CN109103852B - 一种基于零序电流比较的小电阻接地系统单相接地故障保护方法 - Google Patents

一种基于零序电流比较的小电阻接地系统单相接地故障保护方法 Download PDF

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Abstract

一种小电阻接地系统单相接地故障保护方法，属于配电网继电保护领域。现有小电阻接地系统接地故障零序过流保护灵敏度较低，尤其在发生高阻接地故障时零序过电流保护定值过高，易拒动。本发明根据小电阻接地系统中各出线零序电流幅值相位信息的关系，通过集中式保护装置进行采集、比较，若其中一条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，判定为单相接地故障，否则为母线接地故障，集中式保护装置控制出线断路器或母线进线断路器动作，隔离故障，实现保护。本发明原理简单，可作为现有接地故障的后备保护，并可有效提高小电阻接地系统接地故障保护灵敏度。

Description

一种基于零序电流比较的小电阻接地系统单相接地故障保护 方法
技术领域
本发明属于电力系统配电线路继电保护领域。
本发明涉及一应用小电阻接地系统的配电网发生单出线接地故障尤其是发生高阻接地故障的情况。
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。国内对于小电阻接地系统故障保护的研究起步较晚，目前，小电阻接地系统主要应用于部分沿海发达城市。
国内关于小电阻接地系统接地故障保护使用故障指示器判定逻辑、小波系数、卡尔曼滤波、零序电压比率制动、基于零序电流波形畸变凹凸性的小电阻接地系统高阻故障检测方法等方法来进行接地故障的识别，实现保护；国外有学者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，人工智能算法，随机性检测系统等方法用于高阻故障检测。但目前小电阻接地系统故障保护的研究仍然存在不足，尤其在系统发生高阻接地故障时现有保护灵敏性较低。
针对此种现状研究一种能够较为快速可靠地实现线路保护的保护方法成为一种趋势，本发明针对小电阻接地系统单相接地故障，尤其是系统发生高阻接地故障时易拒动的问题，分析了各出线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实现故障识别的保护方法。
发明内容
本发明拟解决的技术问题是：基于零序电流比较的小电阻接地系统单相接地故障保护方法。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单相接地故障保护尤其是对系统高阻接地故障实现故障保护。系统发生故障时，集中式保护装置采集各出线及中性点接地电阻零序电流信息，通过比较各出线零序电流幅值相位信息识别出故障线路，实现故障保护，减小故障危害。
本发明解决技术问题采取的技术方案是：过去小电阻接地系统接地故障保护利用保护安装点本身信息进行故障识别，在低阻接地故障时可以有效实现保护，但在系统发生高阻接地故障时保护灵敏度不足，针对此种问题本发明提出通过比较各出线零序电流幅值大小以及相位关系进行故障识别，有效地解决了高阻接地故障时灵敏度不足的问题，具有很高的工程应用价值。具体方法为：
集中式保护装置采集各出线及中性点接地电阻零序电流信息，存在出线或者中性点接地电阻零序电流幅值超过Iset(随现场实际情况不同可设置为0.5A-1.5A之间)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，集中式保护装置比较各出线零序电流幅值信息，若不存在某条出线的零序电流幅值远远大于(10倍以上)其他任意出线时，认为发生母线接地故障，集中式保护装置控制母线处进线断路器动作，实现保护；如果存在某条出线的零序电流幅值远远大于其他任意出线，进一步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最大的三条及以上线路进行比较，若该条出线零序电流相位超前其他任意出线零序电流相位85°～110°时，认定此出线为故障线路，集中式保护装置控制该条出线的断路器动作，切除故障，实现故障保护；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处进线断路器动作，切除故障，实现故障保护。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。
存在出线或者中性点接地电阻零序电流大于Iset，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，集中式保护装置比较各出线的零序电流幅值相位信息。
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。
集中式保护装置比较各出线零序电流幅值，判定其中一条出线零序电流幅值是否远远大于其他所有出线零序电流幅值，若不存在判定为母线接地故障，集中式保护装置控制母线进线断路器动作，实现保护；若存在一条出线零序电流幅值远远大于其他任意出线零序电流幅值，集中式保护装置选取零序电流幅值最大的三条及以上线路进行相位比较，若该条出线超前其他任意出线相位85°～110°时，可判定此条线路为故障线路，集中式保护装置控制该线路的断路器进行动作实现保护：如果各条出线相位相差均在30°以内，则认为系统发生母线接地故障，集中式保护装置控制母线处进线断路器动作，实现保护。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明基于零序电流比较的小电阻接地系统单相接地故障保护方法，针对小电阻接地系统发生单相接地故障尤其是高阻接地故障实现故障保护，该保护方法在系统发生金属性接地故障以及非金属性接地故障中均可使用，并且可以有效地区分出线接地故障还是母线接地故障，不受系统零序电压及零序电流的影响，有效地提高了接地故障保护的灵敏度及可靠性。
附图说明
附图1为基于零序电流比较的小电阻接地系统单相接地故障保护方法流程图。
附图2为基于零序电流比较的小电阻接地系统单相接地故障保护方法小电阻接地系统单相接地故障零序等效网络。
附图3为基于零序电流比较的小电阻接地系统单相接地故障保护方法小电阻接地系统母线接地故障零序等效网络。
附图4为基于零序电流比较的小电阻接地系统单相接地故障保护方法相量分析示意图。
附图5(a)、(b)、(c)分别为过渡电阻10Ω、150Ω及1000Ω下基于零序电流比较的小电阻接地系统单相接地故障保护方法单相接地故障各出线零序电流波形图及仿真数据。
附图6(a)、(b)、(c)分别为过渡电阻10Ω、150Ω及1000Ω下基于零序电流比较的小电阻接地系统单相接地故障保护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
为实现上述目的，本发明拟用下述技术方案来实现：
如附图1所示是基于零序电流比较的小电阻接地系统单相接地故障保护方法流程图。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零序电流，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Iset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，集中式保护装置比较各出线零序电流幅值信息，若不存在某条出线的零序电流幅值远远大于其他所有出线时，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动作，实现保护；如果存在某条出线零序电流幅值远远大于其他任意出线时，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最大的三条及以上出线进行比较，若该条出线零序电流相位超前其他任意出线零序电流相位85°～110°时，认定此出线为故障线路，集中式保护装置控制该条出线的断路器动作，切除故障，实现故障保护；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。
附图2为基于零序电流比较的小电阻接地系统单相接地故障保护方法小电阻接地系统单相接地故障零序等效网络。结合附图2、附图3及附图4对此方法进行分析。其中
Figure GDA0003670614700000061
为故障点虚拟电源的电压，
Figure GDA0003670614700000062
为故障点故障前相电压，Rf为故障点过渡电阻，R为中性点接地电阻，Ci(i＝0,1,2,...,n)为各出线对地零序电容，
Figure GDA0003670614700000063
为故障线路的零序电流，
Figure GDA0003670614700000064
为中性点接地电阻的零序电流，
Figure GDA0003670614700000065
为各健全线路的零序电流，
Figure GDA0003670614700000066
为母线零序电压。
系统零序阻抗等于所有出线对地零序电容与中性点接地零序电阻并联阻抗：
Figure GDA0003670614700000067
母线处零序电压为：
Figure GDA0003670614700000071
健全线路零序电流为：
Figure GDA0003670614700000072
中性点接地电阻零序电流为：
Figure GDA0003670614700000073
以国内10kV系统的常用参数为例，即中性点接地电阻为10Ω，单条健全电缆线路最大零序电流幅值22.5A，可知系统中性点零序电流与任一健全线路零序电流之比满足：
Figure GDA0003670614700000074
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
Figure GDA0003670614700000075
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，保留一定裕量，设置为存在出线零序电流幅值为其他任意出线零序电流10倍以上即判定此条出线为候选故障出线。
附图3为基于零序电流比较的小电阻接地系统单相接地故障保护方法小电阻接地系统母线接地故障零序等效网络。
故障点处零序电流为：
Figure GDA0003670614700000081
中性点接地电阻处零序电流为：
Figure GDA0003670614700000082
R′f为母线接地故障过渡电阻，
Figure GDA0003670614700000083
为健全线路零序电流。
健全线路零序电流表达式为：
Figure GDA0003670614700000084
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，经过计算及结合附图6可知系统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几乎不变，等于各出线对地电容之比，相位近似相等。
附图4为基于零序电流比较的小电阻接地系统单相接地故障保护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：
Figure GDA0003670614700000085
Figure GDA0003670614700000086
为所有健全线路零序电流之和，
Figure GDA0003670614700000087
为所有健全线路的对地零序电容之和，将C＝280×10-9F/km代入上式可得：
α＝arctan(2.6376×10-3L)
L为健全线路的全长，按系统电缆总长最大为100km，代入上式求得α的取值约为0<α<14.78°(L为100km)，由此可知故障线路零序电流相位与健全线路零序电流相位相差90°～104·78°，实际配电系统中健全线路零序电流方向存在偏移量、集中式保护装置分析所产生的误差以及健全线路零序电流方向存在一定偏移量等情况的存在，可以保留一定的裕量，设置相位差值为85°～110°。
附图5(a)(b)(c)为基于零序电流比较的小电阻接地系统单相接地故障保护方法单相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＝3，即存在三条健全线路，设置健全电缆线路模型长度为7.5km、10km、12.5km，设置一条长为10km，故障线路过渡电阻为10Ω、150Ω、1000Ω的故障线路，设置中性点接地电阻为10Ω，取对地电容参数为280×10-9F/km的仿真模型进行仿真验证。在此波形图及仿真数据中可以明显发现故障线路零序电流幅值高于10倍健全线路且故障线路零序电流相位超前所有健全线路90°以上。由此证明了上述保护方法的可靠性。
附图6(a)(b)(c)为基于零序电流比较的小电阻接地系统故障保护方法母线接地故障各出线零序电流波形图及仿真数据。设置三条健全电缆线路模型长度为7.5km、10km、12.5km其他条件与附图5相同的仿真模型进行仿真验证，在此波形图中发现系统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小电阻接地系统单相接地故障保护方法的准确性，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
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)

1.一种适用于小电阻接地方式配电系统的单相接地故障保护方法，可提高高阻接地故障时保护可靠性及灵敏度，保护的工作基本流程为：
a.集中式保护装置采集各出线及中性点接地电阻零序电流；
b.存在出线或者中性点接地电阻零序电流幅值超过Iset时保护启动；
c.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，集中式保护装置比较各出线零序电流幅值与相位信息确定故障出线，并控制相应断路器跳闸；
其特征在于：保护判据为：
d.若不存在某条出线的零序电流幅值大于其他任意出线十倍以上时，认为发生母线接地故障；
e.如果存在某条出线的零序电流幅值大于其他任意出线十倍以上时，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最大的三条及以上线路进行比较，若该条出线零序电流相位超前其他出线零序电流相位85°～110°时，认定故障为单相接地故障；
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。
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