CN111551822B - 一种配电网单相接地故障选相方法及装置 - Google Patents

一种配电网单相接地故障选相方法及装置 Download PDF

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CN111551822B CN202010408155.4A CN202010408155A CN111551822B CN 111551822 B CN111551822 B CN 111551822B CN 202010408155 A CN202010408155 A CN 202010408155A CN 111551822 B CN111551822 B CN 111551822B
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Abstract

本发明公开了一种配电网单相接地故障选相方法及装置，所述方法包括以下步骤：步骤1、实时监测配电网中性点位移电压，若其幅值变化量大于设定阈值，则判断故障发生，执行步骤2；步骤2、测量配电网三相相电压；步骤3、分别计算三相相电压与故障发生前到故障发生后中性点位移电压相量变化量的实际辐角差；步骤4、分别计算三个实际辐角差与理论辐角差的差值；步骤5、将最小所对应的相判定为故障相，从而实现配电网单相接地故障选相。本发明能实现准确的故障选相。

Description

一种配电网单相接地故障选相方法及装置
技术领域
本发明涉及一种配电网单相接地故障选相方法。
背景技术
我国配电网普遍采用中性点不接地及经消弧线圈接地方式。配电网线路结构复杂，接地故障频发，若不快速清除故障会威胁人身设备及电网运行安全。因此国内外系列消弧装置在单相接地故障处理中得到了广泛应用，但是以上装置需要依靠准确地判别接地故障相(故障选相)，一旦选相错误会导致更为严重的事故，因此准确的故障选相显得尤其重要。
传统故障选相方法判据为消弧线圈过补偿时三相电压最高相的超前相为故障相，中性点不接地或消弧线圈欠补偿时电压最高相的滞后相为故障相。但是该方法忽略了线路泄漏电阻且未考虑三相不对称情况，实际中配电网线路参数一般不对称，在此情况下当线路发生高阻接地故障时传统故障选相方法的选相结果会发生错误。
综上所述，国内外亟需一种配电网单相接地故障选相方法，能够针对不对称配电网接地故障进行准确选相。
发明内容
本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提出一种配电网单相接地故障选相方法，其可以实现中性点不接地及经消弧线圈接地方式的配电网的准确故障选相，并不受过渡电阻的影响。
本发明为解决上述技术问题所提供的技术方案为：
一方面，提供一种配电网单相接地故障选相方法，包括以下步骤：
步骤1、实时监测配电网中性点位移电压，获得相应的中性点位移电压相量，若其幅值变化量(当前周期的中性点位移电压相量的幅值与上一周期的中性点位移电压相量之差)
Figure BDA0002492188840000011
大于设定阈值，则判断故障发生，执行步骤2；
步骤2、测量配电网A、B、C三相相电压
Figure BDA0002492188840000012
获得相应的三相相电压相量
Figure BDA0002492188840000013
步骤3、计算故障发生前后中性点位移电压相量的变化量(当前周期的中性点位移电压相量与上一周期的中性点位移电压相量相量)
Figure BDA0002492188840000021
其中
Figure BDA0002492188840000022
为故障发生前的中性点位移电压相量，
Figure BDA0002492188840000023
为故障发生后的中性点电压相量；
计算
Figure BDA0002492188840000024
K＝A,B,C与
Figure BDA0002492188840000025
的实际辐角(初始相位)差
Figure BDA0002492188840000026
Figure BDA0002492188840000027
步骤4、按以下公式计算实际辐角差与理论辐角差的差值
Figure BDA0002492188840000028
Figure BDA0002492188840000029
式中，
Figure BDA00024921888400000210
为故障相相电压相量与中性点位移电压相量变化量的理论辐角差；
步骤5、将
Figure BDA00024921888400000211
所对应的相判定为故障相，从而实现配电网单相接地故障选相。
进一步地，所述步骤1中，设定阈值为配电网额定相电压的一定比例。
进一步地，所述步骤1中，设定阈值为3％配电网额定相电压。
进一步地，所述步骤4中，理论辐角差
Figure BDA00024921888400000212
的计算公式为：
Figure BDA00024921888400000213
其中，∑g和∑C为配电网对地绝缘参数(可通过测量得到)，
Figure BDA00024921888400000216
RA、RB和RC分别为配电网三相对地泄漏电阻，CA、CB和CC分别为配电网三相对地电容；ω为工频交流电的角频率。
进一步地，所述步骤4中，理论辐角差
Figure BDA00024921888400000217
的计算公式为：
Figure BDA00024921888400000218
式中，ν为配电网脱谐度，对于中性点不接地及经消弧线圈接地方式的配电网，其脱谐度根据消弧线圈补偿状态得到，对于中性点不接地的配电网，其脱谐度视为1；d为配电网阻尼率；ν和d可基于配电网数据库获取。
另一方面，提供一种配电网单相接地故障选相装置，包括以下模块：
中性点电压监测模块，用于实时监测配电网中性点位移电压，获得相应的中性点位移电压相量；
相电压采集模块，用于测量配电网A、B、C三相相电压，获得相应的三相相电压相量(当前周期的三相相电压相量)
Figure BDA0002492188840000031
和
Figure BDA0002492188840000032
电压分析模块，与中性点电压监测模块相连，用于计算中性点位移电压相量的幅值变化量
Figure BDA0002492188840000033
并判断
Figure BDA0002492188840000034
是否大于设定阈值，若是，则判断故障发生；并记录故障发生前后中性点位移电压相量的变化量
Figure BDA0002492188840000035
其中
Figure BDA0002492188840000036
为故障发生前的中性点位移电压相量，
Figure BDA0002492188840000037
为故障发生后的中性点电压相量；
辐角差计算模块，与相电压采集模块和电压分析模块相连，用于在故障发生后，计算计算
Figure BDA0002492188840000038
K＝A,B,C与
Figure BDA0002492188840000039
的实际辐角差
Figure BDA00024921888400000310
Figure BDA00024921888400000311
差值计算模块，与辐角差计算模块相连，用于计算实际辐角差与理论辐角差的差值
Figure BDA00024921888400000312
Figure BDA00024921888400000313
式中，
Figure BDA00024921888400000314
为故障相相电压相量与中性点位移电压相量变化量的理论辐角差；
差值比较模块，用于将
Figure BDA00024921888400000315
所对应的相判定为故障相，从而实现配电网单相接地故障选相。
进一步地，所述的配电网单相接地故障选相装置还包括显示模块，与差值比较模块相连，用于显示故障选相结果。
进一步地，所述中性点电压监测模块和相电压采集模块输出端均连接信号处理电路，用于对其采集的电压信号进行滤波A/D转换后再输出至后级电路；所述信号处理电路包括串联连接的滤波电路和A/D转换电路。
本发明原理为：
设
Figure BDA00024921888400000316
是配电网三相电源，L是消弧线圈的等值电感，CA、CB、CC分别是三相对地电容，RA、RB、RC是三相对地泄漏电阻，Rf是故障点过渡电阻，
Figure BDA0002492188840000041
为三相相电压相量(三相线路对地电压相量)，
Figure BDA0002492188840000042
是中性点位移电压相量(中性点对地电压)相量。
根据KVL可以得到：
Figure BDA0002492188840000043
式中：YA、YB、YC分别为线路A、B、C三相对地导纳，YL为中性点对地电纳，有YA＝1/RA+jωCA、YB＝1/RB+jωCB、YC＝1/RC+jωCC、YL＝1/jωL。
分别假设K,K＝A,B,C相为故障相(发生单相接地故障)，则未发生故障时(正常运行时)中性点位移电压
Figure BDA0002492188840000044
可表示为：
Figure BDA0002492188840000045
其中，
Figure BDA0002492188840000046
α为相量算子，有α＝1ej120°；
故障发生后中性点位移电压
Figure BDA0002492188840000047
为：
Figure BDA0002492188840000048
故障发生前到故障发生后中性点位移电压的变化量
Figure BDA0002492188840000049
为：
Figure BDA0002492188840000051
故障相电压
Figure BDA0002492188840000052
为：
Figure BDA0002492188840000053
因此，对任一故障相K,K＝A,B,C，均有
Figure BDA0002492188840000054
进一步可得：
Figure BDA0002492188840000055
令
Figure BDA0002492188840000056
则有：
Figure BDA0002492188840000057
将其表示为指数形式有：
Figure BDA0002492188840000058
其中，
Figure BDA0002492188840000059
为故障相相电压相量
Figure BDA00024921888400000510
与中性点位移电压相量变化量
Figure BDA00024921888400000511
的理论辐角差；有：
Figure BDA00024921888400000512
又根据脱谐度ν和阻尼率d的定义，有：
Figure BDA0002492188840000061
Figure BDA0002492188840000062
因此，结合(9)～(11)，式(9)可进一步化简为：
Figure BDA0002492188840000063
式中：ν为脱谐度，d为阻尼率。
由此，根据式(11)，故障相相电压相量
Figure BDA0002492188840000064
与中性点位移电压相量变化量
Figure BDA0002492188840000065
的辐角差存在固定的关系，其理论辐角差为
Figure BDA0002492188840000066
其不受过渡电阻大小的影响，以此可以准确判定故障相别。且对于对称配电网，故障前中性点位移电压为零，此方法同样适用。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明适用于中性点不接地及经消弧线圈接地的配电网系统，适用范围广；
(2)本发明充分考虑了线路泄漏电阻和三相对地参数不对称的情况，消除了故障点过渡电阻对选相结果的影响，使故障选相结果更为精确可靠；
(3)选相过程中仅需测量三相电压与中性点位移电压，现有测量设备即可提供所需数据，不用增加相应选相设备，故障选相成本较低，在工程上具有较强的经济性。
附图说明
图1为不对称配电网单相接地拓扑图。
图2为消弧线圈全补偿状态下零电位随过渡电阻变化的轨迹图。
图3为消弧线圈过补偿状态下零电位随过渡电阻变化的轨迹图。
图4为消弧线圈欠补偿状态下及中性点不接地系统零电位随过渡电阻变化的轨迹图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的内容作进一步的说明和解释。
实施例1：
本实施例提供一种配电网单相接地故障选相方法，包括以下步骤：
步骤1、实时监测配电网中性点位移电压，获得相应的中性点位移电压相量，若其幅值变化量
Figure BDA0002492188840000071
大于设定阈值，则判断故障发生，执行步骤2；
步骤2、测量配电网A、B、C三相相电压
Figure BDA0002492188840000072
获得相应的三相相电压相量
Figure BDA0002492188840000073
和
Figure BDA0002492188840000074
步骤3、计算故障发生前后中性点位移电压相量的变化量
Figure BDA0002492188840000075
其中
Figure BDA0002492188840000076
为故障发生前的中性点位移电压相量，
Figure BDA0002492188840000077
为故障发生后的中性点电压相量；
计算
Figure BDA0002492188840000078
K＝A,B,C与
Figure BDA0002492188840000079
的实际辐角(初始相位)差
Figure BDA00024921888400000710
Figure BDA00024921888400000711
步骤4、按以下公式计算实际辐角差与理论辐角差的差值
Figure BDA00024921888400000712
Figure BDA00024921888400000713
式中，
Figure BDA00024921888400000714
为故障相相电压相量与中性点位移电压相量变化量的理论辐角差；
步骤5、将
Figure BDA00024921888400000715
所对应的相判定为故障相，从而实现配电网单相接地故障选相。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上，所述步骤1中，设定阈值为配电网额定相电压的一定比例。
实施例3：
本实施例在实施例2的基础上，所述步骤1中，设定阈值为3％配电网额定相电压。
实施例4：
本实施例在实施例1的基础上，所述步骤4中，理论辐角差
Figure BDA00024921888400000716
的计算公式为：
Figure BDA0002492188840000081
其中，∑g和∑C为配电网对地绝缘参数(可通过测量得到)，
Figure BDA0002492188840000084
RA、RB和RC分别为配电网三相对地泄漏电阻，CA、CB和CC分别为配电网三相对地电容；ω为工频交流电的角频率。
实施例5：
本实施例在实施例1的基础上，所述步骤4中，理论辐角差
Figure BDA0002492188840000085
的计算公式为：
Figure BDA0002492188840000086
式中，ν为配电网脱谐度，对于中性点不接地及经消弧线圈接地方式的配电网，其脱谐度根据消弧线圈补偿状态得到，对于中性点不接地的配电网，其脱谐度视为1；d为配电网阻尼率；ν和d可基于配电网数据库获取。
实施例6：
本实施例提供一种配电网单相接地故障选相装置，包括以下模块：
中性点电压监测模块，用于实时监测配电网中性点位移电压，获得相应的中性点位移电压相量；
相电压采集模块，用于测量配电网A、B、C三相相电压，获得相应的三相相电压相量
Figure BDA0002492188840000087
和
Figure BDA0002492188840000088
电压分析模块，与中性点电压监测模块相连，用于计算中性点位移电压相量的幅值变化量
Figure BDA0002492188840000089
并判断
Figure BDA00024921888400000810
是否大于设定阈值，若是，则判断故障发生；并记录故障发生前后中性点位移电压相量的变化量
Figure BDA00024921888400000811
其中
Figure BDA00024921888400000812
为故障发生前的中性点位移电压相量，
Figure BDA00024921888400000813
为故障发生后的中性点电压相量；
辐角差计算模块，与相电压采集模块和电压分析模块相连，用于在故障发生后，计算计算
Figure BDA00024921888400000814
K＝A,B,C与
Figure BDA00024921888400000815
的实际辐角差
Figure BDA00024921888400000816
Figure BDA0002492188840000091
差值计算模块，与辐角差计算模块相连，用于计算实际辐角差与理论辐角差的差值
Figure BDA0002492188840000092
Figure BDA0002492188840000093
式中，
Figure BDA0002492188840000094
为故障相相电压相量与中性点位移电压相量变化量的理论辐角差；
差值比较模块，用于将
Figure BDA0002492188840000095
所对应的相判定为故障相，从而实现配电网单相接地故障选相。
实施例7：
本实施例在实施例6的基础上，所述的配电网单相接地故障选相装置还包括显示模块，与差值比较模块相连，用于显示故障选相结果。
实施例8：
本实施例在实施例6的基础上，所述中性点电压监测模块和相电压采集模块输出端均连接信号处理电路，用于对其采集的电压信号进行滤波A/D转换后再输出至后级电路；所述信号处理电路包括串联连接的滤波电路和A/D转换电路。
本发明上述实施例所提供的配电网单相接地故障选相方法及装置通过测量相电压与中性点位移电压相量变化量来得到实际辐角差，并与实际辐角差作比较来实现故障相判定，考虑了系统不对称度以及泄露电阻，且消除了过渡电阻大小的影响，选相结果准确性不受配电网对称度和过渡电阻的影响，适用于中性点不接地的配电网系统以及不同补偿状态的经消弧线圈接地的配电网系统，实现方式简单，成本低，可以更加准确地判别配电网单相接地故障中故障相。
图1为不对称配电网单相接地拓扑图。
本发明适用于中性点不接地及经消弧线圈接地的配电网系统，对于中性点不接地配电网，消弧线圈电感值相当于无限大，相当于脱谐度为1；对于中性点经消弧线圈接地配电网，当消弧线圈处于不同补偿状态时，脱谐度不同。如图2所示，当消弧线圈全补偿时，脱谐度ν＝0，即
Figure BDA0002492188840000096
零电位随过渡电阻增大沿轨迹1由A趋向于O。
图3为消弧线圈处于过补偿状态时零电位轨迹图，脱谐度ν＜0，即
Figure BDA0002492188840000097
零电位随过渡电阻增大沿轨迹2逆时针由A趋向于O。
如图4所示，当消弧线圈处于欠补偿状态时，脱谐度ν＞0，或中性点不接地时，相当于L无限大，即ν＝1，此时有
Figure BDA0002492188840000101
零电位随过渡电阻增大沿轨迹3顺时针由A趋向于O，当过渡电阻过大以至于零电位位于弧OS中时，最高电压相为B相，按传统选相方法将会出现选相错误。
为验证本发明上述实施例所描述的配电网单相接地故障选相方法及装置的可靠性，在PSCAD中搭建10kV配电网的单相接地故障模型，并对于中性点不接地以及不同补偿状态的中性点经消弧线圈接地系统进行仿真，均假设为A相发生接地故障。为消除测量精度等带来的误差，将实际辐角差与理论辐角差
Figure BDA0002492188840000102
进行比较，其相角偏移值
Figure BDA0002492188840000103
最小值所对应的相为故障相，有：
Figure BDA0002492188840000104
式中：K＝A，B，C。
中性点不接地配电网参数设置为：RA＝159kΩ,CA＝1.0μF；RB＝127kΩ,CB＝1.25μF；RC＝106kΩ,CC＝1.5μF。计算可得线路阻尼率d＝0.02，中性点不接地时脱谐度ν＝1。计算可得：
Figure BDA0002492188840000105
中性点经消弧线圈接地配电网参数设置为：RA＝143kΩ,CA＝1.1μF；RB＝130kΩ,CB＝1.25μF；RC＝115kΩ,CC＝1.35μF。过补偿时L＝2.608H，脱谐度为-5％；欠补偿时L＝3.043H，脱谐度为10％；全补偿时L＝2.738H。计算可得：全补偿
Figure BDA0002492188840000106
过补偿
Figure BDA0002492188840000107
欠补偿
Figure BDA0002492188840000108
采用本发明所提的配电网单相接地故障选相方法进行故障选相。如下表1为中性点不接地的配电网系统故障选相结果。表2所示为中性点经消弧线圈接地的配电网系统故障选相结果，表中电压以相量形式表达，即正弦电压的瞬时值表达式为u(t)＝Umsin(ωt+θ)，则对应的电压相量为
Figure BDA0002492188840000109
式中Um为正弦电压的幅值(有效值)，θ为电压的初始相位。
表1
Figure BDA0002492188840000111
表2
Figure BDA0002492188840000112
Figure BDA0002492188840000121
由上述两表看到，本发明上述实施例所提出的配电网单相接地故障选相方法及装置在中性点不接地系统以及经消弧线圈接地配电网系统中均可消除过渡电阻的影响实现故障相的准确判别。

Claims (8)

1.一种配电网单相接地故障选相方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、实时监测配电网中性点位移电压，获得相应的中性点位移电压相量，若其幅值变化量
Figure FDA0003385911820000011
大于设定阈值，则判断故障发生，执行步骤2；
步骤2、测量配电网A、B、C三相相电压
Figure FDA0003385911820000012
获得相应的三相相电压相量
Figure FDA0003385911820000013
和
Figure FDA0003385911820000014
步骤3、计算故障发生前后中性点位移电压相量的变化量
Figure FDA0003385911820000015
其中
Figure FDA0003385911820000016
为故障发生前的中性点位移电压相量，
Figure FDA0003385911820000017
为故障发生后的中性点电压相量；
计算
Figure FDA0003385911820000018
与
Figure FDA0003385911820000019
的实际辐角差
Figure FDA00033859118200000110
Figure FDA00033859118200000111
步骤4、按以下公式计算实际辐角差与理论辐角差的差值
Figure FDA00033859118200000112
Figure FDA00033859118200000113
式中，
Figure FDA00033859118200000114
为故障相相电压相量与中性点位移电压相量变化量的理论辐角差；
步骤5、将
Figure FDA00033859118200000115
所对应的相判定为故障相，从而实现配电网单相接地故障选相。
2.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障选相方法，包括以下步骤：其特征在于，所述步骤1中，设定阈值为配电网额定相电压的一定比例。
3.根据权利要求2所述的配电网单相接地故障选相方法，其特征在于，所述步骤1中，设定阈值为3％配电网额定相电压。
4.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障选相方法，其特征在于，所述步骤4中，理论辐角差
Figure FDA00033859118200000116
的计算公式为：
Figure FDA00033859118200000117
其中，∑g和∑C为配电网对地绝缘参数，
Figure FDA00033859118200000118
∑C＝CA+CB+CC，RA、RB和RC分别为配电网三相对地泄漏电阻，CA、CB和CC分别为配电网三相对地电容；ω为工频交流电的角频率；L为消弧线圈的等值电感。
5.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障选相方法，其特征在于，所述步骤4中，理论辐角差
Figure FDA0003385911820000021
的计算公式为：
Figure FDA0003385911820000022
式中，ν为配电网脱谐度，对于中性点不接地及经消弧线圈接地方式的配电网，其脱谐度根据消弧线圈补偿状态得到，对于中性点不接地的配电网，其脱谐度视为1；d为配电网阻尼率。
6.一种配电网单相接地故障选相装置，其特征在于，包括以下模块：
中性点电压监测模块，用于实时监测配电网中性点位移电压，获得相应的中性点位移电压相量；
相电压采集模块，用于测量配电网A、B、C三相相电压，获得相应的三相相电压相量
Figure FDA0003385911820000023
和
Figure FDA0003385911820000024
电压分析模块，与中性点电压监测模块相连，用于计算中性点位移电压相量的幅值变化量
Figure FDA0003385911820000025
并判断
Figure FDA0003385911820000026
是否大于设定阈值，若是，则判断故障发生；并记录故障发生前后中性点位移电压相量的变化量
Figure FDA0003385911820000027
其中
Figure FDA0003385911820000028
为故障发生前的中性点位移电压相量，
Figure FDA0003385911820000029
为故障发生后的中性点电压相量；
辐角差计算模块，与相电压采集模块和电压分析模块相连，用于在故障发生后，计算
Figure FDA00033859118200000210
与
Figure FDA00033859118200000211
的实际辐角差
Figure FDA00033859118200000212
Figure FDA00033859118200000213
差值计算模块，与辐角差计算模块相连，用于计算实际辐角差与理论辐角差的差值
Figure FDA00033859118200000214
Figure FDA00033859118200000215
式中，
Figure FDA00033859118200000216
为故障相相电压相量与中性点位移电压相量变化量的理论辐角差；
差值比较模块，用于将
Figure FDA0003385911820000031
所对应的相判定为故障相，从而实现配电网单相接地故障选相。
7.根据权利要求6所述的配电网单相接地故障选相装置，其特征在于，还包括显示模块，与差值比较模块相连，用于显示故障选相结果。
8.根据权利要求6所述的配电网单相接地故障选相装置，其特征在于，所述中性点电压监测模块和相电压采集模块输出端均连接信号处理电路，用于对其采集的电压信号进行滤波A/D转换后再输出至后级电路。
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