CN113078611B - 基于零序电流投影分量比值的小电阻接地系统故障保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于零序电流投影分量比值的小电阻接地系统故障保护方法，涉及交流配电网继电保护领域。该方法采样故障后同一时刻的零序电流幅值及相位信息；通过先计算投影分量，再进行比值计算的方法使得故障线路与健全线路之间区分度非常高，且受接地过渡电阻的影响较小；最后为了消除零序电流过小或不平衡零序电流带来的影响，采用相位法进行二次判别，同时满足投影比值和相位判据的线路作为最终输出的选线结果。本发明立足5G技术发展的基础上实现的，所提供的方法降低了保护的启动电流门槛值，增强了高阻接地故障时灵敏性；大大提升了不同线路采样的同步性，兼顾了低阻接地故障时保护的灵敏性和高阻接地故障时保护的可靠性，具有较好的应用前景。

Description

基于零序电流投影分量比值的小电阻接地系统故障保护方法

技术领域

本发明涉及交流配电网继电保护领域，具体为一种基于零序电流投影分量比值的小电阻接地系统故障保护方法。

背景技术

随着我国工业和经济发展迅猛，配电网用电负荷特别是大中城市配电网用电负荷节节攀升，并且配电网普遍采用电缆作为配电线路，直接导致系统电容电流急剧增加，当电缆线路发生单相接地故障时，若是电弧接地故障，将导致弧光过电压，在这种情况下：中性点不接地系统的弧光过电压比较大，对系统的绝缘造成较大的危害；中性点经消弧线圈接地系统能补偿电容电流，但是在系统对地电容不断增加的事实下，难以满足快速增加的补偿容量需求，可能导致系统处于欠补偿状态，甚至发生谐振过电压，使配电网运行和供电可靠性显著降低，另外自动跟踪补偿装置价格高，结构复杂，维护量大，实际运行经验较少，运行情况有待进一步研究。与小电流接地方式相比，小电阻接地系统具有单相接地故障时过电压水平低、对配电设备绝缘要求相对较低、快速隔离故障源以及现场运行人员维护方便等优点，国内不少大中城市配电网将中性点接地方式改为小电阻接地。

小电阻接地系统发生金属性或者低阻接地故障时，故障电流较大，保护可以快速切除故障线路，隔离故障源。电弧接地故障可能损伤配电网中绝缘强度较低的旋转电机、电缆线路，从而影响配电网的可靠性。但是根据配电网接地故障现场运行数据表明，发生高阻接地故障时，由于故障电流相对较小，故障电流小于接地保护动作电流，经常出现保护装置拒动的危险情况，故障长时间存在可能引发火灾，导致设备损伤和人员伤亡等事故，严重威胁配电网的运行安全。部分地区的小电阻接地系统是从旧式接地系统改造而来，沿用旧式接地系统部分不适用于小电阻接地系统的二次设备，从而对保护装置的正确动作有较大影响。小电阻接地系统的高阻接地保护是目前研究的重点和难点，提高小电阻接地系统配电网对高阻接地故障的识别能力，对提高小电阻接地系统配电网供电可靠性和稳定性具有重要意义。

发明内容

本发明为了解决传统的小电阻接地系统主要采用定时限零序过流保护，启动门槛较高，高阻接地故障时保护有可能拒动的问题，提供了一种基于零序电流投影分量比值的小电阻接地系统故障保护方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于零序电流投影分量比值的小电阻接地系统故障保护方法，包括如下步骤：

S1：故障启动：保护装置采集各出线及中性点零序电流，当中性点零序电流超过I_set时保护启动，I_set为零序电流启动门槛值，该值必须大于系统最大不平衡零序电流，以防止在系统正常运行时候保护误动；因启动电流定值直接关乎到接地保护耐受过渡电阻能力，故而自然是越小越好，但是灵敏度越高伴随的是可靠性的下降，以及对设备精度要求的提高；最后须考虑零序电流互感器的测量范围，最小测量电流一般为满量程(600A)的0.5％，以此计算得到I_set；

S2：投影比值判别：

(1)投影法保护计算：设系统有n条出线，

当系统发生单相接地故障时，中性点接地电阻3R_n与各条出线的对地零序电容C_0i(i＝1,2,…,n)并联得到零序阻抗Z₀：

其中，

为系统对地零序电容；ω为工频角速度；

根据分压公式，母线零序电压为：

系统中性点零序电流为：

对于健全出线Li(i＝1,2,…,n)而言，其零序电流等于本线路对地零序电容电流：

故障出线的零序电流

为所有健全线路零序电流与中性点零序电流矢量和：

其中，

为所有健全线路对地零序电容矢量和；

通过式(3)和式(4)，得出中性点零序电流和健全线路零序电流满足如下规律：

R_n＝10Ω，带入参数值可得

即中性点零序电流大于健全线路零序电流10倍以上；

通过式(3)和式(5)，得出故障出线零序电流和中性点零序电流关系：

由式(7)可知故障出线零序电流幅值略大于中性点零序电流；

由式(6)、(7)可知故障出线零序电流幅值同样大于健全线路零序电流幅值10倍以上，继续进行后续的单相接地故障零序电流相位特征分析；

(2)投影法保护原理：

当出线发生单相接地故障时零序电流及在中性点电流上的投影分量如式(8)所示：

式中，

为线路Li对应的对地零序电容电流，

为线路Li在中性点零序电流上的投影分量，θ_i为线路Li与中性点零序电流的夹角；

根据式(9)设计第k条线路的选线特征值ρ_k：

式中，I_Rn为中性点电流，I_Pi为线路Li在中性点零序电流上的投影分量，由式(8)计算得到；这里的I_Rn和I_Pi均为标量，区别于前文的矢量

和

在投影计算后，故障线路投影分量I_Pn与I_Rn幅值近似相等，方向相反；而健全线路投影分量I_Pi大小近似为0，方向与I_Rn同向或反向；

其中分子为中性点零序电流减去除第k条出线外其余所有出线零序电流投影分量之和，分母为中性点零序电流加除第k条出线外其余所有出线零序电流投影分量之和；

a.若出线发生单相接地故障：

根据分析，健全线路投影分量I_Pi大小近似为0，可知所有健全线路投影分量标量之和亦趋近于0；

对于故障线路而言：

对于健全线路而言：

由此可知，故障线路的选线特征值约等于1，即使有各种不对称情况的出现，ρ值也不会很大，理论上趋近于1；而健全线路的ρ值理论上趋于无穷大，实际上，不平衡零序电流或者线路不对称的情况一定存在，所以ρ值反应在计算结果上在100～9999之间，也就是几百到几千之间；

b.若母线发生单相接地故障：

此时所有出线均为健全线路，但ρ值与出线接地时并不同，所有出线ρ值计算结果均与式(10)相似，应约等于1；也就是说如果所有线路选线特征值ρ均为1，判定为母线接地；

根据a和b两种情况，综合为：若保护启动后所有ρ值均为1，为母线接地故障；否则为出线接地故障，ρ值为1的线路对应为故障线路；根据分析，不存在出线接地同时两条线路ρ值计算为1的线路；

考虑到不平衡零序电流或者测量误差等情况，将ρ值整定从约等于1扩大到ρ∈(0,2)，即使扩大整定区间保护方案不同线路之间仍均有很高的区分度，故障线路与健全线路差异明显，显著提高了保护的灵敏性。同时为了防止无故障情况下保护误动，要求启动电流定值躲过系统最大不平衡零序电流，以保证保护只在系统发生故障情况下启动；

S3：相位判别：

在故障后采集所有出线的零序电流，得到零序电流相位

(1)全部线路的投影法判别参数ρ_k＝1，且各出线相位差在30°以内，则判定为母线发生接地故障；

(2)投影法判别参数第k条出线的ρ_k＝1，其余线路ρ_k很大，第k条出线的零序电流相位为

若

超前其他所有出线的相位60°～135°时，则判定为第k条出线故障；

S4：后续保护程序：

在判断故障结束后，保护装置控制故障出线的断路器动作或者控制母线的断路器动作，切除故障，实现故障保护。

在本发明中，相位法是对投影法的补充，对投影法的选线结果进行二次验证，满足条件即输出选线结果，不满足则保护返回。5G技术的应用使低成本获取每条出线同一时刻电流相位成为可能，所以理论上相位法可以作为单独的保护方案进行选线。但是在过渡电阻较大时，健全出线零序电流太小，不平衡电流的干扰可能会使健全出线零序电流相位产生较大误差，所以实践中相位法并不适合单独作为主保护方法。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种基于零序电流投影分量比值的小电阻接地系统故障保护方法，是针对单点接地故障来进行计算和保护的，这种方案降低了保护的启动电流门槛值，增强了高阻接地故障时灵敏性；得益于5G技术的发展，大大提升了不同线路采样的同步性，以较高精度采样故障后同一时刻的零序电流幅值及相位信息；通过先计算投影分量，再进行比值计算的方法使得故障线路与健全线路之间区分度非常高，且受接地过渡电阻的影响较小；最后为了消除零序电流过小或不平衡零序电流带来的影响，采用相位法进行二次判别，同时满足投影比值和相位判据的线路作为最终输出的选线结果。本发明是立足5G技术发展的基础上实现的，兼顾了低阻接地故障时保护的灵敏性和高阻接地故障时保护的可靠性，具有较好的应用前景。

附图说明

图1为小电阻接地系统单相接地故障示意图。

图2为小电阻接地系统接地故障零序等效网络示意图。

图3本发明的向量分析示意图。

图4为本发明的故障选线流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例10kV配电网中性点经小电阻接地系统为研究对象，其系统结构如图1所示，等效网络如图2所示：系统中性点接地电阻为10Ω，共有五条出线分别为L₁～L₅，长度分别为13.5km、16km、5.5km、18km、15km。线路参数：正/负序参数：R＝0.27Ω/km，L＝2.55×10^-4H/km，C＝3.39×10^-7F/km；零序参数：R₀＝2.7Ω/km，L₀＝1.109×10^-3H/km，C₀＝2.8×10^-7F/km。

本实施例是通过如下技术方案来实现的：一种基于零序电流投影分量比值的小电阻接地系统故障保护方法，流程图如图4所示，包括如下步骤：

S1：故障启动：保护装置采集各出线及中性点零序电流，当中性点零序电流超过I_set时保护启动，I_set为零序电流启动值，I_set必须大于系统最大不平衡零序电流，以防止在系统正常运行时候保护误动；10kV小电阻接地系统架空线路和电缆线路的最大不平衡零序电流分别在0.37A和0.26A左右，保护装置一般接入3倍零序电流信号，故I_set>1.11A。因启动电流定值直接关乎到接地保护耐受过渡电阻能力，故而自然是越小越好，但是灵敏度越高伴随的是可靠性的下降，以及对设备精度要求的提高。10kV小电阻接地系统发生1500Ω电阻接地故障时故障出线零序电流约为3.8A，故I_set<3.8A。最后须考虑零序电流互感器的测量范围，最小测量电流一般为满量程(600A)的0.5％，即3A。综合分析最后取启动电流定值I_set＝3A；

S2：投影比值判别：

(1)幅值法保护计算：系统有n条出线，n＝5：

当系统发生单相接地故障时，中性点接地电阻3R_n与各条出线的对地零序电容C_0i(i＝1,2,…,n)并联得到零序阻抗Z₀：

其中，

为系统对地零序电容；ω为工频角速度；

根据分压公式，母线零序电压为：

系统中性点零序电流为：

对于健全出线Li(i＝1,2,…,n)而言，其零序电流等于本线路对地零序电容电流：

故障出线的零序电流

为所有健全线路零序电流与中性点零序电流矢量和：

其中，

为所有健全线路对地零序电容之和；

通过式(3)和式(4)，得出中性点零序电流和健全线路零序电流满足如下规律：

R_n＝10Ω，带入参数值可得

即中性点零序电流大于健全线路零序电流10倍以上；

通过式(3)和式(5)，得出故障出线零序电流和中性点零序电流关系：

由式(7)得知故障出线零序电流幅值略大于中性点零序电流；

由式(6)、(7)得知故障出线零序电流幅值同样大于健全线路零序电流幅值10倍以上，继续进行后续的单相接地故障零序电流相位特征分析；

(2)投影法保护原理：

首先进行单相接地故障零序电流相位特征分析，向量分析如图3所示：

图中，

为故障出线零序电流，

为线路Li对应的对地零序电容电流，

为中性点零序电流；α为故障出线零序电流与中性点零序电流反方向的夹角，I_Pi(i＝1,2,…,n)为线路Li在中性点零序电流上的投影分量，其中I_Pn为故障线路投影分量，θ_i为线路Li与中性点零序电流的夹角，可以得到：

理想情况下，健全线路零序电流基本呈容性，如

一样超前中性点零序电流90°，但由于线路参数不对称、负荷不平衡等因素，可能出现如

的不平衡零序电流。但易知，健全线路零序电流做投影后的幅值较小，近似接近于0。

10kV配电网系统对地电容电流一般不超150A，而各健全出线对地电容不超过28μF，代入式(8)中可得0°<α<14.78°，即故障线路零序电流相位超前中性点零序电流约180°～194.78°。故障线路零序电流投影分量幅值与中性点零序电流近似相等。

当母线接地时，零序电流主要集中在母线接地故障点处，过渡电阻会对各条出线零序电流幅值变化产生较大影响，但无论过渡电阻如何，中性点零序电流都比各出线零序电流大10倍以上。而且易知，此时所有出线之间的相位角差值均较小。

根据式(10)设计第k条线路的选线特征值ρ_k：

式中，I_Rn为中性点电流，I_Pi为线路Li在中性点零序电流上的投影分量，由式(9)计算得到。这里的I_Rn和I_Pi均为标量，区别于前文的矢量

和

根据图3可知做投影计算后，故障线路投影分量I_Pn与I_Rn幅值近似相等，方向相反；而健全线路投影分量I_Pi大小近似为0，方向与I_Rn同向或反向。

其中分子为中性点零序电流减去除第k条出线外其余所有出线零序电流投影分量之和，分母为中性点零序电流加除第k条出线外其余所有出线零序电流投影分量之和。

a.若出线发生单相接地故障：

根据分析，健全线路投影分量I_Pi大小近似为0，可知所有健全线路投影分量标量之和亦接近于0。

对于故障线路而言：

对于健全线路而言：

由此可知，故障线路的选线特征值约等于1，即使有各种不对称情况的出现，ρ值也不会很大，理论上趋近于1；而健全线路的ρ值理论上趋于无穷大，实际上由于不平衡零序电流或者线路不对称的情况一定存在，所以ρ值反应在计算结果上约为几百到几千之间；

b.若母线发生单相接地故障：

此时所有出线均为健全线路，但ρ值与出线接地时并不同。所有出线ρ值计算结果均与式(11)相似，应约等于1。即如果所有线路选线特征值ρ均为1，判定为母线接地。

综上，如果保护启动后所有ρ值均为1，为母线接地故障；否则为出线接地故障，ρ值为1的线路对应为故障线路。根据分析，不存在出线接地同时两条线路ρ值计算为1的线路。

考虑到不平衡零序电流或者测量误差等情况，将ρ值整定从约等于1扩大到ρ∈(0,2)，即使扩大整定区间保护方案不同线路之间仍均有很高的区分度，故障线路与健全线路差异明显，显著提高了保护的灵敏性。同时为了防止无故障情况下保护误动，要求启动电流定值躲过系统最大不平衡零序电流，以保证保护只在系统发生故障情况下启动；

S3：相位判别：

在故障后采集所有出线的零序电流，得到零序电流相位

(1)全部线路的投影法判别参数ρ_k＝1，且各出线相位差在30°以内，则判定为母线发生接地故障；

(2)投影法判别参数第k条出线的ρ_k＝1，其余线路ρ_k很大，第k条出线的零序电流相位为

若

超前其他所有出线的相位60°～135°时，则判定为第k条出线故障；

S4：后续保护程序：

在判断故障结束后，保护装置控制故障出线的断路器动作或者控制母线的断路器动作，切除故障，实现故障保护。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于零序电流投影分量比值的小电阻接地系统故障保护方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：故障启动：保护装置采集各出线及中性点零序电流，当中性点零序电流超过I_set时保护启动，I_set为零序电流启动门槛值；

S2：投影比值判别：

(1)投影法保护计算：设系统有n条出线，

当系统发生单相接地故障时，中性点接地电阻3R_n与各条出线的对地零序电容C_0i(i＝1,2,…,n)并联得到零序阻抗Z₀：

其中，

为系统对地零序电容；ω为工频角速度；

根据分压公式，母线零序电压为：

系统中性点零序电流为：

对于健全出线Li(i＝1,2,…,n)而言，其零序电流等于本线路对地零序电容电流：

故障出线的零序电流

为所有健全线路零序电流与中性点零序电流矢量和：

其中，

为所有健全线路对地零序电容矢量和；

通过式(3)和式(4)，得出中性点零序电流和健全线路零序电流满足如下规律：

R_n＝10Ω，带入参数值可得

即中性点零序电流大于健全线路零序电流10倍以上；

通过式(3)和式(5)，得出故障出线零序电流和中性点零序电流关系：

由式(7)可知故障出线零序电流幅值略大于中性点零序电流；

由式(6)、(7)可知故障出线零序电流幅值同样大于健全线路零序电流幅值10倍以上，继续进行后续的单相接地故障零序电流相位特征分析；

(2)投影法保护原理：

当出线发生单相接地故障时零序电流及在中性点电流上的投影分量如式(8)所示：

式中，

为线路Li对应的对地零序电容电流，

为线路Li在中性点零序电流上的投影分量，θ_i为线路Li与中性点零序电流的夹角；

根据式(9)设计第k条线路的选线特征值ρ_k：

式中，I_Rn为中性点电流，I_Pi为线路Li在中性点零序电流上的投影分量，由式(8)计算得到；这里的I_Rn和I_Pi均为标量；在投影计算后，故障线路投影分量I_Pn与I_Rn幅值近似相等，方向相反；而健全线路投影分量I_Pi大小近似为0，方向与I_Rn同向或反向；

其中分子为中性点零序电流减去除第k条出线外其余所有出线零序电流投影分量之和，分母为中性点零序电流加除第k条出线外其余所有出线零序电流投影分量之和；

a.若出线发生单相接地故障：

根据分析，健全线路投影分量I_Pi大小近似为0，可知所有健全线路投影分量标量之和亦趋近于0；

对于故障线路而言：

对于健全线路而言：

由此可知，故障线路的选线特征值约等于1，即使有各种不对称情况的出现，ρ值理论上趋近于1；而健全线路的ρ值理论上趋于无穷大，实际上，不平衡零序电流或者线路不对称的情况一定存在，所以ρ值反应在计算结果上在100～9999之间；

b.若母线发生单相接地故障：

此时所有出线均为健全线路，但ρ值与出线接地时并不同，所有出线ρ值计算结果均与式(10)相似，如果所有线路选线特征值ρ均为1，判定为母线接地；

根据a和b两种情况，若保护启动后所有ρ值均为1，为母线接地故障；否则为出线接地故障，ρ值为1的线路对应为故障线路；根据分析，不存在出线接地同时两条线路ρ值计算为1的线路；

考虑到不平衡零序电流或者测量误差等情况，将ρ值整定从约等于1扩大到ρ∈(0,2)；

S3：相位判别：

在故障后采集所有出线的零序电流，得到零序电流相位

(1)全部线路的投影法判别参数ρ_k＝1，且各出线相位差在30°以内，则判定为母线发生接地故障；

(2)投影法判别参数第k条出线的ρ_k＝1，其余线路ρ_k很大，第k条出线的零序电流相位为

若

超前其他所有出线的相位60°～135°时，则判定为第k条出线故障；

S4：后续保护程序：

在判断故障结束后，保护装置控制故障出线的断路器动作或者控制母线的断路器动作，切除故障，实现故障保护。

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