CN108321780B - 一种基于各出线保护横向配合的小电阻接地系统反时限零序过电流接地保护方法 - Google Patents

Abstract

一种小电阻接地系统反时限零序过电流接地保护方法，属于配电网继电保护领域。对于小电阻接地方式配电网，单相接地故障时无论过渡电阻多大，故障线路零序电流均远远大于健全线路零序电流，因此可利用反时限保护思路实现故障线路与健全线路以及接地变保护之间的配合。本发明给出了反时限电流保护用于小电阻接地系统接地故障保护时的整定方法，并增加了一段定时限保护以提高高阻接地时保护的速动性。本发明在保证低阻接地和金属性接地故障时保护具有良好的选择性与可靠性的同时，解决了小电阻接地系统高阻接地故障保护可靠性的问题，有着广泛的实际应用前景。

Description

一种基于各出线保护横向配合的小电阻接地系统反时限零序 过电流接地保护方法

技术领域

本发明涉及一种小电阻接地系统接地故障保护方法，适用于小电阻接地方式的配电系统，属于配电网继电保护领域。

背景技术

由于中压配电网直接面向用户，且单相接地故障大约占到配电网故障总数的80％，单相接地故障可靠保护对供电可靠性影响显著。小电阻接地系统具有可快速切断接地故障，过电压水平低，能消除谐振过电压，可采用绝缘水平较低的电缆和电气设备以及自动清除故障，运行维护方便等优点，是较为常用的中性点接地方式之一。但不同于小电流接地系统，小电阻接地系统发生单相接地故障后要求立即切除故障。而目前我国小电阻接地系统现场基本只采用定时限零序过电流保护作为接地保护，其整定原则为躲开本线路的对地电容电流，以防止其他线路发生接地故障时误动，故其动作电流的定值比较大。我国10kV小电阻接地配电网零序过电流保护的电流定值一般为40A，最大只能检测140Ω左右的接地电阻。

另一方面，受自然环境、线路架空距离低等因素影响，配电网中常发生经非理想导体的单相高阻接地故障，如导线跌落在草地、马路等。美国电科院(EPRI)统计表明，美国(三相四线制多点直接接地)配电网高阻故障的比例在2％～5％。美国德克萨斯农机大学研究表明，高阻接地故障时的过渡电阻一般在100Ω以上。由于故障电流进一步减小(一般为A级)、故障点不稳定等原因，小电阻接地系统所普遍采用的定时限零序过电流保护在高阻接地故障时易拒动，故障不易被切除，从而可能引发发展性短路故障，造成火灾、设备损坏以及人畜伤亡等。可见，可见小电阻接地配电网的接地保护难题主要是高阻接地故障的保护问题。

小电阻接地系统高阻接地故障保护问题是近年的一个研究热点难点，也取得了不少成果，但也存在一些问题。论文《中性点有效接地配电网高阻接地故障特征分析及检测》和论文《配网高阻接地故障伏安特性分析及检测》分别提出利用故障时线路上零序电流波形和伏安特性的畸变来检测小电阻接地系统高阻接地故障。这两种方法的灵敏度都很高，但前者的抗噪能力不足，后者在故障点电阻非线性特性不明显时可能会失效。论文《基于零序电压比率制动的小电阻接地系统接地保护》提出的根据零序电压大小产生成比例的电流制动量自适应调整零序过电流保护定值的方法，可将系统耐高阻能力提高到1kΩ，但须同时采集故障时的零序电流和零序电压信息，工程应用有一定难度。

对于小电阻接地系统，其接地故障时健全线路和故障线路的工频零序电流分布特征明显。本专利利用接地故障时产生的零序电流，结合传统反时限保护的特点，提出一种改进的反时限零序过电流保护方法，各出线保护之间横向配合切除故障线路，显著降低了保护的启动门槛值，提高了保护的耐受电阻能力。为小电阻接地系统接地故障保护研究提供一个全新的思路，有着广泛的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于在保证低阻接地和金属性接地故障保护的可靠性和选择性的基础上，解决小电阻接地系统中发生高阻接地故障时的保护问题，提出一种基于各出线保护横向配合的小电阻接地系统高灵敏度反时限零序过电流接地保护方法。

本发明的技术解决方案为：

a.给定馈线反时限零序过电流保护的启动电流整定值I_s、限时电流上下限值I_M和I_D、曲线类型(即确定参数k、c、α)、时间系数K_TMS、以及延时时间Δt；

b.按下式计算并将电流-时间对应数据存储：

公式中k、c、α为决定曲线特性的常数，k和c的单位是s，α无量纲，I为保护装置的输入电流，t(I)为输入电流为I时保护装置的跳闸时间；

c.检测并计算各条出线保护安装处3倍的工频零序电流幅值3I₀；

d.判断保护安装处3倍的工频零序电流幅值3I₀是否大于反时限零序过电流保护启动电流定值I_s，即：

3I₀>I_s

(1)如果满足，则保护启动，经过延时t(3I₀)后，达到动作时限的线路接地保护动作于跳闸，3I₀再次小于启动电流定值I_s后，未动作线路保护开始返回并复位；

(2)如果不满足，则保护不启动，线路正常运行。

上述方案中：

启动电流整定值I_S、首端限时电流下限值I_M和末端限时电流上限值I_D、曲线类型(即参数k、c、α)、时间系数K_TMS、以及延时时间Δt的整定原则，应保证系统正常运行时保护不误动，且健全线路保护在故障线路保护动作于跳闸后有足够时间返回，高阻接地时，保护的灵敏度系数不低于1.2。具体分析如下：

(1)步骤a中启动电流定值I_S的设定，综合考虑10kV系统不对称运行工况和满足系统的耐高阻能力的要求，可将I_S设定为3～10A；

(2)步骤a中末端限时电流上限值I_D的设定，综合考虑10kV系统线路出口处发生金属性接地故障时的零序电流大小，可将I_D设定为440～480A；

(3)步骤a中反时限特性曲线类型的选取及时间系数K_TMS的整定原则：根据反时限特性曲线上任意电流相差10倍的两点对应的时间差须大于t_s(一般取0.6s)，即：

公式中I′＝E_p/(10R_n)，分别根据三种曲线类型(一般反时限(k＝0.14、α＝0.02、c＝0)、非常反时限(k＝13.5、α＝1、c＝0)和极端反时限(k＝80、α＝2、c＝0))计算时间系数K_TMS的取值范围，并取其最小值，带入

中(ΔI可取 0.1～0.5A)，计算高阻接地时动作时限的大小，取t(I_S+ΔI)最小者对应的曲线类型(即确定参数k、c、α)并将对应的时间系数最小值K_{TMS_min}乘一可靠性系数K_rel(取1.2～1.3) 作为K_TMS整定值；

(4)步骤a中首端限时电流下限值I_M的整定原则：根据10倍启动电流对应的动作时限 t(10I_S)应较10倍启动电流对应的动作时限长0.6s以上并考虑可靠性系数K_rel(取 1.2～1.3)，即：

(5)步骤a中延时时间Δt的设定：根据出线保护与下游分支线接地保护及配电变压器接地保护配合，保证线路出口接地保护的选择性，最小动作时限t_D应不小于1s，以及上述参数确定后得到的t(I_D)，使得

t_D＝t(I_D)+Δt

来确定。

(6)步骤b中t(I)用于接地变保护的整定原则：根据继电保护选择性要求，母线接地时，由接地变保护切除故障同时作为出线保护的后备保护，其各参数整定值与出线保护一致，动作时限较出线保护延长一个时间阶梯Δt(一般取0.3s)，即：

与现有技术相比本发明的有益效果为：与传统零序过电流保护相比，本发明能够将保护的耐受电阻能力提高到1.5kΩ，并有很好的选择性、可靠性与速动性；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，本发明不需要零序电压信号，也不需要对零序电压、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；与零序电压比率制动的保护方法相比，本发明不需要采集零序电压信息。只需将本发明所提保护方案转化为计算机程序嵌入到馈线零序保护中，将电流-时间对应的数据进行存储,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更进一步说明：

附图1为保护流程框图；

附图2为一种反时限零序过电流保护的原理框图；

附图3为典型配电线路仿真模型；

附图4为整定的10kV小电阻接地系统的出线保护特性曲线；

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启动电流整定值在正常运行时设定为3～10A，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。结合图1～4及表1～3，一种小电阻接地系统高灵敏度反时限零序过电流接地保护方法的具体工作流程如下：

1)正常运行时系统工作流程

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3倍的工频零序电流幅值3I₀，电流继电器KA判断出此时的3倍的工频零序电流幅值3I₀始终小于保护的启动电流定值I_S，KA不启动，线路均正常运行。

2)故障时系统工作流程

线路中发生接地故障时，保护安装处检测并计算出3倍的工频零序电流幅值3I₀并将此信号传递到嵌入的保护方案模块中，判断是否有3I₀>I_s，如有，则保护启动，电流继电器KA启动，并同时继续检测并计算各条线路保护安装处的3I₀，嵌入的保护方案模块将计算3I₀对应的延时时间t(3I₀)，故障电流持续时间超过预设动作时限t(3I₀)，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，保护动作于跳闸。故障切除后，电流恢复正常，在其他健全线路中的3I₀<I_s时，保护开始返回，直到保护成功复位。

II、根据本发明中所提的保护方案，提出下述算例：

本例中，可取出线保护整定值公式为：

接地变保护的整定值公式为：

基于附图3所示10kV小电阻接地系统模型，分别设置f1、f2两点故障(f1点距离母线7km； f2点在母线上)时，R_f为接地电阻(分别取0Ω、10Ω、50Ω、100Ω、200Ω、500Ω、750Ω、1000Ω、 1500Ω)。此模型中线路参数值为：正/负序参数：R＝0.27Ω/km，L＝0.255e-3H/km，C＝339e-9F/km；零序参数：R₀＝2.7Ω/km，L₀＝1.109e-3H/km，C₀＝280e-9F/km。验证上述算法的有效性。

首先设定保护的启动电流定值为I_S＝3A。

1)出线接地故障时

系统线路F5发生不同接地过渡电阻接地故障时各出线及中性点零序电流有效值如表1所示：

表1

①若是低阻接地或金属性接地，如R_f＝10Ω，根据表1，故障线路的零序电流高达200A以上，而健全线路的零序电流虽然不到15A，却也高于保护的启动电流。根据图4，线路F1、F2、F3、F4及F5上的接地保护全部启动，而线路F5的接地保护在1.2s时就已经跳闸，其他健全线路对应的动作时间最快也在3.3s左右，来不及动作于跳闸就已经返回，不会发生误动；

②若是高阻接地，如R_f＝1000Ω，根据表1，线路F5上的零序电流在6A左右，而健全线路的零序电流只有不到0.5A。故发生高阻故障时，只有线路F5的接地保护启动，在3.3s左右动作于跳闸，其他线路接地保护均不启动。即使在过渡电阻高达1.5kΩ时，线路F5 的接地保护也将在3.3s内动作于跳闸；

③线路上发生单相接地故障时，中性点零序电流与故障线路零序电流相当，但是接地变保护的动作时限整体比出线保护延长一个时间阶梯(0.3s)，故接地变保护会在故障出线保护动作后返回，不会误动。

2)母线接地时

系统母线发生不同接地过渡电阻接地故障时各出线及中性点零序电流有效值如表2 所示：

表2

①若是低阻接地或金属性接地，如R_f＝10Ω，根据表2，中性点电流在300A左右，各出线零序电流达11A左右，虽然接地变保护动作时限整体比出线保护长0.3s，但由于中性点电流远大于各出线，仍先于出线保护动作于跳闸，出线保护返回没有误动；

②若是高阻接地，如R_f＝1000Ω，经过一段延时后(3.6s)接地变保护动作于跳闸，而各出线零序电流均小于保护启动电流不会误动；

所整定的反时限零序过电流保护在附图3所示系统中发生不同接地过渡电阻接地故障时的动作情况如表3所示：

表3

注：f1-出线接地故障；f2-母线接地故障；↑-启动；↓-返回；√-跳闸；×-不启动。“√”下括号中数据为保护跳闸时间

综上，本发明理论上可以保护过渡电阻达1.5kΩ以上的高阻接地故障，并有较好的速动性，且在低电阻接地故障及金属性接地故障时有很好的选择性与可靠性。

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)

1.一种小电阻接地系统反时限零序过电流接地保护方法，适用于小电阻接地方式配电系统的单相接地故障保护，按照如下流程进行保护：

a.按整定好的反时限特性曲线计算电流-时间对应数据并存储；

b.检测并计算各条出线保护安装处3倍的工频零序电流幅值3I₀；

c.当3I₀大于启动电流定值I_s时，保护启动，否则不启动，达到反时限零序过电流接地保护动作时限t(I)的线路接地保护动作于跳闸，3I₀再次小于启动电流定值I_s后，未动作线路保护开始返回并复位；

其特征在于，各参数按如下方法整定：

整定计算反时限零序过电流接地保护动作时限t(I)，其整定计算公式为：

公式中k、c、α为决定曲线特性的常数，k和c的单位是s，α无量纲，I为保护装置的输入电流，t(I)为输入电流为I时保护装置的跳闸时间；I_s为反时限零序过电流保护的启动电流定值；I_M为首端限时电流下限值；I_D为末端限时电流上限值；K_TMS为时间系数；Δt为延时时间；

对于启动电流定值I_s，按照躲过线路的最大不平衡零序电流I_unb，同时考虑零序互感器的最小精工电流I_ac.min以及期望的保护算法耐受过渡电阻R_f值来整定，不需要考虑线路的对地电容电流，即

公式中E_p为线路相电压，R_n为中性点接地电阻；

根据线路出口处发生金属性接地故障时的零序电流大小设置末端限时电流上限值I_D，即

其中K_rel为可靠性系数，取1.2～1.3；

根据保护装置启动后再返回所需时间t_s确定曲线类型及时间系数K_TMS，即要求反时限曲线上电流相差10倍的任意两点对应的时间差大于t_s，也即满足：

其中I′＝E_p/(10R_n)；

根据10倍启动电流对应的动作时限t(10I_s)设置首端限时电流下限值I_M并考虑可靠性系数K_rel，取1.2～1.3，即

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