CN112904232A - 基于地线电流有功分量的接地故障定位方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于地线电流有功分量的接地故障定位方法和装置。基于地线电流有功分量的接地故障定位方法为：对于发生接地故障的中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网，同步采样零序电压和各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流并分别计算对应的相量值；依据各相量值计算各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流的有功分量，再计算各段馈出线电缆的故障判断量；依据各段馈出线电缆的故障判断量判断出发生接地故障的馈出线电缆。基于地线电流有功分量的接地故障定位装置包括零序电压监测装置、地线电流互感器和服务器。本发明能够较为快速、方便地在中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网中定位发生接地故障的馈线电缆段。

Description

基于地线电流有功分量的接地故障定位方法和装置

技术领域

本发明属于电力自动化技术领域，具体涉及一种针对中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网定位发生接地故障的馈出线电缆段的方法和装置。

背景技术

电缆配电网广泛使用于煤矿等其他矿井的井下供电。近年来，由于人们对城市环境优美的追求和更高供电可靠性的需求，同时，也由于电力电缆生产技术水平的提高，电缆应用成本的下降，10kV城市配电网愈来愈多地改造为三芯电缆供电方式。三芯电缆的铜箔屏蔽层和铠装层与配电网的接地极构成配电网的接地网，当电网发生接地故障时，在这接地网中形成了地线电流的分布，并且，这种分布是有规律的。地线电流中的分布规律可为接地故障馈线的判断提供新的原理和方法，并且，由于地线电流在地线中的分布被接地极分割，各段地线的电流均有变化，这更有利于找出、定位接地故障点。不同于架空线配电网，电缆配电网虽有故障少，有利于提高供电的可靠性等优势，但一旦发生接地故障，则较架空线电网更难发现故障点，因此，定位接地故障发生的电缆段能极大地减小接地故障的搜索范围，大大减少接地故障的寻找时间，减少故障寻找的工作量的同时，也极有利于提高供电的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够较为快速、方便地在中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网中定位发生接地故障的馈线电缆段的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于地线电流有功分量的接地故障定位方法，用于在中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网中定位发生接地故障的馈出线电缆，其特征在于：所述基于地线电流有功分量的接地故障定位方法包括以下步骤：

步骤1：对于发生接地故障的中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网，同步采样零序电压和各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流；

步骤2：分别计算所述零序电压和各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流对应的相量值；

步骤3：依据所述零序电压和各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流对应的相量值，计算各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流的有功分量；

步骤4：依据各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流的有功分量计算各段所述馈出线电缆的故障判断量；

步骤5：依据各段所述馈出线电缆的故障判断量判断出发生接地故障的所述馈出线电缆。

所述步骤1中，采样零序电压，并依据所述零序电压判断所述中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网是否发生接地故障。若所述零序电压超过整定的门槛值，则所述中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网发生接地故障。

所述步骤2中，所述零序电压对应的相量值为U_0Re+jU_0Im，各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流对应的相量值分别为I_siRe+jI_siIm、I_miRe+jI_miIm，其中，下标i为所述馈出线电缆的序号，小标s、m分别表示所述馈出线电缆的首端和末端，下标Re、Im分别表示实部和虚部，其中：

u₀(k)为所述零序电压，i_si(k)为第i段所述馈出线电缆的首端的地线电流，i_mi(k)为第i段所述馈出线电缆的末端的地线电流，N为一个基波周期的采样点数。

所述步骤3中，各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流的有功分量为：

所述步骤4中，设定所述各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流的参考方向都为流向接地极为正，则各段所述馈出线电缆的故障判断量为：

ΔI_pi＝I_psi+I_pmi。

所述步骤5中，若各段所述馈出线电缆的故障判断量具有唯一的最大值且该最大值大于故障量整定值，则该最大值对应的一段馈出线电缆发生接地故障，若各段所述馈出线电缆的故障判断量均小于所述故障量整定值，则各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流的有功分量中的最大值对应的一段馈出线电缆末端的母线发生接地故障。

本发明还提供一种能够较为快速、方便地在中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网中定位发生接地故障的馈线电缆段的装置，其方案是：

一种基于地线电流有功分量的接地故障定位装置，包括：

零序电压监测装置，所述零序电压监测装置用于对于发生接地故障的中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网同步采样零序电压；

若干个地线电流互感器，所述地线电流互感器用于对于发生接地故障的中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网同步采样各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流；

服务器，所述服务器分别与所述零序电压监测装置、各个所述地线电流互感器通信连接，用于分别计算所述零序电压和各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流对应的相量值；依据所述零序电压和各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流对应的相量值，计算各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流的有功分量；依据各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流的有功分量计算各段所述馈出线电缆的故障判断量；依据各段所述馈出线电缆的故障判断量判断出发生接地故障的所述馈出线电缆。

所述服务器与所述零序电压监测装置、各个所述地线电流互感器通过无线通信方式通信连接。

所述服务器与所述零序电压监测装置、各个所述地线电流互感器通过Rola无线通信方式通信连接。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明能够较为快速、方便地在中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网中定位发生接地故障的馈线电缆段，有利于提高供电的可靠性。

附图说明

附图1为三芯电缆配电网接地故障三相仿真模型图。

附图2为三芯电缆配电网接地故障零序等值电路。

附图3是三芯电缆配电网接地故障时的零序仿真模型图。

附图4是中性点电流

单独作用下的地线电流分布图。

附图5是故障电流

单独作用下的地线电流分布图。

附图6是地线电流互感器的安装图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：一种用于在中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网中定位发生接地故障的馈出线电缆的基于地线电流有功分量的接地故障定位方法，包括以下步骤：

步骤1：对中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网采样其零序电压，并依据零序电压判断中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网是否发生接地故障。若零序电压超过整定的门槛值，则中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网发生接地故障。对于发生接地故障的中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网，同步采样零序电压u₀(k)和各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流i_si(k)、i_mi(k)。

步骤2：分别计算零序电压和各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流对应的相量值。零序电压对应的相量值为U_0Re+jU_0Im，各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流对应的相量值分别为I_siRe+jI_siIm、I_miRe+jI_miIm，其中，下标i为馈出线电缆的序号，小标s、m分别表示馈出线电缆的首端和末端，下标Re、Im分别表示实部和虚部。由零序电压采样值u₀(k)计算得到的实部和虚部为：

由各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流采样值i_si(k)、i_mi(k)计算得到的实部和虚部为：

其中，u₀(k)为零序电压，i_si(k)为第i段馈出线电缆的首端的地线电流，i_mi(k)为第i段馈出线电缆的末端的地线电流，N为一个基波周期的采样点数。

步骤3：依据零序电压和各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流对应的相量值，按照式(1)计算各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流的有功分量。

步骤4：设定各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流的参考方向都为流向接地极为正，则依据各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流的有功分量，按照式(2)计算各段馈出线电缆的故障判断量。

ΔI_pi＝I_psi+I_pmi (2)

步骤5：依据各段馈出线电缆的故障判断量判断出发生接地故障的馈出线电缆。若各段馈出线电缆的故障判断量具有唯一的最大值且该最大值大于故障量整定值，则该最大值对应的一段馈出线电缆发生接地故障，若各段馈出线电缆的故障判断量均小于故障量整定值，则各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流的有功分量中的最大值对应的一段馈出线电缆末端的母线发生接地故障。

上述基于地线电流有功分量的接地故障定位方法通过基于地线电流有功分量的接地故障定位装置来实现，基于地线电流有功分量的接地故障定位装置包括零序电压监测装置、若干个地线电流互感器(地线电流监测装置)和服务器，服务器与零序电压监测装置、各个地线电流互感器通过无线通信方式(例如Rola无线通信方式/装置)通信连接。零序电压监测装置在变电所内用于对于发生接地故障的中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网同步采样零序电压。地线电流互感器用于对于发生接地故障的中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网同步采样各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流，其安装如附图6所示，馈出线电缆的首端和末端的地线电流的参考方向都为流向接地极为正。由于零序电压和各地线电流采集装置不在同一地点，服务器分别与零序电压监测装置、各个地线电流互感器一般需要采用无线通信连接，从而零序电压监测装置、地线电流互感器将采集到的数据传送到服务器，而服务器则用于分别计算零序电压和各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流对应的相量值；依据零序电压和各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流对应的相量值，计算各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流的有功分量；依据各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流的有功分量计算各段馈出线电缆的故障判断量；依据各段馈出线电缆的故障判断量判断出发生接地故障的馈出线电缆。

由于三芯电缆缆芯的对称性，并且，三相铜箔屏蔽层又相互接触，电网正常运行时在铜箔层没有感应电压，因此，电缆都采用双端接地。图1是简单的电缆配电网，电缆采用π型模型，由于缆芯的电阻和电抗及铜箔屏蔽层的电抗不仅远小于电网的对地分布电容的容抗和中性点接地阻抗，也远小于铜箔屏蔽层的电阻，为简化分析，图中忽略了它们。对一个较为复杂的配电网，考虑了地线和接地极，可能至少具有数十个“节点”，数百到上千个“网孔”的复杂电路，要直接对其进行解析分析是困难的。然而，电缆配电网发生单相接地故障时，地线电流中只有零序电流，并且，全部零序电流都流入接地网中。按照对称分量理论，当三相电网在f处发生单相接地故障时，故障点处的电压

和

可以分解为正序、负序和零序电压三个对称分量：

其中：

因此，可以将图1三相电路分解为三个对称电路来分析，并且，由于正序和负序的相位都互差120°，任何时刻的三个电流之和等于零，不流过故障点f，因此，当只要地线电流的分布时，由于地线电流中只有、也仅有零序电流，没有正序和负序电流，图1三相电路可化简为零序等效电路(见图2，图2中：R_eli.j＝R_Cui.j//R_Fei.j为第i与i+1之间，第j条地线的电阻)，仅在零序电路中就可准确分析单相接地故障电流在地线中的分布。

图中，i＝1～n为从主变电所的接地极向用电户侧接地极的序号；j＝1～m为连接到第“i”个接地电阻上的地线的序号，m是连接到第“i”个接地电阻上的地线总数；

是连接到第i个接地极的第j条地线的电流；R_Cui.j、R_Fei.j和C_i.j分别是第i与i+1之间，第j条电缆的铜箔屏蔽层(三相)、铠装层电阻和每相分布电容；R_ei.j是第i个接地极电阻；Z_N为中性点接地阻抗；

和

分别为三相电源电势。

图2中

是三相电网F处单相接地故障时电网的零序电压；

是流经故障点f的故障电流(三倍的零序电流)。为了更便于分析，根据电路的“替代定理”，若已知电路中两个一端口网络的连接端口的电压和电流，那么就可以用一个电压等于该连接端口的电压源或用一个电流等于该连接端口的电流源来替代其中一个一端口网络。将

电流源替代中性点接地阻抗Z_N，这里

是流经中性点阻抗的电流。对中性点消弧线圈并(串)电阻接地，它就是消弧线圈的补偿电流(无功分量)与电阻电流(有功分量，包括消弧线圈的损耗有功电流)。并将

拆分为

和

并使

由于电压源

的电流与电压源

的电流相同，等于

再用电流源

替代电压源

得到图3电缆配电网单相接地故障时分析地线电流分布的零序模型。

依据线性电路的叠加原理，图3可以分解为3个电路，并可在3个电路中分别独立分析计算出地线电流

和

然后，将3个分析结果相加

便可准确获得像图1三相配电网单相接地故障时的地线电流分布。式中：

和

分别为：第i个接地极的第j条分支地线的地线电流、零序电压

单独作用下的地线电流、中性点电流

单独作用下的地线电流和故障电流

单独作用下的地线电流。考虑到本发明利用的是地线电流的有功分量，没有涉及无功分量电流(对地电容电流和消弧线圈电流)，因此，这里只分析地线电流的有功分量分布，即

的有功分量部分和

的分布。地线电流就等于这两部分的和，即

中性点电流I_N(有功分量部分)单独作用下的地线电流分布：图3中，由于分布电容的容抗远远大于接地极电阻和地线电阻，视分布电容为开路，并且，令：

(短路)，形成中性点电流

单独作用下的电路，如图4。中性点电流

从中性点接地元件出发，经地线和接地极电阻到大地E，再回到接地故障点，经由故障线路三相导线回到中性点阻抗Z_N形成回路。这一电流只流经故障点到中性点阻抗Z_N这段线路，其他线路(如非故障线路)不流经此电流。显然，这一电流在任何电缆段的地线首端和末端的互感器中都是穿越性的，即由式(2)计算得到的故障量ΔI_pi都等于零。

故障点f的故障电流

单独作用下的地线电流分布：图3中，同样因分布电容的容抗远远大于接地极电阻和地线电阻，视分布电容为开路，并且令：

形成故障点f的故障电流

单独作用下的电路，如图5。故障电流

不流经导线，至流经地线和接地极，并且，对所有没有接地故障的电缆段，这一电流也同时穿越电缆首端和末端的地线电流互感器，即由式(2)计算得到的故障量ΔI_pi都等于零。而对于有接地故障的电缆段，故障电流I_k是由两边首端和末端的地线电流互感器流入，向故障点，并经由故障点流入大地的，因此，对接地故障发生的电缆段，故障量ΔI_pi＝I_k。

总结一下，对于所有的没有接地故障发生的电缆段，I_N和I_k分别单独作用时，其地线电流都是穿越性的，即电缆地线的首端和末端电流互感器流经同一电流，因此，由式(2)计算得到的故障量ΔI_pi都等于零。考虑到电缆的绝缘电导电流(一般极小，接近为零)、电流互感器的测量误差和监测装置的计算误差等，设定一个给定值作为故障判断量的门槛值，以防止误动(误报警)。这个故障判断量是一个与接地故障点的故障电阻无关的常量，因此，他既能定位低故障电阻的接地故障，也能定位高故障电阻的接地故障。这是这个定位方法的突出优势。这个给定值可以兼顾对接地故障反应的灵敏度考虑，如接地故障的灵敏度要求是能反应1kΩ接地故障点电阻，则可以设定这个给定值为5774V/1132Ω＝5.1A，这里132Ω是中性点消弧线圈并的电阻值，即可取这个给定值等于5A。这样，若有唯一一段电缆的故障量ΔI_pi大于故障量整定值，则这段电缆必定是接地故障发生的电缆段。

从图5还可见，若接地故障不是发生在电缆上，而是在母线上(开关柜内，或母线上等)，则这一故障电流I_k对所有电缆段的首端和末端的地线电流互感器都是穿越性的，因此，所有电缆段的故障量ΔI_pi都小于整定值。但是，显然有接地故障点向电源侧的那段电缆的地线电流(不管是首端还是末端的电流互感器)最大，并且必定大于整定值。因此，若所有电缆段的故障判断量都有幅值小于整定值，则电缆线首端或末端地线电流的有功分量最大的对应馈出线电缆的末端母线有接地故障。

本发明提供一种适用于中性点不接地电缆配电网的接地故障馈线电缆段定位的新方法，电缆配电网虽有故障少，有利于提高供电的可靠性等优势，但一旦发生接地故障，较架空线电网更难发现故障点，因此，定位接地故障发生的电缆段能极大地缩小接地故障的搜索范围，大大减少接地故障的寻找时间，减少故障寻找的工作量的同时，也极有利于提高供电的可靠性。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于地线电流有功分量的接地故障定位方法，用于在中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网中定位发生接地故障的馈出线电缆，其特征在于：所述基于地线电流有功分量的接地故障定位方法包括以下步骤：

步骤1：对于发生接地故障的中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网，同步采样零序电压和各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流；

步骤2：分别计算所述零序电压和各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流对应的相量值；

步骤3：依据所述零序电压和各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流对应的相量值，计算各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流的有功分量；

步骤4：依据各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流的有功分量计算各段所述馈出线电缆的故障判断量；

步骤5：依据各段所述馈出线电缆的故障判断量判断出发生接地故障的所述馈出线电缆。

2.根据权利要求1所述的基于地线电流有功分量的接地故障定位方法，其特征在于：所述步骤1中，采样零序电压，并依据所述零序电压判断所述中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网是否发生接地故障。

3.根据权利要求2所述的基于地线电流有功分量的接地故障定位方法，其特征在于：若所述零序电压超过整定的门槛值，则所述中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网发生接地故障。

4.根据权利要求1所述的基于地线电流有功分量的接地故障定位方法，其特征在于：所述步骤2中，所述零序电压对应的相量值为U_0Re+jU_0Im，各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流对应的相量值分别为I_siRe+jI_siIm、I_miRe+jI_miIm，其中，下标i为所述馈出线电缆的序号，小标s、m分别表示所述馈出线电缆的首端和末端，下标Re、Im分别表示实部和虚部，其中：

u₀(k)为所述零序电压，i_si(k)为第i段所述馈出线电缆的首端的地线电流，i_mi(k)为第i段所述馈出线电缆的末端的地线电流，N为一个基波周期的采样点数。

5.根据权利要求4所述的基于地线电流有功分量的接地故障定位方法，其特征在于：所述步骤3中，各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流的有功分量为：

6.根据权利要求5所述的基于地线电流有功分量的接地故障定位方法，其特征在于：所述步骤4中，设定所述各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流的参考方向都为流向接地极为正，则各段所述馈出线电缆的故障判断量为：

ΔI_pi＝I_psi+I_pmi。

7.根据权利要求6所述的基于地线电流有功分量的接地故障定位方法，其特征在于：所述步骤5中，若各段所述馈出线电缆的故障判断量具有唯一的最大值且该最大值大于故障量整定值，则该最大值对应的一段馈出线电缆发生接地故障，若各段所述馈出线电缆的故障判断量均小于所述故障量整定值，则各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流的有功分量中的最大值对应的一段馈出线电缆末端的母线发生接地故障。

8.一种基于地线电流有功分量的接地故障定位装置，用于实施如权利要求1所述的基于地线电流有功分量的接地故障定位方法而在中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网中定位发生接地故障的馈出线电缆，其特征在于：所述基于地线电流有功分量的接地故障定位装置包括：

零序电压监测装置，所述零序电压监测装置用于对于发生接地故障的中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网同步采样零序电压；

若干个地线电流互感器，所述地线电流互感器用于对于发生接地故障的中性点经消弧线圈并/串连电阻接地的电缆配电网同步采样各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流；

服务器，所述服务器分别与所述零序电压监测装置、各个所述地线电流互感器通信连接，用于分别计算所述零序电压和各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流对应的相量值；依据所述零序电压和各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流对应的相量值，计算各段馈出线电缆的首端和末端的地线电流的有功分量；依据各段所述馈出线电缆的首端和末端的地线电流的有功分量计算各段所述馈出线电缆的故障判断量；依据各段所述馈出线电缆的故障判断量判断出发生接地故障的所述馈出线电缆。

9.根据权利要求8所述的基于地线电流有功分量的接地故障定位装置，其特征在于：所述服务器与所述零序电压监测装置、各个所述地线电流互感器通过无线通信方式通信连接。

10.根据权利要求9所述的基于地线电流有功分量的接地故障定位装置，其特征在于：所述服务器与所述零序电压监测装置、各个所述地线电流互感器通过Rola无线通信方式通信连接。

Images