CN101291054B

CN101291054B - 电力系统接地故障残流诊断保护方法

Info

Publication number: CN101291054B
Application number: CN2008100117452A
Authority: CN
Inventors: 刘树祥; 刘巍; 刘大志; 刘胤宏; 刘秀明
Original assignee: 刘树祥
Priority date: 2008-06-11
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2028-06-11
Also published as: CN101291054A

Abstract

电力系统接地故障残流诊断保护方法，是通过线路两端检测单元、主机、通讯系统及残流静态调节装置配合实现。其过程是：a、在线监测系统的零序电压和相电压、被保护线路及线路两端的零序电流；b、零序电压或零序电流大于整定值则判断系统发生接地故障；c、计算电力线路首端与末端流经零序电流和本线路的零序电流的矢量差，分别计算零序电流的矢量差与系统零序电压的比值、接地故障相电压与零序电流的矢量差的比值；d、控制接地故障残流静态调节装置改变接地残流；e、将上述各量的幅值与整定值相比较，分析判断故障线路或线路绝缘状态，发出相应信号。其优点是可解决电源或环网线路接地故障选线问题，快速地诊断接地系统故障线路、准确度高，使小电流接地故障线路的选线方法实现了由定性分析判断到定量分析判断的转变。

Description

电力系统接地故障残流诊断保护方法

技术领域

本发明的电力系统接地故障残流诊断保护方法，适用于中性点不接地、经消弧线圈或高阻接地等非直接接地电力系统接地故障诊断及保护。

背景技术

3-66kV电力系统多采用中性点不接地、经消弧线圈或高阻接地等非直接接地方式，即小电流接地系统。由于小电流接地系统接地故障电流小、闪弧造成的接地过程不稳定，及经消弧线圈补偿的单相接地故障状态复杂等原因，使得如何正确快速选出单相接地故障线路成为长期困扰电力系统的一个难题。为此，人们相继研究了多种单相接地故障选线方法，常见的有基波群体比幅比相法、五次谐波法、首半波法、小波法、电流抽样法和零序有功分量法等等，这些选线方法还存在一定的局限性。如：1、基波群体比幅比相法，该法依据故障线路零序电流等于非故障线路零序电流之和，故障线路零序电流方向与非故障线路零序电流方向相反(相位差180°)。此法不适应中性点经消弧线圈接地配电系统，经消弧线圈感性电流补偿后故障线路零序电流不等于非故障线路零序电流之和，甚或小于单一非故障线路零序电流，消弧线圈过补偿时故障线路零序电流方向与非故障线路零序电流方向相同。2、五次谐波法，该法针对中性点经消弧线圈接地系统，认为系统中五次谐波含量较大且消弧线圈对五次补偿很小，可以采用系统中五次谐波分量比幅比相进行选线。实际上五次谐波分量在系统中含量仍比较小，且易受不确定因素影响，测得五次谐波与实际会有较大偏差。3、首半波法，该法根据发生故障的最初半个周波内，故障线路零序电流与非故障线路零序电流方向相反的特点，比较首半波的零序电流极性进行故障选线，暂态首半波在电压过零短路时失效，此法也鲜见成功的案例。目前，人们仍在不断探索新的检测小电流接地系统接地故障线路的方法。

发明内容

本发明旨在克服现有方法的不足，提供一种电力系统接地故障残流诊断保护方法，使之不受非金属性故障接地及消弧线圈补偿等影响，准确判定接地故障线路。在此基础上，通过保护自动或人工操作切除故障线路。

对于小电流系统，可定义其中性点通过阻抗Z＝R+jωL接地，中性点不接地时Z无穷大；经消弧线圈接地R近似为零，高阻接地ωL近似为零。当系统发生接地故障时，则：

非故障回路或回路正常零序电流及对地导纳Y_0n为：

\overset{\cdot}{I_{0 n}} = (G_{n} + j 3 ω C_{n}) \overset{\cdot}{U_{0}} = Y_{0 n} * \overset{\cdot}{U_{0}}

Y_{0 n} = G_{n} + j 3 ω C_{n} = \overset{\cdot}{I_{0 n}} / \overset{\cdot}{U_{0}}

故障回路零序电流及导纳Y₀为：

\overset{\cdot}{I_{0}} = [- \frac{R}{R^{2} + {(ωL)}^{2}} - Σ_{n = 0}^{N - 1} G_{n} + G_{n} + j (\frac{ωL}{R^{2} + {(ωL)}^{2}} - 3 ω Σ_{n = 0}^{N - 1} C_{n} + 3 ω C_{n})] \overset{\cdot}{U_{0}}

= \overset{\cdot}{I_{δ}} + (G_{n} + j 3 ω C_{n}) \overset{\cdot}{U_{0}}

Y_{0} = \overset{\cdot}{I_{0}} / \overset{\cdot}{U_{0}} = - \frac{R}{R^{2} + {(ωL)}^{2}} - Σ_{n = 0}^{N - 1} G_{n} + G_{n} + j (\frac{ωL}{R^{2} + {(ωL)}^{2}} - 3 ω Σ_{n = 0}^{N - 1} C_{n} + 3 ω C_{n})

= Y_{δ} + G_{n} + j 3 ω C_{n}

接地故障残余电流

及导纳Y_δ为：

\overset{\cdot}{I_{δ}} = [- \frac{R}{R^{2} + {(ωL)}^{2}} - Σ_{n = 0}^{N - 1} G_{n} + j (\frac{ωL}{R^{2} + {(ωL)}^{2}} - 3 ω Σ_{n = 0}^{N - 1} C_{n})] \overset{\cdot}{U_{0}}

= \overset{\cdot}{I_{0}} + (G_{n} + j 3 ω C_{n}) \overset{\cdot}{U_{0}}

Y_{δ} = \overset{\cdot}{I_{δ}} / \overset{\cdot}{U_{0}} = - \frac{R}{R^{2} + {(ωL)}^{2}} - Σ_{n = 0}^{N - 1} G_{n} + j (\frac{ωL}{R^{2} + {(ωL)}^{2}} - 3 ω Σ_{n = 0}^{N - 1} C_{n})

= \overset{\cdot}{I_{0}} / \overset{\cdot}{U_{0}} - (G_{n} + j 3 ω C_{n})

接地故障电阻r为：

r = \frac{\overset{\cdot}{U_{φd}}}{\overset{\cdot}{I_{δ}}} = \frac{\overset{\cdot}{U_{φd}}}{\overset{\cdot}{I_{0}} - (G_{n} + j 3 ω C_{n}) \overset{\cdot}{U_{0}}}

式中：G_n为回路正常对地电导；C_n为回路每相对地电容；

为系统零序电压；

为系统接地相电压。G_n+j3ωC_n为回路正常对地导纳。

本发明的电力系统接地故障残流诊断保护方法之一，可称线路零序纵差保护方法，包括如下步骤：

a、检测计算小电流接地系统被保护线路电源端与负荷端流经零序工频电流

及其矢量之差()；

b、检测计算小电流接地系统被保护线路电源端与负荷端的各自负荷侧对地零序工频导纳

及其之差

c、将a步骤得到的电流之差

与本线路的零序工频电流

相比较，计算接地残流值

幅值大于整定值C₁时则判定该线路发生接地故障，计算公式为

| \overset{\cdot}{I_{δ}} | = | \overset{\cdot}{I_{01}} - \overset{\cdot}{I_{02}} - Y_{0 L} * \overset{\cdot}{U_{0}} | &GreaterEqual; C_{1}

d、将b步骤得到的导纳之差与本线路的对地零序工频导纳Y_0L相比较，计算导纳值Y_δ，Y_δ幅值大于整定值C₂则判定该线路发生接地故障，计算公式为

| \overset{\cdot}{Y_{δ}} | = | (\overset{\cdot}{I_{01} -} \overset{\cdot}{I_{02}}) / \overset{\cdot}{U_{0}} - Y_{0 L} | &GreaterEqual; C_{2};

其中，C₁值的范围是0～100A，C₂值的范围是0～1000毫西；

为系统零序电压；Y_0L为被保护线路对地零序工频导纳，离线测取。

本发明的电力系统接地故障残流诊断保护方法之一，可称接地残流及导纳保护方法，包括如下步骤：

a、检测计算小电流接地系统被保护线路电源端流经零序工频电流

b、检测计算小电流接地系统被保护线路电源端的负荷侧对地零序工频导纳

c、将a步骤得到的零序工频电流

与本线路的对地零序工频电流

相比较，计算接地残流值幅值大于整定值C₁时则判定该线路发生接地故障，计算公式为

\overset{\cdot}{| I_{δ} |} = | \overset{\cdot}{I_{01}} - Y_{0 L} * \overset{\cdot}{U_{0}} | &GreaterEqual; C_{1};

d、将b步骤得到的零序工频导纳

与本线路的对地零序工频导纳Y_0L相比较，计算导纳Y_δ，Y_δ幅值大于整定值C₂则判定该线路发生接地故障，计算公式为

| Y_{δ} | = | \overset{\cdot}{I_{01}} / \overset{\cdot}{U_{0}} - Y_{0 L} | &GreaterEqual; C_{2};

其中，C₁值的范围是0～100A，C₂值的范围是0～1000毫西；；

本发明的电力系统接地故障残流诊断保护方法之一，可称接地电阻残流诊断方法，包括如下步骤：

及其之差

再与本线路的零序工频电流相比较，计算接地残流

幅值，计算公式为

| \overset{\cdot}{I_{δ}} | = | \overset{\cdot}{I_{01}} - \overset{\cdot}{I_{02}} - Y_{0 L} * \overset{\cdot}{U_{0}} |;

b、将系统中三相电压低者与接地残流相比，所得为接地电阻r，其结果r小于整定值C，则判定线路绝缘受损，计算公式是r＝min(U_A，U_B，U_C)/I_δ≤C或r＝min(U_A，U_B，U_C)/(Y_δ*U₀)≤C；

其中，C₁值的范围是0～100A；

将其与本线路的零序工频电流

相比较，计算接地残流

幅值，计算公式为

| \overset{\cdot}{I_{δ}} | = | \overset{\cdot}{I_{01}} - Y_{0 L} * \overset{\cdot}{U_{0}} |;

b、将系统中三相电压低者与接地残流

相比，所得为接地电阻r，其结果R小于整定值C，则判定线路绝缘受损，计算公式是r＝min(U_A，U_B，U_C)/I_δ≤C或r＝min(U_A，U_B，U_C)/(Y_δ*Y₀)≤C，

其中，C₁值的范围是0～100A；为系统零序电压；Y_0L为被保护线路对地零序工频导纳，离线测取。

本发明的电力系统接地故障残流诊断保护方法之一，可称接地故障残流静态调节方法，是由与消弧线圈串接的电抗器和与之并联的过零点导通晶闸管开关、保护电路及控制电路构成，有控制端子经光电耦合过零检测触发电路与晶闸管开关连接。其中，所述的电抗器是消弧线圈抽出的部分绕组或串接的专用电抗器，也可用阻尼电阻替代。其调节方法是：当控制端子加上输入信号VI，且当系统零序电压通过零点时晶闸管开关导通，将电抗器短接，改变感性补偿电流，平稳调节接地残流。检测计算晶闸管开关导通前后被保护线路零序电流及对地零序导纳，变化大于整定值则判定该线路有接地故障。

电力系统接地故障残流诊断保护方法，具有下列优越性：

1、可直接检测被保护线路是否存在接地故障。尤其用本发明方法构成的线路零序纵差保护可解决电源或环网线路接地故障选线问题。

2、使电力系统小电流接地故障线路的选线方法实现了由定性分析判断到定量分析判断的转变。

3、单相接地故障零序工频电流和电压幅值远大于其它各谐波量，更易高精度检测，还可在故障期间内人工指令重复检测比较判断。

4、被保护线路对地零序工频导纳参数不受接地故障影响，可事先离线测取将其录入保护装置作为整定参考数据。

5、通过检测接地故障残流及导纳的方式实现线路故障检测，对闪弧故障或其它非金属性故障有更强的适用性，且不受消弧线圈过补偿或欠补偿的影响。

6、通过检测接地残流与系统相电压，可以计算得到接地电阻用以判断线路绝缘状态，或高阻接地故障。

7、因配电网负荷的变化不会引起被保护线路自身产生的零序工频电流或导纳变化，所以用残流诊断法选线也不会受负荷变化的影响。

8、静态调节接地故障残流，可实现在线连续调节，晶闸管开关过零点导通不会对系统造成冲击。

附图说明

图1为实现电力系统接地故障残流诊断保护方法的一个具体系统结构示意图；

图2是本发明中的电力系统接地故障残流静态调节装置Z的结构示意图，其中，8为消弧线圈抽出的部分绕组或串接的专用电抗器，6为晶闸管开关，5为保护电路，7为光电耦合过零检测触发电路；1、2为主接线端子，3、4为控制端子，VI为输入信号。

图3为非故障线路(或线路正常)零序工频电流矢量关系示意图；

图4为消弧线圈过补偿时故障线路零序工频电流矢量关系示意图。

图5为消弧线圈欠补偿时故障线路零序工频电流矢量关系示意图，残流值小于线路正常零序工频电流。

图6为消弧线圈欠补偿时故障线路零序工频电流矢量关系示意图，残流值大于线路正常零序工频电流；或中性点高阻接地时故障线路零序工频电流矢量关系示意图。

其中：CB1、CB2、CB3、CB4为线路两端断路器；ZCT1、ZCT2、ZCT3为零序电流互感器，GPT1、GPT2为电压互感器；RTU1、RTU2、FTU为检测单元；TR为接地变压器，ωL是消弧线圈，Z为接地故障残流静态调节装置；

为接地故障残余电流，为被保护线路的零序工频电流，为被保护线路首端流经的零序电流，为被保护线路末端流经的零序电流，

为整个回路正常零序电流。

零序工频导纳向量关系同零序工频电流矢量关系。

具体实施方式

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：通过线路两端的电流电压检测单元(RTU1和FTU或RTU2)、与消弧线圈串接的残流静态调节装置Z、主机及通讯系统，结合本发明的电力系统接地故障残流诊断保护方法，判定接地故障线路或其绝缘状态。主机可与检测单元集成，如RTU1、RTU2、FTU可作为具主机功能的主检测单元。

实施例1

电力系统接地故障残流诊断保护方法之一，线路零序纵差保护方法。通过检测计算线路电源端与负荷端流经零序工频电流之差

导纳之差

分别与本路的零序工频电流

和对地零序工频导纳Y_0L进行矢量差，得到接地残流

或导纳Y_δ，比较其幅值大于整定值则判定该线路发生接地故障。计算公式为

| \overset{\cdot}{I_{δ}} | = | \overset{\cdot}{I_{01}} - \overset{\cdot}{I_{02}} - Y_{0 L} * \overset{\cdot}{U_{0}} | &GreaterEqual; C_{1}

及

| Y_{δ} | = | (\overset{\cdot}{I_{01}} - \overset{\cdot}{I_{02}}) / \overset{\cdot}{U_{0}} - Y_{0 L} | &GreaterEqual; C_{2},

C₁值的范围是0～100A，C₂值的范围是0～1000毫西。

实施例2

电力系统接地故障残流诊断保护方法之一，接地残流及导纳保护方法。适于用电设备单一或固定的线路保护。通过在线检测计算线路电源端流经零序工频电流

和对地零序工频导纳

并与线路的零序工频电流或导纳Y_0L进行矢量差，得到接地残流

或导纳Y_δ，比较其幅值大于整定值则判定该线路发生接地故障。该法是线路零序纵差保护方法在

\overset{\cdot}{I_{02}} = 0

时的一个特例，故其软硬件可与线路零序纵差保护通用。

实施例3

电力系统接地故障残流诊断保护方法之一，接地电阻残流诊断方法。利用实施例1或2方法得到接地残流

或导纳Y_δ，将其幅值与系统最低相电压相比，所得为接地电阻r，其值小于整定值C则判断线路绝缘受损。计算公式可采用r＝min(U_A，U_B，U_C)/I_δ≤C或r＝min(U_A，U_B，U_C)/(Y_δ*U₀)≤C，C值的范围是0～100MΩ。

实施例4

电力系统接地故障残流诊断保护之一，电力系统接地故障残流静态调节方法。其调节装置由过零点导通晶闸管开关6并联电抗器8、保护电路5及闸管开关控制电路7构成，有控制端子3、4经光电耦合过零检测触发电路7与晶闸管开关6连接，主接线端子1、2分别与消弧线圈及地连接，如图1、图2所示。当加上输入信号VI(一般为高电平)，且当系统零序电压通过零点时晶闸管开关导通，将电抗器短接，改变感性补偿电流，平稳调节接地残流，根据残流的变化诊断接地故障线路及其绝缘状态，还可以提高实施例1～3的残流诊断精度。在消弧线圈非完全补偿运行状态下或接地残流较大时可不投用调节装置。

电力系统接地故障残流诊断保护方法通过下列步骤实现的：

(1)检测单元：检测系统电压和线路流经零序电流，零序电流变化或零序电压幅值超过整定值则上报主机接地故障发生，锁定故障起始时刻。接受主机指令，将所采集线路零序电流、系统三相电压和零序电压上报主机。

a、监测系统零序电压或线路零序电流的变化作为接地故障检测启动条件，判定故障起始时刻。零序工频电压或电流的幅值或有效值都可做启动条件。小电流系统发生接地故障时，线路会有零序电流存在，系统也会产生零序电压，且都会随接地故障点过渡电阻的降低而增大。当发生金属性接地故障时，系统零序电压幅值等于正常工作时的相电压。因此，可以利用零序电压或零序电流超过设定值作为单相接地故障的启动条件，并认定为发生接地故障时刻。如：U₀≥U_dz，电压设定值U_dz一般可在15～30V间选取。

所用的零序电压和零序电流可以是通过ZCT和GPT直接测量的结果，也可以是通过测量三相电压或电流计算而来，零序电流用零序电流互感器ZCT直接测取精度较高。计算公式：

\overset{\cdot}{U_{0}} = \frac{1}{3} (\overset{\cdot}{U_{a}} + \overset{\cdot}{U_{b}} + \overset{\cdot}{U_{c}}),

\overset{\cdot}{I_{0}} = \frac{1}{3} (\overset{\cdot}{I_{a}} + \overset{\cdot}{I_{b}} + \overset{\cdot}{I_{c}})

b、上报主机故障发生信息、接受主机指令将线路零序电流、系统三相和零序电压采样数据上报主机。线路两端检测单元需按主机指令同步或接近同步采样，以满足线路零序纵差保护需要。

(2)主机：接收检测单元上报的接地故障发生信息或人员设置信息；指令残流静态调节装置使其过零点导通晶闸管开关通断，线路两端检测单元进行采样；调集检测单元采样数据，计算系统三相及零序电压、线路零序工频电流；分析比较接地残流及导纳、接地电阻，其幅值超出整定值则判定被保护线路故障接地或绝缘受损，发出相应信号。其基本判据为：故障或绝缘受损线路接地残流或导纳幅值大于零，正常线路无残流。即：线路两端检测的零序工频电流矢量差

导纳矢量差

分别与本线路的零序工频电流

和导纳Y_0L再进行矢量差计算，所得接地残电流

或导纳

Y_δ幅值大

于整定值则判定被保护线路有接地故障存在。计算公式为

| \overset{\cdot}{I_{δ}} | = | \overset{\cdot}{I_{01}} - \overset{\cdot}{I_{02}} - Y_{0 L} * \overset{\cdot}{U_{0}} | &GreaterEqual; C_{1}

及

| Y_{δ} | = | (\overset{\cdot}{I_{01}} - \overset{\cdot}{I_{02}}) / \overset{\cdot}{U_{0}} - Y_{0 L} | &GreaterEqual; C_{2},

式中Y_0L为人为输入的线路对地零序工频导纳，C₁和C₂为动作整定值，C₁和C₂为大于零的值。绝缘受损计算公式为r＝min(U_A，U_B，U_C)/I_δ≤C或r＝min(U_A，U_B，U_C)/(Y_δ*U₀)≤C。接地残流或导纳幅值大于整定值C₁或C₂则判定该线路有接地故障，接地电阻小于整定值C则判定该线路绝缘受损。

a、根据检测单元上报接地故障发生信息，控制残流静态调节单元，调集检测单元采集数据；

b、根据主机设置信息，控制残流静态调节单元，调集检测单元采集数据；

c、根据检测单元采集数据，计算工频三相及零序电压、零序电流、接地故障残流、导纳和电阻，分析判断故障线路或线路绝缘状态。将接地残流及导纳幅值或接地电阻与整定值比较，判定该电力线路是否有接地故障或绝缘受损，发出接地故障或绝缘受损信号。

本发明是依据检测计算接地残流及导纳、电阻确定故障线路、判断绝缘状态，所以本发明的方法可称为接地故障残流诊断保护法。

(3)控制残流静态调节装置：接受主机控制，使其晶闸管开关过电压零点导通，将与过零点导通晶闸管开关并接的电抗器短接，平稳调节接地残流，以提高接地故障及绝缘状态诊断的准确度。在消弧线圈非完全补偿运行状态下或接地残流较大时可不投用。

(4)通讯系统：各种通讯系统都可完成本发明所要求的任务，若保护线路两端检测单元间采用光纤通讯更为理想。

其优选方式是：

1、与线路微机纵差保护测控装置(RTU1、FTU或RTU2)及其通讯系统共用软硬件平台，结合电力系统接地故障残流诊断保护方法，分析判定故障线路、发出故障信号。本方式只需在原平台基础上增设线路零序纵差保护信息处理软件，保护线路负荷端参与检测时再加设零序电流互感器等硬件即可实现。

2、用专用接地故障综合选线保护装置，集合各检测单元及主机、通讯系统功能。线路负荷端检测单元也可利用微机保护测控装置(FTU)，与接地故障综合选线保护装置组合成接地故障综合选线保护系统。FTU需增设接地故障保护信息处理软件及零序电流互感器等硬件。

在消弧线圈非完全补偿运行状态或接地残流较大时，可不投用残流静态调节装置；接地残流较小时由主机控制残流静态调节装置投入，指令检测单元在相应运行状态下进行采样。

下面结合本发明的一个实例，说明电力系统接地故障残流诊断保护方法的系统结构和工作过程：

1)系统结构

如图1所示，整套系统由安装在线路两端的保护测控单元(RTU1和FTU或RTU2)及相互联系的通讯系统等组成，RTU1、RTU2、FTU均具有主机和检测单元双重功能。

2)工作过程：

RTU1、FTU或RTU2监测系统零序电压大于整定值，上报主机系统发生接地故障信息，主机接收信息后，调取检测系统电压及其流经零序电流，计算线路L₁两端检测零序工频电流和导纳的矢量差，再分别与线路L₁的零序工频电流和导纳进行矢量差计算，得出接地残流和导纳，比较其幅值大于整定值，则判定线路L₁存在接地故障，发出线路接地故障信号(线路零序纵差保护方法)。

RTU2检测其负荷侧零序工频电流和导纳，与线路L₂的零序工频电流和导纳进行矢量差计算，得出接地残流和导纳，比较其幅值大于整定值，则判定线路L₂存在接地故障，发出线路接地故障信号。用电设备单一或固定的线路保护可不设置FTU，如线路L₂(接地残流及导纳保护方法)。

确定故障线路后，可以各种形式报告接地故障信息，并自动或人工操作断开CB1、CB2或CB3，切除故障线路。

主机将系统三相电压最低者与接地残流相比，其结果较整定值小则判定线路绝缘受损。