CN102074950A

CN102074950A - 一种配电网接地故障消弧和保护方法

Info

Publication number: CN102074950A
Application number: CN2011100067012A
Authority: CN
Inventors: 曾祥君; 李健; 郭浩; 潘慧; 王阳; 王媛媛
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha Jingke Electric Technology Co. Ltd.
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2031-01-13
Also published as: CN102074950B

Abstract

本发明公开了一种配电网接地故障的消弧和保护方法，包括以下步骤：测量配电网三相电压和零序电压，检测接地故障和故障相；当接地故障发生时，向配电网注入电流，强制故障相电压为零和接地故障电流为零；延时一段时间，减小注入电流，如果零序电压成正比例减小，则表明故障点已熄弧，判断为瞬时性故障，减小注入电流到零，恢复配电网正常运行；否则判断为永久性故障，改变注入电流，根据零序电流变化量的幅值检测并隔离故障馈线，恢复配电网正常运行。本发明方法以故障相电压为控制目标，通过注入电流强制故障相电压为零，实现瞬时故障的100％消弧、永久故障的快速隔离。解决了电流消弧法消弧效果差、传统保护方法可靠性低的技术难题。

Description

一种配电网接地故障消弧和保护方法

技术领域

本发明涉及一种配电网接地故障消弧和保护方法。

背景技术

配电网深入用户终端，运行环境多变，易发生随机故障。约70％的故障是瞬时性接地故障。配电网对地存在电容和泄漏电阻，接地故障电流为电容电流和泄漏电流，为限制接地故障电流，我国配电网一般采用中性点不接地、经消弧线圈接地、经电阻接地等中性点非有效接地运行方式。随着城乡电网发展，电容电流增大，瞬时性接地故障消弧能力差，故障点的电弧难以自行熄灭，易产生故障过电压，引起多重事故，甚至造成多组开关柜和变压器烧毁的“火烧连营”事故，引发大面积停电，危及电网安全，影响社会稳定。

影响接地故障消弧的因素有：故障电流、间歇电弧过电压(包括故障相电压的恢复初速度、恢复时间与幅值)。故障电流越小，介质损伤越小，越有利于故障消弧；故障相电压的恢复初速度越慢、恢复时间越长、幅值越小，越难重新击穿绝缘介质，阻止电弧重燃，越有利于故障消弧。

当前配电网故障消弧方法一般从减小故障电流的角度出发，采用电流消弧法，仅仅以补偿电容电流为控制目标，该方法只能减少故障点无功残流，不能限制接地故障有功泄漏电流，没有直接考虑间歇电弧过电压，抑制过电压能力有限，接地故障消弧能力差，易发展为永久性故障，导致故障跳闸率和用户停电率高。

配电网接地保护技术一般通过接地故障电流自身特征量，简单判断，检测故障线路；由于小电流接地系统，接地故障电流小，故障特征量小，检测可靠性低，不能直接动作跳闸。

因此，发明一种配电网接地故障消弧和保护方法，实现瞬时故障的100％消弧、永久故障的快速跳闸隔离，具有深远意义和广阔应用前景。

发明内容

本发明提供一种新型的配电网接地故障消弧和保护方法，实现瞬时故障的100％消弧、永久故障的快速跳闸隔离，从而减少相间故障发生的几率，缩短配电网带故障运行时间，有效避免“火烧联营”事故发生，解决配电网故障消弧效果差、现有保护方法可靠性低的技术难题。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：

1)连续测量配电网三相电压和零序电压，检测接地故障和故障相；

2)接地故障发生时，向配电网注入电流

强制故障相电压为零和接地故障电流为零；

3)延时一段时间，减小注入电流，如果零序电压成正比例减小，表明故障点已熄弧，判断为瞬时性故障，减小注入电流到零，恢复配电网正常运行；否则，判断为永久性故障，改变注入电流，测量各条馈线的零序电流，根据零序电流变化量的幅值检测并隔离故障馈线，恢复配电网正常运行。

对于中性点不接地配电网，上述步骤2)中注入电流

从配电网中性点或任意一相母线或任意一相线路注入，

为：

{\overset{\cdot}{I}}_{i} = - \frac{3 {\overset{\cdot}{E}}_{φ}}{r_{0}} - j 3 {\overset{\cdot}{E}}_{φ} ω C_{0}

上式中

(φ＝A或B或C)为配电网故障相的电源电压，C₀为配电网单相对地电容，r₀为配电网单相对地泄漏电阻，ω为配电网工频角频率。

对于中性点经消弧线圈接地配电网，上述步骤2)中从配电网任意一相母线或任意一相线路或中性点或消弧线圈二次侧注入，折算到一次侧的注入电流

为：

{\overset{\cdot}{I}}_{i} = - \frac{3 {\overset{\cdot}{E}}_{φ}}{r_{0}} - j 3 {\overset{\cdot}{E}}_{φ} ω C_{0} + j \frac{{\overset{\cdot}{E}}_{φ}}{ωL}

上式中L为配电网所投入的消弧线圈的电感值。

上述步骤3)中延时时间取值范围为：0.1秒至1分钟。

上述步骤3)中故障馈线的检测方法为：比较各条馈线的零序电流变化量的幅值，其中幅值最大的馈线为故障馈线。

以下对本发明做进一步的说明。

图1为本发明的配电网接地故障消弧与保护方法示意图，

分别为配电网A、B、C三相电源电压，r₀为配电网单相对地的泄漏电阻，C₀为配电网单相对地电容，Load为三相负荷，R_d为过渡电阻，

为中性点位移电压，

为注入电流，L为配电网所投入的消弧线圈的电感值，K为单相高压开关。

当开关K断开时，配电网中性点不接地，若C相发生单相接地故障，注入电流

从配电网任意一相母线或任意一相线路或中性点注入，由电路知识中的基尔霍夫定律可知：

{\overset{\cdot}{I}}_{i} = ({\overset{\cdot}{E}}_{A} + {\overset{\cdot}{U}}_{0}) (jω C_{0} + \frac{1}{r_{0}}) + ({\overset{\cdot}{E}}_{B} + {\overset{\cdot}{U}}_{0}) (jω C_{0} + \frac{1}{r_{0}}) + ({\overset{\cdot}{E}}_{C} + {\overset{\cdot}{U}}_{0}) (jω C_{0} + \frac{1}{r_{0}} + \frac{1}{R_{d}})

= ({\overset{\cdot}{E}}_{A} + {\overset{\cdot}{E}}_{B} + {\overset{\cdot}{E}}_{C} + 3 {\overset{\cdot}{U}}_{0}) (jω C_{0} + \frac{1}{r_{0}}) + \frac{{\overset{\cdot}{E}}_{C} + {\overset{\cdot}{U}}_{0}}{R_{d}}

设三相电源对称：

则：

如果注入电流取值为：则

即故障相电压

为零，强制通过故障点的故障电流也为零，达到故障熄弧的理想条件，从而接地电弧得以彻底消除，实现瞬时故障的100％消弧。

当开关K闭合时，配电网中性点经消弧线圈接地，C相发生单相接地故障时，注入电流

从配电网任意一相母线或任意一相线路或中性点或消弧线圈二次侧注入，折算到一次侧，由电路知识中的基尔霍夫定律可知：

{\overset{\cdot}{I}}_{i} = ({\overset{\cdot}{E}}_{A} + {\overset{\cdot}{U}}_{0}) (jω C_{0} + \frac{1}{r_{0}}) + ({\overset{\cdot}{E}}_{B} + {\overset{\cdot}{U}}_{0}) (jω C_{0} + \frac{1}{r_{0}}) + ({\overset{\cdot}{E}}_{C} + {\overset{\cdot}{U}}_{0}) (jω C_{0} + \frac{1}{r_{0}} + \frac{1}{R_{d}}) - j \frac{{\overset{\cdot}{U}}_{0}}{ωL}

= ({\overset{\cdot}{E}}_{A} + {\overset{\cdot}{E}}_{B} + {\overset{\cdot}{E}}_{C} + 3 {\overset{\cdot}{U}}_{0}) (jω C_{0} + \frac{1}{r_{0}}) + \frac{{\overset{\cdot}{E}}_{C} + {\overset{\cdot}{U}}_{0}}{R_{d}} - j \frac{{\overset{\cdot}{U}}_{0}}{ωL}

设三相电源对称：

则：

如果注入电流取值为：

则

即故障相电压

根据电路知识中的齐性定理分析，在线性电路中，当激励增大或减小N倍时，响应零序电压也将同样增大或缩小N倍。所以减少注入电流，如果零序电压成正比例减小，则表明故障点已熄弧，判断为瞬时性故障；否则，判断为永久性故障，进行接地故障保护。

设配电网有多条馈线，改变注入电流，导致零序电压变化量为

则故障馈线m的零序电流为：

{\overset{\cdot}{I}}_{0 m} = \frac{\overset{\cdot}{U_{0}}}{{\overset{\cdot}{Z}}_{0 m}} + \frac{{\overset{\cdot}{E}}_{C} + \overset{\cdot}{U_{0}}}{R_{d}}

式中

为馈线m对地的零序阻抗。

改变注入电流前后故障馈线m的零序电流变化量为：

Δ {\overset{\cdot}{I}}_{0 m} = Δ {\overset{\cdot}{U}}_{0} / {\overset{\cdot}{Z}}_{0 m} + Δ \overset{\cdot}{U_{0}} / R_{d}

式中

为零序电压变化量。

任意正常馈线n的零序电流变化量为：

Δ {\overset{\cdot}{I}}_{0 n} = Δ {\overset{\cdot}{U}}_{0} / {\overset{\cdot}{Z}}_{0 n}

式中

为馈线n对地的零序阻抗。

由于线路的零序阻抗值一般远大于故障点对地电阻值：

| {\overset{\cdot}{Z}}_{0 n} | > > R_{d}, | \overset{\cdot}{Z_{0 m}} | > > R_{d} .

则故障馈线m的零序电流变化量远大于正常馈线n的零序电流变化量：

| {\overset{\cdot}{I}}_{0 m} | > > | {\overset{\cdot}{I}}_{0 n} | .

因此，测量比较各条馈线的零序电流变化量，其中幅值最大的馈线为故障馈线。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是配电网接地故障消弧与保护方法示意图。

图2是本发明的流程图。

图3是中性点不接地配电网单相接地故障(接地过渡电阻100欧姆)时的接地故障电流图。

图4是中性点不接地配电网单相接地故障(接地过渡电阻100欧姆)时从配电网中性点注入电流

后的接地故障电流图。

具体实施方式

图2是本发明的流程图。首先连续测量配电网三相电压和零序电压，检测接地故障和故障相；当零序电压大于15％相电压，判断接地故障发生，比较三相电压大小，判断电压最低相为故障相。向配电网注入电流，强制故障相电压为零和接地故障电流为零；延时一段时间后(如5s)，减小注入电流，如果零序电压成正比例减小，则说明故障点已熄弧，判断为瞬时性故障，减小注入电流到零，恢复配电网正常运行；否则判断为永久性故障，改变注入电流，比较各馈线零序电流变化量的幅值，判断电流变化量最大的馈线为故障馈线，断开断路器，隔离故障馈线，恢复配电网正常运行。

为了验证本发明所描述的一种接地故障消弧的可行性，采用EMTP和MATLAB仿真分析软件对图1所示配电网进行了仿真分析。

表1

针对不同中性点接地方式、不同故障电阻，配电网仿真测试结果如表1所示。发生单相接地故障后，故障电流幅值较大，通过注入电流可限制故障点的电流趋近于零，可靠熄灭电弧。

图3是中性点不接地配电网单相接地故障(接地过渡电阻100欧姆)时的接地故障电流图，图4是中性点不接地配电网单相接地故障(接地过渡电阻100欧姆)时从配电网中性点注入电流

后的接地故障残流图。可以看出：故障发生5ms后注入电流

限制故障点的电流为零，可靠熄灭电弧。

如果故障延时5s后，减小注入电流

零序电压变化如表2所示，成正比减小，表明故障点电弧熄灭；则减小注入电流到零，恢复配电网正常运行。

表2

注入电流大小(A)	零序电压大小(kV)
		79.80	5.89

63.84	4.72
		51.07	3.77
40.86	3.02
		32.69	2.41
26.15	1.93

表3

如果减小注入电流

零序电压减小速度缓慢，不成正比减小，表明故障点电弧没有熄灭，为永久性故障；则根据注入电流变化前后各馈线零序电流变化量的幅值进行接地故障保护，如表3所示幅值最大的馈线4为故障馈线。并动作馈线4断路器跳闸，隔离故障馈线，同时减小注入电流

到零，恢复配电网正常运行。

从上述仿真分析结果可以看出，以故障相电压为控制目标的电压消弧法，通过注入电流使故障相电压为零，强制接地故障电流基本为零，实现了瞬时故障的100％消弧，永久故障的快速隔离。

Claims

1.一种配电网接地故障消弧和保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

2)接地故障发生时，向配电网注入电流

强制故障相电压为零和接地故障电流为零；

2.根据权利要求1所述的配电网接地故障消弧和保护方法，其特征在于：配电网中性点不接地时，所述步骤2)中注入电流

从配电网中性点或任意一相母线或任意一相线路注入，

为：

{\overset{\cdot}{I}}_{i} = - \frac{3 {\overset{\cdot}{E}}_{φ}}{r_{0}} - j 3 {\overset{\cdot}{E}}_{φ} ω C_{0}

上式中(φ＝A或B或C)为配电网故障相的电源电压，C₀为配电网单相对地电容，r₀为配电网单相对地泄漏电阻，ω为配电网工频角频率。

3.根据权利要求1所述的配电网接地故障消弧和保护方法，其特征在于：配电网中性点经消弧线圈接地时，所述步骤2)中注入电流

从配电网任意一相母线或任意一相线路或中性点或消弧线圈二次侧注入，折算到一次侧的注入电流

为：

{\overset{\cdot}{I}}_{i} = - \frac{3 {\overset{\cdot}{E}}_{φ}}{r_{0}} - j 3 {\overset{\cdot}{E}}_{φ} ω C_{0} + j \frac{{\overset{\cdot}{E}}_{φ}}{ωL}

上式中L为配电网所投入的消弧线圈的电感值。

4.根据权利要求1所述的配电网接地故障消弧和保护方法，其特征在于：所述步骤3)中延时时间取值范围为：0.1秒至1分钟。

5.根据权利要求1所述的配电网接地故障消弧和保护方法，其特征在于：所述步骤3)中故障馈线的检测方法为：比较各条馈线的零序电流变化量的幅值，其中幅值最大的馈线为故障馈线。