CN114034964A - 基于相电流变化量的配电线路单相接地故障区段识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于相电流变化量的配电线路单相接地故障区段识别装置，包括：启动单元，采集单元，判断单元，通信单元，开出单元。启动单元检测零序电压和三相电流是否满足定值要求；采集单元实时采集三相电流波形并存储一定长度的数据；判断单元用故障后的稳态电流波形减去故障前的稳态电流波形，得到三相电流变化量并计算幅值和极性，判断装置与故障点之间的关系；通信单元与主站进行通信，上送判断单元的判断结果；开出单元发出告警/跳闸信号，控制断路器跳闸。通过本发明的装置，实现配电线路单相接地故障区段精确识别，为快速有选择地从线路两端切除单相接地故障奠定基础，为快速恢复正常线路供电提供条件，提高电力线路运行可靠性。

Description

基于相电流变化量的配电线路单相接地故障区段识别装置

技术领域

本发明涉及电力系统保护和控制技术领域，具体而言，涉及一种基于相电流变化量的配电线路单相接地故障区段识别装置。

背景技术

单相接地故障是配电网络的主要故障类型，占比超过80％。为了提高供电的可靠性，中压配电系统通常情况下采用中性点非有效接地的方式。在此方式下，行业标准规定系统单相接地故障发生后，允许维持运行2小时。上述做法避免了由于单相接地故障的经常发生导致的频繁停电，也给单相接地故障的处理留出了足够的时间。但是，单相接地故障会造成过电压，给接地点附近居民的人身人生财产安全造成巨大的威胁。因此，传统的配电线路单相接地故障处理的方式是故障选线，即从变电站若干出线中选择出故障线路。20世纪80年代提出了单相接地故障选线技术。三十多年以来，该技术得到了极大的发展。基于故障后的稳态特征、暂态特征和行波特征，分别衍生出稳态法、暂态法和行波法。信号注入法通过引入外界信号探测故障线路。

上述四种方法为现有主要的故障选线方法。稳态法和暂态法是指利用单相接地故障发生后不同馈线的稳态特征和暂态特征差异选择故障线路。稳态法包括群体比幅比相法，零序导纳法等经典方法。暂态方法包括首半波法，暂态特征频带法等。但是受消弧线圈的影响以及复杂的运行工况，稳态法和暂态法难以满足现场要求。信号注入法即在故障配网母线处人为注入信号，通过分析信号对故障线路和非故障线路的影响，利用检测不同线路信号变化的方法进行选线。该方法需要改变一次侧设备，或者对一次侧设备进行操作，且信号注入后可能会影响电力系统的安全稳定运行。行波选线法是基于单相接地故障产生的行波的选择接地线路的方法。该方法比较不同馈线上初始电流行波的幅值和极性来选择故障线路。因而行波选线方法包括幅值比较法，极性比较法和幅值极性比较法三类。目前行波选线的方法在配网中应用较为成功，行波选线方法及按照该方法研发的装置已经经过了现场的检验，大部分情况下能够满足现场的需求。但是行波选线法也存在一定的缺陷，主要包括电流互感器标准不统一和无法精确到分支线路。

电流互感器是依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量的仪器。10kV馈线电流互感器配置通常需要考虑到线路的负荷水平和传统过电流保护的要求。不同的负荷水平和短路容量需要的电流互感器不同。同时，在配电线路扩展建设的过程中，同一变电站不同时期接入的馈线使用不同批次的电流互感器，因而其型号不相同，致使标准不统一电流互感器标准不统一主要体现变比和饱和程度的差异。基于幅值的行波选线技术需要收集同一变电站所有馈线的初始电流行波幅值进行比较。不同变比的电流互感器导致选线装置接受到的行波幅值换算不统一，因而需要在装置中增加一个功能模块对互感器变比进行转换。这增加了工程的复杂度，降低可靠性。饱和度的差异体现在不同饱和程度的电流互感器对初始电流行波的传输特性不同。饱和对较低的电流互感器会对初始行波带来较大的畸变，造成初始电流行波幅值的衰减。这会对基于幅值的行波选线技术造成错误。

配电线路为了实现故障的选择性隔离，通常都对在配电线路进行分段，处安装断路器或者负荷开关。传统的选线策略只能选择出故障线路，无法实现故障区段的识别。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明一方面在于提出了一种基于相电流变化量的配电线路单相接地故障区段识别装置。

有鉴于此，本发明提供了一种基于相电流变化量的配电线路单相接地故障区段识别装置。其包括：启动单元，采集单元，判断单元，通信单元，开出单元。启动单元负责检测零序电压和三相电流是否满足定值要求；采集单元负责实时采集三相电流波形并存储一定长度的数据；判断单元负责用故障后的稳态电流波形减去故障前的稳态电流波形，得到三相电流变化量并计算幅值和极性，判断装置与故障点之间的关系；通信单元负责与主站进行通信，上送判断单元的判断结果；开出单元负责发出告警/跳闸信号，控制断路器跳闸。通过本发明的装置，实现配电线路单相接地故障区段精确识别，为快速有选择地从线路两端切除单相接地故障奠定基础，为快速恢复正常线路供电提供条件，提高电力线路运行可靠性，具有良好的经济性和实用性。

配电线路上的相电流包括负荷电流、相间耦合电容电流和对地电容电流三部分。配电系统是首端是110kV变压器的低压侧，通常三相采用角接，可以等效为三相角接的电源；末端是配电变压的高压侧，通常三相也采用角接，可以等效为三相角接的负载。对于中性点不接地的配电系统来说，发生单相接地故障后，没有改变三相负载与三相电源的对称性，因此在忽略系统阻抗和线损的情况下，系统的负荷电流不会变化。

配电线路是一个三相耦合系统。相间耦合电容只与导线线径、三相导线之间的相对位置以及到导线之间物质的介电常数有关，与系统是否接地无关。同时，在单相接地故障发生后，系统的相电压未发生变化，因而系统的相间耦合电容电流不会发生变化。

配电线路的对地电容电流由对地电压和对地点电容的小决定。当配电线路发生单相接地故障后，接地相的对地电容将被短接，因此对地电容降低为0。非故障相的对地电压升高，对地电容不变，因此对地电容电流会增大。

综上所述可以得出结论，发生单相接地故障后，线路上电流的变化取决于对地电容电流的变化。

发生单相接地故障后，相电流的变化是通过线路对地分布电容的充放电实现的。以A相接地为例，当系统发生A相接地故障后，A相对地电容被短接，储存在电容两端的电荷要通过接地点放电，流入大地。因在非故障线路上，A相电容电流的方向表现为从线路流向母线；在故障线路上，接地点的电源侧和负荷侧电容电流的流向不一样。在接地点电源侧，A相对电容电流从母线流向线路；在接地点的负荷侧，A相对电容电流从线路流向母线，在接地点处流向大地。

对于非故障相B相和C相而言，由于相电压被抬高，因此对地电容会被大地充电。充电完成之后，B、C相的对地电容电流会增加，这些增加的部分或通过线路首端流向母线。因此BC相对点电容增加的那一部分可以看做是由线路流向母线。

要想实现单相接地故障的区段识别，就需要分析故障线路中故障点电源侧和故障点负荷侧的特征差异。为了描述单相接地故障后相电流变化量，本文采用了稳态相量分析的方法，即分别分析单相接地故障前和故障后的三相对地电流，并计算对应的相对地电流差值，即可得到三相相电流的变化量。

首先对故障线路电源侧进行分析。图1(a)、图1(b)和图1(c)所示分别为故障线路首端故障前、故障后电压/相对地电流相量图和相对地电流变化量。

图1(a)中，

分别表示故障前故障线路首端三相电压，

分别表示三相的相对地电流；故障发生前，三相对地电容电流可以表示为：

上式中，Xc表示任一相对地电容的集总参数。

图1(b)中，

分别表示故障后故障线路首端B相和C相的电压，

分别为B相和C相的相对地电流，

为通过故障点流向大地的电流；发生A相接地故障后，B相和C相的对地电容没有发生变化，因此BC两相的对地电流可以表示为：

其中，故障后的BC两相相电压为：

图1(c)中，

分别表示三相的相对地电流变化量。根据相量图，可以得到BC两相的相对地电流变化量为：

此时，通过故障点流入大地的故障电流为故障后BC两相对地电容电流之和，即：

则A相电流变化量为：

综上可得到故障点电源侧对地电容电流变化量的关系：

即在故障点电源侧，故障相电流变化量与非故障相相反，且幅值为其四倍。

对故障点负荷侧，B相和C相的相对地电流变化情况与故障线路电源侧相似，故不再分析。但是对于A相，由于此时A相的对地电容被故障点短接，此时线路上对地电容电流为0，对地电容电流变化量的关系如下所示：

因此可以得到结论，在故障线路故障点负荷侧，三相电流变化量方向相同，幅值相等。

综上分析结果，单相接地故障前后相电流变化量的差异如下表所示：

通过上述原理分析可以知道，在故障点电源侧的观测点检测到的单相接地故障前后三相电流变化量，故障相显著大于非故障相并且相位相反；故障点负荷侧检测到的单相接地故障前后三相电流变化量，故障相和非故障相幅值相等，极性相同。

利用上述原理，可以在配电线路的分段处安装装置来进行单相接地故障区段识别。装置采样单元以1kHz的频率实时采样并存储一定时间范围的三相电流波形。装置的启动单元实时检测零序电压和三相电流有效值。当检测到零序电压大于整定值，并且三相电流均无过流时，说明系统发生了单相接地故障。此时采样单元测量点躲过两个周波的暂态，得到故障后三相电流的稳态波形。装置的判断单元用故障后的稳态波形减去故障前的稳态波形，得到相电流变化量的波形，并进一步计算幅值和相位。比较三相电流变化量的幅值和相位。如果三相电流变化量的幅值和相位基本相同，则判定该测量点在故障点的负荷侧；如果三相电流变化量中有一相幅值显著大于其他两相，并且相位和其他两相相反，则判定该测量点在故障点的电源侧。

判断结束后，装置的通信单元将判断结果上传至主站，主站进行综合研判。主站依次比较同一线路相邻两个测量点的判断结果。如果相邻的两个测量点分别在故障点的电源侧和负荷侧，则判断故障发生在这两个测量点之间；如果相邻的两个测量的判别结果均为电源侧或负荷侧，说明故障不在这两个测量点之间。

判断结束后，主站可以进行进一步的处理。装置的开出单元根据主站的指令告警或跳开故障区段两端的断路器，实现单相接地故障快速隔离。

附图说明

图1(a)、图1(b)以及图1(c)分别示出了故障线路首端故障前、故障后电压/相对地电流相量图和相对地电流变化量；

图2示出了根据本发明方案所提出的基于相电流变化量的配电线路单相接地故障区段识别装置构成图：

图3示出了本发明方案应用在一条四分段配电线路上的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参阅图2和图3，本发明的一个实施例，提出了一种基于相电流变化量的配电线路单相接地故障区段识别装置。

(1)在一条线路的变电站出口和分段处安装该装置100。

(2)采样单元106实时采样每个测量点M1、M2、M3和M4的三相电流波形，同时存储故障前的波形。采样频率可以为1kHz。

(3)启动单元102依靠零序电压进行启动。当检测到零序电压大于整定值，并且三相电流均无过流时，说明系统发生了单相接地故障。此时采样单元106躲过两个周波的暂态，得到并存储故障后三相电流的稳态波形。

(4)判断单元104用故障后的稳态波形减去故障前的稳态波形，得到相电流变化量的波形，并进一步计算幅值和相位。比较三相电流变化量的幅值和相位。如果三相电流变化量的幅值和相位基本相同，则判定该测量点在故障点的负荷侧；如果三相电流变化量中有一相幅值显著大于其他两相，并且相位和其他两相相反，则判定该测量点在故障点的电源侧。

(5)通信单元108将判断结果上传至主站，主站依次比较同一线路相邻两个测量点的判断结果。如果相邻的两个测量点分别在故障点的电源侧和负荷侧，则判断故障发生在这两个测量点之间；如果相邻的两个测量的判别结果均为电源侧或负荷侧，说明故障不在这两个测量点之间。

(6)开出单元110根据主站的指令告警或跳开故障区段两端的断路器，实现单相接地故障快速隔离。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于相电流变化量的配电线路单相接地故障区段识别装置，其特征在于，包括：

启动单元：负责检测零序电压和三相电流是否满足定值要求；

采集单元：负责实时采集三相电流波形并存储一定长度的数据；

判断单元：负责用故障后的稳态电流波形减去故障前的稳态电流波形，得到三相电流变化量并计算幅值和极性，判断装置与故障点之间的关系；

通信单元：负责与主站进行通信，上送判断单元的判断结果；

开出单元：负责发出告警/跳闸信号，控制断路器跳闸。

2.根据权利要求1所述的基于相电流变化量的配电线路单相接地故障区段识别装置，其特征在于，启动单元检测零序电压和三相电流是否满足定值要求，具体为：

实时采集并计算零序电压和三相电流的有效值，当零序电压大于整定值并且三相电流小于整定值时，判断发生了单相接地故障，进入进一步判断。

3.根据权利要求1所述的基于相电流变化量的配电线路单相接地故障区段识别装置，其特征在于，采集单元实时采集三相电流波形并存储一定长度的数据，具体为：

以1kHz的频率对三相电流进行实时采样，并存储一定长度的波形作为故障前的三相电流波形。

4.根据权利要求1所述的基于相电流变化量的配电线路单相接地故障区段识别装置，其特征在于，判断单元用故障后的稳态电流波形减去故障前的稳态电流波形，得到三相电流变化量并计算幅值和极性，判断装置与故障点之间的关系，具体为：

如果三相电流变化量的幅值和相位基本相同，则判定该测量点在故障点的负荷侧；如果三相电流变化量中有一相幅值显著大于其他两相，并且相位和其他两相相反，则判定该测量点在故障点的电源侧。

5.根据权利要求1所述的基于相电流变化量的配电线路单相接地故障区段识别装置，其特征在于，通信单元负责与主站进行通信，上送判断单元的判断结果到主站，主站进行进一步综合研判，具体为：

主站依次比较同一线路相邻两个测量点的判断结果，如果相邻的两个测量点分别在故障点的电源侧和负荷侧，则判断故障发生在这两个测量点之间；如果相邻的两个测量的判别结果均为电源侧或负荷侧，说明故障不在这两个测量点之间。

6.根据权利要求1所述的基于相电流变化量的配电线路单相接地故障区段识别装置，其特征在于，开出单元负责发出告警/跳闸信号，控制断路器跳闸。

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