CN112436493B - 一种小电阻接地系统的单相接地故障集中式保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种小电阻接地系统的单相接地故障集中式保护方法，该方法在Z型变压器侧和各出线出口处采集零序电流，并利用其幅值信息集中决策，实现Z型接地变、主变受总、母线和线路接地保护有选择性地快速动作。这种集中式接地保护启动电流仅需躲过线路最大不平衡电流即可，无需躲过其他线路故障时流过本线路的对地电容电流，因此，保护整定值低，灵敏度高，即使过渡电阻高达1500Ω依然可靠，而且线路保护与母线保护无需通过动作时限级差配合，多点故障信息的差异能够明确区分线路或母线侧故障，保护整定容易，动作速度快。

Description

一种小电阻接地系统的单相接地故障集中式保护方法
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的单相接地故障集中式保护方法。
背景技术
由于配电网规模的不断扩大，城市配电网大多以电缆线路为主，单相接地电容电流不断增长，中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统逐渐暴露出一些问题。为克服不接地系统的铁磁谐振与经消弧线圈接地系统的串联谐振过电压，解决单相接地故障的快速切除问题，上海、北京、广州、深圳等城市中压配电网先后将不接地或经消弧线圈接地方式改为小电阻接地方式。
目前，现场常用的零序电流保护，其整定值躲过线路发生金属性接地故障时流过健全线路的对地电容电流，定值较高，10kV系统的零序电流整定值一般为40A，耐受过渡电阻不超过135Ω。而实际架空线路或电缆、架空混合线路中单相接地故障常伴随树障、导线坠地等情况，高阻故障比例占接地故障总数的5％～10％，故障电流可能小于零序过流保护整定值，保护拒动，易造成火灾、设备损坏及人畜伤亡等。
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，该专利无法实现克服零序电流保护灵敏度低的技术缺陷，保证配电网、配电设备安全稳定运行。
发明内容
本发明提供一种小电阻接地系统的单相接地故障集中式保护方法，该方法克服零序电流保护灵敏度低的技术缺陷，保证配电网、配电设备安全稳定运行。
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的单相接地故障集中式保护方法，包括以下步骤：
S1：小电阻接地系统利用Z型接地变压器引出中性点，经低电阻接地，其连接于降压变压器低压出口处，系统发生单相接地故障后，根据系统结构参数简化零序等效网络分析故障特征；
S2：系统发生接地故障时存在零序主回路，零序主回路中等效阻抗小，电流幅值大；其他零序回路经由健全线路对地电容形成回路，回路容抗大，电流幅值小；
S3：利用单相接地故障时各出线零序电流和中性点零序电流幅值信息形成集中式接地保护判据进行决策，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，通过比较各出线与中性点零序电流幅值差异，明确区分线路故障或母线及其至主变压器系统侧故障；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。
进一步地，所述步骤S1中的，根据系统结构参数简化零序等效网络分析故障特征的过程是：
1)小电阻接地系统发生单相接地故障时，中性点接地电阻为α，接地电流较小，不超过600A；
2)单相接地时，零序主回路中电流幅值大于任一健全出线零序电流幅值的20倍以上，且不受过渡电阻影响；
3)高阻接地时，系统中性点零序电压和零序主回路电流值均近似与过渡电阻成反比，过渡电阻高达1500Ω时，零序电流几乎不受故障距离与线路阻抗的影响，其值约3.8A。
进一步地，所述步骤S1中的，考虑到对地电容容抗远大于线路阻抗和中性点接地电阻值，为分析计算简便，忽略线路对地电容影响，认为系统侧和线路的正序阻抗与负序阻抗相等，则单相接地零序电流有效值为：
代入典型线路和系统参数，根据式(1)得出故障线路发生单相金属性接地时零序电流(3I0)与故障距离x和过渡电阻Rg之同的关系为：
其中线路出口金属性接地时x＝0，Rg＝0，故障线路零序电流为600A；当Rg＝50Ω时，线路出口故障时零序电流下降到100A，x从0增大到1km时零序电流下降不超过2A；人体触电时，过渡电阻约为1500Ω，零序电流几乎不受故障距离的影响，约为3.8A。
进一步地，所述步骤S1中的，单相接地零序网络分析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，因此健全线路零序回路中忽略线路阻抗的影响，健全线路首端的零序电流为本线路对地电容电流：
零序主回路中电流，即流过中性点的零序电流为：
中性线零序电流和任一健全线路i(i≠1)零序电流幅值之比满足：
故障线路出口零序电流为所有健全线路零序电流和中性线零序电流合成矢量的反向相量；根据式(3)和(4)知，健全线路零序电流和中性线零序电流相位相差90°，因此，合成矢量幅值大于任一分量，即故障线路出口零序电流幅值大于中性线零序电流幅值；因此，故障线路出口零序电流幅值为任一健全线路的20倍以上。
进一步地，所述步骤S3中的，形成的集中式接地保护判据为：
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)任一出线零序电流按超过流过本线路最大电容电流值中，即判断该出线为故障出线，保护立即动作，出线开关跳闸切除故障；
3)仅中性点零序电流超过β，即判断母线及其至主变压器系统侧故障，下转5)；
4)任一出线零序电流为θ时，则计算中性点零序电流与零序电流最大的那条出线的零序电流的比值，若比值大于Φ，则判断为母线故障及其至主变压器系统侧故障，下转5)；若比值小于Φ，则判断为零序电流最大的出线为故障线路，保护动作，故障线路出线开关立即跳闸切除故障；
5)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大于λ，则再延时0.3s后，变压器总出口开关跳闸切除故障。
优选地，所述α为10Ω，所述β为40A，所述θ均介于3A和40A之间，所述Φ为2，所述λ为3A。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明在Z型变压器侧和各出线出口处采集零序电流，并利用其幅值信息集中决策，实现Z型接地变、主变受总、母线和线路接地保护有选择性地快速动作。这种集中式接地保护启动电流仅需躲过线路最大不平衡电流即可，无需躲过其他线路故障时流过本线路的对地电容电流，因此，保护整定值低，灵敏度高，即使过渡电阻高达1500Ω依然可靠，而且线路保护与母线保护无需通过动作时限级差配合，多点故障信息的差异能够明确区分线路或母线侧故障，保护整定容易，动作速度快。另外，配电网扩建改造以及在网络自愈能力提高导致系统运行方式灵活多变的情况下，保护整定值一定，无需调整，运维简单，可靠性不受影响，更适合配电网灵活运行方式。
附图说明
图1为本发明实施例所述典型小电阻接地系统结构示意图；
图2为单相接地故障复合序网图；
图3为小电阻接地系统单相接地零序网络图。
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。
一种小电阻接地系统的单相接地故障集中式保护方法，包括以下步骤：
(1)小电阻接地配电系统Z型变与所用变合用，接于降压变压器低压出口处，系统发生单相接地故障后，绘制简化的零序等效网络分析故障特征；
(2)系统发生接地故障时存在零序主回路(故障点处零序电压源经变电站母线、Z型变压器和中性点接地电阻进入大地形成的回路)，零序主回路中等效阻抗小，电流幅值大；其他零序回路经由健全线路对地电容形成回路，回路容抗大，电流幅值小；
(3)利用单相接地故障时各出线零序电流和中性点零序电流幅值信息集中决策，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，通过比较各出线与中性点零序电流幅值差异，明确区分线路故障或母线及其至主变压器系统侧故障。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。
典型小电阻接地系统结构图如图1所示，为了抑制三次谐波进入高压电网，变电站降压变压器采用Y/D连接。由于三角形接线无中性点，因此利用Z型接地变引出人为中性点，以加装接地电阻Rn。为满足人身安全对接触电压和跨步电压的限制，中性点接地电阻值适当取小，目前广州、上海和深圳分别取10Ω、6Ω和16Ω。Z型变压器正常运行时阻抗很高，等于励磁阻抗。当系统发生接地故障时，因零序阻抗很小，绕组将流过较大的零序电流。Z型变压器侧和各线路出口处安装零序电流滤过器，采集中性点零序电流和各出线零序电流。
绘制系统单相接地故障复合序网图，如图2所示。考虑到对地电容容抗远大于线路阻抗和中性点接地电阻值，为分析计算简便，忽略线路对地电容影响，认为系统侧和线路的正序阻抗与负序阻抗相等，则单相接地零序电流有效值为
代入典型线路和系统参数，根据式(1)得出故障线路发生单相金属性接地时零序电流(3I0)与故障距离x和过渡电阻Rg之同的关系为
其中线路出口金属性接地时(x＝0，Rg＝0)，故障线路零序电流为600A；当Rg＝50Ω时，线路出口故障时零序电流下降到100A，x从0增大到1km时零序电流下降不超过2A；人体触电时，过渡电阻约为1500Ω，零序电流几乎不受故障距离的影响，约为3.8A。
根据图3所示单相接地零序网络分析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，因此健全线路零序回路中忽略线路阻抗的影响。健全线路首端的零序电流为本线路对地电容电流
零序主回路中电流，即流过中性点的零序电流为
中性线零序电流和任一健全线路i(i≠1)零序电流幅值之比满足
故障线路出口零序电流为所有健全线路零序电流和中性线零序电流合成矢量的反向相量。根据式(3)和(4)知，健全线路零序电流和中性线零序电流相位相差90°，因此，合成矢量幅值大于任一分量，即故障线路出口零序电流幅值大于中性线零序电流幅值。因此，故障线路出口零序电流幅值为任一健全线路的20倍以上。此分析结果与故障位置、过渡电阻大小和出线数量无关。
小电阻接地系统单相接地故障特征总结如下：1)小电阻接地系统(中性点接地电阻10Ω)发生单相接地故障时，接地电流较小，不超过600A；2)单相接地时，零序主回路中电流幅值大于任一健全出线零序电流幅值的20倍以上，且不受过渡电阻影响；3)高阻接地时，系统中性点零序电压和零序主回路电流值均近似与过渡电阻成反比，过渡电阻高达1500Ω时，零序电流几乎不受故障距离与线路阻抗的影响，其值约3.8A。
步骤S3中，形成集中式接地保护判据：
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)任一出线零序电流按超过流过本线路最大电容电流值中(如40A)，即判断该出线为故障出线，保护立即动作，出线开关跳闸切除故障；
3)仅中性点零序电流超过40A，即判断母线及其至主变压器系统侧故障，下转5)；
4)均介于3A和40A之间时，则计算中性点零序电流与零序电流最大的那条出线的零序电流的比值，若比值大于2，则判断为母线故障及其至主变压器系统侧故障，下转5)；若比值小于2，则判断为零序电流最大的出线为故障线路，保护动作，故障线路出线开关立即跳闸切除故障；
5)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。
本发明实施例提出适用于小电阻接地系统的单相接地故障集中式保护方案，在Z型变压器侧和各出线出口处采集零序电流，并利用其幅值信息集中决策，实现Z型接地变、主变受总、母线和线路接地保护有选择性地快速动作。这种集中式接地保护启动电流仅需躲过线路最大不平衡电流即可，无需躲过其他线路故障时流过本线路的对地电容电流，因此，保护整定值低，灵敏度高，即使过渡电阻高达1500Ω依然可靠，而且线路保护与母线保护无需通过动作时限级差配合，多点故障信息的差异能够明确区分线路或母线侧故障，保护整定容易，动作速度快。另外，配电网扩建改造以及在网络自愈能力提高导致系统运行方式灵活多变的情况下，保护整定值一定，无需调整，运维简单，可靠性不受影响，更适合配电网灵活运行方式。
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；仿真中设置线路Ⅱ上f1(距离线路出口3.5km)、f2(母线)、f3(主变受总开关到变压器低压侧出口之间)分别发生单相接地故障，过渡电阻分别为10Ω、100Ω、500Ω和1500Ω。不同故障位置和不同过渡电阻时各线路及中性零序电流幅值如表1所示。
表1不同故障位置和不同过渡电阻时各线路及中性点零序电流幅值
从表1中可以看出线路Ⅱ中f1处发生单相接地故障，过渡电阻不超过100Ω时，其出口零序电流值超过40A，即可确定线路Ⅱ为故障线路；当过渡电阻较大时，中性点零序电流和线路中最大零序电流的比值接近于1，可确定零序电流最大的线路，即线路Ⅱ为故障线路。母线上f2处故障，过渡电阻不超过100Ω时，只有中性点零序电流超过40A，即可确定母线及其至主变压器系统侧故障，根据不同延时跳开相应的断路器；过渡电阻较大时，中性点零序电流和线路中最大零序电流的比值远大于2，可确定母线及其至主变压器系统侧故障。主变受总开关到变压器低压侧出口之间f3处故障，各线路和中性点零序电流与f2故障时基本相同，因此亦可准确判断故障位置。
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 (4)

1.一种小电阻接地系统的单相接地故障集中式保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：小电阻接地系统利用Z型接地变压器引出中性点，经低电阻接地，其连接于降压变压器低压出口处，系统发生单相接地故障后，根据系统结构参数简化零序等效网络分析故障特征；
根据系统结构参数简化零序等效网络分析故障特征过程是：
1)小电阻接地系统发生单相接地故障时，中性点接地电阻为α，接地电流较小，不超过600A；
2)单相接地时，零序主回路中电流幅值大于任一健全出线零序电流幅值的20倍以上，且不受过渡电阻影响；
3)高阻接地时，系统中性点零序电压和零序主回路电流值均与过渡电阻成反比，过渡电阻达1500Ω时，零序电流不受故障距离与线路阻抗的影响，其值为3.8A；
S2：系统发生接地故障时存在零序主回路，零序主回路中等效阻抗小，电流幅值大；其他零序回路经由健全线路对地电容形成回路，回路容抗大，电流幅值小；
S3：利用单相接地故障时各出线零序电流和中性点零序电流幅值信息形成集中式接地保护判据进行决策，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，通过比较各出线与中性点零序电流幅值差异，明确区分线路故障或母线及其至主变压器系统侧故障；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；
步骤S3中，形成的集中式接地保护判据为：
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)任一出线零序电流按超过流过本线路最大电容电流值中，即判断该出线为故障出线，保护立即动作，出线开关跳闸切除故障；
3)仅中性点零序电流超过β，β为40A，即判断母线及其至主变压器系统侧故障，下转5)；
4)任一出线零序电流为θ时，θ介于3A和40A之间，则计算中性点零序电流与零序电流最大的那条出线的零序电流的比值，若比值大于Φ，则判断为母线故障及其至主变压器系统侧故障，下转5)；若比值小于Φ，则判断为零序电流最大的出线为故障线路，保护动作，故障线路出线开关立即跳闸切除故障；
5)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大于λ，则再延时0.3s后，变压器总出口开关跳闸切除故障。
2.根据权利要求1所述的小电阻接地系统的单相接地故障集中式保护方法，其特征在于，所述α为10Ω。
3.根据权利要求1所述的小电阻接地系统的单相接地故障集中式保护方法，其特征在于，所述Φ为2。
4.根据权利要求1所述的小电阻接地系统的单相接地故障集中式保护方法，其特征在于，所述λ为3A。
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