CN102288875B - 一种小电流接地选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小电流接地选线方法，其特征在于，包括下列步骤：1）采用配电网中性点位移电压作为特征量，正确识别配电网是否发生了单相接地故障；2）如果发生接地故障，消弧线圈对故障点的接地电流进行补偿，以减小接地电流、熄灭接地弧光；3）通过断开中性点与消弧线圈之间的开关机构，使消弧线圈短时退出运行；4）通过分析消弧线圈退出前后各条线路零序电流的变化值选出发生单相接地故障的线路；5）选出故障线路后再次投入消弧线圈，保证消弧线圈发挥补偿效果。本发明可准确地选出发生单相接地故障的线路。

Description

一种小电流接地选线方法

技术领域

本发明属电力系统自动化领域，本发明主要适用于配电网中性点经消弧线圈接地系统，更准确地说是一种选出发生单相接地故障线路的方法。

背景技术

我国配电网运行过程中单相短路接地故障多发，同时随着城市配电网改造，电缆出线日渐增多，系统对地电容电流急剧增加，接地弧光不易自动熄灭，容易产生间隙弧光过电压，如果不采取有效措施，极易造成相间短路，使事故扩大，影响供电质量，因此经消弧线圈的接地方式逐渐获得认可，在中低压配电网中逐步被广泛采用。

但是，配电网接入消弧线圈后给接地选线技术带来了难题，由于消弧线圈对接地点的故障电流进行了补偿，使得故障线路的零序电流特征量变得很不明显，从而影响了单相接地故障选线的准确性，降低了配电网运行控制的自动化水平，增加了运行现场的维护工作量。如果在实现系统消弧线圈自动跟踪补偿功能的基础上，能够为接地选线提供显著的选线特征量，以解决消弧线圈对传统单相接地选线技术造成影响的难题，这对于提高配电网运行的安全性、可靠性、经济性和自动化水平均具有十分重要的意义。

文献一《小电流接地系统中一种新型故障选线方法》(中国专利申请号200910230433.5)披露了一种在消弧线圈接地系统中利用各条线路零序电流的五次谐波进行选线的方法，该方法先选出三个幅值最大的零序五次谐波电流，然后对选出的三个零序五次谐波电流进行相位比较，从而判别出故障线路或母线故障。该专利所描述的方法以五次谐波为选线特征量，不过由于消弧线圈的补偿效果，各条线路的零序电流值很小，其五次谐波值更为微弱，加之使用现场的电磁干扰严重，很难准确测量五次谐波值，使得该方法的实用效果不理想，选线准确性不高。

文献二《配电网小电流接地系统故障选线方法》(中国专利申请号200910304934.3)，披露了一种利用并联电阻进行选线的方法，该方法将并联电阻接在变压器中性点与地之间，与消弧线圈并联连接，当配电网系统发生接地故障后投切并联电阻，通过比较并联电阻投切前后各条出线的零序电流实现故障选线。该方法具备一定的实用性，不过从选线特征量的显著性考虑还具备提升的空间，此外，并联电阻直接接在中性点与地之间，实际运行时对电阻的要求很高，因此该方法的准确性和可靠性还需要进一步提高。

发明内容

本发明的发明目的是：为配电网中性点经消弧线圈接地系统提供一种准确性高且运行可靠的接地选线方法，该方法能够提供明显的选线特征量，同时该方法实用性好，准确性高，且不会降低现场运行的可靠性和安全性。

为了实现上述目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的：

一种小电流接地选线方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)采用配电网中性点位移电压作为特征量，正确识别配电网是否发生了单相接地故障；

(2)如果发生接地故障，消弧线圈对故障点的接地电流进行补偿，以减小接地电流、熄灭接地弧光；

(3)通过断开中性点与消弧线圈之间的开关机构，使消弧线圈短时退出运行；

(4)通过分析消弧线圈退出前后各条线路零序电流的变化值，准确、可靠地选出发生单相接地故障的线路；

(5)选出故障线路后再次投入消弧线圈，保证消弧线圈发挥补偿效果。

前述的小电流接地选线方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，识别是否发生单相接地故障的方法为：

中性点位移电压U₀的计算公式为：

${\stackrel{\·}{U}}_0={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\δ}}*\frac{1}{j(3\mathrm{\ωC}+\frac{1}{\mathrm{\ωL}})}=\frac{-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\ψ}}}{(R_d+\frac{1}{j(3\mathrm{\ωC}+\frac{1}{\mathrm{\ωL}})})}*\frac{1}{j(3\mathrm{\ωC}+\frac{1}{\mathrm{\ωL}})}$

$=\frac{-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\ψ}}}{1+j{R}_d(3\mathrm{\ωC}+\frac{1}{\mathrm{\ωL}})}$ (ωj的定义)(1)，

式中U₀为中性点位移电压；U_ψ为系统相电压；R_d为接地电阻；L为消弧线圈的电感；C为系统单相对地电容；I_δ为消弧线圈补偿后的残流，ω为系统角频率，j为虚数单位。

当中性点位移电压U₀的值小于15％U_ψ时为正常运行，当U₀大于预先设定的阈值U_0zd(通常U_0zd可取50％U_ψ)则判定为发生单相接地故障。

前述的小电流接地选线方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，当消弧线圈退出前后故障线路零序电流的变化值大为其中I_0i′为退出消弧线圈后非故障线路零序电流；而非故障线路零序电流的变化值为0，因此二者有明显区别，利用该特点可以准确选出故障线路。

前述的小电流接地选线方法，其特征在于：所述步骤(3)中的开关机构为断路器、接触器或其他适用的开关器件。

本发明所达到的有益效果：

本发明的小电流接地选线方法，通过改变消弧线圈的运行状态，再分析消弧线圈退出前后各条线路零序电流的变化情况来选线，选线特征量明显，判据可靠，选线准确性高；实现简便，成本可控，实用性好；不影响现场运行的可靠性和安全性；对消弧线圈的补偿效果影响不大。

附图说明

图1是采用本发明的配电网中性点经消弧线圈接地系统的结构图。

图2是配电网经中性点消弧线圈接地系统的等效电路图。

图3是配电网中性点不接地系统的等效电路图。

图4是实施例的系统结构图。

图5是实施例的仿真波形图。

具体实施方式

在本发明中，披露了通过改变消弧线圈的运行状态进行接地选线的方法。图1是配电网中性点经消弧线圈接地的系统模型，当配电网正常运行时，开关机构K闭合，消弧线圈接入电网。当配电网发生单相接地故障时，待确认故障状态后，断开开关结构K，使消弧线圈退出运行。这样会产生明显的零序电流特征量，有利于准确选出故障线路。

图2为发生单相接地故障时，接入消弧线圈的配电网等效电路。图中U₀为中性点位移电压；U_ψ为系统相电压；R_d为接地电阻；L为消弧线圈的电感；C为系统单相对地电容；I_δ为消弧线圈补偿后的残流，ω为系统角频率，j为虚数单位。

中性点位移电压U₀的计算公式为：

${\stackrel{\·}{U}}_0={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\δ}}*\frac{1}{j(3\mathrm{\ωC}+\frac{1}{\mathrm{\ωL}})}=\frac{-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\ψ}}}{(R_d+\frac{1}{j(3\mathrm{\ωC}+\frac{1}{\mathrm{\ωL}})})}*\frac{1}{j(3\mathrm{\ωC}+\frac{1}{\mathrm{\ωL}})}$

$=\frac{-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\ψ}}}{1+j{R}_d(3\mathrm{\ωC}+\frac{1}{\mathrm{\ωL}})}---\left(1\right)$

线路i(i≠n)为非故障线路，其零序电流为：

${\stackrel{\·}{I}}_{0i}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Ai}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Bi}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Ci}}$

$=\mathrm{j\ω}{C}_{0i}{{\stackrel{\·}{U}}_A}^{,}+\mathrm{j\ω}{C}_{0i}{{\stackrel{\·}{U}}_B}^{,}+\mathrm{j\ω}{C}_{0i}{{\stackrel{\·}{U}}_C}^{,}$

$=\mathrm{j\ω}{C}_{0i}({\stackrel{\·}{U}}_0+{\stackrel{\·}{U}}_A)+\mathrm{j\ω}{C}_{0i}({\stackrel{\·}{U}}_0+{\stackrel{\·}{U}}_B)+\mathrm{j\ω}{C}_{0i}({\stackrel{\·}{U}}_0+{\stackrel{\·}{U}}_C)$

$=j3{\stackrel{\·}{U}}_0\mathrm{\ω}{C}_{0i}---\left(2\right)$

其中，C_0i为线路i的单相对地电容，I_Ai、I_Bi、I_Ci为线路i三相对地电容电流，U_A、U_B、U_C为系统相电压。

设线路n为发生单相接地故障的线路，其故障相C相的电流为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Cn}}=-(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{I}}_{0i}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{An}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Bn}})+{\stackrel{\·}{I}}_L---\left(3\right)$

则线路n的零序电流为： ${\stackrel{\·}{I}}_{0n}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{An}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Bn}}{+\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Cn}}=-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{I}}_{0i}+{\stackrel{\·}{I}}_L---\left(4\right)$

式中，I_An、I_Bn、I_Cn为故障线路n三相对地电容电流，I_L为消弧线圈输出电感电流，即故障线路零序电流大小为非故障线路零序电容电流与消弧线圈零序电感电流之和，方向与消弧线圈的补偿度有关。

图3为发生单相接地故障时，退出消弧线圈的配电网等效电路，I_jd为接地点电流。此时，中性点位移电压U₀’的计算公式为：

${{\stackrel{\·}{U}}_0}^{\′}{=\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{jd}}*\frac{1}{j\left(3\mathrm{\ωC}\right)}=\frac{-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\ψ}}}{(R_d+\frac{1}{j\left(3\mathrm{\ωC}\right)})}*\frac{1}{j\left(3\mathrm{\ωC}\right)}=\frac{-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\ψ}}}{1+j{R}_d\left(3\mathrm{\ωC}\right)}---\left(5\right)$

线路i(i≠n)为非故障线路，其零序电流为：

${\stackrel{\·}{I}}_{0i}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Ai}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Bi}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Ci}}$

$=\mathrm{j\ω}{C}_{0i}{{\stackrel{\·}{U}}_A}^{,}+\mathrm{j\ω}{C}_{0i}{{\stackrel{\·}{U}}_B}^{,}+\mathrm{j\ω}{C}_{0i}{{\stackrel{\·}{U}}_C}^{,}$

$=\mathrm{j\ω}{C}_{0i}({{\stackrel{\·}{U}}_0}^{\′}+{\stackrel{\·}{U}}_A)+\mathrm{j\ω}{C}_{0i}({{\stackrel{\·}{U}}_0}^{\′}+{\stackrel{\·}{U}}_B)+\mathrm{j\ω}{C}_{0i}({{\stackrel{\·}{U}}_0}^{\′}+{\stackrel{\·}{U}}_C)$

$=j3{{\stackrel{\·}{U}}_0}^{\′}\mathrm{\ω}{C}_{0i}---\left(6\right)$

其中，C_0i为线路1中单相对地电容。

线路n发生单相接地故障，其故障相C相的电流为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Cn}}=-(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{I}}_{0i}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{An}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Bn}})---\left(7\right)$

则故障线路n的零序电流为：

${\stackrel{\·}{I}}_{0n}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{An}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Bn}}{+\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Cn}}=-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{I}}_{0i}---\left(8\right)$

此时，故障线路零序电流大小为非故障线路零序电流之和，方向与非故障线路零序电流相反。

正常运行时，中性点位移电压U₀的值很小，一般小于15％U_ψ；当发生接地故障后，U₀急剧增大，通过(1)式即可正确识别是否发生单相接地故障。

比较(2)式和(6)式可以推导出，退出消弧线圈前后，非故障线路零序电流的变化量为：

ΔI_i＝I_i′-I_i＝j3ωC_0i(U₀′-U₀)    (9)

I_i、I_i′为退出前后非故障线路的零序电流

可以看出非故障线路的零序电流变化量只与中性点位移电压有关，其中金属性接地时，U₀＝U₀’；经电阻接地时，一般情况下U₀＞U₀’，但变化幅值很小。因此，非故障线路零序电流的变化量会很小。

比较(4)式和(8)式可以推导出，退出消弧线圈前后，故障线路零序电流的变化量为：

$\mathrm{\Δ}{I}_{0n}=\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{I_{0i}}^{\′}-(-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{0i}+I_L)=\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{I_{0i}}^{\′}+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{0i}-I_L---\left(10\right)$

其中，

这样故障线路零序电流的变化是非常明显的，其变化幅值大致在

左右。

通过比较(9)式和(10)式可以看出，采用本发明的方法，故障线路与非故障线路的零序电流特征量有着很明显的区别，利用该特点可以准确可靠地选出故障线路。

下面是本发明的一个优选实施例，该实施例针对某一具体的配电网，采用本发明的方法实现单相接地故障选线功能。本发明的其它的特征、目的和优点也可以从实施例的说明和附图中看出。

图4中的10kV配电网有6条线路，其中在线路6首端模拟单相经电阻接地故障，接地电阻为3kΩ。故障后短时退出消弧线圈，分析各条线路的零序电流变化情况，选出故障线路。

通过数据分析可得，故障线路的零序电流变化量为0.321A，变化率为216.9％，非故障线路的零序电流变化量最大为0.079A，变化率为35.0％，各特征量的变化波形如图5所示。通过特征量的变化情况可以准确地选出故障线路，指导现场运行人员准确切除障线路，达到保障配电网安全稳定运行的目的。

本发明按照优选实施例进行了说明，应当理解，但上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种小电流接地选线方法，其特征在于，包括下列步骤：

（1）采用配电网中性点位移电压作为特征量，正确识别配电网是否发生了单相接地故障；

（2）如果发生接地故障，消弧线圈对故障点的接地电流进行补偿，以减小接地电流、熄灭接地弧光；

（3）通过断开中性点与消弧线圈之间的开关机构，使消弧线圈短时退出运行；

（4）通过分析消弧线圈退出前后各条线路零序电流的变化值选出发生单相接地故障的线路；

（5）选出故障线路后再次投入消弧线圈，保证消弧线圈发挥补偿效果，

在所述步骤(1)中,识别是否发生单相接地故障的方法为:

中性点位移电压U₀的计算公式为：

${\stackrel{\·}{U}}_0={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\δ}}*\frac{1}{j(3\mathrm{\ωC}+\frac{1}{\mathrm{\ωL}})}=\frac{-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\ψ}}}{(R_d+\frac{1}{j(3\mathrm{\ωC}+\frac{1}{\mathrm{\ωL}})})}*\frac{1}{j(3\mathrm{\ωC}+\frac{1}{\mathrm{\ωL}})}$

$=\frac{-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\ψ}}}{1+j{R}_d(3\mathrm{\ωC}+\frac{1}{\mathrm{\ωL}})}---\left(1\right),$

式中U₀为中性点位移电压；为系统相电压；R_d为接地电阻；L为消弧线圈的电感；C为系统单相对地电容；I_δ为消弧线圈补偿后的残流,ω为系统角频率，

当中性点位移电压U₀的值小于

时为正常运行,当U₀大于等于预先设定的阈值，则判定为发生单相接地故障。

2.根据权利要求1所述的小电流接地选线方法，其特征在于：在所述步骤(4)中,当消弧线圈退出前后故障线路零序电流的变化值为

其中I_0i′为退出消弧线圈后非故障线路i的电容电流；而非故障线路零序电流的变化值为0。

3.根据权利要求1所述的小电流接地选线方法，其特征在于：所述步骤(3)中的开关机构为断路器或接触器。

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