CN101227089B

CN101227089B - 中性点非有效接地电网消除单相接地故障的判别和保护方法及装置

Info

Publication number: CN101227089B
Application number: CN2008100086562A
Authority: CN
Inventors: 孙嘉宁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-29
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2028-01-29
Also published as: CN101340086A; CN101227089A; CN101340086B

Abstract

本发明针对中性点非有效接地系统单相接地故障判断存在的误区，公开了一种中性点非有效接地电网消除单相接地故障的判别和保护方法及装置，其方法是根据零序电压与相电压的关系进行故障相的判别，为准确地投放接地保护提供了依据，接地保护是直接将故障相母线通过电抗器接地，该方法既保留了中性点不接地方式的优点，又弥补了不接地方式的单相接地电弧易重燃，内部过电压倍数高等缺点；尤其在对高阻接地故障的保护上具有独到之处。装置具有方法及结构简单可靠，占地面积小，综合成本低的优点。

Description

中性点非有效接地电网消除单相接地故障的判别和保护方法及装置

技术领域

本发明涉及一种电网消除接地故障的判别和保护方法及装置，尤其是一种中性点非有效接地电网消除单相高阻接地故障的判别和保护方法及装置。

背景技术

在电力系统中，单相接地是电网运行的主要故障形式，约占全电网总故障的60％以上，而且相当一部分相间短路故障是由单相接地故障发展而来。电力系统的安全可靠程度，在其他条件相同的情况下，只取决于电力系统中性点的工作方式。研究电力系统中性点的接地方式，主要是正确认识和处理这个最多见的单相接地故障问题。

单相接地故障的类型可以分为：弧光接地、高阻接地和金属接地。据电力系统的统计，绝大部分的单相接地故障是弧光接地和高阻接地。单相弧光接地的危害最大，在6～66kV中压电网主要采用中性点不接地的运行方式，随着越来越多配电线路的电缆化，接地电容电流也随之加大，弧光接地一旦产生，无法自动熄灭，会产生很高的间歇性弧光过电压，危害电器设备的绝缘安全，在电缆线路中往往会发展为相间短路，甚至造成“火烧连营”的恶劣后果。除了机械性损伤，线路在发生弧光接地故障前，大都有绝缘老化或绝缘受损的过程，在这过程中则呈现出高阻接地状态。

高阻接地是单相接地中最常见的故障之一，如架空线路中的树枝的挂碰、断线、电缆线路中的电缆绝缘受潮、老化等等，都呈现出高阻接地的特征，其接地电阻变化范围大、不稳定，故障状态最为复杂，当接地电阻大到一定程度后(如＞1.5kΩ)，故障特征不同于常见的特征，并且故障信息很微弱，以至成为保护和选线中的一个难题。所以，高阻接地故障发生时由于保护误动或拒动而引起的事故时有报道：如输电线路断线掉在水泥地面保护拒动引起人身伤亡，断线掉在山林地区保护拒动而引起火灾、电缆放炮等等。大多数的保护产品对高阻接地保护都存在误判、误动或拒动，其原因除了故障信息微弱外，更主要的是存在认识上的误区。由于通常对不接地系统发生单相接地时的电压分析都是按典型的金属接地来分析，此时接地相电压为零，非接相电压升为线电压，中性点偏移到接地点，零序电压等于方向相反的故障前的相电压。以至产生一种普遍认同的结论：接地相是三相电压中幅值最低的一相，绝大多数以电压为判据的接地故障保护产品也都是按此结论判别接地相。实际上这只在接地电阻小于某临界值的范围内是正确的，当接地电阻大于这个临界值时，此结论就是错误的。换言之，在高阻接地的范围中，当接地电阻大到一定程度，接地相不是电压幅值最低相。固守前述结论，必然造成高阻接地故障中保护的误判、误动。此外，以电流为判据的接地故障保护产品，由于高阻接地时零序电流很小，而拒动；选线产品也因此而无法选线。

发明内容

本发明的目的是针对现有的单相接地故障判别方法不全面，存在误区，易造成高阻接地故障的误判或漏判而无法提供消除故障的保护问题，发明一种针对单相接地故障的全面判别和保护方法及其装置。

本发明的技术方案之一是：

一种中性点非有效接地电网消除单相接地故障的判别和保护方法，其特征是：在单相接地发生时，以零序电压大于1/2正常相电压为故障特征区1，在该区内判三相电压的最低相为故障相，在该相母线上投入接地保护；以零序电压等于1/2正常相电压为故障特征区2，在该区内判滞后零序电压90°的电压相为故障相，在该相母线上投入接地保护；以零序电压小于1/2正常相电压为故障特征区3，在该区内判三相电压的次低相为故障相，在该相母线上投入接地保护。

本发明的技术方案之二是：

一种实现中性点非有效接地电网消除单相接地故障的判别和保护方法的保护装置，其特征是它主要由四个单相高压开关ZA、ZB、ZC、ZD、电抗器L、电流互感器CT、采集三相电压和零序电压的电压互感器TV和微机控制器组成，系统三相电源的母线分别与三个单相高压开关ZA、ZB、ZC的常开主触点ZA1、ZB1、ZC1的上触头对应相连，三个单相高压开关ZA、ZB、ZC的常开主触点ZA1、ZB1、ZC1的下触头相互连接在一起后与电抗器L的一端相连，电抗器L的另一端穿过电流互感器CT的一次绕组后接地，电流互感器CT的二次绕组接微机控制器的模拟量输入端；单相高压开关ZD的常开主触点ZD1并接在电抗器L的中间抽头与三个单相高压开关ZA、ZB、ZC的常开主触点ZA1、ZB1、ZC1的下触头的连接点之间，四个单相高压开关ZA、ZB、ZC、ZD的线包分别接微机控制器的对应输出端，采集三相电压和零序电压的电压互感器TV连接在系统三相电源的母线和微机控制器的对应采样输入端之间；所述的微机控制器包括单片机1、采样滤波电路2、光电隔离电路3、继电器输出电路4和开关量输入电路5，采样滤波电路2的输入与电压采样电路6和电流采样电路7的输出端相连，采样滤波电路2的输出与单片机1的对应输入端相连，开关量输入电路5的输出端通过光电隔离电路3与单片机1对应的输入端相连，单片机1的输入端通过光电隔离电路3与继电器输出电路4的输入端相连，继电器输出电路4分别与对应的四个单相高压开关ZA、ZB、ZC、ZD相连；所述的电压互感器TV为采用三相五柱接法的电压互感器，其三相一次绕组的一端采用Y型接法连接在系统三相电源的母线和地之间，电压互感器TV的六个二次绕组中的三个绕组采用Y型接法连接在微机控制器的相电压采样输入端和地之间，另外三个二次绕组采用开口三角形接法连接在微机控制器的零序电压输入端和地之间，在微机控制器的控制输出端和电源之间接有消谐继电器线包JX，消谐继电器的常开触点JX1串接消谐电阻RX后跨接在电压互感器TV中采用开口三角形接法的绕组开口处；所述的单片机1还连接有键盘8和显示器9。

本发明的有益效果：

本发明揭示了中性点不接地系统单相接地故障的规律，找出了高阻接地故障的各种特征和判别及保护保护方法，无论接地电阻和故障特征如何变化，都能准确判别故障和故障相，实施有效的保护。

本发明实现了对中性点不接地系统单相接地故障实施全范围的有效的保护，尤其是能够分辨难以察觉高阻接地故障的微弱信号，将故障消灭在萌芽状态中。

本发明由微机控制的综合保护装置，既保留了中性点不接地方式的优点：接地电流小，供电可靠性高，又弥补了不接地方式的单相接地电弧易重燃，内部过电压倍数高等缺点；尤其在对高阻接地故障的保护上具有独到之处。它比直接接地，小电阻接地的大电流接地方式利用变电站的接地网更为安全，其消弧性能、以及对弧光过电压和谐振过电压的限制比消弧线圈更为有效，并且结构简单可靠，占地面积小，综合成本低，是一种值得推广应用的接地保护装置。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是本发明的判别装置的电原理图。

图3是本发明的微机控制器的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、2、3所示。

一种中性点非有效接地电网消除单相高阻接地故障的判别和保护方法，如图1所示，在单相接地发生时，以零序电压大于1/2正常相电压为故障的特征区1，在该区域内判三相电压的最低相为故障相，在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器接地，或其它方式接地。下同)；以零序电压等于1/2正常相电压为故障的特征区2，在该区域内判滞后零序电压90°的电压相为故障相，在该相母线上投入接地保护；以零序电压小于1/2正常相电压为故障的特征区3，在该区域内判三相电压的次低相为故障相，在该相母线上投入接地保护。本方法能够对中性点不接地系统单相接地故障实施全面的保护，尤其是能够分辨难以察觉高阻接地故障的微弱信号，将故障消灭在萌芽状态中。

与上述方法相配的判别装置的电原理图如图2、3所示。

一种中性点非有效接地电网消除单相高阻接地故障的判别和保护装置，主要由四只单相高压开关ZA、ZB、ZC、ZD、电抗器L、电流互感器CT、采集三相电压和零序电压的电压互感器TV和微机控制器组成，系统母线的三相电源线分别与三个单相高压开关的常开主触点ZA1、ZB1、ZC1的上触头对应相连，三个单相高压开关的常开主触点ZA1、ZB1、ZC1的下触头相互连接在一起后与电抗器L的一端相连，电抗器L的另一端穿过电流互感器CT的一次绕组后接地，电流互感器CT的二次绕组接微机控制器的模拟量输入端；另一只单相高压开关ZD1的常开主触点并接在电抗器L的中间抽头与三个单相高压开关的常开主触点ZA1、ZB1、ZC1的下触头的并接点之间，四个单相高压开关的线包ZA、ZB、ZC、ZD分别接微机控制的对应输出端，采集三相电压和零序电压的电压互感器TV连接在系统母线三相电源线和微机控制器的对应采样输入端之间；所述的微机控制器(如图3所示)由包括单片机1(型号可为：TMS320C600、或DSP563X X等)、采样滤波电路2(可采用集成块或均教科书常见的电路加以实现)、光电隔离电路3(可由光电耦合器及外围电路组成)、继电器输出电路4和开关量输入电路5(可采用集成块或均教科书常见的电路加以实现)，采样滤波电路2的输入与电压采样电路6(可采用集成块或均教科书常见的电路加以实现)和电流采样电路7(可采用集成块或均教科书常见的电路加以实现)，其输出与单片机1的对应输入端相连，开关量输入电路5的输出端通过光电隔离电路3与单片机1对应的输入端相连，单片机1的输入端通过光电隔离电路3与继电器输出电路4的输入端相连，继电器输出电路4分别与对应的四只单相高压开关ZA、ZB、ZC、ZD相连，单片机1还连接有键盘8和显示器9以便进行参数调整、输入并加以显示。所述的电压互感器TV为一采用三相五柱接法的电压互感器，其三相一次绕组的一端采用Y型接法连接在三相电源线和地之间，电压互感器TV的六个二次绕组中的三个绕组采用Y型接法连接在微机控制器的相电压采样输入端和地之间，另外三个二次绕组采用开口三角形接法连接在微机控制器的零序电压输入端和地之间，在微机控制器的控制输出端和电源之间接有消谐继电器线包JX，消谐继电器的常开触点JX1串接消谐电阻RX后跨接在电压互感器TV中采用开口三角形接法的绕组开口处。

本发明的判别装置采用在故障相的母线上投入电抗器接地的方式进行保护，并具有选线、故障跳闸、通信等功能。该装置既保留了中性点不接地方式的优点：接地电流小，供电可靠性高；又弥补了不接地方式的单相接地电弧易重燃，内部过电压倍数高等缺点；尤其在对高阻接地故障的保护上具有独到之处。

本发明的微机型综合保护装置工作过程为：

微机控制器始终检测系统的三相电压和零序电压及它们的频率，并进行判别。当系统正常运行时，四只高压开关均处于分断状态，装置不对系统产生任何影响；一旦判断系统发生单相接地故障，微机控制器立即驱动装置进行保护(见图2)：

若故障参数在故障特征区1，微机控制器驱动电压最低相的高压开关闭合；若故障参数在故障特征区2，微机控制器驱动故障电压相的高压开关闭合；若故障参数在故障特征区3，微机控制器驱动电压次低相的高压开关闭合。三种保护动作的结果都是将电抗器L并接于故障相的母线与地之间，产生如下效果：1)钳制故障相电压近似为零、限制非故障相电压小于线电压。2)对于弧光接地，转移100％的故障电流；对于高阻接地，转移98％以上故障电流；对于金属接地，转移90％以上故障电流。其效果是消除或抑制故障，保护故障点人身和设备安全。

对于瞬时性故障，高压开关延时数秒后断开，消除故障，不影响供电连续性；对于永久性故障，高压开关长延时数十分钟，根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路。若故障参数在报警范围，装置对故障类型和线路准确报警。

具体举例如下：

例1.

在6kV中性点非有效接地电网系统发生单相接地时，测得零序电压为2kV，而该系统正常相电压为3.6kV，由本发时的判别方法可看出，该单相接地故障满足特征区1的条件，因此，可判此时三相电压中最低的一相为故障相，立即在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器接地，或其它方式接地)，对于瞬时性故障，接地保护延时数秒后从该相母线上分断，即可消除故障；对于永久性故障，接地保护长延时数十分钟，根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路。

例2.

在6kV中性点非有效接地电网系统发生单相接地时，测得零序电压为1.8kV，而该系统正常相电压为3.6kV，由本发明的判别方法可看出，该单相接地故障满足特征区2的条件，因此，可判此时滞后零序电压90°的那相电压为故障相，立即在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器接地，或其它方式接地)，对于瞬时性故障，接地保护延时数秒后从该相母线上分断，即可消除故障；对于永久性故障，接地保护长延时数十分钟，根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路。

例3.

在6kV中性点非有效接地电网系统发生单相接地时，测得零序电压为1.2kV，而该系统正常相电压为3.6kV，由本发明的判别方法可看出，该单相接地故障满足特征区3的条件，因此，可判此时三相电压中次低的一相为故障相，立即在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器接地，或其它方式接地)，对于瞬时性故障，接地保护延时数秒后从该相母线上分断，即可消除故障；对于永久性故障，接地保护长延时数十分钟，根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路。

例4.

在10kV中性点非有效接地电网系统发生单相接地时，测得零序电压为4kV，而该系统正常相电压为6kV，由本发明的判别方法可看出，该单相接地故障满足特征区1的条件，因此，可判此时三相电压中最低的一相为故障相，立即在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器接地，或其它方式接地)，对于瞬时性故障，接地保护延时数秒后从该相母线上分断，即可消除故障；对于永久性故障，接地保护长延时数十分钟，根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路。

例5.

在10kV中性点非有效接地电网系统发生单相接地时，测得零序电压为 3kV，而该系统正常相电压为6kV，由本发明的判别方法可看出，该单相接地故障满足特征区2的条件，因此，可判此时滞后零序电压90°的那相电压为故障相，立即在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器接地，或其它方式接地)，对于瞬时性故障，接地保护延时数秒后从该相母线上分断，即可消除故障；对于永久性故障，接地保护长延时数十分钟，根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路。

例6.

在10kV中性点非有效接地电网系统发生单相接地时，测得零序电压为2kV，而该系统正常相电压为6kV，由本发明的判别方法可看出，该单相接地故障满足特征区3的条件，因此，可判此时三相电压中次低的一相为故障相，立即在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器接地，或其它方式接地)，对于瞬时性故障，接地保护延时数秒后从该相母线上分断，即可消除故障；对于永久性故障，接地保护长延时数十分钟，根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路。

例7.

在35kV中性点非有效接地电网系统发生单相接地时，测得零序电压为12kV，而该系统正常相电压为21kV，由本发明的判别方法可看出，该单相接地故障满足特征区1的条件，因此，可判此时三相电压中最低的一相为故障相，立即在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器接地，或其它方式接地)，对于瞬时性故障，接地保护延时数秒后从该相母线上分断，即可消除故障；对于永久性故障，接地保护长延时数十分钟，根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路。

例8.

在35kV中性点非有效接地电网系统发生单相接地时，测得零序电压为10.5kV，而该系统正常相电压为21kV，由本发明的判别方法可看出，该单相接地故障满足特征区2的条件，因此，可判此时滞后零序电压90°的那相电压为故障相，立即在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器接地，或其它方式接地)，对于瞬时性故障，接地保护延时数秒后从该相母线上分断，即可消除故障；对于永久性故障，接地保护长延时数十分钟，根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路。

例9.

在35kV中性点非有效接地电网系统发生单相接地时，测得零序电压为9kV，而该系统正常相电压为21kV，由本发明的判别方法可看出，该单相接地故障满足特征区3的条件，因此，可判此时三相电压中次低的一相为故障相，立即在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器接地，或其它方式接地)，对于瞬时性故障，接地保护延时数秒后从该相母线上分断，即可消除故障；对于永久性故障，接地保护长延时数十分钟，根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种中性点非有效接地电网消除单相接地故障的判别和保护方法，其特征是：在单相接地发生时，以零序电压大于1/2正常相电压为故障特征区1，在该区内判三相电压的最低相为故障相，在该相母线上投入接地保护；以零序电压等于1/2正常相电压为故障特征区2，在该区内判滞后零序电压90°的电压相为故障相，在该相母线上投入接地保护；以零序电压小于1/2正常相电压为故障特征区3，在该区内判三相电压的次低相为故障相，在该相母线上投入接地保护。

2.一种实现权利要求1所述的判别和保护方法的保护装置，其特征是它主要由四个单相高压开关ZA、ZB、ZC、ZD、电抗器L、电流互感器CT、采集三相电压和零序电压的电压互感器TV和微机控制器组成，系统三相电源的母线分别与三个单相高压开关ZA、ZB、ZC的常开主触点ZA1、ZB1、ZC1的上触头对应相连，三个单相高压开关ZA、ZB、ZC的常开主触点ZA1、ZB1、ZC1的下触头相互连接在一起后与电抗器L的一端相连，电抗器L的另一端穿过电流互感器CT的一次绕组后接地，电流互感器CT的二次绕组接微机控制器的模拟量输入端；单相高压开关ZD的常开主触点ZD1并接在电抗器L的中间抽头与三个单相高压开关ZA、ZB、ZC的常开主触点ZA1、ZB1、ZC1的下触头的连接点之间，四个单相高压开关ZA、ZB、ZC、ZD的线包分别接微机控制器的对应输出端，采集三相电压和零序电压的电压互感器TV连接在系统三相电源的母线和微机控制器的对应采样输入端之间；所述的微机控制器包括单片机(1)、采样滤波电路(2)、光电隔离电路(3)、继电器输出电路(4)和开关量输入电路(5)，采样滤波电路(2)的输入与电压采样电路(6)和电流采样电路(7)的输出端相连，采样滤波电路(2)的输出与单片机(1)的对应输入端相连，开关量输入电路(5)的输出端通过光电隔离电路(3)与单片机(1)对应的输入端相连，单片机(1)的输入端通过光电隔离电路(3)与继电器输出电路(4)的输入端相连，继电器输出电路(4)分别与对应的四个单相高压开关ZA、ZB、ZC、ZD相连；所述的电压互感器TV为采用三相五柱接法的电压互感器，其三相一次绕组的一端采用Y型接法连接在系统三相电源的母线和地之间，电压互感器TV的六个二次绕组中的三个绕组采用Y型接法连接在微机控制器的相电压采样输入端和地之间，另外三个二次绕组采用开口三角形接法连接在微机控制器的零序电压输入端和地之间，在微机控制器的控制输出端和电源之间接有消谐继电器线包JX，消谐继电器的常开触点JX1串接消谐电阻RX后跨接在电压互感器TV中采用开口三角形接法的绕组开口处；所述的单片机(1)还连接有键盘(8)和显示器(9)。