CN111948569A - 一种基于类伏安特性的间歇性弧光接地故障检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于类伏安特性的间歇性弧光接地故障检测方法，步骤(1)、对馈线的零序电压u₀(t)和相电压u_a(t)、u_b(t)、u_c(t)持续采样，对采样值低通滤波，获得每个电气量一个工频周波含N点的离散值序列；步骤(2)、分别计算工频相角差；步骤(3)、获得与相位差最小的序列；步骤(4)、以零序电压、零序电流的相位差特征和类伏安特性曲线的斜率特征作为间歇性弧光接地故障识别的依据，实现了间歇性弧光接地故障的检测；本发明能够有效地识别出中性点经消弧线圈接地配电系统间歇性弧光接地故障的发生，检测算法具有较高的可靠性和灵敏性，对快速地切除故障、保护人员的生命安全具有重要的意义，工程应用前景广。

Description

一种基于类伏安特性的间歇性弧光接地故障检测方法

技术领域

本发明属于电力系统配电线系统继电保护技术领域，特别涉及一 种基于类伏安特性的间歇性弧光接地故障检测方法。

背景技术

配电网的安全、稳定运行是对用户可靠供电的重要保证。配电网 结构复杂，中性点接地方式多变，故障概率较高，其中单相接地故障 所占的比重最大，约占故障总数的80％左右。以中性点经消弧线圈接 地配电系统为主的中性点非有效接地配电网属于典型的小电流接地 系统，发生单相接地故障时无明显的工频故障电流回路，稳态故障电 流幅值较小；由于消弧线圈补偿作用，故障工频电流将失去显著的方 向特征，检测的难度大。此外，发生单相接地故障时，线路与大地间 的电压差往往会导致空气间隙或固体介质绝缘的击穿，导致间歇性电 弧的产生。现有的故障检测方法在应对此类非线性间歇性弧光接地故障时暴露出明显的缺陷，如：未考虑非线性电弧的影响、不能有效地 应对间歇性弧光接地故障的微弱电气量，灵敏性较差等，导致故障长 时间存在而不能被及时地发现，容易发展为更为严重的两相短路、甚 至三相短路故障，甚至引发火灾、损坏电力设备、造成人员触电伤亡。

对于间歇性弧光接地故障的检测，现有的故障检测方法按不同的 类别可以分为：稳态分析法、暂态分析法、行波法以及人工智能法四 大类。稳态分析法大多仅适用于金属性接地故障，应对间歇性弧光接 地故障的检测效果往往较差，其根源在于：中性点经消弧线圈接地配 电系统发生弧光接地故障时，工频电流、有功分量、单一的谐波分量 等稳态电气量的含量较低，检测的难度较大，容易造成基于上述电气 量的方向、幅值等的误判，可靠性较差。大多数的暂态分析法在过渡 电阻不大时故障特征明显，具有相对可靠的检测效果，但在应对间歇 性弧光接地故障时，因接地电弧的非线性、较高的接地电阻等导致检 测算法的可靠性较差。行波法最大的优点是不受中性点运行方式的影 响，能够摆脱消弧线圈的干扰，但该方法的灵敏启动易受过渡电阻的 制约。而在实际的中性点经消弧线圈接地配电系统中，弧光接地故障 检测的故障样本数据极少、选样标准不一致、物理意义不清晰是人工 智能法致命的缺点。

现有的故障检测方法并未从根本上解决间歇性弧光接地故障检 测的问题，检测算法的可靠性和灵敏性无法统筹兼顾。因此，有待进 一步研究、设计具有高可靠性、高灵敏性的间歇性弧光接地故障检测 方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于 类伏安特性的间歇性弧光接地故障检测方法，以零序电压、相电压的 相位差特征和类伏安特性曲线的斜率特征作为间歇性弧光接地故障 检测的依据，具有较高的可靠性和灵敏性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于类伏安特性的间歇性弧光接地故障检测方法，包括以下 步骤：

步骤(1)、对馈线的零序电压u₀(t)和相电压u_a(t)、u_b(t)、u_c(t) 持续采样，采样频率f取2kHz—20kHz，对采样值低通滤波，滤波器 的截止频率设为500Hz，获得每个电气量一个工频周波含N点的离散 值序列，分别记作f₀(m)、f₁(m)、f₂(m)、f₃(m)，m＝1,2,……N，对数据分别以各自的最大值为基准进行标幺，获得一个周波含N点的离 散值序列u₀(n)、u_a(n)、u_b(n)、u_c(n)，如：

步骤(2)、用傅里叶变换计算u₀(n)、u_a(n)、u_b(n)、u_c(n)的工 频分量，分别计算u_a(n)、u_b(n)、u_c(n)与u₀(n)的工频相角差，如果 存在某个相角差Δφ在165°～195°，则进行步骤三，否则重复步 骤一；

步骤(3)、根据步骤(2)计算出的相角差Δφ，将u₀(n)进行 相应的循环移位校正相位，获得与u_a(n)相位差最小的序列u_{0_shift}(n)：

步骤(4)、利用最小二乘法公式分段线性拟合u_a(n)和u_{0_shift}(n) 的类伏安特性关系：分别以u_a(n)的过零点和最大值点为中心，各取 1/5周波的数据，拟合得到直线的斜率，分别记作k₁和k₂；最小二乘 法公式如式(3)所示，其中，k代表斜率，u_a(j)和u_{0_shift}(j)分别代 表相电压和零序电压的采样点，n表示参与拟合的数据长度：

步骤(5)、如果满足|k₁|>1且0<|k₂|<1，则判断：疑似发生了 间歇性弧光接地故障，触发跳闸标志M计数1次，并进入步骤6)， 否则进入步骤1)；

步骤(6)、重复步骤1)至步骤5)，满足一次疑似间歇性弧光 接地故障M累加1次，如果触发跳闸标志M超过阈值T_set，则判断： 发生了间歇性弧光接地故障，阈值T_set取2。

本发明的优点：本发明所提的配电系统间歇性弧光高阻接地 故障检测算法以相电压和零序电压的相位差特征作为疑似间歇性 弧光接地故障判据，保证了算法的高灵敏性；类伏安特性曲线的 斜率特征无需整定，可以定性地实现间歇性弧光接地故障检测的检测，保证了算法的高可靠性，检测算法的高可靠性和高灵敏性 兼具，有助于及时发现故障，减少危害。

附图说明

图1是本发明实施例的中性点经消弧线圈接地配电系统间歇性 弧光接地故障检测的流程图。

图2是本发明采用的10kV配电线路模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细叙述。

一种基于类伏安特性的间歇性弧光接地故障检测方法，详细说明 如下：

本发明的实施例是基于PSCAD仿真软件搭建的典型10kV配电系 统模型，如图2所示，系统中包含F₁-F₄共4条馈线(1条分支线路、 1条纯电缆线路、1条缆线混合线路、1条纯架空线路)，线路参数如 下表所示，设置在0.08s在馈线F₄距离母线1km处发生间歇性弧光 接地故障，将故障点处的过渡电阻看作是电弧电阻R_arc和固定电阻R_con (200欧姆)的串联，电弧电阻由非线性对数电弧模型确定，设置消 弧线圈补偿度为8％，仿真模型的采样频率f＝2kHz。

按照图1所示的检测算法流程图，包括以下步骤：

步骤(1)、对馈线的零序电压u₀(t)和相电压u_a(t)、u_b(t)、u_c(t) 持续采样，对采样值低通滤波，滤波器的截止频率设为500Hz，获得 每个电气量一个工频周波含40点的离散值序列，分别记作f₀(m)、 f₁(m)、f₂(m)、f₃(m)，m＝1,2,……40，利用公式(1)对数据分别以各自的最大值为基准进行标幺，获得一个周波含40点的离散值序列 u₀(n)、u_a(n)、u_b(n)、u_c(n)：

u_a(n)＝

0.94	0.90	0.91	0.87	0.80	0.71	0.61	0.49
								0.37	0.23	0.08	-0.12	-0.34	-0.53	-0.69	-0.82
-0.91	-0.97	-1.00	-0.99	-0.94	-0.91	-0.91	-0.87
								-0.80	-0.71	-0.61	-0.50	-0.37	-0.23	-0.08	0.11
0.34	0.53	0.69	0.82	0.91	0.97	1.00	0.99

u_b(n)＝

u_c(n)＝

-0.71	-0.58	-0.36	-0.17	0.01	0.20	0.39	0.57
								0.73	0.88	1.00	1.00	0.96	0.94	0.92	0.90
0.87	0.83	0.80	0.76	0.71	0.58	0.36	0.17
								-0.01	-0.20	-0.39	-0.57	-0.73	-0.88	-1.00	-1.00
-0.96	-0.94	-0.92	-0.90	-0.87	-0.83	-0.80	-0.76

u₀(n)＝

步骤(2)、用傅里叶变换计算u₀(n)、u_a(n)、u_b(n)、u_c(n)的工 频分量，分别计算u_a(n)、u_b(n)、u_c(n)与u₀(n)的工频相角差为：44.24°，-62.5°,168.6°，u_c(n)与u₀(n)间的相角差Δφ在 165°～195°之间；

步骤(3)、按照公式(2)对u₀(n)进行循环移位，校正相位后获 得离散值序列u_{0_shift}(n)：

u_{0_shift}(n)＝

步骤(4)、利用最小二乘法公式(3)分段线性拟合u_c(n)和u_{0_shift} (n)的类伏安特性关系：分别以u_c(n)的过零点和最大值点为中心，各 取1/5周波的数据，拟合得到直线的斜率分别为：k₁＝54.24，k₂＝- 0.06。满足|k₁|>1且0<|k₂|<1，判断：疑似发生了间歇性弧光接地 故障，触发跳闸标志M计数1次。对后续整周波内的离散值序列按照 前述的方法计算拟合斜率，在后续第1个周波中：k₁＝59.83，k₂＝-0.06， 第2个周波中：k₁＝61.02，k₂＝-0.06，均满足|k₁|>1且0<|k₂|<1，触 发跳闸标志M为3超过设定的阈值T_set，建议T_set取2，则判断：发生 了间歇性弧光接地故障，跳闸。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发 明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进 等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于类伏安特性的间歇性弧光接地故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)、对馈线的零序电压u₀(t)和相电压u_a(t)、u_b(t)、u_c(t)持续采样，采样频率f取2kHz—20kHz，对采样值低通滤波，滤波器的截止频率设为500Hz，获得每个电气量一个工频周波含N点的离散值序列，分别记作f₀(m)、f₁(m)、f₂(m)、f₃(m)，m＝1,2,……N，对数据分别以各自的最大值为基准进行标幺，获得一个周波含N点的离散值序列u₀(n)、u_a(n)、u_b(n)、u_c(n)，如：

步骤(2)、用傅里叶变换计算u₀(n)、u_a(n)、u_b(n)、u_c(n)的工频分量，分别计算u_a(n)、u_b(n)、u_c(n)与u₀(n)的工频相角差，如果存在某个相角差Δφ在165°～195°，则进行步骤三，否则重复步骤一；

步骤(3)、根据步骤(2)计算出的相角差Δφ，将u₀(n)进行相应的循环移位校正相位，获得与u_a(n)相位差最小的序列u_{0_shift}(n)：

步骤(4)、利用最小二乘法公式分段线性拟合u_a(n)和u_{0_shift}(n)的类伏安特性关系：分别以u_a(n)的过零点和最大值点为中心，各取1/5周波的数据，拟合得到直线的斜率，分别记作k₁和k₂；最小二乘法公式如式(3)所示，其中，k代表斜率，u_a(j)和u_{0_shift}(j)分别代表相电压和零序电压的采样点，n表示参与拟合的数据长度：

步骤(5)、如果满足|k₁|>1且0<|k₂|<1，则判断：疑似发生了间歇性弧光接地故障，触发跳闸标志M计数1次，并进入步骤6)，否则进入步骤1)；

步骤(6)、重复步骤1)至步骤5)，满足一次疑似间歇性弧光接地故障M累加1次，如果触发跳闸标志M超过阈值T_set，则判断：发生了间歇性弧光接地故障，阈值T_set取2。

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