CN113295970B - 一种就地隔离单相接地故障的阻性相位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种就地隔离单相接地故障的阻性相位检测方法，涉及配电系统保护技术领域。该就地隔离单相接地故障的阻性相位检测方法利用二次装置对接地故障零序电流与零序电压之间的相位判别，实现接地故障检测和保护动作切除。装置自动研判方向的正确性，保证零序相位方向的可靠运作。依据保护原理，可实现千欧级接地故障的检测的突破，彻底解决零序过流保护的百欧级的困扰，实现接地故障由顺序拉路到自动跳闸重大变革。阻性相位检测技术能够做到保护的最简化整定，避免复杂的人工整定计算，大大降低了保护应用门槛，适用性强，具有应用推广价值。

Description

一种就地隔离单相接地故障的阻性相位检测方法

技术领域

本发明涉及配电系统保护技术领域，具体为一种就地隔离单相接地故障的阻性相位检测方法。

背景技术

根据《配电网技术导则》第9章配电网继电保护和自动装置、配电自动化及信息化规定，配网单相接地保护有一定延时并与上级保护相配合。

实际配网中，绝大多数配置的是零序过流保护，根据南方电网的经验，零序电流整定大于60A，才可以保证正确动作。马鞍山地区按照大于零序40A整定值。考虑到接地过渡电阻和网络零序参数的影响，在中性点小电阻的辅助之下，其保护范围也为0.1kΩ以下，对高阻无能为力。过流保护本身也存在缺陷，其定值也只能根据经验设定，误动、拒动的情况一直存在。

目前，提及较多的有：信号注入法，暂态技术和站内选线技术等，在具备各种优势的同时，都有着各自的缺陷，分析如下：

采用注入信号法故障选线等方法。一般需集中比较各条出线的零序电流大小或相位，使得仪器接线复杂，难以与馈线保护结合为一体并在开关柜上就地安装，且现场运行可靠性不高。

采用暂态技术，要求完全传感器无延迟，采集全电流、电压状态，采集芯片高速，这些都导致电气设备成本的急剧增加，难以做到普及，同时，对于小电流系统和小电阻系统失效，由于可靠性问题，正确率不高，不能作为保护装置使用。

采用站内选线技术，选线设备相互关联，需要完整性，致使施工、维护困难；选线技术缺少及时性，容易引起社会人员触电；馈线出口设备容量大，精确挑出接地电流，需要高精度设备，最后还得进行线路查找和拉路，治标不治本。

总结而言，单相接地故障检测的做到普及的难点，主要有两点：

1.可检测性低

其主要原因首先是单相接地故障电流不足30A，相对于馈线工作电流来说非常小，从较大工作电流中的分辨出仅仅几个安培的接地电流非常困难；其次是超长电力电缆产生的对地容性电流幅值与故障电流的幅值类似，零序过流保护无法分别。

2.干扰因素多

单相接地电流理论上特征属于纯容性，但是容易受到两个因素的干扰，一是补偿电抗线圈的干扰，消弧线圈不同的补偿度，接地电流在感性和容性之间摇摆；二是受馈线开关测量设备布置朝向、分布式多电源联络线潮流方向、零序互感器的接线极性等的影响，容易使得测量电流的方向颠倒，接地电流的感性和容性混淆，无法正确辨别是正常线路还是接地线路。上述干扰因素，都是导致单相接地电流在极性上摇摆。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种就地隔离单相接地故障的阻性相位检测方法，解决了配电保护系统难以识别较小接地故障电流的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种就地隔离单相接地故障的阻性相位检测方法，包括配电系统，移相电阻器R_N、母线、接地变电抗器X_T、测量装置，所述测量装置设置在配电系统上，其特征在于：包括如下步骤：

S0：在配电系统的中性点上安装移相电阻器R_N并根据配电系统的参数确定移相电阻器R_N的阻值范围；

S1：对配电系统进行相位保护检测；

S2：对比零序电流I₀与设定的故障电流I_z的大小；

S3：如果零序电流I₀大于设定的故障电流I_z，则判定母线故障；

S4：如果零序电流I₀小于设定的故障电流I_z，则判断相角ΔΦ的绝对值与相位保护定值γ_set的大小，相角ΔΦ的具体计算公式如下：

ΔΦ＝ΦU-ΦI-π/2，式中ΦU为零序电压的电压角，ΦI为零序电流的电流角；

S5：如果相角ΔΦ的绝对值小于相位保护定值γ_set，则判定母线无故障；

S6：如果相角ΔΦ的绝对值大于相位保护定值γ_set，则判定母线故障。

优选的，所述S0中的移相电阻器R_N的阻值范围的确定步骤如下：

S01：计算母线电容电感综合等效电抗X_E

上式中，I_X为母线系统综合补偿后的对地容抗电流，E为母线电压；

S02：计算配电系统的对地零序导纳Y_E

S03：计算移相角

S04：选择使移相角

大于10°的移相电阻器R_N的阻值。

优选的，所述S2配电系统进行相位保护检测的具体步骤如下：

S21：在测量装置的测量方向统一为母线指向负荷端的前提下，测量导纳方程如下:

上式中，Y₀为故障接地馈线测量导纳，Y_i为测量电导，C_fi为健康线路的对地电容，C_fo为故障线路的对地电容；

S21：通过测量装置安装处的零序电流I_0i相对于零序电压U_0i的相位角，装置可以构成导纳相位保护。

优选的，所述移相电阻器R_N通过Z型接地变压器接入配电系统。

优选的，所述Z型接地变压器的阻抗为2～10Ω。

(三)有益效果

本发明提供了一种就地隔离单相接地故障的阻性相位检测方法。具备以下有益效果：

该就地隔离单相接地故障的阻性相位检测方法利用二次装置对接地故障零序电流与零序电压之间的相位判别，实现接地故障检测和保护动作切除。装置自动研判方向的正确性，保证零序相位方向的可靠运作。依据保护原理，可实现千欧级接地故障的检测的突破，彻底解决零序过流保护的百欧级的困扰，实现接地故障由顺序拉路到自动跳闸重大变革。阻性相位检测技术能够做到保护的最简化整定，避免复杂的人工整定计算，大大降低了保护应用门槛，适用性强，具有应用推广价值。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的装置计算流程图；

图2为具有2个馈线和馈线0中的单相接地故障的简化网络；

图3为本发明一种实施方式的12Ω、30Ω、100Ω的移相曲线图；

图4为本发明一种实施方式的馈线测量导线导纳向量图；

图5为本发明一种实施方式的健康馈线与故障馈线电流电压向量图。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施方式一种就地隔离单相接地故障的阻性相位检测方法，其装置计算流程图，如图1所示：利用二次装置对接地故障零序电流与零序电压之间的相位判别，实现接地故障检测和保护动作切除。

当系统发生某一馈线线路单相接地，其系统电流分布如图2，图中Z_Fi为馈线阻抗，Z_T为接地变阻抗，R_f接地故障点介质电阻，L_n和R_n为中心点接地系统谐振电抗和接地电阻，E_f为单相接地相等效电势。I_G0、I_G1、I_G2、...G_2n分别为各支线的对地电容不平衡接地电流，M_i和M₀分别为健康馈线和故障馈线的测量点，其方向从母线指向负荷端。在电阻接地系统中，馈线系统单相接地后，其健康线路与故障线路检测到的零序导纳相位有较大区别。

健康馈线分析：系统某个位置发生单相接地，健康馈线测量装置M_i检测到的本线零序电流表达式，考虑三相导线阻抗和三相对地电容的对称性：

其中U_0i为检测装置M₂安装处的零序电压。线路单相导体阻抗Z_fi参数参数与单相对地绝缘参数X_Gi相差四个(104)数量级以上，完全忽略导体的阻抗Z_fi＝0，用导纳Y_0i表示：

没有阻性成分电导G_0i＝0，健康馈线导纳角φ＝π/2。结论：测量电导Y_i不是π/2的均为故障线路。

故障馈线分析：系统馈线发生单相接地，单相接地故障支线上，其接地故障点的故障介质通过的故障电流I_f为：

故障线路F₀，测量装置安装处M₀感受到的故障电流I_f是通过接地点流向母线，与馈线的测量指向负荷原则相反，为：

其中I_G0为故障馈线自身对地电容电流。用检测点零序电压U_0f表示电流，上式表达为：

用故障接地馈线测量导纳Y0表示：

当不存在电导G_E＝0时，故障线路导纳角φ＝-π/2，与健康线路反向的。选择适合的G_E即可检测出系统接地故障馈线。

具体包括如下步骤：

S1：根据不同的系统参数，选择对应的移相电阻；

在配电系统接地故障时，健康线路与故障线路的零序电流方向理论上是相反的。由于联络线路的潮流、传感器安装方向等原因，导致正反方向飘忽不定，用方向性确定故障失效，给配网的工程实际应用带来难度。在中性点安装的电阻器提供阻性电流改变故障电流的特性，实现故障线路的唯一性检测。

在10千伏配电系统中，母线系统的等效电流I_x，不接地或经过消弧线圈补偿的小电流系统，其电容电流小于30A，经统计占比高达80％；全电缆馈线且无补偿的母线系统，其I_s电容电流达可到300A，集中在工业发达的市区，占比约20％。因此，其等效对地阻抗XE＝20Ω～∞之间。

上式中，I_X为母线系统综合补偿后的对地容抗电流，X_E为系统补偿后的等效电抗。

表1电阻移相效果表

移相角度取决电阻器和接地变的电抗值，接地变压器电抗的存在，更有利于移相。

图3是配置不同电阻器情况下，电阻移相相位θ与系统综合电容电流I_S曲线。从图3中看出，在30A以下小电流系统，配置的电阻可以让相位远远偏离原有的±90°的自然角。电阻值越小移相效果和放大效果越好。

配置电阻器既要考虑移相用于故障定性检测的目的，又要考虑放大电流便于检测的目的。对于10千伏配电系统，从移相超过10度分析，选择R_N≤100Ω；从开关额定630A电流分析，选择R_N≥10Ω电阻，一般选择R_N＝10～100Ω。

S2：进行相位保护检测；

在测量方向统一为母线指向负荷端的前提下，测量导纳方程如下:

其测量导纳关系如图4，根据I₀＝Y₀*U₀关系，换算成检测电流与零序电压的相位关系图,如图5。健康线路与故障线路的电流方向，理论上在虚轴J上是相反的。随着电源潮流的变化和安装方位的改变，健康支路与故障支路接地零序电流产生倒向，方向互换产生误判。施加的电阻器产生的阻性相位无论正向和反向均偏离J轴，通过阻性相位检测可以稳定地甄别出故障线路。

通过测量装置安装处的零序电流I_0i相对于零序电压U_0i的相位角，装置可以构成导纳相位保护：

上述表达式中，馈线上的I_mi＝3I_0i与φ_0i为测量点零序电流和导纳角，γ_set为相位保护定值。中性点电阻投入时间仅需要3～5个周波，相位保护即可完成相位检测和故障鉴别，通过零序电压延时判断故障的存续，电阻不影响配网原有方式的运行。

综上所述，该就地隔离单相接地故障的阻性相位检测方法对配电网的接地故障识别有广泛的实际意义，解决了接地故障的调度馈线拉路查找，维护人员定位查找的难处，节约了故障修复时间，减少了电力用户的停电范围，极大提高了供电可靠性，避免了用户投诉，变电站内采用保护的独立选线，故障的自动跳闸隔离或告警，解决了变电站内集中选线的短板，间隔间无需关联性和一致性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种就地隔离单相接地故障的阻性相位检测方法，包括配电系统，移相电阻器R_N、母线、接地变电抗器X_T、测量装置，所述测量装置设置在配电系统上，其特征在于：包括如下步骤：

S0：在配电系统的中性点上安装移相电阻器R_N并根据配电系统的参数确定移相电阻器R_N的阻值范围；

所述S0中的移相电阻器R_N的阻值范围的确定步骤如下：

S01：计算母线电容电感综合等效电抗X_E

上式中，I_X为母线系统综合补偿后的对地容抗电流，E为母线电压；

S02：计算配电系统的对地零序导纳Y_E；

S03：计算移相角θ

S04：选择使移相角θ大于10°的移相电阻器R_N的阻值；

S1：对配电系统进行相位保护检测；

S2：如果相角ΔΦ的绝对值相位保护值γ_set的范围外，则判定母线无故障；

所述S1 配电系统进行相位保护检测的具体步骤如下：

S21：在测量装置的测量方向统一为母线指向负荷端的前提下，测量导纳方程如下：

上式中，Y₀为故障接地馈线测量导纳，Y_i为测量电导，C_fi为健康线路的对地电容，C_fo为故障线路的对地电容；

S22：通过测量装置安装处的零序电流I_0i相对于零序电压U_0i的相位角，装置可以构成导纳相位保护；

S3：如果相角ΔΦ的绝对值在相位保护定值γ_set范围内，则判定母线故障。

2.根据权利要求1所述的一种就地隔离单相接地故障的阻性相位检测方法，其特征在于：所述移相电阻器R_N通过Z型接地变压器接入配电系统。

3.根据权利要求2所述的一种就地隔离单相接地故障的阻性相位检测方法，其特征在于：所述Z型接地变压器的阻抗为2～10Ω。

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