CN111244913B - 考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法，包括启动元件、短路闭锁元件、选线元件和信号元件。根据系统参数和接地方式，计算正常运行中性点不平衡电压U_unb及断线故障中性点电压变化最大值U_Omax；测量中性点电压U_O，判断启动元件是否动作；计算母线相电流变化量

判断短路闭锁元件是否动作；计算馈线正、负序电流幅值变化量比值，选线元件判定故障馈线；信号元件发出告警或跳闸信号。本发明解决了现有断线保护可靠性低、适用范围小的问题，计及中性点接地方式、故障位置、对地电容影响，具有较高灵敏度和可靠性。

Description

考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，尤其是一种考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法。

背景技术

随着经济飞速发展和用电需求的不断增加，配电网规模日益壮大，而配电网的安全可靠运行直接影响用户用电质量。近几年来，由于配电网结构复杂，线路新旧交替，受自然灾害、机械外力、电气作用等因素影响，断线故障发生频率呈现上升趋势。断线故障导致电源侧和负荷侧三相电压、电流不对称，负序、零序分量的出现会对发电机等设备造成严重损害，降低设备使用寿命。此外，架空线路断线后可能会坠落接地，从而容易引起触电事故，后果严重。另一方面，随着分布式电源、电动汽车等的接入，电力电子设备被广泛应用，但由于电力电子设备较为敏感，断线故障会导致电压升高超过其耐受阈值而损坏设备。因此，断线故障对系统造成较大危害，若没有及时发现并排查，极有可能发展为短路故障，加大事故严重程度，扩大事故范围，威胁设备安全与人身安全。

目前国内外研究人员对配电线路短路故障的检测及定位等多方面进行了深入的研究，提出的解决方案也得到了较好的应用，而断线故障由于不致引起大电流、高电压而未引起足够重视，但随着断线故障发生率逐渐升高，配电网受断线故障的影响越来越大，已不可忽视。为保障系统安全、稳定、可靠运行，有必要对断线故障保护方法开展研究。目前，现有断线故障保护方法主要包括负序电流比幅法、负序电流比相法、能量测度法、小波分析法、电压电流组合判据等等。前三者都基于故障线路负序电流幅值大于非故障线路且相位相反的原理，小波分析法则在此基础上结合了信号处理手段，而电压电流组合判据法是基于断线故障相电压升高而电流降低的原理。但上述方法均存在整定计算困难、受故障点位置影响大、无法区分断线与短路故障等问题，且适用范围较为局限，难以满足实际保护需求。而小波分析法除了存在上述问题外，实际运行环境噪声对信号处理的影响也较大。因此，现有断线故障选线与保护研究较少，且现有方法选线准确性、保护可靠性均不高，具有较大的局限性。

此外，由于我国中压配电网多采用小电流接地方式，而现有断线保护方法仅考虑了中性点不接地或经消弧线圈接地方式。然而实际上，随着城市化进程的加快以及电力电缆的广泛使用，配电网电容电流不断增大，小电阻接地方式已被广泛应用，使得现有断线保护方法不再适用。另外，随着中性点改造工程的开展与推进，智能多模接地、消弧线圈并联电阻接地等方式也开始逐渐应用于配电网，使得实际运行中中性点接地方式可能发生变化，特定中性点接地方式下的断线故障保护方法难以满足配电网实际要求，且不能适应配电网的发展。

综上所述，单相断线故障严重影响了配电网安全可靠运行，但是，现有的断线故障识别和保护方法在可靠性和适用性方面都存在着明显的不足，且尚未考虑系统参数的不平衡以及中性点接地方式对保护的影响。因此，如何准确地识别各种接地方式下的配电网断线故障，并形成具有较高可靠性和灵敏度的断线保护方法，成为了本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例，在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中所存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明所要解决的技术问题是现有技术中的配电网单相断线故障识别方法可靠性低、适用范围小等。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法，包括以下步骤：

S1：判断启动元件是否动作；

S2：判断短路闭锁元件是否动作；

S3：选线元件判定发生单相断线故障的馈线；

S4：信号元件动作，发出告警或跳闸信号。

作为本发明所述考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法的一种优选方案，其中：所述S1包括以下步骤：根据配电网中性点接地方式和系统参数，计算正常运行下中性点不平衡电压U_unb及断线故障下中性点电压变化最大值U_Omax；测量中性点电压U_O，判断启动元件是否动作，若启动元件动作，实施S2。

作为本发明所述考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法的一种优选方案，其中：所述S2包括以下步骤：计算启动元件动作前后母线相电流的变化量

若

判定为发生短路故障，短路闭锁元件动作；否则，判定为发生断线故障，短路闭锁元件不动作，并实施S3。

作为本发明所述考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法的一种优选方案，其中：计算启动元件动作前后各馈线出口正序电流和负序电流的变化量，计算各馈线正、负序电流幅值变化量的比值，由选线元件判定发生单相断线故障的馈线。

作为本发明所述考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法的一种优选方案，其中：所述信号元件根据所述启动元件、短路闭锁元件、选线元件的动作判断进行告警或发出跳闸信号。

作为本发明所述考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法的一种优选方案，其中：所述启动元件是否动作的判据为：

K_relU_unb＜U_O＜K_relU_Omax

式中，U_O为中性点电压；U_unb为配电网正常运行下中性点不平衡电压；U_Omax为断线故障下中性点电压变化最大值；K_rel为可靠系数，取1.1至1.2。

作为本发明所述考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法的一种优选方案，其中：当采用中性点不接地方式时，按照如下公式计算U_Omax：

当采用中性点经消弧线圈接地方式时，按照如下公式计算U_Omax：

当采用中性点经小电阻接地方式时，按照如下公式计算U_Omax：

式中，k_min为配电网总电容与最大馈线电容的比值；C_max为所有馈线中相对地电容的最大值；p为消弧线圈过补偿度；R_d为中性点接地小电阻阻值；ω为系统角频率；

为正常运行相电压。

作为本发明所述考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法的一种优选方案，其中：按照如下公式计算U_unb：

式中，λ为系统不对称度。

当采用中性点不接地方式时，不对称度按如下公式计算：

当采用中性点经消弧线圈接地方式时，不对称度按如下公式计算：

当采用中性点经小电阻接地方式时，不对称度按如下公式计算：

式中，α＝e^j120°；C_AΣ、C_BΣ、C_CΣ分别为系统各相对地电容和；C_Σ为系统三相对地电容总和；L_p为消弧线圈电感。

作为本发明所述考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法的一种优选方案，其中：所述选线元件按照以下原则判定发生断线故障的馈线：若某一馈线i的正、负序电流幅值变化量的比值n_i满足：

1-K_set<n_i<1+K_set

则判定为馈线i发生单相断线故障，其中，K_set为裕度，取0.1至0.2。

作为本发明所述考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法的一种优选方案，其中：馈线i的正、负序电流幅值变化量的比值n_i按如下公式计算：

其中，馈线i的正序电流变化量ΔI_1i为：

ΔI_1i＝I_1i-I′_1i

馈线i的负序电流变化量ΔI_2i为：

ΔI_2i＝I′_2i

式中，I_1i为启动元件动作前馈线i的正序电流；I′_1i为启动元件动作后馈线i的正序电流；I′_2i为启动元件动作后馈线i的负序电流大小。

本发明的有益效果：

1、本发明采用中性点电压作为保护特征量用以识别断线故障，构建各馈线出口正序电流和负序电流幅值变化量的比值作为保护特征量用以判定故障线路。与现有基于负序电流的断线保护方法相比，本发明在确定保护整定值时，考虑了对地电容参数及其不对称度对单相断线故障特征的影响，从而提高保护特征量的灵敏度，且选线判据与中性点接地方式、系统参数、故障位置、负荷分布等无关，避免了保护整定计算困难的问题，具有较高的可靠性。

2、本发明针对了不同中性点接地方式下的配电网单相断线故障进行识别与选线，特别考虑了中性点接地方式对断线故障特征和断线保护可靠性的影响，与仅适用于小电流接地方式的现有方法相比，本发明可适用于各种中性点接地方式，解决了断线保护适用范围小的技术问题，大大提升了保护的适用性。

3、本发明利用启动元件动作前后母线相电流的变化量构建短路闭锁元件动作判据，与现有方法相比，可有效区分系统短路故障与断线故障，从而提高了断线故障识别的准确性和保护的可靠性。

4、本发明所需的电气量仅为各馈线出口处相电流和中性点电压，易于在配电网中实现，从而提高了保护的适用性和可行性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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。其中：

图1为本发明提供的一种实施例所述的考虑采用中性点不接地、经消弧线圈接地、经小电阻接地三种接地方式的配电网示意图；

图2为本发明提供的一种实施例所述的考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法的逻辑图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

再其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例

参照图1～2，本实施例提供了一种考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法，图1中有6条馈线，

为变压器三相感应电动势，

为上一级电网流入母线的三相电流，

为中性点电压，中性点接地电阻R_d为10Ω，消弧线圈电感L_p过补偿度为10％。考虑线路对地电容不对称，参数见表1。

表1线路参数

本发明包括启动元件100、短路闭锁元件200、选线元件300和信号元件400，启动元件100是由多个逻辑模块构成的元件，具有判断保护是否启动功能，短路闭锁元件200是由多个逻辑模块构成的元件，具有区分短路故障和断线故障的功能，选线元件300是由多个逻辑模块构成的元件，具有判断具体断线故障馈线的功能，信号元件400具有发出告警或跳闸信号的功能；

包括以下步骤：

S1：判断启动元件100是否动作；

S2：判断短路闭锁元件200是否动作；

S3：选线元件300判定发生单相断线故障的馈线；

S4：信号元件400动作，发出告警或跳闸信号。

具体的，S1包括以下步骤：根据配电网中性点接地方式和系统参数，计算正常运行下中性点不平衡电压U_unb及断线故障下中性点电压变化最大值U_Omax；测量中性点电压U_O，判断启动元件100是否动作，若启动元件100动作，实施S2。S2包括以下步骤：计算启动元件100动作前后母线相电流的变化量

若

判定为发生短路故障，短路闭锁元件200动作；否则，判定为发生断线故障，短路闭锁元件200不动作，并实施S3。S3包括以下步骤：计算启动元件100动作前后各馈线出口正序电流和负序电流的变化量，计算各馈线正、负序电流幅值变化量的比值，由选线元件300判定发生单相断线故障的馈线。所述信号元件400根据所述启动元件100、短路闭锁元件200、选线元件300的动作判断进行告警或发出跳闸信号。

本实施方式中，当采用中性点不接地方式时，按照如下公式计算断线故障下中性点电压变化最大值U_Omax：

当采用中性点经消弧线圈接地方式时，按照如下公式计算断线故障下中性点电压变化最大值U_Omax：

当采用中性点经小电阻接地方式时，按照如下公式计算断线故障下中性点电压变化最大值U_Omax：

式中，k_min为配电网总电容与最大馈线电容的比值；C_max为所有馈线中相对地电容的最大值；p为消弧线圈过补偿度；R_d为中性点接地小电阻阻值；ω为系统角频率；

为正常运行相电压。

本具体实施方式中，采用中性点不接地方式时，断线故障下中性点电压变化最大值U_Omax为600V。采用中性点经消弧线圈接地方式时，断线故障下中性点电压变化最大值U_Omax为5989V。采用中性点经小电阻接地方式时，断线故障下中性点电压变化最大值U_Omax为76V。

本具体实施方式中，正常运行下中性点不平衡电压U_unb如下公式计算：

式中，λ为系统不对称度。

当采用中性点不接地方式时，不对称度按如下公式计算：

当采用中性点经消弧线圈接地方式时，不对称度按如下公式计算：

当采用中性点经小电阻接地方式时，不对称度按如下公式计算：

式中，α＝e^j120°；C_AΣ、C_BΣ、C_CΣ分别为系统各相对地电容和；C_Σ为系统三相对地电容总和；L_p为消弧线圈电感。

本具体实施方式中，采用中性点不接地方式时，系统不对称度为0.43％，正常运行下中性点不平衡电压U_unb为24.8V。采用中性点经消弧线圈接地方式时，系统不对称度为4.3％，正常运行下中性点不平衡电压U_unb为248.3V。采用中性点经小电阻接地方式时，系统不对称度为0.05％，正常运行下中性点不平衡电压U_unb为2.9V。

本具体实施方式中，启动元件100是否动作的判据为：

K_relU_unb＜U_O＜K_relU_Omax

式中，U_O为中性点电压；U_unb为配电网正常运行下中性点不平衡电压；U_Omax为断线故障下中性点电压变化最大值；K_rel为可靠系数，取1.1至1.2。

本具体实施方式中，取K_rel为1.1，采用不接地方式时的启动元件100动作判据为：

27＜U_O＜660

采用消弧线圈接地方式时的启动元件100动作判据为：

273＜U_O＜6588

采用小电阻接地方式时的启动元件100动作判据为：

3＜U_O＜84

本具体实施方式中，短路闭锁元件200动作判据为：

式中，

为启动元件100动作前后母线相电流的变化量。

本具体实施方式中，选线元件300按照以下原则判定发生断线故障的馈线：若某一馈线i的正、负序电流幅值变化量的比值n_i满足：

1-K_set<n_i<1+K_set

则判定为馈线i发生单相断线故障。其中，K_set为裕度。

馈线i的正、负序电流幅值变化量的比值n_i按如下公式计算：

其中，馈线i的正序电流变化量ΔI_1i为：

ΔI_1i＝I_1i-I′_1i

馈线i的负序电流变化量ΔI_2i为：

ΔI_2i＝I′_2i

式中，I_1i为启动元件100动作前馈线i的正序电流；I′_1i为启动元件100动作后馈线i的正序电流；I′_2i为启动元件100动作后馈线i的负序电流大小。

本具体实施方式中，取K_set为0.1，选线元件300动作判据为：

0.9＜n_i＜1.1

本具体实施方式中，当馈线1发生单相断线故障时，采用中性点不接地方式时断线故障中性点电压为305.61V，采用中性点经消弧线圈接地方式时断线故障中性点电压为2941.56V，采用中性点经小电阻接地方式时断线故障中性点电压为37.34V。以上均满足启动元件100动作判据，启动元件100动作。

本具体实施方式中，当馈线1发生单相断线故障时，母线相电流变化量为-488，短路闭锁元件200不动作。

本具体实施方式中，当馈线1发生单相断线故障时，各馈线正、负序电流幅值变化量的比值如表2所示：

表2各馈线正、负序电流幅值变化量比值

从表中可知，馈线1的正、负序电流幅值变化量比值满足0.9＜n₁＜1.1，而其他馈线的正、负序电流幅值变化量比值均小于0.5，则选线元件300判断馈线1发生断线故障。

本具体实施方式中，当馈线1发生单相断线故障时，信号元件400动作，发出告警或跳闸信号。

本发明根据配电网中性点接地方式和系统参数，计算正常运行下中性点不平衡电压U_unb及断线故障下中性点电压变化最大值U_Omax；若所测中性点电压U_O满足启动元件100动作判据，启动元件100动作；进一步计算启动元件100动作前后母线相电流的变化量

若

判定为发生短路故障，短路闭锁元件200动作；否则，判定为发生断线故障，短路闭锁元件200不动作；进一步计算各馈线正、负序电流幅值变化量的比值，若比值满足选线元件300动作判据，判定该馈线发生单相断线故障；最后，信号元件400动作，发出告警或跳闸信号。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法，其特征在于：包括，

判断启动元件(100)是否动作；

判断短路闭锁元件(200)是否动作；

选线元件(300)判定发生单相断线故障的馈线；

信号元件(400)动作，发出告警或跳闸信号；

所述判断短路闭锁元件(200)是否动作包括以下步骤：计算启动元件(100)动作前后母线相电流的变化量

若

判定为发生短路故障，短路闭锁元件(200)动作；否则，判定为发生断线故障，短路闭锁元件(200)不动作，由选线元件(300)判定发生单相断线故障的馈线；所述选线元件(300)判定发生单相断线故障的馈线包括以下步骤：计算启动元件(100)动作前后各馈线出口正序电流和负序电流的变化量，计算各馈线正、负序电流幅值变化量的比值，由选线元件(300)判定发生单相断线故障的馈线。

2.根据权利要求1所述的考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法，其特征在于：所述判断启动元件(100)是否动作包括以下步骤：根据配电网中性点接地方式和系统参数，计算正常运行下中性点不平衡电压U_unb及断线故障下中性点电压变化最大值U_Omax；测量中性点电压U_O，判断启动元件(100)是否动作，若启动元件(100)动作，判断短路闭锁元件(200)是否动作。

3.根据权利要求2所述的考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法，其特征在于：所述信号元件(400)根据所述启动元件(100)、短路闭锁元件(200)、选线元件(300)的动作判断进行告警或发出跳闸信号。

4.根据权利要求3所述的考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法，其特征在于：所述启动元件(100)是否动作的判据为：

K_relU_unb＜U_O＜K_relU_Omax

式中，U_O为中性点电压；U_unb为配电网正常运行下中性点不平衡电压；U_Omax为断线故障下中性点电压变化最大值；K_rel为可靠系数，取1.1至1.2。

5.根据权利要求4所述的考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法，其特征在于：当采用中性点不接地方式时，按照如下公式计算U_Omax：

当采用中性点经消弧线圈接地方式时，按照如下公式计算U_Omax：

当采用中性点经小电阻接地方式时，按照如下公式计算U_Omax：

式中，k_min为配电网总电容与最大馈线电容的比值；C_max为所有馈线中相对地电容的最大值；p为消弧线圈过补偿度；R_d为中性点接地小电阻阻值；ω为系统角频率；

为正常运行相电压。

6.根据权利要求5所述的考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法，其特征在于：按照如下公式计算U_unb：

式中，λ为系统不对称度；

当采用中性点不接地方式时，不对称度按如下公式计算：

当采用中性点经消弧线圈接地方式时，不对称度按如下公式计算：

当采用中性点经小电阻接地方式时，不对称度按如下公式计算：

式中，α＝e^j120°；C_AΣ、C_BΣ、C_CΣ分别为系统各相对地电容和；C_Σ为系统三相对地电容总和；L_p为消弧线圈电感。

7.根据权利要求6所述的考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法，其特征在于：所述选线元件(300)按照以下原则判定发生断线故障的馈线：若某一馈线i的正、负序电流幅值变化量的比值n_i满足：

1-K_set<n_i<1+K_set

则判定为馈线i发生单相断线故障，其中，K_set为裕度，取0.1至0.2。

8.根据权利要求7所述的考虑中性点接地方式影响的配电网单相断线故障保护方法，其特征在于：馈线i的正、负序电流幅值变化量的比值n_i按如下公式计算：

其中，馈线i的正序电流变化量ΔI_1i为：

ΔI_1i＝I_1i-I′_1i

馈线i的负序电流变化量ΔI_2i为：

ΔI_2i＝I′_2i

式中，I_1i为启动元件(100)动作前馈线i的正序电流；I′_1i为启动元件(100)动作后馈线i的正序电流；I′_2i为启动元件(100)动作后馈线i的负序电流大小。

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