CN101452041B - 配电网单相接地故障类型及相别的判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网单相接地故障类型及相别的判别方法，涉及交流配电网测试及继电保护技术领域中的一种配电网单相接地故障判别方法。本发明是通过采集配电网系统的三相电压以及中性点电压，利用特定关系式计算出各特征向量的相角，通过相角判别逻辑，快速准确判断出故障的类型及相别。本发明的工作系统是三相母线(000)、接地变压器(100)、消弧线圈(200)的一次侧和大地依次连接；控制器(400)、可控硅(300)和消弧线圈(200)的二次侧依次连接。本发明判据简单，采集量少，判别速度快，准确度高，安全可靠；适用于3～66kV基于架空线或电力电缆的配电网。

Description

配电网单相接地故障类型及相别的判别方法

技术领域

本发明涉及交流配电网测试及继电保护技术领域中的一种配电网单相接地故障判别方法，尤其涉及一种配电网单相接地故障类型及相别的判别方法，主要用于判别3～66kV等级电网系统单相接地故障的类型及相别。

背景技术

目前国内的自动消弧成套装置对于配网单相接地故障的判别方法只能判别电网是否出现故障，而无法准确判别出故障的具体类型和具体相别，从而造成消弧线圈的拒动作或误动作，对配电网系统产生不利的影响；而对于电网运行维护人员来说，当出现接地故障的时候，由于不清楚故障的类型和相别，通常只能根据经验来判断和处理，处理过程中，如果判断错误则有可能造成故障扩大，形成事故，不利于电网的安全运行。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有判别方法无法准确鉴别故障相别及类型的缺点，提供一种配电网单相接地故障类型及相别的判别方法，需采集的模拟量少，计算简单，能够快速有效地判别出单相接地故障的相别及类型。

本发明采用的技术方案如下：

一、判别方法

通过采集配电网系统的三相电压以及中性点电压，利用特定关系式计算出各特征向量的相角，通过相角判别逻辑，快速准确判断出故障的类型及相别。

控制器于每个监视周期(可根据需要整定为2倍、4倍或8倍工频周期)通过电压互感器从三相电网中采样得各相电压U_A，U_B，U_C及中性点位移电压U₀₀的矢量，检测中性点位移电压的幅值|U₀₀|，若该幅值小于等于额定值(额定值可根据电网运行情况整定为相电压的15％～30％)，那么仅记录本周期采样的U₀₀；若|U₀₀|大于额定值，则补偿功能启动，进入故障判别流程，控制器计算出上述电压矢量的相角φ_A，φ_B，φ_C，以及本次与前次中性点位移向量差的相角φ＝arg(U₀₀’-U₀₀)，进入相位比较逻辑，判断出具体的故障类型。

具体地说，本判别方法包括下列步骤：

①每个监视周期采集并记录电网系统的中性点位移电压U₀₀，并计算|U₀₀|的大小；若|U₀₀|小于额定值，则认为系统处于正常状态，否则，进入故障判别状态；

②进入判别状态后，同步采集母线上的三相电压U_A，U_B，U_C及系统的中性点位移电压U₀₀’，计算U_A，U_B，U_C及U₀₀’-U₀₀的相位；

③计算U_A的相位与U₀₀’-U₀₀的相位之差，根据结果处于的不同故障区域，返回A相的故障类型；B相和C相的判别方法同A相。

二、配电网自动消弧系统

本发明可用于配电网自动消弧系统，该系统包括三相母线，设置有接地变压器、消弧线圈、可控硅和控制器；

三相母线、接地变压器、消弧线圈的一次侧和大地依次连接；控制器、可控硅和消弧线圈的二次侧依次连接。

接地变压器的作用是为三角形接法的配电网提供系统中性点；消弧线圈通过对系统中性点提供补偿电流以达到灭除电弧的效果；可控硅的作用是通过改变导通角来控制消弧线圈的补偿度；控制器是系统的核心，其作用在于信号的采集、处理，控制信号的输出以及人机接口。

本发明具有下列优点和积极效果：

1、利用中性点不接地电网发生不同故障时，各相电压和中性点位移电压的相角关系不同的特点，判别故障类型及相别，所需模拟量少，计算简单，判别速度快，准确度高，稳定可靠；

2、由于能够准确判别故障的类型及相别，因而确保消弧线圈补偿的准确动作，而且，运行维护人员可根据报告的故障信息，准确快速地分析并处理故障，避免由于判断失误而造成的故障扩大，避免事故的发生；

3、本发明对输电线路介质不敏感，适用于3～66kV基于架空线或电力电缆的配电网。

附图说明

图1是配电网自动消弧系统的结构方框图；

图2是控制器的结构方框图；

图3是配电网单相接地时的简化电路图；

图4是配电网两相断线时的简化电路图；

图5是配电网单相断线时的简化电路图；

图6是故障判别方法的流程图。

其中：

000-三相母线；

100-接地变压器；

200-消弧线圈；

300-可控硅；

400-控制器；

  410-信号采集模块；

    411-三相电压互感器；

    412-单相电压互感器；

    413-单相电流互感器；

    414-信号处理电路；

  420-分析判别模块；

    421-数字信号处理器(DSP)；

    422-可编程逻辑器件(PLD)；

  430-补偿控制模块；

  440-人机接口模块；

    441-微处理器(MCU)；

    442-液晶显示器；

    443-键盘；

    444-通信接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、配电网自动消弧系统

1、总体

(1)系统结构

如图1，本发明的工作平台为一种配电网自动消弧系统，包括三相母线000，设置有接地变压器100、消弧线圈200、可控硅300和控制器400；

三相母线000、接地变压器100、消弧线圈200的一次侧和大地依次连接；控制器400、可控硅300和消弧线圈200的二次侧依次连接。

(2)系统工作原理：

接地变压器100的作用是为三角形接法的电路产生中性点；消弧线圈200带有二次绕组，用以控制线圈投入程度；可控硅300的导通角可从0°到180°连续调节，以产生连续可调的补偿电流；控制器400通过对外部一组三相电压互感器(TV)、一组零序电压互感器(TV)以及一组零序电流互感器(TA)，分别用来采样U_A，U_B，U_C，中性点位移电压U₀₀，以及I_n，控制器400通过对上述模拟量的实时分析计算，准确判断出故障类型及相别，在控制器400的人机界面显示，或通过通信接口传送到变电站信息主站，同时，控制器400计算出补偿值，控制可控硅300对电网进行补偿。

(3)测试原理

如图3，系统发生单相接地故障时，以A相为例，接地阻抗为g_f，此时：

Y_A＝g_f+g_A+jωC_A，Y_B＝g_B+jωC_B、Y_C＝g_C+jωC_C

假设：g_A＝g_B＝g_C＝g₀。

根据基尔霍夫定律，计算可得中性点不接地配电网系统发生单相接地时：

${{\stackrel{\·}{U}}_{00}}^{\′}-{\stackrel{\·}{U}}_{00}=-\frac{g_f}{3g_0+\mathrm{j\ω}(C_A+C_B+C_C)}{\stackrel{\·}{U}}_{A0}---(1-1)$

如图4、5，电网发生断线时，根据输电线路的对地参数分布的特点，将其简化为按照线路长度成比例分布，例如，断线处的距离占线路总长度的比例为m(0＜m＜1)，此时，线路的对地参数：

Y_A′＝mY_A＝m(g_A+jωC_A)

发生两相断线时，以B相、C相断线为例，根据基尔霍夫定律计算，可得：

${{\stackrel{\·}{U}}_{00}}^{\′}-{\stackrel{\·}{U}}_{00}=-\frac{1-m}{m}\·\frac{g_0+\mathrm{j\ω}{C}_A}{3g_0+\mathrm{j\ω}(C_A+C_B+C_C)}{\stackrel{\·}{U}}_{A0}---(1-2)$

发生单相断线时，以A相为例，根据基尔霍夫定律计算，可得：

${{\stackrel{\·}{U}}_{00}}^{\′}-{\stackrel{\·}{U}}_{00}=(1-m)\·\frac{g_0+\mathrm{j\ω}{C}_A}{3g_0+\mathrm{j\ω}(C_A+C_B+C_C)}{\stackrel{\·}{U}}_{A0}---(1-3)$

由式(1-1)、(1-2)及(1-3)可知：当不考虑漏电导g₀时，若A相单相接地，则

超前

相位90°；若系统发生两相(B、C相)断线故障，

与

的相位差为180°，则；若系统发生单相(A相)断线故障，

与的相位差为0°。

若考虑漏电导g₀，根据系统运行经验，配电网的阻尼率：

$d_0=\frac{{3g}_0}{\mathrm{\ω}(C_A+C_B+C_C)}\≤2$

因此，可计算得到，各种情况相角偏差不超过2°。

2、各功能块

(1)接地变压器100

在我国，绝大多数配电网都是三角形连接方式，没有中性点接地，接地变压器100的作用是为三角形连接的配电网提供一个系统中性点，以便连接消弧线圈200。接地变压器100是一台Y/Z连接方式的变压器，其一次侧连接于三相母线000，Z型连接的三相绕组可提供较大的零序阻抗。

(2)消弧线圈200

消弧线圈200是带有二次绕组的一组漏阻抗很大的电感线圈。在线圈制造过程中，通过加入气隙以增加线圈的漏阻抗，可改善线圈的线性度。通过改变线圈的二次绕组可调整电感线圈的投入量，以实现准确连续补偿的功能。

(3)可控硅300

可控硅是一组反向并联的可控硅器件，其导通角度可从0°到180°连续调整，以实现对地电流的准确补偿。

(4)控制器400

控制器400是本发明的核心。

如图2，控制器400由信号采集模块410、分析判别模块420、补偿控制模块430和人机接口模块440组成；

其连接关系是：

分析判别模块420是控制器400的核心；信号采集模块410、补偿控制模块430和人机接口440分别连接于分析判别模块420。

其中：

①信号采集模块410

信号采集模块410由三相电压互感器411、单相电压互感器412、单相电流互感器413和信号处理电路414组成；

三相电压互感器411、单相电压互感器412和单相电流互感器413分别与信号处理电路414连接；信号处理电路414将电流、电压信号送至分析判别模块420。

②分析判别模块420

分析判别模块420主要由前后连接的数字信号处理器(DSP)421和可编程逻辑器件(PLD)422组成；数字信号处理器421带有模拟数字(A/D)转换功能，对采集得到的数据进行判别处理，计算补偿参数。

③补偿控制模块430

补偿控制模块430是一种常用件，根据分析判别模块420计算得到的补偿参数生成补偿信号控制可控硅300的导通角。

④人机接口模块440

人机接口模块440由微处理器(MCU)441和键盘443、液晶显示器442、通信接口444组成；键盘443、液晶显示器442和通信接口444分别连接于微处理器441，其作用是为操作者提供输入、显示和数据通信等功能。

二、故障判别方法的工作流程

如图6，本故障判别方法的工作流程包括下列步骤：

①在每个检测周期检测中性点位移电压U₀₀并计算其幅值|U₀₀|的大小10；

②判断|U₀₀|的大小20，若小于额定值，则认为系统处于正常状态，跳转到步骤⑧，否则，进入步骤③，开始故障判别；

③在故障状态下，同步采集三相母线上的电压U_A，U_B，U_C及系统的中性点位移电压U₀₀’，并计算U_A，U_B，U_C及U₀₀’-U₀₀的相位，分别进入步骤④、步骤⑤和步骤⑥，并行判别三相故障类型30；

④进入A相故障判别过程40，判断U_A和U₀₀’-U₀₀的相位差所处的区域，若：

*相位差为90°±Δφ，则判断A相发生接地故障41；

*相位差为0°±Δφ，则判断A相发生断线故障42；

*相位差为180°±Δφ，则判断B、C两相发生断线故障43；

其中，±Δφ为置信区间，可根据实际运行参数调整；

⑤进入B相故障判别过程50，方法同步骤④；

⑥进入C相故障判别过程60，方法同步骤④；

判断出结果后进入步骤⑦；

⑦返回故障的类型及相别70；

⑧仅记录U₀₀的相位80，判别流程返回。

Claims (2)

1.一种配电网单相接地故障类型及相别的判别方法，其特征在于包括下列步骤：

①每个监视周期采集并记录电网系统的中性点位移电压U₀₀，并计算|U₀₀|的大小；若|U₀₀|小于额定值，则认为系统处于正常状态，否则，进入故障判别状态，具体操作步骤为：

a、在每个检测周期检测中性点位移电压U₀₀并计算其幅值|U₀₀|的大小(10)；

b、判断|U₀₀|的大小(20)，若小于额定值，则认为系统处于正常状态，跳转到步骤h，否则，进入步骤c，开始故障判别；

②进入判别状态后，同步采集母线上的三相电压U_A，U_B，U_C及系统的中性点位移电压U₀₀’，计算U_A，U_B，U_C及U₀₀’-U₀₀的相位，具体操作步骤为：

c、在故障判别状态下，同步采集三相母线上的电压U_A，U_B，U_C及系统的中性点位移电压U₀₀’，并计算U_A，U_B，U_C及U₀₀’-U₀₀的相位，分别进入步骤d、步骤e和步骤f，并行判别三相故障类型(30)；

③计算U_A的相位与U₀₀’-U₀₀的相位之差，根据结果处于的不同故障区域，返回A相的故障类型；B相和C相的判别方法同A相，具体操作步骤为：

d、进入A相故障判别过程(40)，判断U_A和U₀₀’-U₀₀的相位差所处的区域，若：

*相位差为90°±Δφ，则判断A相发生接地故障(41)；

*相位差为0°±Δφ，则判断A相发生断线故障(42)；

*相位差为180°±Δφ，则判断B、C两相发生断线故障(43)；

其中，±Δφ为置信区间，可根据实际运行参数调整；

e、进入B相故障判别过程(50)，方法同步骤d；

f、进入C相故障判别过程(60)，方法同步骤d；

判断出结果后进入步骤g；

g、返回故障的类型及相别(70)；

h、仅记录U₀₀的相位(80)，判别流程返回。

2.一种实现权利要求1所述的判别方法的配电网自动消弧系统，包括三相母线(000)，其特征在于：

设置有接地变压器(100)、消弧线圈(20)、可控硅(300)和控制器(400)；

三相母线(000)、接地变压器(100)、消弧线圈(200)的一次侧和大地依次连接；控制器(400)、可控硅(300)和消弧线圈(200)的二次侧依次连接；

控制器(400)是信号采集模块(410)、补偿控制模块(430)和人机接口(440)分别连接于分析判别模块(420)；

所述的信号采集模块(410)是三相电压互感器(411)、单相电压互感器(412)和单相电流互感器(413)分别与信号处理电路(414)连接；

所述的分析判别模块(420)主要由前后连接的数字信号处理器(421)和可编程逻辑器件(422)组成；

所述的人机接口模块(440)是键盘(443)、液晶显示器(442)和通信接口(444)分别连接于微处理器(441)。

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