CN110221178A - 小电流接地系统单相接地故障的故障线选线方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了小电流接地系统单相接地故障的故障线选线方法及装置，包括以下步骤：(a)发生单相接地故障后，若母线零序电压幅值超过正序电压幅值的15％，则进行故障选相；(b)故障选相：若母线三相电压中电压最低相的电压低于额定电压的85％，则将该电压最低相判断为故障相；(c)计算故障后故障相各回馈线的电容电流；(d)比较故障相各回馈线故障前后的电容电流变化量，确定其中故障前后电容电流变化量最大的回馈线为故障线路。本发明用以解决现有技术中针对小电流接地系统的单相接地故障选线方法可靠性不足的问题，实现利用各回馈线故障相电容电流变化量来对故障线进行选线的目的。

Description

小电流接地系统单相接地故障的故障线选线方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体涉及小电流接地系统单相接地故障的故障线选线方法及装置。

背景技术

根据故障分类统计结果，配电网中的单相短路故障约占总故障数量的80％。由于大地与系统中性点之间的电气联系较弱，故短路电流很小。因此对配电网供电可靠性造成的危害，可通过采用适当的接地方式实现。目前6～10kV的配电网系统多采用中性点不接地方式，当系统中发生单相金属性短路故障后，短路电流很小。系统中仅存在线路对地分布电容电流通路。三相之间的线电压不变，仍可保持对称，配网中所带负荷仍可维持运行数小时。但随着配电网中馈线数量的增加，单相接地故障后的电容电流的数值将越来越大，系统长时间在此工况下运行有可能导致故障扩大，发展成为相间短路故障。因此对于小电流接地系统中单相接地故障的识别在配电网领域内具有重要意义。

目前对于小电流接地系统中单相短路故障的保护方法主要利用稳态量和暂态量。基于稳态量的保护方法主要包括：零序电流幅值法、零序电流比相法、零序电流群体比幅比相法、零序功率方向法、负序电流法和谐波法等。其中：(1)零序电流幅值法比较故障后各回馈线的零序电流幅值，幅值最大的馈线为故障线路；然而此种检测方法灵敏度低，选线结果的可靠性受系统运行方式、线路长度和过渡电阻等影响。(2)零序电流比相法比较故障后各回馈线零序电流方向，若某回馈线电流方向与其它馈线方向相反，则此馈线为故障路；然而此方法同样受过渡电阻影响，当过渡电阻阻值较大时，零序电流方向难以准确比较。(3)零序电流群体比幅比相法首先选出故障后零序电流幅值较大的三回馈线，在这三回馈线中比较零序电流方向，方向与另外两相反的为故障线路；此方法综合了零序电流比幅和零序电流比相法，选线精度有一定程度提高，但仍无法消除过渡电阻对选线可靠性的影响。(4)零序功率方向法的原理是故障馈线零序电流方向滞后于零序电压90°，而非故障馈线零序电流方向超前零序电压90°，因此零序功率小于0的馈线为故障线路；此方法在本质上仍为零序电流比幅比相法的推广，因此其可靠性仍受过渡电阻影响。(5)负序电流法的原理是故障后选择负序电流最大的馈线为故障线，但此方法的可靠性受系统对称性和负荷影响。(6)谐波法主要针对中性点经消弧线圈接地的系统。(7)基于暂态量的故障选线方法包括首半波法和小波变换法等。首半波法的前提是故障发生在相电压接近最大值的瞬间，故障线路暂态零序电流和电压在故障初始阶段极性相反而非故障线路二者极性相同的。但此极性关系成立时间极短，且受故障初相角和过渡电阻影响。小波变换法对故障后的零序暂态电流进行小波变换，通过选取合适的小波基可实现对故障馈线和非故障馈线的区分。但由于零序暂态电流受过渡电阻的影响，因此基于小波变换法的故障选线方法同样存在一定程度局限性。还有一些基于神经网络等智能算法的选线方法，但此种方法需要大量的故障后电气量进行训练，实际中难以实现。

因此，现有技术中运用于小电流接地系统的单相接地故障选线方法在性能上无法完全满足要求。

发明内容

本发明的目的在于提供小电流接地系统单相接地故障的故障线选线方法，以解决现有技术中针对小电流接地系统的单相接地故障选线方法可靠性不足的问题，实现利用各回馈线故障相电容电流变化量来对故障线进行选线的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

小电流接地系统单相接地故障的故障线选线方法，包括以下步骤：

(a)发生单相接地故障后，若母线零序电压幅值超过正序电压幅值的15％，则进行故障选相；

(b)故障选相：若母线三相电压中电压最低相的电压低于额定电压的85％，则将该电压最低相判断为故障相；

(c)计算故障后故障相各回馈线的电容电流；

(d)比较故障相各回馈线故障前后的电容电流变化量，确定其中故障前后电容电流变化量最大的回馈线为故障线路。

中性点不接地的配网系统中变压器多采用三角/星的接线方式，其中高压侧绕组为三角形接线，低压侧绕组为星型接线，发生单相接地故障后，由于小电流接地系统无法形成故障电流通路，系统可在此状态下持续运行数小时。但出于系统安全角度考虑，仍需对故障馈线进行判断并清除故障。

本发明中，步骤(a)中母线零序电压幅值超过正序电压幅值的15％，则进行故障选相，即是才启动保护流程，15％的判断比例即为启动故障判断的判据。启动故障判断后，获取母线三相电压的各电压值，取其中的最低值与额定电压的85％进行比较，若母线三相电压中的最低值小于额定电压的85％，则能够确定母线三相电压中电压最低相即为故障相。故障相确定后，再进一步确定其中具体的故障线。故障线的确定方法为：首先计算故障后故障相各回馈线的电容电流，然后比较故障相各回馈线故障前后的电容电流变化量，电容电流变化量最大的馈线即为故障线路。本发明相较于现有技术而言，通过各回馈线故障相电容电流变化量来对故障线进行选线，不受系统运行方式、线路长度和过渡电阻等的影响，特别是有较强的耐受过渡电阻能力，且过程简单高效，稳定性极好，相较于现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步。

在步骤(a)之前提前获取无故障时各回馈线的三相电容电流。无故障时的三相电容电流，也可以表述为故障前的三相电容电流，提前获取数据备用，以便在故障发生后能够及时进行电容电流变化量的比较。

无故障时各回馈线的三相电容电流的获取公式为：

其中：n为母线上所带回馈线的序号，为各回馈线的三相电流，取a、b、c三相；为各回馈线的相电流与母线电压的夹角。

步骤(c)中故障相各回馈线的电容电流I_qαnf的计算公式为：

I_cαnf＝I_αnf×sin(θ_αnf+90)，

其中：α表示故障相；I_αnf为各回馈线故障相电流，θ_αnf为非故障相的相间电压与各回馈线故障相电流之间的夹角。

步骤(d)中故障相各回馈线故障前后的电容电流变化量为故障前后电容电流变化的绝对值。

一种小电流接地系统单相接地故障的故障线选线装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法中的步骤。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明小电流接地系统单相接地故障的故障线选线方法及装置，通过各回馈线故障相电容电流变化量来对故障线进行选线，不受系统运行方式、线路长度和过渡电阻等的影响，特别是有较强的耐受过渡电阻能力，且方法简单高效，稳定性极好，相较于现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的逻辑流程图；

图2为本发明具体实施例中小电流接地系统的示意图；

图3为本发明具体实施例中小电流接地系统单相故障前电容电流示意图；

图4为本发明具体实施例中小电流接地系统单相故障后电容电流示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示的小电流接地系统单相接地故障的故障线选线方法，包括以下步骤：

(a)发生单相接地故障后，若母线零序电压幅值超过正序电压幅值的15％，则进行故障选相；

(b)故障选相：若母线三相电压中电压最低相的电压低于额定电压的85％，则将该电压最低相判断为故障相；

(c)计算故障后故障相各回馈线的电容电流；

(d)比较故障相各回馈线故障前后的电容电流变化量，确定其中故障前后电容电流变化量最大的回馈线为故障线路。

实施例2：

如图2所示的小电流接地系统，通过本发明进行单相短路故障选线，其过程为：

(1)故障前各馈线电容电流计算：

假设母线上所带馈线序号为n，各回馈线的三相电流分别为其中为a、b、c三相。

各回馈线的相电流与母线电压的夹角分别为故障前各相的电容电流可表示为：

(2)单相接地故障发生后保护启动判据：

母线正序电压和零序电压分别为U₁、U₀，当母线零序电压幅值超过正序电压幅值的15％时本保护启动，其判据可表示为：

U₀＞15％×U₁。

(3)保护启动后故障选相：

母线三相电压分别为U_a、U_b、U_c，其中电压最低相的电压低于额定电压U_N的85％时可判为故障相，其判据可表示为：

min(U_a,U_b、U_c)＜85％×U_N。

(4)故障后各回馈线故障相电容电流计算：

考虑到金属性单相接地故障后故障相电压有可能降为零，此时故障相电压与电流的夹角难以准确测量，因此单相故障后以超前非故障相线电压与故障电流夹角90°的位置作为参考电压角度。以A相单相接地故障为例，故障后各回馈线A相电容电流可表示为：

I_cαnf＝I_αnf×sin(θ_αnf+90)。

(5)计算比较故障相各回馈线故障前后的电容电流变化量：

以A相单相接地故障为例，故障相各回馈线故障前后的电容电流变化量ΔI_cαnf可表示为故障前后电容电流变化的绝对值：

ΔI_cαnf＝|I_cαnf-I_cαn|。

具体的，以母线带两回馈线的小电流接地系统为例，故障前的电容电流分布情况如图3所示，馈线1和馈线2的各相电容电流和可表示为：

其中C₁和C₂分别为馈线1和馈线2对地等效分布电容，I_ca1L和I_ca2L分别为馈线1和馈线2的A相负荷电容电流。以馈线1发生A相单相短路接地故障为例，故障后的电容电流分布情

况如图4所示，各馈线中的电容电流I_calf和I_ca2f可表示为：

I_ca1f＝I_ca1L

则，故障相各回馈线的电容电流变化量ΔI_ca1和ΔI_ca2分别为：

ΔI_ca1＝jωC₁U_a

由上式可以看出，故障馈线的故障相电容电流变化最大。

(6)比较故障相各回馈线故障前后的电容电流变化量，确定故障馈线：

根据步骤(5)中的结果，对所有馈线中故障相的电容电流变化量大小进行排序，变化最大的馈线即为故障馈线。

本实施例利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件搭建10kV配电网仿真模型，其结构示意图如图2所示。图2所示的仿真模型为一个单电源供电的10kV配电网，变压器低压侧为星型不接地连接。母线共有五根回馈线，为检验此方法在电缆线路和架空线线路中的适应性，其中馈线1～3为电缆线路，馈线4和5为架空线。仿真模型中各回馈线均使用频率特性模型。仿真验证中分别将短路点设置在馈线首端和末端，故障在仿真开始0.2s后发生，且在仿真结束前故障不消失。本实施例进行的仿真模型中各回馈线的长度和所带负荷如表1所示：

表1仿真模型中各回馈线参数

对各回馈线上的单相短路故障进行仿真研究，分别对金属性故障(即没有过渡电阻)和带100Ω过渡电阻时的选线判据可靠性进行验证，仿真结果如表2所示：

表2不同馈线发生单相短路故障后选线判据可靠性对比

由表2结果可知，金属性接地故障时，故障馈线的故障相电容电流变化量远大于非故障馈线。利用本文所提选线方方案能可靠选出故障馈线。当单相接地故障带过渡电阻时，考虑100Ω过渡电阻，由表2中所示的仿真结果可知，虽然电容电流变化量的最大值较金属性故障时有所减少，但故障馈线和非故障馈线之间仍存在明显差异，因此本方法有较强的耐受过渡电阻能力。仿真中考虑了架空线和电缆线路，由仿真结果可知本发明对于小电流接地系统中架空线和电缆线路的单相接地故障均具有极高精度的选线结果。

实施例3：

一种小电流接地系统单相接地故障的故障线选线装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.小电流接地系统单相接地故障的故障线选线方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)发生单相接地故障后，若母线零序电压幅值超过正序电压幅值的15％，则进行故障选相；

(b)故障选相：若母线三相电压中电压最低相的电压低于额定电压的85％，则将该电压最低相判断为故障相；

(c)计算故障后故障相各回馈线的电容电流；

(d)比较故障相各回馈线故障前后的电容电流变化量，确定其中故障前后电容电流变化量最大的回馈线为故障线路。

2.根据权利要求1所述的小电流接地系统单相接地故障的故障线选线方法，其特征在于，在步骤(a)之前提前获取无故障时各回馈线的三相电容电流。

3.根据权利要求2所述的小电流接地系统单相接地故障的故障线选线方法，其特征在于，无故障时各回馈线的三相电容电流的获取公式为：

其中：n为母线上所带回馈线的序号，为各回馈线的三相电流，取a、b、c三相；为各回馈线的相电流与母线电压的夹角。

4.根据权利要求1所述的小电流接地系统单相接地故障的故障线选线方法，其特征在于，步骤(c)中故障相各回馈线的电容电流I_cαnf的计算公式为：

I_cαnf＝I_αnf×sin(θ_αnf+90)，

其中：α表示故障相；I_αnf为各回馈线故障相电流，θ_αnf为非故障相的相间电压与各回馈线故障相电流之间的夹角。

5.根据权利要求1所述的小电流接地系统单相接地故障的故障线选线方法，其特征在于，步骤(d)中故障相各回馈线故障前后的电容电流变化量为故障前后电容电流变化的绝对值。

6.一种小电流接地系统单相接地故障的故障线选线装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5中任一所述方法的步骤。