CN101201379A - 电力系统小电流接地故障指示、分段方法 - Google Patents

Abstract

电力系统小电流接地故障指示、分段方法，属于电力系统接地故障检测处理领域。其特征在于：估算检测点背后零序等效电容；同时利用故障产生的暂态相电压和暂态零序电流有关信息作为故障指示、分段依据；根据故障发生后采集到的暂态相电压和暂态零序电流估算检测点背后零序等效电容，并根据零序电容的值确定故障检测装置是否动作报警。本方法主要有以下优点：装置在实现时只需安装一相电压互感器，可以有效的降低生产成本；对于电缆线路，可通过外套经RC电路接地的铁皮获取相电压信号，简单易行；暂态信号比稳态信号幅值大、易于检测；不受系统中性点接地方式影响。

Description

电力系统小电流接地故障指示、分段方法

技术领域

本发明属于电力系统接地故障检测处理领域，具体涉及一种中性点不接地、经消弧线圈接地或高阻接地系统中压配电网单相接地故障指示、分段方法。

背景技术

我国配电系统大多采用中性点不接地或谐振接地(经消弧线圈接地)的中性点接地方式。由于故障电流小、弧光造成的接地过程不稳定等原因，单相接地故障检测一直难以彻底解决。

中性点不接地电网中，单相接地时故障线工频零序电流等于所有健全线路对地电容电流之和，方向从线路指向母线。而健全线路零序电流等于自身对地电容电流，从母线指向线路。但在经消弧线圈接地系统中上述规律不再成立。

在经消弧线圈接地系统中，对于高次谐波由于消弧线圈的感抗增加即其补偿作用下降，而对地分布电容容抗下降。因此，对于零序电流中5次以上的谐波成份可以忽略消弧线圈的作用，即认为故障线路比非故障线路幅值大且方向相反。

故障时系统负序等效电路不同于零序等效电路，由故障产生的负序电流流经故障线路后直接通过变压器注入高压系统，而健全线路负序电流幅值非常小。

利用上述特征进行故障检测的方法各有优缺点，且都利用了故障时产生的稳态电流信号。由于稳态电流幅值小，且实际故障许多是如图4所示系统发生的闪弧故障，故障在电压接近最大值时发生而在电压过零点后消失，因此接地电流中基本上不存在稳定的稳态过程。给所有基于稳态的方法带来了局限性。

一般而言，故障产生的暂态电流比稳态电流大几倍到几十倍，且不受消弧线圈影响。因此，利用暂态信号的检测方法具有较高的可靠性和灵敏度。

目前利用暂态信号进行故障检测一般需要检测零序电压信号，需要安装三相电压互感器或零序电压滤过器，使得故障检测装置成本较高。

随着配网自动化的发展和故障管理功能的不断完善，要求对单相接地故障能够实现故障区段快速定位、隔离并恢复健全线路的供电，而不仅局限于传统的故障选线。特别是对于单出线长距离系统(如铁路自闭、贯通线路)有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种能够适用所有小电流接地系统、不受闪弧故障影响、只需安装一相电压互感器、可靠性高、具有自具特点的电力系统小电流接地故障指示、分段方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案是：该电力系统小电流接地故障指示、分段方法，通过各种在线检测装置的报警信息确定故障区段，实现过程为：

a以相电压或零序电流的变化作为故障的启动条件；

b根据暂态零序电流的变化确定故障起始时刻；

c对暂态相电压、暂态零序电流信号进行带通滤波；

d确定暂态信号的持续时间；

其特征在于：

a估算检测点背后零序等效电容；

b同时利用故障产生的暂态相电压和暂态零序电流有关信息作为故障指示、分段依据；

c根据故障发生后采集到得暂态相电压和暂态零序电流估算检测点背后零序等效电容，并根据零序电容的值确定故障检测装置是否动作报警；

只需一相电压信号，在每个检测点的一相上安装电压信号测量装置，提取暂态相电压、暂态零序电流中相应成份，使发生故障后在故障线路出口到故障点段上的各检测点满足关系：

(接地故障发生在电压互感器安装相)(1)

(接地故障发生在非电压互感器安装相)(2)

上式中，

为装有电压互感器一相的相电压、i₀为暂态零序电流、L为检测点背后线模电感、C₀为检测点背后零序电容。

利用以下方法估算检测点背后等效电容：

应用接地故障后第三个采样值后的N个电压、电流的采样值(n＝3～N+3)，采用最小二乘算法，解如下方程，即可得到参数-C₀的估计值；

$A\underset{k=3}{\overset{N+3}{\mathrm{\Σ}}}({x_k}^2+4{x_{k-1}}^2+{x_{k-2}}^2-4x_k{x}_{k-1}+2x_k{x}_{k-2}-4x_{k-1}{x}_{k-2})+\frac{\mathrm{\ΔT}}{-C_0}\underset{k=3}{\overset{N+3}{\mathrm{\Σ}}}({x_k}^2-2x_k{x}_{k-1}+x_k{x}_{k-2})=---\left(3\right)$

$\underset{k=3}{\overset{N+3}{\mathrm{\Σ}}}(-x_k{y}_{k-1}+2x_{k-1}{y}_{k-1}-x_{k-2}{y}_{k-1}+x_k{y}_k-{2x}_{k-1}{y}_k+x_{k-2}{y}_k)$

$A\underset{k=3}{\overset{N+3}{\mathrm{\Σ}}}({x_k}^2-2x_k{x}_{k-1}+x_k{x}_{k-2})+\frac{\mathrm{\ΔT}}{-C_0}\underset{k=3}{\overset{N+3}{\mathrm{\Σ}}}{x_k}^2=\underset{k=3}{\overset{N+3}{\mathrm{\Σ}}}(x_k{y}_k-x_k{y}_{k-1})---\left(4\right)$

式中：x_k为发生故障后零序电流的第k个采样值、y_k为发生故障后相电压的第k个采样值、ΔT为采样步长；

对所采样的数据，取0～t₁时间段内所采样的数据做出一个估计值，然后延长数据窗，用0～t₂(t₂＞t₁)时间段内所采样的数据做出另一个估计值，如此重复即可得到待估参数的一个序列。

按照下述方法确定故障检测装置是否需要动作报警：

设每个检测点参数估计值为m个，用序列P(k)(k＝1…m)表示，不论是对于故障指示和故障选线，若检测点参数估计值(P)序列在满足以下两个条件时，即可确定检测点位于故障线路出口到故障点之间，故障监测装置动作报警；

(1)P(k)的平均值小于零，即：

$\stackrel{\&OverBar;}{P}=\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}P\left(k\right)<0---\left(5\right)$

(2)P(k)的波动在一定范围以内：

$\frac{\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}|P\left(k\right)-\stackrel{\&OverBar;}{P}|}{\left|\stackrel{\&OverBar;}{P}\right|}<\mathrm{\&sigma;}---\left(6\right)$

σ的确定与具体的故障情况和数据精度有关，可根据现场实际运行取值。

对于电缆线路，采用如下方法获取相电压信号：

将一段铁皮包住电缆的某一相，相导体与铁皮之间形成电容，相导体的绝缘层作为电容的介质，铁皮经过RC电路接入大地，通过测量R上的电压获取相电压信号。

工作原理：

利用故障产生的一相暂态电压、暂态零序电流作为判断依据，通过在出线出口或线路上按区段安装的在线检测装置，实现小电流接地系统单相接地故障指示、分段。实现过程为：

以相电压或零序电流的变化作为故障的启动条件。搜索故障起始时刻和故障延时时间。根据暂态零序电流主谐振频率确定滤波器参数，对暂态相电压、暂态零序电流信号进行双向带通滤波，使保留的分量满足式(1)或式(2)的关系：对零序电流在故障后第一个工频周波内的信号，用相关函数法来估计其暂态信号的主频率ω₁。确定带通滤波器截止频率为(3ω₀，ω₁+ω_r)，其中ω₀为工频角频率，ω_r为安全裕量。利用滤波器IIR对暂态零序电压、暂态零序电流进行双向带通滤波，使保留的分量满足关系：

(

为故障相电压信号)

(为非故障相电压信号)

其中：L为检测点背后线模电感，C₀为检测点背后零序等效电容。

与现有技术相比本发明的有益效果是：单相接地时，暂态零序电流比稳态值大几倍到几十倍；并且在谐振接地系统中，由于消弧线圈中的电流不能突变，流经消弧线圈的暂态电流变化速度远远小于暂态电容电流的变化。同时，消弧线圈的感抗随着频率的增高而增高，而电容的容抗同时下降。因此，当采用暂态零序电流时可以不考虑消弧线圈的影响。

装置在实现时只需安装一相电压互感器，可以有效的降低生产成本。

对于电缆线路，可通过外套经RC电路接地的铁皮获取相电压信号，相对于安装电压互感器，该方法简单实用，成本低。

利用本发明的方法进行单相接地故障指示、分段时，暂态信号比稳态信号幅值大、易于检测；不受系统中性点接地方式影响；闪弧故障时绝缘每一次重新击穿都会产生暂态过程，暂态信号更加丰富、适用面广；不需要其它检测点的信息，有自具特点；装置生产成本低。在系统出现单相接地故障时，能够快速确定故障区段，进一步自动或人工指令相应断路器、开关操作以隔离故障区段。

附图说明

图1：是故障线路出口到故障点段上各检测点背后零模阻抗等效示意图；

图2：是故障线路出口到故障点段上各检测点背后线模阻抗等效示意图；

图3：是电缆电压测量电路示意图；

图4：是本发明实施例的系统结构示意图。

具体实施方式

图1-4是本发明的最佳实施例：下面结合附图1-4对系统的结构和工作过程做进一步说明。

如图4所示为一典型的系统结构。整套检测系统有三部分组成：分布于线路各个检测点的馈线自动化远方终端FTU1-FTU6、主站、联系各个检测装置与主站的通信系统。相比较于利用暂态零序电流的方法，本方法必须同时需要零序电压、零序电流信号。

设开关S4、S5之间发生单相接地故障，则从母线到故障点段上各检测点(FTU1-FTU4)的相电压和零序电流满足关系式(1)或(2)，其估算电容满足判别式(5)和(6)；其它各检测点(FTU5-FTU6)的估算电容不满足判别式(5)和(6)。

位于母线到故障点段上的各检测点(FTU1-FTU4)向主站发送报警信号，而其它各检测点不向主站发送报警信号。主站根据报警的检测点确定故障点位于开关S4、S5之间。

确定故障区段后，主站可以用各种形式报告接地信息，并自动或人工在适当时机指令断开开关S4、S5，隔离故障区段进行检修，同时不影响健全区段的供电。

具体实现步骤如下：

1、以相电压、零序电流的变化做为故障的启动条件

在小电流接地系统中，当发生单相接地故障时，线路上的相电压和零序电流都会有较大变化。因此，可以利用相电压的变化量超越正常运行时相电压的30％或零序电流突变量超越正常运行时最大不平衡电流的20％作为单相接地故障的启动条件。

所用零序电流可以是直接测量的结果也可以是通过三相电流计算而来：

$i_0\left(t\right)=\frac{1}{3}(i_A\left(t\right)+i_B\left(t\right)+i_C\left(t\right))$

考虑到接地点过渡电阻的影响，电压变化量的门槛值一般取为相电压的30％。

对于电缆线路，可通过外套经RC电路接地的铁皮获取相电压信号。

2、根据暂态零序电流信号的变化确定故障起始时刻

由于在稳定接地故障中暂态信号只在故障起始时刻出现、且持续时间较短。为了完全、准确地利用所有的故障信息，必须准确地搜索到故障的起始时刻，即代表该暂态过程的第一个测量点。

单相接地故障启动后，在启动前一个工频周波到启动后一个工频周波的时间范围内，寻找暂态零序电流突变量第一次超越一定门槛的时刻，即可认为是故障的起始时刻。门槛可以根据该范围内暂态零序电流突变量瞬时最大值确定，一般取为暂态零序电流突变量瞬时最大值的20％。

3、根据暂态零序电流的自相关函数估算系统主谐振频率

基于傅立叶变换分析信号频谱的方法必须通过大量的采样才能可靠地估算出信号波谱，且必须假设信号是静态的。由于瞬时值具有暂态和非静态特性，计算出的波谱可能不够准确。对FFT采用窗口函数加权后也会使计算的波谱失真。分析衰减正弦信号的较好模式是Prony(普罗尼)方法，但它受噪声干扰的影响较大。

瞬态频率的计算可采用相关函数实现，它可估算出测量信号中的动态变化。

$r\left(\mathrm{\&tau;}\right)={\&Integral;}_0^{T}x\left(t\right)x(t+\mathrm{\&tau;})\mathrm{dt}$

离散的数据信号的相关函数如下式表示：

$r\left[k\right]=\underset{n=1}{\overset{N-k}{\mathrm{\&Sigma;}}}x\left[n\right]x[n+k]$

其中：N是数据长度，k为延时。参与运算的数据应该从该瞬态过程的开始时刻到结束时刻。相关函数达到最小值处的相关函数时间值等于按指数衰减的正弦信号的半个周期长度。据此可以求出暂态过程的主谐振频率。

4、根据系统主谐振频率确定带通滤波器的截止频率

由于系统主频以上的暂态电压电流信号不完全满足容性关系，即不完全满足在该频率上故障线的幅值大于所有健全线路且极性相反。因此，在计算故障方向之前必须对暂态零序电压、电流信号进行低通滤波。低通滤波的作用主要是：滤除不需要的暂态信号、滤除高频干扰信号。

同时，对于中性点谐振接地系统的故障线路，其在工频附近呈感性阻抗，因此应该滤去低频分量。

因此，应该对暂态零序电压电流作带通滤波。其中低通的截至频率根据主谐振频率来确定。由于实际使用的数字低通滤波器不可能具有零宽度的通带。因此，在计算出的主频率上必须添加一定的安全裕量ω_r，具体由下式确定：

ω_r＝max(200，0.1ω_h)

其中：ω_r为主谐振频率。而高通的截止频率可以选为3倍的工频频率。即带通滤波器的截止频率为：(3ω₀，ω₁+ω_r)

5、对暂态相电压、电流施行双向带通滤波

为了不影响主频信号电压、电流间的相位关系，要求数字带通滤波器具有线性相位。如果使用非线性相位的滤波器(如IIR滤波器)，否则必须使用双向滤波技术以避免相位失真。即先从暂态信号第一个采样点开始进行低通滤波直到最后一个采样点，对第一次滤波的结果再从最后一个数据开始反向滤波直到第一个数据。

6、确定暂态过程的持续时间

不同故障条件下暂态信号的持续时间不同，为了更准确地使用故障数据必须确定故障的结束时间即故障的延时时间。由于绝大多数暂态过程持续时间大都小于一个工频周波，因此对故障后一个完整工频周期的暂态零序电流数据进行带通滤波，在保留的暂态零序电流分量中选取信号的最大幅值。从采样序列的尾端向始端逐个比较，直到达到一个极限值(例如最大值的10％)。将该时刻作为暂态信号的结束时刻。

7、估算检测点背后等效零序电容

应用接地故障后第三个采样值后的N个电压、电流的采样值(n＝3～N+3)，采用最小二乘算法，解如下方程，即可得到参数-C₀的估计值。通过改变数据窗，得到估计值的一个序列。

$A\underset{k=3}{\overset{N+3}{\mathrm{\&Sigma;}}}({x_k}^2+4{x_{k-1}}^2+{x_{k-2}}^2-4x_k{x}_{k-1}+2x_k{x}_{k-2}-4x_{k-1}{x}_{k-2})+\frac{\mathrm{\&Delta;T}}{-C_0}\underset{k=3}{\overset{N+3}{\mathrm{\&Sigma;}}}({x_k}^2-2x_k{x}_{k-1}+x_k{x}_{k-2})=---\left(3\right)$

$\underset{k=3}{\overset{N+3}{\mathrm{\&Sigma;}}}(-x_k{y}_{k-1}+2x_{k-1}{y}_{k-1}-x_{k-2}{y}_{k-1}+x_k{y}_k-{2x}_{k-1}{y}_k+x_{k-2}{y}_k)$

$A\underset{k=3}{\overset{N+3}{\mathrm{\&Sigma;}}}({x_k}^2-2x_k{x}_{k-1}+x_k{x}_{k-2})+\frac{\mathrm{\&Delta;T}}{-C_0}\underset{k=3}{\overset{N+3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x_k}^2=\underset{k=3}{\overset{N+3}{\mathrm{\&Sigma;}}}(x_k{y}_k-x_k{y}_{k-1})---\left(4\right)$

8、根据估算电容的值确定故障监测装置是否动作报警

设每个检测点参数估计值为m个，用序列P(k)(k＝1…m)表示。不论是对于故障指示和故障选线，若检测点参数估计值(P)序列在满足以下两个条件时，即可确定检测点位于故障线路出口到故障点之间，故障检测装置动作报警。

(1)P(k)的平均值小于零，即：

$\stackrel{\&OverBar;}{P}=\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}P\left(k\right)<0---\left(5\right)$

(2)P(k)的波动在一定范围以内：

$\frac{\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}|P\left(k\right)-\stackrel{\&OverBar;}{P}|}{\left|\stackrel{\&OverBar;}{P}\right|}<\mathrm{\&sigma;}---\left(6\right)$

σ的确定与具体的故障情况和数据精度有关，可根据现场实际运行取值。

9、根据故障线路上不同检测点故障信息确定故障区段

故障位于一侧检测装置动作报警而另一侧不动作的两检测点之间。当发生接地故障后，如果所有检测点都不报警，则故障点位于故障线路出口和第一个检测点之间；如果某条线路上的检测点都报警，则故障点位于该线路最后一个检测点和线路末端之间。

整套系统可以借用馈线自动化现有的硬件设备。以FTU、RTU作为终端设备，以主站作为中央处理单元，只需再增加相应的软件即可。

也可以利用本发明开发专用的故障指示装置，如附图4所示。故障发生后，可以本地报警(翻牌、指示灯亮)，也可以通过通讯网络将报警信息发送到监测主站。对实现了通信或馈线自动化的系统，检测装置可将报警信息上传至主站。

利用本发明实现故障分段功能只需要检测点一相电压和零序电流信号，不需要其它检测点的故障信息，具有自具特点。因此，可以利用本方法实现单相接地故障保护功能。

Claims (5)

1.电力系统小电流接地故障指示、分段方法，通过各种在线检测装置的报警信息确定故障区段，实现过程为：

a以相电压或零序电流的变化作为故障的启动条件；

b根据暂态零序电流的变化确定故障起始时刻；

c对暂态相电压、暂态零序电流信号进行带通滤波；

d确定暂态信号的持续时间；

其特征在于：

a估算检测点背后零序等效电容；

b同时利用故障产生的暂态相电压和暂态零序电流有关信息作为故障指示、分段依据；

c根据故障发生后采集到的暂态相电压和暂态零序电流估算检测点背后零序等效电容，并根据零序电容的值确定故障检测装置是否动作报警；

2.根据权利要求1所述的电力系统小电流接地故障指示、分段方法，其特征在于：只需一相电压信号，在每个检测点的一相上安装电压信号测量装置，提取暂态相电压、暂态零序电流中相应成份，使发生故障后在故障线路出口到故障点段上的各检测点满足关系：

(接地故障发生在电压互感器安装相)    (1)

(接地故障发生在非电压互感器安装相)    (2)

上式中，

为装有电压互感器一相的相电压、i₀为暂态零序电流、L为检测点背后线模电感、C₀为检测点背后零序电容。

3.根据权利要求1所述的电力系统小电流接地故障指示、分段方法，其特征在于：利用以下方法估算检测点背后等效电容：

应用接地故障后第三个采样值后的N个电压、电流的采样值(n＝3～N+3)，采用最小二乘算法，解如下方程，即可得到参数-C₀的估计值；

$A\underset{k=3}{\overset{N+3}{\mathrm{\&Sigma;}}}({x_k}^2+{{4x}_{k-1}}^2+{x_{k-2}}^2-{4x}_k{x}_{k-1}+{2x}_k{x}_{k-2}-{4x}_{k-1}{x}_{k-2})+\frac{\mathrm{\&Delta;T}}{-C_0}\underset{k=3}{\overset{N+3}{\mathrm{\&Sigma;}}}({x_k}^2-{2x}_k{x}_{k-1}+x_k{x}_{k-2})=---\left(3\right)$

$\underset{k=3}{\overset{N+3}{\mathrm{\&Sigma;}}}({-x}_k{y}_{k-1}+{2x}_{k-1}{y}_{k-1}-x_{k-2}{y}_{k-1}+x_k{y}_k-{2x}_{k-1}{y}_k+x_{k-2}{y}_k)$

$A\underset{k=3}{\overset{N+3}{\mathrm{\&Sigma;}}}({x_k}^2-{2x}_k{x}_{k-1}+x_k{x}_{k-2})+\frac{\mathrm{\&Delta;T}}{{-C}_0}\underset{k=3}{\overset{N+3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x_k}^2=\underset{k=3}{\overset{N+3}{\mathrm{\&Sigma;}}}(x_k{y}_k-x_k{y}_{k-1})---\left(4\right)$

式中：x_k为发生故障后零序电流的第k个采样值、y_k为发生故障后相电压的第k个采样值、ΔT为采样步长；

对所采样的数据，取0～t₁时间段内所采样的数据做出一个估计值，然后延长数据窗，用0～t₂(t₂＞t₁)时间段内所采样的数据做出另一个估计值，如此重复即可得到待估参数的一个序列。

4.根据权利要求1所述的电力系统小电流接地故障指示、分段方法，其特征在于，按照下述方法确定故障检测装置是否需要动作报警：

设每个检测点参数估计值为m个，用序列P(k)(k＝1…m)表示，不论是对于故障指示和故障选线，若检测点参数估计值(P)序列在满足以下两个条件时，即可确定检测点位于故障线路出口到故障点之间，故障监测装置动作报警；

(1)P(k)的平均值小于零，即：

$\stackrel{\&OverBar;}{P}=\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}P\left(k\right)<0---\left(5\right)$

(2)P(k)的波动在一定范围以内：

$\frac{\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}|P\left(k\right)-\stackrel{\&OverBar;}{P}|}{\left|\stackrel{\&OverBar;}{P}\right|}<\mathrm{\&sigma;}---\left(6\right)$

σ的确定与具体的故障情况和数据精度有关，可根据现场实际运行取值。

5.根据权利要求1所述的电力系统小电流接地故障指示、分段方法，对于电缆线路，采用如下方法获取相电压信号：将一段铁皮包住电缆的某一相，相导体与铁皮之间形成电容，相导体的绝缘层作为电容的介质，铁皮经过RC电路接入大地，通过测量R上的电压获取相电压信号。

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