CN115360683B - 一种中性点不接地系统的单相接地故障的保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种中性点不接地系统的单相接地故障的保护方法，包括以下步骤：步骤1：持续测量中性点不接地系统中各个变电所的进线开关、出线开关和馈线开关处的零序电流；步骤2：各个开关处的零序电流的值和方向满足条件后，零序电流保护启动；步骤3：零序电流保护启动情况满足条件后，开关的保护装置启动零序电流保护动作。本发明对环网供电系统拓扑结构中各区段电缆及母线发生单相接地故障时电容电流的大小和方向分析，通过比对和分析，确定了每个区段电缆及母线故障时进线、出线及馈线的电容电流的大小和方向特征，并将相应的特征参数提供给对应开关，进行逻辑判断，并最终确定故障区段，完成故障的快速、准确切除。

Description

一种中性点不接地系统的单相接地故障的保护方法
技术领域
本发明属于城市轨道交通交流供电中性点不接地系统保护领域，特别涉及一种中性点不接地系统的单相接地故障的保护方法。
背景技术
目前国内轨道交通供电系统全部采用电缆供电，系统中的容性电流相对较大，发生单相接地故障时一般不允许继续运行，因此城市轨道交通供电系统的外接电源也一般为小电阻接地系统。但是在部分地区外接电源条件有限，只能提供中性点不接地的交流电源。而中性点不接地系统，一般是为单相接地故障电容电流不大于10A的钢筋混凝土杆或金属杆塔的架空线路供电，对于容性电流相对较大的城市轨道交通供电系统这种电缆线路而言并不适合。在中性点不接地系统中，当轨道交通供电系统内部发生单相接地故障时，流过短路点的零序电流为所有线路的非故障相对地电容电流之和，而流过各开关的零序电流与故障点位置有关。对于电源至故障点之外的开关，流经的零序电流为负荷方向的各对应电缆的非故障相之和；而对于电源至故障点之间的开关，流经的零序电流则为电源至开关之间对应电缆和其它供电分区电缆的非故障相之和。单纯依靠检测单相短路电流大小可能无法准确、快速、可靠地判断并切除故障线路，致使系统中产生弧光接地过电压，危害整个供电系统设备的安全可靠性，影响到列车运行以及城市电网中的其他用电负荷。
现有国内城市轨道交通供电系统中，出现外接的中性点不接地电源，通常采用采集零序电压方式，在发生单相接地故障时，发出报警信号。但报警信息只能提供系统中发生了单相接地故障，而无法明确故障发生的具体位置，更无法做到故障的准确切除。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种中性点不接地系统的单相接地故障的保护方法，对环网供电系统拓扑结构中各区段电缆及母线发生单相接地故障时电容电流的大小和方向分析，通过比对和分析，确定了每个区段电缆及母线故障时进线、出线及馈线的电容电流的大小和方向特征，并将相应的特征参数提供给对应开关，进行逻辑判断，并最终确定故障区段，完成故障的快速、准确切除。
本发明采用的技术方案是：一种中性点不接地系统的单相接地故障的保护方法，包括以下步骤：
步骤1：持续测量中性点不接地系统中各个变电所的进线开关、出线开关和馈线开关处的零序电流；
步骤2：进线开关处的零序电流达到零序电流保护定值且方向为正时，该进线开关零序电流保护启动；
出线开关处的零序电流达到零序电流保护定值且方向为负时，该出线开关零序电流保护启动；
馈线开关处的零序电流达到零序电流保护定值且方向为负时，该馈线开关零序电流保护启动；
其中，零序电流流出母线为正，流入母线为负方向；
步骤3：进线开关零序电流保护启动、同母线出线开关零序电流保护未启动且同母线馈线开关零序电流保护未启动时，该进线开关的保护装置的零序电流保护出口动作；
出线开关零序电流保护启动且对侧进线开关零序电流保护未启动时，该出线开关的保护装置的零序电流保护动作；
馈线开关零序电流保护启动时，该馈线开关的保护装置的零序电流保护动作。
进一步的，步骤2中，进线开关零序电流保护启动时，该进线开关的保护装置向线路对侧出线开关的保护装置发送零序电流保护启动信号；
出线开关零序电流保护启动时，该出线开关的保护装置向同母线进线开关的保护装置发送零序电流保护启动信号；
馈线开关零序电流保护启动时，该馈线开关的保护装置向同母线进线开关的保护装置发送零序电流保护启动信号；
步骤3中，保护装置根据接收到的零序电流保护启动信号以及根据保护设定值和方向而判断出的零序电流保护启动信号，经逻辑判断后启动对应开关的零序电流保护出口。
进一步的，步骤3中，保护装置经时延T后，启动零序电流保护动作，所述零序电流保护动作为开关跳闸。
进一步的，步骤1中，零序电流由电流互感器测量。
进一步的，步骤2中，I本0＜ (I总0-I本0) 时，零序电流保护定值I定值为I本0＜I定值＜(I总0-I本0)；其中，I总0为发生单相接地故障时同一主所的所有线路电容电流之和，I本0为发生单相接地故障时本线路电容电流，当I0为正常运行时本线路的电容电流时，I本0=3I0。
(I总0-I本0) ＜ I本0时，由于有方向判据，可忽略大于I本0的条件，零序电流保护定值I定值为I定值＜(I总0-I本0)。
发生短路故障时，故障点至电源之间的电流互感器都会检测到与正常方式时电容电流方向相反的零序电流。例如：故障相C相接地后，非故障相A、B的相电压增加
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倍，由此电流互感器测得的零序电流为正常运行时线路中流经的电容电流I0的3倍。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：本发明分析各个变电所的进线开关、出线开关和馈线开关处的零序电流的大小和方向，进行逻辑判断，确定故障区段，完成故障的快速、准确切除，能够准确地判断出故障区段，实现保护的选择性，有效解决中性点不接地电源接入长大电缆系统的单相接地问题。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图；
图2为现有技术中城市轨道交通中性点不接地系统正常供电方式下对地电容电流分布示意图；
图3为本发明实施例的城市轨道交通中性点不接地系统其它供电分区单相接地故障时各开关流经的零序电流示意图；
图4为本发明实施例的城市轨道交通中性点不接地系统馈线电缆单相接地故障时各开关流经的零序电流示意图；
图5为本发明实施例的城市轨道交通中性点环网电缆单相接地故障时各开关流经的零序电流示意图；
图6为本发明实施例的城市轨道交通中性点母线单相接地故障时各开关流经的零序电流示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
本发明的实施例提供了一种中性点不接地系统的单相接地故障的保护方法，如图1所示，其包括以下步骤：
步骤1：电流互感器持续测量中性点不接地系统中各个变电所的进线开关、出线开关和馈线开关处的零序电流。
步骤2：进线开关处的零序电流达到零序电流保护定值且方向为正时，该进线开关零序电流保护启动；该进线开关的保护装置向线路对侧出线开关的保护装置发送零序电流保护启动信号；
出线开关处的零序电流达到零序电流保护定值且方向为负时，该出线开关零序电流保护启动；该出线开关的保护装置向同母线进线开关的保护装置发送零序电流保护启动信号；
馈线开关处的零序电流达到零序电流保护定值且方向为负时，该馈线开关零序电流保护启动；该馈线开关的保护装置向同母线进线开关的保护装置发送零序电流保护启动信号。
其中，零序电流流出母线为正，流入母线为负方向。I本0＜ (I总0-I本0) 时，零序电流保护定值I定值为I本0＜I定值＜ (I总0-I本0)；其中，I总0为发生单相接地故障时同一主所的所有线路电容电流之和，I本0为发生单相接地故障时本线路电容电流；
(I总0-I本0) ＜ I本0时，由于有方向判据，可忽略大于I本0的条件，零序电流保护定值I定值为I定值＜(I总0-I本0)。
步骤3：保护装置根据接收到的零序电流保护启动信号以及根据保护设定值和方向而判断出的零序电流保护启动信号，经逻辑判断后启动对应开关的零序电流保护出口。
进线开关零序电流保护启动、同母线出线开关零序电流保护未启动且同母线馈线开关零序电流保护未启动时，经时延T后，该进线开关的保护装置的零序电流保护出口动作，进线开关跳闸。时延T可为0.05-0.2秒。
本侧出线开关零序电流保护启动且对侧进线开关零序电流保护未启动时，经时延T后，该出线开关的保护装置的零序电流保护出口动作，出线开关跳闸；
馈线开关零序电流保护启动时，经时延T后，该馈线开关的保护装置的零序电流保护出口动作，馈线开关跳闸。
在城市轨道交通供电系统中，大多采用环网电缆链式供电方式，正常供电方式下，各环网电缆中存在对地电容电流。城市轨道交通中性点不接地系统正常供电方式下对地电容电流分布如图2所示，图2中，变电所0同时为供电分区1和供电分区2供电。供电分区1中的3个变电所，分别是变电所11、变电所12、变电所13，其中变电所11、变电所13为包括1路馈线的降压变电所，变电所12为包括2路馈线的牵引降压混合变电所。图2中还示意的画出了供电分区2的变电所21。常规的，变电所内与母线相连的进线上均设置了进线开关，与母线相连的出线上均设置了出线开关，与母线相连的馈线上均设置了馈线开关。例如：变电所11内设置进线开关111、出线开关112和馈线开关113。进线开关、出线开关和馈线开关处均设置电流互感器和保护装置，保护装置与电流互感器和开关的跳闸控制回路连接。
现结合图2所示的城市轨道交通中性点不接地系统，说明本保护方法在其它供电分区、馈线电缆、环网电缆以及母线单相接地故障时的保护过程。单相接地故障均为故障相C相接地。
1.其它供电分区单相接地故障
如图3所示，其它供电分区2的C相接地。供电分区1各开关流经的零序电流均由电源流向负荷，即流经进线开关的零序电流方向为负，流经出线开关、馈线开关的零序电流方向为正，故无零序保护启动，本供电分区1的开关均不跳闸。
2. 馈线电缆单相接地故障
如图4所示，变电所12中，馈线开关123与负载间的电缆123发生C相接地故障，
零序电流保护启动：
故障处的零序电流应为Ia200+Ib200+ Ia100+Ib100+ Ia112+Ib112+ Ia113+Ib113+ Ia122+Ib122+ Ia123+Ib123+ Ia124+Ib124+ Ia133+Ib133。通过电流互感器可以检测出：出线开关100的零序电流为-（Ia200+Ib200）,进线开关111的零序电流为-（Ia200+Ib200+ Ia100+Ib100），出线开关112的零序电流为-（Ia200+Ib200+ Ia100+Ib100 + Ia113+Ib113），进线开关121的零序电流为-（Ia200+Ib200+ Ia100+Ib100+ Ia112+Ib112+ Ia113+Ib113），馈线开关123的零序电流为-（Ia200+Ib200+ Ia100+Ib100+ Ia112+Ib112+ Ia113+Ib113+ Ia122+Ib122+ Ia124+Ib124+ Ia133+Ib133）。出线开关100、进线开关111、出线开关112、进线开关121和馈线开关123满足零序电流保护启动条件。
出线开关100的零序电流保护启动，由于出线开关100属于主所，主所母线故障不建议参与本逻辑，因此，出线开关100的保护装置无需发送零序电流保护启动信号；
进线开关111的零序电流保护启动，进线开关111的保护装置向线路对侧的出线开关100的保护装置发送零序电流保护启动信号；
出线开关112的零序电流保护启动，出线开关112的保护装置向同母线的进线开关111的保护装置发送零序电流保护启动信号；
进线开关121的零序电流保护启动，进线开关121的保护装置向线路对侧的出线开关112的保护装置发送零序电流保护启动信号；
馈线开关123的零序电流保护启动，馈线开关123的保护装置向同母线的进线开关121的保护装置发送零序电流保护启动信号。
开关跳闸逻辑判断：
对于出线开关100，本侧出线开关100的零序电流保护启动、对侧进线开关111的零序电流保护启动，不满足环网电缆故障跳闸逻辑；
对于进线开关111，同母线进线开关111的零序电流保护启动、同母线出线开关112的零序电流保护启动、同母线馈线开关113的零序电流保护未启动，不满足母线故障跳闸逻辑；
对于出线开关112，本侧出线开关112的零序电流保护启动、对侧进线开关121的零序电流保护启动，不满足环网电缆故障跳闸逻辑；
对于进线开关121，同母线进线开关121的零序电流保护启动、同母线出线开关122的零序电流保护未启动、同母线馈线开关123的零序电流保护启动、同母线馈线开关124的零序电流保护未启动，不满足母线故障跳闸逻辑；
对于馈线开关123，馈线开关123的零序电流保护启动，满足馈线电缆故障跳闸逻辑。
因此，只有供电分区1的变电所12的馈线开关123满足跳闸逻辑，正确跳闸。其余零序保护启动的开关不跳闸。
3. 环网电缆单相接地故障
如图5所示，变电所11的出线开关112与变电所12的进线开关121之间的电缆112发生C相接地故障。
零序电流保护启动：
故障处的零序电流应为Ia200+Ib200+ Ia100+Ib100+ Ia112+Ib112+ Ia113+Ib113+ Ia122+Ib122+ Ia123+Ib123+ Ia124+Ib124+ Ia133+Ib133。通过电流互感器可以检测出：出线开关100的零序电流为-（Ia200+Ib200）,进线开关111的零序电流为-（Ia200+Ib200+ Ia100+Ib100），出线开关112的零序电流为-（Ia200+Ib200+ Ia100+Ib100 + Ia113+Ib113）。出线开关100、进线开关111和出线开关112满足零序电流保护启动条件。
出线开关100的零序电流保护启动，由于出线开关100属于主所，主所母线故障不建议参与本逻辑，因此，出线开关100的保护装置无需发送零序电流保护启动信号；
进线开关111的零序电流保护启动，进线开关111的保护装置向线路对侧的出线开关100的保护装置发送零序电流保护启动信号；
出线开关112的零序电流保护启动，出线开关112的保护装置向同母线的进线开关111的保护装置发送零序电流保护启动信号。
开关跳闸逻辑判断：
对于出线开关100，本侧出线开关100的零序电流保护启动、对侧进线开关111的零序电流保护启动，不满足环网电缆故障跳闸逻辑；
对于进线开关111，同母线进线开关111的零序电流保护启动、同母线出线开关112的零序电流保护启动、同母线馈线开关113的零序电流保护未启动，不满足母线故障跳闸逻辑；
对于出线开关112，本侧出线开关112的零序电流保护启动、对侧进线开关121的零序电流保护未启动，满足环网电缆故障跳闸逻辑。
因此，只有供电分区1的变电所11的出线开关112满足跳闸逻辑，正确跳闸。其余零序保护启动的开关不跳闸。
4. 母线单相接地故障
如图6所示，变电所12的母线发生C相接地故障。
零序电流保护启动：
故障处的零序电流应为Ia200+Ib200+ Ia100+Ib100+ Ia112+Ib112+ Ia113+Ib113+ Ia122+Ib122+ Ia123+Ib123+ Ia124+Ib124+ Ia133+Ib133。通过电流互感器可以检测出：出线开关100的零序电流为-（Ia200+Ib200）,进线开关111的零序电流为-（Ia200+Ib200+ Ia100+Ib100），出线开关112的零序电流为-（Ia200+Ib200+ Ia100+Ib100 + Ia113+Ib113），进线开关121的零序电流为-（Ia200+Ib200+ Ia100+Ib100+ Ia112+Ib112+ Ia113+Ib113）。出线开关100、进线开关111、出线开关112和进线开关121满足零序电流保护启动条件。
出线开关100的零序电流保护启动，由于出线开关100属于主所，主所母线故障不建议参与本逻辑，因此，出线开关100的保护装置无需发送零序电流保护启动信号；
进线开关111的零序电流保护启动，进线开关111的保护装置向线路对侧的出线开关100的保护装置发送零序电流保护启动信号；
出线开关112的零序电流保护启动，出线开关112的保护装置向同母线的进线开关111的保护装置发送零序电流保护启动信号；
进线开关121的零序电流保护启动，进线开关121的保护装置向线路对侧的出线开关112的保护装置发送零序电流保护启动信号。
开关跳闸逻辑判断：
对于出线开关100，本侧出线开关100的零序电流保护启动、对侧进线开关111的零序电流保护启动，不满足环网电缆故障跳闸逻辑；
对于进线开关111，同母线进线开关111的零序电流保护启动、同母线出线开关112的零序电流保护启动、同母线馈线开关113的零序电流保护未启动，不满足母线故障跳闸逻辑；
对于出线开关112，本侧出线开关112的零序电流保护启动、对侧进线开关121的零序电流保护启动，不满足环网电缆故障跳闸逻辑；
对于进线开关121，同母线进线开关121的零序电流保护启动、同母线出线开关122的零序电流保护未启动、同母线馈线开关123的零序电流保护未启动、同母线馈线开关124的零序电流保护未启动，满足跳闸逻辑。
因此，只有供电分区1的变电所12的进线开关121满足跳闸逻辑，正确跳闸。其余零序保护启动的开关不跳闸。
以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。

Claims (5)

1.一种中性点不接地系统的单相接地故障的保护方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：持续测量中性点不接地系统中各个变电所的进线开关、出线开关和馈线开关处的零序电流；
步骤2：进线开关处的零序电流达到零序电流保护定值且方向为正时，该进线开关零序电流保护启动；
出线开关处的零序电流达到零序电流保护定值且方向为负时，该出线开关零序电流保护启动；
馈线开关处的零序电流达到零序电流保护定值且方向为负时，该馈线开关零序电流保护启动；
其中，零序电流流出母线为正，流入母线为负方向；
步骤3：进线开关零序电流保护启动、同母线出线开关零序电流保护未启动且同母线馈线开关零序电流保护未启动时，该进线开关的保护装置的零序电流保护出口动作；
出线开关零序电流保护启动且对侧进线开关零序电流保护未启动时，该出线开关的保护装置的零序电流保护出口动作；
馈线开关零序电流保护启动时，该馈线开关的保护装置的零序电流保护出口动作。
2.如权利要求1所述的中性点不接地系统的单相接地故障的保护方法，其特征在于：步骤2中，进线开关零序电流保护启动时，该进线开关的保护装置向线路对侧出线开关的保护装置发送零序电流保护启动信号；
出线开关零序电流保护启动时，该出线开关的保护装置向同母线进线开关的保护装置发送零序电流保护启动信号；
馈线开关零序电流保护启动时，该馈线开关的保护装置向同母线进线开关的保护装置发送零序电流保护启动信号；
步骤3中，保护装置根据接收到的零序电流保护启动信号以及根据保护设定值和方向而判断出的零序电流保护启动信号，经逻辑判断后启动对应开关的零序电流保护出口。
3.如权利要求1所述的中性点不接地系统的单相接地故障的保护方法，其特征在于：步骤3中，保护装置经时延T后，启动零序电流保护动作，所述零序电流保护动作为开关跳闸。
4.如权利要求1所述的中性点不接地系统的单相接地故障的保护方法，其特征在于：步骤1中，零序电流由电流互感器测量。
5.如权利要求1所述的中性点不接地系统的单相接地故障的保护方法，其特征在于：步骤2中，
I本0＜ (I总0-I本0) 时，零序电流保护定值I定值为I本0＜I定值＜(I总0-I本0)；
(I总0-I本0) ≤ I本0时，零序电流保护定值I定值为I定值＜(I总0-I本0)；
其中， I总0为发生单相接地故障时同一主所的所有线路电容电流之和，I本0为发生单相接地故障时本线路电容电流。
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