CN102520314A - 小电流接地系统中单相接地故障选线的检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小电流接地系统中单相接地故障选线的检测系统和方法，该系统包括负载投切装置和小电流接地选线装置，负载投切装置包括负载、投切开关、控制器和采样装置，负载和投切开关串联后并联到消弧线圈上，控制器分别与投切开关和采样装置相连；小电流接地选线装置与小电流接地系统中的各线路相连，小电流接地选线装置还与负载投切装置中的控制器相连。该系统和方法可以有效的解决小电流接地系统中单相接地故障的选线难的问题，提高了选线的准确率。

Description

小电流接地系统中单相接地故障选线的检测系统及方法

技术领域

本发明涉及电力系统配电技术领域，特别涉及一种在6～66KV配电网采用中性点经消弧线圈接地的小电流接地系统中单向接地故障选线的检测系统及方法。该系统及方法可广泛用于发电厂、变电所及大型厂矿企业的供电系统作为线路和母线单相接地故障报警或用于单相接地保护跳闸。

背景技术

我国电力系统中性点接地方式有两种，即中性点直接接地方式和中性点不直接接地方式。110KV及以上电网采用中性点直接接地方式，在这种系统中，发生单相接地故障时，短路电流很大，故称为大电流接地系统。配电网均采用中性点不直接接地方式，在这种系统中，发生单相接地故障时，接地短路电流很小，故称为小电流接地系统(又称小接地电流系统)。小电流接地系统包括中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统(又称谐振接地系统)、中性点经大电阻接地系统。

目前，在我国6～66kV配电网中，普遍采用中性点不接地或中性点经消弧线圈接地的小电流接地系统方式。配电网发生单相接地故障的几率最高，可占总故障的80％左右。小电流接地系统由于单相接地故障时三个线电压仍然对称，特别是中性点经消弧线圈接地系统，流过接地点的电流很小，不影响对负荷的连续供电，因此《电力系统安全规程》规定故障后仍可继续运行0.5～2h。小电流接地系统在发生单相接地故障时，非故障相电压会升为线电压，长时间运行容易使故障扩大成两点或多点接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行，所以必须及时找到故障线路并予以切除。现阶段，低压配电系统由树干式向外扩散的接线方式逐步改造为主干线经环网、末端接到另一变电站的双环网末端联络、开环运行的方式；架空线也逐渐为电缆供电所取代，电网中电缆线路的比例上升，缆-线混合线路越来越多，系统线路也增多，系统单相接地故障电容电流增大，长时间运行容易使故障扩大成两点或多点接地短路，为了减少流过接地点的接地电流，中性点经消弧线圈接地系统的运用越来越普遍，这也增加了单相接地故障选线定位的难度。因此，如何在线路发生故障时迅速找到故障点，是配电网可靠运行的一个重要课题。

小电流接地系统中单相接地故障的选线和定位一直是困扰配电网运行的技术难点，准确选择接地线路，查找发生单相接地故障区段，可以避免对非故障线路的不必要倒闸操作，保持供电的连续性。为此，不断有国内外科研人员对此课题进行研究，并已有许多产品在电网中运行。目前已提出了多种基于故障零序稳态量和暂态量的选线方法，并有多种选线装置应用于实际系统中，但由于都是基于带方向的零序电流进行的计算和处理，而中性点经消弧线圈接地系统产生的零序电流很弱，并且基本上被消弧线圈提供的电感电流补偿掉了，该零序电流的方向特性也不突出，零序电流特征量在故障前后不明显，而且受到电力系统参数的影响很大，故选线的准确率不高。此外，利用故障暂态量的选线方法由于暂态量的频率高且存在的时间有限，对硬件和算法的可靠性要求较高。

发明内容

本发明针对现有的小电流接地系统中单相接地故障选线采用基于故障零序稳态量和暂态量的选线技术由于零序电流特征量在故障前后不明显且受到电力系统参数的影响很大的原因导致选线的准确率低的问题，提供一种小电流接地系统中单相接地故障选线的检测系统，该系统基于电阻投切技术实现小电流接地系统中单相接地故障的正确选线，并且其选线的准确率高。本发明还涉及一种小电流接地系统中单相接地故障选线的检测方法。

本发明的技术方案如下：

一种小电流接地系统中单相接地故障选线的检测系统，用于中性点经消弧线圈接地系统中单相接地故障的选线，其特征在于，包括负载投切装置和小电流接地选线装置，所述负载投切装置包括负载、投切开关、控制器和采样装置，所述负载和投切开关串联后并联到消弧线圈上，所述控制器分别与投切开关和采样装置相连，采样装置设置在母线上以对母线上的电压进行采样并将采样数据传输至控制器，所述控制器通过检测母线电压的变化以检测到单相接地故障的发生并控制投切开关使得负载短时投切，从而产生零序电流幅值的故障特征量；所述小电流接地选线装置与小电流接地系统中的各线路相连，小电流接地选线装置还与负载投切装置中的控制器相连，以根据零序电流幅值的故障特征量实现故障选线。

所述负载为阻性负载。

所述阻性负载为电阻，所述电阻的阻值为80Ω～200Ω。

所述小电流接地选线装置根据零序电流幅值的故障特征量，采取零序导纳变化量判据处理的方式实现故障选线。

所述零序导纳变化量判据为：

$\left\{\begin{array}{c}|\mathrm{\Δ}{Y}_0+\frac{1}{{3R}_0}|=|Y_0-{Y^{\′}}_0-\frac{1}{{3R}_0}|\≤K_{\mathrm{mod}}\\ K_{\mathrm{mod}}=(0.05~0.2)/\left({3R}_0\right)\\ {U_0}^{*}>K_f\end{array}\right.$

式中：Y₀-阻性负载投入前零序导纳，Y₀′-阻性负载投入后零序导纳，R₀-信号源电阻，

U₀ ^*-电阻投入后零序电压值，K_f-零序电压标么值，K_mod-零序导纳中间值。

所述控制器为单片机或逻辑控制器件。

一种小电流接地系统中单相接地故障选线的检测方法，用于中性点经消弧线圈接地系统中单相接地故障的选线，其特征在于，该方法包括，在发生单相接地故障后，在中性点短时投切一组负载并联到消弧线圈上以改变小电流接地系统的运行方式，并产生零序电流幅值的故障特征量，构成相应故障判据，再通过各线路上连接的小电流接地选线装置辨识出所述零序电流幅值的故障特征量，实现故障选线。

首先通过检测母线电压的变化以检测到单相接地故障的发生。

通过控制器检测母线电压的变化以检测到单相接地故障的发生，所述控制器根据预先设置的投切策略控制投切开关对负载进行短时投切。

所述负载为阻性负载。所述阻性负载为电阻，所述电阻的阻值为80Ω～200Ω。

所述小电流接地选线装置根据零序电流幅值的故障特征量，采取零序导纳变化量判据处理的方式实现故障选线。所述零序导纳变化量判据为：

$\left\{\begin{array}{c}|\mathrm{\Δ}{Y}_0+\frac{1}{{3R}_0}|=|Y_0-{Y^{\′}}_0-\frac{1}{{3R}_0}|\≤K_{\mathrm{mod}}\\ K_{\mathrm{mod}}=(0.05~0.2)/\left({3R}_0\right)\\ {U_0}^{*}>K_f\end{array}\right.$

式中：Y₀-阻性负载投入前零序导纳，Y₀′-阻性负载投入后零序导纳，R₀-信号源电阻，

U₀ ^*-电阻投入后零序电压值，K_f-零序电压标么值，K_mod-零序导纳中间值。

本发明的技术效果如下：

本发明涉及的小电流接地系统中单相接地故障选线的检测系统，包括负载投切装置和小电流接地选线装置，负载投切装置通过检测母线电压的变化检测到单相接地故障发生后，按照预设的负载投切策略控制投切开关在中性点处进行负载短时投切操作，从而改变小电流接地系统的运行方式，产生变化明显的零序电流幅值的故障特征量，负载投切装置中的控制器连接小电流接地选线装置，小电流接地选线装置根据零序电流幅值的故障特征量实现故障诊断功能。由于负载投切装置在负载投切后其负载产生的零序电流只会流向故障线路，而对正常的线路没有影响，故会产生零序电流幅值的特征量的明显变化，构成相应故障判据，能够实现小电流接地系统中单相接地故障诊断与定位功能。解决了现有基于故障零序稳态量和暂态量的选线技术由于直接计算零序电流特征量在故障前后不明显造成的选线准确率低的问题，通过负载投切使得零序电流幅值的特征量变化明显(可理解为零序电流的幅值从无到有)，提高了选线准确率。同时该系统具有配置简单，操作方便的优点。

本发明涉及的小电流接地系统中单相接地故障选线的检测方法，在发生单相接地故障后，在中性点短时投切一组负载并联到消弧线圈上以改变小电流接地系统的运行方式，并产生变化明显的零序电流幅值的故障特征量，构成相应故障判据，再通过小电流接地选线装置辨识出所述零序电流幅值的故障特征量，实现故障选线。可以有效的解决小电流接地系统中单相接地故障的选线和定位难的问题，并且不受电力系统干扰，提高了选线的准确率。

附图说明

图1为本发明小电流接地系统中单相接地故障选线的检测系统的结构示意图。

图2为优选的小电流接地系统中单相接地故障选线的检测系统与中性点经消弧线圈接地系统的连接示意图。

图3为本发明系统中的负载投切装置的工作流程图。

图4为本发明系统中的小电流接地选线装置的工作流程图。

图5为本发明小电流接地系统中单相接地故障选线的检测方法的优选流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明公开了一种小电流接地系统中单相接地故障选线的检测系统，该系统的结构如图1所示，包括负载投切装置和小电流接地选线装置，负载投切装置包括负载、投切开关、控制器和采样装置，负载和投切开关串联后并联到消弧线圈上，所述控制器分别与投切开关和采样装置相连，采样装置设置在母线上以对母线上的电压进行采样并将采样数据传输至控制器，所述控制器通过检测母线电压的变化以检测到单相接地故障的发生并控制投切开关使得负载短时投切，从而产生零序电流幅值的故障特征量；小电流接地选线装置与小电流接地系统中母线的各出线线路相连，小电流接地选线装置还与控制器相连，以根据零序电流幅值的故障特征量实现故障选线。

图2为优选的小电流接地系统中单相接地故障选线的检测系统与中性点经消弧线圈接地系统的连接示意图。该实施例所述负载为阻性负载，阻性负载优选为纯阻性负载，即电阻R₀，该电阻R₀的阻值为80Ω～200Ω，该阻值范围的电阻对电力系统没有大影响并且没有灵敏度损失，故负载投切装置实为电阻投切装置。电阻R₀和投切开关K串联后并联到消弧线圈L上，控制器分别与投切开关K和采样装置相连，采样装置设置在母线BUS上，母线BUS的出线线路包括从标示Line 1的线路1至标示为Line n的线路n，还包括单相接地故障线路LineA，故障线路Line A等效于电阻R_f接地，小电流接地选线装置与小电流接地系统中的所有出线线路相连，小电流接地选线装置还与负载投切装置中的控制器相连。采样装置对母线BUS上的电压进行采样并将采样数据传输至控制器，控制器通过检测母线BUS上的电压的变化以检测到单相接地故障的发生并按照预设的电阻投切策略控制投切开关K使得电阻R₀短时投切，短时投切的时间可以是几百毫秒，如150ms～500ms，优选200ms，从而产生零序电流幅值的故障特征量，作为信号源的电阻R₀产生的零序电流只会流向故障线路，故零序电流幅值的特征量在投切前后的变化明显，能够构成相应故障判据。小电流接地选线装置根据零序电流幅值的故障特征量采取零序导纳变化量判据处理的方式实现故障选线。其中，该零序导纳变化量判据经试验得出为下式：

$\left\{\begin{array}{c}|\mathrm{\Δ}{Y}_0+\frac{1}{{3R}_0}|=|Y_0-{Y^{\′}}_0-\frac{1}{{3R}_0}|\≤K_{\mathrm{mod}}\\ K_{\mathrm{mod}}=(0.05~0.2)/\left({3R}_0\right)\\ {U_0}^{*}>K_f\end{array}\right.$

式中：Y₀-电阻投入前零序导纳，Y₀′-电阻投入后零序导纳，R₀-信号源电阻，

U₀ ^*-电阻投入后零序电压值，K_f-零序电压标么值，K_mod-零序导纳中间值。

由于小电流接地选线装置能够测得电阻R₀投入前后各出线线路的零序电流和零序电压的值，故K_f、U₀、R₀均为已知量，Y₀和Y₀′也都能够通过零序电流和零序电压的比值计算得出，根据上述零序导纳变化量判据对各出线线路进行判断，当某出线线路的相关参数值满足零序导纳变化量判据公式时，该出线线路即为故障线路，这样，小电流接地选线装置就辨识出了所述零序电流故障特征量，诊断出故障线路。

其中，该系统的负载投切装置和小电流接地选线装置的工作流程分别如图3和图4所示，图3中，负载投切装置中设置在母线上的采样装置对母线上的电压进行采样，并将采样后的数据传输至控制器，控制器能够检测到母线上的电压变化，该电压变化包括母线上的A、B、C三相的电压变化以及零序电压的变化，其中，零序电压在非故障时的理论值为零，当故障时零序电压非零，控制器判断是否符合电压判据即判断该零序电压是否为零，判断是否符合辅助判据即进行相电压接地辅助判断，接地相的电压为零，另外两相的相电压升为线电压且电压值升高，当采样后的数据符合电压判据及辅助判据后，经过一定的延时(该延时通常为几秒钟)可按照预设的投切策略由控制器控制投切开关进行电阻投切，即将电阻并联到消弧线圈上，电阻产生零序电流幅值的特征量的明显变化。图4中，小电流接地选线装置能够直接得到每条出线线路的零序电流和零序电压，故能够计算出每条出线线路的零序导纳，并将其置入缓存，在信号源投入后，即短时投切电阻后，将零序导纳记忆标志置0，由于电阻投切后故障线路的零序电流增大，为减少计算次数，可选出电阻投入后零序电流最大的三条线路，并记录线路编号及从缓存中取出并存储故障前的这三条出线线路的零序导纳，当然，可以选择四条、五条或其它数目的零序电流最大的出线线路，所选择的零序电流最大的几条出线线路中应该含有故障线路，若电阻投入后零序导纳大于定值(即公式中U₀ ^*＞K_f，其中，U₀ ^*为电阻投入后零序电压值，K_f为零序电压标么值，K_f可预设为30V～100V，优选为50V。)，计算零序导纳变化量，判断这三条线路中哪条线路的导纳变化量满足

为避开干扰，经一定的延时后，满足条件的接地母线线路即为故障线路，如得到Line A为故障线路，再判断接地相，根据故障线路的三相电压高低情况，电压最低的为接地相，最终输出选线报文，如得到哪条母线BUS的几号出线线路的A相接地，诊断出故障线路。

本发明还涉及一种小电流接地系统中单相接地故障选线的检测方法，该方法可以理解为包括故障检测步骤、电阻投切步骤和故障选线步骤。其优选流程图如图5所示。

故障检测步骤通过检测母线电压的变化以检测到单相接地故障的发生；

电阻投切步骤是在发生单相接地故障后，在中性点短时投切一组负载并将其并联到消弧线圈上，投切的负载可以是纯阻性负载，如投切的电阻的阻值为80Ω～200Ω，电阻短时投切的时间可以为200ms，该电阻投切步骤可以改变小电流接地系统的运行方式，并产生零序电流幅值的故障特征量，构成相应故障判据；

故障选线步骤可以通过在各线路上连接的小电流接地选线装置辨识出所述零序电流幅值的故障特征量，采取零序导纳变化量判据处理的方式当母线的引出线路符合该零序导纳变化量判据时即为故障线路，实现了故障选线。

其中，零序导纳变化量判据为：

$\left\{\begin{array}{c}|\mathrm{\Δ}{Y}_0+\frac{1}{{3R}_0}|=|Y_0-{Y^{\′}}_0-\frac{1}{{3R}_0}|\≤K_{\mathrm{mod}}\\ K_{\mathrm{mod}}=(0.05~0.2)/\left({3R}_0\right)\\ {U_0}^{*}>K_f\end{array}\right.$

式中：Y₀-阻性负载投入前零序导纳，Y₀′-阻性负载投入后零序导纳，R₀-信号源电阻，

U₀ ^*-电阻投入后零序电压值，K_f-零序电压标么值，K_mod-零序导纳中间值。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (13)

1.一种小电流接地系统中单相接地故障选线的检测系统，用于中性点经消弧线圈接地系统中单相接地故障的选线，其特征在于，包括负载投切装置和小电流接地选线装置，所述负载投切装置包括负载、投切开关、控制器和采样装置，所述负载和投切开关串联后并联到消弧线圈上，所述控制器分别与投切开关和采样装置相连，采样装置设置在母线上以对母线上的电压进行采样并将采样数据传输至控制器，所述控制器通过检测母线电压的变化以检测到单相接地故障的发生并控制投切开关使得负载短时投切，从而产生零序电流幅值的故障特征量；所述小电流接地选线装置与小电流接地系统中的各线路相连，小电流接地选线装置还与负载投切装置中的控制器相连，以根据零序电流幅值的故障特征量实现故障选线。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述负载为阻性负载。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述阻性负载为电阻，所述电阻的阻值为80Ω～200Ω。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述小电流接地选线装置根据零序电流幅值的故障特征量，采取零序导纳变化量判据处理的方式实现故障选线。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述零序导纳变化量判据为：

$\left\{\begin{array}{c}|\mathrm{\Δ}{Y}_0+\frac{1}{{3R}_0}|=|Y_0-{Y^{\′}}_0-\frac{1}{{3R}_0}|\≤K_{\mathrm{mod}}\\ K_{\mathrm{mod}}=(0.05~0.2)/\left({3R}_0\right)\\ {U_0}^{*}>K_f\end{array}\right.$

式中：Y₀-阻性负载投入前零序导纳，Y₀′-阻性负载投入后零序导纳，R₀-信号源电阻，U₀ ^*-电阻投入后零序电压值，K_f-零序电压标么值，K_mod-零序导纳中间值。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器为单片机或逻辑控制器件。

7.一种小电流接地系统中单相接地故障选线的检测方法，用于中性点经消弧线圈接地系统中单相接地故障的选线，其特征在于，该方法包括，在发生单相接地故障后，在中性点短时投切一组负载并联到消弧线圈上以改变小电流接地系统的运行方式，并产生零序电流幅值的故障特征量，构成相应故障判据，再通过各线路上连接的小电流接地选线装置辨识出所述零序电流幅值的故障特征量，实现故障选线。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，首先通过检测母线电压的变化以检测到单相接地故障的发生。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过控制器检测母线电压的变化以检测到单相接地故障的发生，所述控制器根据预先设置的投切策略控制投切开关对负载进行短时投切。

10.根据权利要求7至9之一所述的方法，其特征在于，所述负载为阻性负载。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述阻性负载为电阻，所述电阻的阻值为80Ω～200Ω。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述小电流接地选线装置根据零序电流幅值的故障特征量，采取零序导纳变化量判据处理的方式实现故障选线。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述零序导纳变化量判据为：

$\left\{\begin{array}{c}|\mathrm{\Δ}{Y}_0+\frac{1}{{3R}_0}|=|Y_0-{Y^{\′}}_0-\frac{1}{{3R}_0}|\≤K_{\mathrm{mod}}\\ K_{\mathrm{mod}}=(0.05~0.2)/\left({3R}_0\right)\\ {U_0}^{*}>K_f\end{array}\right.$

式中：Y₀-阻性负载投入前零序导纳，Y₀′-阻性负载投入后零序导纳，R₀-信号源电阻，U₀ ^*-电阻投入后零序电压值，K_f-零序电压标么值，K_mod-零序导纳中间值。

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