CN108037402B - 一种小电阻接地系统单相高阻接地故障检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小电阻接地系统单相高阻接地故障检测方法，其根据单相瞬时无功理论，利用母线零序电压以及馈线的零序电流计算瞬时有功功率和瞬时无功功率，再由此计算得该馈线的功率因素平方值，通过功率因素平方值的大小及其持续时间来判断线路是否发生了单相接地故障，从而提高保护对单相高阻接地故障的灵敏性。

Description

一种小电阻接地系统单相高阻接地故障检测方法
技术领域
本发明涉及配电网继电保护技术领域，特别涉及一种小电阻接地系统单相高阻接地故障检测方法，适用于中性点采用小电阻接地方式的配网系统的馈线保护。
背景技术
由于城市用地日益紧张，电缆线路在配网中所占的比例日渐增大，具有能够有效限制弧光接地过电压、消除系统各种谐振过电压以及及时切除故障线路等众多优点的小电阻接地方式在我国大中型城市配网中已得到了广泛应用。
单相接地故障作为配网主要的故障类型之一，目前主要的保护配置方案是阶段式零序电流保护方案，但其灵敏性受过渡电阻的影响较大。配电网作为电能输送的终端，馈线所处的环境较复杂，容易发生单相经高阻接地故障，而应对高阻接地故障现主要依靠零序电流Ⅱ段动作，但由于要躲过区外发生单相接地故障时流过本线路的对地电容电流值，其整定值一般较大，导致其对高阻接地故障的灵敏性较低，无法切除故障线路。虽然高阻接地故障的故障电流小，但若任其长期存在，势必会对设备的绝缘造成很大的威胁，继而引发诸如相间短路等更为严重的故障，扩大故障范围；同时电弧燃烧所产生的高温以及过电压都有可能造成人身安全问题。
现今也有采用零序功率方向保护元件的案例，但是由于存在接地小电阻，导致故障线路和非故障线路的零序功率方向只相差了90度左右，在发生高阻接地时，零序电压电流较小，容易产生较大的计算误差，导致发生误判，且其极性校验困难，效果不理想。现有的高阻接地故障检测方法绝大部分是针对小电流接地系统的，且集中在利用谐波和暂态能量方面，其是否适用于小电阻接地系统还有待验证；而针对小电阻接地系统的保护方法则较少，主要集中在利用电弧燃烧所带来的非线性特征方面，但是当其非线性特征不明显时，保护将失效。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，为了解决现有的阶段式零序电流保护对小电阻接地系统单相高阻接地故障灵敏性低的问题，提出了一种基于单相瞬时无功理论的小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法，其根据单相瞬时无功理论，利用母线零序电压以及馈线的零序电流计算瞬时有功功率和瞬时无功功率，再由此计算得该馈线的功率因素平方值，通过功率因素平方值的大小及其持续时间来判断线路是否发生了单相接地故障，从而提高保护对单相高阻接地故障的灵敏性。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种小电阻接地系统单相高阻接地故障检测方法，包括以下步骤：
S1.赋初值给零序电压突变启动值U0.set、瞬时无功最小值Qmin、保护动作整定值Zset以及动作持续时间设定值Tlast；
S2.对母线的零序电压和馈线的零序电流进行采样，得到零序电压采样值序列u0(n)以及零序电流采样值序列i0(n)；
S3.判断是否满足|u0(n)-u0(n-1)|>U0.set；
a.如果满足，则继续进行下面的流程；
b.如果不满足，则保护无需动作，返回步骤S2；
S4.延迟一段时间后，根据以下公式分别计算瞬时有功功率p(n)和瞬时无功功率q(n)：
式中T＝20ms×SR，SR为采样频率；
S5.对瞬时有功功率p(n)和瞬时无功功率q(n)进行数字低通滤波，并由此得到滤波后的瞬时有功功率序列值P(n)以及瞬时无功功率序列值Q(n)；
S6.根据以下公式计算功率因素平方值Z(n)：
S7.判断是否满足|Q(n)|>Qmin；
a.如果满足，则继续进行下面的流程；
b.如果不满足，则令并继续进行下面的流程；
S8.判断是否满足有连续n1个点使得Z(n)≥Zset，其中n1＝Tlast×SR；
a.如果满足，则启动馈线零序保护，同时计时寄存器TL开始计时；
b.如果不满足，则返回步骤S2；
S9.当计时寄存器TL达到设定值TL.set时，切除故障线路。
优选的，U0.set的取值需要考虑高阻接地时零序电压的大小，以及采样频率的高低，U0.set越小，则方法越灵敏。
优选的，Qmin的取值需要考虑算法稳定性的问题，其值不能高过设定阈值，否则保护将拒动。
优选的，Zset的取值需要考虑实际的接地小电阻和曲折变压器零序阻抗的大小，取值越小保护越灵敏。
具体的，Zset的取值可取为0.7～0.9之间。
优选的，Tlast的取值为5ms及以上。
优选的，步骤S2中，对母线的零序电压和馈线的零序电流进行采样，采样频率SR为5kHz及以上。
优选的，步骤S4中延迟时间为5ms。
优选的，步骤S5中，对瞬时有功功率p(n)和瞬时无功功率q(n)进行数字低通滤波，截止频率可以设置为150Hz～200Hz。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明根据单相瞬时无功理论，可以快速地得到馈线对应的瞬时有功功率以及瞬时无功功率，并由此计算得该馈线的功率因素平方值，由于中性点为小电阻接地方式，所以故障线路的功率因素平方值接近1，而非故障线路的功率因素平方值接近0，故可有效地判断馈线是否发生单相接地故障。
2、本发明方法受过渡电阻的影响较小，在发生高阻接地故障时，均能对线性过渡电阻故障和电弧故障动作。
3、与现有的阶段式零序电流保护相比，本发明可大大提高馈线发生单相经过渡电阻接地故障时的可耐受过渡电阻值，从而提高配网的安全稳定性；与目前提出的解决方法相比，较好地兼顾了线性故障和非线性故障，而且本方法只需在传统采集馈线零序电流信息的基础上，增加零序电压信息的采集和处理，易于工程实现。
附图说明
图1为实施例1的保护算法流程图。
图2为实施例2线性过渡电阻故障各馈线的功率因数平方值。
图3为实施例2电弧故障各馈线的功率因数平方值。
图4为实施例2的10kV小电阻接地系统一次接线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种小电阻接地系统单相高阻接地故障检测方法，本实施方式中采用的馈线零序保护的实现方式如下：
S1.赋初值给零序电压突变启动值U0.set、瞬时无功最小值Qmin、保护动作整定值Zset以及动作持续时间设定值Tlast；
其中，U0.set的取值需要考虑高阻接地时零序电压的大小，以及采样频率的高低，U0.set越小，则本算法越灵敏；Qmin的取值需要考虑算法稳定性的问题，其值不能取得过高，否则保护将拒动；Zset的取值需要考虑实际的接地小电阻和曲折变压器零序阻抗的大小，可取为0.7～0.9之间，取值越小保护越灵敏；Tlast的取值为5ms及以上；
S2.对母线的零序电压和馈线的零序电流进行采样，采样频率SR为5kHz及以上，得到零序电压采样值序列u0(n)以及零序电流采样值序列i0(n)；
S3.判断是否满足|u0(n)-u0(n-1)|>U0.set；
a.如果满足，则继续进行下面的流程；
b.如果不满足，则保护无需动作，返回步骤S2；
S4.延迟5ms后，根据以下公式分别计算瞬时有功功率p(n)和瞬时无功功率q(n)：
式中T＝20ms×SR；
S5.对瞬时有功功率p(n)和瞬时无功功率q(n)进行数字低通滤波，截止频率可以设置为150Hz～200Hz，并由此得到滤波后的瞬时有功功率序列值P(n)以及瞬时无功功率序列值Q(n)；
S6.根据以下公式计算功率因素平方值Z(n)：
S7.判断是否满足|Q(n)|>Qmin；
a.如果满足，则继续进行下面的流程；
b.如果不满足，则令并继续进行下面的流程；
S8.判断是否满足有连续n1个点使得Z(n)≥Zset，其中n1＝Tlast×SR；
a.如果满足，则启动馈线零序保护，同时计时寄存器TL开始计时；
b.如果不满足，则返回步骤S2；
S9.当计时寄存器TL达到设定值TL.set时，切除故障线路。
实施例2
以某10kV中性点为小电阻接地方式的变电站为模型。接地小电阻的阻值为10Ω，曲折变压器的零序阻抗为10Ω，馈线1、2、3、4的长度分别为6km、9km、12km、15km，各馈线均采用电缆线路，型号均为YJV22-3*300，其正序参数为：R1＝0.500Ω/km、L1＝0.318mH/km、C1＝0.376μF/km，零序参数为：R0＝0.500Ω/km、L0＝6.398mH/km、C0＝0.370μF/km。配电变压器的负载率为60％，且功率因数取cosθ＝0.9。
本实施例中，在长度为12km的馈线3的末端设置了单相接地故障，故障类型分别为线性过渡电阻故障和电弧故障，且故障时刻为故障点对地电压为峰值的时刻。以馈线3(故障线路)和馈线2(非故障线路)的保护动作情况为样本，来验证本发明的有效性。
在本实施方式中，各参数的设置如下：
①采样频率SR：5kHz。
②零序电压突变启动值U0.set：在发生单相经过渡电阻接地故障时，过渡电阻越大，零序电压则越小。当过渡电阻高达1000Ω时，零序电压只有几十伏，且在发生单相接地故障的暂态过程中，零序电压会发生不同程度的振荡，所以取其数量级，即10V。
③瞬时无功最小值Qmin：为了保证算法的稳定性，且其取值不能过分大，所以这里取1e-4。
④保护动作整定值Zset：由于接地小电阻和曲折变压器零序阻抗的阻值均为10Ω，即故障线路的功率因素平方值大概为0.9左右，所以这里取0.8。
⑤动作持续时间设定值Tlast：5ms。
⑥数字低通滤波器：这里采用4阶的Butterworth低通滤波器，截止频率为150Hz，其滤波系数为a＝[1 -3.5078 4.6469 -2.7427 0.6105]，b＝[6.2387e-5 2.4955e-43.7432e-4 2.4955e-4 6.2387e-5]。
表1线性过渡电阻故障和电弧故障时馈线2、3的保护动作情况
表1为发生线性过渡电阻故障和电弧故障时，馈线2和3的保护动作情况。下面对过渡电阻为500Ω时的情况进行具体分析(结合附图2和3)。
(1)线性过渡电阻故障：
当过渡电阻为线性电阻时，由单相瞬时无功理论计算出来的瞬时有功功率和瞬时无功功率经低通滤波器滤波后，得到的直流分量即为基波的有功和无功。在零序网络中，由于故障线路的端口阻抗可以等效为曲折变压器支路阻抗和各非故障线路等效阻抗相并联，且曲折变压器支路存在小电阻，所以故障线路的有功功率远大于无功功率，即其功率因数平方值将接近于1，如图2所示。而非故障线路的线路电阻较小，对地容抗较大，所以非故障线路的无功功率远大于有功功率，即其功率因数平方值将接近于0，如图2所示。
馈线3的功率因素平方值Z持续大于保护动作整定值Zset＝0.8，所以判断馈线3发生了单相接地故障，保护动作；而馈线1、2和4的功率因素平方值Z虽然在暂态过程中有所波动，部分时间内其值大于0.8，但是其持续时间都小于Tlast＝5ms，且稳定后均接近于0，即小于0.8，所以保护不动作。
(2)电弧故障
由于电弧燃烧的热效应，其等效电阻为非线性的，所以故障电流中含有谐波成分。由单相瞬时无功理论计算出来的瞬时有功功率和瞬时无功功率经低通滤波器滤波后，得到的不仅仅是直流分量，还包括了4次谐波分量。其中，瞬时有功功率的直流分量为基波和各次谐波的有功功率之和，但是瞬时无功功率的直流分量并不能很好地反映基波和各次谐波的无功功率，所以直接由各直流分量去计算功率因数平方值Z是不准确的。由于发生高阻接地故障时谐波主要为奇次谐波，即3、5和7次谐波，经推算可知，计算出来的瞬时有功功率中含有的最低次谐波为4次谐波(如表2所示)，所以经低通滤波器滤波后，得到的滤波后的瞬时有功功率中主要包含直流分量和4次谐波分量。由于非故障线路的有功功率很小，且非故障线路零序电流的总谐波畸变率(THD)可达50％以上，所以4次谐波分量占主导，那么非故障线路的P(n)一定存在过零点，且每隔一个过零点之间的时间为5ms，即其功率因素平方值具有同样的规律，如图3所示；而故障线路的零序电流主要为基波，所以4次谐波分量对直流分量的影响较小，且由于存在小电阻，所以即使在瞬时无功功率的直流分量不能很好地反映时，也不影响计算出来的瞬时有功功率直流分量远大于瞬时无功功率直流分量这一规律，所以其功率因素平方值会在一个较大值的范围内波动，如图3所示。
表2单相瞬时无功理论中p、q的谐波构成
i中的谐波次数 1 3 5 7
p、q中的谐波次数 0 4 4 8
(注：此表假设电压u不含谐波，其中u和i具有互换性)
在本实施例中，设置的电弧故障的非线性特征较强，各电气量的总谐波畸变率(THD)为：
①故障电流：25.45％
②馈线1零序电流：296.56％
③馈线2零序电流：400.83％
④馈线3零序电流：31.47％
⑤馈线4零序电流：302.31％
馈线3的功率因素平方值Z持续大于保护动作整定值Zset＝0.8，所以判断馈线3发生了单相接地故障，保护动作；而馈线1、2和4的功率因素平方值Z虽然部分时间内其值大于0.8，但是其持续时间都小于Tlast＝5ms，所以保护不动作。
通过以上的分析可以看出：本发明根据单相瞬时无功理论，可以快速地计算出有功功率和无功功率，并由此计算线路的功率因素平方值，并通过其大小和持续时间来判断线路是否发生单相接地故障。本发明能够有效地提高配网发生单相经过渡电阻接地故障时的可耐受过渡电阻能力，解决现有的阶段式零序电流保护对单相高阻接地故障灵敏性低的问题，对线性过渡电阻故障和电弧故障均有效，并且能够对故障线路正确动作，对非故障线路不动作，具有很好的选择性和可靠性。本发明只需在传统采集零序电流信息的基础上，增加零序电压信息的采集和处理，易于工程实现。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种小电阻接地系统单相高阻接地故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.赋初值给零序电压突变启动值U0.set、瞬时无功最小值Qmin、保护动作整定值Zset以及动作持续时间设定值Tlast；
S2.对母线的零序电压和馈线的零序电流进行采样，得到零序电压采样值序列u0(n)以及零序电流采样值序列i0(n)；
S3.判断是否满足|u0(n)-u0(n-1)|>U0.set；
a.如果满足，则继续进行下面的流程；
b.如果不满足，则保护无需动作，返回步骤S2；
S4.延迟一段时间后，根据以下公式分别计算瞬时有功功率p(n)和瞬时无功功率q(n)：
式中T＝20ms×SR，SR为采样频率；
S5.对瞬时有功功率p(n)和瞬时无功功率q(n)进行数字低通滤波，并由此得到滤波后的瞬时有功功率序列值P(n)以及瞬时无功功率序列值Q(n)；
S6.根据以下公式计算功率因素平方值Z(n)：
S7.判断是否满足|Q(n)|>Qmin；
a.如果满足，则继续进行下面的流程；
b.如果不满足，则令并继续进行下面的流程；
S8.判断是否满足有连续n1个点使得Z(n)≥Zset，其中n1＝Tlast×SR；
a.如果满足，则启动馈线零序保护，同时计时寄存器TL开始计时；
b.如果不满足，则返回步骤S2；
S9.当计时寄存器TL达到设定值TL.set时，切除故障线路。
2.根据权利要求1所述的小电阻接地系统单相高阻接地故障检测方法，其特征在于，U0.set的取值需要考虑高阻接地时零序电压的大小，以及采样频率的高低，U0.set越小，则方法越灵敏。
3.根据权利要求1所述的小电阻接地系统单相高阻接地故障检测方法，其特征在于，Qmin的取值需要考虑算法稳定性的问题，其值不能高过设定阈值，否则保护将拒动。
4.根据权利要求1所述的小电阻接地系统单相高阻接地故障检测方法，其特征在于，Zset的取值需要考虑实际的接地小电阻和曲折变压器零序阻抗的大小，取值越小保护越灵敏。
5.根据权利要求4所述的小电阻接地系统单相高阻接地故障检测方法，其特征在于，Zset的取值范围为0.7～0.9之间。
6.根据权利要求1所述的小电阻接地系统单相高阻接地故障检测方法，其特征在于，Tlast的取值为5ms或5ms以上。
7.根据权利要求1所述的小电阻接地系统单相高阻接地故障检测方法，其特征在于，步骤S2中，对母线的零序电压和馈线的零序电流进行采样，采样频率SR为5kHz或5kHz以上。
8.根据权利要求1所述的小电阻接地系统单相高阻接地故障检测方法，其特征在于，步骤S4中延迟时间为5ms。
9.根据权利要求1所述的小电阻接地系统单相高阻接地故障检测方法，其特征在于，步骤S5中，对瞬时有功功率p(n)和瞬时无功功率q(n)进行数字低通滤波，截止频率设置范围为150Hz～200Hz。
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