基于零序CT载波信号注入的配电网单相接地故障定位研究

0引言

配电网运行的安全性和稳定性对提高全网经济效益和保障人民生活水平意义重大。配电网大多数故障为单相接地故障,快速准确定位故障点,可及时处理、排除接地故障,尽快恢复正常供电^[1]。现代配电系统不仅结构复杂,而且地下电缆和架空线路混合,加上分支线路,使得接地故障定位更为困难。

传统的接地故障定位方法主要有阻抗测距法^[2]、S注入法^[3—4]和行波法^[5—7]。阻抗测距法利用阻抗与线路长度的关系确定故障距离,由于接地过渡电阻的存在,定位精度受到影响。S注入法通过向故障馈线注入低频信号实现故障定位,但人工手持探测器进行巡检定位耗时长。行波法需要高采样率的录波装置,配电网拓扑结构复杂使得波头提取困难,配电网故障定位效果不理想。

本文提出一种基于零序CT载波信号注入的中性点不接地配电网单相接地故障定位方法,它直接通过电力线传输载波信号,无须计算,不用人工巡检,直接观察监测点就能确定故障点位置。该方法是在配电网中每隔一段距离安装零序电流互感器,对每个互感器二次侧的零序电流用不同的高频进行调制,高频载波信号通过电力线传输到监测端,将信号进行放大滤波处理,得到零序电流载波信号,利用波形的特殊性对各监测点的零序电流进行相位识别,实现快速准确定位。

1基于零序电流载波的故障定位原理

1.1 故障定位原理

以中性点不接地系统为例,在没有故障时,线路中的零序电流为0,在发生单相接地故障时,各线路的零序电流幅值和相位会发生有规律的变化。因此,提取各监测点零序电流的幅值、相位信息,就能确定故障点的位置。如图1所示,在配电网各出线每隔一段距离安装传统的零序电流互感器,将每个互感器分别注入不同频率的载波信号,其频段为5~100 kHz。

1.2 故障定位判据

假定电网三相线路对地电容参数相等,则系统每相线路对地总电容为C_A0=C_B0=C_C0=C₀ ;故障馈线每相对地电容为C_A0^g=C_B0^g=C_C0^g=C₀^g;非故障馈线共有N条,每相对地电容为C_A0^k=C_B0^k=C_C0^k=C₀^k(k=1,2,3,… ,N)。则有

。

若某条馈线C相线路发生金属性单相接地故障,故障点接地电流I_g*为:

I_g*=jwC_A0U_AC*+jwC_B0U_BC*=—3jwC₀U_C*   (1)

式中:w为角频率;U_AC*、U_BC*为健全相线电压相量;U_C*为故障相相电压相量。

假设第k条馈线总长度为S_k,则非故障馈线距离母线出口x km处的零序电流I_kx*为:

假定故障馈线总长度为S_gkm,距离母线出 口 Y km处发生单相接地故障,则故障点前(变电站侧)馈线长度为ykm,故障点后 (负荷侧)馈线长度为(S_g—Y)km。此时,故障点前距离母线出口xkm处的零序电流I_gx*为:

接地故障点后距离母线出口xkm处的零序电流I_gx*'为:

根据式(1)~(4)可以推导出发生单相接地时零序电流分布图如图2所示,故障馈线单相接地点前(变电站侧)的自然零序电流幅值几乎与整个电网单相接地(零序)电流相等,幅值最高,且随着距离的增加,零序电流逐渐线性增大。相比之下,非故障馈线和故障馈线接地点后端(负载侧)零序电流幅值则要小得多。同时,故障馈线单相接地点前(变电站侧)的自然零序电流相位与非故障馈线、故障馈线接地点后端(负载侧)馈线的零序电流相位相反。

2 高频载波信号的调制与处理

2.1零序电流信号的高频调制

三相地下电缆上零序电流互感器的安装及其配 置如图3所示。

图中高频mos管T₁与二极管D₁反向并联,mos管T₂与二极管D₂反向并联,将它们串联后并至电阻R两端。在T₁和T₂控制栅极施加频率为⨍的高频方波信号P(t)来控制mos管的导通和关断,对电阻R上的电压进行高频调制。当P(t)为高电平,流入正半周零序电流时,T₁和D₂导通,电阻两端被短路;当P(t)为低电平时,开关不导通,此时电阻R两端电压被提取。同理,当流入负半周零序电流时,是T₂和D₁工作。调制过程图如图4所示。

2.2 零序电流信号的处理

载波调制后的信号耦合回互感器一次侧后,通过电力线传输到母线接收端,此时接收到的信号是各个频率的载波信号和工频信号的混合信号,所以首先采用高通滤波器来滤除工频信号,再经过带通滤波器选频,就可以得到各个频率所对应的载波波形。

将设置好的电路用MATLAB软件进行仿真,滤波后的载波信号波形如图5所示。图中分别对5、10、15、20 KHz的频率进行了放大滤波处理,可以看出滤波后的载波信号是一个包络波形,根据前面的故障判据可知,故障点前后两端零序电流的相位相反且幅值变小。

对图1所示的每个监测点进行零序电流载波信号的实时监测,在发生单相接地故障时,故障点前后的零序电流相位发生了180°偏移,且幅值变小。找出这两个频率对应的互感器的位置,即可确定故障区段。

3 系统仿真

3.1 辐射型电缆配电网故障定位的仿真

基于MATLAB建立如图6所示的仿真模型。配电网单相接地电流为I_J=80.0A,故障馈线3总长l₃=11Km,馈线3发生单相接地点在距离变电站出口7 Km 处。各馈线沿线1、3、5、7、9 Km处分别装设载波频率为⨍₁=25KHz、⨍₂=20KHz、⨍₃=15KHz、⨍₄=10KHz、⨍₅=5KHz的零序电流互感器。

当故障发生在7 Km和9 Km之间时,可以看到图7所示的仿真结果显示,故障点前后对应的互感器零序电流信号相反,且⨍₄=10kHz、⨍₅=5kHz零序电流信号幅值突然变得很小。由此可以断定接地故障发生在7 km和9 km之间。

3.2 辐射型架空线配电网故障定位的仿真

架空线模型采用型号为LGJ—185的线路,建立如图8所示仿真模型。

假设故障馈线3总长l₃=10km,沿线 1、3、5、7、9km处分别装设载波频率为⨍1=25kHz、⨍2=20kHz、⨍3=15kHz、⨍4=10kHz、⨍5=5 kHz的零序电流互感器。

假设单相接地故障发生在9.0 km馈线处,故障线路各零序电流载波检测信号波形如图9所示。当故障发生在7 km和9 km之间时,可以看到仿真结果显示,故障点前后对应的互感器零序电流信号相反,且幅值突然变得很小,可以判断故障发生在7km和9km之间。

4结束语

本文提出了一种基于零序CT载波信号注入的配电网故障定位新方法,用于地下电缆和架空线配电网单相接地故障定位。本文首先讨论了零序电流的分布情况,推导出了故障定位的判据;然后分析了零序电流高频调制的原理以及如何实现相位识别功能;接着介绍了接收端的处理和滤波性能;最后通过仿真和实验验证了理论的可行性。

[参考文献]

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2024年第22期第6篇