CN114113883A - 一种相不对称接地故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是一种相不对称接地故障检测方法。将自动化智能终端设备FTU与小电流接地快速切断装置进行深度融合，将FTU中接地检测技术与小电流接地快速切断装置的相不对称接地检测技术从技术角度进行整合，利用FTU设备的馈线电气参数的测量、归纳以及与远方配电自动化终端的通讯功能与小电流接地快速切断装置的故障录播，就地判断并动作功能进行融合，并进行统一结构设计，保有原设备的各项功能的基础上，对相应的重复功能进行筛选和整合，进一步降低馈线悬挂设备数量，减少电力终端。相不对称接地故障检测技术只需要三相电流的接地故障检测，即可准确检测接地故障，解决了接地故障时电流小，很难通过零序电流的大小确认故障区段的难题。

Description

一种相不对称接地故障检测方法

技术领域

本发明涉及电力领域的接地故障，尤其涉及一种相不对称接地故障检测方法。

背景技术

我国配电网具有电压等级众多、网络构架薄弱、智能化水平低、故障率高等特点。据统计，用户平均停电时间 90%以上是由配电网故障引起的，在这些故障中，单相接地故障占了总数的 80%左右。配电网网络结构复杂、地域跨度广，故障点的排查与维护往往需要大量的物力与人力，这也一直是困扰电力运维部门的难题。

我国配电网中性点接地方式根据自身配电网的运行情况与经验选取了三种方式：中性点不接地方式、经消弧线圈接地方式、经小电阻接地方式。其中，以不接地、消弧线圈接地方式应用最为广泛，但随着电力用户数和电缆线路的不断增加，小电阻接地方式发展较快。不同的接地方式具有不同的优缺点和适用范围。中性点不接地方式结构简单、投资少，但易产生弧光过电压，一般适用于故障电流不大于 10A 的配电网；中性点经消弧线圈接地方式可抑制弧光过电压，减缓故障相恢复电压的上升速度，但故障选线准确率低，一般适用于故障电容电流大于10A的配电网；中性点经小电阻接地方式能快速判断并切除故障线路，过电压水平低，但线路跳闸率高，一般适用于电缆化率较高的配电网。

中性点不接地系统、经消弧线圈接地系统又称小电流接地系统，小电流接地系统发生单相接地故障时，三相之间的线电压仍保持对称，不影响负荷供电，系统可继续运行一段时间，因而提高了供电可靠性。又故障相电压较低，健全相电压明显升高，因而可快速确认故障相。但三相相电流仍保持对称，故障电流很小，无法判断哪条馈线发生了故障，因此，小电流接地系统故障选线一直是配电网继电保护的一个研究课题。另外，确定故障线路后需进一步确定故障位置，即实现故障定位。因此，小电流接地系统故障定位也是一个重要的研究方向。与小电流接地系统相比，小电阻接地系统故障电流一般较大，其故障线路的切除一般采用零序过流保护，因而能准确辨别故障线路，并切除故障线路。但当发生单相高阻接地故障时，小电阻接地系统故障电流一般低于整定阈值，保护拒动，无法切除故障线路。总之，配电网系统(包括小电流接地系统、小电阻接地系统)单相接地故障的保护任务是一个值得研究的实际工程问题。

中性点不接地系统发生单相接地故障时，健全线路的对地零序电容电流均流入故障点，故障线路所测的零序电流方向与健全线路相反，所测的零序电流幅值等于所有健全线路的零序电流幅值和，即远大于任一健全线路的幅值，此特征既符合零序电流稳态分量也符合暂态分量，因此，由零序电流稳态分量或暂态分量的故障特性均较易判断故障线路。谐振接地系统发生单相接地故障时，流经消弧线圈的电流补偿流入故障点的健全线路对地零序电流，导致故障线路的零序电流稳态分量幅值减小、方向改变，从而无法根据各馈线零序电流稳态分量的幅值或相位实现故障选线。实际上，暂态分量的幅值、相位、衰减特性等均受到消弧线圈的影响。比较可知，谐振接地系统故障电流更小、故障特征更不明显、故障情况更加复杂，因而谐振接地系统的故障选线、定位等保护问题更加困难。

在谐振接地系统中，较于单相低阻接地故障，高阻接地时故障电流更加微弱、受干扰更加严重、故障特征更难获取，因此，谐振接地系统单相高阻接地故障选线难题也一直未得到有效解决。小电阻接地系统中，单相高阻接地故障时产生的故障电流一般低于整定阈值，导致保护无法正常启动，保护失效。不管配电网中性点采用何种接地方式，其单相高阻接地保护问题都是一项极具挑战性的任务。为对配电网高阻接地保护提供相关参考，本文研究了谐振接地系统、小电阻接地系统单相高阻接地故障的保护方法。

谐振接地系统选线、定位失败或小电阻接地系统高阻故障保护拒动后，系统仍继续带故障运行，长期保持非故障相相电压过高或弧光过电压放电，可能破坏相邻馈线或电气设备的正常运行，造成相间短路，进一步扩大故障范围和故障性质。此外，单相接地故障也会造成人身伤亡事故，造成不可挽回的损失。为保证系统安全运行、减小停电损失、提高供电可靠性，在配电网单相接地故障后，需迅速判断故障线路、确定故障区段，便于进一步采取故障处理措施。

FTU馈线终端装置,配电开关监控终端(简称FTU)具有遥控、遥信，故障检测功能，并与配电自动化主站通信，提供配电系统运行情况和各种参数即监测控制所需信息，包括开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的参数,并执行配电主站下发的命令，对配电设备进行调节和控制，实现故障定位、故障隔离和非故障区域快速恢复供电等功能。

安装在配电室或馈线上的智能终端设备。它可以与远方的配电子站通信，将配电设备的运行数据发送到配电子站，还可以接受配电子站的控制命令，对配电设备进行控制和调节。当前安装在馈线处的FTU设备具备对线路实时电气参数的采集和传输功能，但其缺乏精细的主动控制功能，需要将采集数据上传到配电自动化主站后由主站进行相关计算和判断，再对馈线终端设备发出相关操作指令，由FTU完成相应操作。数据的传输无论光纤还是无线传输均面临着延迟的风险，对于面对小电流接地需要快速判断，快速切断的场景FTU的单相接地保护功能动作显得有些缓慢。而基于相不对称原理运行的配网小电流接地快速切断装置具有事故前后录波，自判断以及快速动作等优点，由本地控制系统自行判断接地位置并选相，并快速进行动作切断相应接地部分。同时在完成一次切换动作后，其能够统一将事件记录以及前后录波情况进行存储并上送。因此将馈线智能终端与小电流接地快速切断设备进行融合设计，各取所长，将馈线终端的电气量采集及与配电主站通讯等功能与小电流接地快速切断设备进行公用，并充分利用其就地判断，就地快速动作，在节约设备成本，建设空间的同时，提高配网馈线对小电流接地故障感知灵敏度和响应速度。

随着国民经济和电力工业的发展，我国城乡电网迫切需要实现配电网自动化，以提高供电质量和可靠性。配电网系统中发生机率最大的故障是单相接地故障。因此，如何准确地检测并尽快消除单相接地故障是提高我国供电网可靠性的重要议题之一。

在我国6～66 kV电力系统中普遍采用中性点非有效接地或经消弧线圈接地的小电流接地方式，当系统发生单相接地故障时，由于不能构成短路回路，接地故障电流往往很小，但系统线电压的对称性并不遭到破坏，系统还可继续运行一段时间，规程规定一般为不超过2h。近年来随着电力传输容量增大、距离延长、电压等级逐渐升高，电力系统的延伸范围不断扩大，且电缆线路的使用量逐步增加，在这种情况下发生单相接地故障时，接地电流越来越大，造成接地电容电流在故障点形成的电弧不能自行熄灭，同时间歇电弧产生的过电压往往又使事故扩大，逐步发展成为短路事故，显著降低了电力系统的运行可靠性。为防止系统事故扩大，在接地运行的这段时间里必须设法排除故障或者将故障隔离，这就提出了用相不对成接地故障检测技术提高对线路中单相接地故障检测速度与检测精度的研究课题。同时在配网自动化开展过程中，由于没有有效的接地检测和保护措施，在很大程度上制约了配网自动化系统的实施效果和发展。

小电流系统发生单相接地以后，由于故障特征不明显，使得迅速、准确地指示接地回路有一定的难度，小电流系统单相接地选线一直是继电保护领域未彻底解决的一个难题。

用于解决小电流接地系统接地故障的传统方法是由运行人员采取顺序拉闸的方式寻找故障线路，转移负荷后将故障线路切除。显然，这种方法使得一些非故障线路的用户也会短时停电，降低了供电的可靠性，延长了系统带单相接地运行的时间，增大了扩大故障和误操作的可能性。随着配电网规模的不断扩大、用户对供电质量要求的不断提高，人们对配电网自动化水平提出了更高的要求，配电网单相接地故障定位问题更加突出，迫切需要从根本上予以解决。从配电网自动化的角度说，不仅要求正确地选出故障线路，而且要求能够自动确定故障线路区段，并进一步确定故障点，尽快消除故障。现代计算机技术和通信技术的不断发展，为实现新的故障定位方法提供了保障，因此对配电网单相接地故障检测和定位技术的长足发展具有很重要的实际意义。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出了一种相不对称接地故障检测方法。该方法在算法融合的基础上，将FTU设备与小电流接地检测设备相关功能进行整合，优先突出后者对于小电流接地故障的快速排查和响应优点。同时根据两种设备的重复功能模块区域，在信息量采集和数据上送等方面重新进行布置，同时利用FTU设备能够存储大量行波数据的优势，将录波功能由小电流设备转移至FTU设备，达到各取所长，发挥优势的目的。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种相不对称接地故障检测方法，将现有馈线自动化智能终端设备FTU与配电网小电流接地快速切断装置进行深度融合，将原有FTU中有效接地检测技术与小电流接地快速切断装置的相不对称接地检测技术从技术角度进行整合，充分利用原有FTU设备的馈线电气参数的测量、归纳以及与远方配电自动化终端的通讯功能与小电流接地快速切断装置的故障录播，就地判断并动作功能进行融合，并进行统一结构设计，保有原设备的各项功能的基础上，对相应的重复功能进行筛选和整合，进一步降低馈线悬挂设备数量，减少电力终端。

进一步地，所述自动化智能终端设备FTU与小电流接地快速切断装置的融合，在接地故障保护的算法层面以及两类设备结构和功能的物理层面进行双维度融合，利用原有设备的各项功能，分析其冗余和重叠部分，选取各部分的优势，各取所长；融合点还在于设备与主站的数据交换，单独的FTU设备可将采集到的各项馈线参数实施传输给远方的配电自动化终端主站，其中包含其采集到的接地故障信息，并将等待主站的下一步指令；小电流接地快速切断装置可以灵敏感知接地故障并进行录波，在经过分析处理后迅速对故障点进行定位排查，并快速切断故障位置，随后可将整个事件记录一并上送到远方主站；将融合两套设备的上送通讯方式和协议，充分利用小电流设备的录波功能，同时不完全放弃FTU原有的故障检测和判断功能，将作为验证小电流设备动作的第二依据，并连同小电流设备的故障处理信息一并上送远方主站。

本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：

相不对称接地故障检测技术实现了只需要三相电流的接地故障检测，即可准确检测接地故障，该技术统称为“相不对称”检测算法，解决了接地故障时电流小，很难通过零序电流的大小确认故障区段的难题。特别是对于各种中性点经消弧线圈接地系统、不接地系统等的小电流接地故障，可以准确检测判断故障区段。可以做到在线路发生故障时及时确定故障区段、并发出故障报警指示或信息，缩短了故障区段查找时间，为快速排除故障、恢复正常供电，提供了有力保障。能特别防范由于架空线路接地故障断线未能准确及时检测引起山林火灾的隐患。

同时“相不对称”的检测算法，在高阻接地故障环境下能够精准检测出故障，能够弥补直接接地系统或小电阻接地系统中高阻接地故障无法检测的盲区，从而为线路保护提供更全方位的保障。

附图说明

图1是本发明的接地故障原理框图；

图2是本发明的接地故障检测精度示意图；

图3是本发明的接地故障定位结构框图；

图4是本发明的接地故障处理流程图。

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。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。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。

据图所示，一种相不对称接地故障检测方法，将现有馈线自动化智能终端设备FTU与配电网小电流接地快速切断装置进行深度融合，将原有FTU中有效接地检测技术与小电流接地快速切断装置的相不对称接地检测技术从技术角度进行整合，充分利用原有FTU设备的馈线电气参数的测量、归纳以及与远方配电自动化终端的通讯等功能与小电流接地快速切断装置的故障录播，就地判断并动作功能进行融合，并进行统一结构设计，保有原设备的各项功能的基础上，对相应的重复功能进行筛选和整合，进一步降低馈线悬挂设备数量，减少电力终端，并丰富既有设备的物联网功能，达到体制增效的目的。

注重既有设备的融合技术，在接地故障保护的算法层面以及两类设备结构和功能的物理层面进行双维度融合。融合目的在于利用原有设备的各项功能，分析其冗余和重叠部分，选取各部分的优势，各取所长。本发明融合点还在于设备与主站的数据交换，单独的FTU设备可将采集到的各项馈线参数实施传输给远方的配电自动化终端主站，其中包含其采集到的接地故障等信息，并将等待主站的下一步指令，可以说FTU尚不具备就地分析计算，自行处理的功能。但小电流接地快速切断装置则具备上述功能，可以灵敏感知接地故障并进行录波，在经过分析处理后迅速对故障点进行定位排查，并快速切断故障位置，随后可将整个事件记录一并上送到远方主站。本发明将融合两套设备的上送通讯方式和协议，充分利用小电流设备的录波功能，同时不完全放弃FTU原有的故障检测和判断功能，将作为验证小电流设备动作的第二依据，并连同小电流设备的故障处理信息一并上送远方主站。

自动化智能终端设备FTU是一个具有遥控遥信及故障功能检测并对配电自动化主站通信提供配电系统运行的相关状况以及各种参数处理的终端处理装置。这种处理装置主要是安装在配电室，或者相关线路上的传输设备上，终端设备可以与远方的控制中心和中控中心进行通讯，将设备的运行数据发送到相关的控制中心，控制中心对相应的数据进行处理和调节后即可以得到相关的数据状况，并对相关线路进行合理的调节分析，自动化智能终端设备FTU还能够对线路故障进行分析，通过对线路上的电能参数和线路故障以及接地故障的实时参数进行分析，即可得到线路故障位置对后续的线路处理带来了极大的便利，为配电网故障的修复，以及供电的稳定性提供了保障。

在配电自动化的进程当中，自动化智能终端设备FTU己经得到了广泛应用，FTU在相关配电网中可以直接定位故障的位置，并实时的将其传输到控制中心，基于FTU的相关技术信息，可以将其应用到线路接地保护继电器当中，主要应用包括以下几个方面：

当自动化智能终端设备FTU应用到零序过流继电器时，无需零序电压启动循环测量零序电流，通过计算相应的零序电流的有效值，即可以推算出相应的线路是否存在过流的现象，如果电流大于相关规定的有效值时，即可以开启零序过流继电保护，零序过流继电器只能在线路电容小的故障残留的条件下使用，这种类型的继电器一般不能够应用到经消弧线圈接地系统当中，这种类型的继电器能够对低阻抗的接地故障进行保护对高电阻条件下的电流故障的保护能力较差。

通过自动化智能终端设备FTU对电流进行实时的检测，通过检测前后一个周期零序电压的变化量就可以进行接地故障的判断。通过连续三个点的零序电压变化量的计算，如果变化量大于整体的设定值，就可以确定第一个接地点故障。当相应的零序电压恢复到相位差低于12%的额定相位差之后就可以认为相关的故障得到解除。

在配电网发生接地故障的过程中，故障位置会产生一系列的负序电流。所以这种故障电流流向电源，而没有产生相关故障线路的电流较小，因此，可以通过FTU进行故障前后的电流的变化量的测量进行接地保护。在测量过程中将零序电压启动，如果电流大于精确工作时产生的电流变化量大于额定的变化值时，即可开通接地保护。

在配电网发生接地故障时，故障的线路故障相对地的电阻显著降低，等于故障电阻，而没有故障线路的故障相对地电阻的电阻值不变，所以，通过测量馈线故障的相对地电阻就可以对线路进行接地保护。在测量过程当中，首先将零序电压启动后，当配电网的零序电压的有效值小于50%的额定相电压时。可以根据相电压和三相电流的变化量来计算相应线路的故障接地电阻情况，如果接地电阻小于保护定值就接通接地保护动作。接地电阻继电器能够适合对高电阻的接地故障进行检测和电流保护，保护的精度较高但是接地保护当中对于抗弧光过渡电阻的保护能力较差。

故障前后非故障线路任意两项电涡流变化值的差值为零而故障线路的故障前后相电压的变化量的差值等于故障点故障电流的大小，所以可以用FTU技术对相电流的差距进行测量，通过对相电流的差值进行测量之后如果任意两相电流的变化量差值大于有效值的整定值，就采取接地保护动作。而在对象电流差值继电器的设计过程当中应该采用稳态量进行保护，才能保证继电器的抗干扰能力。

在配电网的接地线路发生接地故障时，故障线路的零序能量是由故障点流向系统的零序能量的总和而非故障线路的零序能量为该线路对地电容充放电能量，这个能量的流向是由系统流向线路平均值较小。所以在测量过程当中可以首先启动零序电压，然后测量配电网两端的零序电压的差值和零序电流的差值并进行相乘，通过计算一个周期的连续能量如果能量大于参考值，即可开通接地保护。这种类型的继电器灵敏度较高可以精确的测量和对线路进行保护。

以FTU设备及远方配电自动化平台主站为主的有效接地故障检测系统当发生单相接地时，安装于现场的配电监测设备(配电终端、故障指示器等)采集电流、电压、电场等配电网运行信息，并根据设定值和判定条件进行单相接地故障故障录波、检测或判定处理，通过无线、光纤等通信通道，采用IEC 60870-5．101／104电力通信规约与配电主站进行通信，传送各种信息，配电主站根据收到的各种信息进行故障解析、故障处理与定位。

据图3所示，基于配电主站的单相接地定位整体结构上分为：配电主站层、通信网络层、设备层。

(1)主站层。对采集到的各种故障指示器、配电终端采集的故障信息、故障录波文件进行解析，提取故障特征量，集合配电主站拓扑、配电网实时状态、故障信息量进行单相接地故障定位和处理；

(2)通信层。通过光纤、无线网络通信通道，应用IEC 60870-5-101/104通信规约实现配电监测设备与配电主站问数据通信；

(3)设备层。主要指安装在线路或站所的配电终端、各类故障指示器，实现对电网、设备运行状态监测，实时采集配电网运行状态并通过通信层与配电主站进行通信。

据图4所示，当配电网发生单相接地时，根据国家电网《配电线路故障指示器选型技术原则(试行)》、《配电自动化终端技术规范(试行)》要求，配电终端或非架空暂态录波型故障指示器具备单相接地指示并上送单相接地故障标志，配电主站可直接根据上送的故障标志在线故障定位；而录波型故障指示器上送故障录波至配电主站，需依赖配电主站对故障录波解析、提取故障特征量，并根据配电自动化的图模和拓扑进行故障定位。

工程应用中录波型故障指示器数据采集一般只安装电流互感器，在发生单相故障时上送故障相电流、零序电流暂态录波文件至配电主站。配电主站对收到录波文件进行解析、提取其故障特征量。为充分利用故障录波数据，从多个维度提取特征量形成特征量冗余，以便于提升故障定位的准确性。

本发明的工作原理：

三相电流相不对称算法简称相不对称算法，当发生接地故障时，故障电流经故障点流向故障线路，故障点后的线路则没有故障电流通过。而且发生故障瞬间，电网电流发生突变，故障区域三相电流值变化很大，而非故障健全区域的三相电流值变化很小，波形近似。根据上述三相电流相不对称特征，该算法可准确的判断和定位故障区域。

据图1所示，发生接地故障瞬间，线路所有的电容电流都经接地点流向故障线路；

据图2所示，在健全区域和故障区域，三相电流PAM算法可以保证接地故障检测精度和准确性。

及时检测和处理单相小电流接地故障避免造成停电产生经济损失，每减少一次馈线停电，缩短停电时间半小时，线路上的负荷是5000kVA算，则减少的社会损失或产生的社会效益为5000*9.49*0.5＝23725元，仅是平均水平，若商业区、大城市核心城区、高负荷密度负荷科技园等则数据更大。

其它情况的计算：变电站出口一次跳闸的社会损失

节省运行维护成本：本研究检测和处理单相小电流接地故障减少了采用熔断器-负荷开关组合电器对用户变压器进行保护的情况，不需到现场更换熔丝，节省了到现场更换熔丝的维护成本。区域自愈系统支持三遥（遥测、遥信、遥控）也会节省了大量的维护成本。按节省一个人力成本计算，如按现在地区电力维护人员的工资及福利开支3000元/月人计算，每年可以节省人力成本3.6万元。

同时项目的实施也将带来一定的间接效益，随着配网故障快速定位系统的实施，实现对配电网的实时监控以及设备工况的监视，运行方式调整可通过就地操作执行，大大减少运行人员的巡视、测试等工作量，节约运行成本。根据对系统元件参数的监控，将检修工作从计划检修向状态检修过渡，降低设备运行维护成本。故障分析及处理方案更加准确，可以在将来发生类似故障时进一步减少损失，降低运行维护费用。

配电自动化在配电网发生故障时，能迅速判断故障区段，对非故障区域恢复供电，可大大减少故障时的停电时间和停电范围，提升用户服务质量。根据系统实时监测数据，对配网运行方式、接线方式、负荷分配等做出正确调整，提高电能质量，提高客户满意度，提高电力企业的社会形象。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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 (2)

1.一种相不对称接地故障检测方法，其特征是：将现有馈线自动化智能终端设备FTU与配电网小电流接地快速切断装置进行深度融合，将原有FTU中有效接地检测技术与小电流接地快速切断装置的相不对称接地检测技术从技术角度进行整合，充分利用原有FTU设备的馈线电气参数的测量、归纳以及与远方配电自动化终端的通讯功能与小电流接地快速切断装置的故障录播，就地判断并动作功能进行融合，并进行统一结构设计，保有原设备的各项功能的基础上，对相应的重复功能进行筛选和整合，进一步降低馈线悬挂设备数量，减少电力终端。

2.根据权利要求1所述的一种相不对称接地故障检测方法，其特征是：

所述自动化智能终端设备FTU与小电流接地快速切断装置的融合，在接地故障保护的算法层面以及两类设备结构和功能的物理层面进行双维度融合，利用原有设备的各项功能，分析其冗余和重叠部分，选取各部分的优势，各取所长；

融合点还在于设备与主站的数据交换，单独的FTU设备可将采集到的各项馈线参数实施传输给远方的配电自动化终端主站，其中包含其采集到的接地故障信息，并将等待主站的下一步指令；小电流接地快速切断装置可以灵敏感知接地故障并进行录波，在经过分析处理后迅速对故障点进行定位排查，并快速切断故障位置，随后可将整个事件记录一并上送到远方主站；

将融合两套设备的上送通讯方式和协议，充分利用小电流设备的录波功能，同时不完全放弃FTU原有的故障检测和判断功能，将作为验证小电流设备动作的第二依据，并连同小电流设备的故障处理信息一并上送远方主站。

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