CN110021918A - 一种基于零序电流比的电阻接地配电网单相短路保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于零序电流比的电阻接地配电网单相短路保护方法，包括：S101、采集配电网中性点经电阻接地的支路的电流I_g，执行步骤S102；S102、比较I_g的幅值与I_st的大小，当I_g>I_st时，执行步骤S103，否则，返回执行S101；S103、采集配电网各馈线的零序电流，计算各馈线零序电流与中性点经电阻接地的支路电流的比值，执行步骤S104；S104、将各馈线的零序电流比值与保护动作值L_set比较，当任一馈线的电流比值大于保护动作值L_set时，判断所述馈线上发生了单相短路故障，否则，返回执行S101。本发明原理简单、整定计算方便、易于实现，能够准确识别200欧以上过渡电阻的单相短路故障，不受馈线长度和数量的影响，具有较高的选择性、灵敏性和可靠性。

Description

一种基于零序电流比的电阻接地配电网单相短路保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，具体涉及一种基于零序电流比的电阻接地配电网单相短路保护方法。

背景技术

配电网是连接输电网并将电能分配给用户的重要电力网络，其安全稳定运行与供电可靠性和用户的用电体验直接相关。随着城市配电网电缆使用率的不断提高，中性点不接地或经消弧线圈接地的小电流接地方式已不能很好解决系统电容电流增大导致故障点电弧不易熄灭而引发间歇性电弧过电压的问题。中性点经小电阻接地方式具有抑制电弧重燃、限制过电压大小、易实现选择性接地保护等特点，引起了城市供电部门的关注和重视，已成为城市配电网中性点接地方式的首选。由于接地电阻的阻值一般小于20欧姆，因此中性点经小电阻接地配电网发生单相短路故障时的故障电流较大，有助于故障的有效识别和切除。但是，由于故障电流大，一旦故障无法快速、准确地识别，随之产生的安全问题变得更加严重，因此要求中性点经小电阻接地配电网中单相短路故障保护必须具有更高的灵敏度

目前，中性点经小电阻接地配电网的单相短路故障采用零序电流保护和零序功率方向保护。零序功率方向保护反映过渡电阻能力较强，但由于保护装置接线复杂、零序分量极性校验困难，且过渡电阻超过一定值时，零序电压小于最小动作电压，功率方向继电器无法动作，存在保护死区，因此在实际系统中零序功率保护一般较少应用。零序电流在实际系统中得到了广泛的应用，但是零序电流保护的动作值需要可靠躲过其他线路发生单相短路故障时流过本线路的最大零序电容电流，因而动作值普遍较高，保护动作的可靠性易受故障过渡电阻的影响，通常在过渡电阻大于200欧时零序电流保护即可能出现拒动，由此产生的人身安全事故时有发生。

通过保护配置和整定的改进来缓解过渡电阻的影响是目前常用的手段。部分学者针对配电网普遍采用定时限零序过电流保护且定值较高的特点，提出了一种改进的反时限零序过电流保护方法；部分学者建议增设高灵敏度零序过电流保护，电流定值按躲过不平衡电流整定，但是上述方法存在整定复杂、保护灵敏度降低的问题，并且上述方法能够反应的过渡电阻仍然较小，配电网单相短路故障仍然无法准确识别。

大量科研人员致力于研究新的保护原理来解决配电网单相短路故障的识别临问题。部分学者在传统零序电流保护的基础上引入零序电压作为制动量，通过母线处零序电压幅值大小产生相应的零序电流保护定值，但该方法的保护灵敏度会随过渡电阻的增大而有所降低。部分学者通过故障馈线零序有功功率较大且零序有功和无功比值大于一固定值的特点，提出了相应的单相短路故障保护原理。部分学者以区内接地故障过渡电阻的有功功率为保护判据，提出了相应的保护方法，但是该方法仅适用于双端网络。部分学者根据正常馈线复功率相角和幅值接近于0，而故障馈线复功率相角接近于π且幅值较大的特点辨识单相短路故障。但是，上述方法的整定大多比较复杂，保护的可靠性难以保证，特别是上述方法依赖于零序电压或母线电压，而中压配电网馈线通常未安装电压互感器，因此尚无法在电力系统中得到应用。

针对配电网馈线零序电压无法获取的难题，部分研究人员提出利用馈线零序电流的群体比较来识别高过渡电阻情况下的配电网单相短路故障，但是识别判据均为“零序电流幅值大于其他出线零序电流10倍以上”。实际上，配电网故障与非故障馈线零序电流相对大小关系与小电阻阻值以及馈线对地电容参数紧密相关，因而上述方法的适用性有限。

综上所述，现有的零序电流保护和零序功率方向保护在配电网单相短路故障识别中均存在缺陷，而已有研究所提出的配电网单相短路故障保护方法存在着灵敏度和适应性的问题，目前中性点经小电阻接地配电网在较高过渡电阻的单相短路故障保护方面存在着较大的技术局限性，单相短路故障无法有效地识别和切除，已成为电力系统的重要安全隐患。

因此，如何准确识别200欧以上过渡电阻的单相短路故障中发生故障的馈线，成为了本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

因此，本发明需要解决的问题是如何准确识别200欧以上过渡电阻的单相短路故障中发生故障的馈线。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于零序电流比的电阻接地配电网单相短路保护方法，包括如下步骤：

S101、采集配电网中性点经电阻接地的支路的电流I_g，执行步骤S102；

S102、比较I_g的幅值与I_st的大小，I_st为保护启动门槛值，当I_g>I_st时，执行步骤S103，否则，返回执行S101；

S103、采集配电网各馈线的零序电流，计算各馈线零序电流与中性点经电阻接地的支路电流的比值，执行步骤S104；

S104、将各馈线的零序电流比值与保护动作值L_set比较，当任一馈线的电流比值大于保护动作值L_set时，判断所述馈线上发生了单相短路故障，否则，返回执行S101。

优选地，步骤S103中，设第i条馈线零序电流与中性点经电阻接地的支路电流的比值为L_i，则：

其中，为第i条馈线的零序电流。

优选地，还包括如下步骤：

按照躲过最大电容电流所在馈线的零序电流比值进行保护动作值L_set的整定。

优选地，按照如下公式确定保护动作值L_set：

L_set＝k_relL_c,max

其中，k_rel为可靠系数；L_c,max为最大电容电流所在馈线的零序电流比值：

其中，R_g为中性点接地电阻的阻值，U_n为配电网的额定相电压，I_ci,max为最大的馈线电容电流。

优选地，还包括如下步骤：

按照躲过未故障时三相不平衡电流在配电网中性点经小电阻接地的支路上产生的最大电流I_gn,max进行保护启动门槛值I_st的整定。

优选地，按照如下公式确定保护启动门槛值I_st：

I_st＝k_unbI_gn,max

其中，k_unb为可靠系数。

综上所述，本发明公开了一种基于零序电流比的电阻接地配电网单相短路保护方法，包括如下步骤：S101、采集配电网中性点经电阻接地的支路的电流I_g，执行步骤S102；S102、比较I_g的幅值与I_st的大小，I_st为保护启动门槛值，当I_g>I_st时，执行步骤S103，否则，返回执行S101；S103、采集配电网各馈线的零序电流，计算各馈线零序电流与中性点经电阻接地的支路电流的比值，执行步骤S104；S104、将各馈线的零序电流比值与保护动作值L_set比较，当任一馈线的电流比值大于保护动作值L_set时，判断所述馈线上发生了单相短路故障，否则，返回执行S101。不同于现有的馈线零序电流比较方法，本发明利用不同馈线零序电流与中性点经电阻支路电流的比值的相对大小来识别故障馈线，能够准确识别200欧以上过渡电阻的单相短路故障，无需电压信息，整定简单，易于实现，具有较高的灵敏度和较好的适用性。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明公开的一种基于零序电流比的电阻接地配电网单相短路保护方法的一种具体实施方式的流程图；

图2为本发明实施例中一种中性点经小电阻接地配电网实例图。

图3为本发明公开的基于零序电流比的电阻接地配电网单相短路保护方法中进行保护的逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示及图3所示，本发明公开了一种基于零序电流比的电阻接地配电网单相短路保护方法，包括如下步骤：

S101、采集配电网中性点经电阻接地的支路的电流I_g，执行步骤S102；

S102、比较I_g的幅值与I_st的大小，I_st为保护启动门槛值，当I_g>I_st时，执行步骤S103，否则，返回执行S101；

S103、采集配电网各馈线的零序电流，计算各馈线零序电流与中性点经电阻接地的支路电流的比值，执行步骤S104；

S104、将各馈线的零序电流比值与保护动作值L_set比较，当任一馈线的电流比值大于保护动作值L_set时，判断所述馈线上发生了单相短路故障，否则，返回执行S101。

图3中，L_j为第j条馈线的零序电流比值。在本发明中，可利用电流互感器采集配电网中性点经电阻接地的支路的电流I_g，可利用零序电流互感器采集配电网各馈线的零序电流。不同于现有的馈线零序电流比较方法，本发明利用不同馈线零序电流与中性点经小电阻支路电流的比值的相对大小来识别故障馈线，能够准确识别200欧以上过渡电阻的单相短路故障，无需电压信息，整定简单，易于实现，具有较高的灵敏度和较好的适用性。

为进一步优化上述技术方案，步骤S103中，设第i条馈线零序电流与中性点经电阻接地的支路电流的比值为L_i，则：

其中，为第i条馈线的零序电流。

为进一步优化上述技术方案，还包括如下步骤：

按照躲过最大电容电流所在馈线的零序电流比值进行保护动作值L_set的整定。

为进一步优化上述技术方案，按照如下公式确定保护动作值L_set：

L_set＝k_relL_c,max

其中，k_rel为可靠系数；L_c,max为最大电容电流所在馈线的零序电流比值：

其中，R_g为中性点接地电阻的阻值，U_n为配电网的额定相电压，I_ci,max为最大的馈线电容电流。

为进一步优化上述技术方案，还包括如下步骤：

按照躲过未故障时三相不平衡电流在配电网中性点经小电阻接地的支路上产生的最大电流I_gn,max进行保护启动门槛值I_st的整定。

为进一步优化上述技术方案，按照如下公式确定保护启动门槛值I_st：

I_st＝k_unbI_gn,max

其中，k_unb为可靠系数。

综上所述，本发明公开的一种基于零序电流比的电阻接地配电网单相短路保护方法中，构建馈线零序电流与中性点经小电阻接地支路电流的比值作为保护特征量用以反映配电网单相短路故障；根据故障馈线零序电流与中性点经电阻接地的支路电流的比值大于最大电容电流所在馈线的零序电流比值来确定保护动作值；并且采用躲过正常运行时三相不平衡电流在配电网中性点经小电阻接地支路上产生的最大电流来制定保护动作条件。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、与现有技术中的零序电流保护相比，本发明采用了馈线零序电流与中性点经电阻接地支路的电流的比值作为保护特征量，能够识别的单相短路的过渡电阻更大，从而提高了配电网单相短路故障识别的灵敏度，提高电网安全性。

2、与现有技术中的零序功率方向保护相比，本发明仅利用零序电流来识别单相短路故障，无需电压信号，因此实现更为容易，适用性更好，且避免了零序功率方向保护的死区和极性校验困难的问题。

3、与现有技术中的基于馈线零序电流比较的方法相比，基于馈线零序电流比较的方法采用各馈线零序电流的差值或比值来构建保护特征量，本发明采用各馈线零序电流与中性点支路电流的比值来构建保护特征量，故障识别的灵敏度不受馈线长度和数量的影响，从而提高了保护的适用性和故障识别的可靠性。

4、本发明根据馈线最大电容电流即可确定保护的动作值，根据系统的三相不平衡电流即可确定保护启动门槛值，避免了复杂的整定计算，从而提高了保护的适用性。

5、本发明所需的电气量仅为馈线零序电流和中性点经小电阻接地支路的电流，易于在配电网中实现，从而提高了保护的适用性。

以图2中的中性点经小电阻接地配电网为例，图中有4条馈线，i＝1,2,...,4，R_g为用于中性点接地的小电阻。系统额度电压为10kV，小电阻阻值为10Ω，系统对地电容电流为110A，4条馈线长度依次为5km、12km、10km、8km。线路正序参数R₁＝0.031Ω/km、L₁＝0.096mH/km、C₁＝0.338μF/km，线路零序参数R₀＝0.234Ω/km、L₀＝0.355mH/km、C₀＝0.577μF/km。

本具体实施方式中，基于零序电流比值的小电阻接地配电网单相短路保护的保护动作值为0.7，保护启动门槛值为10A。

以图2所示系统的馈线2末端发生A相接地故障为例，过渡电阻分别为0Ω、100Ω、300Ω、500Ω时，馈线1至馈线4的零序电流分别为14.1A、513.4A、28.3A、22.2A，中性点支路的电流为509.8A，则馈线1至馈线4零序电流与中性点支路电流的比值分别为0.027、1.007、0.056、0.044。此时，中性点经小电阻接地支路的电流大于保护启动门槛值10A，保护启动；馈线2零序电流比值明显大于其他非故障馈线，超过保护动作值0.7，保护动作于断路器切除馈线2。4种过渡电阻情况下，本发明均可正确识别馈线2的单相短路故障。

以图2所示系统的母线上发生A相接地故障为例，过渡电阻为0Ω、100Ω、300Ω、500Ω时，馈线1至馈线4的零序电流分别为15.9A、37.7A、31.5A、25.1A，中性点支路的电流为578.1A，则馈线1至馈线4的零序电流与中性点支路电流的比值分别为0.028、0.065、0.054、0.043。此时，中性点经小电阻接地支路的电流大于保护启动门槛值10A，保护启动；但是各馈线零序电流与中性点支路电流的比值均明显小于零序电流保护动作值0.7，保护均不动作。4种过渡电阻情况下，本发明的保护均不会出现误动作，具有良好的选择性。

本发明利用馈线零序电流与中性点经小电阻接地支路电流的比值形成零序电流比值，根据故障馈线零序电流与中性点经小电阻接地支路电流的比值大于最大电容电流所在馈线零序电流与中性点经小电阻接地支路电流的比值来确定保护动作值；采用躲过正常运行时三相不平衡电流在配电网中性点经小电阻接地支路上产生的最大电流来制定保护启动门槛值。当中性点经小电阻接地支路的电流大于保护启动门槛值时启动保护，比较各馈线零序电流比值与保护动作值的关系，当某一馈线的零序电流的零序电流比值大于保护动作值时，即可判断该馈线发生单相短路故障。本发明仅需馈线零序电流和中性点支路电流，能够准确识别较大过渡电阻的配电网单相短路故障，不受馈线长度和数量的影响，整定计算简单，易于实现，具有较高的选择性、灵敏性和可靠性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于零序电流比的电阻接地配电网单相短路保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101、采集配电网中性点经电阻接地的支路的电流I_g，执行步骤S102；

S102、比较I_g的幅值与I_st的大小，I_st为保护启动门槛值，当I_g>I_st时，执行步骤S103，否则，返回执行S101；

S103、采集配电网各馈线的零序电流，计算各馈线零序电流与中性点经电阻接地的支路电流的比值，执行步骤S104；

S104、将各馈线的零序电流比值与保护动作值L_set比较，当任一馈线的电流比值大于保护动作值L_set时，判断所述馈线上发生了单相短路故障，否则，返回执行S101。

2.如权利要求1所述的基于零序电流比的电阻接地配电网单相短路保护方法，其特征在于，步骤S103中，设第i条馈线零序电流与中性点经电阻接地的支路电流的比值为L_i，则：

其中，为第i条馈线的零序电流。

3.如权利要求1所述的基于零序电流比的电阻接地配电网单相短路保护方法，其特征在于，还包括如下步骤：

按照躲过最大电容电流所在馈线的零序电流比值进行保护动作值L_set的整定。

4.如权利要求3所述的基于零序电流比的电阻接地配电网单相短路保护方法，其特征在于，按照如下公式确定保护动作值L_set：

L_set＝k_relL_c,max

其中，k_rel为可靠系数；L_c,max为最大电容电流所在馈线的零序电流比值：

其中，R_g为中性点接地电阻的阻值，U_n为配电网的额定相电压，I_ci,max为最大的馈线电容电流。

5.如权利要求1所述的基于零序电流比的电阻接地配电网单相短路保护方法，其特征在于，还包括如下步骤：

按照躲过未故障时三相不平衡电流在配电网中性点经电阻接地的支路上产生的最大电流I_gn,max进行保护启动门槛值I_st的整定。

6.如权利要求5所述的基于零序电流比的电阻接地配电网单相短路保护方法，其特征在于，按照如下公式确定保护启动门槛值I_st：

I_st＝k_unbI_gn,max

其中，k_unb为可靠系数。