CN110927516B - 基于接地变压器分接抽头接地的配电网单相接地故障辨识方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于接地变压器分接抽头接地的配电网单相接地故障辨识方法及系统，该方法在接地变压器绕组抽头处设置接地支路开关，通过连续测量接地变压器中性点电压及中性点电压变化量，当中性点电压及中性点电压变化量超过设定值时，使线路首端的接地变压器抽头接地，并逐级调节抽头档位，最后通过线路零序电流是否为线性变化判断接地故障是否存在。与传统的测量中性点电压偏移大小及中性点电压变化量的方法相比，本发明可对配电网故障特征量进行主动调节，故障辨识准确率更高，不会受三相对地参数不对称、三相负荷不平衡及负荷波动的影响。

Description

基于接地变压器分接抽头接地的配电网单相接地故障辨识方 法及系统

技术领域

本发明属于配电网故障识别领域，特别涉及一种基于接地变压器分接抽头接地的配电网单相接地故障辨识方法及系统。

背景技术

配电网深入用户终端，极易发生故障，故障类型中单相接地故障发生概率最大，如不及时发现并清除故障，则可能破坏线路绝缘介质，使单相接地故障发展为相间短路故障，导致损坏电力设备及降低供电可靠性。快速发现接地故障，对配电网安全可靠运行具有重要意义。

现有技术中配电网单相接地故障的识别方法主要为以下两种：

1.测量中性点电压及中性点电压变化量，传统方法通过实时监测中性点电压判断单相接地故障是否发生，若中性点电压大于15％额定相电压或中性点电压变化量大于3％额定相电压，则判断单相接地故障发生。但是当三相线路对地参数不相等、三相负荷不平衡或负荷波动等正常运行状态时，中性点电压或电压变化量也可能超过设定值，从而容易导致故障误判。

2.测量阻尼率，对于低阻接地故障，故障电流较大，故障前后阻尼率变化较大，此时通过测量阻尼率的方法容易判断故障，但是对于高阻接地故障，故障电流很小，线路对地有功电流变化也很小，阻尼率基本没有变化，很难辨别是否发生故障，保护灵敏度低。

基于上述现有技术中存在的问题，急需寻找一种更为准确的配电网单相接地故障识别方法。

发明内容

本发明提供了一种基于接地变压器分接抽头接地的配电网单相接地故障辨识方法及系统，其目的在于，通过在接地变压器绕组接头处设置接地支路开关，调节绕组档位接入量，观察零序电流随绕组档位接入量的变化情况，进行配电网单相接地故障识别。

一种基于接地变压器分接抽头接地的配电网单相接地故障辨识方法，首先，通过连续测量接地变压器中性点电压及中性点电压变化量，若中性点电压超过第一额定相电压阈值，或中性点电压变化量超过第二额定相电压阈值，则闭合设置在变压器绕组抽头处均匀调节绕组接入量的接地支路，即闭合电压最低相的接地支路的开关，否则，判定当前不存在接地故障；其次，逐渐升高接地变压器中电压最低相绕组分接抽头的接入档位，并测量系统三相线路零序电流，若零序电流随着接入档位的升高呈线性增加，则无故障发生，若呈非线性变化则判定故障发生，并进行消弧或故障处理；最后，经过故障处理后逐渐降低接地变压器绕组分接抽头的接入档位，并测量系统三相线路零序电流，若零序电流随着接入档位的降低呈线性减小则故障已清除，若呈非线性变化则判定故障未清除，则需进一步的人工故障处理，完成故障识别。

通过闭合设置在变压器绕组抽头处均匀调节绕组接入量的接地支路，实现线路首端的接地变压器绕组抽头接地，接地变压器中电压最低相绕组分接抽头的初始接入档位为最低档位；该方法直接对电压最低相进行操作，观察零序电流随绕组档位接入量的变化是否呈线性变化，来实现故障识别，本方法无需特意进行故障选相；

进一步地，所述与均匀调节绕组接入量的接地支路相连的变压器绕组抽头设有n个接入档位，n取值为大于或等于3的整数。

进一步地，所述零序电流随着接入档位的变化呈线性增加或减小是指接地变压器绕组分接抽头的接入档位大小与零序电流大小的相关系数r大于或等于0.98时，零序电流随接入档位增加呈线性增加，零序电流随接入档位减小呈线性减小。

进一步地，所述档位大小与零序电流大小的相关系数r采用以下公式计算获得：

式中：i为接地变压器绕组分接抽头所处的接入档位大小，I_0i为第i档时线路的零序电流大小，n表示接地变压器绕组的档位总量。

一种基于接地变压器分接抽头接地的配电网单相接地故障辨识系统，包括：

电压测量单元，用于连续测量接地变压器中性点电压及中性点电压变化量；

电压变化判断单元，用于对电压测量单元测量的接地变压器中性点电压及中性点电压变化量，判断中性点电压是否超过第一额定相电压阈值，或判断中性点电压变化量是否超过第二额定相电压阈值；

变压器绕组接入档位调节单元，依据电压变化判断单元的判断结果，改变接地变压器中电压最低相绕组分接抽头的接入档位：

逐渐升高接地变压器中电压最低相绕组分接抽头的接入档位或者逐渐降低接地变压器绕组分接抽头的接入档位；

零序电流测量单元，用于测量零序电流大小以及变化量；

零序电流线性变化判断单元，用于依据变压器绕组接入档位调节单元的调节操作，判断零序电流随着接入档位的变化是否呈线性变化；

故障识别单元，用于依据零序电流线性变化判断单元的判断结果，获得故障识别结果：

若零序电流随着接入档位的升高呈线性增加，则无故障发生，若呈非线性变化则判定故障发生；

若零序电流随着接入档位的降低呈线性减小则故障已清除，若呈非线性变化则判定故障未清除。

有益效果

本发明提供了一种基于接地变压器分接抽头接地的配电网单相接地故障辨识方法及系统，该方法在接地变压器绕组抽头处设置接地支路开关，通过连续测量接地变压器中性点电压及中性点电压变化量，测量接地变压器中性点电压及中性点电压变化量，当中性点电压及中性点电压变化量超过设定值时，使线路首端的接地变压器抽头接地，通过控制接地支路开关逐级调节抽头档位，最后通过线路零序电流是否为线性变化判断接地故障是否存在。与传统的测量中性点电压偏移大小及中性点电压变化量的方法相比，本发明可对配电网故障特征量进行主动调节，故障辨识准确率更高，不会受三相对地参数不对称、三相负荷不平衡及负荷波动的影响。

本发明通过测量线路零序电流是否线性变化来判断故障是否发生，只要未发生接地故障，零序电流的线性关系就不会发生改变，则上述因素不会干扰最终的结果。并且直接通过零序电流的线性变化关系判别故障，即使很小的故障电流也会使零序电流变化曲线变为非线性，保护灵敏度有所提升，相对于常规的变压器设置方法具有以下几点不同：

(1)档位设置方式不同

本发明在变压器绕组上均匀设置抽头，假设绕组匝数共600匝，若设置6个抽头，如图1所示则n＝6，档位1到6到中性点的匝数依次为100、200、300、400、500、600，调控时只调节单相接地抽头，其目的是改变某相电压的电压水平，使其能够在较大范围内变化。而传统变压器只能在额定电压抽头附近调节，抽头未覆盖整个绕组，所能调节的范围有限，调控时需同时调节三相抽头，且不通过抽头接地，其目的是在系统电压发生偏移时，通过小幅调节电压，使系统电压稳定在额定范围内；

(2)变压器接线方式不同

传统变压器只有变压器绕组两端接入系统，通过调节一端抽头改变变压器绕组的总匝数以调节电压。而本发明并未改变绕组的总匝数，而是在绕组抽头处增加了一条支路接地，通过调节该支路抽头的接入档位来调节相电压。

(3)调档方法不同

传统方法是三相抽头同时调节，则三相电压始终对称，故不能产生零序电压，线路上也不会产生零序电流，则无法通过零序电流的变化情况辨识故障；本发明只调节单相的接地支路抽头，另外两相并无变化，故能够调节零序电压，也能调节零序电流。此外，本发明是通过连续调节抽头档位来进行故障辨识，不同于传统方法中抽头通常只固定停留在某个档位，从1档依次调到最高档或从最高档依次调到1档。

综上所述，本发明提出的配电网单相接地故障辨识方法，可通过零序电流的线性关系灵敏判断线路是否发生接地故障，辨识准确度较高。三相线路对地参数不相等、三相负荷不平衡或负荷波动不会影响本发明最终的辨识结果，受干扰因素较少。

附图说明

图1为接地变压器接线图；

图2为无故障时系统零序等值电路；

图3为本发明所述实例的一种基于接地变压器分接抽头接地的配电网单相接地故障辨识方法流程图；

图4为根据表1数据绘制零序电流随档位增加的变化趋势图；

图5为零序电流随档位减小的变化趋势图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。

如图3所示，为本发明所述实例的一种基于接地变压器分接抽头接地的配电网单相接地故障辨识方法，首先，通过连续测量接地变压器中性点电压及中性点电压变化量，若中性点电压超过第一额定电压阈值即15％额定相电压，或中性点电压变化量超过第二额定电压阈值即3％额定相电压，则闭合设置在变压器绕组抽头处均匀调节绕组接入量的接地支路，即闭合电压最低相的接地支路的开关，否则，判定当前不存在接地故障；其次，逐渐升高接地变压器中电压最低相绕组分接抽头的接入档位，并测量系统三相线路零序电流(即图1中

处的零序电流)，若零序电流随着接入档位的升高呈线性增加，则无故障发生，若呈非线性变化则判定故障发生，并进行消弧或故障处理；最后，经过故障处理后逐渐降低接地变压器绕组分接抽头的接入档位，并测量系统三相线路零序电流，若零序电流随着接入档位的降低呈线性减小则故障已清除，若呈非线性变化则判定故障未清除，则需进一步的人工故障处理，完成故障识别。

其中，接地变压器的接线如图1所示，在图1中，

分别为A、B、C三相的电源电动势，N为中性点，A_s、B_s、C_s为接地变压器高压侧绕组，每相绕组匝数为N₁，高压侧绕组每相均匀设置n个接地分接抽头接入档位，绕组抽头从中性点到系统侧的档位依次为1、2、…、n，则到中性点的匝数依次为N₁/n、2N₁/n、…、N₁。假设绕组匝数共600匝，若设置6个抽头接入档位，则n＝6，档位1到6到中性点的匝数依次为100、200、300、400、500、600。高压侧绕组一端接于系统，一端接于中性点，此外在高压绕组抽头处增加一接地支路，S为接地支路开关。Z为中性点接地阻抗，a_s、b_s、c_s为低压侧绕组。C为系统单相对地电容，r为系统单相对地泄漏电阻，R_f为故障过渡电阻。且存在以下关系：

其中

为故障相电压，N_X为接地抽头到中性点间的绕组匝数，

为故障相的电源电动势，

为中性点零序电压。随着接入档位的增加N_X增加，故障相电压

减小，则

将增加；同理，随着接入档位的减小N_X减小，故障相电压

增加，

将减小。

无故障发生时，图1的零序等值电路如图2所示，Z_T0为接地变压器及中性点阻抗的综合零序等值阻抗，r₀为线路泄漏电阻r的零序等值电阻，C₀为线路对地电容的零序等值电容，有r₀＝r/3，C₀＝C/3，

为线路零序电流。由图2可知，

随着接入档位的增加，相电压减小，线路零序电压

将线性增加，则

也将线性增加。若故障发生，则

除了线路对地参数的零序电流还包含故障处的故障电流

而随着接入档位的增加，故障相电压将减小，则

也将减小，最终零序电流

呈非线性变化。

同理，无故障发生时随着接入档位的减小相电压增加，零序电压

线性减小，零序电流

将线性减小；故障发生时，随着接入档位的减小零序电流

呈非线性变化。

判断零序电流是否线性变化可通过零序电流大小与档位i(i∈{1,2,...,n})的相关系数r进行判断，设第i档时线路零序电流大小为I_0i，则相关系数r计算公式为：

式中：i为接地变压器绕组分接抽头所处的接入档位大小，I_0i为第i档时线路的零序电流大小，n表示接地变压器绕组的档位总量。

考虑到测量误差影响，当相关系数r大于或等于0.98，则认为零序电流

呈线性变化；相关系数r小于0.98，则零序电流

呈非线性变化。

在满足线性变化的条件下，若零序电流随档位变化而增加则为线性增加，若随档位减小则为线性减小。

为了进一步验证本发明实例所提方法的可行性，下面结合仿真进行分析。

在PSCAD仿真软件中搭建如图1所示仿真模型，系统额定线电压为10kV，高压侧绕组每相均设置5个档位，假设C相发生接地故障。若中性点电压满足

或中性点电压变化量满足

则逐渐调节C相绕组抽头档位，从第1档逐渐调节到第5档，并测量线路零序电流，不同故障情况的测量数据如表1所示。

表1

根据表1数据绘制零序电流随档位增加的变化趋势如图4所示，无故障时档位与零序电流大小相关系数r为1，零序电流线性增加；而过渡电阻为200Ω时相关系数r为-0.81，800Ω时相关系数r为0.94，则故障条件下零序电流非线性变化。

若呈非线性变化，经故障处理后逐渐降低抽头档位，并再次测量零序电流变化情况。

零序电流随档位减小的变化趋势如图5所示，无故障时档位与零序电流大小相关系数r为1，零序电流线性减小，而故障条件下相关系数r均小于0.98，零序电流非线性变化。

零序电流若线性减小，则断开接地支路开关S，系统恢复正常运行；若非线性变化，则故障还未消除，需进一步的人工隔离处理。

通过上述仿真分析验证了本发明通过零序电流的线性关系判别故障是否存在的可行性。

前面所述接地变压器为Y/△接线变压器。Z型接地变压器、Y/Y/△接线变压器也同样适用，抽头设置方式、调控方法等也完全相同。

一种基于接地变压器分接抽头接地的配电网单相接地故障辨识系统，包括：

电压测量单元，用于连续测量接地变压器中性点电压及中性点电压变化量；

电压变化判断单元，用于对电压测量单元测量的接地变压器中性点电压及中性点电压变化量，判断中性点电压是否超过第一额定相电压阈值，或判断中性点电压变化量是否超过第二额定相电压阈值；

变压器绕组接入档位调节单元，依据电压变化判断单元的判断结果，改变接地变压器中电压最低相绕组分接抽头的接入档位：

逐渐升高接地变压器中电压最低相绕组分接抽头的接入档位或者逐渐降低接地变压器绕组分接抽头的接入档位；

零序电流测量单元，用于测量零序电流大小以及变化量；

零序电流线性变化判断单元，用于依据变压器绕组接入档位调节单元的调节操作，判断零序电流随着接入档位的变化是否呈线性变化；

故障识别单元，用于依据零序电流线性变化判断单元的判断结果，获得故障识别结果：

若零序电流随着接入档位的升高呈线性增加，则无故障发生，若呈非线性变化则判定故障发生；

若零序电流随着接入档位的降低呈线性减小则故障已清除，若呈非线性变化则判定故障未清除。

应当理解，本发明各个实施例中的功能单元模块可以集中在一个处理单元中，也可以是各个单元模块单独物理存在，也可以是两个或两个以上的单元模块集成在一个单元模块中，可以采用硬件或软件的形式来实现。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于接地变压器分接抽头接地的配电网单相接地故障辨识方法，其特征在于，首先，通过连续测量接地变压器中性点电压及中性点电压变化量，若中性点电压超过第一额定相电压阈值，或中性点电压变化量超过第二额定相电压阈值，则闭合设置在变压器绕组抽头处均匀调节绕组接入量的接地支路，即闭合电压最低相的接地支路的开关，否则，判定当前不存在接地故障；其次，逐渐升高接地变压器中电压最低相绕组分接抽头的接入档位，并测量系统三相线路零序电流，若零序电流随着接入档位的升高呈线性增加，则无故障发生，若呈非线性变化则判定故障发生，并进行消弧或故障处理；最后，经过故障处理后逐渐降低接地变压器绕组分接抽头的接入档位，并测量系统三相线路零序电流，若零序电流随着接入档位的降低呈线性减小则故障已清除，若呈非线性变化则判定故障未清除，则需进一步的人工故障处理，完成故障识别；

所述零序电流随着接入档位的变化呈线性增加或减小是指接地变压器绕组分接抽头的接入档位大小与零序电流大小的相关系数r大于或等于0.98时，零序电流随接入档位增加呈线性增加，零序电流随接入档位减小呈线性减小；

所述档位大小与零序电流大小的相关系数r采用以下公式计算获得：

式中：i为接地变压器绕组分接抽头所处的接入档位大小，I_0i为第i档时线路的零序电流大小，n表示接地变压器绕组的档位总量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述与均匀调节绕组接入量的接地支路相连的变压器绕组抽头设有n个接入档位，n取值为大于或等于3的整数。

3.一种基于接地变压器分接抽头接地的配电网单相接地故障辨识系统，其特征在于，包括：

电压测量单元，用于连续测量接地变压器中性点电压及中性点电压变化量；

电压变化判断单元，用于对电压测量单元测量的接地变压器中性点电压及中性点电压变化量，判断中性点电压是否超过第一额定相电压阈值，或判断中性点电压变化量是否超过第二额定相电压阈值；

变压器绕组接入档位调节单元，依据电压变化判断单元的判断结果，改变接地变压器中电压最低相绕组分接抽头的接入档位：

逐渐升高接地变压器中电压最低相绕组分接抽头的接入档位或者逐渐降低接地变压器绕组分接抽头的接入档位；

零序电流测量单元，用于测量零序电流大小以及变化量；

零序电流线性变化判断单元，用于依据变压器绕组接入档位调节单元的调节操作，判断零序电流随着接入档位的变化是否呈线性变化；

故障识别单元，用于依据零序电流线性变化判断单元的判断结果，获得故障识别结果：

若零序电流随着接入档位的升高呈线性增加，则无故障发生，若呈非线性变化则判定故障发生；

若零序电流随着接入档位的降低呈线性减小则故障已清除，若呈非线性变化则判定故障未清除；

所述零序电流随着接入档位的变化呈线性增加或减小是指接地变压器绕组分接抽头的接入档位大小与零序电流大小的相关系数r大于或等于0.98时，零序电流随接入档位增加呈线性增加，零序电流随接入档位减小呈线性减小；

所述档位大小与零序电流大小的相关系数r采用以下公式计算获得：

式中：i为接地变压器绕组分接抽头所处的接入档位大小，I_0i为第i档时线路的零序电流大小，n表示接地变压器绕组的档位总量。

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