CN108899879B - 基于零序电流投影系数的小电阻接地系统接地保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于零序电流投影系数的小电阻接地系统接地保护方法，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，故障线路零序电流与健全线路零序电流在中性点零序电流上的投影系数差异很大，因此可利用此故障特征构成接地保护。本发明给出了零序电流投影系数的计算方法以及各参数定值的整定原则。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

基于零序电流投影系数的小电阻接地系统接地保护方法

技术领域

本发明涉及配电网继电保护领域，具体是一种基于零序电流投影系数的小电阻接地系统接地保护方法。

背景技术

随着城市化建设的推进，电力电缆在配电网络的应用规模日益扩大，系统电容电流亦逐渐增大。相对于谐振接地系统，小电阻接地方式在过电压抑制方面具有优势，加之接地故障特征量突出，易于实现继电保护配合，近年来，在城市配电网的新建及改造工程中逐步推广实施。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，现场基本均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，因此，其动作电流的定值需要设置一定阈值。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40～60A，最大只能检测85～135Ω左右的接地电阻，原理上无法适应高阻接地的保护要求。

国内外关于小电阻接地系统的高阻接地故障保护已有一定研究，上海电力公司提出一种新的用于中性点经小电阻接地系统的故障指示器判定逻辑，该逻辑通过对零序电流、电流最大值、电流突变量和低电压的综合判断实现故障识别；中国石油大学(华东)提出了电压比率制动的方法，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，保证了区内发生高阻接地故障时保护能够可靠动作，同时区外发生任何故障时保护可靠不误动，兼顾了低阻接地故障保护的灵敏性和高阻接地故障保护的可靠性；清华大学研究了故障点电弧的变化特性，提出一种基于零序电流畸变凹凸性的高阻接地故障检测方法；还有根据固体介质电击穿原理，建立了高阻故障电弧模型，通过低通滤波器和最小二乘法线性拟合，根据故障出线故障相的伏安特性和健全出线、故障出线故障相的差异，提出了基于故障电阻非线性识别的故障检测方法。此外，国外学者提出的利用信号的多分辨率，分析所产生的一系列小波系数的绝对值，在此基础上，基于人工智能算法，随机性检测系统等高阻故障检测方法对于研究小电阻接地系统高阻接地保护方法也提供了一定的思路。但目前关于小电阻接地系统故障保护的研究仍然存在一定不足，尤其在系统发生高阻接地故障时现有保护方法的灵敏度依然不高。

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。本专利利用出线零序电流在中性点零序电流上投影系数的差异，提出一种小电阻接地系统接地故障保护方法，可显著提高高阻接地时的保护灵敏度。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，有着广泛的工业级推广应用价值。

发明内容

本发明的目的在于解决小电阻接地系统中馈线发生接地故障时的保护问题，重点是提高高阻接地保护的灵敏性，提出一种基于零序电流投影系数的小电阻接地系统接地保护方法。

本发明采用的技术方案为：

一种基于零序电流投影系数的小电阻接地系统接地保护方法，包括如下步骤：

a.接地保护装置采集各自线路零序电流I_0i及中性点接地电阻零序电流

b.设置保护的启动电流定值I_S、直接动作电流定值I_set以及投影系数整定值ρ_set，且设置I_S<I_set；

c.出线零序电流I_0i超过保护的启动电流定值I_S时，则该出线保护启动；

d.出线零序电流I_0i超过保护的直接动作电流定值I_set时，则直接判定发生区内接地故障，控制相应断路器跳闸；

e.若出线零序电流I_0i满足I_S<I_0i<I_set，根据下式计算出线零序电流I_0i在中性点接地电阻零序电流上的投影系数ρ_0i：

若ρ_0i≥ρ_set，则判定为区内故障，控制相应断路器跳闸，若ρ_0i＜ρ_set则判定为区外故障，保护返回不动作。

进一步的，步骤b中I_S设定为3～10A，I_set取值为40A～60A，投影系数整定值ρ_set满足K_relmax{ρ_hi}＜ρ_set＜ρ_f/K_rel，其中K_rel为可靠性系数，ρ_hi为考虑零序TA相位测量误差后健全线路零序电流在中性点零序电流上的投影系数，且ρ_f为考虑零序TA相位测量误差后故障线路零序电流在中性点零序电流上的投影系数，且其中，ω为工频角频率，R_N为中性点接地电阻，C_0i为单条线路对地零序电容，C_0∑H为健全线路对地零序电容之和。

与现有技术相比本发明的有益效果为：相比于传统定时限零序过电流保护，本发明算法理论上可检测任意接地过渡电阻的接地故障，但综合考虑系统最大不平衡零序电流和零序电流互感器的线性范围及测量误差，启动电流无法设置过低，将I_S设为3A时(定值越低对零序TA的精度要求越高)，可可靠保护高达1500Ω的高阻接地故障，并在金属性接地及低阻接地故障时有很好的选择性；相比于零序功率方向保护方法高阻接地时电压电流极性校验困难、零序电压比率制动的零序过电流保护法在高阻接地时测得的零序电压误差较大等技术瓶颈，本发明无需检测故障时的零序电压信息，只需再检测中性点零序电流，高阻接地时保护灵敏度较高，工程实用性较好；相比于基于谐波、伏安特性畸变的方法，本发明在线性电阻、非线性电阻接地时均可适用，应用范围广，应用前景较好。

附图说明

图1为本发明基于零序电流投影系数的小电阻接地系统接地保护算法的流示意图；

图2为典型10kV小电阻接地系统接地故障模型；

图3为小电阻接地系统单相接地故障零序等效网络；

图4(a)-图4(c)分别为过渡电阻分别为10Ω、100Ω、1500Ω出线接地时的零序电流投影分量仿真波形；

图5(a)-图5(b)为过渡电阻分别为10Ω、1500Ω母线接地时的零序电流投影分量仿真波形。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，本发明提供一种基于零序电流投影系数的小电阻接地系统接地保护方法，包括如下步骤：

a.接地保护装置采集各自线路零序电流I_0i及中性点接地电阻零序电流

b.设置保护的启动电流定值I_S、直接动作电流定值I_set以及投影系数整定值ρ_set，且设置I_S<I_set；

c.出线零序电流I_0i超过保护的启动电流定值I_S时，则该出线保护启动；

d.出线零序电流I_0i超过保护的直接动作电流定值I_set时，则直接判定发生区内接地故障，控制相应断路器跳闸；

e.若出线零序电流I_0i满足I_S<I_0i<I_set，根据下式计算出线零序电流I_0i在中性点接地电阻零序电流上的投影系数ρ_0i：

若ρ_0i≥ρ_set，则判定为区内故障，控制相应断路器跳闸，若ρ_0i＜ρ_set则判定为区外故障，保护返回不动作。

上述方案中：

启动电流整定值I_S、直接动作电流定值I_set以及投影系数整定值ρ_set的整定原则应保证系统正常运行时保护不误动，高阻接地时，保护的灵敏度系数不低于1.2。具体分析如下：

步骤b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、零序电流互感器的线性范围和测量误差以及满足系统的耐高阻能力的要求，可将I_S设定为3～10A；

步骤b中I_set的设定，可设为传统定时限零序电过电流保护的定值，I_set取值为40A～60A；

步骤b中投影系数整定值ρ_set的设定，须躲过故障线路零序电流在中性点零序电流上的投影系数，但高于健全线路零序电流在中性点零序电流上的投影系数，由各出线零序电流在中性点零序电流上的投影分量幅值可求出各投影系数为

则健全出线以及故障出线零序电流在中性点零序电流上的投影系数为

其中，ω为工频角频率，R_N为中性点接地电阻，C_0i为单条线路对地零序电容，C_0∑H为健全线路对地零序电容之和，θ_0i为各出线零序电流与中性点零序电流的夹角，考虑可靠性系数K_rel，则投影系数的整定值须满足

K_relmax{ρ_hi}＜ρ_set＜ρ_f/K_rel

按我国10kV配电系统的工程实践经验，一般中性点接地小电阻取R_N＝10Ω，设系统对地电容电流最大为200A，零序TA相位测量误差最大为30°，取K_rel＝1.25，则0.035＜ρ_set＜0.71，可设为ρ_set＝0.3。

对于母线接地故障，只需将接地变保护的零序过电流保护定值由I_set降至I_S，并设一定延时，其作为后备保护动作于跳闸，各出线保护由于投影系数达不到ρ_set返回不动作。

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(自产方式)的方法来获取零序电流时，由于装置采样误差的影响，可能会因保护的整定值小于因三相负荷不对称而产生的不平衡电流，造成保护误动。当系统中采用专用零序电流互感器时(外接方式)，可降低因装置采样误差造成的影响，使保护更可靠，即本发明更适用于采用专用零序电流互感器获取零序电流的方式。另外，本发明需要计算出线零序电流在中性点零序电流上的投影系数，因此还需要检测中性点零序电流，可直接将中性点零序电流接入各出线保护装置中，也可将测得的中性点零序电流信息传入各出线保护装置，此方式需要校对时间标签。结合图1～5及表1～2，一种基于零序电流投影系数的小电阻接地系统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

正常工作(包括三相负荷不平衡工况)时，接地保护装置采集各出线零序电流I_0i及中性点接地电阻零序电流并判断出I_0i和均小于保护启动电流定值I_S，保护不启动，各线路均正常运行。

2)故障时系统工作流程

线路中发生接地故障时，接地保护装置采集各出线零序电流I_0i及中性点接地电阻零序电流判断是否满足I_0i>I_S，如满足，则该线路保护启动，再判断是否满足I_0i>I_set，如满足，则该线路保护立即动作于跳闸，切除故障。若I_S<I_0i<I_set，则计算该出线零序电流在中性点零序电上的投影系数ρ_0i，若满足ρ_0i≥ρ_set，则该线路保护动作于跳闸，切除故障，否则，若ρ_0i＜ρ_set，则该线路保护返回不动作。

根据本发明中所提的保护方案，给出下述算例：

本例中，可取出线保护启动电流定值为I_S＝3A，取I_set＝40A，ρ_set＝0.3

基于图2所示搭建10kV小电阻接地系统模型，中性点接地电阻为10Ω，共有3条电缆出线L1、L2、L3，长度分别为5km，10km，20km，设置线路L1发生A相接地故障(故障点距离母线3km)以及母线上发生A相接地，R_f为接地电阻(分别取10Ω、20Ω、50Ω、90Ω、150Ω、300Ω、500Ω、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。

取过渡电阻分别为10Ω、100Ω、1500Ω的情况得出出线上单相接地时的仿真波形如图4(a)-图4(c)所示，由于健全出线投影分量过小，其幅值取实际波形的500倍。

各出线投影分量及各出线投影系数如表1所示。

表1

表1中，为中性点零序电流，I_T1、I_T2、I_T3分别为各出线零序电流在上的投影分量，ρ₀₁、ρ₀₂、ρ₀₃分别为各出线零序电流在上的投影系数。

由表1数据可以看出，最长健全出线L3投影系数约为10^-3，远小于保护整定值0.3，故障出线投影系数ρ_0i略大于1，远大于整定值ρ_set0.3，故障出线的投影系数与健全出线投影系数差异明显，线路L1保护判断发生区内故障，并动作于跳闸。

母线发生A相接地时，取过渡电阻分别为10Ω、1500Ω的情况，得出各出线上零序电流投影分量的仿真波形如图5(a)-图5(b)所示，由于健全出线投影分量过小，其幅值取实际波形的500倍。此时各出线投影分量及各出线投影系数如表2所示。

表2

表2中，为中性点零序电流，I_T1、I_T2、I_T3分别为各出线零序电流在上的投影分量，ρ₀₁、ρ₀₂、ρ₀₃分别为各出线零序电流在上的投影系数。

结合图5以及表2分析可知，出线L3投影分量实际大小的500倍与中性点零序电流幅值近似相等。由表2数据可以看出，健全出线越长，健全出线投影系数越大，但即使健全电缆出线达到20km，其投影系数ρ_0i仍仅为10^-3，远小于整定值ρ_set0.3，发生母线接地故障时各出线保护均能可靠返回，此时接地变保护作为出线保护的后备保护动作于跳闸。

由于故障线路和健全线路的零序投影系数差异明显，本发明算法理论上可检测任意接地过渡电阻的接地故障，但综合考虑系统最大不平衡电流和零序电流互感器的线性范围及测量误差，启动电流无法设置过低，将I_S设为本发明专利推荐的最低值3A时(定值越低对零序TA的精度要求越高)，能可靠保护高达1500Ω的高阻接地故障，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 (2)

1.一种基于零序电流投影系数的小电阻接地系统接地保护方法，其特征在于包括如下步骤：

a.接地保护装置采集各自线路零序电流I_0i及中性点接地电阻零序电流

b.设置保护的启动电流定值I_S、直接动作电流定值I_set以及投影系数整定值ρ_set，且设置I_S<I_set；

c.出线零序电流I_0i超过保护的启动电流定值I_S时，则该出线保护启动；

d.出线零序电流I_0i超过保护的直接动作电流定值I_set时，则直接判定发生区内接地故障，控制相应断路器跳闸；

e.若出线零序电流I_0i满足I_S<I_0i<I_set，根据下式计算出线零序电流I_0i在中性点接地电阻零序电流上的投影系数ρ_0i：

若ρ_0i≥ρ_set，则判定为区内故障，控制相应断路器跳闸，若ρ_0i＜ρ_set则判定为区外故障，保护返回不动作。

2.如权利要求1所述的基于零序电流投影系数的小电阻接地系统接地保护方法，其特征在于：

步骤b中I_S设定为3～10A，I_set取值为40A～60A，投影系数整定值ρ_set满足K_relmax{ρ_hi}＜ρ_set＜ρ_f/K_rel，其中K_rel为可靠性系数，ρ_hi为考虑零序TA相位测量误差后健全线路零序电流在中性点接地电阻零序电流上的投影系数，且

ρ_f为考虑零序TA相位测量误差后故障线路零序电流在中性点零序电流上的投影系数，且

其中，ω为工频角频率，R_N为中性点接地电阻，C_0i为单条线路对地零序电容，C_0∑H为健全线路对地零序电容之和。