CN110098600A - 一种基于线路电容转移电荷的电缆单极接地故障保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于线路电容转移电荷的电缆单极接地故障保护方法，包括以下步骤：计算区内故障时转移电荷量和区外故障时转移电荷量的大小；按照区内故障时转移电荷量与区外故障时转移电荷量之和的二分之一确定故障识别判据阈值；当线路发生单极接地故障时，相关启动判据判断可能有故障发生，启动保护；测量线路两端保护安装处的电流，计算线路两端的差动电流，而后进行积分运算得到线路转移电荷量；使用线路区内故障判据：当转移电荷量大于整定值时，判断该故障为区内故障，该段线路跳闸切除，从而清除故障；若判断故障结果为区外故障，则不进行操作，由其他线路的相关保护进行跳闸和切除。

Description

一种基于线路电容转移电荷的电缆单极接地故障保护方法

技术领域

本发明涉及一种基于线路电容转移电荷的电缆单极接地故障保护方法。

背景技术

直流配电网是以电压源型模块化多电平换流器为核心的新型配电技术，其电压等级一般为几千伏到几十千伏，多为单极对称接线形式，为保证可靠性，一般采用中性点小电流接地。当线路发生单极接地故障时，故障电流很小，故障极电压会降低到接近于零，而非故障极电压会变为额定电压的两倍左右。由于非故障极电压的抬升会使得系统中出现较大过电压，对相关线路和电气设备的安全运行造成很大威胁。因此，需要对直流配电网线路单极接地故障进行准确识别和定位，及时隔离故障线路来保障系统的安全运行。

传统的针对配电网单极接地故障的研究较少，一般采用外接信号注入的方法，需要额外增加信号会发生设备，且由于故障电流太小，对检测设备的精度要求较高；采用电流方向相关性的方法受到故障过渡电阻的影响；选取线路故障暂态特定频段的识别方法，增加了保护算法的复杂度。因此，针对直流配电网单极接地故障，研究方法可靠、判断准确的识别定位方法，具有重要的价值。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种基于线路电容转移电荷的电缆单极接地故障保护方法。针对小电流接地方式的直流配电网电缆线路单极接地故障，根据故障接地点的故障电流馈入情况，计算故障后线路故障极电容放电回路电流、非故障极电容充电回路电流和系统接地点回路电流。对线路的暂态差动电流进行积分，以计算线路电容转移电荷量，通过转移电荷量的大小区分线路区内单极接地故障和区外单极接地故障。此单极接地故障判据能够可靠识别接地故障线路，且具有很强的抗过渡电阻能力。

一种基于线路电容转移电荷的电缆单极接地故障保护方法包括以下步骤：

(1)计算区内故障时转移电荷量Q_区内和区外故障时转移电荷量Q_区外的大小：

其中，l₁、l₂、l₃分别为各段线路的长度；C_cb为单位长度的线路分布电容值；U_dc为线路极间电压值。

(2)按照区内故障时转移电荷量与区外故障时转移电荷量之和的二分之一确定故障识别判据阈值Q_set：

Q_set＝(Q_区内+Q_区外)/2

(3)当线路发生单极接地故障时，相关启动判据判断可能有故障发生，启动保护；

(4)测量线路两端保护安装处的电流i_m、i_n，计算线路两端的差动电流i_diff，而后进行积分运算得到线路转移电荷量Q_t：

(5)对计算得到的转移电荷量Q_t，使用线路区内故障判据：

Q_t≥Q_set：区内故障

当转移电荷量大于整定值时，判断该故障为区内故障，该段线路跳闸切除，从而清除故障；若判断故障结果为区外故障，则不进行操作，由其他线路的相关保护进行跳闸和切除。

本发明的特点及有益效果是：

1.该方法计算方法，理论依据充分，对故障识别定位的准确率高。

2.保护原理能够显著区分线路区内外单极接地故障，且不受故障过渡电阻的影响。

3.保护判据易于整定，且整定值的设置方法明确，避免了直流线路通常需要仿真确定整定值的难题。

附图说明：

图1是单极接地故障等效回路示意图。

图2是单极接地故障简化电路示意图。

图3是区内线路单极接地故障示意图。

图4是区外线路单极接地故障示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。

步骤A：由故障接地点的故障电流馈入情况，计算故障后线路故障极电容放电回路电流、非故障极电容充电回路电流和系统接地点回路电流，列出出各个回路电流公式，计算各个故障回路转移电荷量。

以线路发生正极接地故障为例进行计算，线路故障电流的等效回路如图1所示。流入接地故障点处的故障电流主要由3部分组成：变压器中性点接地电流、故障极对地电容的放电电流和非故障极对地电容充电电流，其放电回路分别为图中虚线①、②、③所示。i_{1_MMC1}、i_{1_MMC2}、i_{2_MMC1}、i_{2_MMC2}、i_{3_MMC1}和i_{3_MMC2}分别为回路①、回路②、回路③经换流站MMC1、换流站MMC2两侧的故障电流。C_c、L_c分别为换流器桥臂的等效电容、等效电抗；L_t为变压器电抗；C_cb-P、C_cb-N分别为正负极电缆的单位长度等效电容，R_cb、L_cb分别为正负极电缆单位长度的电阻、电感，x为三条线路的总长度，x_f-1、x_f-2分别为故障点到换流器MMC1、MMC2出口的线路长度。

分别对各个回路的故障电流进行计算：

步骤1：变压器中性点接地电流，对应回路①。正常运行时，直流侧正、负极电压对称，分别为U_dc/2和-U_dc/2。根据换流器调制原理，交流侧变压器中性点电压U_N作为系统零电位参考点保持为0。正极接地故障发生后，系统零电位参考点由变压器中性点转移至故障接地点。由于中性点接地电阻R_g远大于线路阻抗xR_cb，由串联分压可知，变压器中性点电压变为接近负极正常运行的电压即-U_dc/2。流经MMC1和MMC2两侧连接变压器中性点的稳态故障电流如下：

根据接地电阻参数计算由变压器中性点提供的稳态故障电流其值很小，可以忽略不计。对图1中可忽略MMC换流器上下桥臂中点经联接变压器中性点的高阻接地回路①，作简化处理的故障回路如图2所示。

步骤2：故障极对地电容放电电流，对应图1和图2中故障回路②：当正极接地后，其线路电压跌落，对地电容进行放电，放电电流由故障极电缆的线路电容流向故障接地点。由电容放电电流公式，电容电流i₂为：

式中，u_posi为正极的暂态电压，其在经历一定的暂态过程后会变为接近于0的稳态值。正极电缆的电容放电电流可看作正电荷从电容正极流向正极故障接地点，当正极电压达到稳定后，计算得到的转移电荷量的大小为：

符号为正，表示正电荷由线路流入故障点。

步骤3：非故障极对地电容充电电流，对应图1和图2中的故障回路③：当正极接地后，负极线路电压幅值升高，最终达到-U_dc，在电压幅值升高过程中会对其对地电容负极充电，充电电流由负极线路经MMC换流器流向线路正极故障接地点，由电容放电电流公式，电容电流i₃为：

式中，u_nega为负极暂态电压，其在经历一定的暂态过程后会变为接近于-U_dc的稳态值。负极电缆的电容充电电流可看作正电荷由线路分布电容负极流向正极故障接地点，当负极电压达到稳定后，计算得到的转移电荷量的大小为：

符号为正，表示正电荷由线路流入故障点。

考虑换流站MMC1侧和MMC2侧故障电流，发生单极接地故障后，流入故障接地点的故障电流i_f为：

i_f＝i₁+i₂+i₃

(6)

忽略故障电流中变压器中性点流入的故障电流i₁，对其他部分做积分处理可得流入接地故障点的电荷量为：

步骤B：根据在线路两端的保护设备安装处的电流测量值，计算线路的暂态差动电流，将差动电流进行积分运算，分别计算线路区内故障和区外故障时线路转移电荷量的大小。。

线路区内单极接地故障：如图3所示，线路l₂正极接地故障后故障极两侧电流i_m、i_n由线路负荷电流和回路②、回路③的线路电容充放电电流组成，即：

式中，负号表示与电流正方向相反；i_load为系统负荷电流；i_{2_l1}为l₁正极线路电容的放电电流；i_{3_MMC1}为所有负极线路电容经换流站MMC1流向故障接地点的充电电流；i_{2_l3}为l₃正极线路电容的放电电流；i_{3_MMC2}为所有负极线路电容经换流站MMC2流向故障接地点的充电电流。

对于线路l₂，计算其两端的差动电流：

i_diff＝i_m+i_n＝i_{3_MMC1}+i_{2_l1}+i_{3_MMC2}+i_{2_l3}＝i_{3_l1}+i_{3_l2}+i_{3_l3}+i_{2_l1}+i_{2_l3} (9)

式中，l_diff可视为线路l₂这一广义节点的流入电流，i_{3_l1}、i_{3_l2}、i_{3_l3}分别为线路l₁、l₂、l₃的负极线路电容的充电电流，i_{2_l1}、i_{2_l3}分别为线路l₁、l₃正极线路电容的放电电流。

将差动电流l_diff对充放电达到稳态的时间做积分运算：

式中，Δt为故障发生时刻到线路电容电流衰减到零的时间；Q_{nega_(l1+l2+l3)}为所有负极线路电容的充电电荷量；Q_{posi_(l1+l3)}为线路l₁、线路l₃正极线路电容的放电电荷量，均为正值。

线路区外单极接地故障：如图4所示，线路l₂两端保护安装处的测量电流i_m、i_n分别为：

式中，i_{2_l1}为l₁正极线路电容的放电电流；i_{2_l2}为l₂正极线路电容放电电流；i_{3_MMC1}为所有负极线路电容经换流站MMC1流向故障接地点的充电电流。

流过线路l₂差动电流：

i_diff＝i_m+i_n＝i_{2_l1}-(i_{2_l1}+i_{2_l2})＝-i_{2_l2} (12)

将差动电流l_diff作积分运算得：

计算得到电荷量Q_区外与线路电压变化及被保护线路l₂正极的分布电容相关，即：

Q_区外＝-Q_{posi_l2}＝-l₂C_cbU_dc/2 (14)

符号为负，代表电荷流出广义节点l₂。

步骤C：由线路正负极电压的变化量、线路的分布电容和线路长度等参数，根据非故障线路故障回路的电容放电电荷量对故障线路识别定位判据进行整定。当转移电荷量计算值大于整定值，判断为区内单极接地故障；当转移电荷量计算值小于整定值，判断为区外单极接地故障。

利用线路两端差动电流经积分运算求取正负极线路的转移电荷，进而进行故障识别，计算式如式(15)，由电荷量构造区内故障识别判据如式(16)所示：

Q_t≥Q_set 区内故障 (16)

式中，i_diff为l₂极线路的两端保护安装处M、N处差动电流；Q_t为差动电流积分计算值，即转移电荷量；t₀为保护启动时刻；Δt为从保护启动后的积分时间；Q_set为故障识别判据阈值，按照区内故障时转移电荷量与区外故障时转移电荷量之和的二分之一进行整定，即：

Q_set＝[Q_区内+Q_区外]/2

＝[(Q_{nega_(l1+l2+l3)}+Q_{posi_(l1+l3)})+(-Q_{posi_l2})]/2

＝[(l₁+l₂+l₃)C_cbU_dc/2+(l₁+l₃)C_cbU_dc/2-l₂C_cbU_dc/2]/2＝(l₁+l₃)C_cbU_dc/2

(17)

式中，C_cb为单位长度线路电容；U_dc/2为线路直流电压变化量。可以看出，整定值即为非故障线路的电容放电电荷量之和。

Claims (1)

1.一种基于线路电容转移电荷的电缆单极接地故障保护方法，包括如下步骤：

(1)计算区内故障时转移电荷量Q_区内和区外故障时转移电荷量Q_区外的大小：

其中，l₁、l₂、l₃分别为各段线路的长度；C_cb为单位长度的线路分布电容值；U_dc为线路极间电压值。

(2)按照区内故障时转移电荷量与区外故障时转移电荷量之和的二分之一确定故障识别判据阈值Q_set：

Q_set＝(Q_区内+Q_区外)/2

(3)当线路发生单极接地故障时，相关启动判据判断可能有故障发生，启动保护；

(4)测量线路两端保护安装处的电流i_m、i_n，计算线路两端的差动电流i_diff，而后进行积分运算得到线路转移电荷量Q_t：

(5)对计算得到的转移电荷量Q_t，使用线路区内故障判据：

Q_t≥Q_set：区内故障

当转移电荷量大于整定值时，判断该故障为区内故障，该段线路跳闸切除，从而清除故障；若判断故障结果为区外故障，则不进行操作，由其他线路的相关保护进行跳闸和切除。