CN100418282C - 配电网单相接地故障保护方法 - Google Patents

Abstract

配电网接地故障保护方法，步骤为：1.在线监测配电系统的零序电压和相电压，在线监测馈线三相电流；2.零序电压大于整定值则判定系统故障，启动保护判断；3.计算故障发生前后各馈线的三相电流采样值变化量，计算相电流采样值变化量相间差；4.在故障后的一段时间内，对相电流采样值变化量相间差的绝对值与整定值进行比较，大于整定值的采样点数超过一定比例，就判定该线路发生接地故障。本发明方法适用于中性点非有效接地配电网及发电机的单相接地保护，能保护弧光接地故障和20kΩ以下故障电阻的高阻故障，具有较高的保护精度和可靠性，且适合在配电自动化现场终端单元FTU上实现。

Description

配电网单相接地故障保护方法

技术领域

本发明涉及配电网继电保护技术，特别是中性点不直接接地配电网及发电机的单相接地故障保护。

背景技术

我国配电网大多采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式。配电网单相接地故障时，产生过电压，如不及时清除，可能引发电缆爆炸及其他故障，影响电力系统安全和电能质量。配电网中传统的逐条出线试探性拉闸寻找故障线路的方法，浪费人力物力，早已不能适应电力系统自动化发展的需求。

由于配电网单相接地故障电流小、弧光造成的接地过程不稳定等原因，单相接地故障保护问题一直难以彻底解决。国内外已经提出的单相接地保护方法有零序过流、零序无功方向、零序五次谐波无功方向、群体比幅、群体比相等。这些方法大多利用了故障时产生的稳态电流信号，由于稳态电流幅值较小，使得基于幅值比较的稳态保护选线精度低，基于相位比较的稳态保护因“时针效应”而易误动，故现有基于稳态电流信号的保护方法精度和可靠性有限。申请号94106374.7的发明专利“小电流系统单相接地保护方法及装置”主要特征是快速比较出零序谐波无功最大的线路判定为接地线路。该采用零序谐波无功比较的接地保护方法受接地故障特性、系统参数等影响较大，要求测量装置精度高，工业现场实现困难。申请号00114452.9的发明专利“小电流接地系统接地保护方法”提出了计算各馈线负序电流变化量，根据负序电流的大小、方向或能量函数判断线路故障的方法。基于负序电流变化量的接地保护方法灵敏度较高，但易受到负荷变化的影响。申请号200310117359.9名称为“小电流接地系统单相接地的故障选线方法”发明专利申请公开了比较各出线的暂态电流行波，其中幅值最大、极性与其他线路相反的线路为故障线路的方法，该方法需要测量行波波头瞬态变化信号的大小和极性，装置实现困难。申请号00126787.6名称为“小电流接地系统单相接地保护方法”发明专利申请公开了一种利用任意两相电流的工频变化量的差值与另外一相电流的工频变化量(或一个定值)进行比较，构成小电流接地系统的单相接地保护，该方法采用稳态量进行计算，对弧光接地故障的保护能力差。现有的小电流接地系统的接地保护方法的精度和运行可靠性有限，大部分接地保护方法需要对各条出线测量量比较，难以在配电自动化的现场终端单元FTU上实现，不利于在配电自动化中应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小电流接地系统接地保护方法，主要通过测量计算系统的零序电压和各馈线相电流采样值变化量的相间差值来实现，能够消除系统震荡的影响，具有抗弧光能力强、保护精度和可靠性高等特点，并便于在现场终端单元FTU上实现，满足配电自动化的要求。

在测量计算系统的零序电压和各馈线的相电流采样值变化量的相间差值进行接地保护这一总的技术构思下，建立本发明技术方案。该方案包括如下步骤：

(1)在线监测配电系统的零序电压和相电压，在线监测馈线的相电流；对零序电压、相电压和相电流进行离散AD采样；

(2)连续计算零序电压有效值，当大于电压整定值时，判定系统发生接地故障，启动保护判断；零序电压突变时刻为故障发生时刻，相电压最低的相为故障相；电压整定值取值范围为5％～30％相电压值，通常取10％相电压；

(3)计算配电网发生接地故障前后各馈线的三相电流采样值变化量，计算相电流采样值变化量相间差；

(4)在故障后的一段时间内(取值范围为5ms～40ms，通常取10ms)，对相电流采样值相间差的绝对值与整定值进行比较，大于整定值的采样点数超过一定比例，就判定该线路发生接地故障；其中整定值取配电网需要检测的最高过渡电阻接地故障的故障电流乘以一小于1的灵敏系数，最高过渡电阻的取值范围为5kΩ～40kΩ，通常取20kΩ，灵敏系数通常取0.8；其中比例的取值与过渡电阻的取值相关，取值范围为30％～70％，通常取50％。

以下对本发明做出进一步说明。

本发明上述技术方案的步骤(3)中，相电流采样值变化量相间差可以通过两种方式进行计算，一种方式为故障相电流采样值变化量与任一非故障相电流采样值变化量的差值；另一种方式为故障相电流采样值变化量与另外两非故障相电流采样值变化量平均值的差值。公式表示如下：

故障后，第一工频周波第j采样点的三相电流采样值变化量为：

Δi_A(j)＝i_A(j)-i_A(j-N)

Δi_B(j)＝i_B(j)-i_B(j-N)

Δi_C(j)＝i_C(j)-i_C(j-N)

上式中N为微机保护每工频周期的采样点数。故障后，第二工频周波第k采样点的三相电流采样值变化量为：

Δi_A(k)＝i_A(k)-i_A(k-2N)

Δi_B(k)＝i_B(k)-i_B(k-2N)

Δi_C(k)＝i_C(k)-i_C(k-2N)

计算任意两相电流采样值变化量的差值，第j个采样点的AB相间差电流i_AB(j)：

i_AB(j)＝Δi_A(j)-Δi_B(j)

第j个采样点的BC相间差电流i_BC(j)

i_BC(j)＝Δi_B(j)-Δi_C(j)

第j个采样点的CA相间差电流i_CA(j)

i_CA(j)＝Δi_C(j)-Δi_A(j)

设A相故障，相间电流变化量采样值差可以计算为：i_AB(j)或-i_CA(j)，也可以计算为故障相电流采样值变化量与另外两非故障相电流采样值变化量平均值的差值：

i_ABC(j)＝Δi_A(j)-0.5(Δi_B(j)+Δi_C(j))

下面对上述配电网相电流采样值相间差动保护方法进行详细描述和论证。

小电流接地系统正常运行如图1所示，三相电压分别为e_A、e_B、e_C，三相完全对称；中性点位移电压为u₀＝0；以线路I为例，每相对地电容为c₁，流过线路始端的三相电流分别为i_AI、i_BI、i_CI；各相对地电容电流分别为i_CSI、i_CBI、i_CCI；流过各相的线路负荷电流分别为i_LAI、i_LBI、i_LCI。有：

$i_{\mathrm{AI}}=i_{\mathrm{CAI}}+i_{\mathrm{LAI}}=c_1\frac{d(e_A+u_0)}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{LAI}}$

$i_{\mathrm{BI}}=i_{\mathrm{CBI}}+i_{\mathrm{LBI}}=c_1\frac{d(e_B+u_0)}{\mathrm{dt}}+i_{\mathrm{LBI}}$

$i_{\mathrm{CI}}=i_{\mathrm{CCI}}+i_{\mathrm{LCI}}=c_1\frac{d(e_C+u_0)}{\mathrm{dt}}+i_{\mathrm{LCI}}$

线路II，每相对地电容为c₂，有：

$i_{\mathrm{AII}}=i_{\mathrm{CAII}}+i_{\mathrm{LAII}}=c_2\frac{d(e_A+u_0)}{\mathrm{dt}}+i_{\mathrm{LAII}}$

$i_{\mathrm{BII}}=i_{\mathrm{CBII}}+i_{\mathrm{LBII}}=c_2\frac{d(e_B+u_0)}{\mathrm{dt}}+i_{\mathrm{LBII}}$

$i_{\mathrm{CII}}=i_{\mathrm{CCII}}+i_{\mathrm{LCII}}=c_2\frac{d(e_C+u_0)}{\mathrm{dt}}+i_{\mathrm{LCII}}$

当系统发生单相(例如A相)接地故障时，如图2所示，故障电流为i_f，三相线电压仍然保持对称，但每相对地电压发生变化；中性点位移电压从u₀变为u′₀，不再等于0；仍以线路I为例，流过线路始端的三相电流分别为i′_AI、i′_BI、i′_CI；各相对地电容电流分别为i′_CAI、i′_CBI、i′_CCI；流过各相线路负荷电流分别为i′_LAI、i′_LBI、i′_LCI。有：

$i_{\mathrm{AI}}^{\′}=i_{\mathrm{CAI}}^{\′}+i_f+i_{\mathrm{LAI}}^{\′}=c_1\frac{d(e_A+u_0^{\′})}{\mathrm{dt}}+i_f+i_{\mathrm{LAI}}^{\′}$

$i_{\mathrm{BI}}^{\′}=i_{\mathrm{CBI}}^{\′}+i_{\mathrm{LBI}}^{\′}=c_1\frac{d(e_B+u_0^{\′})}{\mathrm{dt}}+i_{\mathrm{LBI}}^{\′}$

$i_{\mathrm{CI}}^{\′}=i_{\mathrm{CCI}}^{\′}+i_{\mathrm{LCI}}^{\′}=c_1\frac{d(e_C+u_0^{\′})}{\mathrm{dt}}+i_{\mathrm{LCI}}^{\′}$

同理，非故障线路II有：

$i_{\mathrm{AII}}^{\′}=c_2\frac{d(e_A+u_0^{\′})}{\mathrm{dt}}+i_{\mathrm{LAII}}^{\′}$

$i_{\mathrm{BII}}^{\′}=c_2\frac{d(e_B+u_0^{\′})}{\mathrm{dt}}+i_{\mathrm{LBII}}^{\′}$

$i_{\mathrm{CII}}^{\′}=c_2\frac{d(e_C+u_0^{\′})}{\mathrm{dt}}+i_{\mathrm{LCII}}^{\′}$

在实际电网中，三相线路负荷电流在故障发生前后可视为保持不变，即

i_LAI＝i′_LAI，i_LAII＝i′L_AII，i′_LBI＝i′_LBI，i_LBII＝i′_LBII，i_LCI＝i′_LCI，i_LCII＝i′_LCII。

故障线路I各相电流在故障前后的变化量分别为：

$\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{AI}}=i_{\mathrm{AI}}^{\′}-i_{\mathrm{AI}}=c_1\frac{d(u_0^{\′}-u_0)}{\mathrm{dt}}+i_f$

$\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{BI}}=i_{\mathrm{BI}}^{\′}-i_{\mathrm{BI}}=c_1\frac{d(u_0^{\′}-u_0)}{\mathrm{dt}}$

$\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{CI}}=i_{\mathrm{CI}}^{\′}-i_{\mathrm{CI}}=c_1\frac{d(u_0^{\′}-u_0)}{\mathrm{dt}}$

非故障线路II各相电流在故障前后的变化量分别为：

$\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{AII}}=i_{\mathrm{AII}}^{\′}-i_{\mathrm{AII}}=c_2\frac{d(u_0^{\′}-u_0)}{\mathrm{dt}}$

$\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{BII}}=i_{\mathrm{BII}}^{\′}-i_{\mathrm{BII}}=c_2\frac{d(u_0^{\′}-u_0)}{\mathrm{dt}}$

$\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{CII}}=i_{\mathrm{CII}}^{\′}-i_{\mathrm{CII}}=c_2\frac{d(u_0^{\′}-u_0)}{\mathrm{dt}}$

故障线路电流采样值变化量AB相间差：

i_ABI＝Δi_AI-Δi_BI＝i_f

故障线路电流采样值变化量BC相间差：

i_BCI＝Δi_BI-Δi_CI＝0

故障线路电流采样值变化量CA相间差：

i_CAI＝Δi_CI-Δi_AI＝-i_f

故障线路故障相电流采样值变化量与另外两非故障相电流采样值变化量平均值的差值：

i_ABCI(j)＝Δi_AI(j)-0.5(Δi_BI(j)+Δi_CI(j))＝i_f

即故障线路以故障相(A相)与非故障相(B相或C相)的相间差电流值等于接地故障电流值，故障相电流采样值变化量与另外两非故障相电流采样值变化量平均值的差值也等于接地故障电流值。非故障相(B相、C相)的相间差电流值为0。

非故障线路电流采样值变化量AB相间差：

i_ABII＝Δi_AII-Δi_BII＝0

非故障线路电流采样值变化量BC相间差：

i_BCII＝Δi_BII-Δi_CII＝0

非故障线路电流采样值变化量CA相间差：

i_CAII＝Δi_CII-Δi_AII＝0

非故障线路故障相电流采样值变化量与另外两非故障相电流采样值变化量平均值的差值：

i_ABCII(j)＝Δi_AII(j)-0.5(Δi_BII(j)+Δi_CII(j))＝0

即非故障线路的相间差电流值等于零。

小电流接地系统发生单相接地故障，由于故障线路的故障相电流变化量很大，为故障电流和电容电流变化量之和；非故障相的电流变化量较小，仅为电容电流变化量；同一线路不同相的电容电流变化量相等，则故障线路故障相电流变化量与非故障相电流变化量的差值较大，为故障电流；非故障相之间的电流变化量差值为零；而非故障线路的三相电流采样值变化量相等，相间电流差值为零。

因此，可以采用相电流采样值变化量相间差进行保护判断。考虑保护装置的测量精度和其它干扰信号的影响，提出配电网接地故障保护动作判据：在故障后的一段时间内(如半个工频周波)，相电流采样值变化量相间差的绝对值与整定值比较，大于整定值的采样点数超过一定比例(如50％)，就判定该线路发生故障；其中整定值取配电网需要检测的最高过渡电阻接地故障的故障电流乘以一灵敏系数(如0.8)。否则判据不满足，判定该线路不发生接地故障。

在微机保护装置或现场终端单元中，一般采用每周波12点采样，则要求在半个周波6个采样点的数据窗内，有4个或以上的采样点变化量相间差值大于整定值，即可判断该线路为故障线路。为了提高保护的精度，本发明建议采用每周波32点采样，则要求在半个周波16个采样点的数据窗内，有9个或以上的采样点变化量相间差值大于整定值，则判定该线路故障。故障发生后，发故障信号，并选择保护动作机构跳闸，隔离故障。

上述保护方法直接采用微处理器CPU的AD采样数据进行计算，无需滤波处理，采样的信号中包括了高频信号，能有效利用弧光故障的暂态分量，能有效提高保护的抗弧光故障能力，从而有效克服了已有技术存在的缺陷。上述保护方法只需测量被保护线路的电压、电流，便于在FTU上安装，实现线路的分段就地保护，满足配电自动化的要求。

附图说明

图1小电流接地系统正常情况下的电流分布图；

图2小电流接地系统发生单相接地故障时的电流分布图；

图3实现配电网相电流采样值相间差动保护的现场终端单元FTU装置；

图4FTU装置硬件原理图；

图5用于实验测试的小电流接地系统接地故障；

图6金属性接地故障时故障相与非故障相电流采样值变化量的相间差值；

(a)中性点经消弧线圈接地，脱谐度为-10％条件下，非故障线路1的电流采样值相间差；

(b)中性点经消弧线圈接地，脱谐度为-10％条件下，故障线路4的电流采样值相间差；

(c)中性点经消弧线圈接地，脱谐度为0(全补偿)条件下，非故障线路1的电流采样值相间差；

(d)中性点经消弧线圈接地，脱谐度为0(全补偿)条件下，故障线路4的电流采样值相间差；

图7高阻接地故障(1kΩ)时故障相与非故障相电流采样值变化量的相间差值；

(a)中性点经消弧线圈接地，脱谐度为-5％条件下，非故障线路1的电流采样值相间差；

(b)中性点经消弧线圈接地，脱谐度为-5％条件下，故障线路4的电流采样值相间差；

(c)中性点不接地条件下，非故障线路1的电流采样值相间差；

(d)中性点不接地条件下，故障线路4的电流采样值相间差。

在图中：1-架空线路，2-多回馈线集中等效线路，3-电缆线路，4-架空线路。

具体实施方式

该保护方法需要测量三相电流、三相电流和零序电压，适合在微机线路保护装置或配电自动化现场终端单元FTU等硬件平台上实现。

图3为一FTU装置，由宁波天安集团提供，采用数字信号处理器TMS320F206实现，硬件结构原理如图4所示。采用14位AD转换，每工频周波32点采集三相电压、三相电流、零序电压、零序电流等模拟量。计算零序电压有效值，当零序电压大于整定值(10％相电压)时，判断配电网发生接地故障。零序电压突变时刻为故障发生时刻，计算故障发生前后三相电流采样值变化量，计算相差电流，当相差电流大于整定值时，接地保护动作。

图5为采用该FTU装置进行实验测试的一35KV配电网，母线上带有L1、L2、L3、L4四条馈线，馈线参数见表1。

表1馈线参数

名称	性质	长度(km)	每相等效接地电容(μF)	相间电容(μF)	阻尼率	负荷(KVA)	功率因数Cosα
								L1	架空线	30	0.15	0.0375	4％	2000	0.80
L2	多回馈线集中等效	100	0.5	0.125	4％	10000	0.80
								L3	电缆线	30	1.8	0.72	3％	2000	0.80
L4	架空线	20	0.1	0.025	4％	1000	0.80

根据中性点接地方式、补偿度、故障点、故障接地方式、故障电阻以及负荷等的不同情况，分别进行实验测试，相电流采样值相间差如图6、图7和表2所示。

图6为金属性接地故障时故障相与非故障相电流采样值变化量的相间差值，图中画出了故障后半个工频周波(10ms)的16点采样值变化量的相间差，由(a)和(c)可见非故障线路1的电流采样值变化量相间差最大值小于0.15A，该数值是因为装置的测量误差和故障干扰信号所致。由(b)可见在脱谐度为-10％条件下，故障线路4大部分采样点(10点)的电流采样值变化量相间差大于10A；由(d)可见在脱谐度为0(全补偿)条件下，故障线路4大部分采样点(11点)的电流采样值变化量相间差大于5A。按20kΩ高阻接地故障保护灵敏动作的要求选择保护整定值为0.8A，则故障线路4能灵敏动作，非故障线路1可靠不误动。

图7为1kΩ高阻接地故障时故障相与非故障相电流采样值变化量的相间差值，图中画出了故障后半个工频周波(10ms)的16点采样值变化量的相间差，由(a)和(c)可见非故障线路1的电流采样值变化量相间差最大值小于0.035A，该数值是因为装置的测量误差和故障干扰信号所致。由(b)可见在脱谐度为-5％条件下，故障线路4大部分采样点(9点)的电流采样值变化量相间差大于5A；由(d)可见在中性点不接地条件下，故障线路4大部分采样点(9点)的电流采样值变化量相间差大于10A。按20kΩ高阻接地故障保护灵敏动作的要求选择保护整定值为0.8A，则故障线路4能灵敏动作，非故障线路1可靠不误动。

在接地故障电阻保护方法测试过程中，取零序电压整定值为10％相电压，即2021V。由表2可知：各种类型故障，零序电压都大于整定值，都能可靠判定接地故障的发生，启动接地保护检测。安装在各条馈线的FTU保护装置按20kΩ高阻接地故障保护灵敏动作的要求选择保护整定值为0.8A。在各种不同的运行方式和接地故障电阻条件下，非故障线路(馈线1、馈线2和馈线3)的相差电流大于整定值的采样点数为0，保护可靠不误动；而故障线路4在故障发生后10ms内的相差电流大于整定值的采样点数大于13，占81.25％的比例，远超过50％的整定比例，保护灵敏动作。

故本发明相电流采样值相间差动保护能保护弧光接地故障和具有20kΩ故障电阻的高阻故障，具有较高的保护精度和可靠性，适合在配电自动化现场终端单元FTU上实现。

表2各种运行状况下配电网相电流变化量相间保护的动作情况

Claims (3)

1. 一种配电网接地保护方法，包括如下步骤：

(1)在线监测配电系统的零序电压和相电压，在线监测馈线的相电流；对零序电压、相电压和相电流进行模拟量采样，再进行模拟数字变换，得到离散的数字信号；

(2)连续计算零序电压有效值，当大于电压整定值时，判定系统发生接地故障，启动保护判断；零序电压突变时刻为故障发生时刻，相电压最低的相为故障相；电压整定值取值范围为5％～30％相电压值；

(3)计算配电网发生接地故障前后各馈线的三相电流采样值变化量，计算相电流采样值变化量相间差；

(4)在故障后的5ms～40ms时间内，对相电流采样值变化量相间差的绝对值与整定值进行比较，大于整定值的采样点数超过一定比例，比例的取值范围为30％-70％，就判定该线路发生接地故障；其中整定值取配电网需要检测的最高过渡电阻接地故障的故障电流乘以一小于1的灵敏系数，最高过渡电阻的取值范围为5kΩ～40kΩ。

2. 根据权利要求1所述的配电网接地保护方法，步骤(4)中所述相电流采样值变化量相间差的计算方式为故障相电流采样值变化量与任一非故障相电流采样值变化量的差值。

3. 根据权利要求1所述的配电网接地保护方法，步骤(4)中所述相电流采样值变化量相间差的计算方式为故障相电流采样值变化量与另外两非故障相电流采样值变化量平均值的差值。

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