CN101452038A - 小电流接地电网单相接地故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种小电流接地电网单相接地故障诊断方法，这种方法捕捉中性点电压超过预设阀值时A相对地电压、B相对地电压、C相对地电压、中性点电压、中性点电流以及各支路零序电流从稳态到暂态再到稳态的全部波形信息；首先鉴别是单相接地故障、PT熔断、铁磁谐振、消弧线圈谐振过电压、还是试验引起的中性点过电压扰动；对是接地故障的进行选线。本发明的方法充分利用了故障前后电网的稳态信息和暂态信息，并参考中性点电压的长期变化规律来判定故障并选线，有别于传统的稳态选线方法和暂态选线方法，能同时适应于中性点不接地电网和中性点经消弧线圈接地的电网，能很好的适应现场复杂多变的情况，保证故障诊断和选线的准确性。

Description

小电流接地电网单相接地故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种故障诊断方法，尤其涉及一种充分利用小电流接地电网完整的暂态和稳态信息的单相接地故障诊断方法。

背景技术

在中压配电网中，单相接地故障占总故障的80％以上，当单相接地故障发生时，准确的选择接地线路对电网的运营管理意义重大。

在现有技术中，通常根据电网中性点电压升高来判断是否发生接地故障，但实际上使中性点电压升高的原因有多种，不一定是发生了单相接地，因此当中性点电压超限后，先进行故障类型的辨识非常重要，只有判定是单相接地故障的，选线才有意义；另外，目前的选线方法无法适应单相接地故障的复杂性，只能在特定情形下得出正确结果，这些方法在电网中的应用效果不理想就是明证；所以只有系统的分门别类的逐层进行故障辨识，并充分利用在故障发生时，电网由稳态到暂态再到稳态的完整过程信息，才能确保故障诊断和选线的准确率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的不足，提出一种全面利用电网运行信息，全面利用多种故障辨识算法，系统的分门别类的逐层进行辨识的诊断方法。该方法不仅能辨识永久性故障，也能辨识瞬间故障；不仅适用于中性点不接地系统，也适用于中性点经消弧线圈接地的系统，同时适应于消弧线圈补偿失败的情况；不仅能辨识单相接地故障，还可以辨识PT熔断、铁磁谐振、消弧线圈谐振过电压、试验引起的中性点过电压扰动。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种小电流接地电网单相接地故障诊断方法，该方法应用于中性点不接地和中性点经消弧线圈接地的电网中；其特征在于，首先捕获用于故障诊断的电网运行参数，然后进行故障类型诊断，鉴别是单相接地故障、PT熔断、铁磁谐振、消弧线圈谐振过电压，或是试验引起的中性点过电压扰动，对是接地故障的进行选线。

所述的电网运行参数包括A相对地电压、B相对地电压、C相对地电压、中性点对地电压、当经消弧线圈接地时的中性点电流以及各支路零序电流在电网运行期间的稳态参数和暂态参数；其中稳态参数指在两次暂态波形之间各信号基波的平均幅值以及暂态波形前后各信号基波的幅值和相角；暂态参数是指系统由稳态到暂态又到稳态的录波数据，该数据采样率应大于5kb/s。

以5kb/s以上的采样率实时同步连续采集电网信号，当连续N个中性点电压瞬时值的平均值超过预设阀值U_zd时，捕获电网暂态波形，这里N是预设值；在中性点电压正常时，利用傅立叶变换计算各信号的工频幅值，并求取平均值。

所述的故障类型诊断采用如下诊断方法：

第一步：分别对A相对地电压、B相对地电压、C相对地电压计算谐波含量，形成周波谐波函数λ_A(n)、λ_B(n)、λ_C(n)，表示第n个周波的谐波含量，下标表示A、B、C各相；

第二步：分别对A相对地电压、B相对地电压、C相对地电压计算幅值，形成周波幅值函数

表示第n个周波的幅值，下标表示A、B、C各相；

第三步：对周波谐波函数λ_A(n)、λ_B(n)、λ_C(n)进行差分运算分别得到k_A(n)、k_B(n)、k_C(n)；对周波幅值函数

也进行差分运算分别得到W_A(n)、W_B(n)、W_C(n)；构造电压趋势函数ψ[W_o(n)、W_A(n)、W_B(n)、W_C(n)]，表征电压变化趋势；构造谐波趋势函数Φ[k_o(n)、k_A(n)、k_B(n)、k_C(n)]，表征电压谐波变化趋势；下标表示中性点、A、B、C各相；以上四类函数统称为故障电压描述函数；

第四步：根据上述故障电压描述函数进行故障辨识

单相接地故障特点：一相降低，两相升高；或者是一相有降低的变化趋势，两相有升高的变化趋势，非故障相电压不超过线电压，即 $\left|W_A\left(n\right)\right|<(\sqrt{3}-1),$ $\left|W_B\left(n\right)\right|<(\sqrt{3}-1),$ $\left|W_C\left(n\right)\right|<(\sqrt{3}-1)$

PT熔断：必定存在稳态，其中一相电压为0，另外两相电压仍为相电压幅值，如A相熔断即W_B(n)＝0 and W_C(n)＝0 and |W_A(n)|>＝1；

铁磁谐振：一相降低，两相升高且非故障相电压超过线电压，中性点电压超过100V，谐波含量高；

消弧线圈谐振过电压：谐振频率多为靠近工频(在一定失谐度存在的情况下)或者为等于工频(全补偿情况下)，不存在高频分量或者明显的低频分量，即|Φ(n)|<c，c为设定阀值；

试验引起的中性点过电压扰动：三相电压中，没有故障相，或者三相电压因为存在直流而偏移，或其他形式的电压同时升高

所述的接地故障选线采用如下方法：

稳态区间采用群体比幅比相法和5次谐波法，即支路零序电流工频和五次谐波选择幅值最大且方向与其他线路相反的线路作为故障支路；暂态区间采用首半波或小波能量法，即选择支路零序电流能量最大且极性与其他线路相反的线路作为故障支路；首先采用稳态区间选线，如果选出的支路幅值大于其他支路5倍以上可以作为最终选线结果；否则如果是中性点绝缘的电网，可以判断为母线故障，如果是中性点接消弧线圈的电网，再通过暂态区间选择故障支路；如果暂态能量集中且大于其他支路5倍以上的支路可以作为最终选线结果，否则找故障特征频段能量集中的支路作为故障支路；如果以上过程仍然无法确定故障支路，输入母线故障。

与现有技术相比，本发明充分利用了电网暂态和稳态信息，全面利用多种故障辨识算法，系统的分门别类的逐层进行故障辨识的故障诊断方法。不仅能辨识永久性故障，也能辨识瞬间故障；不仅适用于中性点不接地系统，也适用于中性点经消弧线圈接地的系统，同时适应于消弧线圈补偿失败的情况；不仅能辨识单相接地故障，还可以辨识PT熔断、铁磁谐振、消弧线圈谐振过电压、试验引起的中性点过电压扰动。

附图说明

图1为本发明电网参数记录的波形图。

具体实施方式

以5k/s以上的速率连续同步采集A相对地电压、B相对地电压、C相对地电压、中性点电压、中性点电流(当经消弧线圈接地时)以及各支路零序电流信号。实时监测中性点电压的变化，当中性点电压连续N个瞬时值超过预设阀值Uzd时(N是预设的值，N>1)，我们称第N个超限瞬时值为超限点，连续保存各路信号中性点电压超限点前M个周波的波形数据(M>＝2)和超限点后L个周波的信号(L>10)。记录下来的波形如图1所示。

在没有发现超限点的时候，按时间间隔T_jg1秒(T_jg1>1)，采用快速傅立叶变换周期性计算各路信号的工频幅值，并求取平均值。同时，每隔时间间隔T_jg2秒计算电网是否处于稳态，如果处于稳态则计算各支路的工频幅值和相角，并保存下来，但只保存各路信号最近的幅值和相角。同样在发现超限点后，马上开始计算电网是否处于稳态，如果进入稳态，则计算各路信号的幅值和相角，并将第一次计算的结果保存下来。

计算信号的幅值和相角采用快速傅立叶变换，计算电网是否处于稳态采用如下方法：

计算中性点电压每周波的谐波含量λ，并计算前后两周波的谐波含量差k_O(n)＝λ_O(n+1)-λ_O(n)以及幅值差 $W_O\left(n\right)=(A_O^{\&prime;}(n+1)-A_O^{\&prime;}\left(n\right))/A_O^{\&prime;}\left(n\right),$ 各周波幅值 $A\&prime;=\sqrt{\underset{1}{\overset{9}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_i^2}$ (其中i为奇数)，n表示第n个周波。

谐波含量λ定义为信号的各次谐波与有效值的比值， $\mathrm{\&lambda;}=\frac{\sqrt{\underset{3}{\overset{9}{\mathrm{\&Sigma;}}}}{A}_i^2}{\sqrt{\underset{1}{\overset{9}{\mathrm{\&Sigma;}}}}{A}_i^2}$

其中A为信号各次谐波幅值，下标i为谐波相对于基波整数倍，i为奇数，下标_O表示中性点电压；

如果录波数据连续m个周波满足k_O(n)<a且W_O(n)>b，m、a、b为预先设定各参数阀值，可以确定满足设定条件下的稳态。

在发现超限点并得到与此次超限点相关的稳态和暂态数据后，按如下方法辨识单相接地故障、PT熔断、铁磁谐振、消弧线圈谐振过电压、试验引起的中性点过电压扰动：

1、分别对A相对地电压、B相对地电压、C相对地电压的录波数据计算谐波含量，形成周波谐波函数λ_A(n)、λ_B(n)、λ_C(n)，表示第n个周波的谐波含量，下标表示A、B、C各相。

2、分别对A相对地电压、B相对地电压、C相对地电压的录波数据计算幅值，形成周波幅值函数

、、

，表示第n个周波的幅值，下标表示A、B、C各相。

3、对周波谐波函数λ_A(n)、λ_B(n)、λ_C(n)进行差分运算分别得到k_A(n)、k_B(n)、k_C(n)；对周波幅值函数也进行差分运算分别得到W_A(n)、W_B(n)、W_C(n)；构造电压趋势函数ψ[W_o(n)、W_A(n)、W_B(n)、W_C(n)]，表征电压变化趋势；构造谐波趋势函数Φ[k_o(n)、k_A(n)、k_B(n)、k_C(n)]，表征电压谐波变化趋势；下标表示中性点、A、B、C各相。以上四类函数统称为故障电压描述函数。

4、根据上述故障电压描述函数进行故障辨识

单相接地故障特点：一相降低，两相升高；或者是一相有降低的变化趋势，两相有升高的变化趋势，非故障相电压不超过线电压，即 $\left|W_A\left(n\right)\right|<(\sqrt{3}-1),$ $\left|W_B\left(n\right)\right|<(\sqrt{3}-1),$ $\left|W_C\left(n\right)\right|<(\sqrt{3}-1)$

PT熔断：必定存在稳态，其中一相电压为0，另外两相电压仍为相电压幅值，如A相熔断即W_B(n)＝0 and W_C(n)＝0 and |W_A(n)|>＝1；

铁磁谐振：一相降低，两相升高且非故障相电压超过线电压，中性点电压超过100V，谐波含量高。

消弧线圈谐振过电压：谐振频率靠近工频(在一定失谐度存在的情况下)或者等于工频(全补偿情况下)，不存在高频分量或者明显的低频分量，即|Φ(n)|<c，c为设定阀值。

试验引起的中性点过电压扰动：三相电压中，没有故障相，或者三相电压因为存在直流而偏移，或其他形式的电压同时升高

如果判定是单相接地故障，则按如下方法选线。稳态区间采用群体比幅比相法和5次谐波法，即支路零序电流工频和五次谐波选择幅值最大且方向与其他线路相反的线路作为故障支路；暂态区间采用首半波或小波能量法，即选择支路零序电流能量最大且极性与其他线路相反的线路作为故障支路。首先采用稳态区间选线，如果选出的支路幅值大于其他支路5倍以上可以作为最终选线结果；否则如果是中性点绝缘的电网，可以判断为母线故障，如果是中性点接消弧线圈的电网，再通过暂态区间选择故障支路。如果暂态能量集中且大于其他支路5倍以上的支路可以作为最终选线结果，否则找故障特征频段能量集中的支路作为故障支路。如果以上过程仍然无法确定故障支路，输入母线故障。

实施例：

某一母线电压等级为10KV，带5条支路，中性点不接地。采用10KB/S的速率对A相对地电压、B相对地电压、C相对地电压、中性点电压以及5个支路零序电流进行连续、同步、实时采样。

取中性点电压的阀值Uzd为相电压的30％，则 $\mathrm{Uzd}=0.3*10/\sqrt{3}=1732\left(V\right).$ 取N＝3，当中性点电压连续3个瞬时值超过1732(V)时，则第三个瞬时值所在的时刻为超限点。

在没有发现超限点的时候，每隔2秒连续记录中性点电压5个工频周波的数据，并按发明内容部分所述的电网稳态判定方法计算电网是否处于稳态。如处于稳态，则计算各采样信号的幅值和相角，并仅保留最近计算的结果。

在发现超限点的时候，取M＝8、L＝20，则记录所有被采样信号在超限点之前8个工频周期和之后20个工频周波的录波数据，同时保存各信号最近稳态时的幅值和相角。之后，马上记录中性点电压5个工频周波的数据，并计算电网是否处于稳态，如没有处于稳态，则马上继续记录中性点电压5个工频周波的数据，直到发现电网处于稳态为止。一旦发现电网处于稳态，则计算各采样信号的幅值和相角，并保存。

现在已知电网故障前的稳态参数、故障后的稳态参数和故障中28周波的录波数据。利用这些数据，首先按发明内容部分所述的故障类型辨识方法辨识故障类型。如果辨识结果是接地故障，则按发明内容部分所述选线方法选线。

Claims (5)

1、一种小电流接地电网单相接地故障诊断方法，该方法应用于中性点不接地和中性点经消弧线圈接地的电网中；其特征在于，首先捕获用于故障诊断的电网运行参数，然后进行故障类型诊断，鉴别是单相接地故障、PT熔断、铁磁谐振、消弧线圈谐振过电压，或是试验引起的中性点过电压扰动，对是接地故障的进行选线。

2、根据权利要求1所述的小电流接地电网单相接地故障诊断方法，其特征在于，所述的电网运行参数包括A相对地电压、B相对地电压、C相对地电压、中性点对地电压、当经消弧线圈接地时的中性点电流以及各支路零序电流在电网运行期间的稳态参数和暂态参数；其中稳态参数指在两次暂态波形之间各信号基波的平均幅值以及暂态波形前后各信号基波的幅值和相角；暂态参数是指系统由稳态到暂态又到稳态的录波数据，该数据采样率应大于5kb/s。

3、根据权利要求2所述的小电流接地电网单相接地故障诊断方法，其特征在于，以5kb/s以上的采样率实时同步连续采集电网信号，当连续N个中性点电压瞬时值的平均值超过预设阀值U_zd时，捕获电网暂态波形，这里N是预设值；在中性点电压正常时，利用傅立叶变换计算各信号的工频幅值，并求取平均值。

4、根据权利要求1所述的小电流接地电网单相接地故障诊断方法，其特征在于，所述的故障类型诊断采用如下诊断方法：

第一步：分别对A相对地电压、B相对地电压、C相对地电压计算谐波含量，形成周波谐波函数λ_A(n)、λ_B(n)、λ_C(n)，表示第n个周波的谐波含量，下标表示A、B、C各相；

第二步：分别对A相对地电压、B相对地电压、C相对地电压计算幅值，形成周波幅值函数

表示第n个周波的幅值，下标表示A、B、C各相；

第三步：对周波谐波函数λ_A(n)、λ_B(n)、λ_C(n)进行差分运算分别得到k_A(n)、k_B(n)、k_C(n)；对周波幅值函数也进行差分运算分别得到W_A(n)、W_B(n)、W_C(n)；构造电压趋势函数ψ[W_o(n)、W_A(n)、W_B(n)、W_C(n)]，表征电压变化趋势；构造谐波趋势函数Φ[k_o(n)、k_A(n)、k_B(n)、k_C(n)]，表征电压谐波变化趋势；下标表示中性点、A、B、C各相；以上四类函数统称为故障电压描述函数；

第四步：根据上述故障电压描述函数进行故障辨识

单相接地故障特点：一相降低，两相升高；或者是一相有降低的变化趋势，两相有升高的变化趋势，非故障相电压不超过线电压，即 $\left|W_A\left(n\right)\right|<(\sqrt{3}-1),$ $\left|W_B\left(n\right)\right|<(\sqrt{3}-1),$ $\left|W_C\left(n\right)\right|<(\sqrt{3}-1)$

PT熔断：必定存在稳态，其中一相电压为0，另外两相电压仍为相电压幅值，如A相熔断即W_B(n)＝0 and W_C(n)＝0 and|W_A(n)|>＝1；

铁磁谐振：一相降低，两相升高且非故障相电压超过线电压，中性点电压超过100V，谐波含量高；

消弧线圈谐振过电压：谐振频率多为靠近工频(在一定失谐度存在的情况下)或者为等于工频(全补偿情况下)，不存在高频分量或者明显的低频分量，即|Φ(n)|<c，c为设定阀值；

试验引起的中性点过电压扰动：三相电压中，没有故障相，或者三相电压因为存在直流而偏移，或其他形式的电压同时升高。

5、根据权利要求1所述的小电流接地电网单相接地故障诊断方法，其特征在于，所述的接地故障选线采用如下方法：

稳态区间采用群体比幅比相法和5次谐波法，即支路零序电流工频和五次谐波选择幅值最大且方向与其他线路相反的线路作为故障支路；暂态区间采用首半波或小波能量法，即选择支路零序电流能量最大且极性与其他线路相反的线路作为故障支路；首先采用稳态区间选线，如果选出的支路幅值大于其他支路5倍以上可以作为最终选线结果；否则如果是中性点绝缘的电网，可以判断为母线故障，如果是中性点接消弧线圈的电网，再通过暂态区间选择故障支路；如果暂态能量集中且大于其他支路5倍以上的支路可以作为最终选线结果，否则找故障特征频段能量集中的支路作为故障支路；如果以上过程仍然无法确定故障支路，输入母线故障。

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