CN111693890A - 一种配电网单相接地故障处理系统及方法 - Google Patents

一种配电网单相接地故障处理系统及方法 Download PDF

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王磊明
郭磊
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费云中
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Abstract

本发明为一种配电网单相接地故障处理系统及方法，系统包括灵活接地模块和FTU，中性点通过灵活接地模块接地，FTU与灵活接地模块相连，灵活接地模块包括消弧线圈和小电阻接入支路。方法包括：S1：判断单相接地故障持续时间是否超过预设时间；若是，使中性点通过小电阻R1接地；若否，则不做处理；S2：是否满足零序差动保护条件，若是，进行故障定位确定故障线路并切断故障线路，若否，则继续检测；使故障线路重合闸，重复进行步骤S1‑S2。本发明的优点是：通过灵活接地模块，即不改变正常情况下的配网中性点接地方式，又能在需要的时候快速切除故障，保障设备安全，不需要增加额外的二次设备，成本低，实现简单；运用零序差动保护技术，能够确定故障线路。

Description

一种配电网单相接地故障处理系统及方法
技术领域
本发明涉及配电网维护领域，尤其涉及一种配电网单相接地故障处理系统及方法。
背景技术
为了保证配电网的不停电运行，传统电力系统配网中性点通常采用不接地、经高阻接地或者经消弧线圈接地的方式，当系统发生单相接地故障时，规程规定允许带故障运行1到2个小时，但在电网实际应用中，往往要求尽快将故障点找到，以防止瞬时故障发展成永久故障或者单相接地发展成相间短路，在经消弧线圈接地情况下故障电流很小，不易烧毁设备，但会造成故障选线及定位的困难。
发明内容
本发明主要解决了上述问题，提供了一种在配电网正常运行时 20kV中性点经消弧线圈接地，发生单相接地故障后，经延时若故障依旧存在投入并联接地小电阻，使故障电流和零序电流迅速增加，并依次进行故障定位和处理的配电网单相接地故障处理系统及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种配电网单相接地故障处理系统，包括灵活接地模块和FTU，中性点通过灵活接地模块接地，FTU与灵活接地模块相连，所述灵活接地模块包括消弧线圈和小电阻接入支路，所述消弧线圈第一端与中性点相连，消弧线圈第二端接地，所述小电阻接入支路与消弧线圈并联，小电阻接入支路包括小电阻R1和用于控制小电阻R1接入和断开的切投电路。
电网正常运行时，FTU监测配网的电容电流，中性点只通过消弧线圈接地，不接入小电阻，当发生单相接地故障时，通过消弧线圈补偿故障电流防止烧毁设备，瞬时故障经过一定时间消失，永久性故障经一定的延时后通过切投电路时中心点通过小电阻R1接地，避免非故障相对地电压升高，在接入小电阻R1后，故障线路电源侧零序电流会增大，根据零序电流迅速查找到故障线路。
作为上述方案的一种优选方案，当所述FTU检测到发生单相接地故障且保持一段时间后，FTU控制切投电路接入小电阻R1，使中性点通过小电阻R1接地。单相接地故障分为瞬时性故障和永久性故障，瞬时性故障在发生后能够在短时间内消失，单项接地故障持续一段时间后接入小电阻R1，筛掉瞬时性故障，避免小电阻R1频繁接入。
作为上述方案的一种优选方案，在发生单相接地故障时，消弧线圈进行过补偿：
Figure BDA0002467711410000021
其中，IL为补偿的电感电流，Kp为过补偿度，IC∑为全系统对地电容电流之和。
对应的，本发明还提供一种配电网单相接地故障处理方法，采用上述配电网单相接地故障处理系统，包括以下步骤：
S1：所述FTU在检测到发生单相接地故障时判断单相接地故障持续时间是否超过预设时间；若是，则控制切投电路使中性点通过小电阻R1接地；若否，则不做处理；
S2：检测各相电流，判断是否满足零序差动保护条件，若是，则进行故障定位确定故障线路并切断故障线路，若否，则继续检测；
S3：使故障线路重合闸，重复进行步骤S1-S2。
通过延时接入小电阻R1，筛除瞬时性单相接地故障，避免小电阻R1频繁接入；通过故障定位条件判断是否进行故障定位，提供故障定位的准确性和系统的可靠性；部分发生永久性单相接地故障经过重合闸后会消失，因此通过故障线路重合闸，消去部分永久性单相接地故障，避免长时间停电；对于无法通过重合闸消去的永久性单相接地故障，则切断故障线路，进行人工处理。
作为上述方案的一种优选方案，所述零序差动保护条件为：
Figure BDA0002467711410000031
||id(k)-id(k-N)|-|id(k-N)-id(k-2N)||≥Kd|id(k-N)- id(k-2N)|
其中，id(k)为第k个采样点的零序电流瞬时值；id(k-N)为第k 个采样点在一个工频周期前的瞬时值；
Figure BDA0002467711410000032
为系统无故障时相电流的有效值；Ke为可靠系数；Kd为突变量可靠系数。采用零序电流突变量进行零序差动保护并作为故障定位条件能够减少负载三相不对称，震荡，负荷变化以及无效数据对干扰突变量算法影响，避免造成保护误动，保证了保护装置的可靠性，其中，Ke用于避免负荷变化较小时由于外部扰动时引起的误动作，Kd避免负荷变化比较显著时由于干扰引起的误动作。
作为上述方案的一种优选方案，在进行故障定位时，通过FTU 获取零序电流，在接入小电阻R1后零序电流增大的线路即为故障线路。
作为上述方案的一种优选方案，在定位故障线路后，FTU控制切投电路断开小电阻R1使中性点通过消弧线圈接地。
本发明的优点是：通过灵活接地模块，在配网系统发生单相接地一段时间判断为永久性故障后投入小电阻接地，此时故障稳态特特征明显，运用零序差动保护技术，通过简单计算就能够确定故障线路，即不改变正常情况下的配网中性点接地方式，又能在需要的时候快速切除故障，保障设备安全，不需要增加额外的二次设备，成本低，实现简单。
附图说明
图1为实施例1中灵活接地模块的一种电路原理图。
图2为实施例1中配电网单相接地故障处理方法的一种流程示意图。
图3为实施例2中小电流接地仿真系统的一种接线图。
图4为实施例2中d2故障时零序电压波形图。
图5为实施例2中d2故障时零序电流波形图。
图6为实施例2中d1故障时线路1两侧故障相电流波形图。
图7为实施例2中d1故障时线路1两侧零序电流波形图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例：
本实施例一种配电网单相接地故障处理系统，包括灵活接地模块和FTU，中性点通过灵活接地模块接地，FTU与灵活接地模块相连，如图1所示，灵活接地模块包括消弧线圈L1和小电阻接入支路，消弧线圈L1第一端与中性点相连，消弧线圈L1第二端接地，小电阻接入支路与消弧线圈L1并联，小电阻接入支路包括小电阻R1和用于控制小电阻R1接入和断开的切投电路。切投电路与小电阻R1串联，切投电路包括并联的大电阻R2和开关K1，开关K1受FTU控制，在正常情况下，开关K1断开，大电阻R2与小电阻R1串联，大电阻R2 电阻极大，因此在开关K1断开时，小电阻接入支路相当于断路，中性点通过消弧线圈接地；当发生单相接地故障时，消弧线圈进行过补偿补偿故障电流防止设备烧毁，过补偿理论计算公式为：
Figure BDA0002467711410000051
其中，IL为补偿的电感电流，Kp为过补偿度，IC∑为全系统对地电容电流之和，过补偿度通常为5％～10％。
配电网中单相接地故障分为瞬时性和永久性，对于瞬时性单相接地故障，在短时间内会自动消除，通常为3s；对于永久性单相接地故障，在对故障线路进行重合闸之后，会有一定概率消失。因此，当单相接地故障3s后，FTU控制开关K1闭合，使大电阻R2短路，小电阻接入支路变为通路，即接入小电阻R1，中性点通过小电阻R1接地，此时，故障线路中零序电流增大，触发零序差动保护即进行故障定位以确定故障线路并切断故障线路，在切断故障线路后，对故障线路进行重合闸，若重合闸后还存在单相接地故障，则再次切断故障线路，进行人工排查。
对应的，本实施例还提供一种配电网单相接地故障处理方法，采用上述一种配电网单相接地故障处理系统，如图2所示，包括以下步骤：
S1：所述FTU在检测到发生单相接地故障时判断单相接地故障持续时间是否超过预设时间，预设时间为3s；若是，则控制切投电路使中性点通过小电阻R1接地；若否，则不做处理；
S2：FTU通过无线专网实时检测各相电流，判断是否满足零序差动保护条件，若是，则进行故障定位确定故障线路，在进行故障定位时，通过FTU获取零序电流，在接入小电阻R1后零序电流增大的线路即为故障线路，在确定故障线路切断故障线路同时FTU控制切投电路断开小电阻R1使中性点通过消弧线圈接地，若否，则继续检测；零序差动保护条件为：
Figure BDA0002467711410000061
||id(k)-id(k-N)|-|id(k-N)-id(k-2N)||≥Kd|id(k-N)- id(k-2N)|
其中，id(k)为第k个采样点的零序电流瞬时值；id(k-N)为第k 个采样点在一个工频周期前的瞬时值；
Figure BDA0002467711410000062
为系统无故障时相电流的有效值；Ke为可靠系数，为了避免负荷变化较小时由于外部扰动时引起的误动作，取0.2～0.4；Kd为突变量可靠系数，为了避免负荷变化比较显著时由于干扰引起的误动作，采用零序差动保护，能够减少负载三相不对称，震荡，负荷变化以及无效数据对干扰突变量算法影响，避免造成保护误动，保证了保护装置的可靠性；
S3：使故障线路重合闸，重复进行步骤S1-S2，故障线路只进行一次重合闸，在进行重合闸后若还是存在单相接地故障，则在切断故障线路后进行人工排查。
实施例2：
本实施例采用MATLAB仿真对零序差动保护时定位故障线路进行验证，通过Matlab建立20k V中性点经消弧线圈并联20Ω小电阻接地过补偿运行方式的小电流接地仿真系统，系统图如图3所示，参数设置三相电压源为110k V；变压器T1的额定容量为20MVA，短路损耗135k W，空载损耗22k W，变比110kV/20.5kV；按照过补偿8％设置消弧线圈，消弧电感为0.265H，从上往下为线路1，线路 2，线路3，线路41，线路42，支路41，线路43，支路42，线路44，线路1、2、3，43末端接变压器T2,变比20kV/400V,容量640Kva,高压侧Y形联结,低压侧Y形联结中性点直接接地，接负载500kw，功率因数0.85。
根据嘉兴供电公司的大数据统计，大部分瞬时接地能在3秒内熄灭，所以设定延时3秒闭合并联小电阻开关，本实施例为了仿真时能够更简单显示波形，故在0.3秒时设置单相接地，延时0.3秒投入并联小电阻，对线路靠近母线的一侧称之为母线侧，线路末端远离母线的末端称之为对侧，分别在线路1靠近母线侧d1，线路41靠近母线侧d2和对侧d3，线路42靠近母线侧d4，过渡电阻分别在0Ω、150Ω、 300Ω进行仿真，线路1串联三个电阻分别为1Ω，5Ω，10Ω模拟系统正常运行存在三相不平衡有零序电流。
如图4、图5所示，在0.3秒时在对d2设置单相接地后系统产生一个很大零序电压，当0.6秒投入并联小电阻后，故障线路零序电压继续保持一个比较大的值没有变化，而故障线路电源侧零序电流则明显升高；如图6、图7所示，在0.3秒时在对d1设置单相接地后，母线侧测量得到故障相电流和零序电路略下降，当小电阻接地后故障电流和零序电流迅速增大，因此通过零序电流在连续三个工频周期的值的变化量作为零序差动保护的触发条件：
Figure BDA0002467711410000081
||id(k)-id(k-N)|-|id(k-N)-id(k-2N)||≥Kd|id(k-N)- id(k-2N)|
其中，id(k)为第k个采样点的零序电流瞬时值；id(k-N)为第k 个采样点在一个工频周期前的瞬时值；
Figure BDA0002467711410000082
为系统无故障时相电流的有效值；Ke为可靠系数；Kd为突变量可靠系数。此外，还可以根据零序电流定位故障电路。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种配电网单相接地故障处理系统，其特征是：包括灵活接地模块和FTU，中性点通过灵活接地模块接地，FTU与灵活接地模块相连，所述灵活接地模块包括消弧线圈和小电阻接入支路，所述消弧线圈第一端与中性点相连，消弧线圈第二端接地，所述小电阻接入支路与消弧线圈并联，小电阻接入支路包括小电阻R1和用于控制小电阻R1接入和断开的切投电路。
2.根据权利要求1所述的一种配电网单相接地故障处理系统，其特征是：当所述FTU检测到发生单相接地故障且保持一段时间后，FTU控制切投电路接入小电阻R1，使中性点通过小电阻R1接地。
3.根据权利要求1或2所述的一种配电网单相接地故障处理系统，其特征是：在发生单相接地故障时，消弧线圈进行过补偿：
Figure FDA0002467711400000011
其中，IL为补偿的电感电流，Kp为过补偿度，IC∑为全系统对地电容电流之和。
4.一种配电网单相接地故障处理方法，采用权利要求1-3任一项所述的配电网单相接地故障处理系统，其特征是：包括以下步骤：
S1：所述FTU在检测到发生单相接地故障时判断单相接地故障持续时间是否超过预设时间；若是，则控制切投电路使中性点通过小电阻R1接地；若否，则不做处理；
S2：检测各相电流，判断是否满足零序差动保护条件，若是，则进行故障定位确定故障线路并切断故障线路，若否，则继续检测；
S3：使故障线路重合闸，重复进行步骤S1-S2。
5.根据权利要求4所述的一种配电网单相接地故障处理系统，其特征是：所述零序差动保护条件为：
Figure FDA0002467711400000021
||id(k)-id(k-N)|-|id(k-N)-id(k-2N)||≥Kd|id(k-N)-id(k-2N)|
其中，id(k)为第k个采样点的零序电流瞬时值；id(k-N)为第k个采样点在一个工频周期前的瞬时值；
Figure FDA0002467711400000022
为系统无故障时相电流的有效值；Ke为可靠系数；Kd为突变量可靠系数。
6.根据权利要求4所述的一种配电网单相接地故障处理系统，其特征是：在进行故障定位时，通过FTU获取零序电流，在接入小电阻R1后零序电流增大的线路即为故障线路。
7.根据权利要求4所述的一种配电网单相接地故障处理系统，其特征是：在定位故障线路后，FTU控制切投电路断开小电阻R1使中性点通过消弧线圈接地。
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