地辨识技术

研制与开发
齐
郑, 等
中性点不接地系统铁磁谐振与单相接地辨识技术
2 | E A | , 且 U 0 与 E A 反相 , 如图 4( a) 所示。如果 B, C 两相饱和程度不相同, 则 U0 相量的起点 N 应 在图 4( a) 所示的虚线区域内。此时正常相电压降 低、 饱和两相电压升高。该情况能够维持谐振状态。
图 2 一相 、 两相轻度饱和时电压相量 Fig. 2 Voltage phasor of light saturation of one phase or two phases
2. 2 两相轻度饱和 此时有两相发生饱和 , 饱和相导纳依然为容性。 设 B, C 相为饱和相 , 首先假设两相饱和程度相同 , 其导纳支路用等值电容 C X 表示 ; A 相为非饱和相 , 其导纳支路用等值电容 C 表示, 由式 ( 1) 得 中性点 位移电压为: U0 = E A ( C - CX ) C + 2C X ( 3)
第 34 卷 第 1 期 2010 年 1 月 10 日
Vo l. 34 N o. 1 Jan. 10, 2010
中性点不接地系统铁磁谐振与单相接地辨识技术
齐 郑1 , 董 迪2 , 杨以涵1
( 1. 华北电力大学电气与电子工程学 院 , 北京市 102206; 2. 河南省电力勘测设计院 , 河南省郑州市 450007)
收稿日期 : 2009 05 05; 修回日期 : 2009 09 14 。 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 ( 863 计 划 ) 资 助 项 目 ( 2009A A12Z328) 。
装置的动作可靠性 , 满足实用要求。
1 电压互感器铁磁谐振机理
对于中性点不 接地系统 , 母线上通常接 有 Y0 接线的电磁式电压互感器 , 由于电压互感器具有饱 和特性 , 当系统受到冲击使电压互感器电感饱和时, 电感参数与电网对地电容参数匹配, 将发生铁磁谐 振 , 使中性点产生长时间的较高位移电压。由于电 压互感器电感 可能在不同的频率下与 电容发生谐 振 , 因此谐振频率不唯一, 具体包括基频谐振、 倍频 [ 2 6] 谐振和分频谐振 。 由于现在的微机型装置很容易对零序电压进行 频谱分析, 因此通过分析零序电压的频率就可以辨 识倍频谐振和分频谐振。但是由于基频谐振产生的 零序电压为工频 50 H z, 因此仅分析零序电压无法 辨识基频谐振。本文重点研究基频铁磁谐振的特征 及辨识技术。
统对地电容, E 为电源相电势。中性点电压随故障 电阻变化的相量轨迹图如图 5 所示 , 故障后中性点 电压相量的起点在以接地相电压相量为直径的半圆 周上。
0 引言
中国 3 kV~ 35 kV 配电网很多采用中 性点不 接地方式 , 中性点不接地系统发生单相接地故障后 , 必须尽快查明故障线路并予以切除。经过多年的研 究, 目前已研究出许多故障选线方法并开发出多种 型号的故障选线装置, 这些选线装置的一个共同特 征就是依靠零序电压和零序电流超过设定阈值进行 启动。在实际运行中, 中性点不接地系统在发生铁 磁谐振情况下将出现零序电压长时间升高的现象 , 系统将出现幅值较高的零序电压和零序电流, 与单 相接地故障极为相似。此时传统选线装置容易发生 误动 , 按单相接地故障进行选线处理, 给运行人员带 来错误结论。如果选线装置与跳闸回路相连接 , 有 可能断开正常运行的线路 , 造成事故扩大。 文献 [ 1] 提出利用分形理论分析暂态信号来辨 识铁磁谐振, 该方法的不足之处在于铁磁谐振往往 由短时单相接地引发, 过渡过程的暂态信号难以准 确获得。文献 [ 2 6] 重点分析了铁磁谐振的产生机 理, 文献[ 7 10] 分析 了如何抑制铁磁谐振 , 但是都 没有分析如何区分铁磁谐振和单相接地故障。 本文经过理论研究, 重点分析基频铁磁谐振的 故障特征 , 详细对比铁磁谐振与单相接地故障情况 下三相电压及零序电压之间的差异 , 并在此基础上 提出了基于零序电压和三相电压综合对比的辨识技 术。该方法设计简单 , 适用性强。通过现场实际运 行数据对该方法进行了验证, 表明该方法能够有效 辨识绝大多数铁磁谐振情况, 提高小电流接地选线
摘要 : 中性点不接地系统在电压互感器铁磁谐振的情况下可能出现零序电压长时间升高的现象, 与单相接地故障现象类似 。传统选线装置仅依靠零序电压和零序电流启动 , 不能有效辨识铁磁谐 振, 容易造成误动。 重点分析了基频铁磁谐振的特征, 详细对比了铁磁谐振与单相接地故障情况下 三相电压及零序电压之间的差异, 并在此基础上提出了基于零序电压和三相电压综合对比的铁磁 谐振辨识技术。 通过现场实际运行数据对该方法进行了验证 , 表明该方法能够有效提高选线装置 的动作可靠性, 满足实用要求 。 关键词: 中性点不接地系统 ; 铁磁谐振; 单相接地故障 ; 基频谐振
U0 = -
E A ( C X - C) CX + 2 C
( 2)
由 于 CX < C , 因 此由 式 ( 2) 可 知 | U 0 | ! | E A | / 2 , 且 U 0 与 E A 同相, 如图 2( a) 所示。如果 考虑到系统电阻的影响, 则 U0 相量的起点 N 应在 图 2( a) 所示的虚线区域内。此时饱和相电压升高 , 正常两相电压降低。
3 铁磁谐振辨识技术
3 1 单相接地故障特征 在中性点不接地电网, 单相接地时中性点电压 为 U0 = E , 式中 R d 为接地电阻, C 0 为系 1+ j R d C 0
3 2 铁磁谐振的辨识判据 对比图 2、 图 3、 图 4 所示的铁磁谐振电压相量 和图 5 所示的单相接地电压相量可以发现 , 单相接 地故障时中性点电压相量的起点位于以接地相电压 相量为直径的半圆周上 , 而电压互感器基频铁磁谐 振时, 多数情况与单相接地故障存在明显差异。 在系统线电压对称的前提下, 判断系统发生基 频铁磁谐振而非单相接地故障的判据如下 : 1) 如果三相电压都升高 , 则判断发生铁磁谐振, 对应图 3( c) , ( d) 和图 4( c) , ( d) 的情况。 2) 某相电压降低 , 其余两相电压升高超过线电 压 , 则判断发生铁磁谐振, 对应图 4( a) 的情况。 3) 某相电压升高但不等于额定电压的 1 5 倍, 且与零序电压同相 , 其余两相电压降低并相等, 则判 断发生铁磁谐振, 对应图 2( a) 和图 3( b) 的情况。 4) 某相电压降低但不等于 0, 且与零序电压反 相 , 其余两相电压升高并相等 , 则判断 发生铁磁谐 振 , 对应图 2( b) 的情况。 3 3 无法有效辨识的情况 对于以下几种情况 , 由于铁磁谐振与单相接地 的相电压情况类似 , 上述判据将无法辨识 , 必须依靠 其他的物理量进行识别。 1) 图 2( a) 的情况中 , 如果 A 相电压升高到额定 电压的 1 5 倍, 与 B 相经电阻接地的现象相同。 2) 图 2( b) 的情况中, 如果 A 相电压降低等于 0, 其余两相电压升高等于线电压, 与 A 相金属性接 地的现象相同。 3) 图 2( a) , ( b) 和图 3( b) 的情况中, 如果受系统 阻尼的影响或 者两相电压互感器的饱 和程度不一 致 , 零序电压起点 N 在虚线范围内移动, 可能与经 电阻接地的现象相同。 3 4 辨识软件设计 根据以上分析, 设计铁磁谐振辨识软件流程如 图 6 所示。
2010, 34( 1)
C0 为电网各相对地电容。可知中性点电压为 :
A A B B C C U0 = - E Y + E Y + E Y ( 1) YA + Y B + Y C 式中 : Y A , YB , YC 为各相的等值导纳。 当电压互感 器发 生基 频铁 磁谐 振时 , 有如 下 4 种饱和的情况。 2. 1 一相轻度饱和 此时饱和相的电抗值减小 , 但该相的等值导纳 依然为容性。设 B, C 相为非饱和相, 其导纳支路用 等值电容 C 表示; A 相为饱和相, 其导纳支 路用等 值电容 CX 表示 , 由式 ( 1) 得中性点位移电压为 :
EA U0 = -
1 + L
C ( 4)
1 - 2 C L 分析式 ( 4) 包含如下 3 种情况:
1) 当 1 / ( L ) ∀ 5 C 时 , | E A | < | U0 | ! 2 | E A | , 且 U0 与 E A 反相, 如图 3( a) 所示, 此时饱 和相电压降低、 正常两相电压升高。但是饱和相电 压降低将不足以维持谐振状态的持续, 因此该情况 不会发生。 2) 当 1/ ( L ) ! C / 2 时 , | E A | / 2 < | U0 | ! | E A | , 且 U0 与 E A 同相, 如图 3( b) 所示。如果考 虑到系统电阻的影响, 则 U 0 相量的起点 N 应在图 3( b) 所示的虚线区域内。此时饱和相电压升高、 正 常两相电压降低。该情况能够维持谐振状态。
Fig.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ4
图 4 两相严重饱和时的电压相量 Voltage phasor of serious saturation of two phases
2) 当 1/ ( L ) ∀ 2 C 时, | E A | / 2 < | U0 | ! | E A | , 且 U 0 与 E A 同相 , 如图 4( b) 所示。此时正 常相电压升高、 饱和两相电压降低。但是饱和相电 压降低将不足以维持谐振状态的持续, 因此该情况 不会发生。 3) C/ 5 < 1/ ( L ) < C/ 2 或 者 C/ 2 < 1/ ( L ) < 2 C 时 三相 电 压都 会 升高 , 如图 4( c) 、 4( d) 所示 , 该情况能够维持谐振状态。 综上所述, 图 4( a) , ( c) , ( d) 所示的情况能够出 现。
图 3 一相严重饱和时电压相量 Fig. 3 Voltage phasor of serious saturation of one phase