CN104682358A - 一种小电流接地故障自适应跳闸方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统继电保护领域，尤其涉及一种小电流接地故障自适应跳闸的新方法，通过在线实时监测故障选线结果可靠性、线路绝缘情况、故障严重程度，并综合考虑线路类型、负荷对供电可靠性的需求等情况，自适应选择故障线路是否跳闸及何时跳闸。与现有技术相比本发明的有益效果是：该自适应跳闸方法可以提高供电可靠性，同时提高对设备和人身安全性、降低对通讯系统电磁干扰等优点，同时避免弧光过电压等引发严重的相间故障的可能性。

Description

一种小电流接地故障自适应跳闸方法

技术领域

一种小电流接地故障自适应跳闸方法，涉及一种中性点不接地、消弧线圈接地或高阻接地系统中压配电网单相接地故障自适应跳闸方法，属于配电网故障保护领域。

背景技术

我国6～35kV中压配电网多采用小电流接地方式，小电流接地系统发生单相接地故障的几率最高，可占总故障的80%。小电流接地故障后，允许系统在较长时间内带故障运行以提高供电可靠性，但也存在较大的安全隐患。对于现场普遍存在的间歇性弧光接地故障，由于电荷的累积效应会在健全相上产生过电压，可能使健全相绝缘击穿引发两相接地短路故障；当故障点位于电缆线路时，长时间的接地弧光电流也可能烧穿故障点绝缘，使其发展为相间短路故障；当故障点处于危险环境（如石化企业、煤矿等）时，电弧电流容易引燃周围易燃易爆气体。长时间带接地故障运行，可能使故障范围和严重程度扩大，造成重大经济损失，因此对接地故障进行快速的选线、判断故障危害程度并在必要时隔离故障显得尤为重要。

近年选线技术的快速发展，其选线成功率越来越高，已能基本满足现场需求，但判断故障危害程度及隔离小电流接地故障还存在以下不足：①由于多种因素的影响（如故障信息特征提取易受干扰，没有针对不同类型的接地故障进行合理信息配置，高阻或电弧接地故障信息获取较为困难等），有可能造成选线装置误选，现有跳闸方法没有考虑选线结果的可靠性；②现有跳闸因素只考虑接地故障电气量，并未涉及线路绝缘老化情况及已发生故障对绝缘造成的破坏情况；③自动重合闸技术将一些对绝缘破坏微弱可自动恢复正常运行的接地故障跳闸，破坏了供电的持续性。

本发明给出了一种新的，综合利用故障选线结果可靠性、线路绝缘状况、故障严重程度及线路类型、负荷对供电可靠性需求情况的自适应跳闸方法，当发生严重接地故障、线路绝缘老化很严重且选线结果的可靠性很高、负荷不是特别重要时就可以尽快跳闸，从而避免转化为更严重的故障；当发生如稳定的接地故障，绝缘条件很好，故障可自恢复时就不必跳闸，以保持供电的持续性，该方法可以兼顾供电可靠性和安全性两个因素。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种小电流接地故障跳闸方法。当发生严重接地故障、线路绝缘老化很严重且选线结果的可靠性很高、负荷不是特别重要时就可以尽快跳闸，进而避免更严重的故障；当发生稳定的接地故障，绝缘条件很好，故障可自恢复时就不必跳闸，以保持供电的持续性。

本发明解决技术问题所采取的技术方案是：综合考虑故障选线结果可靠性、线路绝缘状况、故障严重程度，并结合线路类型、负荷对供电可靠性需求情况自适应的选择故障线路是否需要跳闸，实现过程为：

（1）确定各馈线的线路类型和负荷等级及线路类型系数和负荷等级系数；

电力线路的类型有电缆线路、架空线路和混合线路。架空线路和电缆线路的构成不同、所处的环境不同，由单相接地故障发展为两相或三相短路故障的概率、瞬时故障发展为永久性故障的概率也不同。线路类型对跳闸的影响用线路类型系数k_t来表示。

不同等级的负荷对供电可靠性的需求是不同的。一级负荷在单相接地故障时不允许跳闸；二级负荷在极其严重接地故障时跳闸；三级负荷在稍严重接地故障下跳闸。负荷重要程度对跳闸的影响用负荷等级系数k_g来表示，k_g随负荷重要程度的增加而增大。

（2）确定故障选线结果可靠性、线路绝缘情况、故障严重程度的量化方法；

①故障选线结果可靠性的评估

故障暂态幅值、持续时间即故障能量，波形之间的极性关系是影响选线结果可靠性的主要因素。

故障能量：故障电流的大小和故障持续时间是影响选线结果可靠性的主要决定因素，用故障能量W来表示。式中T为暂态过程持续时间，i(t)为故障线路的零序电流。

安全裕度：相关系数反映了2个固定波形i₀₁(t)，i₀₂(t)的相似程度，当ρ＞0表示两电流同极性，ρ＜0表示两电流反极性。但由于电流互感器精度或采样等误差导致当|ρ|＜θ（其中θ为某一常数，如0.2）时，通过ρ很难断定两个电流信号是同极性还是反极性。因此ρ越大，极性比较结果越可靠即安全裕度越大，ρ是影响选线（通过极性，方向选线）结果可靠性的重要因素。

综合考虑故障能量，相关系数的因素选线结果可靠性系数λ_rel为：λ_rel＝f(W,ρ)=K₁ρ²W^1.5，其中λ_rel越大，选线结果可靠性越大。

②线路绝缘情况的评估

利用已铺设时间和已发生故障对配电网的绝缘状况的影响进行评估，主要考虑以下反映绝缘劣化程度的因素：

线路已铺设或架设时间T_s。通常故障率随架设时间成浴盆曲线，投入运行初期，由于线路附件产品和线路本身质量问题或架设、铺设安装问题，线路易发生运行故障；中期线路本体和附件运行稳定；后期线路绝缘电、热老化等加剧，线路故障率明显上升。

本次故障距前次故障的时间间隔T_i。T_i变小，即两次故障离的间隔时间变短，表明发生绝缘接地故障的频率有上升趋势，绝缘劣化的速度加快。

发生此次接地故障前，本线路一定时间内发生瞬时性接地故障次数N_f。N_f变大，表明线路在短时间内发生绝缘故障的次数越多，绝缘劣化在短时间内有向永久性击穿发展的趋势。

综合考虑以上几种影响因素，线路绝缘情况用绝缘指数λ_ins表示：

其中λ_ins越大，绝缘劣化越明显。

③故障严重程度的评估

分析本次故障对当前配电网的绝缘破坏情况主要考虑以下因素：

过电压U_ov及过电压的持续时间T_ov。过电压幅值U_ov越大，对系统危害越严重，系统可继续运行时间T_en越小，如图1所示。

本次接地故障的持续时间T_c。T_c越大，故障持续时间越长，表明电弧燃烧的时间越长，电弧能量越大。即线路绝缘水平下降程度越大。

本次接地故障的接地阻抗Z_f。接地阻抗越小，绝缘劣化程度越大且由于电弧能量大造成的绝缘破坏程度也越大，反之亦然。

综合考虑以上几种影响因素，故障严重程度用λ_ose表示：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ose}}=f(U_{\mathrm{ov}},T_{\mathrm{ov}},T_c,Z_f)=\frac{K_3{U^{1.5}}_{\mathrm{ov}}{T_{\mathrm{ov}}}^2{T_c}^{2.5}}{Z_f},$ 其中λ_ose越大，对线路危害越大。

（3）设定选线结果可靠性、线路绝缘状况、故障严重程度的整定值；

对选线结果可靠性设置两级整定值C_rel1、C_rel2（C_rel1＞C_rel2），其中当λ_rel＜C_rel2时表明选线结果不可靠，当C_rel1＞λ_rel＞C_rel2时选线结果可靠可靠性较高，当λ_rel＞C_rel1时，选线结果可靠性很高。同理对线路绝缘损坏情况设置两级整定值C_ins1、C_ins2（C_ins1＞C_ins2），当λ_ins＜C_ins2时表明线路绝缘状况良好，当C_ins1＞λ_ins＞C_ins2时表明绝缘状况遭到较严重破坏，当λ_ins＞C_ins1时表明绝缘劣化很严重且遭到严重破坏。对故障严重程度设置两级整定值C_ose1、C_ose2（C_ose1＞C_ose2），其中当λ_ose＜C_ose2时故障不严重，当C_ose1＞λ_ose＞C_ose2时故障较严重，当λ_ose＞C_ose1时故障很严重。

（4）在线采集数据，存储故障信息；

（5）判断线路是否发生单相接地故障，当零序电压超过一定值时，线路发生单相接地故障进而执行以下步骤；

（6）在线确定故障选线结果可靠性、线路绝缘情况、故障严重程度的量化值；

（7）判断是否符合跳闸条件：

设线路n发生单相接地故障。

a).当选线结果可靠性很高，本次故障较严重且线路绝缘已遭到较严重破坏的情况下跳闸。即：满足

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rel}}>k_{\mathrm{ng}}{k}_{\mathrm{nt}}{C}_{\mathrm{rel}1}\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ins}}>k_{\mathrm{ng}}{k}_{\mathrm{nt}}{C}_{\mathrm{ins}2}\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ose}}>k_{\mathrm{ng}}{k}_{\mathrm{nt}}{C}_{\mathrm{ose}2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

时跳闸。

b).当选线结果可靠性较高，本次接地故障严重且将对线路绝缘造成重大威胁，或者线路绝缘已遭到严重破坏时跳闸。即满足

时跳闸。

c).当选线结果可靠性很高，本次接地故障严重且将对线路绝缘造成重大威胁，或者线路绝缘已遭到严重破坏时进行跳闸。即满足

时跳闸。

（8）发出跳闸信号或直接跳闸。

该自适应跳闸方法考虑了选线结果可靠性、线路绝缘情况、故障严重程度、线路类型、负荷对供电可靠性的需求等情况，在原来发生故障即跳闸的技术基础上大大提高了供电可靠性，相比于原来只给出选线结果的技术，避免了现场普遍存在的间歇性弧光接地故障在健全相产生的过电压导致相间短路的可能性，同时降低了对系统设备的绝缘和人身安全的危害，大大降低对通讯系统电磁干扰也是该自适应跳闸方法的一大优点，符合未来电网的发展趋势也将使该技术在未来的电网建设中有较为广泛的应用。

附图说明

图1是过电压幅值与系统允许运行时间关系图；

图2是小电流接地故障自适应跳闸流程图。

具体实施方式

（1）现场装置主要有选线装置、工控机以及线路上的自适应跳闸装置。选线装置含有对现场数据进行相应处理的模块，将现场记录的原始故障数据进行相应的处理，以便后续在线确定故障选线结果可靠性、线路绝缘情况、故障严重程度的量化值；增加选线装置与工控机之间的数据传输通道，工控机与选线装置之间通过数据传输通道进行数据的传输；工控机中含有进行数据计算的程序以及与只自适应跳闸装置进行通信的通讯模块，在线确定故障选线结果可靠性、线路绝缘情况、故障严重程度的量化值、故障线路是否跳闸及何时跳闸信息通过通讯模块与跳闸装置进行通信；自适应跳闸装置内含通讯模块以及供电的电压或者电流互感器。

（2）零序电压、电流信号的获取

现场所需要的电压电流信号均是通过现场的电压电流互感器获得的，其中零序电压、零序电流的获取有直接和间接两种方式：直接方式是通过零序电压、零序电流互感器获得；间接方式是通过三相电压、电流合成后获取。系统正常运行时一般不存在零序分量，直接测量方式获得的零序电压、电流就是故障电压、电流。而在间接测量方式下，由于电压电流互感器误差、装置模拟电路处理及计算误差等，即便是在一次电压电流对称、不存在零序分量的情况下，由三个相分量相加获得的工频零序值也不为零，这个分量称为不平衡分量。为了保证故障工频分量测量的准确性，间接测量方式下，需要通过零序分量突变量方法剔除不平衡量的影响。

（3）确定各馈线的线路类型和负荷等级及线路类型系数和负荷等级系数。

线路类型对跳闸的影响用线路类型系数k_t来表示。此处架空线路取k_t=1，电缆线路和混合线路均取k_t=0.8。

不同等级的负荷对供电可靠性的需求是不同的。当负荷为三级负荷，由于三级负荷在稍严重接地故障下跳闸，k_g取1；二级负荷在极其严重接地故障时跳闸，当负荷为二级负荷时k_g取2；一级负荷对应的线路要保证不间断供电，在单相接地故障时不允许跳闸，所以一级负荷时k_g取无穷大。

（4）设定故障选线结果可靠性、线路绝缘情况、故障严重程度的各整定值。

对选线结果可靠性设置两级整定值C_rel1=16A²·ms、C_rel2=0.8A²·ms，其中当λ_rel＜0.8A²·ms时表明选线结果不可靠，当16A²·ms＞λ_rel＞0.8A²·ms时选线结果可靠性较高，当y_rel＞16A²·ms时，选线结果可靠性很高。同理对线路绝缘损坏情况设置两级整定值C_ins1=100a/h、C_ins2=5a/h，当λ_ins＜5a/h时表明线路绝缘状况良好，当100a/h＞λ_ins＞5a/h时表明绝缘状况遭到较严重破坏，当λ_ins＞100a/h时表明绝缘劣化很严重且线路绝缘遭到严重破坏。对故障严重程度设置两级整定值C_ose1=30ms/Ω、C_ose2=1ms/Ω，其中当λ_ose＜1ms/Ω时故障不严重，当30ms/Ω＞λ_ose＞1ms/Ω时故障较严重，当λ_ose＞30ms/Ω时故障很严重。

（5）在线采集数据，存储故障信息。

（6）判断线路是否发生单相接地故障，当零序电压超过一定值时，线路发生单相接地故障进而执行以下步骤。

（7）在线确定故障选线结果可靠性、线路绝缘情况、故障严重程度的量化值。

选线装置将记录的故障数据，通过选线装置与工控机之间的数据传输通道将故障数据传给工控机，通过工控机的数据处理及计算程序，确定故障线路选线结果可靠性、线路绝缘情况、故障严重程度的量化值：

选线结果可靠性系数λ_rel为：λ_rel＝f(W,ρ)=K₁ρ²W^1.5，其中W为故障能量（式中T为暂态过程持续时间，i(t)为故障线路的零序电流），ρ为相关系数，K₁为相应的系数；λ_rel的值越大，选线结果可靠性越大。

线路绝缘情况用绝缘指数λ_ins为：其中T_s为线路已铺设或架设时间、T_i为本次故障距前次故障的时间间隔、N_f为发生此次接地故障前本线路一定时间内发生瞬时性接地故障次数，K₂为相应的系数；λ_ins越大，绝缘劣化越明显。

故障严重程度用λ_ose为：其中U_ov为故障过电压，T_ov为过电压的持续时间，T_c为本次接地故障的持续时间，Z_f为本次接地故障的接地阻抗几种影响因素，K₃为相应的权重系数；其中λ_ose越大，此次故障对线路危害越大。

（8）判断是否符合跳闸条件。

当故障线路满足式（1）（2）（3）时，即跳闸。

如：设线路n发生单相接地故障且线路n为架空线路，所带负荷为二级负荷，跳闸条件如下：

a).满足 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rel}}>{32A}^2\·\mathrm{ms}\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ins}}>10a/h\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ose}}>2\mathrm{ms}/\mathrm{\Ω}\end{array}\right.$ 时经20s延时后跳闸；

b).满足时经20s延时后跳闸；

c).满足时经10s延时后跳闸。

当故障线路为电缆线路或者混合线路，或者所带负荷为其他等级负荷时跳闸条件只需将线路类型系数、负荷等级系数及选线结果可靠性、线路绝缘情况、故障严重程度的整定值代入式（1）（2）（3）即可，在此不再一一列举。

（9）发出跳闸信号或直接跳闸。

根据需要可以设定是否允许自适应跳闸装置自动跳闸。当系统发生小电流接地故障并符合上述的跳闸条件时，自适应跳闸装置发出声光警报、自动跳闸或者由运行人员进行手动跳闸，缩小停电范围，保持供电可靠性。

该自适应跳闸方法可以保留小电流接地故障可提高供电可靠性的优点，同时在提高对设备和人身安全性、降低对通讯系统电磁干扰等优点的同时也可以避免弧光过电压等引发严重的相间故障的可能性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种小电流接地故障自适应跳闸方法，通过在线实时监测故障选线结果可靠性、线路绝缘水平、故障严重程度，并综合考虑线路类型、负荷对供电可靠性的需求等情况，自适应选择故障线路是否需要跳闸及何时跳闸的保护，该方法采用如下步骤:

（1）确定各馈线的线路类型和负荷等级及线路类型系数和负荷等级系数；

线路类型、负荷重要程度对跳闸的影响分别用线路类型系数k_t、负荷等级系数k_g来表示。

（2）确定故障选线结果可靠性、线路绝缘情况、故障严重程度的量化方法；

（3）设定选线结果可靠性、线路绝缘状况、故障严重程度的整定值；

对选线结果可靠性设置两级整定值C_rel1、C_rel2（C_rel1＞C_rel2），其中当选线结果可靠性系数λ_rel＜C_rel2时表明选线结果不可靠，当C_rel1＞λ_rel＞C_rel2时选线结果可靠性较高，当λ_rel＞C_rel1时，选线结果可靠性很高。同理对线路绝缘损坏情况设置两级整定值C_ins1、C_ins2（C_ins1＞C_ins2），当λ_ins＜C_ins2时表明线路绝缘状况良好，当C_ins1＞λ_ins＞C_ins2时表明绝缘状况遭到较严重破坏，当λ_ins＞C_ins1时表明绝缘劣化很严重且遭到严重破坏。对故障严重程度设置两级整定值C_ose1、C_ose2（C_ose1＞C_ose2），其中当λ_ose＜C_ose2时故障不严重，当C_ose1＞λ_ose＞C_ose2时故障较严重，当λ_ose＞C_ose1时故障很严重。

（4）在线采集数据，存储故障信息；

（5）判断系统是否发生单相接地故障；

（6）当发生单相接地故障时，在线确定故障选线结果可靠性、线路绝缘情况、故障严重程度的量化值；

（7）判断是否符合跳闸条件并确定跳闸时间；

（8）发出跳闸信号或直接跳闸。

其特征在于：

选线结果可靠性是根据故障暂态幅值、持续时间即故障能量和安全裕度来评定的；线路绝缘情况是根据线路已铺设或架设时间、本次故障距前次故障的时间间隔、发生此次接地故障前本线路一定时间内发生瞬时性接地故障次数来评定的；故障严重程度是根据过电压幅值及持续时间、本次接地故障的持续时间及接地阻抗来评定的；选线结果可靠性、线路绝缘情况、故障严重程度是根据各自评定因素进行量化的。

跳闸条件为：当选线结果可靠性很高，本次故障较严重且线路绝缘已遭到较严重破坏时跳闸；当选线结果可靠性较高，本次接地故障严重且将对线路绝缘造成重大威胁，或者线路绝缘已遭到严重破坏时跳闸；当选线结果可靠性很高，本次接地故障严重且将对线路绝缘造成重大威胁，或者线路绝缘已遭到严重破坏时跳闸。

2.根据权利要求1所述的一种小电流接地故障自适应跳闸方法的要求，其特征在于：

选线结果可靠性系数λ_rel为：λ_rel＝f(W,ρ)=K₁ρ²W^1.5，其中W为故障能量（式中T为暂态过程持续时间，i(t)为故障线路的零序电流），ρ为相关系数，K₁为相应的权重系数；λ_rel的值越大，选线结果可靠性越大。

线路绝缘情况用绝缘指数λ_ins为：其中T_s为线路已铺设或架设时间、T_i为本次故障距前次故障的时间间隔、N_f为发生此次接地故障前本线路一定时间内发生瞬时性接地故障次数，K₂为相应的权重系数；λ_ins越大，绝缘劣化越明显。

故障严重程度用λ_ose为：其中U_ov为故障过电压，T_ov为过电压的持续时间，T_c为本次接地故障的持续时间，Z_f为本次接地故障的接地阻抗几种影响因素，K₃为相应的权重系数；其中λ_ose越大，此次故障对线路危害越大。

3.根据权利要求1所述的一种小电流接地故障自适应跳闸方法的要求，其特征在于：

跳闸条件为：

设线路n发生单相接地故障：

a).当选线结果可靠性很高，本次故障较严重且线路绝缘已遭到较严重破坏的情况下跳闸。即：满足

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rel}}>k_{\mathrm{ng}}{k}_{\mathrm{nt}}{C}_{\mathrm{rel}1}\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ins}}>k_{\mathrm{ng}}{k}_{\mathrm{nt}}{C}_{\mathrm{ins}2}\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ose}}>k_{\mathrm{ng}}{k}_{\mathrm{nt}}{C}_{\mathrm{ose}2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

时跳闸。

b).当选线结果可靠性较高，本次接地故障严重且将对线路绝缘造成重大威胁，或者线路绝缘已遭到严重破坏时跳闸。即满足

时跳闸。

c).当选线结果可靠性很高，本次接地故障严重且将对线路绝缘造成重大威胁，或者线路绝缘已遭到严重破坏时进行跳闸。即满足

时跳闸。