CN109375026A - 一种利用故障暂态能量的谐振接地系统高阻接地故障定位方法 - Google Patents

Abstract

一种利用故障暂态能量的谐振接地系统高阻接地故障定位方法，属于配电网继电保护领域。以往的利用暂态高频分量的定位方法在高阻故障时无法保证正确性，因此需要探索新的定位方法。本发明提出一种利用故障暂态能量的谐振接地系统高阻接地故障定位方法，首先当母线零序电压幅值位于一定范围内时，判定为发生高阻接地故障，各终端启动，将选线结果以及故障零序电压、电流采集数据上报主站，然后利用零序电流、电压的暂态分量计算暂态能量，比较各区段上、下游各监测点的暂态能量的极性，若二者极性相同，则该区段为健全区段，否则为故障区段。本发明在故障接地电阻较高、故障的暂态分量频率较低时仍然可以适用，有着广泛的实际应用价值。

Description

一种利用故障暂态能量的谐振接地系统高阻接地故障定位 方法

技术领域

本发明提出一种利用故障暂态能量的谐振接地系统高阻接地故障定位方法，适用于谐振接地系统，属于配电网继电保护领域。

背景技术

随着利用故障暂态电气量、中性点附加中电阻等选线技术的不断成熟，谐振接地系统低阻接地故障的选线问题基本得到解决。高阻接地故障传统保护难以可靠动作的问题成为新的研究热点。高阻接地故障是指裸露的带电导线和非理想导体的直接接触，包括导线断线坠落接地、经树障接地等。国外有报道称，被记录下来的高阻接地故障占配电网故障的5％～10％，实际的故障比例应该更高。由于故障点过渡电阻可达上千欧姆甚至更高，故障信号极其微弱，检测难度极大。根据电力系统继电保护委员会(PSRC)高阻接地故障的研究报告，传统保护技术检测高阻接地故障成功率不足20％。中压配电线路多集中在城乡市区，导线坠落接地极易发生触电事故，加之其检测难度大、不能快速切除等原因，高阻接地故障易造成严重的人身伤害与重大的社会影响。据统计，巴西平均每年53.6人死于高阻接地故障。近年来，我国也已报道过多起导线坠地引起的人身触电事故。因此，高阻接地故障发生时需要快速的定位到故障区段并做出相应隔离措施。

小电流低阻接地故障区段定位技术主要分为两个发展方向：一是利用一次设备动作产生较大的扰动电流，或者向系统注入特定电流，通过检测附加电流信号选择故障线路的主动式定位方法；二是利用故障信号的幅值与方向(相位)信息指示故障的被动式定位方法。

在谐振接地系统发生低阻接地故障时，大量选线方法利用了高频暂态分量的特征定位故障接地点，但当故障接地电阻增大时，线路上的故障电气量的特征也会发生改变，具体表现如下：暂态分量的最高频率仅稍高于工频，消弧线圈对暂态的影响不能忽略；故障点上游与下游的暂态电流之间的极性关系将无法确定；暂态电流的幅值较小。即，此类方法将无法保证选线的正确性。

总体而言，现有的低阻接地故障定位问题尚未完全解决，且对高阻接地故障的适用性均未可知，在国内很少见到相关报道。

本专利利用计算得到的线路检测点处的暂态能量极性来反映能量流动的方向，实现故障定位，具有独特的优势，在故障接地电阻较高、故障的暂态分量频率较低时仍然可以适用。为谐振接地系统高阻接地故障定位技术研究提供了一个全新的思路，有着广泛的实际应用价值。

发明内容

本发明目的在于解决谐振接地系统中发生高阻接地时的故障定位问题，基于对各线路测量的暂态能量的特征的分析，提出了一种利用故障暂态能量的谐振接地系统高阻接地故障定位方法。

a.选线装置在线采集母线零序电压，当母线零序电压幅值U₀处于U_thl<U₀<U_thZ时(一般的U_thl＝15V，U_thZ＝90V)，则说明系统发生高阻接地故障，变电所终端启动，选择故障线路，并将选线结果和故障线路出口零序电流采集数据上报主站；

b.当零模电压或零模电流突变量超越预设门槛时，各馈线终端启动，将故障零序电压电流采集数据上报主站；

c.主站接收变电所终端和馈线各监测点的零序电压电流采集数据，根据下述公式计算故障线路各监测点处的暂态能量w_{j_T}：

对健全线路终端数据则不予处理，式中T为故障暂态持续时间，i_{0j_T}、u_{0j_T}分别为各监测点处的零序电流i_0j及零序电压u_0j的暂态分量；

d.比较各区段上、下游各监测点所测到的暂态能量的极性，若两处监测点的暂态能量极性相同，则该区段为健全区段，若两处监测点的暂态能量极性相反，则该区段为故障区段；

步骤d中，过阻尼状态下，故障点上游、下游检测点所检测到的能量包括消弧线圈、线路对地电容、故障接地电阻上的能量，其流动规律分别如下：

过阻尼状态下，系统总体呈非振荡放电过程，但消弧线圈和对地电容仍然可能(取决于故障初相角)存在吸收能量的过程，因此其各自存储的暂态能量仍然可能呈波动性变化。

暂态过程中消弧线圈存储的暂态能量为(取衰减分量的衰减因子分别为

式中：

i_{0Lp_T}为消弧线圈电感暂态电流，ω₀为工频角频率，φ为故障初相角，L_p为消弧线圈零序等效电感，θ为系统阻抗角。其中：U_m为正常运行时故障相电压幅值，为从故障点看进去的系统阻抗。

故障初相角的不同会导致A₁和A₂的不同，使得消弧线圈存储的暂态能量会有不同(0、1或2)个极值时间点。

系统对地电容存储的暂态能量为：

式中：u_{0_T}(0₊)为母线暂态电压初始值，C_0Σ为系统的对地零序分布电容。

根据故障初相角不同，其也存在0～2个极值时间点。

故障点过渡电阻吸收的暂态能量为：

式中：R为故障点到母线间线路的2倍线模电阻、零模电阻、2倍电源(主变)电阻以及3倍故障点过渡电阻之和。

过渡电阻会一直消耗能量，直至暂态过程结束。

暂态过程结束后，消弧线圈和系统对地电容的暂态能量全部释放，被过渡电阻吸收。即，故障点上游与故障点下游的能量均流向接地故障点，其中，故障点上游的检测点检测到的暂态能量方向是由母线流向线路，而故障点下游的检测点检测到的暂态能量方向是线路流向母线，可以以此区分接地故障点位置。

步骤d中，欠阻尼状态下，故障点上游、下游检测点所检测到的能量包括消弧线圈、线路对地电容、故障接地电阻上的能量，其流动规律分别如下：

此时系统振荡放电，消弧线圈与对地电容均交替呈现释放与吸收能量的过程，各自存储的暂态能量必然呈波动性变化。

消弧线圈存储的暂态能量为(式中δ和ω_f分别为暂态量的衰减因子与自由振荡频率)：

式中：

A₃＝-Bsin(φ-θ)

此时系统振荡放电，消弧线圈暂态能量极值时间点按周期π/ω_f分布，每个周期内存在两个极值时间点。

系统对地电容存储的暂态能量为：

同理，极值时间点按周期π/ω_f变化，每个周期内有两个极值时间点。

过渡电阻吸收的暂态能量为：

可见，过渡电阻一直吸收能量，直至暂态过程结束。

暂态过程中，消弧线圈和系统对地电容的暂态能量随时间不断吸收、释放，过渡电阻则一直消耗能量，按π/ω_f为周期循环直至暂态过程结束。最终，消弧线圈和系统对地电容的暂态能量全部被过渡电阻吸收。即，与过阻尼时相同，故障点上游的检测点检测到的暂态能量方向是由母线流向线路，而故障点下游的检测点检测到的暂态能量方向是线路流向母线，以此区分接地故障点位置。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

在谐振接地系统发生低阻接地故障时，大量选线方法利用了高频暂态分量的特征识别故障区段，但当故障接地电阻增大时，此类方法将无法保证区段定位的正确性。与之相比，利用检测线路的能量或者(无功)功率方向来确定故障区段的方法适用性较强，在故障接地电阻较高、故障的暂态分量频率较低时仍然可以适用。

只需将本发明所提选线方案转化为计算机的算法嵌入到馈线零序保护中,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进一步说明：

附图1为定位流程框图；

附图2为典型谐振接地系统仿真模型；

附图3为附图2所示系统中发生接地电阻为25Ω的高阻过阻尼接地故障时各候选监测点处所测到的暂态能量波形对比；

附图4为为附图2所示系统中发生接地电阻为1500Ω的高阻欠阻尼接地故障时各候选监测点处所测到的暂态能量波形对比；

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、结合图1、2，一种利用故障暂态能量的谐振接地系统高阻接地故障定位方法，其具体工作原理如下：

1)正常运行时系统工作流程

选线装置负责监测母线零序电压和各条线路出口零序电流信号，正常工作时对监测信号进行采样，并将母线零序电压的采样值与装置启动门槛值进行比较，判断线路中是否有高阻故障发生；定位主站负责接收馈线终端和选线装置上报的故障数据，并进行故障定位，正常工作时会对馈线终端和选线装置进行状态查询，避免装置推出工作状态。

2)故障时系统工作流程

a.选线装置在线采集母线零序电压，当母线零序电压幅值U₀处于U_thl<U₀<U_thZ时(一般的U_thl＝15V，U_thZ＝90V)，则说明系统发生高阻接地故障，变电所终端启动，选择故障线路，并将选线结果和故障线路出口零序电流采集数据上报主站；

b.当零模电压或零模电流突变量超越预设门槛时，各馈线终端启动，将故障零序电压电流采集数据上报主站；

c.主站接收变电所终端和馈线各监测点的零序电压电流采集数据，对各监测点的零序电压u_0j、零序电流i_0j进行滤波，分别提取其暂态分量u_{0j_T}、i_{0j_T}；

d.根据下述公式计算故障线路各监测点处的暂态能量w_{j_T}：

对健全线路终端数据则不予处理，式中T为故障暂态持续时间，i_{0j_T}、u_{0j_T}分别为各监测点处的零序电流i_0j及零序电压u_0j的暂态分量；

e.比较各区段上、下游各监测点所测到的暂态能量的极性，若两处监测点的暂态能量极性相同，则该区段为健全区段，若两处监测点的暂态能量极性相反，则该区段为故障区段；

II、基于附图2所示谐振接地系统的混合线路模型，设置线路2末端发生单相接地故障，验证上述算法的有效性。

(一)发生25Ω的高阻过阻尼接地故障

a.选线装置在线采集母线零序电压，当检测到高阻接地故障时，变电所终端启动，选择故障线路，并将选线结果和故障线路出口零序电流采集数据上报主站；

b.当零模电压或零模电流突变量超越预设门槛时，各馈线终端启动，将故障零序电压电流采集数据上报主站；

c.主站接收变电所终端和馈线各监测点的零序电压电流采集数据，计算故障线路各监测点处的暂态能量w_{j_T}；

d.比较各区段上、下游各监测点所测到的暂态能量的极性，选择两处监测点的暂态能量极性相反的区段3为故障区段；

(二)发生1500Ω的高阻欠阻尼接地故障

a.选线装置在线采集母线零序电压，当检测到高阻接地故障时，变电所终端启动，选择故障线路，并将选线结果和故障线路出口零序电流采集数据上报主站；

b.当零模电压或零模电流突变量超越预设门槛时，各馈线终端启动，将故障零序电压电流采集数据上报主站；

c.主站接收变电所终端和馈线各监测点的零序电压电流采集数据，计算故障线路各监测点处的暂态能量w_{j_T}；

d.比较各区段上、下游各监测点所测到的暂态能量的极性，选择两处监测点的暂态能量极性相反的区段3为故障区段；

综上，不论故障点接地电阻为多大，均可以根据线路上检测到的暂态初始能量的极性准确定位故障区段。

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.本专利提出一种利用所测的故障暂态能量(暂态电流与暂态电压所对应能量)的极性来反映其流动方向，从而进行谐振接地系统高阻接地故障定位的方法，适用于谐振接地系统的高阻接地故障。系统工作的基本流程为：

a.选线装置在线采集母线零序电压，当母线零序电压幅值U₀处于U_thl<U₀<U_thZ时(一般的U_thl＝15V，U_thZ＝90V)，则说明系统发生高阻接地故障，变电所终端启动，选择故障线路，并将选线结果和故障线路出口零序电流采集数据上报主站；

b.当零模电压或零模电流突变量超越预设门槛时，各馈线终端启动，将故障零序电压电流采集数据上报主站；

c.利用故障线路各监测点处所测到的暂态能量选择故障区段。

2.根据权利要求1所述的谐振接地系统高阻接地故障定位方法，其特征在于所述步骤c中的利用暂态能量选择故障区段，包含以下步骤：

a.主站接收变电所终端和馈线各监测点的零序电压电流采集数据，根据下述公式计算故障线路各监测点处的暂态能量w_{j_T}：

对健全线路终端数据则不予处理，式中T为故障暂态持续时间，i_{0j_T}、u_{0j_T}分别为各监测点处的零序电流i_0j及零序电压u_0j的暂态分量；

b.比较各区段上、下游各监测点所测到的暂态能量的极性，若两处监测点的暂态能量极性相同，则该区段为健全区段，若两处监测点的暂态能量极性相反，则该区段为故障区段。