CN112436492A - 一种小电阻接地系统接地保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种小电阻接地系统接地保护方法，该方法根据DG经小电阻接地方式下，系统零序网络和各出线及中性线零序电流特征与无DG系统发生较大变化，零序电流幅值差异不再明显的特点，结合零序电压与电流相位差差异，判定故障线路。该发明适应性强，对于DG高度渗透的配电系统，不受DG灵活投切影响，解决复杂多电源供电系统接地保护问题；集中式接地保护启动电流只需躲过系统正常运行时各线路最大不平衡电流，灵敏度高，保护耐受过渡电阻能力超过1000Ω；保护集中处理，使得线路保护与母线保护之间无需通过整定值和动作时限配合，整定简单，动作速度快，适用于配电系统灵活运行方式。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护领域，更具体地，涉及一种小电阻接地系统接地保护方法。
背景技术
小电阻接地系统可以克服非有效接地系统铁磁谐振过电压、消弧线圈串联谐振过电压以及快速切断接地故障等优点，在人口密集的城市电网中应用越来越广泛。随着智能电网的发展，分布式电源大量接入小电阻接地系统也是电网未来发展方向，由此带来保护与控制一系列问题亟需分析与解决。接地故障是配电网故障的主要形式，严重影响电网安全稳定运行，对于分布式电源(DG)高度渗透的小电阻接地系统，发生单相接地故障后系统结构改变直接影响接地保护的实施，亟需提出适应小电阻接地有源配电网的保护方案。
针对含DG的小电阻接地配电网接地保护的研究，主要还停留在单DG并网的系统和接地故障特性分析的阶段，部分文献针对DG不同并网形式下的小电阻接地系统的单相接地故障电流特性进行了分析和研究，发现DG采用经小电阻接地并网方式时可有效控制过电压，但会使故障点电流增大，健全线路出现较大的零序电流，传统接地保护可能误动，没有有效的解决措施。对于含多个DG的小电阻接地有源配电网接地保护技术，目前还未看到具有参考价值的分析研究。
申请号为202010302516.7的专利说明书中公开了一种IIDG高度渗透的小电阻接地系统单相接地故障分析方法，本申请根据IIDG(Inverte rinterfacedDistributedGenerators，逆变型分布式电源)并网控制策略与低压穿越技术要求确定IIDG等效模型，综合运行安全和保护原则确立其并网方式，并建立多IIDG并网系统的等效零序网络，结合人身安全和保护需求选取合适的IIDG并网接地电阻值；分析IIDG高度渗透的小电阻接地配电网单相接地故障时零序电流幅值与相位特性，讨论高阻接地故障特征。然而，该专利无法实现解决分布式电源高度渗透的小电阻接地系统接地保护技术缺陷，保证有源配电网安全稳定运行。
发明内容
本发明提供一种小电阻接地系统接地保护方法，该方法解决分布式电源高度渗透的小电阻接地系统接地保护技术缺陷，保证有源配电网安全稳定运行。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种小电阻接地系统接地保护方法，包括以下步骤：
S1：对于含分布式电源的小电阻接地系统，当分布式电源采用中性点经小电阻接地时，小电阻接地系统单相接地故障时零序等效网络结构改变，根据系统结构参数简化零序等效网络，并分析故障特征；
S2：对于含分布式电源的小电阻接地系统，仅比较零序电流幅值大小，无法区分各线路或母线及其至主变压器系统侧故障，需结合零序电压与电流相位差特征进行故障判断；
S3：以任一线路或中性点零序电流超过本线路最大不平衡电流作为保护启动条件，同时利用单相接地故障时零序电流幅值和零序电压电流相位差信息集中决策，根据保护判据确定故障位置，并跳开相应断路器；若线路故障，则故障线路出线开关立即跳闸；若母线及其至主变压器系统侧故障，则将母线分段开关、主变受总开关和变压器总出口开关按照不同延时动作，切除故障。
进一步地，所述步骤S1中，分布式电源并网采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式时，单相接地故障后零序网络不受分布式电源影响。
进一步地，所述步骤S2中，对于含分布式电源的小电阻接地系统，包含故障线路的零序回路和其他零序回路的电流幅值差异不再明显，而且由于故障线路中分布式电源中性点的分流作用，流出故障线路出口处的零序电流幅值有不同程度的减小，仅比较零序电流幅值大小，无法区分各线路或母线及其至主变压器系统侧故障，结合零序电压与电流相位差特征进行故障判断。
进一步地，所述步骤S1中，小电阻接地系统单相接地故障时零序等效网络结构改变，根据系统结构参数简化零序等效网络，并分析故障特征的过程是：
1)、考虑过电压与继电保护动作因素，分布式电源采用Y/D连接的变压器经小电阻接地接入电网，其接地电阻不小于20Ω，保证在小电阻接地系统中含分布式电源出线上的对地等效电阻控制在α，单条线路中分布式电源对地等效电阻值控制在β；
2)任一出线发生单相接地故障时，故障线路零序电流幅值最大，与零序电压相位相差约180°；含分布式电源健全线路零序电流幅值小于故障线路零序电流值，与零序电压相位相差约0°；不含分布式电源健全线路零序电流为本线路对地电容电流，幅值较小，与零序电压相位相差-90°；中性线零序电流幅值小于故障线路零序电流值，与零序电压相位相差约0°；
3)母线及其至主变压器系统侧发生单相接地故障时，含分布式电源线路零序电流值较大，与零序电压相位相差约0°；不含分布式电源线路零序电流值远小于中性点零序电流值，与零序电压相位相差约-90°；中性点零序电流最大，与零序电压相位相差约0°；
4)高阻接地时，小电阻接地系统中性点零序电压、零序电流和含分布式电源线路零序电流与过渡电阻成反比，过渡电阻高达1000Ω时，零序电流几乎不受故障距离与线路阻抗的影响，故障点零序电流值约5.77A；此时按故障线路中分布式电源接地电阻为最小值20Ω，则流过故障线路的零序电流值最小为3.84A，大于保护启动电流，保护灵敏启动。
进一步地，所述步骤S3中，保护判据包括：
1)按任一出线或中性点零序电流超过启动电流定值Is保护启动；
2)比较各出线零序电流幅值，并选出幅值最大的三条线路；
3)比较三条线路与母线零序电压的相位差，若其中一条线路零序电流与零序电压相位差为180°±ε°，则判断该条线路为故障线路，故障线路出线开关立即跳闸切除故障；若三条线路零序电流与零序电压相位差均小于180°±ε°，则判断为母线及其至主变压器系统侧故障，考虑线路阻抗和Z型变压器等效阻抗的影响；
4)判定母线及其至主变压器系统侧故障时，母线分段开关首先跳闸；若延时0.3s后故障特征依然满足条件，则主变受总开关跳闸；若主变受总开关动作后中性点零序电流仍大于θ，则再延时0.3s后，变压器总出口开关跳闸切除故障。
进一步地，所述ε取10°，所述α为10～50Ω，所述β为20～100Ω，所述θ为3A，所述Is为3A。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明根据DG并网接地方式，系统零序网络和各出线及中性线零序电流特征与无DG系统可能发生较大变化，零序电流幅值差异不再明显，但结合零序电压与电流相位差，可判定故障线路。该发明适应性强，对于DG高度渗透的配电系统，不受DG灵活投切影响，解决复杂多电源供电系统接地保护问题；集中式接地保护启动电流只需躲过系统正常运行时各线路最大不平衡电流，灵敏度高，保护耐受过渡电阻能力超过1000Ω；保护集中处理，使得线路保护与母线保护之间无需通过整定值和动作时限配合，整定简单，动作速度快，适用于配电系统灵活运行方式。
附图说明
图1为应用本发明方法的含DG小电阻接地系统结构图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1所示，一种小电阻接地系统接地保护方法，包括以下步骤：
(1)对于含DG的小电阻接地系统，DG并网采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式时，单相接地故障后零序网络不受DG影响；当DG采用中性点经小电阻接地且DG渗透率较高时，单相接地故障时零序等效网络结构改变，根据系统结构参数简化零序等效网络，并分析故障特征；
(2)相对于不含DG的小电阻接地系统，包含故障线路的零序回路和健全线路零序回路电流幅值差异不再明显，而且由于故障线路中DG中性点的分流作用，流出故障线路出口处的零序电流幅值有不同程度的减小，仅比较零序电流幅值大小，无法区分各线路或母线及其至主变压器系统侧故障，需结合零序电压与电流相位差特征进行故障判断；
(3)以任一线路或中性点零序电流超过本线路最大不平衡电流作为保护启动条件，同时利用单相接地故障时零序电流幅值和零序电压电流相位差信息集中决策，根据保护判据确定故障位置，并跳开相应断路器。若线路故障，则故障线路出线开关立即跳闸；若母线及其至主变压器系统侧故障，则将母线分段开关、主变受总开关和变压器总出口开关按照不同延时动作，有选择性地切除故障。
根据图1所示单相接地零序网络分析，f1处故障时含DG小电阻接地系统中各位置零序电流大小关系。由于线路阻抗与对地容抗相比小得多，因此不含DG健全线路零序回路中忽略线路阻抗的影响。不含DG的健全线路Ⅰ零序电流
呈容性，其值为
含DG的健全线路Ⅲ零序电流
呈阻性，其值为
中性线零序电流
呈阻性，其值为
故障线路零序电流
为中性点零序电流和各健全线路零序电流矢量和，且容性电流幅值相对较小，因此，以零序电压为参考相量，则
表现为稍滞后于零序电压，此分析结果与故障位置、过渡电阻大小和出线数量无关
在步骤(1)中，绘制简化的零序等效网络并分析故障特征：
1)考虑过电压与继电保护动作等因素，DG采用Y/D连接的变压器经小电阻接地接入电网，其接地电阻不小于20Ω，原则上保证在系统中含DG出线上的对地等效电阻控制在10～50Ω，单条线路中DG对地等效电阻值控制在20～100Ω；
2)任一出线发生单相接地故障时，故障线路零序电流幅值最大，与零序电压相位相差约180°；含DG健全线路零序电流幅值小于故障线路零序电流值，与零序电压相位相差约0°；不含DG健全线路零序电流为本线路对地电容电流，幅值较小，与零序电压相位相差-90°；中性线零序电流幅值小于故障线路零序电流值，与零序电压相位相差约0°；
3)母线及其至主变压器系统侧发生单相接地故障时，含DG线路零序电流值较大，与零序电压相位相差约0°；不含DG线路零序电流值远小于中性点零序电流值，与零序电压相位相差约-90°；中性点零序电流最大，与零序电压相位相差约0°；
4)高阻接地时，系统中性点零序电压、零序电流和含DG线路零序电流与过渡电阻成反比，过渡电阻高达1000Ω时，零序电流几乎不受故障距离与线路阻抗的影响，故障点零序电流值约5.77A。此时按故障线路中DG接地电阻为最小值20Ω，则流过故障线路的零序电流值最小为3.84A，大于保护启动电流，保护灵敏启动。
在步骤(3)中，形成接地保护判据：
1)按任一出线或中性点零序电流超过启动电流定值Is(如3A)保护启动；
2)比较各出线零序电流幅值，并选出幅值最大的三条线路；
3)比较三条线路与母线零序电压的相位差，若其中一条线路零序电流与零序电压相位差为180°±ε°，则判断该条线路为故障线路，故障线路出线开关立即跳闸切除故障；若三条线路零序电流与零序电压相位差均小于180°±ε°，则判断为母线及其至主变压器系统侧故障。考虑线路阻抗和Z型变压器等效阻抗的影响，ε取10°；
4)判定母线及其至主变压器系统侧故障时，母线分段开关首先跳闸；若延时0.3s后故障特征依然满足条件，则主变受总开关跳闸；若主变受总开关动作后中性点零序电流仍大于3A，则再延时0.3s后，变压器总出口开关跳闸切除故障。
利用Matlab-Simulink软件工具建立10kV小电阻接地系统，仿真模型结构如图1所示。变电站5条出线，线路Ⅰ～Ⅴ，其长度分别为3m、8m、12m、5m和10m；线路Ⅲ中接4个DG(中性点接地电阻均为80Ω)和线路Ⅴ中接有2个DG(中性点接地电阻分别为50Ω和40Ω)。仿真中设置线路Ⅱ上f1(线路Ⅱ上距离出口5km)、f2(母线)和f3(主变受总开关到变压器低压侧出口之间)处分别发生单相接地故障，过渡电阻分别为10Ω、100Ω、500Ω和1000Ω。f1处发生过渡电阻不同的接地故障时各线路及中性点零序电流幅值与相位如表1所示。f1、f2和f3处分别发生过渡电阻为1000Ω的接地故障时，各线路及中性点零序电流幅值与相位如表2所示。相位均以零序电压相位为基准。
表1 f1处发生过渡电阻不同的接地故障时各线路及中性点零序电流幅值与相位
表2不同故障位置时各线路及中性点零序电流幅值与相位
从表1中可以看出，过渡电阻不同时，故障线路Ⅲ零序电流与零序电压基本相差约180°，含DG健全线路零序电压与零序电压基本同相位，而无DG健全线路零序电流超前零序电压约90°，无论是低阻或是1000Ω的高阻接地故障，保护判据均可正确判定故障线路而正确跳闸。从表2中可以看出，不同故障位置时，f1处线路故障与表1中类似，母线和变压器系统侧故障时，中性点零序电流幅值大于3A，保护启动，零序电流幅值较大的三条线路，其零序电流与零序电压相位差均小于180°，即可判定母线及其至主变压器系统侧故障，之后根据不同的动作延时跳开相应断路器。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种小电阻接地系统接地保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对于含分布式电源的小电阻接地系统，当分布式电源采用中性点经小电阻接地时，小电阻接地系统单相接地故障时零序等效网络结构改变，根据系统结构参数简化零序等效网络，并分析故障特征；
S2：对于含分布式电源的小电阻接地系统，仅比较零序电流幅值大小，无法区分各线路或母线及其至主变压器系统侧故障，需结合零序电压与电流相位差特征进行故障判断；
S3：以任一线路或中性点零序电流超过本线路最大不平衡电流作为保护启动条件，同时利用单相接地故障时零序电流幅值和零序电压电流相位差信息集中决策，根据保护判据确定故障位置，并跳开相应断路器；若线路故障，则故障线路出线开关立即跳闸；若母线及其至主变压器系统侧故障，则将母线分段开关、主变受总开关和变压器总出口开关按照不同延时动作，切除故障。
2.根据权利要求1所述的小电阻接地系统接地保护方法，其特征在于，所述步骤S1中，分布式电源并网采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式时，单相接地故障后零序网络不受分布式电源影响。
3.根据权利要求2所述的小电阻接地系统接地保护方法，其特征在于，所述步骤S2中，对于含分布式电源的小电阻接地系统，包含故障线路的零序回路和其他零序回路的电流幅值差异不再明显，而且由于故障线路中分布式电源中性点的分流作用，流出故障线路出口处的零序电流幅值有不同程度的减小，仅比较零序电流幅值大小，无法区分各线路或母线及其至主变压器系统侧故障，结合零序电压与电流相位差特征进行故障判断。
4.根据权利要求3所述的小电阻接地系统接地保护方法，其特征在于，所述步骤S1中，小电阻接地系统单相接地故障时零序等效网络结构改变，根据系统结构参数简化零序等效网络，并分析故障特征的过程是：
1)、考虑过电压与继电保护动作因素，分布式电源采用Y/D连接的变压器经小电阻接地接入电网，其接地电阻不小于20Ω，保证在小电阻接地系统中含分布式电源出线上的对地等效电阻控制在α，单条线路中分布式电源对地等效电阻值控制在β；
2)任一出线发生单相接地故障时，故障线路零序电流幅值最大，与零序电压相位相差约180°；含分布式电源健全线路零序电流幅值小于故障线路零序电流值，与零序电压相位相差约0°；不含分布式电源健全线路零序电流为本线路对地电容电流，幅值较小，与零序电压相位相差-90°；中性线零序电流幅值小于故障线路零序电流值，与零序电压相位相差约0°；
3)母线及其至主变压器系统侧发生单相接地故障时，含分布式电源线路零序电流值较大，与零序电压相位相差约0°；不含分布式电源线路零序电流值远小于中性点零序电流值，与零序电压相位相差约-90°；中性点零序电流最大，与零序电压相位相差约0°；
4)高阻接地时，小电阻接地系统中性点零序电压、零序电流和含分布式电源线路零序电流与过渡电阻成反比，过渡电阻高达1000Ω时，零序电流几乎不受故障距离与线路阻抗的影响，故障点零序电流值约5.77A；此时按故障线路中分布式电源接地电阻为最小值20Ω，则流过故障线路的零序电流值最小为3.84A，大于保护启动电流，保护灵敏启动。
5.根据权利要求4所述的小电阻接地系统接地保护方法，其特征在于，所述步骤S3中，保护判据包括：
1)按任一出线或中性点零序电流超过启动电流定值Is保护启动；
2)比较各出线零序电流幅值，并选出幅值最大的三条线路；
3)比较三条线路与母线零序电压的相位差，若其中一条线路零序电流与零序电压相位差为180°±ε°，则判断该条线路为故障线路，故障线路出线开关立即跳闸切除故障；若三条线路零序电流与零序电压相位差均小于180°±ε°，则判断为母线及其至主变压器系统侧故障；
4)判定母线及其至主变压器系统侧故障时，母线分段开关首先跳闸；若延时0.3s后故障特征依然满足条件，则主变受总开关跳闸；若主变受总开关动作后中性点零序电流仍大于θ，则再延时0.3s后，变压器总出口开关跳闸切除故障。
6.根据权利要求5所述的小电阻接地系统接地保护方法，其特征在于，考虑线路阻抗和Z型变压器等效阻抗的影响，所述ε取10°。
7.根据权利要求4所述的小电阻接地系统接地保护方法，其特征在于，所述α为10～50Ω。
8.根据权利要求4所述的小电阻接地系统接地保护方法，其特征在于，所述β为20～100Ω。
9.根据权利要求5所述的小电阻接地系统接地保护方法，其特征在于，所述θ为3A。
10.根据权利要求5所述的小电阻接地系统接地保护方法，其特征在于，所述Is为3A。
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