CN105140897A - 一种适用于小电阻接地系统单相接地故障的保护方法 - Google Patents

Abstract

一种小电阻接地系统单相接地故障保护方法，属于配电网继电保护领域。小电阻接地系统高阻接地故障发生概率较大，传统固定整定值的零序过电流保护方法容易拒动。本发明根据接地故障时故障点过渡电阻与零序电压及各出线零序电流间的关系，采用零序电压作为制动量确定零序过电流保护整定值，即如果该零序电压幅值大于拐点电压，则零序过电流保护整定值按一定比例抬高；否则，零序过电流保护整定值固定不变，为正常运行时的设定值。本发明可实现不同过渡电阻时零序过电流保护定值的自适应调整，兼顾了小电阻接地故障和金属性接地故障时的保护灵敏度与高阻接地故障时的保护可靠性。

Description

一种适用于小电阻接地系统单相接地故障的保护方法

技术领域

本发明涉及一种小电阻接地系统单相接地故障保护方法，适用于带有零序过电流保护的小电阻接地方式配电网，属于配电网继电保护领域。

背景技术

受自然环境、送电走廊等因素影响，中性点有效接地配网中常发生非线性高阻接地故障，短路电流较小，传统确定整定值的零序过电流保护无法可靠动作以切除故障。由于故障长期存在，在故障点处易发生火灾事故，严重时会造成人员伤亡。近年来，单相高阻接地故障发生时，如何正确检测到故障并动作于跳闸或发出告警信号，已成为小电阻接地系统高阻接地故障保护技术研究和应用的热点、重点。

现场常用确定动作电流整定值的零序过电流保护方法，其整定值需躲过区外线路发生金属性接地故障时流过区内线路的对地电容电流。在区外发生单相金属性接地故障时，如果区内线路较长则保护安装处流过的对地电容电流较大，因此该动作电流整定值较高(一般在20A以上)，当区内发生高阻接地故障时保护很可能拒动，即该保护的耐高阻能力不足。一种利用零序功率方向的保护方法反应于故障零序电压电流对应的零序功率方向而动作，但该方法对零序电压、电流极性校验有严格的要求，且高阻接地故障时用于判断功率方向的零序电压幅值较小，计算得到的零序功率方向会有较大偏差，存在保护死区。

谐波算法利用快速傅里叶变换提取故障电流中的各次谐波含量，根据谐波电流大小识别故障。但不同接地介质时，零序电流的总谐波含量(totalharmonicdistortion，THD)、二次谐波以及三次谐波的含量变化很大，该方法很难给定一个合适的阈值。利用固体介质电击穿原理建立精确的非线性电弧模型，并对故障点电压电流波形对应的伏安特性曲线拟合提取故障特征，提出的基于伏安特性畸变的高阻接地故障检测新型算法，比基于谐波的方法有更高的灵敏性和可靠性。但对于非线性特征不明显、波形畸变不明显的高阻接地情况，利用该算法尚不能有效识别并检测到故障。

本专利主要解决小电阻接地系统发生单相接地故障时的保护问题，以兼顾金属性接地故障或小电阻接地故障时的保护灵敏度与高阻接地故障时的保护可靠性为前提，从原理、策略上对传统零序过电流保护做出相应地改进。

发明内容

本发明目的在于解决小电阻接地系统发生单相接地故障，特别是高阻接地时的故障保护问题，基于对传统零序过电流保护的分析，提出了一种利用馈线保护安装处的零序电压作为制动量、自适应地对零序过电流保护的整定值进行调整的保护方案。

本发明的技术解决方案为：

a.给定馈线零序过电流保护的最小动作整定值I_set.min；

b.检测并计算保护安装处工频零序电流(实际为3倍工频零序电流，下同)幅值3I₀与工频零序电压幅值U₀；

c.当工频零序电流3I₀大于最小动作整定值I_set.min时，利用保护安装处零序电压U₀作为制动量，执行下述步骤用以自适应调整零序过电流保护整定值I_set；

d.判断零序电压幅值U₀是否满足大于一个预设的拐点电压U_res.g,即：

U₀＞U_res.g

1)如果满足，则零序过电流保护整定值I_set调整为：

I_set＝K(U₀-U_res.g)+I_set.min

公式中K为制动系数；

2)如果不满足，零序过电流保护整定值I_set保持最小动作整定值I_set.min不变。

e.判断保护安装处工频零序电流幅值3I₀是否大于等于调整后零序过电流保护整定值I_set，即：

3I₀≥I_set

1)如果满足，则确认区内发生接地故障，在故障电流持续时间超过预设动作时限时输出跳闸信号或告警信号；

2)如果不满足，则保护复归，线路正常运行。

上述方案中：

制动系数K、拐点电压U_res.g及最小动作整定值I_set.min的设定原则，应保证金属性接地故障或故障点过渡电阻较小时有足够的保护灵敏度系数、高阻接地故障时能可靠动作，同时在存在一定干扰电流或区外线路接地时不误动。具体分析如下：

1.步骤a中最小动作整定值I_set.min的设定，综合考虑系统不对称运行工况和满足系统的耐高阻能力的要求，一般条件下将I_set.min设定为3-10A；

2.步骤d中制动系数K的设定原则：分别根据区内故障、区外故障时极端情况下保护安装处工频零序电流幅值与工频零序电压幅值间关系曲线的斜率K_ΣH.min、K_H.max及动作可靠系数K_rel(一般取1.3)而确定。

对于区内故障而言，零序电流与零序电压(制动电压)关系曲线的斜率为：

$K=\sqrt{9{\mathrm{\ω}}^2{C_{\mathrm{\Σ}0H}}^2+\frac{1}{{R_n}^2}}$

其中，C_Σ0H为区外线路对地分布电容之和，R_n为中性点电阻。

对于区外故障而言，零序电流与零序电压(制动电压)的关系曲线的斜率为：K＝3ωC_0H其中，C_0H为区内线路的对地分布电容。

实际应用中，为了适用于不同保护，减少整定值的计算工作量，各保护的整定值可以相同。

为了使保护的动作电流整定值始终小于区内接地故障时流过保护安装处的工频零序电流幅值，考虑满足极端情况时(即系统只有一条线路且发生单相接地故障，无健全线路)：

$K_{\mathrm{\Σ}H.\min }=\frac{1}{R_n}$

为了使保护的动作电流整定值大于区外接地故障时流过保护安装处的工频零序电流幅值，考虑满足极端情况时(即C_0H＝C_0.max，C_0.max为各出线对地分布电容的最大值)：

K_H.max＝3ωC_0.max

综合以上分析，并考虑动作可靠系数为K_rel，得到K的取值范围为：

$K_{rel}{K}_{H.max}<K<\frac{K_{\mathrm{\&Sigma;}H.\min }}{K_{rel}}$

即制动系数K需满足的条件为：

$K\&Element;\&lsqb;K_{rel}3{\mathrm{\&omega;C}}_{0.max},\frac{1}{K_{rel}{R}_n}\&rsqb;$

工程应用中，可根据金属性接地和小电阻接地故障时要求的保护灵敏度在该范围内合理选择制动系数K的值。

3.步骤d中拐点电压U_res.g的设定原则：为保证区内高阻接地时保护可靠动作，需引入动作可靠系数K_rel。在最小动作电流I_set.min、极端情况下K_ΣH.min 和K_rel三者数值确定的基础上，得拐点电压为：

U_res.g＝K_relI_set.minR_n

与现有技术相比本发明的有益效果为：基于谐波、伏安特性畸变的方法建立在故障点存在非线性特征的基础上，应用受到限制。与上述方法相比，本保护在线性电阻、非线性电阻接地时均可适用，应用范围广；与零序功率方向保护相比，本发明不需要对零序电压、电流的极性进行校验，不存在高阻接地故障时由于零序电压幅值的减小引入的计算偏差；与传统零序过电流保护相比，本发明利用反映故障点过渡电阻大小的零序电压幅值作为制动量，自适应调整电流动作定值，保证了区内发生高阻接地故障时保护能够可靠动作，同时区外发生金属性接地或小电阻接地故障时保护可靠不误动。在10kV系统中，可将保护的耐高阻接地能力提高到900Ω左右。只需将本发明所提保护方案转化为计算机的算法嵌入到馈线零序保护中,即可实现,具有很高的工程应用价值。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

附图1为一种采用零序电压作为制动量实现零序过电流保护的原理框图；

附图2为电压比率制动曲线；

附图3为对数坐标下确定的整定值曲线(位于上方的I_set-U₀整定曲线的斜率为：位于下方的的I_set-U₀整定曲线的斜率为：K＝K_rel3ωC_0.max；同时图中标注出根据工程需要最终确定的I_set-U₀整定曲线)；

附图4为一种典型10kV小电阻接地系统结构图。

具体实施方式

为实现上述目的，本发明可用下述技术方案来实现：

I、由于本发明所提保护方案中整定值在正常运行时设定为5A,若系统采用三相电流互感器二次侧输出合成的方法来获取零序电流时，可能会出现保护的整定值小于三相负荷不平衡时所产生的不平衡电流，造成保护误动。当系统中均采用零序电流互感器时，三相负荷不平衡不会影响到保护的正常工作，即本发明更适用于利用零序电流互感器获取零序电流的情况。

附图1所示的一种采用零序电压作为制动量实现的零序过电流保护系统，由线路保护安装处的零序电压滤过器、零序电流互感器、嵌入的保护方案模块、电流继电器(KA)、信号继电器(KS)、时间继电器(KT)组成。该系统具体工作原理如下：

1)正常运行时：

当系统进行如单相重合闸动作、三相不同期重合闸、空投变压器等操作时，为了不影响零序过电流保护装置的正确工作，需装设时间继电器KT，保证经KT延时后操作已完成，从而保护不会误动。

正常工作(包括三相负荷不平衡工况)时，保护安装处检测并计算出工频零序电流幅值3I₀和工频零序电压幅值U₀，电流继电器KA判断出此时的工频零序电流3I₀始终小于最小动作整定值I_set.min，KA不启动，线路均正常运行。

2)发生接地故障时

保护安装处检测并计算出工频零序电流幅值3I₀、工频零序电压幅值U₀，并将U₀信号做为制动量信号传递到嵌入的保护方案模块中。当工频零序电流幅值3I₀满足大于预设的最小动作整定值I_set.min时，保护启动，嵌入的保护方案模块开始执行根据U₀的幅值自适应地调整零序过电流保护整定值I_set的操作，各出线电流继电器执行比较工频零序电流幅值3I₀、从保护模块实时输出的整定值I_set两者数值大小的操作。若保护已启动的某条馈线检测并计算出的3I₀满足条件3I₀＞I_set时，电流继电器KA启动，故障电流持续时间超过预设动作时限，经过时间继电器KT的延时后，信号继电器KS立即启动并发出跳闸信号或告警信号，保护动作于跳闸或告警。反之，当保护已启动的某条馈线检测并计算出的3I₀满足条件3I₀＜I_set时，保护复归，线路正常运行。

II、根据本发明中所提的保护方案，提出下述算例：

本例中，可取整定值公式为：

$Iset=\left\{\begin{array}{cc}5& U_0\&le;65\\ \frac{3}{130}\left(U_0-65\right)+5& U_0>65\end{array}\right.$

其中，I_set.min＝5A，U_res.g＝1.3×5×10＝65V。

基于附图4所示的典型10kV小电阻接地系统模型，分别设置A、B两点为故障点(A点距离母线3km；B点距离母线7km)，R_f为接地电阻(分别取0Ω、200Ω、900Ω、1300Ω)。在此模型中，电缆线路的相关正序参数为：R₁＝0.27Ω/km，L₁＝0.255mH/km，C₁＝339nF/km。零序参数为：R₀＝2.7Ω/km，L₀＝1.019mH/km，C₀＝280nF/km。

对出线保护Ⅴ而言，设保护安装处的工频零序电流幅值为I₀₅，工频零序电压幅值为U₀。选取A、B两故障点(A点为区内故障点，B点为区外故障点)分析区内、区外故障时保护的动作情况，验证上述算法对出线保护Ⅴ的有效性。

表1故障点A、B经不同故障点过渡电阻故障情况

首先，给定馈线零序过电流保护的最小动作整定值I_set.min＝5A；

(1)区内故障(故障点为A点)情况：

①当R_f＝0Ω、R_f＝200Ω、R_f＝900Ω时：

a.检测并计算上述各接地故障情况下出线保护Ⅴ安装处工频零序电流幅值分别为I₀₅＝458.21A、I₀₅＝28.21A、I₀₅＝6.58A，工频零序电压幅值分别为U₀＝4556.60V、U₀＝280.51V、U₀＝65.48V；

b.判断出上述各接地故障情况下I₀₅均大于最小动作整定值I_set.min，保护启动，执行下述步骤。

c.根据零序过电流保护的整定值公式计算出上述接地故障情况下调整后的零序过电流保护整定值分别为I_set＝109.90A、I_set＝9.97A、I_set＝5.01A；

d.判断出上述各接地故障情况下I₀₅大于调整后的零序过电流保护整定值I_set，进一步判断出发生区内故障，对应的动作可靠系数分别为K_rel＝4.17、K_rel＝2.83、K_rel＝1.31，均满足保护动作要求，出线保护Ⅴ的电流继电器KA启动，故障电流持续时间超过预设动作时限，经过时间继电器KT的延时后，信号继电器KS立即启动并发出跳闸信号或告警信号，保护动作于跳闸或告警。

②当R_f＝1300Ω时：

a.检测并计算出线保护Ⅴ安装处工频零序电流幅值为I₀₅＝4.58A，工频零序电压幅值为U₀＝45.54V；

b.判断出I₀₅小于最小动作整定值I_set.min，保护不启动。说明此时接地电阻已超出保护方案的保护范围。

综上，区内故障情况下，当故障点接地电阻不超出保护范围时，出线保护Ⅴ均能可靠动作；反之，当超出保护范围时，出线保护Ⅴ不动作。

(2)区外故障(故障点为B点)情况：

①当R_f＝0Ω时：

a.检测并计算出线保护Ⅴ安装处工频零序电流幅值为I₀₅＝9.01A，工频零序电压幅值为U₀＝3410.37V；

b.判断出I₀₅大于最小动作整定值I_set.min，保护启动，执行下述步骤。

c.根据零序过电流保护的整定值公式计算调整后的零序过电流保护整定值I_set＝82.20A；

d.判断出I₀₅小于调整后零序过电流保护整定值I_set，进一步判断出发生区外故障，则保护复归，线路正常运行。

②当R_f＝200Ω、R_f＝900Ω、R_f＝1300Ω时：

a.检测并计算上述各接地故障情况下出线保护Ⅴ安装处工频零序电流幅值分别为I₀₅＝0.72A、I₀₅＝0.17A、I₀₅＝0.12A，工频零序电压幅值分别为U₀＝273.16V、U₀＝64.70V、U₀＝45.08A；

b.判断出I₀₅均远远小于最小动作整定值I_set.min，保护不启动，线路正常运行。

综上，区外故障情况下，不论故障点接地电阻为多大，最终确定的门槛值均远大于保护安装处的工频零序电流幅值，出线保护Ⅴ启动但最终复归或始终保持不动作，线路正常运行。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，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 (1)

1.一种适用于小电阻接地方式配电系统的单相接地故障保护方法，可提高高阻接地故障时保护可靠度,系统的工作基本流程为：

a.给定馈线零序过电流保护的最小动作整定值I_set.min；

b.检测并计算保护安装处工频零序电流(实际为3倍工频零序电流，下同)幅值3I₀与工频零序电压幅值U₀；

c.当工频零序电流3I₀大于最小动作整定值I_set.min时，进一步判断保护区内是否真正发生接地故障，如果区内发生接地故障且故障电流持续时间超过预设动作时限则输出跳闸信号或告警信号，否则保护复归；

其特征在于：

d.利用保护安装处零序电压U₀作为制动量，自适应调整零序过电流保护整定值I_set，即当零序电压幅值U₀大于一个预设的拐点电压U_res.g时，零序过电流保护整定值I_set调整为：

I_set＝K(U₀-U_res.g)+I_set.min

公式中K为制动系数；否则，零序电压幅值U₀小于等于预设门槛U_res.g时，零序过电流保护整定值I_set保持最小动作整定值I_set.min不变；

e.区内接地故障发生的判据为：保护安装处工频零序电流幅值3I₀大于等于调整后零序过电流保护整定值I_set；

f.制动系数K、拐点电压U_res.g及最小动作整定值I_set.min的设定原则，应保证区内金属性接地故障或故障点过渡电阻较小时有足够的保护灵敏度系数、高阻接地故障时能可靠动作，同时在存在一定干扰电流或区外接地时不误动；一般条件下，将最小动作整定值I_set.min设定为3A-10A；考虑动作可靠系数K_rel(一般取1.3)，得到K的取值范围为：其中，C_0.max为各出线对地分布电容的最大值，R_n为中性点电阻；拐点电压为：U_res.g＝K_relI_set.minR_n。