CN113484672B - 一种基于地线电流的小电阻接地系统单相接地故障保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地线电流的小电阻接地系统单相接地故障保护方法，步骤如下：S1：根据中性点小电阻的阻值，确定单相接地故障零序电流起动分量的整定值；S2：将母线零序电压和母线故障零序电流起动整定值进行比较，判断配电网是否发生单相接地故障；S3：根据第一判断公式，判断故障配电网中当前馈线是否发生单相接地故障；S4：根据当前故障馈线上各级线路的单相接地故障量的大小，确定当前线路返时限保护的动作时间。本发明实现了小电阻接地系统单相接地故障选择性保护，有效提高了配电网运行的安全性和可靠性。

Description

一种基于地线电流的小电阻接地系统单相接地故障保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种基于地线电流的小电阻接地系统单相接地故障保护方法。

背景技术

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，城市10kV配电网愈来愈多地采用电力电缆敷设供电方式。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。这样，电缆的地线(电缆的铜箔屏蔽层和铠装层)将各变电所、开闭所、环网站和各用电户的接地极连接起来，构成了一个接地网。

对于中性点经小电阻接地的电网，由于配电网的线路都不是很长，中性点的小电阻远大于线路的零序阻抗，单相接地短路电流的大小主要取决于中性点的小电阻的阻值和接地故障点的阻抗，因此，不管是远离电源端的用电户端发生单相接地故障还是靠近电源端发生单相接地故障，其短路电流计算值几乎是相等的，为此，想要通过单相接地短路电流来实现纵向有选择性地隔离故障点是没有可能的。

发明内容

发明目的：针对中性点经小电阻接地配电网，当发生接地故障时无法仅依据故障电流的大小实现纵向有选择性地隔离故障的问题，本发明提出一种基于地线电流的小电阻接地系统单相接地故障保护方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于地线电流的小电阻接地系统单相接地故障保护方法，所述单相接地故障保护方法包括如下步骤：

S1：根据中性点小电阻的阻值，确定单相接地故障零序电流起动分量的整定值；

S2：将母线零序电压和母线故障零序电流起动整定值进行比较，判断配电网是否发生单相接地故障，当所述配电网发生单相接地故障时，则执行步骤S3，反之，则重复步骤S2；

S3：根据第一判断公式，判断故障配电网中当前馈线是否发生单相接地故障，当所述当前馈线发生单相接地故障时，则执行步骤S4，反之，则返回步骤S2；

S4：根据当前故障馈线上各级线路的单相接地故障量的大小，确定当前线路返时限保护的动作时间。

更进一步地讲，所述步骤S1中确定单相接地故障零序电流起动分量的整定值，具体如下：

S1.1：将小电阻接地配电网各馈线进行编号，并根据配电网结构确定中性点小电阻的阻值和单位长度电缆的零序电阻值；

S1.2：根据所述中性点小电阻的阻值，获取单相接地故障零序电流起动分量的整定值，具体为：

其中：I_0zd为零序电流起动分量的整定值，U_φ为系统相电压，R_N为中性点电阻，R_d为接地点故障电阻。

更进一步地讲，所述步骤S2中判断配电网是否发生单相接地故障，具体如下：

S2.1：测量获取母线零序电压和中性点电阻的电流；

S2.2：将所述母线零序电压和母线故障零序电流起动整定值大小进行比较，当所述母线零序电压不小于母线故障零序电流起动整定值时，则所述配电网发生单相接地故障；

当所述母线零序电压小于母线故障零序电流起动整定值时，则所述配电网未发生单相接地故障。

更进一步地讲，所述步骤S3判断故障配电网中当前馈线是否发生单相接地故障，具体如下：

S3.1：当所述步骤S2.2中比较结果为配电网发生单相接地故障时，将所述当前馈线带入第一判断公式中，当所述当前馈线满足第一判断公式，则所述当前馈线发生单相接地故障，反之，所述当前馈线未发生单相接地故障，所述第一判断公式具体为：

其中：I₀为零序电流，I_0zd为零序电流起动分量的整定值，I_0·R为零序电流有功分量，I_N为中性点电阻的电流，N为一个周波的采样点数，j为当前采样点数，I₀(j)为零序电流第j次采样值，U₀(j)为零序电压第j次采样值；

S3.3：当所述步骤S2.2中比较结果为配电网未发生单相接地故障时，则返回至步骤S2.1中。

更进一步地讲，当所述配电网各保护之间无通信/通信错误时，所述第一判断公式修改为下式，具体为：

其中：I₀为零序电流，I_0zd为零序电流起动分量的整定值，I_0·R为零序电流有功分量，U₀为母线零序电压，R_N为中性点小电阻的阻值，r₀为单位长度电缆的零序电阻值，l为保护安装处到变电站母线的距离，N为一个周波的采样点数，j为当前采样点数，I₀(j)为零序电流第j次采样值，U₀(j)为零序电压第j次采样值。

更进一步地讲，所述步骤S4确定当前线路返时限保护的动作时间，具体如下：

S4.1：测量当前故障馈线的接地线电流值；

S4.2：根据所述当前故障馈线的接地线电流值，确定相对判据的大小，具体为：

其中：K为故障特征相对判据，I_el为当前故障馈线的接地线电流值，I_N为中性点电阻的电流；

S4.3：计算本反时限保护配合时间，具体为：

其中：Δt为本反时限保护配合时间，Δt′为后备保护配合时间；

S4.4：根据所述相对判据的大小、本反时限保护配合时间，通过所述当前故障馈线上各级线路的单相接地故障量的大小，确定当前线路返时限保护的动作时间，具体为：

其中：t为当前线路返时限保护的动作时间，K为故障特征相对判据，Δt为本反时限保护配合时间，R_N为中性点小电阻的阻值，R_ZN为以中性点为端口的接地线与接地极的等效电阻，R_G为当线路首端发生单相金属性接地故障时以线路首端为端口的接地线与接地极的等效电阻，R′_G为当线路末端发生单相金属性接地故障时以线路末端为端口的接地线与接地极的等效电阻。

更进一步地讲，当所述配电网各保护之间无通信/通信错误时，所述相对判据大小的计算公式修改为下式，具体为：

其中：K为故障特征相对判据，I_el为当前故障馈线的接地线电流值，U₀为母线零序电压，R_N为中性点小电阻的阻值，r₀为单位长度电缆的零序电阻值，l为保护安装处到变电站母线的距离。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

(1)本发明通过设置一个全新的相对故障量即地线电流和中性点电阻电流的比值，有效地拉开了故障馈线的纵向各段馈线的故障量，实现了中性点小电阻接地电网单相接地故障继电保护的纵向、横向选择性，在保证了故障隔离的快速性的条件下，大大缩小接地故障的隔离范围和故障的寻找范围、提高了供电的可靠性、也有效地改善了供电的电能质量；

(2)本发明实现了小电阻接地系统单相接地故障选择性保护，有效提高了配电网运行的安全性和可靠性，同时具有实施简单、适用范围广、灵敏度高等优点。

附图说明

图1是本发明零序电流互感器和地线电流互感器的安装位置图A；

图2是本发明零序电流互感器和地线电流互感器的安装位置图B；

图3是本发明复杂配电网接地网示意图；

图4是本发明小电阻接地系统供电网络图；

图5是本发明地线电流反时限保护流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。其中，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

实施例1

参考图1-图5，本实施例提供了一种基于地线电流的小电阻接地系统单相接地故障保护方法，该单相接地故障保护方法的实施需要有用于各馈线故障电流测量的零序电流互感器和地线电流测量的电流互感器。各馈线零序电流互感器和地线电流互感器的安装位置、方法和2个电流信号取样方法参考图1和图2。2个电流取样信号送继电保护器进行信号调理后实施以下计算和判断，具体步骤如下：

步骤S1：根据中性点小电阻的阻值，确定单相接地故障零序电流起动分量的整定值，具体如下：

步骤S1.1：将小电阻接地配电网各馈线进行编号，并根据配电网结构确定中性点小电阻的阻值R_N和单位长度电缆的零序电阻值r₀。值得注意的是，此处进行编号时，并没有严格的顺序要求。

步骤S1.2：根据步骤S1.1中获取得到的中性点小电阻的阻值R_N，获取单相接地故障零序电流起动分量的整定值，具体为：

其中：I_0zd为零序电流起动分量的整定值，U_φ为系统相电压，R_N为中性点电阻，R_d为接地点故障电阻。

在本实施例中接地点故障电阻R_d一般可设置为1kΩ～5kΩ。

步骤S2：将母线零序电压U₀和母线故障零序电流起动整定值U_0zd进行比较，判断配电网是否发生单相接地故障，当配电网发生单相接地故障时，则执行步骤S3，反之，则重复步骤S2，具体如下：

步骤S2.1：测量获取母线零序电压U₀和中性点电阻的电流I_N。

步骤S2.2：将母线零序电压U₀和母线故障零序电流起动整定值U_0zd大小进行比较，具体为：

U₀≥U_0zd

其中：U₀为母线零序电压，U_0zd为母线故障零序电流起动整定值。

具体地讲，当母线零序电压U₀不小于母线故障零序电流起动整定值U_0zd时，则配电网发生单相接地故障。反之，当母线零序电压U₀小于母线故障零序电流起动整定值U_0zd时，则配电网未发生单相接地故障。

步骤S3：根据第一判断公式，判断故障配电网中当前馈线是否发生单相接地故障，当当前馈线发生单相接地故障时，则执行步骤S4，反之，则返回步骤S2，具体如下：

步骤S3.1：当步骤S2.2中比较结果为配电网发生单相接地故障时，则需进一步判断当前馈线是否发生单相接地故障。即将当前馈线带入第一判断公式中，当当前馈线满足第一判断公式，则当前馈线发生单相接地故障，反之，当前馈线未发生单相接地故障，第一判断公式具体为：

其中：I₀为零序电流，I_0zd为零序电流起动分量的整定值，I_0·R为零序电流有功分量，I_N为中性点电阻的电流，N为一个周波的采样点数，j为当前采样点数，I₀(j)为零序电流第j次采样值，U₀(j)为零序电压第j次采样值。

值得注意的是，当配电网无法实现及时通讯，即配电网各保护之间无通信或通信错误时，第一判断公式可由下式进行替换，具体为：

其中：I₀为零序电流，I_0zd为零序电流起动分量的整定值，I_0·R为零序电流有功分量，U₀为母线零序电压，R_N为中性点小电阻的阻值，r₀为单位长度电缆的零序电阻值，l为保护安装处到变电站母线的距离，N为一个周波的采样点数，j为当前采样点数，I₀(j)为零序电流第j次采样值，U₀(j)为零序电压第j次采样值。

步骤S3.3：当步骤S2.2中比较结果为配电网未发生单相接地故障时，则返回至步骤S2.1中。

步骤S4：根据当前故障馈线上各级线路的单相接地故障量的大小，确定当前线路返时限保护的动作时间t，具体如下：

步骤S4.1：测量当前故障馈线的接地线电流值I_el。

步骤S4.2：根据当前故障馈线的接地线电流值，确定相对判据的大小，具体为：

其中：K为故障特征相对判据，I_el为当前故障馈线的接地线电流值，I_N为中性点电阻的电流。

在本实施例中，当配电网无法实现及时通讯，即配电网各保护之间无通信或通信错误时，上述相对判据大小的计算公式可由下式进行替换，具体为：

其中：K为故障特征相对判据，I_el为当前故障馈线的接地线电流值，U₀为母线零序电压，R_N为中性点小电阻的阻值，r₀为单位长度电缆的零序电阻值，l为保护安装处到变电站母线的距离。

步骤S4.3：计算本反时限保护配合时间，具体为：

其中：Δt为本反时限保护配合时间，Δt′为后备保护配合时间。

值得注意的是，此处后备保护配合时间Δt′一般设置为0.2s～0.6s。

步骤S4.4：根据相对判据的大小K、本反时限保护配合时间Δt，并结合当前故障馈线上各级线路的单相接地故障量的大小，确定当前线路返时限保护的动作时间t，具体为：

其中：t为当前线路返时限保护的动作时间，K为故障特征相对判据，Δt为本反时限保护配合时间，R_N为中性点小电阻的阻值，R_ZN为以中性点为端口的接地线与接地极的等效电阻，R_G为当线路首端发生单相金属性接地故障时以线路首端为端口的接地线与接地极的等效电阻，R′_G为当线路末端发生单相金属性接地故障时以线路末端为端口的接地线与接地极的等效电阻。

参考图3和图4所示的小电阻接地配电网，变压器为110kV/10kV，中性点电阻10Ω，当故障点电阻小于1kΩ时启动单相接地保护，变电站母线上有L1～L3三条馈线，其中馈线L2上又有三级线路，各线路长度如图所示。每条电缆长度均为10km。

在Matlab软件Simulink环境下搭建如图4所示配电网仿真模型，共有7条电缆出线。在仿真中分别设0Ω、100Ω和1000Ω的过渡电阻用于分析故障量和地线电流反时限保护的动作情况，仿真结果如表1、表2和表3所示，表中×表示保护不动作。

表1过渡电阻0Ω时各保护安装处地线电流、故障量和保护动作情况

表2过渡电阻100Ω时各保护安装处地线电流、故障量和保护动作情况

表3过渡电阻1000Ω时各保护安装处地线电流、故障量和保护动作情况

由表1可知，若配电室至用户变压器之间的线路(3，2)发生单相接地故障，保护3检测到的故障量最大，经0.162s延时后保护3动作于跳闸切除故障线路；如果保护3隔离故障失败，保护2经0.66s延时后作为后备保护动作，隔离故障；若保护2隔离故障再次失败，保护1将延时1.074s后动作，隔离故障。

若开闭所至配电室之间的线路(2，2)发生单相接地故障，保护2检测到的故障量最大，经0.168s延时后保护2动作于跳闸切除故障线路；如果保护2隔离故障失败，保护1经0.708s延时后作为后备保护动作，隔离故障。

若变电站至开闭所之间的线路(1，2)发生单相接地故障，只有保护1检测到的故障点大于故障量整定值，保护1经0.108s延时后动作于跳闸，隔离故障。

对比分析表1、表2和表3可知，随着接地故障点过渡电阻的增加，故障线路与健全线路的地线电流会随着接地故障点过渡电阻阻值的增加而减小，但是无论是金属性接地故障还是高阻接地故障，保护装置检测到的故障量基本保持不变，因此在不同过渡电阻阻值条件下，地线电流反时限保护的动作时间只与配电网系统参数和故障位置有关，不受过渡电阻阻值的影响。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构和方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于地线电流的小电阻接地系统单相接地故障保护方法，其特征在于，所述单相接地故障保护方法包括如下步骤：

S1：根据中性点小电阻的阻值，确定单相接地故障零序电流起动分量的整定值；

S2：将母线零序电压和母线故障零序电流起动整定值进行比较，判断配电网是否发生单相接地故障，当所述配电网发生单相接地故障时，则执行步骤S3，反之，则重复步骤S2；

S3：根据第一判断公式，判断故障配电网中当前馈线是否发生单相接地故障，当所述当前馈线发生单相接地故障时，则执行步骤S4，反之，则返回步骤S2；

S4：根据当前故障馈线上各级线路的单相接地故障量的大小，确定当前线路返时限保护的动作时间；

所述步骤S1中确定单相接地故障零序电流起动分量的整定值，具体如下：

S1.1：将小电阻接地配电网各馈线进行编号，并根据配电网结构确定中性点小电阻的阻值和单位长度电缆的零序电阻值；

S1.2：根据所述中性点小电阻的阻值，获取单相接地故障零序电流起动分量的整定值，具体为：

其中：I_0zd为零序电流起动分量的整定值，U_φ为系统相电压，R_N为中性点电阻，R_d为接地点故障电阻。

2.根据权利要求1所述的一种基于地线电流的小电阻接地系统单相接地故障保护方法，其特征在于，所述步骤S2中判断配电网是否发生单相接地故障，具体如下：

S2.1：测量获取母线零序电压和中性点电阻的电流；

S2.2：将所述母线零序电压和母线故障零序电流起动整定值大小进行比较，当所述母线零序电压不小于母线故障零序电流起动整定值时，则所述配电网发生单相接地故障；

当所述母线零序电压小于母线故障零序电流起动整定值时，则所述配电网未发生单相接地故障。

3.根据权利要求2所述的一种基于地线电流的小电阻接地系统单相接地故障保护方法，其特征在于，所述步骤S3判断故障配电网中当前馈线是否发生单相接地故障，具体如下：

S3.1：当所述步骤S2.2中比较结果为配电网发生单相接地故障时，将所述当前馈线带入第一判断公式中，当所述当前馈线满足第一判断公式，则所述当前馈线发生单相接地故障，反之，所述当前馈线未发生单相接地故障，所述第一判断公式具体为：

其中：I₀为零序电流，I_0zd为零序电流起动分量的整定值，I_0·R为零序电流有功分量，I_N为中性点电阻的电流，N为一个周波的采样点数，j为当前采样点数，I₀(j)为零序电流第j次采样值，U₀(j)为零序电压第j次采样值；

S3.3：当所述步骤S2.2中比较结果为配电网未发生单相接地故障时，则返回至步骤S2.1中。

4.根据权利要求3所述的一种基于地线电流的小电阻接地系统单相接地故障保护方法，其特征在于，当所述配电网各保护之间无通信/通信错误时，所述第一判断公式修改为下式，具体为：

其中：I₀为零序电流，I_0zd为零序电流起动分量的整定值，I_0·R为零序电流有功分量，U₀为母线零序电压，R_N为中性点小电阻的阻值，r₀为单位长度电缆的零序电阻值，l为保护安装处到变电站母线的距离，N为一个周波的采样点数，j为当前采样点数，I₀(j)为零序电流第j次采样值，U₀(j)为零序电压第j次采样值。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种基于地线电流的小电阻接地系统单相接地故障保护方法，其特征在于，所述步骤S4确定当前线路返时限保护的动作时间，具体如下：

S4.1：测量当前故障馈线的接地线电流值；

S4.2：根据所述当前故障馈线的接地线电流值，确定相对判据的大小，具体为：

其中：K为故障特征相对判据，I_el为当前故障馈线的接地线电流值，I_N为中性点电阻的电流；

S4.3：计算本反时限保护配合时间，具体为：

其中：Δt为本反时限保护配合时间，Δt′为后备保护配合时间；

S4.4：根据所述相对判据的大小、本反时限保护配合时间，通过所述当前故障馈线上各级线路的单相接地故障量的大小，确定当前线路返时限保护的动作时间，具体为：

其中：t为当前线路返时限保护的动作时间，K为故障特征相对判据，Δt为本反时限保护配合时间，R_N为中性点小电阻的阻值，R_ZN为以中性点为端口的接地线与接地极的等效电阻，R_G为当线路首端发生单相金属性接地故障时以线路首端为端口的接地线与接地极的等效电阻，R′_G为当线路末端发生单相金属性接地故障时以线路末端为端口的接地线与接地极的等效电阻。

6.根据权利要求5所述的一种基于地线电流的小电阻接地系统单相接地故障保护方法，其特征在于，当所述配电网各保护之间无通信/通信错误时，所述相对判据大小的计算公式修改为下式，具体为：

其中：K为故障特征相对判据，I_el为当前故障馈线的接地线电流值，U₀为母线零序电压，R_N为中性点小电阻的阻值，r₀为单位长度电缆的零序电阻值，l为保护安装处到变电站母线的距离。

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