CN101387682A - 基于剩余电流谐波分量的单相接地故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于剩余电流谐波分量的单相接地故障检测方法，属于电力系统保护和控制领域；本方法采集并计算馈线剩余电流和/或中性点剩余电流的三次谐波相对基波的相位差，判别电流相位差是否进入阈值范围，来判断疑似接地故障是否发生，并通过判别所述疑似接地故障的持续时间及发生次数，确定故障事件。该方法适用于中性点经过电阻接地的三相中压配电系统，只利用剩余电流作为检测量，可以省去电压信号，能够适用于只有电流互感器的场合，可以作为简单的过流保护的提高和补充，提高过流保护装置的灵敏性和可靠性。

Description

基于剩余电流谐波分量的单相接地故障检测方法

技术领域

本发明属于电力系统保护和控制领域，特别涉及中性点经电阻接地的辐射状连接中压(10kV～66kV)配电线路发生单向接地故障的选线。

背景技术

单相接地故障是配电系统中的一种最为常见的故障现象。6kV—66kV的配电网往往采用变压器中性点不接地、经电阻接地或经消弧线圈接地的方式。正常情况下，在三相辐射状连接单电源的配电系统中，一条出线上的剩余电流的故障分量等价于接地故障电流，对于传统的接地故障检测方法，只要检测剩余电流大小，将剩余电流和阈值进行比较就可以反映接地故障。但是随着线路长度的增加，健全线路上的分布电容也可能构成剩余电流的回路。由此产生的问题是：故障线路引起的故障电流，同样也会流经健全线路对地电容构成的回路，导致在健全线路上的保护检测装置因剩余电流增加而误检测为接地故障。因此需要采用方向判别的方法来保证故障检测的选择性。

传统的方向判别的方法需要电压和电流两种信息，根据电压、电流的相量的比较来判断故障是否发生在该线路上。由此带来的问题是保护或检测装置需要同时检测系统一次侧的电压和电流。但是，一方面，一些实际系统的出线间隔没有电压信号提供，这样就只能应用简单的过流来检测接地故障；另一方面，加入电压互感器传变的电压信号，必然会提高检测系统的成本和复杂性。

在接地故障检测中的另一个难题就是变压器中性点经高阻接地的系统中单相接地故障的检测。中性点经高阻接地系统因为故障电路中有较大的阻抗，导致故障电流被限制在传统过流保护的动作阈值之下。此时，仅仅依靠幅值无法辨识出故障，因此，很多新的基于其他信号特征的方法被提出。其中包括：利用谐波信息的方法：A.E.Emanuel在他的文章：’High impedance fault arcing on sandysoil in 15 kV distribution feeders：contributions to the evaluation of thelow frequency spectrum’中，提到了接地故障特有的谐波，包括二次和三次谐波。并且在实验中证实，二次和三次谐波在较稳定的接地故障发生时，其相对系统电压的相位会维持在一个稳定值附近。D.I.Jeerings在1990年就提出了利用谐波信息的高阻故障检测装置“HIFAS”，采用三次谐波相对系统电压的相位变化作为故障检测和判断的依据。该方法将三次谐波作为高阻接地故障的特征，其后很多衍生的方法都是基于这样的低频谐波分量的想法的。Texas A&M University(TAMU)以D.B.Russell为代表的研究人员从1970年就开始研究高阻接地故障的检测，提出了多种方法都在美国专利中有记录，其中基于频谱分析的方法专利号为US.5578931，基于谐波电流和基波电压比较的方法的专利号为：5659453。谐波可以看作是导致电流波形变化的主要成分，因此能够反映因为接地故障的特殊性(例如电弧每周波的过零熄灭和非线性接地电阻等)而引起的电流波形的畸变。谐波检测并不是简单的利用电流的幅值信息，能够更为有效的反应高阻故障。但是这些高阻检测方法仍然要求电压和电流信号都同时存在。因此仍然无法作简单的过电流保护的直接替代。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出基于剩余电流谐波分量的单相接地故障检测方法，本发明通过谐波分量和基波分量的分析和比较，识别故障线路和非故障线路。本方法仅仅利用电流信息，就能够检测到故障发生的方向，选择出故障线路。

本发明提出的一种基于剩余电流谐波分量的单相接地故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对馈线的电流进行持续采样和计算，获得馈线剩余电流的采样值序列；

2)将所述馈线剩余电流当前时刻之前N个周波的采样值序列进行平均，得到平均采样值序列，N为正整数；

3)将当前采样得到的一个周波的采样值序列，减去所述平均采样值序列，得到故障增量序列；

4)利用傅立叶变换计算所述故障增量序列三次谐波的幅值和相位以及基波的幅值和相位，用所述三次谐波的相位减去所述基波的相位，得到馈线剩余电流的相位差；

5)如果所述馈线剩余电流的相位差进入预先设定的阈值范围1，判断该条馈线发生疑似接地故障；

6)判别所述疑似接地故障的持续时间及发生次数，确定故障事件为：接地故障、间歇性接地故障、暂态事件或噪声。

所述阈值范围1的确定方法为：通过分析得到在故障线路上三次谐波相对基波的相位差为180度，在非故障线路上该相位差为0度，在实际工程应用中，考虑到测量和计算误差，阈值范围1应设为180度的邻近区域，例如，可将阈值范围1设为180度±60度。

所述疑似接地故障持续时间及发生次数的判别采用如下方法：

如果疑似接地故障持续时间超过故障时间阈值，则认为接地故障发生，如果疑似接地故障持续时间超过暂态事件时间阈值则认为暂态事件发生，如果在预设的全局复位时间内，发生了多次暂态事件，则认为发生了间歇性接地故障。

所述故障时间阈值、暂态事件时间阈值、全局复位时间和暂态事件发生的次数，都可以根据实际情况分析或依据工程经验进行设定，例如，设定故障时间阈值为2-5秒，暂态事件时间阈值为100-300毫秒，全局复位时间为20-40秒，暂态事件发生的次数为3-10次。

本发明提出的另一种基于剩余电流谐波分量的单相接地故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对馈线和中性点的电流进行持续采样和计算，得到中性点剩余电流的采样值序列和馈线剩余电流的采样值序列；

2)分别将所述中性点剩余电流和馈线剩余电流当前时刻之前N个周波的采样值序列进行平均，得到中性点剩余电流的平均采样值序列和馈线剩余电流的平均采样值序列，N为正整数；

3)分别将当前采样得到的中性点剩余电流和馈线剩余电流的一个周波的采样值序列，减去所述平均采样值序列，得到中性点剩余电流的故障增量序列和馈线剩余电流的故障增量序列；

4)利用傅立叶变换计算所述两个故障增量序列的三次谐波的幅值和相位以及基波的幅值和相位，用所述三次谐波的相位减去所述基波的相位，得到中性点剩余电流的相位差和馈线剩余电流的相位差；

5)若中性点剩余电流的相位差减去馈线剩余电流的相位差后的结果进入预先设定的阈值范围2，判断该条馈线发生疑似接地故障；

6)判别所述疑似接地故障的持续时间及发生次数，确定故障事件为：接地故障、间歇性接地故障、暂态事件或噪声。

所述阈值范围2的确定方法为：馈线剩余电流的三次谐波相对基波的相位差为φF，中性点剩余电流的三次谐波相对基波的相位差为φ_RN，通过分析得到在发生故障的馈线上，φ_F和φ_RN同相位，在非故障线路上φ_F和φ_RN反相位。在实际工程应用中，考虑到测量和计算误差，阈值范围2应设为0度的邻近区域，例如，可将阈值范围2设为±60度。

所述疑似接地故障持续时间及发生次数的判别采用如下方法：

如果疑似接地故障持续时间超过故障时间阈值，则认为接地故障发生，如果持续时间超过暂态事件时间阈值则认为暂态事件发生，如果在预设的全局复位时间内，发生了多次暂态事件，则认为发生了间歇性接地故障。

所述故障时间阈值、暂态事件时间阈值、全局复位时间和暂态事件发生的次数，都可以根据实际情况分析或依据工程经验进行设定，例如，设定故障时间阈值为2-5秒，暂态事件时间阈值为100-300毫秒，全局复位时间为20-40秒，暂态事件发生的次数为3-10次。

本发明的特点及效果：

本发明中的检测对象仍然是电流的基波和谐波分量，和传统的高阻接地检测方法类似，关注的都是高阻接地故障引起的波形畸变，但是不需要电压信号作为比较量，仅仅比较谐波成分和基波成分，可以看作是采用基波作为方向比较的参考量，而采用谐波作为被比较量来实现上述的谐波分析和方向判别。

因此，本发明克服了传统过流保护无法进行缺少电压信号的方向判别，同时又能够用于高阻接地故障的检测。是对于传统的基于简单的过电流原理的接地故障检测的一种实际的、廉价的提高和补充。

具体实施方式

实施例1：

实施例1只需要采集馈线的剩余电流，不需要采集中性点剩余电流。其工作步骤如下：

1)对馈线的电流进行持续采样和计算，获得馈线剩余电流的采样值序列(可利用馈线上的常规检测装置实现)；

2)将馈线剩余电流当前时刻之前6个周波的采样值序列进行平均，得到平均采样值序列；

3)将当前采样得到的一个周波的采样值序列，减去平均采样值序列，得到故障增量序列；

4)利用傅立叶变换计算故障增量序列的三次谐波幅值A3和角速度α₃以及基波幅值A1和角速度α₁，使用公式α₃-3×α₁计算三次谐波相对基波的相位差，得到馈线剩余电流的相位差；

5)如果所述馈线剩余电流的相位差在180度±60度的范围内，则判断该条馈线发生疑似接地故障；

6)如果疑似接地故障持续时间超过2秒，则认为接地故障发生，如果持续时间超过200毫秒则认为暂态事件发生，如果在预设的30秒内，发生了3次以上的暂态事件，则认为发生了间歇性接地故障。

上述步骤中本实施例利用3个计时器和1个计数器来完成上述功能，一个全局定时器，时间为30秒，一个谐波故障定时器，时间为2秒，一个暂态事件定时器，时间为200毫秒。定时器对上述的满足条件状态标志位进行计时：

如果“满足条件”标志位置位  持续时间  大于  接地故障时间阈值

   则 故障报警  为  接地故障

如果“满足条件”标志位置位  持续时间  大于  暂态事件时间阈值

则  故障疑似  为  暂态事件  并  继续检测

如果“满足条件”标志位置位  持续时间  小于  暂态事件时间阈值

则  当作  噪声，不做任何处理

如果最终在全局定时器计时结束  时，有3次暂态事件

则  故障报警  为  间歇性接地故障。

实施例2：

实施例2与实施例1的不同之处，是需要采集和使用中性点剩余电流，用中性点剩余电流的相位差与馈线剩余电流相位差相减的结果，来确定故障线路。本实施例中需要有两个常规的检测装置，其中一个装置直接检测变电站中接地点流入大地的电流；另一个装置检测变电站中同一条母线上馈线的剩余电流。两者之间通过通信网络进行通信。

实施例2的方法与实施例1的各步骤相类似，只是增加对中性点剩余电流的处理(处理方法与馈线剩余电流的处理方法相同)，仅仅步骤5)对疑似接地故障的判据不同：要比较某条馈线上的剩余电流和中性点流入大地的剩余电流中三次谐波相对基波的大小和相位差。若中性点剩余电流的相位差减去馈线剩余电流的相位差后的结果进入预先设定的阈值范围2(±60度)，则判断该条馈线发生疑似接地故障。

实施例2需要检测中性点的剩余电流和馈线的剩余电流，因此，涉及检测装置之间的通讯。实施例2在实现上较实施例1复杂，但是在原理上，并不完全依赖于故障电流的谐波特性，可靠性更高。

Claims (6)

1.一种基于剩余电流谐波分量的单相接地故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对馈线的电流进行持续采样和计算，获得馈线剩余电流的采样值序列；

2)将所述馈线剩余电流当前时刻之前N个周波的采样值序列进行平均，得到平均采样值序列，N为正整数；

3)将当前采样得到的一个周波的采样值序列，减去所述平均采样值序列，得到故障增量序列；

4)利用傅立叶变换计算所述故障增量序列的三次谐波的幅值和相位以及基波的幅值和相位，用所述三次谐波的相位减去所述基波的相位，得到馈线剩余电流的相位差；

5)如果所述馈线剩余电流的相位差进入预先设定的阈值范围1，判断该条馈线发生疑似接地故障；

6)判别所述疑似接地故障的持续时间及发生次数，确定故障事件为：接地故障、间歇性接地故障、暂态事件或噪声。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述阈值范围1设为180度±60度。

3.如权利要求1中所述方法，其特征在于，所述疑似接地故障持续时间及发生次数的判别采用如下方法：

如果疑似接地故障持续时间超过故障时间阈值，则认为接地故障发生，如果疑似接地故障持续时间超过暂态事件时间阈值则认为暂态事件发生，如果在预设的全局复位时间内，发生了多次暂态事件，则认为发生了间歇性接地故障。

4.一种基于剩余电流谐波分量的单相接地故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对馈线和中性点的电流进行持续采样和计算，得到中性点剩余电流的采样值序列和馈线剩余电流的采样值序列；

2)分别将所述中性点剩余电流和馈线剩余电流当前时刻之前N个周波的采样值序列进行平均，得到中性点剩余电流的平均采样值序列和馈线剩余电流的平均采样值序列，N为正整数；

3)分别将当前采样得到的中性点剩余电流和馈线剩余电流的一个周波的采样值序列，减去所述平均采样值序列，得到中性点剩余电流的故障增量序列和馈线剩余电流的故障增量序列；

4)利用傅立叶变换计算所述两个故障增量序列的三次谐波的幅值和相位以及基波的幅值和相位，用所述三次谐波的相位减去所述基波的相位，得到中性点剩余电流的相位差和馈线剩余电流的相位差；

5)若中性点剩余电流的相位差减去馈线剩余电流的相位差后的结果进入预先设定的阈值范围2，判断该条馈线发生疑似接地故障；

6)判别所述疑似接地故障的持续时间及发生次数，确定故障事件为：接地故障、间歇性接地故障、暂态事件或噪声。

5.如权利要求4所述方法，其特征在于，所述阈值范围2为±60度。

6.如权利要求4中所述方法，其特征在于，所述疑似接地故障持续时间及发生次数的判别采用如下方法：

如果疑似接地故障持续时间超过故障时间阈值，则认为接地故障发生，如果持续时间超过暂态事件时间阈值则认为暂态事件发生，如果在预设的全局复位时间内，发生了多次暂态事件，则认为发生了间歇性接地故障。