CN114113913A - 小电阻接地系统单相高阻接地故障判定与保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了小电阻接地系统单相高阻接地故障判定与保护方法及装置，所述方法包括以下步骤：1)母线零序电压互感器实时采样小电阻接地系统的母线零序电压，利用傅里叶算法计算母线零序电压的幅值；2)若母线零序电压幅值发生突变后超过设定的时间间隔T系统过流保护装置未动作，则判定系统发生单相高阻接地故障。在判定系统发生单相高阻接地故障时，估算故障线路的零序电流，并计算其幅值；基于各馈线出口处零序电流互感器实时采样馈线零序电流，并计算各馈线零序电流的幅值；对比各馈线零序电流与估算的故障线路零序电流的幅值，若某馈线零序电流幅值接近于估算的故障线路零序电流幅值，则判定该馈线为故障线路。本发明可靠实用，便于实现。

Description

小电阻接地系统单相高阻接地故障判定与保护方法及装置

技术领域

本发明涉及一种小电阻接地系统单相高阻接地故障判定与保护方法及装置，属于电力系统继电保护技术领域。

技术背景

随着我国配电架空线路与电缆线路的发展与建设，配电网对地电容电流逐渐增加，消弧线圈接地系统难以可靠实现故障熄弧，系统长时间带故障运行存在巨大的安全隐患；而对于小电阻接地系统，当发生单相接地故障时，保护能快速准确判别故障线路，并及时切除故障线路或故障区段，避免系统继续带故障运行。因此，小电阻接地系统的应用将愈加广泛。然而，当单相接地故障的过渡电阻大于200欧时，故障电流将小于过电流保护整定阈值，保护将拒动。另外，当过渡电阻高达上千欧甚至数千欧时，非有效接地系统可以通过测量母线零序电压，并设置相应的零序电压启动或动作阈值来感知单相接地故障；但同样的故障条件下，小电阻接地系统的母线零序电压小于非有效接地系统的母线零序电压，其保护难以通过同样的方式来感知并切除高阻故障。

因此，如何准确识别小电阻接地系统高阻故障，及时切除故障线路、故障区段是我国继电保护领域亟待解决的关键难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种小电阻接地系统单相高阻接地故障判定与保护方法及装置，可靠实用，便于实现。

本发明所提供的技术方案为：

一种小电阻接地系统单相高阻接地故障判定方法，包括以下步骤：

1)母线零序电压互感器实时采样小电阻接地系统的母线零序电压，计算母线零序电压的幅值；

2)若母线零序电压幅值发生突变(考虑到不平衡负荷、不对称馈线参数、测量误差等引起的不平衡电压，判断的标准一般指零序电压瞬时值u₀大于额定相电压U_N的1.5％，即u₀>1.5％U_N)后超过设定的时间间隔T系统过流保护装置未动作，则判定系统发生单相高阻接地故障，则判定系统发生单相高阻接地故障。

需要说明的是，系统正常运行时母线零序电压接近于0，而发生单相接地故障后母线零序电压会立即突变；当系统发生低阻接地故障后，系统过流保护装置会在一定的时间间隔内(一般会在0.5s内)切除故障线路。若零序电压突变超过设定的时间间隔，且系统过流保护装置未动作，则判定系统发生单相高阻接地故障。本发明中判断时间零序电压突变是否超过设定的时间间隔，进而判断是否发生单相高阻接地故障，可以排除瞬时性故障系统自行快速恢复的情况，将零序电压突变超过设定的时间间隔作为判定永久性故障的依据，可靠性高。

一种小电阻接地系统单相高阻接地故障中过渡电阻测量方法，采用上述方法判断系统是否发生单相高阻接地故障，在判定系统发生单相高阻接地故障时，根据公式(1)测量过渡电阻值：

式中，R_F为过渡电阻，R_N为系统中性点接地电阻(小电阻)，E_N为系统额定相电压幅值，U₀为母线零序电压幅值，R_N和E_N均为系统已知参数。

一种小电阻接地系统单相高阻接地故障中故障线路辨识方法，采用上述方法判断系统是否发生单相高阻接地故障，判定系统发生单相高阻接地故障时，根据以下步骤辨识故障线路：估算故障线路的零序电流，并计算其幅值；基于各馈线出口处零序电流互感器实时采样馈线零序电流，并计算各馈线零序电流的幅值；对比各馈线零序电流与估算的故障线路零序电流的幅值，若某馈线零序电流幅值接近于估算的故障线路零序电流幅值(保护装置动作判据)，则判定该馈线为故障线路。

进一步地，所述的小电阻接地系统单相高阻接地故障中故障线路辨识方法，通过以下方法估算故障线路的零序电流：首先测量单相高阻接地故障的过渡电阻，然后基于过渡电阻值估算故障线路的零序电流。

进一步地，所述的小电阻接地系统单相高阻接地故障中故障线路辨识方法，根据公式(1)测量过渡电阻值：

式中，R_F为过渡电阻，R_N为系统中性点接地电阻(小电阻)，E_N为系统额定相电压幅值，U₀为母线零序电压幅值，R_N和E_N均为系统已知参数。

进一步地，所述的小电阻接地系统单相高阻接地故障中故障线路辨识方法，其特征在于：由公式(2)估算故障线路的零序电流I_f0：

进一步地，所述的小电阻接地系统单相高阻接地故障中故障线路辨识方法，由公式(3)估算故障线路的零序电流I_f0

式中，R_N为系统中性点接地电阻(小电阻)，U₀为母线零序电压幅值，R_N和E_N均为系统已知参数。公式(3)由公式(1)和(2)推导得出。

进一步地，所述的小电阻接地系统单相高阻接地故障中故障线路辨识方法，考虑到计算、测量误差，当满足公式(4)时，则认为第k条馈线的零序电流幅值接近于估算的故障线路零序电流幅值(保护装置满足动作判据)：

式中，I_k0为第k条馈线的零序电流幅值，k＝1,2,3,…,M，M为馈线总数。

一种小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法，首先上述方法判定出小电阻接地系统单相高阻接地故障中的故障线路，然后通过保护装置立刻(快速)切除故障线路。

一种小电阻接地系统单相高阻接地故障保护装置，包括测量模块、计算模块和控制模块；

所述测量模块包括母线零序电压互感器，用于实时采样小电阻接地系统的母线零序电压；

所述计算模块与测量模块相连，用于计算母线零序电压的幅值；

所述控制模块与计算模块相连，用于判断母线零序电压幅值是否发生突变(考虑到不平衡负荷、不对称馈线参数、测量误差等引起的不平衡电压，判断的标准一般指零序电压瞬时值u₀大于额定相电压U_N的1.5％，即u₀>1.5％U_N)，若母线零序电压幅值发生突变后超过设定的时间间隔T系统过流保护装置未动作，则判定系统发生单相高阻接地故障。

进一步地，所述测量模块还包括各馈线出口处零序电流互感器，用于采样小电阻接地系统的各馈线的零序电流；

所述计算模块还用于计算各馈线零序电流的幅值、测量过渡电阻值、估算故障线路的零序电流等。

所述控制模块还用于判定小电阻接地系统单相高阻接地故障中的故障线路，控制保护装置快速切除故障线路。

所述小电阻接地系统单相高阻接地故障保护系统中各模块可以是单独的模块，也可以为集成模块。

所述小电阻接地系统单相高阻接地故障保护系统用于实现上述的小电阻接地系统单相高阻接地故障判定方法、过渡电阻测量方法、故障线路辨识方法及保护方法。系统中各模块功能的实现方法参见上述方法中相应步骤的实现方法。

有益效果：

(1)本发明可实现小电阻接地系统单相高阻接地故障的辨识与隔离，适用性广；(2)本发明仅通过采样的母线零序电压即可测算过渡电阻值，相比于现有的零序电流和其他的过渡电阻测量方法，测量方法更简单，且测量精度高，可靠性高，特别适用于高阻故障过渡电阻测量，测量出的过度电阻可用于进一步定量计算故障馈线不平衡电流，馈线对地绝缘参数、介质损耗因素，也可用于评估故障性质与故障点土壤介电系数；(3)本发明计算保护装置是否满足动作判据时仅需要零序电流的幅值，不受电流互感器反接线的影响；(4)本发明计算过程简单，便于实现。

附图说明

附图1是本发明实施例的小电阻接地系统仿真模型图。

附图2是本发明实施例的小电阻接地系统零序等效电路图。

附图3是本发明实施例的馈线零序电流、母线零序电压波形图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步具体说明。

实施例1：

本实施例提供一种小电阻接地系统单相高阻接地故障判定方法，包括以下步骤：

1)母线零序电压互感器实时采样小电阻接地系统的母线零序电压，利用傅里叶算法计算母线零序电压的幅值；

2)若母线零序电压幅值发生突变(考虑到不平衡负荷、不对称馈线参数、测量误差等引起的不平衡电压，判断的标准一般指零序电压瞬时值u₀大于额定相电压U_N的1.5％，即u₀>1.5％U_N)后超过设定的时间间隔T系统过流保护装置未动作，则判定系统发生单相高阻接地故障，则判定系统发生单相高阻接地故障。

需要说明的是，系统正常运行时母线零序电压接近于0，而发生单相接地故障后母线零序电压会立即突变；当系统发生低阻接地故障后，系统过流保护装置会在一定的时间间隔内(一般会在0.5s内)切除故障线路。若零序电压突变超过设定的时间间隔，且系统过流保护装置未动作，则判定系统发生单相高阻接地故障。本发明中判断时间零序电压突变是否超过设定的时间间隔，进而判断是否发生单相高阻接地故障，可以排除瞬时性故障系统自行快速恢复的情况，将零序电压突变超过设定的时间间隔作为判定永久性故障的依据，可靠性高。本实施例中将时间间隔T设置为2s，该时间间隔也可根据实际测试情况适当调整。

实施例2：

本实施例提供一种小电阻接地系统单相高阻接地故障中过渡电阻测量方法，采用实施例1中的方法判断系统是否发生单相高阻接地故障，在判定系统发生单相高阻接地故障时，根据公式(1)测量过渡电阻值：

式中，R_F为过渡电阻，R_N为系统中性点接地电阻(小电阻)，E_N为系统额定相电压幅值，U₀为母线零序电压幅值，R_N和E_N均为系统已知参数。

实施例3：

本实施例提供一种小电阻接地系统单相高阻接地故障中故障线路辨识方法，采用实施例1中的方法判断系统是否发生单相高阻接地故障，判定系统发生单相高阻接地故障时，根据以下步骤辨识故障线路：估算故障线路的零序电流，并计算其幅值；基于各馈线出口处零序电流互感器实时采样馈线零序电流，利用傅里叶算法计算各馈线零序电流的幅值；对比各馈线零序电流与估算的故障线路零序电流的幅值，若某馈线零序电流幅值接近于估算的故障线路零序电流幅值(保护装置动作判据)，则判定该馈线为故障线路。

实施例4：

本实施例在实施例3的基础上，通过以下方法估算故障线路的零序电流：首先测量单相高阻接地故障的过渡电阻，然后基于过渡电阻值估算故障线路的零序电流。

实施例5：

本实施例在实施例4的基础上，根据公式(1)测量过渡电阻值：

式中，R_F为过渡电阻，R_N为系统中性点接地电阻(小电阻)，E_N为系统额定相电压幅值，U₀为母线零序电压幅值，R_N和E_N均为系统已知参数。

实施例6：

本实施例在实施例5的基础上，由公式(2)估算故障线路的零序电流I_f0：

实施例7：

本实施例在实施例3的基础上，由公式(3)估算故障线路的零序电流I_f0

式中，R_N为系统中性点接地电阻(小电阻)，U₀为母线零序电压幅值，R_N和E_N均为系统已知参数。公式(3)由公式(1)和(2)推导得出。

实施例8：

本实施例在实施例3的基础上，考虑到计算、测量误差，当满足公式(4)时，则认为第k条馈线的零序电流幅值接近于估算的故障线路零序电流幅值(保护装置满足动作判据)：

式中，I_k0为第k条馈线的零序电流幅值，k＝1,2,3,…,M，M为馈线总数。

实施例9：

本实施例提供一种小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法，首先上述方法判定出小电阻接地系统单相高阻接地故障中的故障线路，然后通过保护装置立刻(快速)切除故障线路。

实施例10：

本实施例提供一种小电阻接地系统单相高阻接地故障保护装置，包括测量模块、计算模块和控制模块；

所述测量模块包括母线零序电压互感器，用于实时采样小电阻接地系统的母线零序电压；

所述计算模块与测量模块相连，用于计算母线零序电压的幅值；

所述控制模块与计算模块相连，用于判断母线零序电压幅值是否发生突变(考虑到不平衡负荷、不对称馈线参数、测量误差等引起的不平衡电压，判断的标准一般指零序电压瞬时值u₀大于额定相电压U_N的1.5％，即u₀>1.5％U_N)，若母线零序电压幅值发生突变后超过设定的时间间隔T系统过流保护装置未动作，则判定系统发生单相高阻接地故障。

进一步地，所述测量模块还包括各馈线出口处零序电流互感器，用于采样小电阻接地系统的各馈线的零序电流；

所述计算模块还用于计算各馈线零序电流的幅值、测量过渡电阻值、估算故障线路的零序电流等。

所述控制模块还用于判定小电阻接地系统单相高阻接地故障中的故障线路，控制保护装置快速切除故障线路。

所述小电阻接地系统单相高阻接地故障保护系统中各模块可以是单独的模块，也可以为集成模块。

所述小电阻接地系统单相高阻接地故障保护系统用于实现上述的小电阻接地系统单相高阻接地故障判定方法、过渡电阻测量方法、故障线路辨识方法及保护方法。系统中各模块功能的实现方法参见上述方法中相应步骤的实现方法。

实施例11：

本实施例将上述实施例中的方法和系统应用于具体的小电阻接地系统。

如附图1所示，本实施例中的小电阻接地系统为一10kV单端电源供电辐射状配电网仿真模型，母线上共有5条出线，即M＝5，馈线1～5长度依次为10km、20km、10km、19km、6km，其中馈线1、2为架空-电缆混合线路，馈线3、4为架空线路、馈线5为电缆线路。系统中性点由母线通过接地变压器经小电阻接地，小电阻R_N数值设置为10Ω。假设馈线5发生了单相(A相)高阻接地故障，过渡电阻设为1000Ω。

为了简便，实施例中的线路参数设为相同，具体线路参数为：

架空线路：

正序电阻、电感、电容分别为：r₁＝0.178Ω/km、l₁＝1.21mH/km、c₁＝0.012uF/km；

零序电阻、电感、电容分别为：r₀＝0.25Ω/km、l₀＝5.54mH/km、c₀＝0.006uF/km。

电缆线路：

正序电阻、电感、电容分别为：r₁＝0.27Ω/km、l₁＝0.255mH/km、c₁＝0.379uF/km；

零序电阻、电感、电容分别为：r₀＝2.7Ω/km、l₀＝1.109mH/km、c₀＝0.276uF/km。

图1所示仿真模型的零序等效电路图如附图2所示。图中，Z₁₀、Z₂₀、…、Z₅₀分别为馈线1～5的零序等效阻抗，

分别为馈线1～5的零序电流相量，

为故障点的电压相量，

是A相的电压相量，U_A为A相的电压幅值。由图可知，母线零序电压可表示为：

式中，Z₀＝3R_N//Z₁₀//Z₂₀//Z₃₀//Z₄₀//Z₅₀≈3R_N，R_f为实际的过渡电阻。

当系统发生单相高阻接地故障时，即R_f>>R_N，则过渡电阻可表示为：

式中，R_F为测算的过渡电阻。

考虑到实际的计算、测量误差，由上式可知，测算的过渡电阻约等于实际过渡电阻。

本实施例具体步骤如下：

1)母线零序电压互感器、馈线出口处零序电流互感器以5kHz的采样频率实时采样零序电压电流，当馈线5发生经1000Ω的单相高阻接地故障后，利用傅里叶算法得到母线零序电压的幅值为170.41V，利用傅里叶算法得到5条馈线的零序电流幅值分别为0.076A、0.1830A、0.0033A、0.0069A、5.6504A。

2)经过2s，保护未动作，零序电压突变量仍然存在，进一步地，本实施例中，系统中性点接地电阻R_N为10Ω，额定线电压幅值为10000、则系统额定相电压幅值E_N为10000/1.732，母线零序电压幅值U₀为170.72/3，利用公式(1)

计算过渡电阻R_F的数值为10*(10000/1.732)/170.72*3＝1014.6Ω。

3)利用公式(2)

得到故障线路估算的零序电流I_f0为(10000/1.732)/1014.6＝5.69A；

4)计算各馈线零序电流幅值与估算零序电流幅值比分别为0.0013、0.0322、0.0006、0.0012、0.9929，对比公式(4)的判据可知，仅有I₅₀/I_f0位于(0.85，1.15)的区间，因此，馈线5被判定为故障线路。

5)进一步地，馈线5的保护装置动作，及时切除高阻故障，实现了小电阻接地系统单相高阻接地保护。

同样地，当接地故障过渡电阻不同时，算得各馈线零序电流幅值与估算零序电流幅值比如表1所示，由表可知，本发明所提方法能可靠辨识与隔离小电阻接地系统单相高阻接地故障。

表1不同过渡电阻的仿真结果

Claims (10)

1.一种小电阻接地系统单相高阻接地故障判定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)母线零序电压互感器实时采样小电阻接地系统的母线零序电压，计算母线零序电压的幅值；

2)若母线零序电压幅值发生突变后超过设定的时间间隔T系统过流保护装置未动作，则判定系统发生单相高阻接地故障。

2.一种小电阻接地系统单相高阻接地故障中过渡电阻测量方法，其特征在于：采用权利要求1所述的方法判断系统是否发生单相高阻接地故障，在判定系统发生单相高阻接地故障时，根据公式(1)测量过渡电阻值：

式中，R_F为过渡电阻，R_N为系统中性点接地电阻，E_N为系统额定相电压幅值，U₀为母线零序电压幅值，R_N和E_N均为系统已知参数。

3.一种小电阻接地系统单相高阻接地故障中故障线路辨识方法，其特征在于，采用权利要求1所述的方法判断系统是否发生单相高阻接地故障，判定系统发生单相高阻接地故障时，根据以下步骤辨识故障线路：估算故障线路的零序电流，并计算其幅值；基于各馈线出口处零序电流互感器实时采样馈线零序电流，并计算各馈线零序电流的幅值；对比各馈线零序电流与估算的故障线路零序电流的幅值，若某馈线零序电流幅值接近于估算的故障线路零序电流幅值，则判定该馈线为故障线路。

4.根据权利要求3所述的小电阻接地系统单相高阻接地故障中故障线路辨识方法，其特征在于，通过以下方法估算故障线路的零序电流：首先测量单相高阻接地故障的过渡电阻，然后基于过渡电阻值估算故障线路的零序电流。

5.根据权利要求4所述的小电阻接地系统单相高阻接地故障中故障线路辨识方法，其特征在于，根据公式(1)测量过渡电阻值：

式中，R_F为过渡电阻，R_N为系统中性点接地电阻，E_N为系统额定相电压幅值，U₀为母线零序电压幅值，R_N和E_N均为系统已知参数。

6.根据权利要求5所述的小电阻接地系统单相高阻接地故障中故障线路辨识方法，其特征在于：由公式(2)估算故障线路的零序电流I_f0：

7.根据权利要求3所述的小电阻接地系统单相高阻接地故障中故障线路辨识方法，其特征在于：由公式(3)估算故障线路的零序电流I_f0

式中，R_N为系统中性点接地电阻，U₀为母线零序电压幅值，R_N和E_N均为系统已知参数。

8.根据权利要求3所述的小电阻接地系统单相高阻接地故障中故障线路辨识方法，其特征在于：当满足公式(4)时，则认为第k条馈线的零序电流幅值接近于估算的故障线路零序电流幅值：

式中，I_k0为第k条馈线的零序电流幅值，k＝1,2,3,…,M，M为馈线总数。

9.一种小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法，其特征在于，首先采用权利要求1～5中任一项所述的方法判定出故障线路，通过保护装置立刻切除故障线路。

10.一种小电阻接地系统单相高阻接地故障保护装置，其特征在于：包括测量模块、计算模块和控制模块；

所述测量模块包括母线零序电压互感器，用于实时采样小电阻接地系统的母线零序电压；

所述计算模块与测量模块相连，用于计算母线零序电压的幅值；

所述控制模块与计算模块相连，用于判断母线零序电压幅值是否发生突变，若母线零序电压幅值发生突变后超过设定的时间间隔T系统过流保护装置未动作，则判定系统发生单相高阻接地故障。

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