CN110336251A - 一种小电阻接地系统接地故障集中式保护新方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于配电网继电保护领域。涉及一种小电阻接地系统接地故障集中式保护方法。提出一种将现有零序过电流保护与各出线及中性点零序电流相位比较相结合的接地故障集中式保护新方法。保护启动后，集中式保护装置直接控制零序电流幅值超过现有保护定值的出线断路器动作；所有出线零序电流幅值均低于现有保护整定值时，集中式保护装置比较各出线及中性点零序电流相位信息，若存在某出线零序电流相位超前中性点零序电流一定相位时，集中式保护装置控制零序电流幅值最大的出线断路器动作，若零序电流幅值最大的出线同时存在多条，则多条出线的断路器均动作，各出线相位差均在一定范围内则认定为母线接地故障。

Description

一种小电阻接地系统接地故障集中式保护新方法

技术领域

本发明属于配电网继电保护领域。涉及一种小电阻接地系统接地故障集中式保护方法，适用于应用零序过电流保护的10kV小电阻接地系统，集中式保护装置参与控制，断路器参与动作。

背景技术

小电阻接地系统发生故障时，故障特征明显，可以较为可靠的排除故障，不少大城市已经开始应用小电阻接地系统。广东惠州地区曾因系统两出线接地故障发生接地变误动事故，事故原因是发生多出线接地故障时各出线零序电流及接地点零序电流分布与单出线接地故障有明显差异，导致发生多出线接地故障时现有零序过电流保护不能准确动作易造成接地变误动或出线拒动，因此研究小电阻接地系统多出线接地故障的保护方法意义重大。

现阶段许多学者进行小电阻接地系统的相关研究并提出了多种接地故障保护方法，但对于小电阻接地系统多出线接地故障的论述较少，其中有学者论述系统两出线同相同时接地及相继接地故障时接地变零序电流幅值约为故障出线的1～1.5倍，在零序过流保护定值为40A的基础上，提高了接地变的过电流保护定值并且延长了接地变的动作时间实现保护。有学者提出了一种自适应网络化零序电流保护的方法，判断接地变零序电流是否大于修改馈线零序电流定值，再用各回线零序电流与修改后及修改前定制进行比较进行判断是否启动保护。有学者提出了一种自适应零序电流保护的方法，该方法结合馈线零序电流幅值及母线相电压来进行故障识别实现保护。上述学者研究多出线接地故障的故障特征并提出了具体的保护方法，为多出线接地故障的进一步研究奠定了基础。

随着小电阻接地方式在配电网系统中的应用以及随着小电阻接地系统的大范围研究。借助小电阻接地系统大力发展的契机，研究一种能够较为快速可靠地实现线路保护的保护方法成为一种趋势，在快速可靠的基础上使用较为经济的设备进行保护也是一种需要达到的目的。但现有小电阻接地系统的故障保护方法灵敏度较低，可靠性不足。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种小电阻接地系统接地故障集中式保护新方法，解决小电阻接地系统发生接地故障，解决现有保护在多出线接地故障以及高阻接地故障易发生拒动误动的问题，基于对传统零序过电流保护的分析，提出了一种利用现有零序过电流保护定值，结合各出线之间零序电流相位比较及各出线与中性点接地电阻之间零序电流相位比较的小电阻接地系统接地故障保护方法，集中式保护装置参与控制，断路器参与动作。

本发明的技术方案是：

一种小电阻接地系统接地故障集中式保护新方法，可以在保证金属性接地或低阻接地故障保护灵敏度的同时提高高阻接地故障的保护可靠性，且在多出线同时接地时亦有良好的可靠性。

系统工作的基本流程包括以下步骤：

a.集中式保护装置检测各出线及中性点零序电流幅值相位信息，判定是否存在出线或中性点零序电流幅值超过保护启动门槛值I_S；

b.若存在某出线或中性点零序电流幅值大于I_S，则集中式保护装置启动，否则保护不启动；

其特征在于：

c.存在出线或中性点零序电流幅值超过现有零序过电流保护定值I_set时，集中式保护装置直接控制零序电流幅值超过I_set的故障出线断路器动作，切除故障；

d.若各出线零序电流幅值均介于I_S与I_set之间且存在超前中性点零序电流相位K的出线时，认定零序电流幅值最大的一条出线或相同的几条出线为故障出线，集中式保护装置出线断路器动作，切除故障；

e.若各出线零序电流幅值均介于I_S与I_set之间且各出线零序电流相位差在H以内，判定故障为母线接地故障，集中式保护装置控制母线进线断路器动作，切除故障；

f.集中式保护装置按照上述方法继续判定，直到出线及中性点零序电流幅值均小于I_S为止。

进一步的，所述的步骤d中，K为160°～240°。所述的步骤e中，H为30°。

针对现阶段零序过电流保护整定值为40A左右的现状，在小电阻接地系统发生高阻接地故障时零序电流往往仅有几安，在仅利用现有的零序电流保护方法进行保护时系统发生高阻接地故障保护易拒动，针对此种问题提出通过利用各出线之间及出线与中性点接地电阻之间零序电流相位进行比较实现故障隔离的保护方法。具体方法为：

1.集中式保护装置查询各出线及中性点接地电阻零序电流信息。

集中式保护装置查询各出线及中性点接地电阻零序电流信息，存在出线或中性点接地电阻零序电流幅值超过保护启动门槛值I_S(根据现场情况设置为3A～5A)时，保护启动。

2.集中式保护装置收集各出线零序电流信息并与现有零序过电流保护定值I_set(国内一般取40A～60A)进行比较。

集中式保护装置对各出线及中性点接地电阻零序电流幅值进行比较，判定零序电流幅值超过I_set的出线为故障出线，集中式保护装置控制故障出线断路器动作，切除故障；

3.集中式保护装置比较各出线零序电流相位关系。

不存在零序电流幅值超过I_set的出线时，集中式保护装置比较各出线零序电流相位，若各出线零序电流相位差均在30°以内，则认定此种故障为母线接地故障，集中式保护装置控制母线进线断路器动作，切除故障；

4.集中式保护装置比较各出线零序电流相位与中性点接地电阻零序电流相位关系。

存在相位超前中性点接地电阻零序电流相位160°～240°的出线时，判定零序电流幅值最大的一条或相同的几条出线为故障出线，集中式保护装置故障出线断路器动作，切除故障，实现故障保护；

5.集中式保护装置继续比较直至保护不动作。

集中式保护装置按照上述方法继续工作，直到出线及经中性点接地电阻零序电流幅值均小于保护启动门槛为止。

与现有技术相比，有益效果是：本发明同时适用于小电阻接地系统发生高阻接地故障以及多出线同时接地故障的情况。此方法有效地解决了系统发生多出线接地故障以及高阻接地故障由于现有零序过电流保护定值过高造成保护易拒动的问题，兼顾了金属性接地或低阻接地故障时保护的灵敏性与高阻接地时保护的可靠性，减少了故障危害。

附图说明

图1为小电阻接地系统接地故障集中式保护新方法的系统流程图。

图2为小电阻接地系统单出线接地故障零序等效网络。

图3为小电阻接地系统单出线接地故障出线及中性点零序电流的相量示意图。

图4(a)为小电阻接地系统两出线接地故障零序等效网络，图4(b)、图4(c)分别为虚拟电源单独作用时的零序等效图。

图5为小电阻接地系统两出线接地故障出线及中性点零序电流的相量示意图。

图6为小电阻接地系统母线接地故障零序等效网络。

图7(a)～(c)为小电阻接地系统单出线接地故障时各出线及中性点零序电流仿真波形图。

图8(a)～(c)为小电阻接地系统两出线接地故障时各出线及中性点零序电流仿真波形图。

图9(a)～(c)为小电阻接地系统母线接地故障时各出线及中性点零序电流仿真波形图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如附图1所示为小电阻接地系统接地故障集中式保护新方法的系统流程图，其具体流程为：

系统正常工作时：

集中式保护装置一直处于查询各出线及中性点接地电阻零序电流信息的状态，直到存在出线或中性点接地电阻零序电流幅值保护启动门槛值I_S＝3A时，保护启动。

系统发生接地故障时：

保护启动后，集中式保护装置对各出线及中性点接地电阻零序电流幅值进行比较，判定零序电流幅值超过40A的出线为故障出线，集中式保护装置控制故障出线断路器动作，切除故障，实现保护；若不存在零序电流幅值超过40A的出线时，集中式保护装置比较各出线零序电流相位，若各出线零序电流相位差均在30°以内，则认定此种故障为母线接地故障，集中式保护装置控制母线进线断路器动作，切除故障，实现保护；存在相位超前中性点接地电阻零序电流相位160°～240°的出线时，判定零序电流幅值最大的一条或相同的几条出线为故障出线，集中式保护装置故障出线断路器动作，切除故障，实现故障保护；集中式保护装置按照上述方法继续工作，直到保护不动作。

如附图2所示为小电阻接地系统单出线接地故障零序等效网络。附图3为小电阻接地系统单出线接地故障出线及中性点零序电流的相量示意图。结合附图2和附图3进行分析。其中为故障点虚拟电源的电压，为故障点故障前故障相电压，R_f为故障点过渡电阻，R为中性点接地电阻，C_0m(m＝0,1,2,...,n+2)为各出线对地零序电容，为故障线路的零序电流，为中性点零序电流，(k＝1,2,....,n+1)为各健全线路的零序电流，为母线零序电压。

系统零序阻抗Z₀等于所有出线对地零序电容与中性点接地零序电阻并联阻抗：

母线处零序电压为：

健全线路零序电流为：

中性点零序电流为：

α为故障线路零序电流与中性点接地电阻零序电流反相量的夹角，其中：

为所有健全线路零序电流之和，为所有健全线路的对地零序电容之和，将C＝280×10^-9F/km代入上式可得：

α＝arctan(2.6376×10^-3L)

L为健全线路的全长，按系统电缆总长最大为100km，代入上式求得α的取值约为0<α<14.78°(L为100km时)，由此可知故障线路零序电流相位超前中性点接地电阻零序电流相位180°～194.78°，同时也可知保护启动若各出线相位差距在20°以内可认定为母线接地故障。

如附图4(a)所示为小电阻接地系统两出线接地故障零序等效网络。附图5为小电阻接地系统两出线接地故障出线及中性点零序电流的相量示意图。结合附图4(b)、和附图4(c)附图5进行分析。C_0i(i＝n+1)、C_0j(j＝n+2)为故障出线对地零序电容，为故障线路1零序电流，为故障线路2零序电流，(k＝1,2,....,n)为各健全线路的零序电流。

虚拟电源U_f1单独作用中性点接地电阻，故障线路2过渡电阻，故障线路对地零序电容C_0j与各健全出线的对地零序电容C_i并联所得零序阻抗Z₀₁为：

其中为所有健全线路对地零序电容，为所有故障线路对地零序电容，由此可得线路零序电压为：

由此可得出虚拟电源U_f1单独作用时两条故障线路的零序电流为：

在虚拟电源U_f2单独作用时零序阻抗Z₀₂为：

此时线路零序电压为：

由此可得出虚拟电源U_f2单独作用时两条故障线路的零序电流为：

故障线路1及故障线路2的零序电流分别为：

故障线路1与一条健全线路零序电流之比为：

故障线路2与一条健全线路零序电流之比为：

以方向为参考方向，发生小电阻接地系统两出线接地故障时，两故障线路的合成矢量在第三象限，至少存在一条故障出线超前中性点接地电阻零序电流180°～270°，同时也可知保护启动若各出线相位差距在20°以内可认定为母线接地故障。

如附图6所示为小电阻接地系统母线接地故障零序等效网络。故障点处零序电流为：

中性点接地电阻处零序电流为：

R'_f为母线接地故障过渡电阻，(j＝0,1,2,....,n)为健全线路零序电流，

健全线路零序电流表达式为：

系统发生母线接地故障时，零序电流主要集中在母线接地故障点处，各出线均为健全线路。

结合附图2～6进行分析，通过相应推理仿真可知，在系统发生单出线金属性接地故障时，故障线路零序电流远远超过40A的零序过电流保护定值，而在故障线路过渡电阻达到150Ω以上时，故障线路零序电流幅值小于40A，在系统发生两出线同时接地故障时，高阻接地故障情况下过渡电阻较小的故障线路零序电流幅值同单出线高阻接地故障时故障线路零序电流幅值情况相似，故障线路零序电流幅值只有十几安培甚至仅有几安培此时利用现有保护零序过电流保护定值已无法进行可靠保护。利用各出线之间零序电流相位比较以及出线与中性点接地电阻之间零序电流相位比较的方法可以有效地识别出是母线接地故障或者出线接地故障，并且系统故障为出线接地故障时，故障线路零序电流幅值低于40A的情况下不需考虑幅值大小关系可以直接动作。由此可知此种保护方法可以在保证金属性或低阻接地故障时保护灵敏度的同时，兼顾了高阻接地保护的可靠性。

如附图7(a)～(c)所示为小电阻接地系统单出线接地故障时各出线及中性点零序电流仿真波形图。设立配电系统电压等级为10kV，设置存在两条健全线路，设置健全电缆线路模型长度为5km、10km设置一条长为10km，故障线路过渡电阻分别为5Ω、2000Ω、1000Ω的故障线路，设置中性点接地电阻为10Ω，取对地电容参数为280×10^-9F/km的仿真模型进行仿真验证。

如附图8(a)～(c)所示为小电阻接地系统两出线接地故障时各出线及中性点零序电流仿真波形图。设置与单出线接地故障出线参数相同，两条健全电缆线路模型长度为5km、10km，两条长为10km的故障线路设置两故障出线过渡电阻分别为5Ω、1000Ω，150Ω、1000Ω，500Ω、1000Ω的仿真模型进行仿真验证。

如附图9(a)～(c)所示为小电阻接地系统母线接地故障时各出线及中性点零序电流仿真波形图。设置三条健全电缆线路模型长度为5km、7.5km、10km，母线故障过渡电阻分别为5Ω，200Ω，1000Ω其他条件与附图7相同的仿真模型进行仿真验证。结合附图6～8进行分析可知在单出线接地故障过渡电阻150Ω左右时，故障线路零序电流为40A，并且从仿真图中可以看出在系统发生单出线接地故障，两出线接地故障时至少存在一条故障线路零序电流相位超前中性点接地电阻180°～270°且在单出线接地故障，两出线接地故障以及母线接地故障时健全出线相位差均不足20°。

由上述分析可验证本发明的准确性，可以通过比较各出线之间零序电流相位信息及各出线与中性点接地点之间相位信息识别故障线路，实现对小电阻接地系统的保护。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种小电阻接地系统接地故障集中式保护新方法，包括以下步骤：

a.集中式保护装置检测各出线及中性点零序电流幅值相位信息，判定是否存在出线或中性点零序电流幅值超过保护启动门槛值I_S；

b.若存在某出线或中性点零序电流幅值大于I_S，则集中式保护装置启动，否则保护不启动；

其特征在于：

c.存在出线或中性点零序电流幅值超过现有零序过电流保护定值I_set时，集中式保护装置直接控制零序电流幅值超过I_set的故障出线断路器动作，切除故障；

d.若各出线零序电流幅值均介于I_S与I_set之间且存在超前中性点零序电流相位K的出线时，认定零序电流幅值最大的一条出线或相同的几条出线为故障出线，集中式保护装置出线断路器动作，切除故障；

e.若各出线零序电流幅值均介于I_S与I_set之间且各出线零序电流相位差在H以内，判定故障为母线接地故障，集中式保护装置控制母线进线断路器动作，切除故障；

f.集中式保护装置按照上述方法继续判定，直到出线及中性点零序电流幅值均小于I_S为止。

2.根据权利要求1所述的一种小电阻接地系统接地故障集中式保护新方法，其特征在于：所述的步骤d中，K为160°～240°。

3.根据权利要求1所述的一种小电阻接地系统接地故障集中式保护新方法，其特征在于：所述的步骤e中，H为30°。