CN107508265B - 小电阻接地系统高阻接地保护方法和系统 - Google Patents

小电阻接地系统高阻接地保护方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种小电阻接地系统高阻接地保护方法和系统，小电阻接地系统高阻接地保护方法，包括以下步骤：根据接地故障过渡电阻的取值预设零序电压条件，根据零序有功功率绝对值和零序有功功率绝对值的门槛值预设零序有功功率绝对值条件，根据零序有功功率绝对值与零序无功功率绝对值之间的关系预设零序无功功率绝对值条件；当同时满足所述零序电压条件、零序有功功率绝对值条件以及零序无功功率绝对值条件时，启动小电阻接地系统高阻接地保护。上述小电阻接地系统高阻接地保护方法，能够自适应专用零序CT极性反接的情况，不需要校验专用零序CT的极性。

Description

小电阻接地系统高阻接地保护方法和系统
技术领域
本发明涉及电力系统的保护和控制技术领域，特别是涉及一种小电阻接地系统高阻接地保护方法和系统。
背景技术
在发生接地故障时，中性点经小电阻接地系统能够快速识别并切除故障线路，因此在新建城市电网中得到越来越多的应用。
中性点经小电阻接地系统能切除小电阻接地故障，目前，中性点经小电阻的10kV系统零序电流保护只能切除过渡电阻100欧以下的接地故障。当小电阻接地系统发生高阻接地故障时，故障特征不明显，往往长时间无法被切除，对路过的行人的人身安全造成威胁，甚至会严重影响供电的可靠性。目前，考虑到高阻接地的强阻尼作用，高阻接地的故障检测主要以稳态量判据作为主要依据。以稳态量判据作为主要依据时，由于故障量小，对精度要求较高，应尽量采用专用零序CT(电流互感器)进行零序过流保护，但专用零序CT的极性难以校验。
发明内容
基于此，有必要针对专用零序CT的极性难以校验的问题，提供一种小电阻接地系统高阻接地保护方法和系统。
一种小电阻接地系统高阻接地保护方法，包括以下步骤：
获取小电阻接地系统中零序有功功率绝对值的门槛值、零序有功功率绝对值以及零序无功功率绝对值；
根据接地故障过渡电阻的取值预设零序电压条件，根据零序有功功率绝对值和零序有功功率绝对值的门槛值预设零序有功功率绝对值条件，根据零序有功功率绝对值与零序无功功率绝对值之间的关系预设零序无功功率绝对值条件；
当同时满足所述零序电压条件、零序有功功率绝对值条件以及零序无功功率绝对值条件时，启动小电阻接地系统高阻接地保护。
在启动高阻接地保护之后，跳闸计时器开始计时，当计时达到预设的跳闸计时阈值时，执行保护跳闸隔离故障。
一种小电阻接地系统高阻接地保护方法和系统，包括：
获取模块，用于获取小电阻接地系统中零序有功功率绝对值的门槛值、零序有功功率绝对值以及零序无功功率绝对值；
预设模块，用于根据接地故障过渡电阻的取值预设零序电压条件，根据零序有功功率绝对值和零序有功功率绝对值的门槛值预设零序有功功率绝对值条件，根据零序有功功率绝对值与零序无功功率绝对值之间的关系预设零序无功功率绝对值条件；
启动模块，用于当同时满足所述零序电压条件、零序有功功率绝对值条件以及零序无功功率绝对值条件时，启动小电阻接地系统高阻接地保护。
上述小电阻接地系统高阻接地保护方法和系统，通过所述零序电压、零序有功功率绝对值以及零序无功功率绝对值，识别高阻接地故障特征，其中所述零序电流通过专用零序CT接入，能够自适应专用零序CT极性反接的情况，不需要校验专用零序CT的极性。
附图说明
图1为本发明一个实施例中小电阻接地系统高阻接地保护方法的流程示意图；
图2为本发明一个实施例中所应用的中性点经小电阻接地系统主接线示意图；
图3为本发明一个实施例中零序CT极性正接时小电阻接地系统高阻接地故障的相量图；
图4为本发明一个实施例中零序CT极性反接时小电阻接地系统高阻接地故障的相量图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的小电阻接地系统高阻接地保护方法和系统作详细描述。
本发明提供一种小电阻接地系统高阻接地保护方法，包括以下步骤：
S1：获取小电阻接地系统中零序有功功率绝对值的门槛值、零序有功功率绝对值以及零序无功功率绝对值；
S2：根据接地故障过渡电阻的取值预设零序电压条件，根据零序有功功率绝对值和零序有功功率绝对值的门槛值预设零序有功功率绝对值条件，根据零序有功功率绝对值与零序无功功率绝对值之间的关系预设零序无功功率绝对值条件；
S3：当同时满足所述零序电压条件、零序有功功率绝对值条件以及零序无功功率绝对值条件时，启动小电阻接地系统高阻接地保护。
上述实施例中，具体的流程示意图如图1所示，当同时满足零序电压条件、零序有功功率绝对值条件以及零序无功功率绝对值条件，且跳闸计时器的计时值大于定值时，出口跳闸，图中，定值指的是预设跳闸计时阈值，限值指的是零序电压的最大取值。对于步骤S1：可以根据零序电压和零序电流计算零序有功功率绝对值，也可以根据所述零序有功功率绝对值计算零序无功功率绝对值；对于步骤S2、S3：当同时满足零序电压条件、零序有功功率绝对值条件以及零序无功功率绝对值条件时，可以判定为该线路具有高阻接地故障特征，当三个条件中至少有一个条件不满足，则可以判定该线路不具有高阻接地故障特征。
下面结合具体的例子对步骤2中预设条件的选取依据做详细介绍，中性点经小电阻接地系统线路的接线图如图2，可以为10kV接地系统，含四条线路：线路1、线路2、线路3以及线路4，图中接地变指的是接地变压器，其中线路4发生了经过渡电阻接地故障，A、B和C为三相不同的电路，Rr为中性点接地电阻，Rg为接地故障过渡电阻，中性点接地电阻Rr可以为6～20欧姆,而接地故障过渡电阻Rg可以为100～1000欧姆范围内。
设接地变中性点零序电压为忽略接地变阻抗，则10kV母线三相电压因为中性点电压偏移，分别为根据基尔霍夫电流定律，存在式(1)：
其中，和分别为a，b，c三相电压额定值。式(1)中，为电源的三相电流之和，为各线路的三相电流之和，Rr为接地变中性点接地电阻。
在三相参数对称、负荷对称时，电源支路及各非故障线路的三相电流之和经计算后为即三相对地电容电流为其中，j为虚数单位，j2＝-1，ω为工频对应的角速度，对于50Hz工频即为ω＝2π×50，C为线路的单相对地电容大小，下同。对于故障线路，除了三相对地电容电流还存在由于接地故障过渡电阻Rg产生的对地电流，假设在与母线相距为l处发生接地故障，单位长度的电抗为x，则以A相接地为例，Rg产生的对地电流为：由将上述结果带入式(1)，则转化为式(2)：
根据上述分析，对于第n条非故障线路，零序电流为作用下产生的对地电容电流：
式(3)中n为非故障线路的序号，对应图2，n＝1、2、3，Cn为第n条线路电容值。
对于故障线路，零序电流为三相对地电容电流与接地故障过渡电阻Rg产生的对地电流之和：
式(4)中∑C为系统对地电容之和，C4为故障线路对地电容。
根据公式3和4，非故障线路和故障线路的零序电流与零序电压的相量关系如图3所示，其中，零序电流的大小为3I0。若专用零序CT极性接反，则相量图如图4所示。
根据图3和图4，分析有功功率P0＝U0×3I0×Cosθ，θ为零序电流与零序电压之间的夹角，I0和U0分别为零序电流的幅值和零序电压的幅值。对于非故障线路，不论专用零序CT极性正反，零序有功均为0，而对于故障线路，专用零序CT极性正接与反接时的绝对值相等，而正负相反，取零序有功的绝对值，则数值相等。对于中性点经小电阻接地系统，使用零序有功绝对值作为区分故障线路和非故障线路的依据，是有明显的区分度的。因此，采用零序有功功率绝对值来检测接地故障，可以防止专用零序CT极性的影响。
根据式(4)，对于故障线路，计算零序有功功率时，仅部分参与计算，j3ω(∑C-C4)部分产生的零序有功功率为0。因此，得到有功功率绝对值为：
式(2)中，在高阻接地的情况下，考虑Rg在100～1000欧姆范围内，lx远远小于Rg，可忽略。考虑架空线的情况，一般架空线单位对地电容为6pF/km左右，折算为导纳约为5.7μS/km，系统规模相当于100km架空线时的对地导纳为0.570mS，而接地变中性点接地电阻一般为6～20欧姆，折算为导纳在20mS以上，远大于系统对地导纳，因此也可忽略，得到如下接地变中性点电压的近似计算公式：
Ea为的幅值。带入式(5)中，得到零序有功功率绝对值的近似计算公式：
对于电缆线路居多，或者电网规模很大时，系统对地电容电流较大，不宜直接忽略时，可得：
根据式(4)，不能忽略时，j3ω(∑C-C4)会形成零序无功功率部分，可得：
Q0为零序无功功率。对于同一个小电阻接地系统，中性点接地电阻Rr是一定的，根据式8和式9，|P0|随着接地电阻Rg的增大而减小，随着系统规模的增大而减小，|Q0|会随着系统规模的增大而增大。
上述分析均基于高阻接地时过渡电阻Rg明显大于故障点到母线的线路电抗lx的前提下，适用于100欧及以上过渡电阻接地的情况。另外，考虑到分布式电阻、误差等因素的影响，非故障线路的零序有功功率不会完全为0，但是会呈现出零序无功功率远大于零序有功功率的特征，而故障线路具有明显的零序有功功率，零序功率分布上是不同的。
另外，使用电磁暂态仿真软件(PSCAD，Power Systems Computer Aided Design)软件对图2中的系统进行电磁暂态仿真，电压等级为10.5kV，中性点接地电阻为10欧。过渡电阻在100欧～1000欧范围内选择，计算10kV母线处零序电压及流经各条配电线路的零序电流，并计算各条线路的零序有功功率绝对值。
不同过渡电阻对应的各线路的|P0|、|Q0|如表1和表2所示，采用二次值，单位W、Var：
表1不同过渡电阻时各线路的|P0|
R<sub>g</sub>(Ω) 线路1 线路2 线路3 线路4
100 1.33e-3 4.21e-4 2.24e-3 4.81
200 3.74e-4 1.18e-4 6.27e-4 1.35
400 9.91e-5 3.13e-5 1.66e-4 0.358
600 4.49e-5 1.42e-5 7.54e-5 0.162
800 2.55e-5 8.05e-6 4.28e-5 0.0921
1000 1.64e-5 5.18e-6 2.76e-5 0.0592
表2不同过渡电阻时各线路的|Q0|
表1中，线路4的零序有功功率绝对值与公式(7)的计算结果是吻合的。扩大系统规模，增大系统对地电容的总量，不同过渡电阻时的仿真结果如下表所示：
表3不同过渡电阻时各线路的|P0|
R<sub>g</sub>(Ω) 线路1 线路2 线路3 线路4
100 0.0248 0.0115 0.0608 3.31
200 7.11e-3 3.29e-3 0.0175 0.951
400 1.91e-3 8.84e-4 4.69e-3 0.255
600 8.70e-4 4.03e-4 2.13e-3 0.116
800 4.95e-4 2.29e-4 1.22e-3 0.0662
1000 3.19e-4 1.48e-4 7.83e-4 0.0427
表4不同过渡电阻时各线路的|Q0|
R<sub>g</sub>(Ω) 线路1 线路2 线路3 线路4
100 0.458 0.353 0.618 2.12
200 0.131 0.101 0.177 0.609
400 0.0353 0.0273 0.0477 0.164
600 0.0161 0.0124 0.0217 0.0745
800 9.15e-3 7.06e-3 0.0124 0.0424
1000 5.90e-3 4.55e-3 7.96e-3 0.0273
上述仿真结果与理论公式推导是一致的。在上述实施例中，由于高阻接地故障存在故障量小的特点，对精度要求较高，可以尽量采用专用零序CT，但专用零序CT的极性难以校验。上述实施例零序电流采用专用零序CT接入，并且能够自适应零序CT的极性，保证了高阻接地故障判断对精度的要求。
上述例子对步骤2中预设条件的选取依据做了详细介绍，具体应用基于上述预设条件，能够自适应专用零序CT极性反接的情况，不需要校验专用零序CT的极性，并能够很好的排除对地电容电流的影响，灵敏度高，采用专用零序CT以及开口三角电压，能够适应高阻接地时故障特征量小需要精确测量的特点，最大检测过渡电阻能力能达到990欧。
具体的，本发明的一个实施例中小电阻接地系统高阻接地保护方法，在启动小电阻接地系统高阻接地保护之后，还包括以下步骤：启动跳闸计时器，当跳闸计时达到预设的跳闸计时阈值时，执行保护跳闸隔离故障。
在上述实施例中，当跳闸计时达到跳闸计时阈值时，认为该线路存在高阻接地故障特征，可以执行保护跳闸隔离故障，在执行保护跳闸的同时，也可以启动报警系统，通过报警系统检修人员可以及时地发现具体的故障位置，并及时地进行检修，及时恢复正常供电。
其中，本发明的一个实施例中的小电阻接地系统高阻接地保护方法，在跳闸计时器开始计时之后，还包括以下步骤：
如果在跳闸计时达到跳闸计时阈值之前，所述零序电压条件、零序有功功率绝对值条件以及零序无功功率绝对值条件中至少有一个条件不满足，则将跳闸计时器清零。
在上述实施例中，同时满足零序电压条件、零序有功功率绝对值条件以及零序无功功率绝对值条件时，可以判定为该线路具有高阻接地故障特征，若在达到跳闸延时前，零序电压条件、零序有功功率绝对值条件以及零序无功功率绝对值条件中至少有一个条件不满足，则认为线路并不存在高阻接地故障特征，高阻接地保护返回，跳闸计时器清零，其中，本发明中的跳闸延时即为跳闸计时阈值。
通过上述实施例，能够准确检测高阻接地故障，避免误判的现象出现，在配电线路发生高阻接地故障时，能及时被切除，不仅能避免过路行人因配电线路掉落地面产生的跨步电压或接触电压而危害路过的行人，还能保证上一级接地变压器不至于受到故障的影响，提高了供电的可靠性。
在一个具体的实施例中，本发明的小电阻接地系统高阻接地保护方法中，在获取零序有功功率绝对值的门槛值之前，还包括以下步骤：根据小电阻接地系统的中性点接地电阻Rr和接地故障过渡电阻Rg计算零序有功功率绝对值的门槛值。
上述实施例中，中性点接地电阻Rr可以为6～20欧姆,而接地故障过渡电阻Rg可以为100～1000欧姆范围内，通过算零序有功功率绝对值的门槛值，为预设零序有功功率绝对值条件做铺垫，通过预设的零序有功功率绝对值条件可以判定是否存在高阻接地故障特征。及时识别高阻接地故障特征对及时启动高阻接地保护至关重要。
具体的，本发明的一个实施例中计算零序有功功率绝对值的门槛值的公式为：
式中，|P0|门槛为零序有功功率绝对值的门槛值，Ea为相电压额定值，Kr为第一可靠系数，Rr为中性点接地电阻，Rg为接地故障过渡电阻。
上述实施例中，Ea保护可以采用二次值计算，取57.74V；是考虑接入开口三角电压的二次额定值为100V，与相电压有倍关系；为保证高阻接地保护的灵敏性，Kr的值可以取0.5～0.8，典型值可以取0.6。
上述实施例可以得到零序有功功率绝对值的门槛值，配电线路中零序有功功率的值大于上述零序有功功率绝对值的门槛值是配电线路发生高阻接地故障的判定条件之一，可以通过对零序有功功率绝对值与零序有功功率绝对值的门槛值的比较来判断是否发生高阻接地故障。
优选的，本发明的小电阻接地系统高阻接地保护方法的实施例中，所述第一可靠系数的取值范围为：
式中，Kk为裕度系数，Σ3ωC为全系统对地电容对应的电纳值，ω为工频对应的角速度。
上述实施例中，Kk可以取典型值0.85，当工频为50Hz时，全系统对地电容对应的电纳值为ω＝2π×50。可靠系数的计算为零序有功功率绝对值的门槛值做铺垫，可以通过对零序有功功率绝对值与零序有功功率绝对值的门槛值的比较来判断是否发生高阻接地故障。
具体的，本发明的一个实施例中的小电阻接地系统高阻接地保护方法，所述零序电压条件、零序有功功率绝对值条件以及零序无功功率绝对值条件为：
式中，U0为零序电压，|P0|为零序有功功率绝对值，|Q0|为零序无功功率绝对值，Kpq为第一系数，与系统的对地电容总量有关，Ku为第二可靠系数。
上述实施例中，Kpq为与系统的对地电容总量有关的系数，可以取0.3，Ku为零序电压对应的可靠系数，Ea、Kr、Rr、Rg的意义与其他实施例中相同，此处不再赘述。
上述实施例，能够自适应专用零序CT极性反接的情况，不需要校验专用零序CT的极性，并能够很好的排除对地电容电流的影响，灵敏度高，采用专用零序CT以及开口三角电压，能够适应高阻接地时故障特征量小需要精确测量的特点。
具体的，本发明的实施例中的高阻接地保护还可以提供中性点接地电阻、接地故障过渡电阻、第一可靠系数以及跳闸延时的值供用户设置，用户可以根据不同的情况和需求来预设这四个值，这四个值的可预设性为本发明的小电阻接地系统高阻接地保护方法提供更广泛的运用，通过设置这四个值来匹配不同的配电线路。
另外，本发明的一个实施例的小电阻接地系统高阻接地保护系统，包括：
获取模块，用于获取小电阻接地系统中零序有功功率绝对值的门槛值、零序有功功率绝对值以及零序无功功率绝对值；
预设模块，用于根据接地故障过渡电阻的取值预设零序电压条件，根据零序有功功率绝对值和零序有功功率绝对值的门槛值预设零序有功功率绝对值条件，根据零序有功功率绝对值与零序无功功率绝对值之间的关系预设零序无功功率绝对值条件；
启动模块，用于当同时满足所述零序电压条件、零序有功功率绝对值条件以及零序无功功率绝对值条件时，启动小电阻接地系统高阻接地保护。
上述实施例与本发明的小电阻接地系统高阻接地保护方法中对应的实施例相类似，此处不再赘述。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种小电阻接地系统高阻接地保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取小电阻接地系统中零序有功功率绝对值的门槛值、零序有功功率绝对值以及零序无功功率绝对值；
根据接地故障过渡电阻的取值预设零序电压条件，根据零序有功功率绝对值和零序有功功率绝对值的门槛值预设零序有功功率绝对值条件，根据零序有功功率绝对值与零序无功功率绝对值之间的关系预设零序无功功率绝对值条件；
当同时满足所述零序电压条件、零序有功功率绝对值条件以及零序无功功率绝对值条件时，启动小电阻接地系统高阻接地保护。
2.根据权利要求1所述的小电阻接地系统高阻接地保护方法，其特征在于，在启动小电阻接地系统高阻接地保护之后，还包括以下步骤：
启动跳闸计时器，当跳闸计时达到预设的跳闸计时阈值时，执行保护跳闸隔离故障。
3.根据权利要求2所述的小电阻接地系统高阻接地保护方法，其特征在于，在启动跳闸计时器之后，还包括以下步骤：
如果在跳闸计时达到跳闸计时阈值之前，所述零序电压条件、零序有功功率绝对值条件以及零序无功功率绝对值条件中至少有一个条件不满足，则将跳闸计时器清零。
4.根据权利要求1所述的小电阻接地系统高阻接地保护方法，其特征在于，在获取零序有功功率绝对值的门槛值之前，还包括以下步骤：
根据小电阻接地系统的中性点接地电阻和接地故障过渡电阻计算零序有功功率绝对值的门槛值。
5.根据权利要求4所述的小电阻接地系统高阻接地保护方法，其特征在于，所述计算零序有功功率绝对值的门槛值的公式为：
式中，|P0|门槛为零序有功功率绝对值的门槛值，Ea为相电压额定值，Kr为第一可靠系数，Rr为中性点接地电阻，Rg为接地故障过渡电阻。
6.根据权利要求5所述的小电阻接地系统高阻接地保护方法，其特征在于，所述第一可靠系数的取值范围为：
式中，Kk为裕度系数，∑3ωC为全系统对地电容对应的电纳值，ω为工频对应的角速度。
7.根据权利要求5所述的小电阻接地系统高阻接地保护方法，其特征在于，所述零序电压条件、零序有功功率绝对值条件以及零序无功功率绝对值条件为：
式中，U0为零序电压，|P0|为零序有功功率绝对值，|Q0|为零序无功功率绝对值，Kpq为第一系数，与系统的对地电容总量有关，Ku为第二可靠系数。
8.一种小电阻接地系统高阻接地保护系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取小电阻接地系统中零序有功功率绝对值的门槛值、零序有功功率绝对值以及零序无功功率绝对值；
预设模块，用于根据接地故障过渡电阻的取值预设零序电压条件，根据零序有功功率绝对值和零序有功功率绝对值的门槛值预设零序有功功率绝对值条件，根据零序有功功率绝对值与零序无功功率绝对值之间的关系预设零序无功功率绝对值条件；
启动模块，用于当同时满足所述零序电压条件、零序有功功率绝对值条件以及零序无功功率绝对值条件时，启动小电阻接地系统高阻接地保护。
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