CN110208655A - 一种消弧线圈接地方式下的配电网单相接地故障模型分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消弧线圈接地方式下的配电网单相接地故障模型分析方法，步骤包括：获取配电网电路数据，判断故障情况，若故障接地电阻小于第一设定值时为可忽略消弧线圈电感参数的情况，若故障接地电阻小于设定值大于第二设定值时为可忽略线路电感参数的情况，若故障接地电阻在第一设定值与第二设定值之间时为消弧线圈及线路电感均不忽略的情况；根据上述不同情况选择对应的计算模型，求解电流表达式。

Description

一种消弧线圈接地方式下的配电网单相接地故障模型分析 方法

技术领域

本发明涉及电力故障检测技术领域，具体涉及一种消弧线圈接地方式下的配电网单相接地故障模型分析方法。

背景技术

我国配电网大多采用中性点不接地或经消弧线圈接地(即小电流接地)的运行方式。在这种系统发生单相接地故障时，由于故障点的电流幅值很小，故障检测十分困难，及时和准确地识别故障线路对配电系统的安全稳定运行有重要意义。

目前国内针对消弧线圈接地方式下的配电网单相接地故障模型并没有准确的理论分析，均是分别讨论了故障接地电阻为金属性以及高阻状态下忽略相应较小的线路参数得到的结论。目前还未存在针对消弧线圈接地方式下的单相接地故障模型的精确分析。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种消弧线圈接地方式下的配电网单相接地故障模型分析方法，实现针对小电流接地系统的单相接地故障模型进行理论和仿真的精细分析。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种消弧线圈接地方式下的配电网单相接地故障模型分析方法，步骤包括：

获取并记录配电网电路数据，数据内容包括：变电站主变或发电机的等效零序电感L_e，线路对地零序电容C₀,线路零序电感L₀，各段线路长度l，中性点消弧线圈补偿度或等效电感值L_C；获取故障信息，判断故障情况，若故障接地电阻小于第一设定值时为可忽略消弧线圈电感参数的情况，若故障接地电阻小于设定值大于第二设定值时为可忽略线路电感参数的情况，若故障接地电阻在第一设定值与第二设定值之间时为消弧线圈及线路电感均不忽略的情况；根据上述不同情况选择对应的计算模型，求解电流表达式。

优选地，上述忽略消弧线圈电感参数的情况下：

在故障接地电阻较小时，零模电容充电速度比较快，电容电流的自由振荡频率较高，在计算暂态过程中的零模电流i_f时，可以忽略消弧线圈电感的影响。假设故障发生在电压出现峰值时，令u_f(t)＝U_mcos(ωt)，得到流过接地点的暂态零序电流为：

式中：δ＝R_f/2L_Ⅰ为自由分量的衰减系数；为回路的共振角频率；

上述忽略线路电感参数的情况下：

在故障接地电阻较大时，可以忽略线路串联电感的影响，由于零模电容充电速度较慢，暂态过程持续时间较长，对经消弧线圈接地的配电网系统来说，需要考虑消弧线圈电感的影响。

可以根据非线性电路的基本理论列出求解零序电流的微分方程：

根据(2)式的特征根，可以得出流经接地点的零序电流的角频率为：

接地点故障电流的衰减系数为：

上述消弧线圈及线路电感均不忽略的情况：

R_f为接地电阻，L_C为消弧线圈等值电感，L_Ⅰ和C_Ⅰ分别为正常线路等值电感和电容，图5中忽略了变压器的电感，将变压器电容等值到C_Ⅰ中，u_f为接地点零序电压。i_Ⅰ为正常线路上的电流之和在图3中的参考方向与系统示意图的参考方向相同，i_f为故障线路上的电流在图2中的参考方向与系统中规定的参考方向是相反的，i_C为消弧线圈上流过的电流。

根据基尔霍夫定律和欧姆定律，可以列得下列方程：

经过拉普拉斯变换求解得到电流i_Ⅰ、i_f的象函数分别为：

设u_f(t)＝U_msin(ωt)，ω为基频的角频率，则利用拉普拉斯逆变换，得到

其中：

#1是由C_Ⅰ、L_Ⅰ、L_C、R_f、ω五个量经过加减乘法以及乘方组合而成的表达式，当它们的值为确定值时，#1的值就是常数；

而i_f为：

其中：

#6是由C_Ⅰ、L_Ⅰ、L_C、R_f、ω五个量经过加减乘法以及乘方组合而成的表达式，当它们的值为确定值时，#6的值就是常数；

故障线路和非故障线路的电流值都含有基频分量，且最终的电流值都与方程的根有关，若根均为实数，则存在直流分量，若根存在复数情况，则会含有高频分量，而根据方程的参数可知，方程的根是与线路的相关参数有关联的。而一元三次方程的根的求解，可以由盛金公式(一元三次方程的新求根公式与新判别法[J].海南师范学院学报:自然科学版,1989(2)91-98)给出。

通过上述公式可知，中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障其暂态特征与故障初相角、接地点过渡电阻、线路参数以及消弧线圈容量有关。

在不同故障接地电阻下，线路的零序等效模型所给出的故障线路电流与正常线路电流特征与仿真结果一致，因此在不同过渡电阻下，应该选择与之特性匹配的零序等效模型进行暂态电流的分析，否则会在一定程度上影响选线方法的准确性。本分析方法总结了在不同接地电阻情况下的分析线路暂态零序电流的特征的等效模型，在故障发生时根据接地电阻的不同可以选择不同的等效模型，进而提高线路故障时的选线精度。

附图说明

图1为本发明提供的分析方法流程图；

图2为本发明提供的中性点经消弧线圈接地系统示意图；

图3为本发明提供金属性接地时零序等效电路图；

图4为本发明提供高阻接地时零序等效电路图；

图5为本发明提供保留消弧线圈及线路电感零序等效电路图。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示一种消弧线圈接地方式下的配电网单相接地故障模型分析方法，步骤包括：获取配电网电路数据，数据内容包括：变电站主变或发电机的等效零序电感L_e，线路对地零序电容C₀,线路零序电感L₀，各段线路长度l，中性点消弧线圈补偿度或等效电感值L_C；

获取故障信息，如图2所示，图中L为消弧线圈等效电感，G和C_g为变压器及发电机的等效三相电感和电容，C₁、C₂、C₃分别为线路1、2、3的等效电容，所示在线路3的A相发生单相接地故障；判断故障情况，若故障接地电阻小于10Ω时为可忽略消弧线圈电感参数的情况，若故障接地电阻小于设定值大于2000Ω时为可忽略线路电感参数的情况，若故障接地电阻在第一设定值与第二设定值之间时为消弧线圈及线路电感均不忽略的情况；根据上述不同情况选择对应的计算模型，求解电流表达式。

如图3所示，忽略消弧线圈电感参数的情况下：

在故障接地电阻较小时，零模电容充电速度比较快，电容电流的自由振荡频率较高，在计算暂态过程中的零模电流i_f时，可以忽略消弧线圈电感的影响。假设故障发生在电压出现峰值时，令u_f(t)＝U_mcos(ωt)，得到流过接地点的暂态零序电流为：

式中：δ＝R_f/2L_Ⅰ为自由分量的衰减系数；为回路的共振角频率；

如图4所示，忽略线路电感参数的情况下：

在故障接地电阻较大时，可以忽略线路串联电感的影响，由于零模电容充电速度较慢，暂态过程持续时间较长，对经消弧线圈接地的配电网系统来说，需要考虑消弧线圈电感的影响。

可以根据非线性电路的基本理论列出求解零序电流的微分方程：

根据(2)式的特征根，可以得出流经接地点的零序电流的角频率为：

接地点故障电流的衰减系数为：

如图5所示，消弧线圈及线路电感均不忽略的情况：

R_f为接地电阻，L_C为消弧线圈等值电感，L_Ⅰ和C_Ⅰ分别为正常线路等值电感和电容，图5中忽略了变压器的电感，将变压器电容等值到C_Ⅰ中，u_f为接地点零序电压。i_Ⅰ为正常线路上的电流之和在图3中的参考方向与系统示意图的参考方向相同，i_f为故障线路上的电流在图2中的参考方向与系统中规定的参考方向是相反的，i_C为消弧线圈上流过的电流。

根据基尔霍夫定律和欧姆定律，可以列得下列方程：

经过拉普拉斯变换求解得到电流i_Ⅰ、i_f的象函数分别为：

设u_f(t)＝U_msin(ωt)，ω为基频的角频率，则利用拉普拉斯逆变换，得到

其中：

#1是由C_Ⅰ、L_Ⅰ、L_C、R_f、ω五个量经过加减乘法以及乘方组合而成的表达式，当它们的值为确定值时，#1的值就是常数；

而i_f为：

其中：

#6是由C_Ⅰ、L_Ⅰ、L_C、R_f、ω五个量经过加减乘法以及乘方组合而成的表达式，当它们的值为确定值时，#6的值就是常数；

故障线路和非故障线路的电流值都含有基频分量，且最终的电流值都与方程的根有关，若根均为实数，则存在直流分量，若根存在复数情况，则会含有高频分量，而根据方程的参数可知，方程的根是与线路的相关参数有关联的。而一元三次方程的根的求解，可以由盛金公式(一元三次方程的新求根公式与新判别法[J].海南师范学院学报:自然科学版,1989(2)91-98)给出。

通过上述公式可知，中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障其暂态特征与故障初相角、接地点过渡电阻、线路参数以及消弧线圈容量有关。

经消弧线圈接地方式下的配电网发生单相接地故障时，无论过渡电阻如何变化，故障线路和正常线路的电流方向是相反的。影响中性点经消弧线圈接地的配电网单相接地故障特征的因素有接地类型，线路类型，故障位置，过渡电阻等。同等长度下电缆的故障特征更加明显；从仿真情况看来，故障位置影响相对较弱；过渡电阻越大，故障特征越不明显，进而使故障识别和故障选线的难度增加。

故障接地电阻达到数百欧姆及以上时，暂态零序电流中的自由分量出现振荡衰减现象。极端情况下，自由分量衰减时间常数达数十毫秒，振荡周期接近工频值。

在不同故障接地电阻下，线路的零序等效模型所给出的故障线路电流与正常线路电流特征与仿真结果一致，因此在不同过渡电阻下，应该选择与之特性匹配的零序等效模型进行暂态电流的分析，否则会在一定程度上影响选线方法的准确性。本分析方法总结了在不同接地电阻情况下的分析线路暂态零序电流的特征的等效模型，在故障发生时根据接地电阻的不同可以选择不同的等效模型，进而提高线路故障时的选线精度。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种消弧线圈接地方式下的配电网单相接地故障模型分析方法，步骤包括：

获取并记录配电网电路数据，数据内容包括：变电站主变或发电机的等效零序电感L_e，线路对地零序电容C₀,线路零序电感L₀，各段线路长度l，中性点消弧线圈补偿度或等效电感值L_C；

获取故障信息，判断故障情况，若故障接地电阻小于第一设定值时为可忽略消弧线圈电感参数的情况，若故障接地电阻小于设定值大于第二设定值时为可忽略线路电感参数的情况，若故障接地电阻在第一设定值与第二设定值之间时为消弧线圈及线路电感均不忽略的情况；

根据上述不同故障情况选择对应的计算模型，求解电流表达式。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，忽略消弧线圈电感参数的情况下的电流表达式为：

式中：δ＝R_f/2L_Ⅰ为自由分量的衰减系数；为回路的共振角频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，忽略线路电感参数的情况下的电流表达式为：

根据(2)式的特征根，可以得出流经接地点的零序电流的角频率为：

接地点故障电流的衰减系数为：

4.根据权利要求1所述的方法，其中，消弧线圈及线路电感均不忽略的情况下的电流表达式为：

根据基尔霍夫定律和欧姆定律，可以列得下列方程：

经过拉普拉斯变换求解得到电流i_Ⅰ、i_f的象函数分别为：

设u_f(t)＝U_msin(ωt)，ω为基频的角频率，则利用拉普拉斯逆变换，得到

其中：

#1是由C_Ⅰ、L_Ⅰ、L_C、R_f、ω五个量经过加减乘法以及乘方组合而成的表达式，当它们的值为确定值时，#1的值就是常数；

而i_f为：

其中：#6是由C_Ⅰ、L_Ⅰ、L_C、R_f、ω五个量经过加减乘法以及乘方组合而成的表达式，当它们的值为确定值时，#6的值就是常数；

5.根据权利要求4所述的方法，其中，故障线路和非故障线路的电流值都含有基频分量，且最终的电流值都与方程的根有关，若根均为实数，则存在直流分量，若根存在复数情况，则会含有高频分量，而根据方程的参数可知，方程的根是与线路的相关参数有关联的，方程根的求解，可以由盛金公式给出。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述相关参数包括线路结构、线路长度、线路类型、线路参数，负荷特点，根据典型接线方式和接地方式进行理论分析。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，单相接地故障其暂态特征与故障初相角、接地点过渡电阻、线路参数以及消弧线圈容量有关。