CN108594071A - 一种中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及配电网继电保护的技术领域，更具体地，涉及一种中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，本发明以零序电流积分值和零序电压差值的比值在故障线路和非故障线路之间存在明显差异为依据，通过线路的比值平均值的大小来判断线路是否发生了单相接地故障。非故障线路的比值平均值约等于该线路的对地电容值的10⁶倍，而由于接地小电阻只存在于故障线路零序电流流过的零序等效网络，故障线路的比值平均值将远大于非故障线路，故可以有效地判断线路是否发生了单相接地故障。本发明受过渡电阻的影响较小，能够提高保护对高阻接地故障的灵敏性，从而提高配网的安全稳定性以及降低由高阻接地故障所引发的安全事故的概率。

Description

一种中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法

技术领域

本发明涉及配电网继电保护的技术领域，更具体地，涉及一种中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法。

背景技术

随着城市的快速发展，城市用地日益紧张，大中型城市配网的输电网络主要由电缆线路组成。由于电缆线路的对地电容较大，其在发生单相接地故障时所带来的电容电流难以被消弧线圈补偿，而且弧光接地过电压以及故障线路难以识别等问题也限制了消弧线圈接地方式的应用。具有有效限制弧光接地过电压、可及时切除故障线路以及降低设备绝缘水平等优点的小电阻接地方式已在大中型城市配网得到了广泛的应用。

单相接地故障约占配网故障的80％以上，是配网主要的故障类型之一。目前小电阻接地系统的主要保护方案为阶段式零序电流保护。但由于配网馈线所处的环境复杂，容易发生单相经高阻接地故障，其主要原因包括有：架空线路断线后掉地、架空线路与邻近物体比如树枝相接触以及电缆线路绝缘介质受损或者受潮等。现有的阶段式零序电流保护的灵敏性受过渡电阻的影响较大，无法满足高阻接地故障检测的要求。部分变电站也有采用零序方向保护方案，但互感器的极性校验困难，效果也不理想。虽然高阻接地故障的故障电流小，但是掉地的高压线路以及故障电弧所产生的高温，可能会对附近的人们以及周边的环境造成很大的危害，甚至造成人身安全事故；同时，若任由故障电流一直存在，则会进一步损害绝缘，造成更为严重的故障，扩大故障范围。目前针对高阻接地故障的检测方法主要集中在利用非线性电弧所产生的波形畸变以及谐波方面，但是当故障的非线性特征不明显时，此类方法可能失效。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，利用零序电流积分值与零序电压差值的比值在故障线路和非故障线路之间存在明显差异的特点，计算线路的零序电流积分值与零序电压差值的比值平均值，并通过比较其大小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，并且很好地兼容低阻和高阻故障。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，包括以下步骤

S1.赋初值给零序电压突变整定值u_0.set、计算积分时间T₁、比值平均值计算积分时间T₂、比值绝对值最大值R_max以及保护动作整定值P_act，所述比值为零序电流积分值i_0.int与零序电压差值u_0.delt的比值；

S2.对母线的零序电压u₀和馈线的零序电流i₀据采样频率SR进行采样，得到母线的零序电压采样值序列u₀(n)和馈线的零序电流采样值序列i₀(n)，n为采样次数；

S3.判断母线的零序电压是否满足|u₀[1]-u₀[0]|>u_0.set，若满足，则转步骤S4；若不满足，则返回步骤S2；

S4.将零序电流积分值i_0.int、比值绝对值R、比值平均值P、计数变量j置零；

S5.计数变量j自加，即j＝j+1；并根据公式i_0.int[j+1]＝i_0.int[j]+(i₀[j]+i₀[j+1])Δt/2计算零序电流积分值；

S6.判断计数变量是否满足j>(T₁*SR)；若满足，则转步骤S7；若不满足，则根据公式u_0.delt[j+1]＝u₀[j+1]-u₀[1]计算零序电压差值，并转至步骤S9；

S7.根据公式i_0.int[j+1]＝i_0.int[j]-(i₀[j+1-T₁]+i₀[j-T₁])Δt/2计算零序电流积分值；

S8.根据公式u_0.delt[j+1]＝u₀[j+1]-u₀[j+1-T₁]计算零序电压差值；

S9.判断是否满足|u_0.delt|<u_0.set；若满足，则令R[j]＝0，并转步骤S10；若不满足，则根据公式R[j]＝|i_0.int/u_0.delt|×10⁶计算比值绝对值，并转步骤S10；增加零序电压差值最小值的判断，以消除奇异点，保持算法的稳定性；

S10.判断是否满足R[j]>R_max，若满足，则令R[j]＝R_max，并转步骤S11；若不满足，则直接转步骤S11；进一步地削弱奇异点对比值平均值的影响；

S11.判断是否满足R[j-1]＝0，若满足，则令R[j-1]＝(R[j]+R[j-2])/2，并转至步骤S12；若不满足，则直接转至步骤S12；

S12.根据公式P＝P+(R[j-1]+R[j-2])Δt/(2*0.01)计算比值平均值；

S13.判断是否满足j>(T2*SR)+2；若满足，则根据公式P＝P-(R[j-1-T2]+R[j-2-T2])Δt/(2*T2*SR)计算比值平均值，并转至步骤S14；若不满足，则直接转至步骤S14；

S14.判断是否满足P>P_act，若满足，则直接转至步骤S15；若不满足，则返回步骤S5；

S15.发出高阻接地故障警告或者跳闸命令。

本发明的中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，以零序电流积分值和零序电压差值的比值在故障线路和非故障线路之间存在明显差异为依据，通过线路的比值平均值的大小来判断线路是否发生了单相接地故障。非故障线路的比值平均值约等于该线路的对地电容值的10⁶倍，而由于接地小电阻只存在于故障线路零序电流流过的零序等效网络，故障线路的比值平均值将远大于非故障线路，故可以有效地判断线路是否发生了单相接地故障。本发明受过渡电阻的影响较小，能够提高保护对高阻接地故障的灵敏性，从而提高配网的安全稳定性以及降低由高阻接地故障所引发的安全事故的概率，且本发明只需在传统采集零序电流信号的基础上，增加零序电压信号的采集和处理，易于工程实现。

优选地，步骤S1中所述的u_0.set的取值范围为1～10，所述T₁的取值范围为4ms～5ms，所述T₂的取值为0.01s，所述R_max的取值范围为500～700，所述P_act的取值范围为29.4～44.1。若u_0.set取值过大，消去的奇异点过多，比值过小，检测算法将失效，若u_0.set取值过小，无法消去奇异点，可能会造成比值过大，从而出现检测误判。T₁的取值在不过分影响快速性的前提下，可适当地取较大值，这样有利于减少奇异点的数量。T₂的取值为了使稳定时的比值平均值为恒定值。R_max的取值需要考虑未设置限幅时故障线路的比值平均值的稳态值大小，其值越小，故障线路的比值平均值越小；P_act可根据系统最长馈线的长度或者直接以20km为例计算其对地电容值，并考虑一定的超调倍数以及可靠系数进行定值整定。

优选地，步骤S1中所述的u_0.set的取值为1，所述T₁的取值为5ms，所述T₂的取值为0.01s，所述R_max的取值为600，所述P_act的取值为40。

优选地，步骤S2中，采样的频率SR不低于5kHz。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明以故障线路的零序电流积分值与零序电压差值的比值与非故障线路的比值存在明显差异为依据，通过采集母线的零序电压以及馈线的零序电压，计算线路的比值平均值，再根据比值平均值的大小来判断线路是否发生了单相接地故障。本发明能够对故障线路和非故障线路进行正确判断，受过渡电阻的影响较小，且对于线性故障电阻和非线性故障电阻均具有良好的适用性，不受互感器的极性影响。另外，本发明只需在传统采集零序电流信号的基础上，增加零序电压信号的采集和处理，易于工程实现。

附图说明

图1为本发明的中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法的流程图。

图2为实施例三中变电站模型的馈线原理图。

图3为实施例四馈线4非故障线路的比值平均值的情况列表。

图4为实施例四馈线3故障线路的比值平均值的情况列表。

图5为实施例五电弧发生故障时比值平均值的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，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。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一

如图1所示为本发明的中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法的流程图，包括以下步骤：

S1.赋初值给零序电压突变整定值u_0.set、计算积分时间T₁、比值平均值计算积分时间T₂、比值绝对值最大值R_max以及保护动作整定值P_act，比值为零序电流积分值i_0.int与零序电压差值u_0.delt的比值；

S2.对母线的零序电压u₀和馈线的零序电流i₀据采样频率SR进行采样，得到母线的零序电压采样值序列u₀(n)和馈线的零序电流采样值序列i₀(n)，n为采样次数；

S3.判断母线的零序电压是否满足|u₀[1]-u₀[0]|>u_0.set，若满足，则转步骤S4；若不满足，则返回步骤S2；

S4.将零序电流积分值i_0.int、比值绝对值R、比值平均值P、计数变量j置零；

S5.计数变量j自加，即j＝j+1；并根据公式i_0.int[j+1]＝i_0.int[j]+(i₀[j]+i₀[j+1])Δt/2计算零序电流积分值；

S6.判断计数变量是否满足j>(T₁*SR)；若满足，则转步骤S7；若不满足，则根据公式u_0.delt[j+1]＝u₀[j+1]-u₀[1]计算零序电压差值，并转至步骤S9；

S7.根据公式i_0.int[j+1]＝i_0.int[j]-(i₀[j+1-T₁]+i₀[j-T₁])Δt/2计算零序电流积分值；

S8.根据公式u_0.delt[j+1]＝u₀[j+1]-u₀[j+1-T₁]计算零序电压差值；

S9.判断是否满足|u_0.delt|<u_0.set；若满足，则令R[j]＝0，并转步骤S10；若不满足，则根据公式R[j]＝|i_0.int/u_0.delt|×10⁶计算比值绝对值，并转步骤S10；

S10.判断是否满足R[j]>R_max，若满足，则令R[j]＝R_max，并转步骤S11；若不满足，则直接转步骤S11；

S11.判断是否满足R[j-1]＝0，若满足，则令R[j-1]＝(R[j]+R[j-2])/2，并转至步骤S12；若不满足，则直接转至步骤S12；

S12.根据公式P＝P+(R[j-1]+R[j-2])Δt/(2*0.01)计算比值平均值；

S13.判断是否满足j>(T2*SR)+2；若满足，则根据公式P＝P-(R[j-1-T2]+R[j-2-T2])Δt/(2*T2*SR)计算比值平均值，并转至步骤S14；若不满足，则直接转至步骤S14；

S14.判断是否满足P>P_act，若满足，则直接转至步骤S15；若不满足，则返回步骤S5；

S15.发出高阻接地故障警告或者跳闸命令。

本实施例中，步骤S1中的u_0.set的取值范围为1～10，T₁的取值范围为4ms～5ms，T₂的取值为0.01s，R_max的取值范围为500～700，P_act的取值范围为29.4～44.1；采样的频率SR不低于5kHz。

实施例二

本实施例与实施例一类似，所不同之处在于：步骤S1中的u_0.set的取值为1，T₁的取值为5ms，T₂的取值为0.01s，R_max的取值为600，P_act的取值为40；步骤S2中，采样的频率SR取值为5kHz。

实施例三

将实施例二应用于10kV中性点为小电阻接地方式的变电站模型，其中，接地小电阻以及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。在馈线长度12km的馈3的首端、中点以及末端分别设置了单相经过渡电阻接地故障点F，以故障线路馈线3和非故障线路馈线4的保护动作情况为样本，馈线原理图如图2所示。

实施例四

当实施例三中的线性电阻发生故障时，过渡电阻R_f分别设置为0Ω、700Ω以及1500Ω，图3和图4分别给出了馈线4非故障线路和馈线3故障线路的比值平均值的情况，包括有超调量P_max和稳定值P_stab，以及保护动作情况。

从图3中可以看出，对于馈线4非故障线路：由于非故障线路的零序电流流过的零序等效网络就为该线路的等效π型模型，且由于对地容抗远大于线路阻抗，所以可得故障线路的零序电流积分值与零序电压差值的比值近似等于该线路的对地电容值。在本实施例中，线路每公里的对地电容值约为0.37μF/km，馈线4的长度为15km，故其对地电容值为5.55μF。仿真结果中的比值平均值的稳定值与其非常接近。由于在暂态过程中存在振荡，所以比值平均值会出现超调的现象，超调倍数大致为2～3倍。各馈线的比值平均值均小于动作整定值P_act＝40，所以非故障线路的保护均不动作。

从图4中可以看出，对于馈线3故障线路：由于故障线路的零序电流流过的等效网络为曲折变压器支路和各非故障线路的等效电路相并联，且由于曲折变压器的零序阻抗较小，接地小电阻的阻值远小于非故障线路的对地容抗，所以故障线路的零序电流积分值和零序电压差值的比值可近似等于：

式中：R_g为接地小电阻，α为母线零序电压的初相角，i_0f为故障线路的零序电流。

求平均值后可得：

假设x取可得：

可见，与非故障线路相比，故障线路的比值平均值大得多。

馈线3的比值平均值比动作整定值P_act＝40大得多，所以馈线3故障线路的保护动作。

实施例四

当实施例三中的电弧发生故障时，电弧故障的形式是一线性电阻R_f和一非线性电弧电阻R_arc相串联，本实施例一故障点为线路中点，线性电阻R_f取值为500Ω。故障线路和各馈线的总谐波畸变率(THD)分别为：①故障线路：24.26％；②馈线1：177.20％；③馈线2：218.85％；④馈线3：27.19％；⑤馈线4:265.97％。

同样的，由于故障线路零序电流流过的零序等效网络包含接地小电阻，而非故障线路的零序电流流过的零序等效网络主要为该线路的对地电容，所以在电弧故障下仍然保持故障线路的比值平均值远大于非故障线路的规律。

如图5所示为馈线的比值平均值的情况，从图中可知，馈线3故障线路的比值平均值仍远大于非故障线路，而非故障线路的比值平均值均低于动作整定值P_act＝40，所以非故障线路的保护均不动作。故障线路的比值平均值大于动作整定值，所以保护动作。

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 (4)

1.一种中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.赋初值给零序电压突变整定值u_0.set、计算积分时间T₁、比值平均值计算积分时间T₂、比值绝对值最大值R_max以及保护动作整定值P_act，所述比值为零序电流积分值i_0.int与零序电压差值u_0.delt的比值；

S2.对母线的零序电压u₀和馈线的零序电流i₀据采样频率SR进行采样，得到母线的零序电压采样值序列u₀(n)和馈线的零序电流采样值序列i₀(n)，n为采样次数；

S3.判断母线的零序电压是否满足|u₀[1]-u₀[0]|>u_0.set，若满足，则转步骤S4；若不满足，则返回步骤S2；

S4.将零序电流积分值i_0.int、比值绝对值R、比值平均值P、计数变量j置零；

S5.计数变量j自加，即j＝j+1；并根据公式i_0.int[j+1]＝i_0.int[j]+(i₀[j]+i₀[j+1])Δt/2计算零序电流积分值；

S6.判断计数变量是否满足j>(T₁*SR)；若满足，则转步骤S7；若不满足，则根据公式u_0.delt[j+1]＝u₀[j+1]-u₀[1]计算零序电压差值，并转至步骤S9；

S7.根据公式i_0.int[j+1]＝i_0.int[j]-(i₀[j+1-T₁]+i₀[j-T₁])Δt/2计算零序电流积分值；

S8.根据公式u_0.delt[j+1]＝u₀[j+1]-u₀[j+1-T₁]计算零序电压差值；

S9.判断是否满足|u_0.delt|<u_0.set；若满足，则令R[j]＝0，并转步骤S10；若不满足，则根据公式R[j]＝|i_0.int/u_0.delt|×10⁶计算比值绝对值，并转步骤S10；

S10.判断是否满足R[j]>R_max，若满足，则令R[j]＝R_max，并转步骤S11；若不满足，则直接转步骤S11；

S11.判断是否满足R[j-1]＝0，若满足，则令R[j-1]＝(R[j]+R[j-2])/2，并转至步骤S12；若不满足，则直接转至步骤S12；

S12.根据公式P＝P+(R[j-1]+R[j-2])Δt/(2*0.01)计算比值平均值；

S13.判断是否满足j>(T2*SR)+2；若满足，则根据公式P＝P-(R[j-1-T2]+R[j-2-T2])Δt/(2*T2*SR)计算比值平均值，并转至步骤S14；若不满足，则直接转至步骤S14；

S14.判断是否满足P>P_act，若满足，则直接转至步骤S15；若不满足，则返回步骤S5；

S15.发出高阻接地故障警告或者跳闸命令。

2.根据权利要求1所述的中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，其特征在于，步骤S1中所述的u_0.set的取值范围为1～10，所述T₁的取值范围为4ms～5ms，所述T₂的取值为0.01s，所述R_max的取值范围为500～700，所述P_act的取值范围为29.4～44.1。

3.根据权利要求2所述的中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，其特征在于，步骤S1中所述的u_0.set的取值为1，所述T₁的取值为5ms，所述T₂的取值为0.01s，所述R_max的取值为600，所述P_act的取值为40。

4.根据权利要求1所述的中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，其特征在于，步骤S2中，采样的频率SR不低于5kHz。