CN113358979B - 一种配电网单相断线故障的选相方法和选相装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网单相断线故障的选相方法和选相装置，其中选相方法包括：获取配电网参数：对地电容、对地泄漏电阻、中性点接地电阻和消弧线圈电；向发生单相断线故障的配电网注入零序电流，依次调控零序电压的相角分别为三相相电压相角；针对每次不同的零序电压相角，通过采集获取对应返回的零序电压，计算相应的故障偏转角；将计算得到的故障偏转角与对地参数导纳相角进行比较，实现故障选相。本发明能够对配电网断线故障灵敏感知并有效选出故障相，而且不受故障位置、故障类型、配电网中性点接地方式等因素的影响，受干扰因素较少。

Description

一种配电网单相断线故障的选相方法和选相装置

技术领域

本发明属于配电网故障选相技术领域，具体涉及一种配电网单相断线故障的选相方法和选相装置。

背景技术

随配电网中绝缘导线渗透率不断增加，由于电弧存在的原因导致外皮不能及时散热，线路温度过高，易发生断线故障。同时在雨雾天气中配电网导线容易和绝缘子凑在一起，导致表面积增加且容易积聚污秽，形成一层污秽层，带有一定的导电性，一旦线路运行中热量超过一定量，则会导致线路断线故障的发生。另外由于配电网环境复杂，导线过于密集，易受到各种冲击或拉力，断线故障的发生几率很高。而架空绝缘导线在受到雷击等情况时，在导线的绝缘保护薄弱处容易出现孔洞，进而形成断线故障。

一直以来，配网研究人员在各类短路故障，如单相接地故障的识别及处理方面投入了较多精力，理论研究已经相对比较完善，而在电力系统的纵向故障-断线故障的研究上仍存在一些空白。当配电线路末端发生断线故障时，由于电源侧故障电流不明显，故障特征量难以提取及检测，且尚未对此进行深入研究，系统容易长时间带故障运行，而故障点周围存在危险的接触电压和跨步电压，容易发生各类触电事故，同时由于配电网运行维护工作人员在实际工作中的相关经验不足，无法准确判断故障是否发生，不利于配网的安全稳定运行。并且配电网发生断线故障后，负序电流将急剧增加，电压也会严重不平衡，同时电动机会因缺相运行而烧毁，导致设备的使用寿命缩短，电能质量及供电的可靠性大大降低。

现有的断线故障选相存在以下技术问题：(1)利用零序工频电流中的有功分量来检测断线故障，但由于断线故障电流中的有功分量很小，且受CT和PT传变误差等影响，也影响其实际应用。(2)从零序电压为零时刻上升到实际触发的时间内，对所有线路的零序电流进行积分，其中非故障线路的零序电流积分值与零序电压成线性关系，而故障线路零序电流的积分与零序电压成非线性关系。但是实用运用过程中，该方法的积分值容易造成累积误差，且线性关系与非线性关系的判断不宜量化分析。(3)利用检测由于三相系统不平衡电流产生的二次、四次、六次谐波能量的变化来检测断线故障，当电弧故障电流大于5A时，该方法准确度较高，但发生故障时电弧故障电流较小时，该方法检测存在较大误差。(4)利用故障畸变电流的小波系数能量变化来检测断线故障以及其他多种方法诸如利用快速傅里叶变换、卡尔曼滤波器或者小波变换来提取在特征频段内故障电流和电压信息，然后利用断线故障的非线性失真特点通过比较故障信息的幅值、相位、能量来检测断线故障，但其检测灵敏度与可靠性都难以保证，并没有获得更好的应用。

发明内容

本发明提供一种配电网单相断线故障的选相方法和选相装置，能够对配电网断线故障灵敏感知并有效选出故障相。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种配电网单相断线故障的选相方法，包括：

获取配电网参数：对地电容C₀、对地泄漏电阻R₀、中性点接地电阻R_n和消弧线圈电感L_p；

向发生单相断线故障的配电网注入零序电流，依次调控零序电压的相角分别为三相相电压相角；

针对每次不同的零序电压相角，通过采集获取对应返回的零序电压，计算相应的故障偏转角；

将计算得到的故障偏转角与对地参数导纳相角进行比较，实现故障选相。

在更优的技术方案中，故障偏转角的计算式为：

式中，为注入的零序电流，Y₀为对地参数导纳，/>为返回的零序电压，l为故障系数，为故障点距离的等效电容与全线电容之比，通过配电网发生断线故障前后两次注入零序电流计算得到。

在更优的技术方案中，故障系数l的计算式为：

式中，I_in0和I_in1分别为配电网发生断线故障前后注入的零序电流，U_N1和U_N0为配电网发生断线故障前后注入零序电流所对应的中性点电压；a为旋转因子，E_A为A相电压：i＝1时aⁱ＝e^j120°E_A表示A相电压原向量E_A逆时针旋转120°，i＝2时aⁱ＝e^j240°E_A表示A相电压原向量E_A逆时针旋转240°，时则表示A相电压原向量E_A不旋转；E_A为配电网的A相电压，Z_N为中性点的对地阻抗。

在更优的技术方案中，不同中性点接地方式具有不同的对地阻抗：若为不接地系统则Z_N＝∞；若为经消弧线圈接地系统则Z_N＝jωL_p，若为经小电阻接地系统则Z_N＝R_n。

在更优的技术方案中，将故障偏转角与对地参数导纳相角进行比较实现故障选相的具体方式为：若计算得到的故障偏转角θ满足α-e≤θ≤α+e，则认为该故障偏转角的对应相为故障相；其中α为对地参数导纳相角，e为误差裕度。

一种配电网单相断线故障的选相装置，包括：

配电网参数获取模块，用于获取配电网以下参数：对地电容C₀、对地泄漏电阻R₀、中性点接地电阻R_n和消弧线圈电感L_p；

零序电流注入模块，用于向发生单相断线故障的配电网注入零序电流，并依次调控零序电压的相角分别为三相相电压相角；

故障偏转角计算模块，用于针对每次不同的零序电压相角，通过采集获取对应返回的零序电压，计算相应的故障偏转角；

故障选相模块，用于将计算得到的故障偏转角与对地参数导纳相角进行比较，实现故障选相。

在更优的技术方案中，故障偏转角的计算式为：

式中，为注入的零序电流，Y₀为对地参数导纳，/>为返回的零序电压，l为故障系数，为故障点距离的等效电容与全线电容之比，通过配电网发生断线故障前后两次注入零序电流计算得到。

在更优的技术方案中，还包括故障系数计算模块，其中的故障系数计算式为：

式中，I_in0和I_in1分别为配电网发生断线故障前后注入的零序电流，U_N1和U_N0为配电网发生断线故障前后注入零序电流所对应的中性点电压；a为旋转因子，E_A为A相电压：i＝1时aⁱ＝e^j120°E_A表示A相电压原向量E_A逆时针旋转120°，i＝2时aⁱ＝e^j240°E_A表示A相电压原向量E_A逆时针旋转240°，i＝0时则表示A相电压原向量E_A不旋转；Z_N为中性点的对地阻抗。

在更优的技术方案中，所述故障选相模块的具体选相方式为：若计算得到的故障偏转角θ满足α-e≤θ≤α+e，则认为该故障偏转角的对应相为故障相；其中α为对地参数导纳相角，e为误差裕度。

有益效果

本发明提出的配电网单相断线故障选相方法，可通过测算故障偏转角，进而判断其是否与对地来判别是否与对地参数导纳相角相同，或在对地参数导纳相角的允许偏差范围内，实现故障选相，而且选相准确度较高。另外，本发明最终的选相结果不受故障位置、故障类型、配电网中性点接地方式等因素的影响，受干扰因素较少。

附图说明

图1是配电网发生单相断线故障时的配电网等效模型图；

图2是本发明实施例的配电网仿真模型；

图3是本发明实施例断线系数为0.9时各相偏转角波形。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。

实施例1

本实施例提供一种配电网单相断线故障的选相方法，包括：

1、获取配电网参数：对地电容C₀、对地泄漏电阻R₀、中性点接地电阻R_n和消弧线圈电感L_p。

2、向发生单相断线故障的配电网注入零序电流，依次调控零序电压的相角分别为三相相电压相角。

3、针对每次不同的零序电压相角，通过采集获取对应返回的零序电压，计算相应的故障偏转角；

其中，故障偏转角θ的计算式为：

式中，为注入的零序电流，Y₀为对地参数导纳，/>为返回的零序电压，l为故障系数，为故障点距离的等效电容与全线电容之比，通过配电网发生断线故障前后两次注入零序电流计算得到。

故障系数l的计算式为：

式中，I_in0和I_in1分别为配电网发生断线故障前后注入的零序电流，U_N1和U_N0为配电网发生断线故障前后注入零序电流所对应的中性点电压；a为旋转因子，E_A为A相电压：i＝1时aⁱ＝e^j120°E_A表示A相电压原向量E_A逆时针旋转120°，i＝2时aⁱ＝e^j240°E_A表示A相电压原向量E_A逆时针旋转240°，i＝0时则表示A相电压原向量E_A不旋转；Z_N为中性点的对地阻抗。

不同中性点接地方式具有不同的对地阻抗：若为不接地系统则Z_N＝∞；若为经消弧线圈接地系统则Z_N＝jωL_p，若为经小电阻接地系统则Z_N＝R_n。

4、将计算得到的故障偏转角与对地参数导纳相角进行比较，实现故障选相。具体方式为：若计算得到的故障偏转角θ满足α-15°≤θ≤α+15°，则认为该故障偏转角的对应相为故障相。

以下对本实施例所述的单相断线故障选相原理进行解释如下：

单相断线故障时的谐振接地配电网等效模型如图1所示，当C相某一处发生单相断线故障时，根据断线故障点的不同，C相对地参数也随之改变，为此可设一故障系数l∈(0,1)(故障点距离等效电容与全线电容之比)，用于表征断线点位置。由图1可知，断线故障下注入电流与零序电压/>的关系为：

取三相电源对称，即，则有：

故障相电压为，即有

如果注入的电流取值为

当改变中性点零序电压相角，此时故障偏转角θ为

因此，可以先通过调控中性点零序电压分别与三相电压相角相同：

再根据注入的零序电流/>返回的零序电压以及故障系数l和对地参数导纳Y₀，按照式(5)测算零序电压不同相角所对应的故障偏转角θ。

将式(2)代入式(5)则有

综上，可以先通过调控中性点零序电压分别与三相电压相角相同：

此时对应的配电网导纳值分别为：

求得上述各相导纳值后，即可进一步计算对地参数导纳相角α。

考虑测量误差，当偏转角α-15°≤θ≤α+15°时，即可实现谐振接地配电网单相断线故障精准选相。

在上述计算故障偏转角θ时涉及到的故障系数l，用于表征断线点位置，其计算式的确定原理为：

当配电网系统正常运行时，向中性点注入电流I_in0，可得

式中，U_N0为对应的中性点电压，Z_N为中性点的对地阻抗，不同中性点接地方式对应不同的值，具体可表示为

而当配电网系统发生单相断线时，向中性点注入电流I_in1，则有

式中，U_N1为故障后注入电流对应的中性点电压，i＝0,1,2分别表示A、C、B相发生断线故障。两式相减得

则，故障系数l可确定为

在PSCAD中建立搭建10kV配电网模型，如图2所示，接地变压器Z型接线，模型中性点可实现中性点经消弧线圈接地、小电阻接地、中性点不接地方式；模型共含4条出线，包括2条架空线路(单相对地电容0.005uF/km)、1条电缆线路(单相对地电容0.3uF/km)、1条混合线路。各线路对地参数如表1所示。

表1馈线参数表

由表1参数表可知此时系统对地绝缘参数导纳相角为88度，此时故障相偏转角应为73°≤θ≤103°。设系统中性点接地方式为经消弧线圈接地，线路L4的C相在1s时发生接地故障，故障发生0.5s后从中性点向系统注入电流，断线系数从0.3跨度到0.9，仿真结果如表2所示。为了简洁，选取最末端断线即断线系数为0.9时各相偏转角进行仿真分析，偏转角波形图如图3所示。

表2断线故障时对应的注入电流及偏转角

由上述仿真结果可知，该方法可快速准确地选出线路末端断线故障相，在配电网故障的不同位置、过渡电阻、配网参数以及故障类型、配电网中性点的不同接地方式等场景下，本文所提的方法均可准确选出故障相。

实施例2

本实施例提供一种配电网单相断线故障的选相装置，包括：

配电网参数获取模块，用于获取配电网以下参数：对地电容C₀、对地泄漏电阻R₀、中性点接地电阻R_n和消弧线圈电感L_p；

零序电流注入模块，用于向发生单相断线故障的配电网注入零序电流，并依次调控零序电压的相角分别为三相相电压相角；

故障偏转角计算模块，用于针对每次不同的零序电压相角，通过采集获取对应返回的零序电压，计算相应的故障偏转角；

故障选相模块，用于将计算得到的故障偏转角与对地参数导纳相角进行比较，实现故障选相，。

在更优的选相装置实施例中，故障偏转角的计算式为：

式中，为注入的零序电流，Y₀为对地参数导纳，/>为返回的零序电压，l为故障系数，为故障点距离的等效电容与全线电容之比，通过配电网发生断线故障前后两次注入零序电流计算得到。

在更优的选相装置实施例中，所述选相装置还包括故障系数计算模块，其中的故障系数计算式为：

式中，I_in0和I_in1分别为配电网发生断线故障前后注入的零序电流，U_N1和U_N0为配电网发生断线故障前后注入零序电流所对应的中性点电压；a为旋转因子：i＝1时aⁱ＝e^j120°表示原向量逆时针旋转120°，i＝2时aⁱ＝e^j240°表示逆时针旋转240°，i＝0时则无变化；Z_N为中性点的对地阻抗。

在更优的选相装置实施例中，故障选相模块的具体选相方式为：若计算得到的故障偏转角θ满足α-15°≤θ≤α+15°，则认为该故障偏转角的对应相为故障相。

以上选相装置各模块的原理，与实施例1的原理相同，此处不再重复阐述。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种配电网单相断线故障的选相方法，其特征在于，包括：

获取配电网参数：对地电容C₀、对地泄漏电阻R₀、中性点接地电阻R_n和消弧线圈电感L_p；

向发生单相断线故障的配电网注入零序电流，依次调控零序电压的相角分别为三相相电压相角；

针对每次不同的零序电压相角，通过采集获取对应返回的零序电压，计算相应的故障偏转角；

故障偏转角的计算式为：

式中，为注入的零序电流，Y₀为对地参数导纳，/>为返回的零序电压，l为故障系数，为故障点距离的等效电容与全线电容之比，通过配电网发生断线故障前后两次注入零序电流计算得到；

将计算得到的故障偏转角与对地参数导纳相角进行比较，实现故障选相：具体地，若计算得到的故障偏转角θ满足α-e≤θ≤α+e，则认为该故障偏转角的对应相为故障相；其中α为对地参数导纳相角，e为误差裕度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，故障系数l的计算式为：

式中，I_in0和I_in1分别为配电网发生断线故障前后注入的零序电流，U_N1和U_N0为配电网发生断线故障前后注入零序电流所对应的中性点电压；a为旋转因子，E_A为A相电压：i＝1时aⁱ＝e^j120°E_A表示A相电压原向量E_A逆时针旋转120°，i＝2时aⁱ＝e^j240°E_A表示A相电压原向量E_A逆时针旋转240°，i＝0时则表示A相电压原向量E_A不旋转；E_A为配电网的A相电压，Z_N为中性点的对地阻抗。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，不同中性点接地方式具有不同的对地阻抗：若为不接地系统则Z_N＝∞；若为经消弧线圈接地系统则Z_N＝jωL_p，若为经小电阻接地系统则Z_N＝R_n。

4.一种配电网单相断线故障的选相装置，其特征在于，包括：

配电网参数获取模块，用于获取配电网以下参数：对地电容C₀、对地泄漏电阻R₀、中性点接地电阻R_n和消弧线圈电感L_p；

零序电流注入模块，用于向发生单相断线故障的配电网注入零序电流，并依次调控零序电压的相角分别为三相相电压相角；

故障偏转角计算模块，用于针对每次不同的零序电压相角，通过采集获取对应返回的零序电压，计算相应的故障偏转角；

故障偏转角的计算式为：

式中，为注入的零序电流，Y₀为对地参数导纳，/>为返回的零序电压，l为故障系数，为故障点距离的等效电容与全线电容之比，通过配电网发生断线故障前后两次注入零序电流计算得到；

故障选相模块，用于将计算得到的故障偏转角与对地参数导纳相角进行比较，实现故障选相：具体地，若计算得到的故障偏转角θ满足α-e≤θ≤α+e，则认为该故障偏转角的对应相为故障相；其中α为对地参数导纳相角，e为误差裕度。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括故障系数计算模块，其中的故障系数计算式为：

式中，I_in0和I_in1分别为配电网发生断线故障前后注入的零序电流，U_N1和U_N0为配电网发生断线故障前后注入零序电流所对应的中性点电压；a为旋转因子，E_A为A相电压：i＝1时aⁱ＝e^j120°E_A表示A相电压原向量E_A逆时针旋转120°，i＝2时aⁱ＝e^j240°E_A表示A相电压原向量E_A逆时针旋转240°，i＝0时则表示A相电压原向量E_A不旋转；Z_N为中性点的对地阻抗。