CN106872852A - 基于零序电压的配电网单相断线接地复故障类型诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于零序电压的配电网单相断线接地复故障类型诊断方法，通过确定小电流接地方式，设定零序电压启动值；提取发生断线时刻前N个周波和故障时刻后N个周波的各相电压采样数据，经FFT与对称分量算法计算得到故障前故障相电压与故障后稳态零序电压相位与基准函数的之间的相位差关系作为判断依据；判断零序电压是否超过启动值，如果是则继续提取，判断零序电压相位与故障前故障相相电压相位的相位差是否对应判据的负荷侧接地范围，如果是，则为单相断线加负荷侧接地故障，否则为单相断线加电源侧接地故障。本发明有良好的通用性，本发明适用于各电压等级的中性点不接地或经消弧线圈接地配电网，且偏移角度特性不受电压等级影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于零序电压的配电网单相断线接地复故障类型诊断方法。
背景技术
配电网一般具有分布面广、杆塔矮导线细、走线地理环境复杂、易受外力破坏等特点，又暴露在大自然中，受风吹、日晒和雷电袭击，单相断线接地复故障时有发生。过去我国一直采取“重发、轻供、不管用”的电力建设发展模式，配电网建设严重滞后，普遍存在瓶颈现象，应变能力差。我国配电网的中性点运行方式采用中性点不接地方式或经消弧线圈接地方式，发生单相接地故障后不形成短路回路，只有系统分布电容引起的很小的零序电流，而且处于电力系统末梢，重视程度差。单相断线接地复故障会使大量电动机缺相运行、发热烧毁；此外，带电导线长时间掉落在地面会导致一系列危险发生，例如火灾及人畜伤亡。
相对于对横向故障的分析，配网纵向故障分析较少，解决方法也不多。对于用零序电压幅值和相位判断单相断线接地复故障类型的方法鲜有人提及。此技术所涉及到的内容已有如下分析：(1)在负荷为非动力负荷的前提下，即负荷正负序阻抗相等(ZH1＝ZH2)，不考虑过渡电阻、系统接地类型，当系统发生单相断线接地复故障时，对电源侧及负荷侧零序电压做分析。(2)在负荷序阻抗关系为ZH1＝ZH2(非动力负荷)、ZH1＝5ZH2(动力负荷)的前提下，考虑过渡电阻影响，当系统发生单相断线电源侧接地复故障时，对接地点与断线点的零序电压做分析。(3)考虑小电流接地方式与过渡电阻影响时的单相接地故障零序电压分析(4)对小电流接地系统单电源、双电源线路，单回、双回的单相断线、两相断线及其金属性接地复故障的零序电压分析，其中重点仍在单相断线接地复故障的分析总结(5)对中性点不接地系统，分析某线路电源侧与负荷侧电压互感器零序电压测量端在发生断线及断线接地复故障时的电压变化规律，并根据绝缘监视装置的整定值得出在发生断线及断线接地复故障时两侧绝缘监视装置接地信号的产生规律。
以上均对小电流接地系统单相断线接地复故障的零序电压做了一定的分析，但明显可以看出考虑情况不全面，也没有对单相断线接地类型与零序电压幅值和相位的相关关系作系统的分析和总结，不能对单相断线接地复故障的类型提出有力的判断方法。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于零序电压的配电网单相断线接地复故障类型诊断方法，所用故障电气量是故障发生后稳态零序电压的幅值和相位，本发明充分考虑小电流接地方式、断线后接地点位置、接地点过渡电阻影响、缺相时不同性质负荷的序阻抗特点，对电源侧零序电压的幅值相位深入分析，总结出了基于零序电压幅值和相位的传统配电网单相断线接地复故障类型的诊断方法，解决无法判断断线后接地点位置的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于零序电压的配电网单相断线接地复故障类型诊断方法，包括以下步骤：
(1)确定小电流接地方式，设定零序电压启动值；
(2)提取发生断线时刻前N个周波和故障时刻后N个周波的各相电压采样数据，经FFT与对称分量算法计算得到故障前故障相电压与故障后稳态零序电压的相位与基准函数的之间的相位差关系作为判断依据；
(3)判断零序电压是否超过启动值，如果是则转入步骤(4)，否则返回步骤(2)；
(4)判断零序电压与故障前相电压的相位关系，根据提出的判据判断故障类型为单相断线加负荷侧接地或单相断线加电源侧接地。
所述步骤(1)中，确定系统接地方式，根据判据确定在系统当前接地方式下发生单相断线接地复故障后，过渡电阻和接地位置变化时零序电压的变化规律与范围。
所述步骤(1)中，零序电压的启动值应按躲过路断线不接地时的最大零序偏移电压整定。
所述步骤(2)中，取用故障发生后的稳态数据，且采样频率应符合Nyquist采样定律。
所述步骤(2)中，使用低通抗混叠滤波器对采样数据进行处理。
所述步骤(2)中，计算相位差的基准函数为工频标准余弦函数，开始于故障前所提取各相电压采样数据的起始时刻，结束于故障后所提取数据的结束时刻。
所述步骤(4)中，线路发生单相断线加电源侧接地后，根据判据内容，零序电压与故障前故障相相电压的相位差属于电源侧接地的范围,零序电压幅值和相位受中性点接地方式及过渡电阻影响。
所述步骤(4)中，线路发生单相断线加负荷侧接地后，根据判据内容，零序电压与故障前故障相相电压的相位差属于负荷侧接地的范围，零序电压幅值和相位受中性点接地方式、过渡电阻影响及负荷序阻抗影响。
一种基于零序电压的配电网单相断线接地复故障类型诊断系统，包括电压互感器、调理电路和DSP模块，其中调理电路将电压互感器二次侧三相电压以及零序电压经变送电路、比例放大电路、加法电路调理成DSP模块的内置A/D转换器的输入标准，输入量为三相电压和零序电压。
本发明的有益效果为：
(1)本发明有良好的通用性，本发明适用于各电压等级的中性点不接地或经消弧线圈接地配电网，且偏移角度特性不受电压等级影响；
(2)本发明有良好的适应性，本发明抗过渡电阻能力强，根据仿真结果，对于小电流接地系统过渡电阻阻值小于10千欧的单相断线接地复故障能得到可靠的判断结果；
(3)本发明有良好的实用性，本发明仅仅通过采集母线三相电压和零序电压即可通过计算得到结果，硬件改造简单，也可对故障录波器内数据进行处理并计算出结果。
附图说明
图1(a)为中性点不接地系统单相断线加电源侧经过渡电阻接地复故障系统简化图；
图1(b)为中性点不接地系统单相断线加负荷侧经过渡电阻接地复故障系统简化图；
图2(a)为中性点经消弧线圈接地系统单相断线加电源侧经过渡电阻接地复故障系统简化图；
图2(b)为中性点经消弧线圈接地系统单相断线加负荷侧经过渡电阻接地复故障系统简化图；
图3为中性点不接地系统单相断线加电源侧接地复故障复合序网；
图4为中性点不接地系统单相断线加负荷侧接地复故障复合序网；
图5为中性点不接地系统单相断线加电源侧接地复故障零序电压变化相量图；
图6为中性点不接地系统单相断线加负荷侧接地复故障零序电压变化相量图；
图7为中性点经消弧线圈接地系统单相断线加电源侧接地复故障复合序网；
图8为中性点经消弧线圈接地系统单相断线加负荷侧接地复故障复合序网；
图9为中性点经消弧线圈接地系统单相断线加电源侧接地复故障零序电压变化相量图；
图10为中性点经消弧线圈接地系统单相断线加负荷侧接地复故障零序电压变化相量图；
图11(a)为中性点不接地系统单相断线接地复故障零序电压变化相量对比图；
图11(b)为中性点经消弧线圈接地系统单相断线接地复故障零序电压变化相量对比图；
图12为三相异步电动机阻抗与转差率s关系曲线图；
图13为故障前相电压与故障后稳态零序电压相位角比较原理图
图14为小电流接地系统单相断线接地复故障类型的诊断流程图；
图15为实现装置结构示意图；
图16为DSP模块功能框图；
图17(a)为中性点不接地系统PSCAD仿真模型；
图17(b)为中性点经消弧线圈接地系统PSCAD仿真模型；
图18为仿真结果图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
小电流接地系统发生单相断线接地复故障时的系统简化图如附图1(a)(b)、附图2(a)(b)所示。
理论推导：
1)中性点不接地系统发生A相断线加电源侧接地故障时，边界条件为：
即对称分量边界条件为：
复合序网如附图3所示，可得相电流各序分量为：
电压零序分量为：
2)中性点不接地系统发生A相断线加负荷侧接地故障时，边界条件及其对称分量为：
断线点：
接地点：
复合序网如附图4所示，保护安装处故障相电流的各序分量分别为：
保护安装处电压各序分量为：
其中，
断线点处的电压各序分量为：
接地点处电压的正序、负序分量为：
由式(11)式(12)式(13)求得保护安装处电压的零序分量为：
若负荷序阻抗ZH1＝ZH2,化简式(14)得：
注：式(4)与式(15)中，为A相故障前相电压,C0为电网每相对地电容，ω为电网角频率，Rg为接地点过渡电阻,相位偏移角度θ1＝arctan(-3ωRgC0)，则当Rg由0→∞时θ1由0°→90°。零序电压变化相量图如附图5、附图6所示。
3)中性点经消弧线圈接地系统(过补偿)发生A相断线加电源侧接地故障时，边界条件同式(1)式(2)，复合序网如附图7所示。消弧线圈为过补偿，即单相接地短路故障时产生感性电流，可将零序网络并联支路等效为一电感Lq。
相电流各序分量为：
电压零序分量为：
4)中性点经消弧线圈接地系统(过补偿)发生A相断线加负荷侧接地故障时,边界条件同式(5)式(6)式(7)式(8)，复合序网如附图8所示,过补偿等效电感Lq。
保护安装处故障相电流的各序分量分别为：
保护安装处电压各序分量为：
其中，
断线点处的电压各序分量为：
接地点处电压的正序、负序分量为：
由式(19)(20)(21)(22)求得保护安装处电压的零序分量为：
假设系统负荷序阻抗ZH1＝ZH2，化简式(23)得：
注：式(17)式(24)中，为A相故障前相电压,，Lq为过补偿等效电感，ω为电网角频率，Rg为接地点过渡电阻，相位偏移角度则当Rg由0→∞时θ2由0°→90°。零序电压变化相量图如附图9、附图10所示。
中性点不接地系统与中性点经消弧线圈接地系统发生单相断线接地复故障时零序电压变化对比图如附图11(a)(b)所示，其中下标S表示接地点在电源侧，下标L表示接地点在负荷侧，当Rg由零趋于无穷的过程中，零序电压沿虚线方向变化。从对比图中可以明显看出各种故障相量差别明显，可以显著区分单相断线接地复故障类型，灵敏度较高。
单相断线接地复故障类型诊断判据
根据附图11所示断线接地复故障时零序电压相位的变化特征，单相断线接地复故障类型诊断判据如下：
(1)中性点不接地系统，断线接地复故障，接地点在负荷侧
(2)中性点不接地系统，断线接地复故障，接地点在电源侧
(3)消弧线圈接地系统，断线接地复故障，接地点在负荷侧
(4)消弧线圈接地系统，断线接地复故障，接地点在电源侧
负荷序阻抗分析：
由于负荷侧接地时负荷的序阻抗会对零序电压幅值和相位产生影响，所以需要分析系统缺相时不同性质负荷序阻抗特点：非动力负荷为对称静止元件，正序阻抗与负序阻抗相等；动力负荷大多为三相异步电动机，其正序阻抗由转差率S确定，负序阻抗由2-S确定，由于断线后电机缺相运行且负序电流产生制动转矩，电机转速迅速下降甚至烧毁，序阻抗变化曲线图如附图12所示，其中Xms、Rms是异步电动机转差为S时的电抗与电阻，XmN、RmN为异步电动机额定运行情况下的电抗及电阻。从图中得到结论为当系统发生断线故障后，负荷序阻抗均可视为正序阻抗与负序阻抗基本相等。
相位比较算法：
由于小电流接地系统断线接地复故障对保护动作的快速性没有严格的要求，故本发明取用故障发生后的稳态数据。充分利用FFT(快速傅里叶变换)对基波(50Hz)的高分辨率，其中采样频率应符合Nyquist采样定律，为了避免混叠效应，应使用低通抗混叠滤波器对原始数据进行处理。
将发生断线时刻前10个周波和故障时刻后10-20个周波的各相电压采样数据进行缓存，用于计算相位差的基准函数为开始于所存储采样数据的初始时刻，经FFT与对称分量算法计算得到故障前相电压与故障后零序电压的相位与基准函数的之间的相位差关系作为判断依据。相位角比较原理图如附图13所示。
为实现上述目的，本发明提出的对小电流接地系统单相断线接地复故障类型的诊断流程如附图14所示,解释如下：
首先确定系统接地方式，即根据判据确定当前接地方式在不同情况下发生单相断线接地复故障时零序电压的变化规律与范围。然后设定零序电压的启动值，由于线路发生断线不接地故障时会产生零序偏移电压，虽然此电压较小且不会引起开口三角行电压互感器发出接地信号，但是为了区别断线与断线接地故障，也为了保证在过渡电阻过大、接地特征不明显时判据的准确性，零序电压的启动值应按躲过路断线不接地时的最大零序偏移电压整定。最后依次做两个判断，首先判断零序电压是否超过整定值，其结果确定断线故障点是否同时发生随接地故障，若超过整定值则继续判断零序电压与故障前故障相电压的相位关系，即判断两者相位差对应判据的哪个范围，其结果确定断线故障发生后接地点位置在断口的电源侧或负荷侧。根据这两个判断结果可确定单相断线接地复故障类型。
图15为本发明实现装置结构示意图，主要由电压互感器、调理电路和DSP模块组成。其中调理电路将电压互感器二次侧三相电压(A、B、C)以及零序电压(L、N)经变送电路、比例放大电路、加法电路调理成DSP芯片内置A/D转换器的输入标准(单极性0-3.3V)，输入量为三相电压和零序电压DSP芯片采用TI公司C2000系列TMS320LF2407芯片，DSP模块功能框图如附图16所示，由内置10位A/D转换器、输入输出接口、通信接口、数据存储器、人机界面和本地I/O设备组成。
分析结果：
线路发生单相断线故障后，电源侧零序电压变化不明显；
线路发生单相断线加电源侧接地后，根据判据内容，零序电压与故障前故障相相电压的相位差属于电源侧接地的范围，零序电压幅值和相位受中性点接地方式及过渡电阻影响；
线路发生单相断线加负荷侧接地后，根据判据内容，零序电压与故障前故障相相电压的相位差属于负荷侧接地的范围，零序电压幅值和相位受中性点接地方式、过渡电阻影响及负荷序阻抗影响。
最后总结分析结果：中性点接地方式影响零序电压相位偏移的极性，过渡电阻大小影响零序电压偏移角度和幅值的大小，从而提出一种基于零序电压幅值和相位的配电网单相断线接地复故障类型诊断方法。
以PSCAD/EMTDC作为仿真例，采用附图17(a)(b)所示的10kV配电系统仿真模型，负荷类型以恒功率负载2.5MW+0.2Mvar作为综合性负荷，接地方式分别以中性点不接地和中性点经消弧线圈接地(过补偿)进行仿真验证。仿真系统在t＝0.4s时L1线路A相发生断线故障以及在不同过渡电阻下的断线加电源侧接地、断线加负荷侧接地故障，仿真结果如图18所示，
解释如下：
中性点不接地系统故障发生前A相相电压幅值为5.77kV；
中性点不接地系统发生断线故障时，三倍零序电压偏移量为2.77kV；
中性点不接地系统发生A相断线加电源侧金属性接地(Rg＝0)时3U0＝17.3kV， 调节过渡电阻至Rg＝10kΩ时，3U0＝10.0kV，可见，与式(26)判据一致。
中性点不接地系统发生A相断线加负荷侧金属性接地(Rg＝0)时3U0＝8.72kV，调节过渡电阻至Rg＝10kΩ时，3U0＝5.05kV，可见，与式(25)判据一致。
中性点经消弧线圈接地系统故障发生前A相相电压幅值为5.77kV；
中性点经消弧线圈接地系统发生断线故障时，三倍零序电压偏移量为2.77kV；
中性点经消弧线圈接地系统发生A相断线加电源侧金属性接地(Rg＝0)时3U0＝17.30kV，调节过渡电阻至Rg＝10kΩ时，3U0＝15.34kV，可见，与式(28)判据一致。
中性点经消弧线圈接地系统发生A相断线加负荷侧金属性接地(Rg＝0)时3U0＝8.62kV，调节过渡电阻至Rg＝10kΩ时，3U0＝7.70kV，可见，与式(27)判据一致。
由仿真分析可得，基于零序电压幅值和相位的小电流接地系统单相断线接地复故障类型诊断方法是切实有效的。尤其在金属性接地故障中判据最大。当有接地电阻影响时，上述不同情况会产生不同的相位偏移，且规律明显，抗过渡电阻能力强，与理论分析一致。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于零序电压的配电网单相断线接地复故障类型诊断方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)确定小电流接地方式，设定零序电压启动值；
(2)提取发生断线时刻前N个周波和故障时刻后N个周波的各相电压采样数据，经FFT与对称分量算法计算得到故障前故障相电压与故障后稳态零序电压的相位与基准函数的之间的相位差关系作为判断依据；
(3)判断零序电压是否超过启动值，如果是则转入步骤(4)，否则返回步骤(2)；
(4)判断零序电压与故障前相电压的相位关系，根据提出的判据确定故障类型为单相断线加负荷侧接地或单相断线加电源侧接地。
2.如权利要求1所述的一种基于零序电压的配电网单相断线接地复故障类型诊断方法，其特征是：所述步骤(2)中，取用故障发生后的稳态数据，且采样频率应符合Nyquist采样定律。
3.如权利要求1所述的一种基于零序电压的配电网单相断线接地复故障类型诊断方法，其特征是：所述步骤(2)中，使用低通抗混叠滤波器对采样数据进行处理。
4.如权利要求1所述的一种基于零序电压的配电网单相断线接地复故障类型诊断方法，其特征是：所述步骤(1)中，确定系统接地方式，即根据判据确定在系统当前接地方式下发生单相断线接地复故障后，过渡电阻和接地位置变化时零序电压的变化规律与范围。
5.如权利要求1所述的一种基于零序电压的配电网单相断线接地复故障类型诊断方法，其特征是：所述步骤(1)中，零序电压的启动值应按躲过路断线不接地时的最大零序偏移电压整定。
6.如权利要求1所述的一种基于零序电压的配电网单相断线接地复故障类型诊断方法，其特征是：所述步骤(2)中，计算相位差的基准函数为工频标准余弦函数，开始于故障前所提取各相电压采样数据的起始时刻，结束于故障后所提取数据的结束时刻。
7.如权利要求1所述的一种基于零序电压的配电网单相断线接地复故障类型诊断方法，其特征是：所述步骤(4)中，线路发生单相断线加电源侧接地后，根据判据内容，零序电压与故障前故障相相电压的相位差属于电源侧接地的范围，零序电压幅值和相位受中性点接地方式及过渡电阻影响。
8.如权利要求1所述的一种基于零序电压的配电网单相断线接地复故障类型诊断方法，其特征是：所述步骤(4)中，线路发生单相断线加负荷侧接地后，根据判据内容，零序电压与故障前故障相相电压的相位差属于负荷侧接地的范围，零序电压幅值和相位受中性点接地方式、过渡电阻影响及负荷序阻抗影响。
9.如权利要求1所述的一种基于零序电压的配电网单相断线接地复故障类型诊断方法，其特征是：所述步骤(2)中，判断依据如下：
(1)中性点不接地系统，断线接地复故障，接地点在负荷侧
(2)中性点不接地系统，断线接地复故障，接地点在电源侧
(3)消弧线圈接地系统，断线接地复故障，接地点在负荷侧
(4)消弧线圈接地系统，断线接地复故障，接地点在电源侧
10.一种应用于权利要求1-8中任一项所述的诊断方法的诊断系统，其特征是：包括电压互感器、调理电路和DSP模块，其中调理电路将电压互感器二次侧三相电压以及零序电压经变送电路、比例放大电路、加法电路调理成DSP模块的内置A/D转换器的输入标准，输入量为三相电压和零序电压。
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