CN113917288A - 一种配合配电网单相接地故障选线装置的启动方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种配合配电网单相接地故障选线装置的启动方法及装置，包括以下步骤：采集配电网中性点电压，消弧线圈电感值，系统对地电容值；利用配电网中性点电压值、消弧线圈电感值和系统对地电容值计算故障电路的接地故障电阻值，判断接地故障电阻值是否大于接地故障电阻阈值，如果是，则将电压阶跃信号输出至选线装置的中性点电压测量接口，以启动故障选线装置；如果否，则判断不需要启动选线装置。本发明可以根据接地故障电阻的大小自适应的调整启动阈值，减少了启动死区的范围，尤其对于接地故障电阻较大的故障，具有更强的启动灵敏性。

Description

一种配合配电网单相接地故障选线装置的启动方法及装置

技术领域

本发明属于配电网风险分析与控制技术领域，更具体地，涉及一种配合配电网单相接地故障选线装置的启动方法及装置。

背景技术

小电流接地问题是世界性难题，目前应用的配电网单相接地故障选线装置的选线准确率不高的主要原因很大部分是启动判据死区过大导致的，传统单相接地故障的启动判据为，系统中性点对地电压大于15%相电压(866V)，即认为发生单相接地故障。

系统发生单相接地故障造成的中性点对地电压抬升受到多方面因素影响，主要有系统对地电容，接地故障电阻以及中性点处是否连接消弧线圈。

现有技术中，对于中性点不接地配电系统，中性点电压和对地电容以及接地电阻的关系如式(1)所示。

式中，

为变压器相电势，

为配电网中性点电压，

C为各相对地电容，

为系统角频率，

R为接地电阻。中性点不接地系统启动判据三维图如图1所示，其x轴表示系统对地电容，y轴表示接地电阻；从图中可以看出，若按照15%相电压作为选线装置的启动阈值，对地电容及接地电阻落在黑色平面内，选线装置将无法启动。

对于中性点经消弧线圈接地配电系统，中性点电压和对地电容以及接地电阻的关系如式(2)所示。

式中，

为变压器相电势。

为配电网中性点电压，

C为各相对地电容，

为系统角频率，

R为接地电阻。

L为消弧线圈电感。

其中认为消弧线圈可以有效工作，过补偿10A电流，补偿电容容量对应的约束条件如式(3)所示。

式中，

C为各相对地电容，

为系统角频率，

L为消弧线圈电感。

为故障相电压有效值。

中性点经消弧线圈接地系统启动判据三维图如图2所示，其x轴表示系统对地电容，y轴表示接地电阻；从图2可以看出，消弧线圈提供过补偿电流达到时，10A对地电容及接地电阻落在黑色平面内，选线装置也无法启动。

综上，传统选线装置采用的启动判据均为中性点电压，从而造成选线装置的漏启动，极大的影响了选线装置的真实选线准确率，因此需要对配电网单相接地故障选线装置的启动判据进行进一步研究，以提高选线装置的启动可靠性。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种配合配电网单相接地故障选线装置的启动装置及方法，通过采集系统运行信息，分析故障特征并给选线装置提供故障信息，解决老旧配电网单相接地故障选线装置的选线准确性受到启动算法制约问题，解决传统选线装置漏启动的问题，提高真实选线准确率。

本发明采用如下的技术方案。

一种配合配电网单相接地故障选线装置的启动方法，包括以下步骤：

步骤1，采集配电网中性点电压，消弧线圈电感值，系统对地电容值；

步骤2，利用中性点电压、消弧线圈电感值和系统对地电容值计算配电网的接地故障电阻值，判断接地故障电阻值是否大于设定的接地故障电阻阈值，如果是，则执行步骤3，如果否，则判定不需要启动选线装置并返回步骤1；

步骤3，输出电压阶跃信号给选线装置的中性点电压测量接口，以启动故障选线装置。

优选地，步骤2中，接地故障电阻值包括：中性点不接地系统的接地故障电阻值和中性点经消弧线圈接地系统的接地故障电阻值。

对于中性点不接地系统，接地故障电阻值

满足如下关系式：

式中，

为变压器相电势，

为配电网中性点电压，

C为各相对地电容，

为系统角频率。

对于中性点经消弧线圈接地系统，接地故障电阻值

满足如下关系式：

式中，

L为消弧线圈电感值，

为变压器相电势，

为配电网中性点电压，

C为各相对地电容，

为系统角频率。

对于中性点不接地系统，接地故障电阻阈值取值范围为5kΩ~7kΩ；

对于中性点经消弧线圈接地系统，接地故障电阻阈值取值范围为7kΩ~1MΩ。

利用一种配合配电网单相接地故障选线装置的启动方法而实现的启动装置，

启动装置包括依次连接的信号采集单元、信号控制单元以及逆变单元；

所述信号采集单元采集配电网中性点电压，系统对地电容以及消弧线圈电感，并将以上信号转换为数字量发送给信号控制单元；

所述信号控制单元以信号采集单元输出的信号作为输入，以整流控制指令作为输出，其作用是计算接地故障电阻值，判断配电网是否发生单相接地故障，并给逆变单元发出整流控制指令，同时显示系统状态信息；

所述逆变单元以信号控制单元输出的整流控制指令作为输入，以启动信号作为输出，逆变单元的输出端连接配电网单相接地故障选线装置，逆变单元的作用是向选线装置发送启动信号实现对故障选线装置的启动。

优选地，所述信号采集单元包括信号预处理电路和A/D转换器：信号预处理电路的输入端连接故障电路，采集故障电路的中性点电压，信号预处理电路输出端连接A/D转换器；A/D转换器以信号预处理电路输出的中性点电压模拟量作为输入，以中性点电压的数字量作为输出，其作用是将采集到的电压模拟量转换为数字量；

对于中性点不接地系统，所述信号采集单元连接到配电网中性点电压互感器以及系统对地电容参数测量装置，采集配电网中性点电压以及系统对地电容；

对于中性点经消弧线圈接地系统，所述信号采集单元连接到消弧线圈成套装置以及系统对地电容参数测量装置，采集配电网中性点电压，配电系统对地电容以及消弧线圈电感。

信号控制单元包括ARM处理器、串口通信电路和显示器，ARM处理器以A/D转换器输出的中性点电压数字量作为输入，以整流控制指令作为输出，其作用是计算接地故障电阻值并判断系统是否发生单相接地故障，若发生故障，则向逆变单元发出整流控制指令；

串口通信电路的作用是将系统状态信息发送给显示器；

显示器的输入端连接串口通信电路，其作用是显示系统状态信息。

系统状态信息包括系统对地电容值、消弧线圈档位、中性点电压值以及是否发生单相接地故障。

逆变单元包括直流电源和逆变器模块，其中直流电源的作用是给逆变器模块提供输出启动信号所需电源；

逆变器模块以信号控制单元输出的整流控制指令作为输入，以启动信号作为输出，其输出端连接故障选线装置，实现对故障选线装置启动的功能。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，其可以根据接地故障电阻的大小自适应的调整启动阈值，减少了启动死区的范围，尤其对于接地故障电阻较大的故障，具有更强的启动灵敏性。

附图说明

图1是现有技术中，中性点不接地启动判据三维图；

图2是现有技术中，中性点经消弧线圈接地启动判据三维图；

图3是本发明提供的一种配电网单相接地故障选线装置的启动装置整体结构示意图；

图4是本发明提供的一种配电网单相接地故障选线装置的启动装置的原理框图；

图5是本发明提供的一种配电网单相接地故障选线装置的启动装置的工作流程图；

图6是本发明实施例中一组单相接地故障的实测数据波形图；

图7是本发明实施例中选线装置的启动判据波形图；

图8为中性点不接地配电网的所有线路对地导纳进行等效为一条线路后的导纳示意图。

图9是本发明提供的一种配电网单相接地故障选线装置的启动判据三维图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

一种配合配电网单相接地故障选线装置的启动装置，该装置主要用于检测中性点电压变化，如图3所示，该装置由依次连接的信号采集单元、信号控制单元以及逆变单元组成。各单元的原理框图如图4所示。

信号采集单元采集配电网中性点电压，配电系统对地电容，若系统为消弧线圈接地，则同时采集消弧线圈电感，并将采集到的信号转换为数字量发送给信号控制单元；

其中信号采集单元包括信号预处理电路和A/D转换器：信号预处理电路的输入端连接故障电路，采集故障电路的中性点电压，系统对地电容以及消弧线圈电感信号，信号预处理电路输出端连接A/D转换器，A/D转换器以信号预处理电路输出的输出模拟量作为输入，以数字量作为输出，其作用是将采集到的模拟量信号转换为数字量；

信号控制单元以信号采集单元输出的数字量信号作为输入，以整流控制指令作为输出，其作用是判断系统是否发生单相接地故障，并给逆变单元发出调制信号，同时在显示器上显示系统状态信息；

其中信号控制单元包括ARM处理器、串口通信电路以及显示器，ARM处理器以A/D转换器输出的中性点电压数字量作为输入，以整流控制指令作为输出，其作用是判断系统是否发生单相接地故障，若发生故障，则给逆变单元发出控制信号，具体地，ARM处理器利用接收到的电压数字量计算接地故障电阻值，并根据设定的接地故障电阻阈值判断系统是否发生单相接地故障，若发生接地故障，则发送整流控制指令至逆变器模块，具体地，如果接地故障电阻值大于所设定接地故障电阻阈值，则发送整流控制指令至逆变器模块。

串口通信电路的作用是将系统状态信息发送给显示器；显示器的输入端连接串口通信电路，其作用是显示系统状态相关信息，系统状态信息包括系统对地电容、消弧线圈档位、中性点电压以及是否发生单相接地故障等；

逆变单元以信号控制单元输出的调制信号作为输入，以启动信号作为输出；

其中逆变单元包括直流电源和逆变器模块，其中直流电源负责给逆变器模块提供输出启动信号所需能量，逆变器模块以信号控制单元输出的调制信号作为输入，以启动信号作为输出，其中启动信号即为模拟从0V到90V的中性点电压阶跃信号，实现对故障选线装置启动的功能。逆变单元的作用是发送选线装置的启动信号。逆变单元的输出端连接配电网单相接地故障选线装置，逆变单元接收到控制单元发送的调制信号后，逆变单元将调制信号转换为选线装置的启动信号并发送到配电网单相接地故障选线装置，实现对故障选线装置的启动。

一种配合配电网单相接地故障选线装置的启动装置的启动方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤1：信号采集单元实时采集配电网中性点电压并将电压模拟量转换为数字信号；从消弧线圈单元获取消弧线圈电感参数；从对地电容测量单元获取系统对地电容参数；

利用信号采集单元采集配电网中性点电压，配电系统对地电容，若系统为消弧线圈接地，则同时采集消弧线圈电感，，并将模拟量通过A/D转换电路转换成数字量，并将此信号传送给ARM处理器。

步骤2：利用步骤1采集的电网中性点电压值以及消弧线圈电感值和系统对地电容值计算故障电路的接地故障电阻值，判断接地故障电阻值是否大于设定接地故障电阻阈值，如果是，则执行步骤3，如果否，则判断不需要启动选线装置并返回步骤1；

ARM处理器利用本专利提出的配电网单相接地故障选线装置的启动方法，进行接地故障电阻计算，并判断接地故障电阻值是否大于设定接地故障电阻阈值，通过RS232通讯接口将系统对地电容，消弧线圈档位，中性点电压以及是否发生单相接地故障等信息输出到显示器。若判断接地故障电阻值是大于设定接地故障电阻阈值，则发送整流控制指令至逆变器模块。

利用电网中性点电压计算接地故障电阻值的计算方法为：

对于中性点不接地系统，接地故障电阻

可表示为

其中，

为变压器相电势，

为中性点电压，

C为各相对地电容，

为系统角频率；

对于中性点经消弧线圈接地系统，接地故障电阻

可表示为

其中L为消弧线圈的电感值，

为变压器相电势，

为中性点电压，

C为各相对地电容，

为系统角频率。

其中对于中性点不接地系统，接地故障电阻阈值取值范围为5kΩ~7kΩ；

对于中性点经消弧线圈接地系统，接地故障电阻阈值取值范围为7kΩ~1MΩ。

步骤3：逆变单元如果接收到信号控制单元发送的整流控制指令，则将数字信号转换为模拟量，并将逆变后的电压信号输出给选线装置作为启动信号。

以一组实测数据具体说明启动效果如图6所示，中性点经消弧线圈接地，土壤接地故障，中性点电压为603V，未达到传统启动判据866V，传统选线装置启动方法不启动。

本发明提供的启动判据给定选线装置启动判据波形如图7所示，计算出过渡电阻从9MΩ跌落至2000Ω，具有明显的启动信号特征。

图8是中性点不接地配电网的所有线路对地导纳进行等效为一条线路后的导纳示意图。其中，

、

、

分别为配电网A、B、C三相电源电压；

、

、

为配电网三相的对地泄露电阻；

、

、

为配电网三相的系统对地电容；

为系统发生单相接地故障时的接地故障电阻，接地故障电阻大小与中性点的电压存在对应关系。

设每相对地电容和电导相等，三相的相电势相等，根据基尔霍夫定律有

其中，

式中，

为中性点电压向量,

为故障相电压向量，

为电源故障相电势向量。

则对于中性点不接地系统，接地故障电阻

可表示为

其中，

为变压器相电势，

为中性点电压，

C为各相对地电容，

为系统角频率；

对于中性点经消弧线圈接地系统，接地故障电阻

可表示为

其中L为消弧线圈的电感值，

为变压器相电势，

为中性点电压，

C为各相对地电容，

为系统角频率。

设置接地故障电阻小于某设定电阻阈值即认为发生单相接地故障，其启动死区如图9所示，其等效启动电压130V远小于传统启动判据866V，有效提高选线装置启动的有效性。

本专利提出一种配电网单相接地故障选选线装置的启动装置，并给出一种新的启动算法，该装置通过检测中性点电压，通过测算接地故障过渡电阻检测是否发生单相接地故障，若检测到发生单相接地故障，通过输出调制的0V到90V的电压阶跃启动波形作为传统选线装置的启动波形，可以解决传统选线装置漏启动的问题，提高真实选线准确率。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种配合配电网单相接地故障选线装置的启动方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采集配电网中性点电压，消弧线圈电感值，系统对地电容值；

步骤2，利用中性点电压、消弧线圈电感值和系统对地电容值计算配电网的接地故障电阻值，判断接地故障电阻值是否大于设定的接地故障电阻阈值，如果是，则执行步骤3，如果否，则判定不需要启动选线装置并返回步骤1；

步骤3，将电压阶跃信号输出至选线装置的中性点电压测量接口，以启动故障选线装置。

2.根据权利要求1所述的配合配电网单相接地故障选线装置的启动方法，其特征在于：

步骤2中，接地故障电阻值包括：中性点不接地系统的接地故障电阻值和中性点经消弧线圈接地系统的接地故障电阻值。

3.根据权利要求2所述的配合配电网单相接地故障选线装置的启动方法，其特征在于：

对于中性点不接地系统，接地故障电阻值

满足如下关系式：

式中，

为变压器相电势，

为配电网中性点电压，

C为各相对地电容，

为系统角频率。

4.根据权利要求2所述的配合配电网单相接地故障选线装置的启动方法，其特征在于：

对于中性点经消弧线圈接地系统，接地故障电阻值

满足如下关系式：

式中，

L为消弧线圈电感值，

为变压器相电势，

为配电网中性点电压，

C为各相对地电容，

为系统角频率。

5.根据权利要求2中所述的配合配电网单相接地故障选线装置的启动方法，其特征在于：

对于中性点不接地系统，接地故障电阻阈值取值范围为5kΩ~7kΩ；

对于中性点经消弧线圈接地系统，接地故障电阻阈值取值范围为7kΩ~1MΩ。

6.基于权利要求1至5中任一项所述启动方法的配合配电网单相接地故障选线装置的启动装置，其特征在于：

启动装置包括依次连接的信号采集单元、信号控制单元以及逆变单元；

所述信号采集单元采集配电网中性点电压，系统对地电容以及消弧线圈电感，并将以上信号转换为数字量发送给信号控制单元；

所述信号控制单元以信号采集单元输出的信号作为输入，以整流控制指令作为输出；信号控制单元，用于计算接地故障电阻值，判断配电网是否发生单相接地故障，并给逆变单元发出整流控制指令，同时显示系统状态信息；

所述逆变单元以信号控制单元输出的整流控制指令作为输入，以启动信号作为输出，逆变单元的输出端连接配电网单相接地故障选线装置；逆变单元，用于向选线装置发送启动信号实现对故障选线装置的启动。

7.根据权利要求6所述的配合配电网单相接地故障选线装置的启动装置，其特征在于：

所述信号采集单元包括信号预处理电路和A/D转换器：信号预处理电路的输入端连接故障电路，采集故障电路的中性点电压，信号预处理电路输出端连接A/D转换器；A/D转换器以信号预处理电路输出的中性点电压模拟量作为输入，以中性点电压的数字量作为输出，其作用是将采集到的电压模拟量转换为数字量；

对于中性点不接地系统，所述信号采集单元连接到配电网中性点电压互感器以及系统对地电容参数测量装置，采集配电网中性点电压以及每相对地电容；

对于中性点经消弧线圈接地系统，所述信号采集单元连接到消弧线圈成套装置以及系统对地电容参数测量装置，采集配电网中性点电压，配电系统对地电容以及消弧线圈电感。

8.根据权利要求6所述的配合配电网单相接地故障选线装置的启动装置，其特征在于：

信号控制单元包括ARM处理器、串口通信电路和显示器，ARM处理器以A/D转换器输出的中性点电压数字量作为输入，以整流控制指令作为输出，其作用是计算接地故障电阻值并判断系统是否发生单相接地故障，若发生故障，则向逆变单元发出整流控制指令；

串口通信电路的作用是将系统状态信息发送给显示器；

显示器的输入端连接串口通信电路，其作用是显示系统状态信息。

9.根据权利要求8所述的配合配电网单相接地故障选线装置的启动装置，其特征在于：

系统状态信息包括系统对地电容值、消弧线圈档位、中性点电压值以及是否发生单相接地故障。

10.根据权利要求6所述的配合配电网单相接地故障选线装置的启动装置，其特征在于：

逆变单元包括直流电源和逆变器模块，其中直流电源的作用是给逆变器模块提供输出启动信号所需电源；

逆变器模块以信号控制单元输出的整流控制指令作为输入，以启动信号作为输出，其输出端连接故障选线装置，实现对故障选线装置启动的功能。

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