10 kV配电网架空出线零序电流过滤器的特性-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

(1.华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室,北京102206;2.国家电网公司,北京100031;3.中国电力科学研究院,北京100085;4.中国核电工程有限公司,北京100840)
    摘　要：10 kV配电网架空出线通常只安装有两相电流互感器,为获取出线的零序电流,可以在出线空缺相增设1只电流互感器,与另外两相电流互感器组成零序电流过滤器。零序电流过滤器输出特性对出线零序电流的测量至关重要,因此对零序电流过滤器的特性进行了理论分析,搭建了一套零序电流过滤器的试验回路,设计并实施了多项相关试验对零序电流过滤器的输出特性进行试验研究,并在现场进行了应用研究工作。结果表明:零序电流过滤器误差产生的主要原因是构成零序电流过滤器的3只单相电流互感器的铁心饱和特性不同,为最大限度的降低零序电流的测量误差,构成零序电流过滤器的3只电流互感器的额定参数需尽量一致;在变电站出线为架空出线的情况下,用3只额定参数相同的单相电流互感器组成的零序电流过滤器可以从出线中提取出零序电流,幅值误差和相角误差都比较小,可以应用到以零序电流为判据的故障选线装置中;已用于现场实践的零序电流过滤器经过多年的运行,设备运行正常,选线装置选线结果准确可靠,验证了零序电流过滤器的可行性。上述结论可以为利用零序电流过滤器进行10 kV配电网架空出线的单相接地故障选线提供依据。
    关键词：10 kV配电网;架空出线;零序电流;电流互感器;零序电流过滤器;故障选线
    中图分类号：TM726; TM644    文献标志码：A    文章编号：1003-6520(2009)11-2832-07
    0　引言
    为提高配电网的供电可靠性,在电网发生单相接地故障后需要快速准确的检测出故障线路,以减少接地故障对供电的影响[1-4]。零序分量故障选线方法以电网的零序电压、零序电流的特征为判据进行故障选线,原理简单,适用性强,可以在中性点非有效接地系统中推广应用[5-11]。
    但长期以来10 kV配电网在配置设备时,为节省投资,架空出线只安装两相电流互感器,装设零序电流互感器或三相电流互感器的比例相对较小[12],无法直接获得出线的零序电流,限制了各种零序分量故障选线方法的应用。虽然目前国内已经开展利用两相电流进行单相接地故障选线的研究,但具体装置的应用研究尚未见报道,理论研究也仅处于探索阶段[13,14]。为解决上述问题,较为简便、经济和可靠的方法是对变电站的出线电流互感器进行改造,在各出线空缺相增设1只电流互感器,与另外两相电流互感器组成零序电流过滤器[15],以获取各条出线的零序电流。
    零序电流过滤器的输出特性对于零序电流的测量至关重要,但是目前既有文献还没有开展零序电流过滤器输出特性的分析研究、试验研究和应用研究等工作,对于零序电流过滤器误差产生的原因、影响因素还不明晰。零序电流过滤器的输出特性是配电网架空出线零序电流测量的关键,也是亟待解决的问题。因此本文对零序电流过滤器的特性进行了理论分析,搭建了一套零序电流过滤器的试验回路,设计并实施了多项相关试验对零序电流过滤器的特性进行试验研究,并在现场进行了应用研究工作,从而为利用零序电流过滤器进行架空出线的单相接地故障选线提供依据。
    1　零序电流过滤器的特性分析
    1.1　零序电流过滤器的等值电路
    零序电流过滤器的构成如下:将三相线路中的3只电流互感器二次回路的极性端连接起来,同时把非极性端也连接起来,然后再与负载相连接,其原理接线图如图1所示。 
    由图1可知,此时流入零序测量回路的电流
    
    对于三相对称的正序电流或负序电流,该零序电流过滤器的输出电流为0,当线路中流过三相不对称的电流时,零序电流过滤器的输出为线路的零序电流分量,即IJ=3I0。由此可知,这种零序电流过滤器的输出电流实际上就是电流互感器星型接线中的中线电流。
              
    图2所示为电流互感器的等效电路,设该电流互感器的变比为K,等效阻抗为Zl,考虑铁心励磁电流Ilc的影响后,二次电流和一次电流的关系应为：
     
    因此,采用3只电流互感器构成的零序电流过滤器的等效电路可用图3来表示,此时零序电流过滤器的输出电流：
    
    1.2　零序电流过滤器的误差
    在电网正常运行时,由于电路的对称性,3个电流互感器一次侧电流的相量和必然为0,即IA+IB+IC=0,因此,根据式(3),零序电流过滤器的输出电流：
    
    式中,Ibp称为零序电流过滤器的不平衡电流,它是由3个电流互感器励磁电流不完全相等而产生的,而励磁电流的不等,则是由铁心饱和特性的差异以及制造过程中的差异引起的。当电网发生接地短路故障时,电流互感器的一次电流较大,并且含有大量的非周期分量,从而使铁心的饱和程度加剧,导致零序电流过滤器的不平衡电流也较大。
    因此,零序电流过滤器误差产生的主要原因是构成零序电流过滤器的3只电流互感器铁心饱和特性的不同,从而导致了不平衡电流Ibp的产生。因此,为最大限度的减小不平衡电流,构成零序电流过滤器的3只电流互感器的额定参数应一致[16]。
    2·零序电流过滤器特性的试验研究
    为研究零序电流过滤器的相关特性,本文以3只额定参数相同的单相电流互感器为试品,设计并进行了多项相关试验,具体包括电流互感器的测量误差测定试验、零序电流过滤器不平衡电流的测量试验、零序电流过滤器叠加小电流的测量试验以及小电流下零序电流的测量试验4项。
    2.1　试验回路及试品
    本文所搭建的试验回路由升流装置、测量装置、被试电流互感器、试验电源、大功率负载以及相应的附件组成。升流装置采用SLQ-2000型升流器,输出电流范围为0~2000 A;测量装置采用DF1024波形记录分析系统和DL1540型数字示波器,进行试验波形的记录与分析;被试电流互感器为3只额定参数相同的10 kV LA1-10Q型单相电流互感器。为便于区分,本文把所要研究的3只电流互感器依次命名为“A相电流互感器”、“B相电流互感器”和“C相电流互感器”,在进行电流互感器的各项试验以前,必须先对电流互感器进行退磁[17]。
    2.2　电流互感器的测量误差测定试验
    单只电流互感器对一次电流测量的准确度直接关系到零序电流过滤器能否正确的获取出线的零序电流,因此首先进行检验电流互感器准确度的测量误差测定试验。
             
    按照图4所示进行接线,TA1和TA2为电压输出型精密电流互感器,其二次输出端分别接至数字示波器,检查接线无误后合闸供电。缓慢调节升流器的输出电流,使得被测电流互感器TA的一次电流I1由10 A增加到400 A,记录各组一、二次电流幅值和二者的相角差,计算每只电流互感器的比差和角差,并根据试验数据做出比差和角差随一次电流变化的曲线。
    本试验中所测得的3只电流互感器的比差f曲线如图5,角差均为0°。3只电流互感器的误差曲线虽然略微有所差别,但是几乎一致,由此可以推知这3只额定参数相同的电流互感器的励磁曲线也差别不大。因此从理论上来说,由它们组成的零序电流过滤器的误差应当较小,符合工程实际的要求。
    2.3　零序电流过滤器不平衡电流的等效测量试验
    根据本文对零序电流过滤器误差产生原因的分析,可知零序电流过滤器不平衡电流的大小直接影响到零序电流过滤器误差的大小,虽然根据第2.2节的试验结果从理论上可以推知,由额定参数相同、励磁特性相近的3只单相电流互感器组成零序电流过滤器的不平衡电流应当比较小,但是尚未进行试验验证。因此,为了验证该推论的正确性并研究该不平衡电流的幅值和相角与一次电流的关系,本文进行了零序电流过滤器不平衡电流的测量试验。通过对零序电流过滤器误差产生原因的分析可知,在试验中最好能用一台三相升流器作为电源对零序电流过滤器的不平衡电流进行测试,但是由于试验条件的限制,未能找到合适的三相升流器,因此只能用一台单相升流来完成本项试验。本文所设计的该项试验的接线图如图6所示。
             
    由图6可以看出,若3只电流互感器的特性完全一致,在图6(b)中3只互感器二次侧的电流自成回路,TA2中没有电流流过,但是如果这3只电流互感器的特性存在差异,则在图6(b)中3只电流互感器二次侧的电流不能自成回路,必然会有电流Ip流过TA2,并且这3只互感器的特性差异越大,该电流也越大,这与零序电流过滤器的不平衡电流随各只单相电流互感器特性差异的变化趋势是一致的,因此,该电流在一定程度上可以等效为零序电流过滤器的不平衡电流,所以称之为等效不平衡电流。可以用研究该等效不平衡电流与一次电流的关系,等效的研究零序电流过滤器的不平衡电流与一次侧电流的关系。
    按照图6所示进行接线,互感器二次侧的同名端要反接,TA1和TA2为电压输出型精密电流互感器,其输出端分别接至DL1540型数字示波器,检查接线无误后合闸供电。匀速调节升流器的输出电流,一次电流按从20 A增加到400 A,依次记录各组不平衡电流的幅值Ipm及相角θ,其中相角差由DL1540型数字示波器记录的时间差经计算得到。
    为了充分研究该不等效平衡电流与一次电流的关系,本文将3只电流互感器的位置进行轮换,即分别将B、C分别与A交换位置,为了以示区分,这3种接法分别命名为“A相互感器在上”、“B相互感器在上”、“C相互感器在上”。本试验中所测得的不平衡电流的幅值Ipm和相位θ随一次电流I1变化的关系曲线如图7、8所示。
    根据图7、8可以看出,不论3只电流互感器的相对位置如何变化,零序电流过滤器的等效不平衡电流随着一次电流的增大而增大,但最大值仅为5·42 mA,可以忽略不计;相位几乎不变,相位随一次电流变化的最大变化值为5.4°。因此可以得知,由这3只额定参数相同的电流互感器组成的零序电流过滤器,其不平衡电流很小,所以由其进行零序电流测量的误差很小,可以忽略不计。
    2.4　电流互感器的叠加小电流试验
    在中性点经非有效接地系统中,因为发生单相接地故障时电网的线电压仍然对称,所以并不影响电网对负荷的供电,通常允许其带故障继续运行一段时间,并且由于中性点的限流作用使得故障点的故障电流比较小,因此对于各个出线电流互感器来说,在电网发生单相接地故障后的一段时间内,相当于在互感器的一次侧继续通过一个大的负荷电流的基础上再叠加一个相对较小的接地电流。那么,零序电流过滤器能否在一次侧继续通过大电流的情况下准确的反映出附加小电流的大小与方向,便成了零序电流过滤器能否准确测量电网出线零序电流的前提条件。基于上述原因,本文设计并进行了叠加小电流的试验。
    按照图9所示进行接线,特别注意一次侧电流与小电流的相对方向。图9中,I1为模拟电网各条出线负荷电流的一次侧电流,由升流器产生,根据某一10 kV变电站的现场运行数据,其出线的负荷电流一般为50~160 A,因此为使本项试验更接近实际现场工况,本文取I1的大小分别取为52 A和153A;I为模拟电网发生单相接地故障时的故障电流,由单相接触式调压器配合一大功率电阻R产生,本文取I3的大小为5 A和2 A,图9中标注的的方向为参考方向,与该参考方向一致时为“+”,相反时为“-”。
    TA1用于测量一次侧电流I1的幅值和相角;TA3用于测量小电流回路电流I3的幅值和相角;TA2用于测量被测电流互感器的二次侧电流I2的幅值和相角。TA1、TA2、TA3的二次输出端分别接至DF1024波形记录分析系统的电流输入通道。检查接线无误后合闸供电。缓慢调节升流器的输出电流,使一次电流I1分别为153 A和52 A,小电流I3分别为5 A和2 A。小电流I3在电流互感器的一次侧流过负荷电流I1时突然加入,并且通过改变接触式调压器输入电源的方向来改变I3的方向,依次记录各组被测互感器二次侧测量值的幅值I2m、小电流I3相对于I1的相角αI3、被测互感器二次侧测量值I2相对于I1的相角αI2等。
    根据试验数据可以看出,在进行小电流叠加试验时,电流互感器的幅值误差和相角误差都很小,其中幅值误差的最大值为-0.6%,相角误差的最大值为-11.2%,相比较之下相角误差稍微大一些,但足以满足工程实际的需要,因此可以得知在被测电流互感器一次侧通过大电流的情况下突然对其施加一个小的阻性电流I3时,互感器在该种工况下能正确感知该小电流的存在。
    2.5　零序电流过滤器在小电流情况下的测量试验零序电流过滤器在小电流(10 A)的情况下能否准确的反映出电网的零序电流,也需要进行物理试验的验证,因此本文对零序电流过滤器在小电流情况下的可行性进行了试验研究。
    在进行本项试验前,首先分别对电流互感器进行退磁,试验电源选择一台容量为20 kV的三相调压器,数据的测量与记录选用DF1024波形记录分析系统,其中被测量的幅值和相角由DF1024直接读出,试验接线原理图如图10所示,共计进行了以下5项小电流下的可行性试验。
             
    1)对称负载时零序电流的测量
    试验接线原理图如图10所示,其中UA、UB、UC为三相对称电源,ZA、ZB、ZC为三相基本对称的纯阻性负载,ZA=24.20Ω,ZB=23.32Ω,ZC=24.04Ω,相电压为140.4 V,试验结果如表1所示,其中理论值由原理图计算得出,IAm为A相一次电流IA的幅值,IBm为B相一次电流IB的幅值,ICm为C相一次电流IC的幅值,I0m为零序电流I0的幅值,α为零序电流I0与A相电压UA的相角差,以下同。
    2)一相断线时零序电流的测量
    试验接线原理图如图10所示,其中UA、UB、UC为三相对称电源,C相负载开路,ZA、ZB为纯阻性负载,ZA=24.20Ω,ZB=23.32Ω,相电压为142.1V,试验结果如表2所示。
    3)两相断线时零序电流的测量
    试验接线原理图如图10所示,其中UA、UB、UC为三相对称电源,B、C相两相负载开路,ZA为纯阻性负载,ZA=24.20Ω,相电压为146.1 V,试验结果如表3所示。
               
    4)三相负载不对称时零序电流的测量 
    试验接线原理图如图10所示,其中UA、UB、UC为三相对称电源,A相负载为感性负载,ZA=(24·20+j14·13)Ω,B相为纯阻性负载,ZB=23.32Ω,C相开路,相电压为134.5 V,试验结果如表4所示。
    5)在小电流情况下线性度检查的试验
    试验接线原理图与参数选择与2)“一相断线时零序电流的测量”相同,A相电压由50 V逐步升至160 V,依次测量并记录试验过程中零序电流过滤器的输出电流幅值,理论值由原理图计算得出,然后分析零序电流过滤器输出电流的线性度。试验结果如图11所示。
              
    在上述5项试验中,幅值误差最大值为1·78%,相角误差最大值为5.46%,并且零序电流过滤器的输出电流随着输入电流的变化呈现较好的线性趋势,因此由3只额定参数相同的单相电流互感器组成的零序电流过滤器可以准确获取<10 A的零序电流。
    综合上述试验结果,可见用3只额定参数相同的单相电流互感器组成的零序电流过滤器可以从出线中提取出零序电流,幅值误差和相角误差都较小,测量准确可靠,符合工程实际的要求。 
    3·应用情况
    分别在河北张家口柴沟堡110 kV变电所和陕西商洛丹凤110 kV变电所对10 kV架空出线开关柜内电流互感器进行改造,增设一只同型号的电流互感器,与另外两相电流互感器组成零序电流过滤器输出零序电流,以供单相接地故障选线装置使用。经过3年多的运行,设备运行正常,选线装置选线结果准确可靠,从而验证了零序电流过滤器的可行性。
    4　结论
    a)零序电流过滤器误差产生的主要原因是构成零序电流过滤器的3只单相电流互感器的铁心饱和特性的不同。因此,为最大限度的减小不平衡电流,降低零序电流的测量误差,构成零序电流过滤器的3只电流互感器的额定参数需一致。
    b)在变电站的出线为架空出线的情况下,用3只额定参数相同的单相电流互感器组成的零序电流过滤器可以从出线中提取出零序电流,幅值误差和相角误差都比较小,可以应用到以零序电流为判据的故障选线装置中。
    c)已用于现场实践的零序电流过滤器经过年多的运行,设备运行正常,选线装置选线结果准确可靠,验证了零序电流过滤器的可行性。
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