CN110988740B - 一种适于中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，以故障线路的零序电流与零序电压微分值的比值与非故障线路的比值存在明显差异为依据，通过采集母线的零序电压以及馈线的零序电流，计算线路的波形相似度，再根据波形相似度的大小来判断线路是否发生了单相接地故障，能够对故障线路和非故障线路进行正确判断，受过渡电阻的影响较小，且对于线性故障电阻和非线性故障电阻均具有良好的适用性，不受互感器的极性影响；而且，只需在传统采集零序电流信号的基础上，增加零序电压信号的采集和处理，易于工程实现。

Description

一种适于中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法

技术领域

本发明涉及单相接地故障检测技术领域，尤其涉及一种适于中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法。

背景技术

随着城市的快速发展，城市用地日益紧张，大中型城市配网的输电网络主要由电缆线路组成。由于电缆线路的对地电容较大，其在发生单相接地故障时所带来的电容电流难以被消弧线圈补偿，而且弧光接地过电压以及故障线路难以识别等问题也限制了消弧线圈接地方式的应用。小电阻接地系统由于具有有效限制弧光接地过电压、可及时切除故障线路以及降低设备绝缘水平等优点，在我国大中型城市配网得到了越来越广泛的应用。

单相接地故障约占配网故障的80％以上，是配网主要的故障类型之一。目前小电阻接地系统的主要保护方案为阶段式零序电流保护。但由于配网馈线所处的环境复杂，容易发生单相经高阻接地故障，其主要原因包括有：架空线路断线后掉地、架空线路与邻近物体比如树枝相接触以及电缆线路绝缘介质受损或者受潮等。由于高阻接地故障产生的故障电流小，其往往不能超过现有的零序电流保护阈值，以零序II段为例，其能耐受的过渡电阻值约为100。可见现有的阶段式零序电流保护的灵敏性受过渡电阻的影响较大，无法满足高阻接地故障检测的要求。部分变电站也有采用零序方向保护方案，但互感器的极性校验困难，效果也不理想。虽然高阻接地故障的故障电流小，但是掉地的高压线路以及故障电弧所产生的高温，可能会对附近的人们以及周边的环境造成很大的危害，甚至造成人身安全事故；同时，若任由故障电流一直存在，则会进一步损害绝缘，造成更为严重的故障，扩大故障范围。

目前针对高阻接地故障的检测方法主要集中在利用非线性电弧所产生的波形畸变以及谐波方面，但是当故障的非线性特征不明显时，此类均可能失效。

发明内容

本发明提供一种适于中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，以解决现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：

一种适于中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，所述方法包括：

S1、赋初值给零序电压突变整定值u_0.set和保护动作整定值S_act；

S2、对母线的零序电压和馈线的零序电流进行低通滤波后采样，得到零序电压采样值序列u₀(n)以及零序电流采样值序列i₀(n)；

S3、判断是否满足|u₀(n)-u₀(n-1)|>u_0.set；如果满足，则继续执行步骤S4；如果不满足，则返回步骤S2；

S4、根据以下公式计算母线的零序电压的微分值u_{dif_n}：

S5、根据以下公式分别计算时间窗为0.01s内的电压微分值U_base和电流基准值I_base：

S6、根据以下公式对时间窗为0.01s内的数据进行归一化处理：

S7、根据以下公式计算母线的零序电压的微分值和馈线的零序电流的波形相似度S：

S8、判断是否满足S>Sact；如果满足，则继续执行步骤S9；如果不满足，返回步骤S2；

S9、发出高阻接地故障警告或者跳闸命令。

进一步地，步骤S1中，u_0.set的取值范围为1～10。

进一步地，步骤S1中，S_act的取值范围为0.6～0.7。

进一步地，步骤S2中，采样时的采样频率大于等于5kHz。

进一步地，步骤S2中，进行低通滤波的低通滤波器的截止频率可设置为150～250Hz。

进一步地，所述低通滤波器采用四阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率为200Hz。

本发明实施例提供的一种适于中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，以故障线路的零序电流与零序电压微分值的比值与非故障线路的比值存在明显差异为依据，通过采集母线的零序电压以及馈线的零序电流，计算线路的波形相似度，再根据波形相似度的大小来判断线路是否发生了单相接地故障，能够对故障线路和非故障线路进行正确判断，受过渡电阻的影响较小，且对于线性故障电阻和非线性故障电阻均具有良好的适用性，不受互感器的极性影响；而且，只需在传统采集零序电流信号的基础上，增加零序电压信号的采集和处理，易于工程实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种适于中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中10kV小电阻接地系统一次接线图；

图3是本发明实施例中线性故障时馈线的波形相似度示意图；

图4是本发明实施例中非线性故障时馈线的波形相似度示意图。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。

此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本发明的限制。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了基于线路零序电流与母线零序电压微分值波形相似度的检测方法，通过分析故障线路和非故障线路零序电流-零序电压的关系，寻求两者不同的故障特征，其利用零序电流与母线零序电压微分值的波形相似度在故障线路和非故障线路之间存在明显差异的特点，并通过比较其大小来判断线路是否发生了单相接地故障，从而提高保护对单相高阻接地故障的灵敏性，并且很好地兼容了低阻和高阻故障。

由于非故障线路的零序电流流过的零序等效网络就为该线路的等效π型模型，且由于对地容抗远大于线路阻抗，所以可得非故障线路的零序电流与零序电压微分值的比值约为该线路的对地电容值，即两者近似成正比例关系。从波形上来看，如果两个信号成正比例关系，那么在对这里两个信号进行归一化后，其波形应该是重叠在一起的，也就是说这两个信号的波形相似度很高。

故障线路的零序电流包含了所有非故障线路的零序电流之和以及曲折变压器支路的零序电流，且由于曲折变压器的零序阻抗较小，接地小电阻的阻值远小于非故障线路的对地容抗，所以故障线路的零序电流和零序电压微分值的比值可近似等于：

式中：R_g为接地小电阻，α为母线零序电压的初相角，i_0F为故障线路的零序电流。

可见，故障线路的零序电流与零序电压微分值的比值约为cot函数，其幅值为1/(3ωR_g)。因此，对于故障线路，两者的波形相似度并不高。

请参阅附图1，为本发明实施例一提供的一种适于中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法的流程示意图。该方法具体包括如下步骤：

S1、赋初值给零序电压突变整定值u_0.set和保护动作整定值S_act。

优选的，步骤S1中，u_0.set的取值范围为1～10，S_act的取值范围为0.6～0.7。

需要说明的是，u_0.set需要考虑发生高阻接地故障时零序电压的大小及采样频率的大小。在发生高阻接地故障时，母线的零序电压会随着过渡电阻的增大而减小，大概为几十伏到几百伏，同时在故障发生的暂态过程中，零序电压会存在不同程度的振荡，所以u_0.set可以取为1～10，u_0.set越小，则本算法越灵敏；由于非故障线路的波形相似度S近似为零，而故障线路的波形相似度S较大，具有较高的区分度，因此保护动作整定值S_act可设置为0.6～0.7。

S2、对母线的零序电压和馈线的零序电流进行低通滤波后采样，得到零序电压采样值序列u₀(n)以及零序电流采样值序列i₀(n)。

优选的，步骤S2中，采样时的采样频率SR大于等于5kHz，进行低通滤波的低通滤波器的截止频率可设置为150～250Hz。

需要说明的是，在采样前设置低通滤波的作用是为了减少发生电弧故障时谐波对线路波形相似度的影响，低通滤波器的截止频率可设置为150～250Hz，并由此得到滤波后的零序电压采样值序列u₀(n)以及零序电流采样值序列i₀(n)。

S3、判断是否满足|u₀(n)-u₀(n-1)|>u_0.set；如果满足，则继续执行步骤S4；如果不满足，则返回步骤S2。

S4、根据以下公式计算母线的零序电压的微分值u_{dif_n}：

S5、根据以下公式分别计算时间窗为0.01s内的电压微分值U_base和电流基准值I_base：

S6、根据以下公式对时间窗为0.01s内的数据进行归一化处理：

S7、根据以下公式计算母线的零序电压的微分值和馈线的零序电流的波形相似度S：

S8、判断是否满足S>Sact；如果满足，则继续执行步骤S9；如果不满足，返回步骤S2。

S9、发出高阻接地故障警告或者跳闸命令。

本实施例以某10kV中性点为小电阻接地方式的变电站为模型(接线图如图2所示)。接地小电阻的阻值为10Ω，曲折变压器的零序阻抗为10Ω，馈线1、2、3、4、5的长度分别为6km、9km、12km、15km、18km，各馈线均采用电缆线路，型号均为YJV22-3*300，其正序参数为：R1＝0.500Ω/km、L1＝0.318mH/km、C1＝0.376F/km，零序参数为：R0＝0.500Ω/km、L0＝6.398mH/km、C0＝0.370F/km。配电变压器的负载率为60％，且功率因数取cosθ＝0.9。

本实施例中，在馈线长度12km的馈线4的中点设置了单相接地故障，故障类型分别为线性过渡电阻故障和电弧故障，以馈线4(故障线路)和馈线3(非故障线路)的保护动作情况为样本，来验证本发明的有效性，可参考图3和图4。

在本实施方式中，各参数的具体设置如下：

(1)采样频率SR：5kHz。

(2)零序电压突变整定值u0.set：在发生单相经过渡电阻接地故障时，过渡电阻越大，零序电压则越小。当过渡电阻高达1000Ω时，零序电压只有几十伏，且在发生单相接地故障的暂态过程中，零序电压会发生不同程度的振荡，所以取其数量级，即5V。

(3)保护动作整定值Sact：由于非故障线路的波形相似度S近似为零，而故障线路的波形相似度S较大，具有较高的区分度，因此保护动作整定值Sact可设置为0.6～0.7。

(4)数字低通滤波器：在采样前设置低通滤波的作用是为了减少发生电弧故障时谐波对线路波形相似度的影响。这里采用四阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率为200Hz。

本发明实施例提供的一种适于中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，以故障线路的零序电流与零序电压微分值的比值与非故障线路的比值存在明显差异为依据，通过采集母线的零序电压以及馈线的零序电流，计算线路的波形相似度，再根据波形相似度的大小来判断线路是否发生了单相接地故障，能够对故障线路和非故障线路进行正确判断，受过渡电阻的影响较小，且对于线性故障电阻和非线性故障电阻均具有良好的适用性，不受互感器的极性影响；而且，只需在传统采集零序电流信号的基础上，增加零序电压信号的采集和处理，易于工程实现。

至此，以说明和描述的目的提供上述实施例的描述。不意指穷举或者限制本公开。特定的实施例的单独元件或者特征通常不受到特定的实施例的限制，但是在适用时，即使没有具体地示出或者描述，其可以互换和用于选定的实施例。在许多方面，相同的元件或者特征也可以改变。这种变化不被认为是偏离本公开，并且所有的这种修改意指为包括在本公开的范围内。

提供示例实施例，从而本公开将变得透彻，并且将会完全地将该范围传达至本领域内技术人员。为了透彻理解本公开的实施例，阐明了众多细节，诸如特定零件、装置和方法的示例。显然，对于本领域内技术人员，不需要使用特定的细节，示例实施例可以以许多不同的形式实施，而且两者都不应当解释为限制本公开的范围。在某些示例实施例中，不对公知的工序、公知的装置结构和公知的技术进行详细地描述。

在此，仅为了描述特定的示例实施例的目的使用专业词汇，并且不是意指为限制的目的。除非上下文清楚地作出相反的表示，在此使用的单数形式“一个”和“该”可以意指为也包括复数形式。术语“包括”和“具有”是包括在内的意思，并且因此指定存在所声明的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或额外地具有一个或以上的其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。除非明确地指示了执行的次序，在此描述的该方法步骤、处理和操作不解释为一定需要按照所论述和示出的特定的次序执行。还应当理解的是，可以采用附加的或者可选择的步骤。

当元件或者层称为是“在……上”、“与……接合”、“连接到”或者“联接到”另一个元件或层，其可以是直接在另一个元件或者层上、与另一个元件或层接合、连接到或者联接到另一个元件或层，也可以存在介于其间的元件或者层。与此相反，当元件或层称为是“直接在……上”、“与……直接接合”、“直接连接到”或者“直接联接到”另一个元件或层，则可能不存在介于其间的元件或者层。其他用于描述元件关系的词应当以类似的方式解释(例如，“在……之间”和“直接在……之间”、“相邻”和“直接相邻”等)。在此使用的术语“和/或”包括该相关联的所罗列的项目的一个或以上的任一和所有的组合。虽然此处可能使用了术语第一、第二、第三等以描述各种的元件、组件、区域、层和/或部分，这些元件、组件、区域、层和/或部分不受到这些术语的限制。这些术语可以只用于将一个元件、组件、区域或部分与另一个元件、组件、区域或部分区分。除非由上下文清楚地表示，在此使用诸如术语“第一”、“第二”及其他数值的术语不意味序列或者次序。因此，在下方论述的第一元件、组件、区域、层或者部分可以采用第二元件、组件、区域、层或者部分的术语而不脱离该示例实施例的教导。

空间的相对术语，诸如“内”、“外”、“在下面”、“在……的下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，在此可出于便于描述的目的使用，以描述如图中所示的一个元件或者特征和另外一个或多个元件或者特征之间的关系。空间的相对术语可以意指包含除该图描绘的取向之外该装置的不同的取向。例如如果翻转该图中的装置，则描述为“在其他元件或者特征的下方”或者“在元件或者特征的下面”的元件将取向为“在其他元件或者特征的上方”。因此，示例术语“在……的下方”可以包含朝上和朝下的两种取向。该装置可以以其他方式取向(旋转90度或者其他取向)并且以此处的空间的相对描述解释。

Claims (6)

1.一种适于中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、赋初值给零序电压突变整定值u_0.set和保护动作整定值S_act；

S2、对母线的零序电压和馈线的零序电流进行低通滤波后采样，得到零序电压采样值序列u₀(n)以及零序电流采样值序列i₀(n)；

S3、判断是否满足|u₀(n)-u₀(n-1)|>u_0.set；如果满足，则继续执行步骤S4；如果不满足，则返回步骤S2；

S4、根据以下公式计算母线的零序电压的微分值u_{dif_n}：

S5、根据以下公式分别计算时间窗为0.01s内的电压微分值U_base和电流基准值I_base：

S6、根据以下公式对时间窗为0.01s内的数据进行归一化处理：

S7、根据以下公式计算母线的零序电压的微分值和馈线的零序电流的波形相似度S：

S8、判断是否满足S>Sact；如果满足，则继续执行步骤S9；如果不满足，返回步骤S2；

S9、发出高阻接地故障警告或者跳闸命令。

2.根据权利要求1所述的适于中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，其特征在于，步骤S1中，u_0.set的取值范围为1～10。

3.根据权利要求1所述的适于中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，其特征在于，步骤S1中，S_act的取值范围为0.6～0.7。

4.根据权利要求1所述的适于中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，其特征在于，步骤S2中，采样时的采样频率大于等于5kHz。

5.根据权利要求1所述的适于中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，其特征在于，步骤S2中，进行低通滤波的低通滤波器的截止频率可设置为150～250Hz。

6.根据权利要求5所述的适于中性点小电阻接地配网的单相接地故障检测方法，其特征在于，所述低通滤波器采用四阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率为200Hz。

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