CN114545149A - 一种小电流接地系统10kV线路单相接地故障定位方法 - Google Patents

一种小电流接地系统10kV线路单相接地故障定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小电流接地系统10kV线路单相接地故障定位方法，克服了现有技术中基于暂态电流方向判断故障点的方法需要加装高精度的电压、电流采集装置，成本大；信息传输量大，实际工程应用价值较低的问题，包括以下步骤：S1：对现有的故障电路K和非故障电路N进行分析，得到故障电路K和非故障电路N的相电流变化量特征；S2：采集配电网路上的开关的实时电流并上送至配电自动化主站；S3：对采集到的开关的相电流进行分析，根据相电流变化量特征进行故障定位。能够快速精准定位10kV线路接地故障点，避免非故障区域停电。

Description

一种小电流接地系统10kV线路单相接地故障定位方法
技术领域
本发明涉及配电网小电流接地故障定位技术领域，特别涉及了一种小电流接地系统10kV线路单相接地故障定位方法。
背景技术
目前，我国10kV配电网中性点普遍采用经消弧线圈接地的方式，即小电流接地系统，接地故障发生时，变电站内的暂态选线装置可以对同一10kV母线下的所有线路的暂态分量进行分析，选出接地线路，准确度较高。但暂态选线装置无法精准确定接地点，拉停变电所线路开关会造成非故障区域停电，电力运行人员必须在2个小时内找到故障点并隔离，由于配网线路分支多、时间紧迫，需要研究一种10kV线路接地故障快速处理方法。
目前配电网常用的接地故障定位方法的判断依据包括零序电压、电流暂态分量等，常用的实现方法有首半波法、行波法等，比较三相暂态电流的方向是否相同来确定故障点。但存在以下缺点：
1)配电自动化覆盖范围内的信息均由普通的电压、电流采集装置获取，而现有技术的判据需要加装高精度的电压、电流采集装置，配网开关设备众多，投入成本大，加装装置需要停电安装，实现难度大；
2)现有的基于暂态电流方向的方法不适用于中性点经消弧线圈接地的小电流接地系统，容易出现误判，实际工程应用价值较低；
3)在实际应用过程中需要将所有信息上传至主站进行判定，在信息传输过程中对主站的网络通讯构成很大的压力，在综合判定过程中计算逻辑相对复杂，定位全过程易受外界干扰而影响结果的准确性及实时性。
如中国专利局2018年7月6日公开了一种名称为一种基于暂态能量分析的配电网小电流接地故障区段定位方法的发明，其公开号为CN108254657B，该方法包括以下步骤：首先确定数字滤波器通频带范围，并在配电网的每个节点均配置一台微型PMU；利用微型PMU获取配电网各个节点的零序电压相量和零序电流相量，根据各个节点的零序电压相量和零序电流相量判断系统是否发生故障，若发生故障，则启动故障定位，读取各个微型PMU记录的三相电流信号，利用三相电流信号计算各个节点的暂态零序电流，对暂态零序电流进行处理，计算各个区段的暂态能量，根据各个区段的暂态能量确定故障区段。该发明所利用的故障特征物理含义清晰，对多分支线路的故障区段定位准确度和可靠性高，不需要投入与消弧线圈并联的中电阻或安装信号注入设备。该发明解决了上述缺点一中描述的问题，不需要额外安装设备，但仍采用的是暂态电流，且需要上传信息到主站。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的问题，提供了一种小电流接地系统10kV线路单相接地故障定位方法，能够快速精准定位10kV线路接地故障点，避免非故障区域停电。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种小电流接地系统10kV线路单相接地故障定位方法，其特征在于，它包括下列步骤：
S1：对现有的故障电路K和非故障电路N进行分析，得到故障电路K和非故障电路N的相电流变化量特征；
S2：采集配电网路上的开关的实时电流并上送至配电自动化主站；
S3：对采集到的开关的相电流进行分析，根据相电流变化量特征进行故障定位。
本发明提出了一种基于稳态电流的小电流接地系统10kV线路故障快速定位方法，不需要增加电压、电流采集装置，利用现有的电流采集装置上传主站的信息就可以实现接地故障点的快速精准定位，实用性强；计算量小，计算速度快，减少研判时间；可与变电所的接地选线装置的选线结果互相验证，提升选线准确率。
作为优选，所述的步骤S1中，对现有的故障电路K和非故障电路N进行分析，得到故障电路K和非故障电路N的相电流变化量特征，具体表现为：
S1.1：同一母线的出线依次为1，2，…，N，假设故障发生在线路K上的任意一点f处，故障相为A相，应用对称分量法，对故障线路K上的故障相A单相接地故障进行稳态分析，只保留故障线路K和非故障线路N，得到序网等值电路；
S1.2：分别计算非故障线路N上的三相电流变化值以及故障线路K上的三相电流变化值；
S1.3：根据计算得到的结果判断故障电路和非故障电路的相电流变化量特征。
对称分量法(method of symmetrical components)是电工中分析对称系统不对称运行状态的一种基本方法。广泛应用于三相交流系统参数对称、运行工况不对称的电气量计算。其目的是将一组不对称的ABC量，变换为三组各自对称的三相相量，分别称为正序、负序和零序量。与各序电压、电流量对应，电力系统也分为正序、负序和零序网络。在各序网内按照序电压、电流对称的方式进行分析，之后再合成为实际的ABC量，从而使得不对称故障计算大为简化。
作为优选，步骤S1.1中的序网等值电路包括：
零序网络：为无源网络，是由电力系统零序网络拓扑和元件的零序参数确定的计算网络；故障点零序电势不为零；在零序电势作用下，三相零序网流过零序电流，对应线路元件的电抗为零序电抗，电流经过三倍接地阻抗。
负序网络：为无源网络，是由电力系统负序网络拓扑和元件的负序参数确定的计算网络，故障点负序电势不为零。
正序网络：为有源网络，是由电力系统正序网络拓扑和元件的正序参数确定的计算网络故障点正序电势不为零。
作为优选，步骤S1.2中，非故障线路N上的三相电流变化值为：
Figure BDA0003482450430000041
Figure BDA0003482450430000042
Figure BDA0003482450430000043
其中：
Figure BDA0003482450430000044
Zeq′＝ZK0-Z0Σ(1+ZK0jωCK0)
Figure BDA0003482450430000045
Figure BDA0003482450430000051
Figure BDA0003482450430000052
Figure BDA0003482450430000053
Figure BDA0003482450430000054
式中，ΔINA表示非故障线路N的A相电流变化量，ΔINB表示非故障线路N的B相电流变化量，ΔINC表示非故障线路N的C相电流变化量；IA1、IA2、IA0分别表示故障点处故障分量的正、负、零序电流；Z1∑、Z2∑、Z0∑分别表示以故障点两侧作为端口，其正、负、零序的等效阻抗。由此可得到非故障线路上的电流变化特点。
作为优选，其特征在于，所述的步骤S1.2中，对于故障线路，有：
Figure BDA0003482450430000055
Figure BDA0003482450430000056
Figure BDA0003482450430000057
式中，ΔIKA表示故障线路K的A相电流变化量，ΔIKB表示故障线路K的B相电流变化量，ΔIKC表示故障线路K的C相电流变化量。
由此可得到故障线路上的电流变化特点。在变电所10kV发生单相接地时，通过配电自动化系统中变电所线路三相电流的不平衡度可以确定接地线路，还可以与变电所内的小电流接地选线装置互相验证，确定接地线路。具体验证方法为：1、当变电所的接地选线装置选线正确时，通过该精准定位装置可以定位到故障点，并确认变电所接地选线装置正确性；2、当变电所的接地选线装置选线结果多于1条时，可以通过该装置确认接地线路并定位故障点；3、当变电所接地选线装置选线错误时，由于该装置与变电所选线装置原理不同，可以通过该装置提供正确的选线结果并定位。
作为优选，步骤S1.3中，故障电路和非故障电路的相电流变化量特征为：
1、对于非故障线路N上的三相电流的稳态值，有：
ΔINB＝ΔINC，ΔINA≈ΔINB
由此可得：2个非故障相的相电流变化量近似相等，同时也与故障相的相电流变化量近似相等；
2、对于故障线路K上的相电流的稳态值，有：
ΔIKB＝ΔIKC，ΔIKA＞ΔIKB
由此可得：2个非故障相的相电流变化量近似相等，同时小于故障相的相电流变化量。因此，可以根据上述相电流变化量的2种不同特征进行故障定位。因为变电站的母线下有多条10kV出线，当某段母线的某条线路发生单相(假设为A相)接地时，由于其它线路与发生单相接地故障的线路通过变电站母线连接在一起，所以其它线路的A相电压也会降低，称之为故障相。
作为优选，步骤S3具体表示为：
配网线路上的开关的实时电流会上送配电自动化主站，对故障线路上的开关的相电流进行分析，可以确定故障点。具体表示为，配网线路接地可分为干线接地、分支线接地两类：
1、配网线路为干线接地：若电路1的开关的A相电流幅值大于B、C两相，电路2的开关的A相电流幅值与B、C两相基本相等，则判断接地点位于电路1的开关与电路2的开关之间；
2、配电网为分支线接地：若电路的开关A相电流幅值大于B、C两相，则判断接地点位于电路的开关所在的分支线上。不需要增加电压、电流采集装置，利用现有的电流采集装置上传主站的信息就可以实现接地故障点的快速精准定位，实用性强。
因此，本发明具有如下有益效果：1、不需要增加电压、电流采集装置，利用现有的电流采集装置上传主站的信息就可以实现接地故障点的快速精准定位，实用性强；2、计算量小，计算速度快，减少研判时间；3、可与变电所的接地选线装置的选线结果互相验证，提升选线准确率。
附图说明
图1为本发明方法的具体操作流程图；
图2为小电流系统发生单相接地故障示意图；
图3为本发明正序网络等值电路图；
图4为本发明负序网络等值电路图；
图5为本发明零序网络等值电路图；
图6为小电流接地系统单相接地时相电流变化示意图；
图7为配网线路的联络关系图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1所示的实施例中，可以看到一种小电流接地系统10kV线路单相接地故障定位方法，其操作流程为：步骤一，对现有的故障电路K和非故障电路N进行分析，得到故障电路K和非故障电路N的相电流变化量特征；步骤二，采集配电网路上的开关的实时电流并上送至配电自动化主站；步骤三，对采集到的开关的相电流进行分析，根据相电流变化量特征进行故障定位。本发明不需要增加电压、电流采集装置，利用现有的电流采集装置上传主站的信息就可以实现接地故障点的快速精准定位，实用性强；计算量小，计算速度快，减少研判时间；可与变电所的接地选线装置的选线结果互相验证，提升选线准确率。
下面继续通过具体的例子，进一步说明本发明的技术方案和技术效果。
中性点经消弧线圈接地的小电流系统发生单相接地故障示意如图2所示，同一母线的出线依次为1，2，…，N，假设故障发生在线路K上的任意一点f处，故障相为A相。
应用对称分量法，对线路K上的A相单相接地故障进行稳态分析，只保留故障线路K和非故障线路N，可得到序网等值电路，如图3所示，为正序网络等值电路；如图4所示，为负序网络等值电路；如图5所示，为零序网络等值电路。
故障线路K的A、B、C三相电流变化量分别为ΔIKA、ΔIKB、ΔIKC，正序、负序、零序电流分别为ΔIKA1、ΔIKA2、ΔIKA0；非故障线路N的A、B、C三相电流变化量分别为ΔINA、ΔINB、ΔINC，正序、负序、零序电流分别为ΔINA1、ΔINA2、ΔINA0；故障点处故障分量的正、负、零序电流分别为IA1、IA2、IA0；以故障点两侧作为端口，其正、负、零序等效阻抗分别为Z1∑、Z2∑、Z0∑，故障点接地电阻为Rf。
对于故障线路，有：
Figure BDA0003482450430000091
Figure BDA0003482450430000092
Figure BDA0003482450430000093
其中：
Figure BDA0003482450430000094
可知：ΔIKB＝ΔIKC，ΔIKA＞ΔIKB；
式中，
对于非故障线路，有：
Figure BDA0003482450430000095
Figure BDA0003482450430000096
Figure BDA0003482450430000097
其中：
Zeq′＝ZK0-Z0Σ(1+ZK0jωCK0)
Figure BDA0003482450430000101
Figure BDA0003482450430000102
Figure BDA0003482450430000103
Figure BDA0003482450430000104
Figure BDA0003482450430000105
可知：ΔINB＝ΔINC，ΔINA≈ΔINB。
式中：。
通过以上分析可以得到如下结论：1、对于非故障路径上的相电流的稳态值，2个非故障相的相电流变化量近似相等，同时也与故障相的相电流变化量近似相等。2、对于故障路径上的相电流的稳态值，2个非故障相的相电流变化量近似相等，同时小于故障相的相电流变化量。因此，可以根据上述相电流变化量的2种不同特征进行故障定位。
以变电所10kV母线发生A相单相接地为例，对于三相负荷平衡的10kV配电网，故障路径与非故障路径相电流变化如图6所示。
因此，在变电所10kV发生单相接地时，通过配电自动化系统中变电所线路三相电流的不平衡度可以确定接地线路，并与变电所内的小电流接地选线装置互相验证，确定接地线路。
进一步的，配网线路上的开关的实时电流会上送配电自动化主站，对故障线路上的开关的相电流进行分析，可以确定故障点，配网线路接地可分为干线接地、分支线接地两类，配网线路的联络关系如图7所示。
①干线接地，当101环网柜02开关与102环网柜01开关之间接地时，101环网柜02开关的A相电流幅值大于B、C两相，而102开关环网柜01开关的A相电流幅值与B、C两相基本相等，则判断接地点位于101环网柜02开关与102环网柜01开关之间。
②当102环网柜21开关所在的分支线接地时，102环网柜12开关A相电流幅值大于B、C两相，则判断接地点位于102环网柜21开关所在的分支线上。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (7)

1.一种小电流接地系统10kV线路单相接地故障定位方法，其特征在于，它包括下列步骤：
S1：对现有的故障电路K和非故障电路N进行分析，得到故障电路K和非故障电路N的相电流变化量特征；
S2：采集配电网路上的开关的实时电流并上送至配电自动化主站；
S3：对采集到的开关的相电流进行分析，根据相电流变化量特征进行故障定位。
2.根据权利要求1所述的一种小电流接地系统10kV线路单相接地故障定位方法，其特征在于，所述的步骤S1进一步表示为：
S1.1：应用对称分量法，对故障线路K上的故障相A单相接地故障进行稳态分析，得到序网等值电路；
S1.2：分别计算非故障线路N上的三相电流变化值以及故障线路K上的三相电流变化值；
S1.3：根据计算得到的结果判断故障电路和非故障电路的相电流变化量特征。
3.根据权利要求2所述的一种小电流接地系统10kV线路单相接地故障定位方法，其特征在于，所述的步骤S1.1中，序网等值电路包括：正序网络、负序网络以及零序网络。
4.根据权利要求3所述的一种小电流接地系统10kV线路单相接地故障定位方法，其特征在于，所述的步骤S1.2中，计算非故障线路N上的三相电流变化值：
对于非故障线路，有：
A相电流变化量：
Figure FDA0003482450420000021
B相电流变化量：
Figure FDA0003482450420000022
C相电流变化量：
Figure FDA0003482450420000023
其中：
Figure FDA0003482450420000024
Zeq′＝ZK0-Z0Σ(1+ZK0jωCK0)
Figure FDA0003482450420000025
Figure FDA0003482450420000026
Figure FDA0003482450420000027
Figure FDA0003482450420000028
Figure FDA0003482450420000029
式中，ΔINA、ΔINB、ΔINC分别表示非故障线路N的A、B、C三相电流变化量；IA1、IA2、IA0分别表示故障点处故障分量的正、负、零序电流；Z1∑、Z2∑、Z0∑分别表示以故障点两侧作为端口，其正、负、零序的等效阻抗；Zeq表示故障线路K的正序、负序等效阻抗；Zeq′表示故障线路K的零序等效阻抗；ZeqN表示非故障线路N的正序、负序等效阻抗；ZeqN′表示非故障线路N的零序等效阻抗；ZN表示非故障线路N的正序阻抗；ZfN表示非故障线路N的接地阻抗；ZN0表示非故障线路N的零序阻抗；Z表示电源的等效阻抗；ZK表示故障线路K的正序阻抗；ZK0表示故障线路K的零序阻抗；ZfK表示故障线路K的接地阻抗；CN表示非故障线路N对地正序电容；CK表示故障线路K对地正序电容；CN0表示非故障线路N对地零序电容；CK0表示故障线路K对地零序电容。
5.根据权利要求3或4所述的一种小电流接地系统10kV线路单相接地故障定位方法，其特征在于，所述的步骤S1.2中，计算故障线路K上的三相电流变化值：
对于故障线路，有：
A相电流变化量：
Figure FDA0003482450420000031
B相电流变化量：
Figure FDA0003482450420000032
C相电流变化量：
Figure FDA0003482450420000041
式中，ΔIKA、ΔIKB、ΔIKC分别表示故障线路K的A、B、C三相电流变化量。
6.根据权利要求5所述的一种小电流接地系统10kV线路单相接地故障定位方法，其特征在于，所述的步骤S1.3中，得到故障电路和非故障电路的相电流变化量特征为：
对于非故障线路N上的三相电流的稳态值，2个非故障相的相电流变化量近似相等，同时也与故障相的相电流变化量近似相等；对于故障线路K上的相电流的稳态值，2个非故障相的相电流变化量近似相等，同时小于故障相的相电流变化量。
7.根据权利要求1所述的一种小电流接地系统10kV线路单相接地故障定位方法，其特征在于，所述的步骤S3进一步包括：
配网线路为干线接地：若电路1的开关的A相电流幅值大于B、C两相，电路2的开关的A相电流幅值与B、C两相基本相等，则判断接地点位于电路1的开关与电路2的开关之间；
配电网为分支线接地：若电路的开关A相电流幅值大于B、C两相，则判断接地点位于电路的开关所在的分支线上。
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CN115356589A (zh) * 2022-08-18 2022-11-18 国家电网有限公司 基于电流正序故障的单相接地故障区段定位方法及系统
CN115356589B (zh) * 2022-08-18 2023-10-31 国家电网有限公司 基于电流正序故障的单相接地故障区段定位方法及系统

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