CN108448540A - 一种基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统配电线路继电保护的技术领域，更具体地，涉及一种基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法。本发明根据集中式保护装置采集、比较各出线及中性点接地电阻零序电流信息，若存在出线零序电流幅值超过其他出线一确定倍数且相位超前其他出线一确定相位，判定为出线接地故障，否则为母线接地故障，集中式保护装置通过控制故障线路断路器动作，隔离故障，实现保护。本发明原理简单，有效解决了多出线同相接地故障造成系统拒动误动的问题，提高了小电阻接地系统接地故障保护灵敏度及可靠性。

Description

一种基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新 方法

技术领域

本发明涉及电力系统配电线路继电保护的技术领域，更具体地，涉及一种基 于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法。进一步的，涉及一种应 用小电阻接地方式的配电网发生两出线接地故障的情况，适用于集中式保护装置 参与控制，断路器参与动作的接地故障保护，通过比较各出线零序电流幅值大小 以及相位关系实现保护的新方法。

背景技术

继电保护是配电网的基础支撑技术，对供电质量有着根本性的影响。由于小 电阻接地系统发生故障时，故障特征明显，可以较为可靠的排除故障，广州、惠 州等地已经开始应用小电阻接地系统。惠州地区曾因系统两出线接地故障发生接 地变误动事故，事故原因由于发生多出线接地故障时各出线零序电流及接地点零 序电流分布与单出线接地故障有明显差异，导致发生多出线接地故障时现有零序 过电流保护不能准确动作易造成接地变误动或出线拒动，因此需要研究多出线接 地故障提出一种考虑多出线接地故障的保护方法。

现阶段许多学者进行小电阻接地系统的相关研究并提出了多种接地故障保 护方法，但对于小电阻接地系统多出线接地故障的论述较少，其中文献论述系统 两出线同相同时接地及相继接地故障时接地变零序电流幅值约为故障出线的 1～1.5倍，在零序过流保护定值为40A的基础上，提高了接地变的过电流保护定 值并且延长了接地变的动作时间实现保护。文献提出了一种自适应网络化零序电 流保护的方法，判断接地变零序电流是否大于修改馈线零序电流定值，再用各回 线零序电流与修改后及修改前定制进行比较进行判断是否启动保护。文献提出了 一种自适应零序电流保护的方法，该方法结合馈线零序电流幅值及母线相电压来 进行故障识别实现保护。上述文献研究了多出线接地故障的故障特征并提出了具 体的保护方法，为多出线接地故障的进一步研究奠定了基础。

针对此种现状研究一种能够适用于多出线同相接地故障的保护方法成为一 种趋势，本发明针对小电阻接地系统接地故障，尤其是系统发生多出线同相接地 故障时易拒动的问题，通过分析各出线及中性点零序电流的幅值与相位特征，提 出了一种依据各出线零序电流幅值和相位比较的保护方法。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于零序电流比 较的小电阻接地系统接地故障保护新方法，适用于集中式保护装置参与控制，断 路器参与动作，针对小电阻接地系统多出线同相接地故障现有保护易拒动误动的 问题，并且考虑了多出线同相高阻接地故障的保护方法，提高了保护的灵敏度及 可靠性。

本发明的技术方案是：一种基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保 护新方法，包括以下步骤：

a.集中式保护装置采集母线、各出线及中性点接地电阻零序电流电气信息量；

b.出线或者中性点接地电阻零序电流超过保护启动门槛值时保护启动；

c.集中式保护装置对各出线零序电流幅值信息进行比较确定出线接地故障 还是母线接地故障，集中式保护装置控制相应故障线路断路器动作，实现保护；

保护判据为：

d.保护启动后，如果不存在零序电流最大的两条出线的零序电流幅值之和超 过其他所有出线其中一条零序电流幅值的12倍，认为发生母线接地故障，集中 式保护装置控制母线进线断路器进行动作，实现保护；

e.如果零序电流最大的两条出线的零序电流幅值之和超过其他所有出线其 中一条零序电流幅值的12倍则认为零序电流最大的一条出线为候选故障出线， 若两条线路零序电流幅值相同则认为两条出线均为候选故障出线，对各出线相位 进行比较，集中式保护装置选取零序电流幅值大于0.3A的所有出线或幅值最大 的五条出线进行比较，若候选故障出线零序电流相位超前其他任意一条出线零序 电流相位80°～150°时，判定发生了出线接地故障并且该条或数条出线为故障出线， 集中式保护装置控制该出线的断路器动作，切除故障，实现故障保护；

f.若比较各出线零序电流相位后发现各出线零序电流相位均相差在30°以 内则认定此故障为母线接地故障，集中式保护装置控制母线进线断路器动作，切 除故障，实现故障保护；重复上述步骤直至保护不动作。

具体方法，集中式保护装置采集中性点接地电阻及各出线零序电流，中性点 接地电阻或出线零序电流幅值超过I_set时保护启动，用保护启动后各出线零序电 流采样值减去保护启动前各出线零序电流采样值所得的结果作为用于比较的出 线零序电流，集中式保护装置选取零序电流幅值最大的两条出线与其余所有出线 进行比较，如果零序电流最大的两条出线的零序电流幅值之和超过其他所有出线 的其中一条零序电流幅值的12倍则认为零序电流最大的一条出线为候选故障出 线，若两条线路零序电流幅值相同则认为两条出线均为候选故障出线进一步判断 各出线相位关系；若不存在上述候选故障出线，则判定系统发生母线接地故障， 集中式保护装置控制母线进线断路器动作实现保护；若存在上述候选故障出线， 比较候选故障出线与其他出线的相位，集中式保护装置选取零序电流幅值大于 0.3A的所有出线或幅值最大的五条出线进行比较，若候选故障出线零序电流相 位超前其他任意出线其中两条出线零序电流相位80°～150°时，判定发生了出线接 地故障并且该条或数条候选故障出线为故障出线，集中式保护装置控制故障出线 断路器进行动作，切除故障，实现故障保护实现故障保护；若集中式保护装置比 较各出线相位差均在30°以内则判定系统母线接地故障，集中式保护装置控制母 线进线断路器进行动作，切除故障，实现保护，重复上述步骤直至保护不启动。 具体过程为：

1、集中式保护装置采集零序电流。

集中式保护装置采集各出线及中性点接地电阻零序电流。

2、保护启动，集中式保护装置比较各出线及中性点接地电阻零序电流信息。

中性点接地电阻或出线零序电流超过I_set时保护启动，用保护启动后各出线 零序电流采样值减去保护启动前各出线零序电流采样值所得的结果作为用于比 较的出线零序电流

3、集中式保护装置通过比较各出线的零序电流幅值信息及相位信息，识别 故障线路，控制故障线路断路器或母线进线断路器动作实现故障保护。

集中式保护装置选取零序电流幅值最大的两条出线与其余所有出线进行比 较，如果不存在零序电流最大的两条出线的零序电流幅值之和超过其他所有出线 的其中一条零序电流幅值的12倍则判定系统发生母线接地故障，集中式保护装 置控制母线进线断路器动作实现保护；如果存在零序电流最大的两条出线的零序 电流幅值之和超过其他所有出线其中一条零序电流幅值的12倍则认为零序电流 最大的一条出线为候选故障出线，若两条线路零序电流幅值相同则认为两条出线 均为候选故障出线；若存在上述候选故障线路，比较候选故障线路与其他出线的 相位，集中式保护装置选取零序电流幅值大于0.3A的所有出线或幅值最大的五 条出线进行比较，若候选故障出线零序电流相位超前其他任意出线其中两条零序 电流相位80°～150°时，判定发生了出线接地故障并且该条或数条候选故障出线为 故障出线，集中式保护装置控制故障出线断路器进行动作，切除故障，实现故障 保护实现故障保护；若集中式保护装置比较各出线相位差均在30°以内则判定系 统母线接地故障，集中式保护装置控制母线进线断路器进行动作，切除故障，实 现保护，重复上述步骤直至保护不启动。

与现有技术相比，有益效果是：本发明基于零序电流比较的小电阻接地系统 接地故障保护新方法，考虑了多出线接地故障现有保护易拒动误动的问题，并考 虑到了多出线同相高阻接地故障的保护方法，可以有效地区分出线接地故障还是 母线接地故障，有效地提高了接地故障保护的灵敏度及可靠性。

附图说明

图1为基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法流程图。

图2为基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法带分支线路仿真模型。

图3为基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法小电阻接地系统两出线接地故障零序等效网络。

图4(a)(b)为基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法小电阻接地系统两出线接地故障零序等效网络叠加定理分析示意图。

图5为基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法小电阻接地系统母线接地故障零序等效网络。

图6为基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法相量分析示意图。

图7(a)(b)(c)为基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法出线接 地故障各出线零序电流波形图及仿真数据。

图8(a)(b)(c)为基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法母线接 地故障各出线零序电流波形图及仿真数据。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施 例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领 域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中 描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如附图1所示是基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法 流程图。该系统具体工作流程如下：

1)正常运行时系统工作流程

系统正常运行时，各出线不存在零序电流或存在很小的不平衡电流，则集中 式保护装置一直处于对各出线及中性点接地电阻零序电流的查询状态，直到存在 出线或中性点接地电阻零序电流幅值超过I_set时，保护启动。

2)故障时系统工作流程

保护启动后，用保护启动后各出线零序电流采样值减去保护启动前各出线零 序电流采样值所得的结果作为用于比较的出线零序电流，集中式保护装置选取零 序电流幅值最大的两条出线与其余所有出线其中一条进行比较，如果不存在零序 电流最大的两条出线的零序电流幅值之和超过其他所有出线其中一条零序电流 幅值的12倍则判定系统发生母线接地故障，集中式保护装置控制母线进线断路 器动作实现保护，如果存在零序电流最大的两条出线的零序电流幅值之和超过其 他所有出线其中一条零序电流幅值的12倍则认为零序电流最大的一条出线为候 选故障出线，若两条线路零序电流幅值相同则认为两条出线均为候选故障出线； 若存在上述候选故障线路，比较候选故障线路与其他出线的相位，集中式保护装 置选取零序电流幅值大于0.3A的所有出线或零序电流幅值最大的五条出线进行 比较，若候选故障出线零序电流相位超前其他任意出线其中两条零序电流相位80°～150°时，判定发生了出线接地故障并且该条或数条候选故障出线为故障出 线，集中式保护装置控制故障出线断路器进行动作，切除故障，实现故障保护实 现故障保护；若集中式保护装置比较各出线相位差均在30°以内则判定系统母 线接地故障，集中式保护装置控制母线进线断路器进行动作，切除故障，实现保 护，重复上述步骤直至保护不启动。

附图2为基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法带分支 线路仿真模型。设置在k₁、k₂点处发生接地故障时，验证上述算法的有效性。模 型中包括两条健全线路以及两条故障线路。

附图3为基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法小电阻 接地系统出线接地故障零序等效网络。规定零序电流正方向为母线流向大地。其 中为故障点虚拟电源的电压，为故障点故障前相电压，R_f为故障点 过渡电阻，R为中性点接地电阻，C_i(i＝1,2,...,n)为各健全出线对地零序电容，C_0j(j＝1,2)为故障出线对地零序电容，为故障线路1零序电流，为故障 线路2零序电流，为中性点接地电阻的零序电流，(k＝1,2,....,n)为各健 全线路的零序电流，为母线零序电压。

附图4(a)(b)为基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法小 电阻接地系统两出线接地故障零序等效网络叠加定理分析示意图。结合附图3、 附图4、附图5及附图6对此方法进行分析。

虚拟电源U_f1单独作用中性点接地电阻，故障线路2过渡电阻，故障线路对 地零序电容C_0j与各健全出线的对地零序电容C_i并联所得零序阻抗Z₀₁为：

其中为所有健全线路对地零序电容，为所有故障线路对地零序电 容，由此可得线路零序电压为：

由此可得出虚拟电源U_f1单独作用时两条故障线路的零序电流为：

在虚拟电源U_f2单独作用时零序阻抗Z₀₂为：

此时线路零序电压为：

由此可得出虚拟电源U_f2单独作用时两条故障线路的零序电流为：

故障线路1及故障线路2的零序电流分别为：

两条故障线路零序电流之比为：

中性点接地电阻零序电流与一条故障线路零序电流幅值之比为：

以国内10kV系统常用参数为例进行计算，设置中性点接地电阻为10Ω，单 条健全电缆线路最大零序电流幅值22A，将其比值取极限条件下可得中性点接地 电阻与健全线路零序电流幅值之比为：

由此可知流经中性点接地电阻的零序电流为任意一条健全线路的零序电流 的12倍以上。

故障线路零序电流为

由于健全线路零序电流与中性点接地电阻零序电流相位相差为90°，其合 成矢量大于任意一个分量。由此可知故障线路的零序电流幅值大于经中性点接地 电阻零序电流幅值，则可以证实故障线路零序电流幅值为健全线路的零序电流的 12倍以上，则零序电流幅值最大的两条出线之和为任意其他出线的12倍以上， 由此可知可以依据各出线零序电流幅值信息识别出故障线路。

附图5为基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法小电阻 接地系统母线接地故障零序等效网络。

故障点零序电流为：

中性点接地电阻处零序电流为：

(m＝1,2,....,n+2)为健全线路零序电流，健全线路零序电流表达式为：

系统发生母线接地故障时，零序电流主要集中在母线接地故障点处，各出线 均为健全线路，由此可知发生母线接地故障时，过渡电阻改变会对各条出线零序 电流幅值变化产生较大影响，但各条出线零序电流幅值之比不变，等于各出线对 地电容之比，相位近似相等。

附图6为基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法相量分 析示意图。如图所示，α为故障线路零序电流与中性点接地电阻零序电流反相量 的夹角，其中：

故障线路1与一条健全线路零序电流之比为：

故障线路2与一条健全线路零序电流之比为：

以方向为参考方向，发生小电阻接地系统两出线接地故障时，两故障线 路的合成矢量在第三象限，至少存在一条故障出线超前健全线路零序电流相位 90°。由此可知可以依据各出线零序电流相位信息识别出故障线路。

附图7(a)(b)(c)为基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法 两出线接地故障各出线零序电流波形图及仿真数据。设立配电系统电压等级为 10kV，取n＝2，即存在两条健全线路，设置两条健全电缆线路模型长度为5km、 10km，设置两条长为10km的故障线路，中性点接地电阻为10Ω，对地电容参 数C＝280×10^-9F/km。如图5所示分别设置两条故障线路过渡电阻的阻值为10 Ω、1000Ω；50Ω、1000Ω及200Ω、1000Ω进行仿真设。在此波形图及仿真数 据中可以明显发现零序电流幅值最大的两出线之和明显大于任意其他出线零序 电流幅值15倍以上且故障线路零序电流相位超前健全线路相位超前约为94°。 由此证明了上述保护方法的可靠性。

附图8(a)(b)(c)为基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法 母线接地故障各出线零序电流波形图及仿真数据。设置系统发生母线接地故障， 参数与上述仿真参数相同，两条健全电缆线路模型长度为5km、10km，在此波 形图中发现系统发生母线接地故障时，在此波形图中通过对小电阻接地系统母线 接地故障进行仿真，发现在发生母线接地故障时，各出线零序电流相位相差在1° 以内且各出线幅值之比与各出线长度之比近似相等。

由上述分析验证可知所提方法的准确性，可以通过比较各出线零序电流幅值 相位信息识别故障线路，实现对配电系统的保护。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非 是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明 的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施 方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护新方法，包括以下步骤：

a.集中式保护装置采集母线、各出线及中性点接地电阻零序电流电气信息量;

b.出线或者中性点接地电阻零序电流超过保护启动门槛值时保护启动；

c.集中式保护装置对各出线零序电流幅值信息进行比较确定出线接地故障还是母线接地故障，集中式保护装置控制相应故障线路断路器动作，实现保护；

其特征在于：保护判据为：

d.保护启动后，如果不存在零序电流最大的两条出线的零序电流幅值之和超过其他所有出线其中一条零序电流幅值的12倍，认为发生母线接地故障，集中式保护装置控制母线进线断路器进行动作，实现保护；

e.如果零序电流最大的两条出线的零序电流幅值之和超过其他所有出线其中一条零序电流幅值的12倍则认为零序电流最大的一条出线为候选故障出线，若两条线路零序电流幅值相同则认为两条出线均为候选故障出线，对各出线相位进行比较，集中式保护装置选取零序电流幅值大于0.3A的所有出线或幅值最大的五条出线进行比较，若候选故障出线零序电流相位超前其他任意一条出线零序电流相位80°~150°时，判定发生了出线接地故障并且该条或数条出线为故障出线，集中式保护装置控制该出线的断路器动作，切除故障，实现故障保护；

f.若比较各出线零序电流相位后发现各出线零序电流相位均相差在30°以内则认定此故障为母线接地故障，集中式保护装置控制母线进线断路器动作，切除故障，实现故障保护；重复上述步骤直至保护不动作。