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博客

区分故障电流和谐波电流的新方法

已有 442 次阅读2015-1-21 10:36 | 关键词: 谐波治理, 无功补偿, 滤波装置, 消谐柜, 电容补偿

目前,几乎所有的继电保护装置,尤其是量度继电器,其阀值的设置都是基于对各电气量,在系统正常运行和故障运行的两种不同运行状态下,存在的差别进行分析,并没有考虑不正常运行状态的运行特性。而在实际系统中,常使用频率测试仪以实现对故障电流、电压和不正常运行状态时的电流、电压的区分。然而,随着电力电子技术的发展,尤其是可控硅技术的应用,使得系统在运行过程中产生大量的谐波,对电力系统构成了严重的危害,尤其是给继电保护等自动化装置的正常运行造成很大的影响。就继电保护本身而言,它区分故障状态和由谐波引起的不正常运行状态的能力很差。可见,如何快速、有效地区分电力系统故障运行状态和不正常运行状态,尤其是短路故障和谐波状态,以实现继电保护装置正确、可靠地动作变得非常重要。

1 系统在不正常运行状态(谐波)和故障运行状态(短路)时的主要特征

1.1 不正常运行状态(谐波)时系统的主要特征

在一个平衡的三相系统中,单频率谐波分量只能是完全正序的,或完全零序的,或完全负序的,这一点可以从相电流的傅里叶级数展开式中看出,并且可以得出下述结果:

•基波以及4次、7次、……谐波是正序的;

•2次、5次、8次、……谐波是负序的;

•3倍数次(3次、6次、9次、……)谐波是零序的。

需要指出的是:

•如果存在谐波,那么即使系统是平衡的,也存在零序和负序电流;

•由于平衡的3倍数次谐波电流是零序的,因此不能流入三角形连接电路中或中性点不接地的星形联结电路中。

1.2 故障运行状态(短路)时系统的主要特征

单相短路接地:假设系统在f点发生a相单相短路接地故障时,其故障时转换为a相电流的各序分量的边界条件为:流过f点处各序电流大小相等,方向相同。

两相相间短路:假设系统在f点发生b、c两相相间短路,则其故障时转换为a相电流的各序分量的边界条件为:流过f点处的零序电流为零;负序分量和正序分量大小相等,且方向相反。

两相接地短路:假设系统在f点发生b、c两相接地短路,则其故障时转换为a相电流各序分量的边界条件为:流过f点的各序电流分量的矢量和为零。

三相短路:假设系统在f点发生a、b、c三相接地短路,则其故障时转换为a相电流各序分量的边界条件为:流过f点的负序电流和零序电流为零,而正序电流与f点处的系统电流大小相等方向相同。

2 区分不正常运行状态(谐波)和故障运行状态(短路)的方法

根据上述分析,可以得出系统运行在不同工况时,回路中相序电流的特征,从而得出图1所示一种可以区分系统不正常运行状态(谐波)和故障运行状态(短路)的方法。

图1 区分系统不正常运行状态(谐波)和故障运行状态(短路)的方法

I1为正序电流;I2为负序电流;I0为零序电流;I为系统电流

3 继电保护性能的改善及计算机仿真

由前述可见,通过比较系统中存在的相序电流,即可达到区分各次谐波及各类短路故障的目的。进一步说,可以将继电保护装置中,测量比较环节和逻辑判断环节中的开关量控制信号,由原来的一个(基波电流或基波电压比较信号)增加为两个,即:

•区分系统正常运行状态和故障运行状态(短路)的开关量信号,即以基波电流为整定参考值的阀值信号;

•区分系统不正常运行状态(谐波)和故障运行状态(短路)的开关量信号,即以各序电流间的相互比较为参考的判断信号。

也就是说,继电保护装置在以下两种情况才会动作:

•系统中发生某种短路故障,且当故障电流超过整定的阀值电流时,保护动作;

•系统由于某种原因存在某次谐波,且当该次谐波的谐波含量超过规定值时,保护动作。

以天津市某大型企业的配电系统为例,图2为天津某公司配电系统的等值电路。

图2 天津钢管有限责任公司配电系统的等值电路

假设,10kV母线出线端的电流保护B1、B2的动作阀值为Iz=1200A,B2为电力电子开关。当B支路在负荷端发生短路故障,该线路电流增加,使得母线电压下降,此时K闭合,无功补偿装置作用补偿母线电压。经计算,由于无功补偿的使用,会给正常运行的系统带来一定的谐波污染,以5次谐波为主

式中L1、L2、L3——支路A、B线路及其负荷的等效感抗;

L0——无功补偿装置的等效感抗;

C——无功补偿装置的等效容抗。

然而,在无功补偿装置补偿母线电压的同时,它所引起的5次谐波使A支路(非故障线路)的电流瞬时增加,计算可得5次谐波作用下,流过A支路的电流最大值为:IAmax=1588.6A>1200A,此时电流保护B1动作,从而扩大了事故的范围。图3为谐波作用下支路A电流和继电保护动作状态仿真图。

图3 谐波作用下的电流和继电保护动作状态仿真图

如果将上述的可区分故障电流和谐波电流的方法运用到此系统中,即如前所述将继电保护装置中,测量比较环节和逻辑判断环节中的开关量控制信号,由原来的一个(基波电流或基波电压比较信号)增加为两个,其逻辑关系如图4所示。

图4 继电保护装置逻辑判断环节的逻辑关系图

假设,10kV母线出线端的电流保护B1、B2的动作阀值仍然为Iz=1200A,K为电力电子开关,此时设置谐波含量的比较值,即当谐波电流占系统电流的比值大于30%时,继电保护跳闸,否则不跳。

继电保护根据是否有谐波导致的电流决定是否动作,且通过此种方法可以得知此次的继电保护跳闸,是由系统中存在的某次的谐波电流含量引起的,而不是由于故障电流导致的。

此种方法的实施,同样不会影响系统某支路仅发生故障时继电保护装置的动作。

将相序分量理论应用到区分电力系统故障运行状态和不正常运行状态中,找出了一种可以正确区分两者,尤其是谐波电流和短路故障电流的方法;

增加继电保护装置的逻辑判断环节中的控制信号,不但没有影响系统中的继电保护装置,而且还可以实现对系统不正常运行状态(谐波)和故障状态(短路)的区别,且仿真结果与理论分析一致。

随着农村经济的发展,用电量的增加,城乡供用电结构的差距进一步缩小。以往农村一台配变的低压侧线路中只装一台剩余电流保护器进行全网总保护的方式,已不适应当前农村用电现状。保护器安装发展为分级保护方式,即在一台总保护之后,增加了以家庭为保护单位的末级保护,形成了两级保护网络,再又针对用电量较大的线路增设了支线,或某一加工场为一分级单位的中级保护,形成目前较为完善的三级保护网络体系。但由于各级剩余电流保护器之间的动作电流、动作时间的控制与配合不理想等种种原因,供电可靠性得不到保障,严重影响正常供用电。因此,从保障安全用电和供电可靠性角度综合考虑,改变以往这种惯用的旧的保护模式是电力发展的趋势。

1 系统接地型式以TN系统为主,大部分支线为TT系统及小部分为TN-C-S系统

目前,我国农村低压电网极大部分是TT系统,辅以一台普通电流型的保护器。20世纪70年代初,常选用交流脉冲型保护器,中期发展为鉴相鉴幅型保护器、20世纪90年代末,又使用普通电流型(但增设了可以自动换档的这一种)作总保护。有些地方又把照明线与动力线分别各安装一台总保护,进行全程线路保护。1998年农网改造以前,末级保护普及率较低,但通过这几年来的农网改造,末级保护普及率得到极大的发展。但是,由于农村家庭内部的线路普遍不规范、且老化,并且没有同时进行改造。因此,末级保护普及率虽高,但实际投运率却不高,这就直接影响了总保护的正常投运。为此,一些经济发达的地区,通过摸索,总结了一套电网安全保护系统改造经验,较为实用、可靠。

我国农村电网20世纪80年代以前,大部分地区系统接地型式,一直都是按TT系统考滤。但是,由于资金短缺,网架结构很不规范,特别是中性(N)线更是谈不上标准化。因此,经常性的断线现象屡见不鲜,加上线路末端电压较低,因此,为了弥补上述的缺陷,进行了N线重复接地。所以实际上的TT系统,已经演变为不规范的TN系统了。20世纪90年代后期,农村也随着改革开放的形势进一步深化,农村生活水平得到提高。农村用电量明显增加,而现阶段使用一般的普通型剩余电流保护器作总保护,就很难正常发挥作用。频繁的跳闸或无法投运,电网系统和保护网络已经到了严重不匹配的程度。

为此通过摸索,总结出一套比较适宜我国农村现状,以及今后发展的电网系统与保护网络配置的设备。

1.1 总保护

经济发达的农村,特别是一些具有城镇化倾向的农村,配变侧低压电网主线路按TN系统。由于这个系统本身就必须安装具有短路和过载功能的断路器。故一般情况下总保护无需增设剩余电流保护功能。

通过几年来的大规模农网改造,主干线路的质量趋向规范。在一般无天灾人祸的情况下,一般不可能直接接触有电线路,因此不会出现击事故。只要辅以技术手段、安装以监视线路的绝缘情况,防止意外事故发生(如倒杆断线、盗线等)的断线保护装置即可。当然也可根据当地的需要,针对那些盗窃低压线路特别猖獗的地区,这种断线保护装置也可以扩大到相关支线。

主线路的保护功能应该是,以确保线路的正常供电为主,对那些直接影响正常供电的故障,如短路、过载、断线现象的出现,采取保护措施。避免了因使用普通电流型剩余电流保护器在线路中稍有漏电时,就频繁的误动作,或因其漏电电流整定值设置无法适应线路实际漏电状况,而造成剩余电流保护器无法投运的后果。

为了增强线路与设备的抗雷击能力,主线路在分支线路的出线处,其N线要设置重复接地,在N线上设立多处重复接地,同样也可以防止N线断线而失去保护的作用,并且降低漏电设备的对地电压,减少电击危险程度。

1.2 中级保护

针对用电量较大的或接近城镇化的村庄,可以增设中级剩余电流保护器。

按照其所匹配的线路功能要求,而进行的分级保护方式,是提高安全用电水平,保证用电可靠性、连续性的最有效方法。多年来农村安装剩余电流保护器的运行经验,证明了无论多完善先进的剩余电流保护器,在变压器低压线路上,只安装一台有兼直接电击保护功能的保护器,都会严重影响用电的连续性。这是保护器在一些线路中投运率低的一个不可忽视的因素。

中级保护是主线路TN系统向各用户单位分配延伸的分支线路。该分支线路采用TT系统较为合理。部分不能连续出现瞬间停电(跳闸现象)的生产加工单位、医院、卫生所、邮电等等可以采用TN-C-S系统。

中级保护所管辖的生活用电以10~30户为佳。当然最主要还是要根据农户房屋的位置、排列。集中型还是分散型,是否有照明、动力混杂的加工场在居民区等等,要因地制宜灵活掌握。

2 三级保护网络是根据农村电网现状而变革的

2.1 主线路

不管主线路改造是否达标,必须设置带短路、过载功能的断路器,并加强完善接地工作。当然上述线路若再配置断线保护装置则更好。但对那些用电量不大,照明、动力已经分开,线路线况并不复杂,中级保护还一时无法跟上的小村庄,容量在50kVA以下的变压器,可增设剩余电流总保护,但是照明线、动力线必须分别安装保护器。当然被保护范围内的线路,将按TT系统的要求来进行,特别要注意,两条被保护线路的中性线、保护线要分别单独出线,不得共用,并且不得重复接地。

2.2 分支线路

整条线路中,分支线路极易出现故障,应该重点防范。该支线保护以控制线路的剩余电流为主,并辅以兼顾人身电击安全的后备保护功能。因此,整条分支线需要实施TT系统,并加装剩余电流保护器,根据TN系统要求,主线路与分支线路在主线路线交接出线处,需要进行重复接地(若此条分支线路采用TN-C-S保护系统,可在出线处安装带短路、过载功能的断路器作线路中级保护)。但在分支线路实施TT系统的N线不得进行重复接地。

2.3 末端线路

是各用电户的用电线路,这是农网改造的死角,也是线路最差、安全系数最低、故障高发的地方、目前末级保护一般采用电流型的剩余电流保护器,其电流动作值为30mA,动作时间为无延时型。这里特别指出,同一用电户(末级保护)内不能部分采用接N线,而另一部分采用PE线接地,只能选择一种保护方式。

在TT系统(中级保护)中设置末级保护;有条件的用电户,如新建、新装修的房屋、在用电安全保护方面,同时增设保护接地要可靠、安全。但是,针对一些老宅房屋,由于受条件的限制,用户自己很难解决接地问题。因此,从目前农村居民住宅的实际情况来看,针对屋内线路短路、电器设备外壳带电等故障现象,采用N线保护还是比较切合实际的举措。接N线保护时,可将插座上的端子,用一根导线连接到N线上。同时,必须接到家保前端的N线上,也就是保护器的电源侧。这就是形成TN-C-S系统了。

现提出的保护系统,就是顺应形势的需求而衍生的一种变通型的三级保护网络系统,与传统概念上的三级保护网络有一定的不同。当然这种保护网络系统,也符合国标GB 14050-93《系统接地的形式及安全技术要求》,以及GB 13955-2005《剩余电流动作保护装置安装和运行》中的规定。


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