CN103529316A - 一种电力系统高阻接地故障的综合检测方法 - Google Patents

Abstract

一种电力系统高阻接地故障的综合检测方法，属紧急保护电路装置领域。其检测方法分为利用“暂态方向”辨识故障线路和利用“间歇性检测”来检测间歇性故障两部分，其基于故障启动前的电压电流波形计算故障分量电流电压，再通过故障分量电压电流波形计算瞬时无功进而得到故障方向；对正向的脉冲计数，在检测时间截止的时候和预置阈值比较判断故障，可以更为灵敏地检测到间歇性高阻接地故障并及时切除故障线路；进而提高了供电线路保护装置的灵敏性，有助于提高整个中压配电系统的连续、稳定运行，确保整个供电系统的安全性能。可广泛用于中性点有效接地的中压配电系统的高阻接地故障检测和继电保护领域。

Description

一种电力系统高阻接地故障的综合检测方法

技术领域

本发明属于紧急保护电路装置领域，尤其涉及一种用于电缆或线路系统高阻接地故障的检测/保护方法。

背景技术

在我国电力系统中，把标称电压1kV及以下的交流电压等级定义为低压，把标称电压1kV以上、330kV以下的交流电压等级定义为高压，把标称电压330kV及以上、1000kV以下的交流电压等级定义为超高压，把标称电压1000kV及以上的交流电压等级定义为特高压；美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical andElectronic Engineers,IEEE）的标准文件中把2.4kV至69kV的电压等级称为中压；我国国家电网公司（State Grid）的规范性文件中把1kV以上至20kV的电压等级称为中压。

电力系统接地故障是指带电导体（架空线，电缆等）发生异常，经过大地发生短路的故障，是电力系统中最常见的故障种类。

接地故障因为是经过大地构成故障回路，故障点是回路的一端，系统自身的接地点是回路的另外一端。因此，研究接地故障，首先要明确电力系统本身的接地方式。

三相电力系统经过系统本身的中性点接地，总体上分为有效接地（即中性点直接接地或经过小电阻接地）和非有效接地（中性点不接地，经过大电阻接地和经过消弧线圈接地）两种方式。其中高压输电系统出于过电压和绝缘考虑大都采用中性点有效接地的接地方式，而中压配电系统情况比较复杂，根据实际不同的需求，各种接地方式都有可能采用。

另外，接地故障所关注的另一个问题是故障点的电阻：带电导体和大地直接或间接通过其它物体接触时，往往不是理想的金属性的短路，会伴有一定的过度电阻、电弧或间歇性等现象。这些复杂现象在传统的继电保护系统/装置中一般都是仅仅当作一个简单的电阻表示的。

在高压系统中，因为接地故障电压高，故障引起的电流稳态量大，稳态故障特征明显，这样的简化不会对故障检测带来很大影响。

但是在中压配电系统中，电压较低，稳态故障电流较小，特征不明显，加之故障点非金属性接地，故障点电阻较大，且伴有不稳定的间歇性接地，就可能无法产生足够的故障电流，给保护装置检测接地故障带来很大困难。

综上，在中压配电系统中，接地方式复杂，故障电流较小，接地故障检测的问题尤其复杂。但同时因为在配电系统中，线路杆塔低，线间距小，导线处于树枝、建筑物可触及的范围内，与这类介质接触而发生接地故障的机会大大增加。因此接地故障检测一直是中压配电系统中的难点重点问题。

由于配电系统中性点接地方式复杂，而接地方式又直接决定了故障回路和故障电流，在采用中性点不接地的中压配电系统中，理论上单相接地故障不构成故障回路，不会产生稳态的短路电流，只有通过分布电容构成微弱的电容电流；如果系统采用了中性点经过消弧线圈接地的接地方式，微弱的容性故障电流也会被补偿掉，这样的配置本身，就是希望接地故障能够自动熄灭、或者减小单相接地故障对供电的影响。

在这种系统中检测接地线路十分困难，但是正因为系统中性点有高阻抗，在接地故障发生的时候，母线上的零序电压会有偏移，故障是可以被发现的，只是并不知道母线上那一条馈线发生了故障。在这种系统中的接地故障检测问题属于小电流接地选线研究的范畴。

在采用中性点有效接地（直接接地或小电阻接地）的中压配电系统中。接地故障后的故障回路中的阻抗小，故障大都不能自动熄灭，需要过流保护动作才能把故障清除（希望过流保护动作切除故障实际上也是采用中性点有效接地的接地方式的目的之一）。

但是，如果在故障点有较高的故障电阻，例如树枝、干燥土壤等非导电介质会限制接地故障电流小。故障电流低于过流保护的阈值，无法被保护装置检测和清除。因此，这种接地故障就很有可能长时间无法被发现。故障持续燃烧会带来触电、火灾等很严重的危害。

正是因为在这样的系统中，高阻接地故障可以持续存在、无法被察觉、危害很大，高阻接地故障问题一般就被定义在中性点有效接地的中压配电系统中。

表1.1给出直接接地中压（12.5kV）配电系统中高阻接地故障在不同的介质表面的典型的稳态的电流值：一般高阻接地故障电流会小于50A，低于继电保护系统/装置中过流保护或保险丝最低的动作阈值。

表1.112.5kV高阻接地故障典型电流值

介质	电流(安培)
		干燥的沥青/混凝土/沙地	0
潮湿沙地	15
		干燥草皮	20
干燥草地	25
		潮湿草皮	40
潮湿草地	50
		钢筋混凝土	75

因此美国电气电子工程师学会，电力系统继电保护委员会（Power SystemRelaying Committee,PSRC）的定义指出，高阻接地故障（High Impedance Fault,HIF）是在中性点有效接地的配电线路发生了经由非金属性导电介质（路面、泥土、树枝等）接地的故障。

高阻接地故障的定义中将故障电流微弱、传统的过流保护装置检测不到故障都定义为高阻接地故障，按照高阻故障在不同情况下具有的最为明显的特征进行分类，分类的基本原则来自于传统过电流保护装置不能正确检测到故障的几种情况，即：1）故障电流幅值太低不能启动过流保护装置；2）故障电流间歇性出现，导致保护在动作延时时间未到就自动复归。

其中的间歇性的接地故障是现有过流保护系统/装置难以检测的一类接地故障，间歇性故障的故障电流虽然可能会启动保护装置，但是因为故障很快熄灭使得过流保护装置“复归”而无法检测到故障或发出相应的报警信号。

以前，我国10～35kV配电系统的中性点普遍采用非有效接地方式，不存在上述定义的高阻接地故障问题，因此重视程度不够，研究也不够充分。

但是中性点非有效接地系统也有很多弊端，像过电压问题，接地电弧电流问题等，愈来愈不能被现代电力用户所接受。

从上世纪末期开始的大规模城网、农网改造起，我国沿海大城市陆续开始把中性点非有效接地的配电系统改为中性点有效接地系统。大型重要电力用户也已经或者准备采用中性点有效接地的系统接地方式（经小电阻接地），目前这种趋势还在发展。

中性点采用有效接地方式后，如果发生低阻的短路接地故障时，现有继电保护系统/单元中的过电流保护装置能立刻动作并切除故障线路，可以有效防止故障的扩大和蔓延。而传统保护方法难以检测的高阻接地故障是这类系统中的难点问题。因此，研究高阻接地故障检测，对于保证我国新建、改建的配电系统乃至整个电力系统的安全都具有现实的必要性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电力系统高阻接地故障的综合检测方法，其利用“暂态方向”辨识故障线路和利用“间歇性检测”来检测间歇性故障，确定暂态事件发生在某条线路上，而在非故障线路上闭锁不报警，进而提高供电线路保护装置的灵敏性。

本发明的技术方案是：提供一种电力系统高阻接地故障的综合检测方法，其特征是所述的检测方法分为利用“暂态方向”辨识故障线路和利用“间歇性检测”来检测间歇性故障两部分：

一、其所述的“暂态方向”辨识故障线路包括下列步骤：

A1、实时采集或检测同一母线上所有出线支路上各零序电流互感器的输出值，分别得到各路出线的电压值和零序电流的电流值；

B1、规定功率方向阀值为从母线到支路为正方向，反之为负方向；

C1、根据各支路前两周波的零序电流和电压波形，求出其故障前的故障分量零序电流电压波形并存储；

D1、当继电保护系统中的间歇性检测元件根据各支路的零序电流幅值大于预定的触发阀值，发出“启动”信号后，开始启动定时器计时，进入“启动”阶段；

E1、利用故障分量零序电流电压求出基于希尔伯特变换的瞬时功率；

F1、将瞬时无功的方向和预先设定好的功率方向阈值相比较；

G1、若瞬时无功方向为正且大于正向阈值，则判断为正向故障，故障发生在本条线路；

H1、若瞬时无功方向为负且小于反向阈值，则判断为反向故障，故障发生在其它线路或母线；

I1、将判断结果输出给标志位，以供系统继电保护系统/装置根据标志位的结果进行相对应的保护动作；

J1、检查定时器预定的定时时间是否结束，如达到预定的定时时间，返回第C1步骤，否则，返回第E1步骤；

二、其所述的利用“间歇性检测”来检测间歇性故障包括下列步骤：

A2、实时采集或检测系统同一母线上所有出线支路上各零序电流互感器的电流输出值，得到故障分量平均电流幅值数据；

B2、更新当前故障分量平均电流幅值，同时根据两周波故障分量的幅值，判断是否进入下一步骤；

C2、如果两周波电流幅值大于幅值启动阈值则进入“启动”阶段，启动前的平均幅值被存储，作为故障前的负荷状况；

D2、启动一个定时器开始计时，同时一个计数器对检测到的瞬时功率正方向的脉冲进行计数；

E2、当启动定时器计时结束的时候，脉冲计数器的结果和预定的计数阈值相比较；

F2、如果脉冲数超过预定的计数阀值，则输出“满足条件”状态信号，直接报告为间歇性高阻接地故障；否则按照其它情况（暂态故障、稳态或噪声）处理，

G2、系统的继电保护系统/装置，根据对应的故障事件报告，启动对应的处理程序。

具体的，所述的系统为单电源辐射状的中性点有效接地的配电系统，或者，所述的系统为中性点不接地或者经过电阻接地的中性点非谐振接地中压供电系统。

进一步的，在所述的E1步骤中，所述的瞬时功率，通过下列方式获得：

对于某个频率ω，电压u和电流i的瞬时值写作：

从瞬时值直接计算得到的功率p瞬时表达式可以写作：

其中，U为电压有效值，I为电流有效值；

上式中的第一部分

是有功部分，表示实际的能量的损耗；一个周波的平均有功功率

可以通过对p在一个周波进行平均求得；而上式中的第二部分

是无功功率部分。

进一步的，在所述的E1步骤中，在所述的对电压进行希尔伯特变换过程中，电压正频率产生-90°的相移，则瞬时功率p′采用下述表述：

通过对p′在它的一个周波内做平均就能够得到频率为ω时，无功的量值；

是该频率段电压和电流的相角差

将上述公式到非正弦信号，首先对非正弦暂态信号进行估计，以ω作为基波，傅立叶级数的估计为：

在对电压希尔伯特变换之后，得到：

对上述基波的一个周期T进行平均得到的瞬时无功功率平均值为：

$\left\{\begin{array}{c}Q\left(t\right)=\frac{1}{T}{\∫}_{t-T}^t\mathrm{HT}\left(u\right)\left(\mathrm{\τ}\right)\·i\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}\\ P\left(t\right)=\frac{1}{T}{\∫}_{t-T}^{t}u\left(\mathrm{\τ}\right)\·i\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}\end{array}\right.$

进而得到：

则，在一个基波周期内求出的瞬时有功的平均值为：

进一步的，所述的希尔伯特变换等效于一个全通滤波器，该滤波器对所有的正频率分量有-90度的相移。

进一步的，在所述的D1步骤中，当所述继电保护系统中的间歇性检测元件根据各支路的零序电流幅值和在规定时间段中出现的次数达到预定的触发阀值发出“启动”信号后，开始启动定时器计时，进入“启动”阶段。

进一步的，在所述的E1、F1步骤中，基于故障启动前的电压电流波形计算故障分量电流电压，再通过故障分量电压电流波形，计算瞬时无功，进而得到故障瞬时无功的方向。

进一步的，所述的间歇性检测元件为零序电流互感器。

进一步的，在所述的C2步骤中，当所述的间歇性检测方法被“启动”后，在一个预先设定好的启动定时器计时的时间窗内，开始对检测到的瞬时功率正方向的故障脉冲计数，在启动定时器计时结束的时候，将对脉冲的计数的结果和一个预先设定的阈值进行比较；在预设好的时间窗内，如果该计数值超过计数阈值，就认为短时间内发生了激烈的暂态，继电保护系统/装置就会就将所检测到的接地故障当作间歇性的高阻故障而报警。

进一步的，在所述的C2步骤中，所述的检测方法首先计算出故障分量电流和电压，如果故障分量电流幅值大于启动阈值则启动后续处理步骤，基于故障启动前的电压电流波形计算故障分量电流电压，再通过故障分量电压电流波形，计算瞬时无功，进而得到故障方向。

进一步的，所述的检测方法在中性点电阻接地或者绝缘的系统中，利用瞬时无功判断故障方向，设从母线流向线路为正方向，则当瞬时无功为正的时候，故障发生在正方向，即发生在本条线路上，否则，故障发生在其他线路或母线上。

进一步的，在所述的E2、F2步骤中，所述的幅值启动阈值为该支路零序电流保护整定值的0.5倍，所述的计数阈值为3次。

进一步的，在所述的F2、G2步骤中，若所述的“满足条件”状态信号持续的时间超过“接地故障时间阈值”，则直接报告发生了接地故障；

若所述的“满足条件”状态信号持续的时间达不到“接地故障时间阈值”，则当作一次暂态事件报告，并且继续等待；

若在预设的复归时间内，连续出现三次以上的暂态事件，则认为发生了间歇性接地故障，否则按照暂态事件报告结果，且不做告警和任何处理。

进一步的，在所述的综合检测方法中，间歇性检测和瞬时方向检测的综合通过方向闭锁来实现，检测到脉冲出现的时候就去采样瞬时功率方向标志，如果方向标志为正则为正向暂态，反之为反向暂态故障；其间歇性检测方法仅对正向的脉冲计数，在检测时间截止的时候和阈值比较判断故障。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.通过对零序电流幅值的比较，获得“启动”信号，触发条件简洁，工作可靠，可以检测间歇性高阻接地故障，进而提高供电线路保护装置的灵敏性；

2.通过对零序电流幅值和检测到的瞬时功率正方向的脉冲数的统计和与预定的阀值进行比较，获得“启动”信号，触发条件简洁，工作可靠，可以检测间歇性高阻接地故障，进而提高供电线路保护装置的灵敏性；

3.针对间歇性的高阻接地故障，给出了利用零序电流幅值和在规定时间内出现次数的检测方法，在中性点有效接地的系统中，充分发挥了现有继保系统/装置的保护作用，有助于提高整个中压配电系统的连续、稳定运行，确保整个供电系统的安全性能。

附图说明

图1是故障分量网络中典型功率流向示意图；

图2是故障分量网络中典型功率流向的等效示意图；

图3是本发明利用“暂态方向”辨识故障线路方法的方框示意图；

图4是本发明利用“间歇性检测”来检测间歇性故障的方框示意图.

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

间歇性高阻接地故障检测主要用来辨识因为故障地间歇出现，导致保护复归无法检测的故障，同时因为间歇出现的故障大都含有大量的高频量，通过分布电容也会在健全线路上产生较大的扰动，需要对故障线路加以辨识；因此，间歇性高阻接地故障检测的重点就利用“暂态方向”辨识故障线路。

在本技术方案中，基于瞬时无功的统一行波理论被作为方向检测方法的核心，功率方向是方向检测的基础。

图1中，给出了故障分量网络中典型功率流向示意图。

图2中，给出了故障分量网络中典型功率流向的等效示意图。

在中性点非谐振接地系统（中性点不接地或者经过电阻接地）的故障回路中，规定从母线到之路为正方向，反之为负方向。

同时根据典型的功率的定义，电容支路产生无功，电感支路消耗无功，而电阻支路消耗有功。

故障线路上（图1或图2中的IF处），负方向的系统都是容性系统，因故障扰动产生的功率流动中，无功Q_fault方向的为从母线到故障线路，为正方向；而因为电源在故障线路上，有功P_fault的方向为从线路到母线，为负方向。同理，在健全线路上看（图1或图2中的IH处），正方向的系统都是容性的，无功Q_health的方向为从线路流向母线，为负方向；而有功的方向为从母线流向线路，为正方向。

因为分布参数线路中的分布电导很小，有功量级很小。而对高频信号，通过分布电容构成回路，暂态信号大都集中在高频段，电容的容抗高频时相对较小，因此无功的流向成为了检测暂态方向的重要指标。

瞬时功率方向的定义：

上述的功率方向的分析适用于正弦稳态的状况，在暂态非工频正弦情况下，需要对功率，尤其是无功进行重新定义，使得瞬时功率满足以下条件：

1．对于任何频率分量，对指定频率的一个周期内的瞬时无功的积分再对时间求平均得到了无功功率，无功功率的能够反映系统的负荷特性。感性系统吸收无功功率：计算得到的无功功率应该为负值；容性系统发出无功功率：计算得到的无功功率应该为正值；

2．传统的基于工频正弦的无功功率的定义只是上述定义的特例。

上述条件1保证基于瞬时无功理论的暂态方向方法能够通过极性确定地表示故障方向，而条件2保证了从定义上看，方向元件在故障暂态和故障稳态中都能够正常工作。

基于希尔伯特变换的瞬时功率：

基于希尔伯特变换的瞬时功率能够满足上述的要求，是本方法中数字信号处理部分的核心内容。

在时域中的希尔伯特变换写作：

$\left[\begin{array}{cc}h\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\&pi;t}}& -\&infin;<t<+\&infin;\end{array}\right]$

在频域中：

$H\left(\mathrm{\&omega;}\right)=-\mathrm{jsgn}\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}-j& \mathrm{\&omega;}>0\\ 0& \mathrm{\&omega;}=0\\ j& \mathrm{\&omega;}<0\end{array}\right.$

从上式中看到，希尔伯特变换实际可以被看作是一个全通滤波器，该滤波器对所有的正频率分量有-90度的相移。

下面应用希尔伯特变换表示非正弦信号的瞬时无功，对于某个特定频率ω，电压和电流的瞬时值可以写作：

从瞬时值直接计算得到的功率瞬时表达式可以写作：

第一部分

是有功部分，表示实际的能量的损耗。

一个周波的平均有功功率

可以通过对p在一个周波进行平均求得。

而第二部分是无功功率部分，其波动的幅值

是传统的无功的定义。

的极性也反映了系统的特性（容性或感性）。

求出

量值可以采用的一种方法就是对电压进行希尔伯特变换：按照理想希尔伯特变换的结果，电压正频率产生-90°的相移，上式就变为：

通过对p′在它的一个周波内做平均就能够得到频率为ω时，无功的量值。

是该频率段电压和电流的相角差

要将无功理论应用到非正弦信号，下一步就是将上述原则推广到非正弦信号，首先对非正弦暂态信号进行估计，以ω作为基波，傅立叶级数的估计为：

在对电压希尔伯特变换之后，得到

对上述基波的一个周期T进行平均得到的瞬时无功功率平均值为

$\left\{\begin{array}{c}Q\left(t\right)=\frac{1}{T}{\&Integral;}_{t-T}^t\mathrm{HT}\left(u\right)\left(\mathrm{\&tau;}\right)\&CenterDot;i\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}\\ P\left(t\right)=\frac{1}{T}{\&Integral;}_{t-T}^{t}u\left(\mathrm{\&tau;}\right)\&CenterDot;i\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}\end{array}\right.$

得到：

在一个基波周期内求出的瞬时有功的平均值为：

对于中性点电阻接地或绝缘的系统，系统的容性或感性的特性对于任何频率分量都是一致的，因此，在Q(t)的不同频率成分都表现出相同的极性。

同时，对于正弦稳态信号，Q(t)又和传统的无功定义相一致。Q(t)满足判断方向的瞬时无功的要求。

另外Q(t)还有以下的特点：

1.对Q(t)的计算，充分考虑了高频分量，而高频分量是暂态和间歇性故障中重要的成分；

2.Q(t)的极性仅仅取决于系统的特性，另外，Q(t)计算中的平均值操作能够滤除局部的噪音和干扰，算法更稳定；

3.Q(t)的计算实际是一个有限冲击响应(FIR)滤波器，可以很容易在保护平台中实现。

实际计算中，希尔伯特变换是输入信号x(t)和希尔伯特函数h(t)的柯西主值卷积（因为h(t)实际是不可积分的函数）：

$\mathrm{HT}\left(x\right)\left(t\right)=p.v.{\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}x\left(\mathrm{\&tau;}\right)h(t-\mathrm{\&tau;})\mathrm{d\&tau;}$

数字化实现时，希尔伯特变换是通过希尔伯特滤波器实现的，对于离散信号x[n]，离散希尔伯特变换可以写作：

HT(x)[n]=h[n]*x[n]

其中：

本方法在计算中，同时对h[n]加了海明窗。

图3中，给出了本发明技术方案中利用“暂态方向”辨识故障线路方法的方框流程图。

当间歇性检测元件给出启动信号后，启动定时器开始计时；

根据故障前两周波零序电流和电压波形求出故障分量零序电流电压波形；

利用故障分量零序电流电压求出基于希尔伯特变换的瞬时功率；

将瞬时无功和预先设定好的方向阈值相比较；

若瞬时无功为正且大于正向阈值则判断为正向故障，故障发生在本条线路；

若瞬时无功为负且小于反向阈值则判断为反向故障，故障发生在其它线路或母线。

将判断结果给标志位以供系统继电保护系统/装置根据标志位的结果进行相对应的保护动作。

本发明的技术方案如图3所示：检测方法至少包括下列步骤：

A1、实时采集或检测同一母线上所有出线支路上各零序电流互感器的输出值，分别得到各路出线的电压值和零序电流的电流值；

B1、规定功率方向阀值为从母线到支路为正方向，反之为负方向；

C1、根据各支路前两周波的零序电流和电压波形，求出其故障前的故障分量零序电流电压波形并存储；

D1、当继电保护系统中的间歇性检测元件根据各支路的零序电流幅值大于预定的触发阀值，发出“启动”信号后，开始启动定时器计时，进入“启动”阶段；

E1、利用故障分量零序电流电压求出基于希尔伯特变换的瞬时功率；

F1、将瞬时无功的方向和预先设定好的功率方向阈值相比较；

G1、若瞬时无功方向为正且大于正向阈值，则判断为正向故障，故障发生在本条线路；

H1、若瞬时无功方向为负且小于反向阈值，则判断为反向故障，故障发生在其它线路或母线；

I1、将判断结果输出给标志位，以供系统继电保护系统/装置根据标志位的结果进行相对应的保护动作；

J1、检查定时器预定的定时时间是否结束，如达到预定的定时时间，返回第C步骤，否则，返回第E步骤。

换句话说，本检测方法首先计算出故障分量电流和电压，如果故障分量电流幅值大于启动阈值，则启动本检测方法：基于故障启动前的电压电流波形计算故障分量电流电压，再通过故障分量电压电流波形计算瞬时无功进而得到故障方向。

在中性点电阻接地或者绝缘的系统中，利用瞬时无功判断故障方向，设从母线流向线路为正方向，则当瞬时无功为正的时候，故障发生在正方向，即发生在本条线路上，否则，故障发生在其他线路或母线上。

在本技术方案中，间歇性高阻接地故障检测的重点就利用零序电流幅值来辨识故障线路。

图4中，给出了本发明利用“间歇性检测”来检测间歇性故障的方框示意图。

在中性点非谐振接地系统（中性点不接地或者经过电阻接地）的故障回路中，规定从母线到之路为正方向，反之为负方向。

同时根据典型的功率的定义，电容支路产生无功，电感支路消耗无功，而电阻支路消耗有功。

本技术方案提供了一种采用“间歇性检测”来检测间歇性高阻接地故障的方法，其所述的检测方法至少包括下列步骤：

A2、实时采集或检测系统同一母线上所有出线支路上各零序电流互感器的电流输出值，得到电流输出值的幅值I_AMP，对其求两个周波的平均值，得到故障分量平均电流幅值I_AVG的数据；

B2、更新当前故障分量平均电流幅值，同时根据两周波故障分量的幅值I_AVG或幅值增量I_ST，判断是否进入下一步骤；

C2、如果两周波故障分量的幅值I_AVG或幅值增量I_ST大于幅值启动阈值,则进入“启动”阶段，启动前的平均幅值被存储，作为故障前的负荷状况；

D2、启动一个定时器开始计时，同时一个计数器对检测到的瞬时功率正方向的脉冲进行计数；

E2、当启动定时器计时结束的时候，脉冲计数器的结果和预定的计数阈值相比较；

F2、如果脉冲数超过预定的计数阀值，则输出“满足条件”状态信号(或者置位“高阻故障”标志)，直接报告为间歇性高阻接地故障；否则按照其它情况（暂态故障、稳态或噪声）处理；

G2、系统的继电保护系统/装置，根据对应的故障事件报告，启动对应的处理程序。

其所述的系统为单电源辐射状的中性点有效接地的配电系统。

当所述的间歇性检测方法被“启动”后，在一个预先设定好的启动定时器计时的时间窗内，开始对检测到的瞬时功率正方向的故障脉冲计数，在启动定时器计时结束的时候，将对脉冲的计数的结果和一个预先设定的阈值进行比较；在预设好的时间窗内，如果该计数值超过计数阈值，就认为短时间内发生了激烈的暂态，继电保护系统/装置就会就将所检测到的接地故障当作间歇性的高阻故障而报警。

所述的检测方法首先计算出故障分量电流和电压，如果故障分量电流幅值大于启动阈值则启动后续处理步骤，基于故障启动前的电压电流波形计算故障分量电流电压，再通过故障分量电压电流波形，计算瞬时无功，进而得到故障方向。

所述的检测方法在中性点电阻接地或者绝缘的系统中，利用瞬时无功判断故障方向，设从母线流向线路为正方向，则当瞬时无功为正的时候，故障发生在正方向，即发生在本条线路上，否则，故障发生在其他线路或母线上。

所述的幅值启动阈值为该支路零序电流保护整定值的0.5倍，所述的计数阈值为3次。

若所述的“满足条件”状态信号持续的时间超过“接地故障时间阈值”，则直接报告发生了接地故障；

若所述的“满足条件”状态信号持续的时间达不到“接地故障时间阈值”，则当作一次暂态事件报告，并且继续等待；

若在预设的复归时间内，连续出现三次以上的暂态事件，则认为发生了间歇性接地故障，否则按照暂态事件报告结果，且不做告警和任何处理。

间歇性故障检测关注的是零序电流幅值的变化。

而在间歇性故障中，这样的零序电流变化表现为多个脉冲信号（故障燃起和熄灭）。当间歇性检测方法被“启动”后，在一个预先设定好的启动定时器计时的时间窗内，开始对检测到的正方向的故障脉冲计数，在启动定时器计时结束的时候，将对脉冲的计数的结果和一个预先设定的阈值进行比较。

在预设好的时间窗内，如果该计数值超过阈值，认为短时间内发生了激烈的暂态，算法就会就当作间歇性的高阻故障而报警。

所以，本技术方案可以分为两个阶段，在就绪阶段（图中以READY表示），更新各个出线支路（或回路）当前的平均零序电流幅值，同时根据两周波故障分量的幅值判断是否启动后续步骤，如果两周波故障分量电流幅值大于启动阈值则算法进入启动阶段（图中以START表示），启动前的平均幅值被存储，作为故障前的负荷状况。

在启动阶段，启动定时器开始计时，同时一个计数器对检测到的正方向的脉冲进行计数，当启动定时器计时结束的时候，脉冲计数器的结果和一系列阈值相比较，如果脉冲数过多，则报告为间歇性高阻接地故障，否则按照其它情况（暂态故障、稳态或噪声）处理。

由于本发明在中性点电阻接地或者绝缘的系统中，基于故障启动前的电压电流波形计算故障分量电流电压，再通过故障分量电压电流波形计算瞬时无功进而得到故障方向；对正向的脉冲计数，在检测时间截止的时候和预置阈值比较判断故障，可以更为灵敏地检测到间歇性高阻接地故障并及时切除故障线路；能有选择地在故障线路上动作报警，而在非故障线路上闭锁继电保护装置不报警，进而提高了供电线路保护装置的灵敏性，在中性点有效接地的系统中，充分发挥了现有继保系统/装置的保护作用，有助于提高整个中压配电系统的连续、稳定运行，确保整个供电系统的安全性能。

本发明可广泛用于中性点有效接地的中压配电系统的高阻接地故障检测和继电保护领域。

Claims (14)

1.一种电力系统高阻接地故障的综合检测方法，其特征是所述的检测方法分为利用“暂态方向”辨识故障线路和利用“间歇性检测”来检测间歇性故障两部分：

一、其所述的“暂态方向”辨识故障线路包括下列步骤：

A1、实时采集或检测同一母线上所有出线支路上各零序电流互感器的输出值，分别得到各路出线的电压值和零序电流的电流值；

B1、规定功率方向阀值为从母线到支路为正方向，反之为负方向；

C1、根据各支路前两周波的零序电流和电压波形，求出其故障前的故障分量零序电流电压波形并存储；

D1、当继电保护系统中的间歇性检测元件根据各支路的零序电流幅值大于预定的触发阀值，发出“启动”信号后，开始启动定时器计时，进入“启动”阶段；

E1、利用故障分量零序电流电压求出基于希尔伯特变换的瞬时功率；

F1、将瞬时无功的方向和预先设定好的功率方向阈值相比较；

G1、若瞬时无功方向为正且大于正向阈值，则判断为正向故障，故障发生在本条线路；

H1、若瞬时无功方向为负且小于反向阈值，则判断为反向故障，故障发生在其它线路或母线；

I1、将判断结果输出给标志位，以供系统继电保护系统/装置根据标志位的结果进行相对应的保护动作；

J1、检查定时器预定的定时时间是否结束，如达到预定的定时时间，返回第C1步骤，否则，返回第E1步骤；

二、其所述的利用“间歇性检测”来检测间歇性故障包括下列步骤：

A2、实时采集或检测系统同一母线上所有出线支路上各零序电流互感器的电流输出值，得到故障分量平均电流幅值数据；

B2、更新当前故障分量平均电流幅值，同时根据两周波故障分量的幅值，判断是否进入下一步骤；

C2、如果两周波电流幅值大于幅值启动阈值则进入“启动”阶段，启动前的平均幅值被存储，作为故障前的负荷状况；

D2、启动一个定时器开始计时，同时一个计数器对检测到的瞬时功率正方向的脉冲进行计数；

E2、当启动定时器计时结束的时候，脉冲计数器的结果和预定的计数阈值相比较；

F2、如果脉冲数超过预定的计数阀值，则输出“满足条件”状态信号，直接报告为间歇性高阻接地故障；否则按照其它情况（暂态故障、稳态或噪声）处理，

G2、系统的继电保护系统/装置，根据对应的故障事件报告，启动对应的处理程序。

2.按照权利要求1所述的电力系统高阻接地故障的综合检测方法，其特征是所述的系统为单电源辐射状的中性点有效接地的配电系统，或者，所述的系统为中性点不接地或者经过电阻接地的中性点非谐振接地中压供电系统。

3.按照权利要求1所述的电力系统高阻接地故障的综合检测方法，其特征是所述的在所述的E1步骤中，所述的瞬时功率，通过下列方式获得：

对于某个频率ω，电压u和电流i的瞬时值写作：

从瞬时值直接计算得到的功率p瞬时表达式可以写作：

其中，U为电压有效值，I为电流有效值；

上式中的第一部分

是有功部分，表示实际的能量的损耗；一个周波的平均有功功率

可以通过对p在一个周波进行平均求得；而上式中的第二部分

是无功功率部分。

4.按照权利要求1所述的电力系统高阻接地故障的综合检测方法，其特征是在所述的E1步骤中，在所述的对电压进行希尔伯特变换过程中，电压正频率产生-90°的相移，则瞬时功率p′采用下述表述：

通过对p′在它的一个周波内做平均就能够得到频率为ω时，无功的量值；是该频率段电压和电流的相角差

将上述公式到非正弦信号，首先对非正弦暂态信号进行估计，以ω作为基波，傅立叶级数的估计为：

在对电压希尔伯特变换之后，得到：

对上述基波的一个周期T进行平均得到的瞬时无功功率平均值为：

$\left\{\begin{array}{c}Q\left(t\right)=\frac{1}{T}{\&Integral;}_{t-T}^t\mathrm{HT}\left(u\right)\left(\mathrm{\&tau;}\right)\&CenterDot;i\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}\\ P\left(t\right)=\frac{1}{T}{\&Integral;}_{t-T}^{t}u\left(\mathrm{\&tau;}\right)\&CenterDot;i\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}\end{array}\right.$

进而得到：

则，在一个基波周期内求出的瞬时有功的平均值为：

5.按照权利要求1所述的电力系统高阻接地故障的综合检测方法，其特征是所述的希尔伯特变换等效于一个全通滤波器，该滤波器对所有的正频率分量有-90度的相移。

6.按照权利要求1所述的电力系统高阻接地故障的综合检测方法，其特征是在所述的D1步骤中，当所述继电保护系统中的间歇性检测元件根据各支路的零序电流幅值和在规定时间段中出现的次数达到预定的触发阀值发出“启动”信号后，开始启动定时器计时，进入“启动”阶段。

7.按照权利要求1所述的电力系统高阻接地故障的综合检测方法，其特征是在所述的E1、F1步骤中，基于故障启动前的电压电流波形计算故障分量电流电压，再通过故障分量电压电流波形，计算瞬时无功，进而得到故障瞬时无功的方向。

8.按照权利要求1所述的电力系统高阻接地故障的综合检测方法，其特征是所述的间歇性检测元件为零序电流互感器。

9.按照权利要求1所述的电力系统高阻接地故障的综合检测方法，其特征是在所述的C2步骤中，当所述的间歇性检测方法被“启动”后，在一个预先设定好的启动定时器计时的时间窗内，开始对检测到的瞬时功率正方向的故障脉冲计数，在启动定时器计时结束的时候，将对脉冲的计数的结果和一个预先设定的阈值进行比较；在预设好的时间窗内，如果该计数值超过计数阈值，就认为短时间内发生了激烈的暂态，继电保护系统/装置就会就将所检测到的接地故障当作间歇性的高阻故障而报警。

10.按照权利要求1所述的电力系统高阻接地故障的综合检测方法，其特征是在所述的C2步骤中，所述的检测方法首先计算出故障分量电流和电压，如果故障分量电流幅值大于启动阈值则启动后续处理步骤，基于故障启动前的电压电流波形计算故障分量电流电压，再通过故障分量电压电流波形，计算瞬时无功，进而得到故障方向。

11.按照权利要求1所述的电力系统高阻接地故障的综合检测方法，其特征是所述的检测方法在中性点电阻接地或者绝缘的系统中，利用瞬时无功判断故障方向，设从母线流向线路为正方向，则当瞬时无功为正的时候，故障发生在正方向，即发生在本条线路上，否则，故障发生在其他线路或母线上。

12.按照权利要求1所述的电力系统高阻接地故障的综合检测方法，其特征是在所述的E2、F2步骤中，所述的幅值启动阈值为该支路零序电流保护整定值的0.5倍，所述的计数阈值为3次。

13.按照权利要求1所述的电力系统高阻接地故障的综合检测方法，其特征是在所述的F2、G2步骤中，若所述的“满足条件”状态信号持续的时间超过“接地故障时间阈值”，则直接报告发生了接地故障；

若所述的“满足条件”状态信号持续的时间达不到“接地故障时间阈值”，则当作一次暂态事件报告，并且继续等待；

若在预设的复归时间内，连续出现三次以上的暂态事件，则认为发生了间歇性接地故障，否则按照暂态事件报告结果，且不做告警和任何处理。

14.按照权利要求1所述的电力系统高阻接地故障的综合检测方法，其特征是在所述的综合检测方法中，间歇性检测和瞬时方向检测的综合通过方向闭锁来实现，检测到脉冲出现的时候就去采样瞬时功率方向标志，如果方向标志为正则为正向暂态，反之为反向暂态故障；其间歇性检测方法仅对正向的脉冲计数，在检测时间截止的时候和阈值比较判断故障。

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