CN106707084A - 一种小电流接地系统单相接地故障判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小电流接地系统单相接地故障判定方法，根据电场强度突变和相电流突变来启动单相接地故障判断，利用形态梯度法来精确地确定故障起始时刻，实现三相电流的准确同步；对暂态电流信号滤波来确定暂态过程持续时间，利用自相关法来计算暂态电流的特征频率；再根据故障相和非故障相暂态电流的相关性定位接地故障，实现应用于故障指示器的小电流接地系统单相接地故障检测。本发明不受运行方式、接地地点、接地电阻等影响，相比现在故障指示器采用的阈值比较方法，无需现场整定和调试，能大大提高故障判别准确率，解决现有故障指示器故障误报漏报率低的问题，大大提高馈线自动化水平。

Description

一种小电流接地系统单相接地故障判定方法

技术领域

本发明属于电力系统配电网故障定位技术领域，尤其涉及一种小电流接地系统单相接地故障判定方法。

背景技术

我国66kV及以下电压等级的配电网大都采用中性点非有效接地方式，常将这种系统称为小电流接地系统。该方式下电网发生单相接地故障时，故障电流小(特别是经消弧线圈接地系统)，尽管规程允许继续运行1～2小时，但是故障后非接地相的电压变成线电压，对系统绝缘带来隐患和威胁，需要尽快切除故障线路，以避免发生两点接地进而造成短路事故，还可能产生铁磁谐振过电压导致电压互感器烧毁事故和电压互感器回路熔断器频繁熔断，严重威胁配电网的安全可靠性。根据统计配电网故障中70％为单相接地故障，因此在小电流接地系统发生单相接地故障时正确而及时地把故障线路检测出来，并直接自动切除故障线路或通过发信号由人工处理解除故障，对增强供电可靠性、实现配电自动化、提高供电质量及运行水平具有重要的实际意义。故障指示器作为一种经济实用的故障检测设备，被大量安装在配电网线路上检测短路和接地故障，再配合主站来实现配电线路的故障定位、隔离和恢复，可以有效地解决配网故障查找的难题，从而大大缩短故障停电时间，提高供电可靠性。故障指示器的接地故障检测通常是通过电磁感应方法测量线路中的电流突变及持续时间判断故障，或者通过首半波或5次谐波突变量判断故障。五次谐波的检测原理为：当线路发生接地的时候，首先接地相的电压会降低，另外，由于发生接地，架空线和地面之间形成的虚拟电容被击穿，线路中的五次谐波分量会发生变化，在一定的时间范围内满足这两个条件，故障指示器认为线路发生了接地，指示器动作。首半波的检测原理：当线路发生接地的时候，同样接地相的电压会降低；另外，虚拟电容被击穿。所不同之处是采样的数据不同，首半波检测原理是检测电容击穿瞬间的暂态电流，然后采样接地瞬间的电容电流与接地瞬间的电压首半波进行比较，当接地瞬间的电容电流突变并且大于一定的数值，并且与接地瞬间的电压首半波同相，同时接地相的电压降低，则判断为接地，否则认为没有发生接地。信号注入法检测原理：采用信号注入法的单相故障指示器需要在变电站安装产生特殊信号的信号源，由信号源和故障指示器共同组成故障定位系统。单相接地信号源装置实时监测母线电压和中性点电压，当发生单相接地故障时向系统注入一个特殊低频的信号。这样在系统发生单相接地时，在母线和接地点之间除了接地产生的容性电流和消弧线圈的感性电流(如果系统接有消弧线圈)外，还有一个特殊的低频注入的信号流过这个回路，而在非接地相、非接地线路、以及接地线路的非接地部分则没有这个特殊的低频注入的信号流过。故障指示器就是根据这个特殊的低频注入的信号的特征进行单相接地的选线和定位。在故障指示器检测到这个特殊的低频信号后翻转，指示在此回路有单相接地故障。而非接地相、非接地馈线以及接地馈线的非接地部分不会翻转。但以上三种检测原理都存在各自的不足：五次谐波的检测原理存在以下缺陷：尽管理论上5次谐波在单相接地时有非常明显的特征，但在实际运行过程中情况却大有不同，据有关试验，在不同电网，不同接地方式的63次接地试验中对5次谐波电流在接地前后的变化进行的录波数据发现：单相接地后故障出现的故障相5次谐波电流增加的比例为56.65％，5次谐波电流没有变化的比例为41.6％，减少的比例为1.9％。这种大比例的5次谐波不变化或减少的现象，主要是受到实际运行中大量非线性设备运行、系统的干扰、谐波的污染，以及电网上大量存在的交流滤波器的影响所造成的，因此较难控制。所以五次谐波作为单相接地判据不可靠，只能作为辅助判据。首半波的检测原理存在以下局限：此种方法是针对于接地故障发生后的首半波时间内，故障点处电流和电压的幅值和方向均与正常情况下不同的理论，来进行故障判定的。但由于上述特征成立是基于故障发生在相电压接近最大瞬时值的瞬间，因此此方法在理论上存在死区，当单相接地故障发生在相电压过零点(即故障合闸角为0度)附近时首半波幅值很小，造成首半波判据失效，这时就采用故障电流直流分量来判断接地故障，在申请人2015年提交的专利(CN201510552149-一种应用于FTU的分布式馈线自动化保护新方法)中提出了解决方法。其次单相接地瞬间电容充放电暂态电流频率为300～3000Hz，所以对采样频率要求很高，对于架空线路要求采用频率大于3KHz，对于电缆线路要求采用频率大于6KHz。电容暂态电流特征频率与系统运行工况、接地电阻、接地地点等相关，即特征频率不固定，需要采用小波分析找出能量最大频带(即特征频带)，在特征频带内利用小波系数进行信号重构，再比较暂态电流、电压首半波相位及暂态电流能量来判别接地故障，但故障指示器要精确获取暂态电压信号困难，所以一般只通过暂态电流能量是否大于阈值来判断接地故障，由于根据运行工况来整定阈值困难，所以采用首半波检测单相接地故障的准确率也不高。信号注入法检测原理存在以下缺陷：釆用信号注入法检测单相接地故障时，需要产生信号的信号源无疑增加了系统的复杂性，增加了安装设备。而且信号源在系统中短时接入纯阻性负荷的方式，相当于改变了中性点的接地方式，当装置发生故障没能及时退出时，容易扩大事故，引发更严重的相间短路故障，此外，人为的增大接地电流，会增大系统的安全隐患和对通讯系统的干扰。用户从电网安全方面考虑，比较质疑这种做法，因此，虽然检测准确率高，但使用风险大成本高的特点也限制了其广泛应用。

综上所述，现有的故障指示器的故障误报漏报率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小电流接地系统单相接地故障判定方法，旨在解决现有的故障指示器的故障误报漏报率低的问题。

本发明是这样实现的，一种小电流接地系统单相接地故障判定方法，所述小电流接地系统单相接地故障判定方法根据电场强度突变和相电流突变来启动单相接地故障判断，利用形态梯度法来精确地确定故障起始时刻，实现三相电流的准确同步；对暂态电流信号滤波来确定暂态过程持续时间，利用自相关法来计算暂态电流的特征频率；再根据故障相和非故障相暂态电流的相关性定位接地故障，实现应用于故障指示器的小电流接地系统单相接地故障检测。

进一步，所述小电流接地系统单相接地故障判定方法具体包括以下步骤：

步骤一，A相故障指示器电场传感器检测到电压突降幅度大于阈值Vset，A相故障指示器向B相故障指示器和C相故障指示器发送信标帧，通知B、C相故障指示器自己检测到电压下降信息，B相故障指示器、C相故障指示器分别检测本相电压是否突升幅度超过阈值Vset1；

步骤二、A相故障指示器利用灰度形态梯度滤波器对电压突变时刻前2周波和后6周波的三相电流进行滤波处理，记滤波处理后出现第一个脉冲的时刻为故障发生时刻t0，也即是电磁暂态过程的起始时刻；对三相电流形态梯度滤波处理获得的故障时刻应当为同一时刻，利用获得的精确的故障发生时刻实现对三相故障指示器异步采样的相电流同步对齐；使用灰度形态梯度滤波器；

步骤三、依据求出的故障发生时刻，求各相电流故障分量，并保存数据；将上面得到故障分量减去第6个周波的数据得到相电流的暂态纯故障分量；在Δi_p的第5、6个周波数据中选取信号的最大幅值，最大值视为与测量相关的噪声的最大值；接着对Δi_p数据从尾端向始端同测量噪声最大值进行比较，将超过测量噪声10％的第一个采样信号选为暂态过程的结束时刻t1；

步骤四、由暂态过程的起始时刻t0和结束时刻t1确定暂态过程，对暂态过程的暂态纯故障分量信号进行自相关处理来估计其瞬态频率；计算暂态纯故障分量信号的自相关系数；

步骤五、采用特征频率f_s为中心频率的带通滤波器对A、B、C相电流的暂态纯故障分量进行滤波处理，得到A、B、C相的特征频率下的暂态纯故障分量数据然后分别求与与的互相关系数M_AB、M_AC，再求均值当时判定馈线发生单相接地故障，单相接地保护动作；当时判定馈线没有发生单相接地故障；K_M推荐取0.75。

进一步，所述步骤一中若超过阈值Vset1，记录下电压突变时刻前2周波和后4周波相电流信息，并将记录下电流信息发送给A相故障指示器；A相接收到B、C相信息后，也记录下电压突变时刻前2周波和后6周波相电流信息。

进一步，所述步骤二中使用的灰度形态梯度滤波器为：

上式中g(x)为结构元素，f(x)为待处理原始信号，表示利用结构元素g(x)对f(x)做开运算，(fΘg)(x)表示利用结构元素g(x)对f(x)做闭运算。采用递增结构元素：g＝[0.05 0.1 0.6]。

进一步，所述步骤三中根据下式求各相电流故障分量，并保存数据：

Δi＝i_后-i_前；

式中i_后为故障时刻后采集的故障电流瞬时值，i_前为故障时刻前采集的负荷电流瞬时值。

进一步，所述步骤三中将得到故障分量减去第6个周波的数据得到相电流的暂态纯故障分量：

Δi_p＝Δi-Δi(6)。

式中Δi(6)为相电流故障分量的第6个周波数据。

进一步，所述步骤四中由下式计算暂态纯故障分量信号的自相关系数：

式中N为暂态过程的数据长度，m为延时，m＝0,1,…,N-1。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述小电流接地系统单相接地故障判定方法的故障指示器。

本发明提供的小电流接地系统单相接地故障判定方法，通过精确确定单相接地故障时电容充放电电容电流暂态过程起止时刻，对电容电流暂态过程进行自相关分析确定电容电流暂态过程的特征频率；相比利用小波分析比较不同频带能量来确定特征频带的方法，本发明实现起来更方便，更易应用于故障指示器。现有故障指示器直接利用电场或电流突变来确定故障时刻，当故障电流中混杂有开关拉合闸引起的脉冲噪声时直接根据电流突变确定的故障时刻将不准确，本发明应用的形态梯度法可以有效滤除脉冲噪声，能更准确定位故障时刻，实现了三相故障指示器异步采样数据的同步对齐。本发明利用故障相和非故障相特征频率下暂态电容电流的相关分析来定位单相接地故障，不受运行方式、接地地点、接地电阻等影响，相比现在故障指示器采用的阈值比较方法，无需现场整定和调试，能大大提高故障判别准确率，解决现有故障指示器故障误报漏报率高的问题，大大提高馈线自动化水平。

附图说明

图1是本发明实施例提供的小电流接地系统单相接地故障判定方法流程图。

图2是本发明实施例提供的单相接地暂态电流分布示意图。

图3是本发明实施例提供的利用形态梯度MMG识别故障发生时刻；

图中：虚线为小电流接地系统线路1A相发生单相接地时A相电流波形，点实线为形态梯度滤波后的波形。

图4是本发明实施例提供的线路1三相电流暂态纯故障分量的自相关曲线；小电流接地系统线路1A相接地故障(a)为线路1的A相电流暂态纯故障分量的自相关曲线；(b)为线路1的B相电流暂态纯故障分量的自相关曲线；(c)为馈线1的C相电流暂态纯故障分量的自相关曲线。

图5是本发明实施例提供的实施例1的实施流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的小电流接地系统单相接地故障判定方法包括以下步骤：

S101：根据电场强度突变和相电流突变来启动单相接地故障判断，利用形态梯度法来精确地确定故障起始时刻，从而实现三相电流的准确同步；

S102：对暂态电流信号滤波来确定暂态过程持续时间，利用自相关法来计算暂态电流的特征频率；

S103：再根据故障相和非故障相暂态电流的相关性定位接地故障，实现应用于故障指示器的小电流接地系统单相接地故障检测。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

小电流接地系统中，中性点是不接或经消弧线圈接地，本发明具体实施时，检测单相接地故障时，由三相的三只指示器组成一组共同配合监测。以架空线为例，在安装现场，在架空线路同一地点的A、B、C三相上，分别安装A相故障指示器、B相故障指示器和C相故障指示器，在靠近故障指示器的电力塔架上安装通信终端，通信终端、A相故障指示器、B相故障指示器和C相故障指示器内均设置433MHz或2.4GHz无线通信模块，每只故障指示器与另外两只故障指示器及通信终端之间通过无线通信模块通信。每只故障指示器具有线路电流检测和线路电场检测传感器，可以实时检测线路电流和电压。如图5所示，下面以A相发生单相接地为例：

步骤一、A相故障指示器电场传感器检测到电压突降幅度大于阈值Vset，A相故障指示器向B相故障指示器和C相故障指示器发送信标帧，通知B、C相故障指示器自己检测到电压下降信息，B相故障指示器、C相故障指示器分别检测本相电压是否突升幅度超过阈值Vset1，若超过阈值Vset1，记录下电压突变时刻前2周波和后4周波相电流信息，并将记录下电流信息发送给A相故障指示器。A相接收到B、C相信息后，也记录下电压突变时刻前2周波和后6周波相电流信息。

步骤二、A相故障指示器利用灰度形态梯度滤波器对电压突变时刻前2周波和后6周波的三相电流进行滤波处理，记滤波处理后出现第一个脉冲的时刻为故障发生时刻t0，也即是电磁暂态过程的起始时刻。图3为小电流接地系统线路1的A相发生单相接地故障时，利用形态梯度滤波器精确定位故障发生时刻的曲线图。虚线为A相的相电流曲线，点画线为利用形态梯度滤波器滤波处理后的曲线，可以清晰看到故障发生时刻为滤波处理后曲线的第一个脉冲对应时刻。显然，对三相电流形态梯度滤波处理获得的故障时刻应当为同一时刻，故可以利用获得的精确的故障发生时刻实现对三相故障指示器异步采样的相电流同步对齐。使用的灰度形态梯度滤波器为：

上式中g(x)为结构元素，f(x)为待处理原始信号，表示利用结构元素g(x)对f(x)做开运算，(fΘg)(x)表示利用结构元素g(x)对f(x)做闭运算。采用递增结构元素：g＝[0.05 0.1 0.6]。

步骤三、依据步骤一求出的故障发生时刻，根据下式求各相电流故障分量，并保存数据：

Δi＝i_后-i_前；

式中i_后为故障时刻后采集的故障电流瞬时值，i_前为故障时刻前采集的负荷电流瞬时值。

理论研究和工程试验表明，实际小电流接地系统单相接地故障时，一般在故障发生后3～4个周波，其暂态分量已经很小，可以认为电磁暂态过程基本结束。将上面得到故障分量减去第6个周波的数据可以得到相电流的暂态纯故障分量：

Δi_p＝Δi-Δi(6)；

式中Δi(6)为相电流故障分量的第6个周波数据。

在Δi_p的第5、6个周波数据中选取信号的最大幅值，这个最大值可以视为与测量相关的噪声的最大值。接着对Δi_p数据(6周波的数据序列)从尾端向始端同测量噪声最大值进行比较，将超过测量噪声10％的第一个采样信号选为暂态过程的结束时刻t1。

步骤四、由暂态过程的起始时刻t0和结束时刻t1确定暂态过程，对暂态过程的暂态纯故障分量信号进行自相关处理来估计其瞬态频率。由下式计算暂态纯故障分量信号的自相关系数：

式中N为暂态过程的数据长度，m为延时，m＝0,1,...,N-1。相关函数达到最小值时的相关函数时间值与正衰减的正弦输入信号的半周期长度相符，所以由相关函数最小值的延时时间的采样频率可以得到暂态过程的频率估计值f_s。如图4，为谐振接地系统线路1的A相单相接地故障时，A、B、C相电流暂态纯故障分量自相关曲线，采样率为4.8KHz，A相的最小值出现在延迟采样点6处，于是可以得到暂态过程的频率估计值

步骤五、采用特征频率f_s为中心频率的带通滤波器对A、B、C相电流的暂态纯故障分量进行滤波处理，从而得到A、B、C相的特征频率下的暂态纯故障分量数据然后分别求与与的互相关系数M_AB、M_AC，再求均值当时判定馈线发生单相接地故障，单相接地保护动作；当时判定馈线没有发生单相接地故障。经过大量仿真实验验证分析，综合考虑可靠性和灵敏性，K_M推荐取0.75。

由图2所示的单相接地暂态电流分布可知，单相接地点后端线路的暂态电流分布同非故障线路相同，故利用本发明提出的单相接地故障判据接地点后的故障指示器不动作，而故障接地点前的故障指示器动作，从而实现了单相接地的故障选线和故障定位功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小电流接地系统单相接地故障判定方法，其特征在于，所述小电流接地系统单相接地故障判定方法根据电场强度突变和相电流突变来启动单相接地故障判断，利用形态梯度法来精确地确定故障起始时刻，实现三相电流的准确同步；对暂态电流信号滤波来确定暂态过程持续时间，利用自相关法来计算暂态电流的特征频率；再根据故障相和非故障相暂态电流的相关性定位接地故障，实现应用于故障指示器的小电流接地系统单相接地故障检测。

2.如权利要求1所述的小电流接地系统单相接地故障判定方法，其特征在于，所述小电流接地系统单相接地故障判定方法具体包括以下步骤：

步骤一，A相故障指示器电场传感器检测到电压突降幅度大于阈值Vset，A相故障指示器向B相故障指示器和C相故障指示器发送信标帧，通知B、C相故障指示器自己检测到电压下降信息，B相故障指示器、C相故障指示器分别检测本相电压是否突升幅度超过阈值Vset1；

步骤二、A相故障指示器利用灰度形态梯度滤波器对电压突变时刻前2周波和后6周波的三相电流进行滤波处理，记滤波处理后出现第一个脉冲的时刻为故障发生时刻t0，也即是电磁暂态过程的起始时刻；对三相电流形态梯度滤波处理获得的故障时刻应当为同一时刻，利用获得的精确的故障发生时刻实现对三相故障指示器异步采样的相电流同步对齐；使用灰度形态梯度滤波器；

步骤三、依据求出的故障发生时刻，求各相电流故障分量，并保存数据；将上面得到故障分量减去第6个周波的数据得到相电流的暂态纯故障分量；在Δi_p的第5、6个周波数据中选取信号的最大幅值，最大值视为与测量相关的噪声的最大值；接着对Δi_p数据从尾端向始端同测量噪声最大值进行比较，将超过测量噪声10％的第一个采样信号选为暂态过程的结束时刻t1；

步骤四、由暂态过程的起始时刻t0和结束时刻t1确定暂态过程，对暂态过程的暂态纯故障分量信号进行自相关处理来估计其瞬态频率；计算暂态纯故障分量信号的自相关系数；

步骤五、采用特征频率f_s为中心频率的带通滤波器对A、B、C相电流的暂态纯故障分量进行滤波处理，得到A、B、C相的特征频率下的暂态纯故障分量数据然后分别求与与的互相关系数M_AB、M_AC，再求均值当时判定馈线发生单相接地故障，单相接地保护动作；当时判定馈线没有发生单相接地故障；K_M推荐取0.75。

3.如权利要求2所述的小电流接地系统单相接地故障判定方法，其特征在于，所述步骤一中若超过阈值Vset1，记录下电压突变时刻前2周波和后4周波相电流信息，并将记录下电流信息发送给A相故障指示器；A相接收到B、C相信息后，也记录下电压突变时刻前2周波和后6周波相电流信息。

4.如权利要求2所述的小电流接地系统单相接地故障判定方法，其特征在于，所述步骤二中使用的灰度形态梯度滤波器为：

$G_{grad}\left(f\right)=\left(f\⊕g\right)\left(x\right)-\left(f\mathrm{\Θ}g\right)\left(x\right);$

上式中g(x)为结构元素，f(x)为待处理原始信号，表示利用结构元素g(x)对f(x)做开运算，(fΘg)(x)表示利用结构元素g(x)对f(x)做闭运算；采用递增结构元素：g＝[0.05 0.1 0.6]。

5.如权利要求2所述的小电流接地系统单相接地故障判定方法，其特征在于，所述步骤三中根据下式求各相电流故障分量，并保存数据：

Δi＝i_后-i_前；

式中i_后为故障时刻后采集的故障电流瞬时值，i_前为故障时刻前采集的负荷电流瞬时值。

6.如权利要求2所述的小电流接地系统单相接地故障判定方法，其特征在于，所述步骤三中将得到故障分量减去第6个周波的数据得到相电流的暂态纯故障分量：

Δi_p＝Δi-Δi(6)；

式中Δi(6)为相电流故障分量的第6个周波数据。

7.如权利要求2所述的小电流接地系统单相接地故障判定方法，其特征在于，所述步骤四中由下式计算暂态纯故障分量信号的自相关系数：

$R\left(m\right)=\underset{n=1}{\overset{N-m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δi}}_p\[n\]\·{\mathrm{\Δi}}_p\[n+m\];$

式中N为暂态过程的数据长度，m为延时，m＝0,1,…,N-1。

8.一种应用权利要求1～7任意一项所述小电流接地系统单相接地故障判定方法的故障指示器。