CN112491016B - 一种具有选择性的小电流自适应保护方法 - Google Patents

一种具有选择性的小电流自适应保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有选择性的小电流自适应保护方法，当线路发生单相接地故障时，利用暂态零序电压突变量作为启动条件，采用无功功率方向法作为动作判据，准确判断故障上、下游区段，采用反时限特性的开关动作方程，不用配置时间延时，自动具有选择性，且不受运行方式影响。能够有效解决分级定时限保护中需根据开关位置事先设定时间定值和线路运行方式变化需重新设置时间定值问题。

Description

一种具有选择性的小电流自适应保护方法
技术领域
本发明属于配电自动化领域，特别是涉及一种具有选择性的小电流自适应保护方法。
背景技术
在我国小电流接地系统中，线路发生小电流接地故障后，根据现有规定可带故障运行1～2小时，但运行时间过长会引起相间短路故障和触电事故，危害严重。故快速、有选择性地隔离故障区域，对缩小停电面积、提高供电可靠性具有很大意义。
目前小电流接地故障处理一般采用集中式处理方法，由主站判断故障区段并隔离故障区段，该方法依赖于通信、可靠性较低、速度慢，需要分钟级；利用零序暂态功率方向配合多级时间延时可以确定故障区域，实现小电流接地故障选择性保护，但当运行方式改变时需重新设置时间定值，灵活性不高。
现有技术利用零序暂态功率方向配合多级时间延时可以确定故障区域，实现小电流接地故障选择性保护，发生小电流接地故障时，故障点上游的暂态零序电流方向相同，均流向母线；故障点下游和非故障线路暂态零序电流方向与故障点上游相反，均流向线路，如图1所示。可以根据开关处暂态零序电流的方向，可判断故障点的方向。
具体地，线路出口断路器与线路分段开关、分支开关、分界开关配置暂态原理小电流接地故障方向保护，保护通过阶梯式动作时限配合，就近切除接地故障。
暂态接地方向保护通过比较零序电压导数与零序电流的极性判断故障方向，二者相反时判为正向故障，相同时判为反向故障。
环网柜进线开关、出线开关、分界开关配置暂态接地方向保护，检测到接地故障方向为正时保护启动，通过阶梯式时间配合就近切除接地故障。
保护动作时限整定原则：最末级保护动作时限不小于2s，时间级差0.5s，时间配置如图2所示。
其中，当k1点故障，分界开关Q24在3s后跳闸；k2点故障，出线开关QL13在3.5s后跳闸。
k3点故障，进线开关QL21在5s后跳闸；k4点故障，进线开关QL12在5.5s后跳闸；k5点故障，进线开关QL11在6s后跳闸；k6点故障，变电站出线开关QF在5s后跳闸。k4～k6点故障时，故障点下游非故障区段的恢复供电由集中型配网自动化完成。
在上述方案中，各处开关的时间延时都是需要根据拓扑关系和供电方向预先设定好的，当线路结构发生变化时，如果不能及时改变跳闸延时时间，就会失去选择性，造成停电区段扩大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具有选择性的小电流自适应保护方法，在线路结构发生变化时，能够及时改变跳闸延时时间，提高保护的效果。
本发明所采用的技术方案在于，提供一种具有选择性的小电流自适应保护方法，其包括如下步骤：
步骤S10，当线路上的检测点检测到当前暂态零序电压大于预定的启动值，启动保护程序；
步骤S11，线路上启动的各检测点利用暂态无功功率方向法判断出故障线路上游区段；
步骤S12，测量故障点电容电流，计算延时的开关动作时间，并进行整定后获得最终开关动作时间；
步骤S13，各个测量点根据所述最终开关动作时间，进行补偿，并以补偿后的时间执行开关保护操作。
优选地，所述步骤S10进一步包括：
在馈线上的线路分段开关需配置高灵敏度的零序电压互感器和零序电流互感器，当检测到当前暂态零序电压大于预定启动值时，保护装置启动。
优选地，所述步骤S11进一步包括：
步骤S110，通过下式计算每一出线L的暂态无功功率QL：
Figure BDA0002770762770000031
其中，QL为暂态无功功率，T为数据窗时间宽度，u0(t)为暂态零序电压采样值，iL0(t)为暂态零序电流采样值；
步骤S111，根据暂态无功功率QL判断每一出线L与故障点的位置关系，如果QL>0，则暂态无功功率流向线路末端，判断为故障点下游区段；如果QL<0，则暂态无功功率流向母线区段，判断为故障点上游区段。
优选地，所述步骤S12进一步包括：
步骤S120，根据暂态无功功率方向法判断出故障点上游区段后，根据下述公式计算故障点到母线对地电容电流ick1：
ick1＝ik-i0A-i0C (5)
其中，ik为线路L故障点k处虚拟电压产生的零序电流；
i0A为所有非故障线路的零序电流之和，其方向由母线流向线路末端，
Figure BDA0002770762770000032
i0n为非故障相线路n对地电容电流，n∈[1,m]；
i0C为故障点下游所有正常线路的零序电流之和，其方向由故障点流向线路末端；
步骤S121，根据下述公式，对所述故障点到母线对地电容电流ick1进行计算获得开关动作时间t(I)：
t(I)＝0.0003(ick1-k)2-0.039(ick1-k)+1.15 (6)
式中k为时间系数，根据线路长短改变k值的大小；
步骤S121，对所述开关动作时间t(I)进行整定，根据下式获得最终开关动作时间T(I)'：
Figure BDA0002770762770000041
优选地，所述步骤S13进一步包括：
步骤S130，以下述公式确定补偿后的开关操作时间t’：
t’＝k’×tmax
其中，k’为补偿系数，处于1.2～1.5之间；tmax为线路上开关的最大操作时间；
步骤S131，确定线路上每一其他类型开关的补偿值Δt：
Δt＝t’-t
其中，t为每一开关最近3次开关操作时间平均值；
步骤S132，根据步骤S131中所确定的补偿值，获得每一开关的补偿后的操作时间，执行开关跳闸保护操作。
实施本发明，具有如下的有益效果：
本发明提供了一种具有选择性的小电流自适应保护方法，当线路发生单相接地故障时，利用暂态零序电压突变量作为启动条件，采用无功功率方向法作为动作判据，准确判断故障上、下游区段，采用反时限特性的开关动作方程，实现小电流接地故障的就近保护和快速保护；
本发明的实施例中，不用配置时间延时，根据零序电流的测量值自动计算延时时间，自动具有选择性，且不受运行方式影响；能够有效解决分级定时限保护中需根据开关位置事先设定时间定值和线路运行方式变化需重新设置时间定值问题；
本发明可以自动根据统计的开关动作时间补偿接地保护时间，解决线路中开关类型不统一的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为现有技术中的暂态零序电流分布特征的原理图；
图2为现有技术中的电缆线路小电流接地故障暂态方向保护动作时间配置的原理图；
图3是本发明提供的一种具有选择性的小电流自适应保护方法的一个实施例的主流程示意图；
图4是图3中涉及的一个故障零序等效网络的结构示意图；
图5是本发明涉及的一个故障处理更详细的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对发明做进一步的阐述。
如图3所示，示出了一种具有选择性的小电流自适应保护方法的一个实施例的主流程示意图；一并结合图4和图5所示，在本实施例中，所述方法包括如下的步骤：
步骤S10，进行保护启动判断：当线路上的检测点检测到当前暂态零序电压大于预定的启动值，启动保护程序；
具体地，在一个例子中，所述步骤S10进一步包括：
为保证启动的灵敏性，采用零序电压有效值越线作为启动条件，在馈线上的线路分段开关需配置高灵敏度的零序电压互感器和零序电流互感器，当检测到当前暂态零序电压|U|大于预定启动值|Uop|时，保护装置启动，即：
|U|＞|Uop|
其中，|U|为零序电压幅值测量值，|Uop|为零序电压的门槛值。暂态零模电压幅值较大、易于检测，提高了保护装置启动的灵敏性。
步骤S11，计算暂态无功功率方向：线路上启动的各检测点利用暂态无功功率方向法判断出故障线路上游区段；
具体地，在一个例子中，所述步骤S11进一步包括：
步骤S110，通过下式计算每一出线L的暂态无功功率QL：
Figure BDA0002770762770000061
其中，通过定义出线L的暂态无功功率为暂态零序电压u0(t)的Hilbert(希尔伯特)变换
Figure BDA0002770762770000062
与暂态零序电流iL0(t)的平均功率，QL为暂态无功功率，T为数据窗时间宽度，u0(t)为暂态零序电压采样值，iL0(t)为暂态零序电流采样值；
步骤S111，根据暂态无功功率QL判断每一出线L与故障点的位置关系，如果QL>0，则暂态无功功率流向线路末端，判断为故障点下游区段；如果QL<0，则暂态无功功率流向母线区段，判断为故障点上游区段。
步骤S12，测量故障点电容电流，计算延时的开关动作时间(即延时时间)，并进行整定后获得最终开关动作时间；
具体地，在一个例子中，所述步骤S12进一步包括：
步骤S120，根据暂态无功功率方向法判断出故障点上游区段后，根据下述公式计算故障点到母线对地电容电流ick1：
ick1＝ik-i0A-i0C (5)
其中，ik为线路L故障点k处虚拟电压产生的零序电流；
i0A为所有非故障线路的零序电流之和，其方向由母线流向线路末端，
Figure BDA0002770762770000063
i0n为非故障相线路n对地电容电流，n∈[1,m]；
i0C为故障点下游所有正常线路的零序电流之和，其方向由故障点流向线路末端；
其原理如下，如图4所示，为单相接地故障时零序等效网络图。其中C01～C0m为健全线路对地的等效电容。Ck1：故障点上游对地等效电容，Ck2：故障点下游对地等效电容，uk0：小电流单相接地故障时故障点处产生的虚拟电压。
其中线路L故障点k处虚拟电压产生的零序电流ik为：
ik＝i0B+i0C
式中i0B为A、B区段的零序电流，即故障点上游零序电流，方向由故障点流向母线，i0C为故障点右侧所有正常线路的零序电流之和，即故障点下游零序电流，方向由故障点流向线路末端。
同时，i0B＝i0A+ick1；
从而可以区得上述公式(5)。
步骤S121，根据下述公式，对所述故障点到母线对地电容电流ick1进行计算获得开关动作时间t(I)：
t(I)＝0.0003(ick1-k)2-0.039(ick1-k)+1.15 (6)
式中k为时间系数，根据线路长短改变k值的大小；
可以理解的是，实际电缆线路中对地分布容抗远大于线路电阻与感抗，故可忽略线路电阻与感抗产生的电压降。故障点至母线区段的对地电容电流ick1即为每公里对地电容电流的叠加。故障点离母线越近ick1越小，反之越大；利用此特性计算开关动作时间方程，方程中ick1与开关动作时间成反比，具有反时限特性，故可以通过上述公式(6)来计算开关动作时间。
步骤S121，对所述开关动作时间t(I)进行整定，根据下式获得最终开关动作时间T(I)'：
Figure BDA0002770762770000071
具体地，经ROUND函数对开关动作时间t(I)进行处理，得到系统保护动作时间T(I)：
T(I)＝ROUND(t(I),-1)
当线路发生接地故障时，如果系统保护动作时间整定为T(I)，线路每相差1km的保护动作时间相差0.1s左右，但线路中开关动作时间级差Δt一般选为0.2s。如果计算的保护动作时间T(I)为偶数，则减0.1s，满足开动作时间级差Δt＝0.2s，故可以获得上述公式(7)中的最终开关动作时间T(I)'。
可以理解的是，本发明方法求得的动作时间满足时间级差的要求，不需设置定值，代入公式(5)～(7)自动求得开关动作时间，满足时间自适应性。
若系统联络开关位置发生变化，在新的运行方式下当线路单相接地故障时，判断出故障点上游区段后，只需把故障点至母线区段对地电容电流代入开关动作时间方程按上述步骤计算，即保证开关动作时间的选择性，此方法不受线路运行方式变化的影响。
步骤S13，各个测量点根据所述最终开关动作时间，进行补偿，并以补偿后的时间执行开关保护操作。
具体地，在一个例子中，所述步骤S13进一步包括：
步骤S130，以下述公式确定补偿后的开关操作时间t’：
t’＝k’×tmax
其中，k’为补偿系数，处于1.2～1.5之间；tmax为线路上开关的最大操作时间；步骤S131，确定线路上每一其他类型开关的补偿值Δt：
Δt＝t’-t
其中，t为每一开关最近3次开关操作时间平均值；例如，若线路上开关的最大操作时间为36ms，t’可取50ms，则对于弹簧储能操动机构技术的开关，Δt取14ms即可补偿到规定值，不同的开关类型Δt取值不同。依此原理对线路上其他类型开关进行补偿。
可以理解的是，实际应用中，一条线路上通常选用不同技术的开关，操作时间差异很大。如弹簧储能操动机构技术开关、永磁操动机构技术开关等。表1为不同开关类型的操作时间统计表。
表1不同开关类型操作时间统计表
Figure BDA0002770762770000091
为避免不同类型开关之间操作时间差距过大影响方案的选择性，所以需要对开关操作时间需进行上述的补偿操作。
步骤S132，根据步骤S131中所确定的补偿值，获得每一开关的补偿后的操作时间，执行开关跳闸保护操作；从而平衡地切断故障区。
实施本发明，具有如下的有益效果：
本发明提供了一种具有选择性的小电流自适应保护方法，当线路发生单相接地故障时，利用暂态零序电压突变量作为启动条件，采用无功功率方向法作为动作判据，准确判断故障上、下游区段，采用反时限特性的开关动作方程，实现小电流接地故障的就近保护和快速保护；
本发明的实施例中，不用配置时间延时，根据零序电流的测量值自动计算延时时间，自动具有选择性，且不受运行方式影响；能够有效解决分级定时限保护中需根据开关位置事先设定时间定值和线路运行方式变化需重新设置时间定值问题；
本发明可以自动根据统计的开关动作时间补偿接地保护时间，解决线路中开关类型不统一的问题。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种具有选择性的小电流自适应保护方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S10，当线路上的检测点检测到当前暂态零序电压大于预定的启动值，启动保护程序；
步骤S11，线路上启动的各检测点利用暂态无功功率方向法判断出故障线路上游区段；
步骤S12，测量故障点电容电流，计算延时的开关动作时间，并进行整定后获得最终开关动作时间；
步骤S13，各个测量点根据所述最终开关动作时间，进行补偿，并以补偿后的时间执行开关保护操作；
其中，所述步骤S13进一步包括：
步骤S130，以下述公式确定补偿后的开关操作时间t’：
t’＝k’×tmax
其中，k’为补偿系数，处于1.2～1.5之间；tmax为线路上开关的最大操作时间；
步骤S131，确定线路上每一其他类型开关的补偿值Δt：
Δt＝t’-t
其中，t为每一开关最近3次开关操作时间平均值；
步骤S132，根据步骤S131中所确定的补偿值，获得每一开关的补偿后的操作时间，执行开关跳闸保护操作。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S10进一步包括：
在馈线上的线路分段开关需配置高灵敏度的零序电压互感器和零序电流互感器，当检测到当前暂态零序电压大于预定启动值时，保护装置启动。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S11进一步包括：
步骤S110，通过下式计算每一出线L的暂态无功功率QL：
Figure FDA0004040886080000021
其中，QL为暂态无功功率，T为数据窗时间宽度，u0(t)为暂态零序电压采样值，iL0(t)为暂态零序电流采样值；
步骤S111，根据暂态无功功率QL判断每一出线L与故障点的位置关系，如果QL>0，则暂态无功功率流向线路末端，判断为故障点下游区段；如果QL<0，则暂态无功功率流向母线区段，判断为故障点上游区段。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S12进一步包括：
步骤S120，根据暂态无功功率方向法判断出故障点上游区段后，根据下述公式计算故障点到母线对地电容电流ick1：
ick1＝ik-i0A-i0C (5)
其中，ik为线路L故障点k处虚拟电压产生的零序电流；
i0A为所有非故障线路的零序电流之和，其方向由母线流向线路末端，
Figure FDA0004040886080000022
i0n为非故障相线路n对地电容电流，n∈[1,m]；
i0C为故障点下游所有正常线路的零序电流之和，其方向由故障点流向线路末端；
步骤S121，根据下述公式，对所述故障点到母线对地电容电流ick1进行计算获得开关动作时间t(I)：
t(I)＝0.0003(ick1-k)2-0.039(ick1-k)+1.15 (6)
式中k为时间系数，根据线路长短改变k值的大小；
步骤S121，对所述开关动作时间t(I)进行整定，根据下式获得最终开关动作时间T(I)'：
Figure FDA0004040886080000023
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CN108963990A (zh) * 2018-07-02 2018-12-07 广西电网有限责任公司电力科学研究院 基于暂态功率方向的手拉手线路小电流接地故障处理方法

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