CN1154218C - 小电流接地系统单相接地保护方法 - Google Patents

Abstract

一种小电流接地系统单相接地保护方法，它利用任意两相电流的工频变化量的差值与另外一相电流的工频变化量(或一个定值)进行比较构成小电流接地系统的单相接地保护，这种方法无须考虑出线元件的对地电容参数来进行整定，具有判别能力强、灵敏度高、可靠性高的特点，它既可以用于中性点不接地系统单相接地故障的保护，也可以用于消弧线圈接地系统中单相接地故障的保护，还可以用于发电机定子绕组的单相接地保护。

Description

小电流接地系统单相接地保护方法

本发明涉及电力系统继电保护领域，系特指一种小电流接地系统单相接地保护方法。

在电力系统中，小电流接地系统应用最为广泛，10KV～35KV电压等级的电网都属于小电流接地系统，小电流接地系统又分为两类：一类为中性点不接地系统；另一类为消弧线圈接地系统。在小电流接地系统中发生单相接地的故障率较高，而目前在小电流系统中发生单相接地的故障时，一直没有一个很好的办法来准确判断发生单相接地故障的位置。目前在中性点不接地系统中普遍采用零序电流来构成选择性的单相接地保护。当中性点不接地电网发生单相接地故障时，非故障元件的零序电流为本身对地电容电流，而故障元件的零序电流为所有非故障元件对地电容电流的总和，其值相对较大。零序电流保护就是利用这个特点来区分故障元件与非故障元件，这两种保护方法的缺点是当电网中出线元件较少时，非故障元件的对地电容电流的总和比故障元件本身对地电容电流大得不多，因此该保护的可靠性不高，容易出现误判。而在消弧线圈接地系统中普遍采用反应暂态电流或反应谐波分量来构成具有选择性的单相接地保护。然而这种保护也都有一定的局限性和缺点，对于反应暂态电流的单相接地保护，如果在相电压瞬时值过零点附近发生故障，保护的灵敏度很低，甚至根本不能反应。对于反应谐波分量的单相接地保护，由于谐波分量的大小与电网结构、运行方式、故障处的过渡电阻等诸多因素有关，保护的灵敏度不能得到有效保证。

本发明的目的是提供一种判别能力强、灵敏度高的小电流接地系统单相接地保护方法。

为实现上述目的，本发明采用的方法是：从三相电网中采样得到各相电流，将各相电流延时后与其自身相减得到各相电流的工频变化量，再以任意两相电流工频变化量的差值与另外一相电流工频变化量的α倍(或一个定值)比较，由比较器输出保护控制信号，确定故障元件起动保护，对于中性点不接地系统，倍乘系数α可取为1，对于经消弧线圈接地系统，倍乘系数α可取为2p。

本发明利用相间电流工频变化量比较确定故障元件和非故障元件构成的小电流接地系统中单相接地保护方法具有判别能力强、灵敏度高、可靠性高的特点，无须考虑出线元件的对地电容参数来进行整定，这种方法既可以用于中性点不接地系统单相接地故障的保护，也可以用于消弧线圈接地系统中单相接地故障的保护，还可以用于发电机定子绕组的单相接地保护。

下面结合附图对本发明作进一步描述，附图中：

图1是中性点不接地电网正常时电容电流分布。

图2是中性点不接地电网单相接地故障时电容电流分布。

图3是经消弧线圈接地电网正常时电容电流分布。

图4是经消弧线圈接地电网单相接地故障时电容及电感电流分布。

图5是相间工频变化量比较法单相接地保护的构成框图。

图6是相间工频变化量比较法发电机定子单相接地保护的构成框图。

图1显示的是中性点不接地系统电网正常时电容电流分布，线路I与线路II的各相对地电容分别用集中参数C_I、C_II表示。

则正常运行时各相电容电流分别为：

线路I：  ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}\left(0\right)}=\mathrm{j\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_A$

         ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BI}\left(0\right)}=\mathrm{j\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_B$

         ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CI}\left(0\right)}=\mathrm{j\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_C$

线路II： ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AII}\left(0\right)}=\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_A$

         ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BII}\left(0\right)}=\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_B$

         ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CII}\left(0\right)}=\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_C$

假设线路II的A相接地，故障时各相电容电流分布如图2所示，则故障时各相电容电流分别为：

线路I(非故障元件)：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}}=\mathrm{j\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AD}}=\mathrm{j\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_A-\mathrm{j\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_A=0$

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BI}}=\mathrm{j\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{BD}}=\mathrm{j\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_B-\mathrm{j\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_A=0$

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CI}}=\mathrm{j\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CD}}=\mathrm{j\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_C-\mathrm{j\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_A$

线路II(故障元件)：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AII}}=-({\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BII}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CII}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BI}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CI}})=j3\mathrm{\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_A+j3\mathrm{\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_A$

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BII}}=\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{BD}}=\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_B-\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_A$

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CII}}=\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CD}}=\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_C-\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_A$

因此各相电容电流的工频变化量分别为：线路I(非故障元件)：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}\left(0\right)}=-\mathrm{j\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_A$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BI}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BI}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BI}\left(0\right)}=-\mathrm{j\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_A$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CI}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CI}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CI}\left(0\right)}=-\mathrm{j\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_A$

线路II(故障元件)：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AII}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AII}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AII}\left(0\right)}=j2\mathrm{\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_A+j3\mathrm{\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_A$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BII}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BII}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BII}\left(0\right)}=-\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_A$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CII}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CII}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CII}\left(0\right)}=-\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_A$

因此任意两相电容电流的工频变化量的相量差为：线路I：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}}-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BI}}=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CI}}-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BI}}=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CI}}-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}}=0$

线路II：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AII}}-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BII}}=j3\mathrm{\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_A+j3\mathrm{\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_A$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BII}}-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CII}}=0$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CII}}-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AII}}=-j3\mathrm{\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_A-j3\mathrm{\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_A$

从上述分析可知，在中性点不接地系统中非故障元件的任意两相电容电流的工频变化量的相量差为零，故障元件的非故障相之间的电容电流的工频变化量的相量差也为零，而故障元件的故障相与非故障相的电容电流的工频变化量的相量差即使是在C_I很小(即出线较少)的情况下也能达到故障元件非故障相电容电流的工频变化量(-jωC_IIU_A)的3倍以上。

经消弧线圈接地系统中电网正常时和单相接地故障时电容及电感电流的分布分别如图3、图4显示，按上述相同的分析，我们可以得到各相电容电感电流的工频变化量分别为：

线路I：                     线路II：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}}=-\mathrm{j\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_A$ $\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}}=-p(j3\mathrm{\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_A+j3\mathrm{\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_A)-\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_A$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BI}}=-\mathrm{j\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_A$ $\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{BII}}=-\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_A$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CI}}=-\mathrm{j\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_A$ $\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{CII}}=-\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_A$

上述式中p的为过补偿度，一般取5％～10％。任意两相电容电感电流的工频变化量的相量差为：线路I：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}}-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BI}}=0$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BI}}-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CI}}=0$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CI}}-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}}=0.$

线路II：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}}-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BII}}=-p(j3\mathrm{\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_A+j3\mathrm{\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_A)$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AII}}-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CII}}=-p(j3\mathrm{\ω}{C}_{\mathrm{II}}{\stackrel{\·}{U}}_A+j3\mathrm{\ω}{C}_I{\stackrel{\·}{U}}_A)$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BII}}-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CII}}=0.$

从上述分析可知，经消弧线圈接地系统中非故障元件的任意两相电容电感电流的工频变化量的相量差为零，故障元件的非故障相之间的电容电流的工频变化量的相量差为零，而故障元件的故障相与非故障相的电容电感电流的工频变化量的相量差即使是在C_I很小(即出线较少)的情况下也能达到本故障元件非故障相电容电感电流工频变化量(-jωC_IIU_A)的3p倍以上。

综上所述，不论是中性点不接地系统还是经消弧线圈接地系统，非故障元件的任意两相电容电感电流的工频变化量的相量差为零，故障元件的非故障相之间的电容电流的工频变化量的相量差为零，而故障元件的故障相与非故障相的电容电感电流的工频变化量的相量差即使是在C_I很小(即出线较少)的情况下也比本故障元件非故障相电容电感电流工频变化量大很多。因此将任意两相电容(或电容电感)电流的工频变化量的差值与其中一相电流的工频变化量(或一个定值)进行比较即可构成小电流接地系统的单相接地保护。

在实际电网中，各相电流除了电容电感电流以外还包含负荷电流，但由于各相负荷电流在单相接地故障前后并不发生变化，因此各相电流的工频变化量就是各相电容(或电容电感)电流的工频变化量，因而电网中各相电容(或电容电感)电流的工频变化量可用下述方法采样得到：用电流互感器采样得到各相电流，再将各相电流延时后与其自身相减，即可得到各相电容电感电流的工频变化量。

图5显示的即为利用相间工频变化量比较法构成单相接地保护的框图。从各相电流互感器(图中未示出)获得各相电流I_A、I_B、I_C分别经延时器延时后再与其自身相减得到各相电流的工频变化量，再取任意两相电流的工频变化量相减，从减法器输出两相电流工频变化量的差值送到比较器与来自另外一相电流的工频变化量(或一个定值)进行比较，比较器输出保护控制信号。当本元件为非故障元件时，此时各相电流的工频变化量均相同任意两相电流工频变化量的差均为零，比较器无输出，保护不动作。当本元件为故障元件时，故障相与非故障相工频变化量的差至少是非故障相电流工频变化量的3倍(中性点不接地系统)或3p倍(消弧线圈接地系统)，比较器有输出，保护控制动作。

相间工频变化量比较法也可以用于发电机定子绕组单相接地保护，图6即为用相间工频变化量比较法构成的发电机定子绕组单相接地保护框图。这里

为发电机出口侧的各相电流，

为中性点各相电流，将出口侧和中性点同相电流相减，将此差值延时后再与此差值相减，得到各相电流的工频变化量，再将任意两相电流的工频变化相减，将其差值与另外一相电流的工频变化量比较，即可构成反映发电机定子绕组单相接地故障的具有选择性的相间工频变化量保护。

相间工频变化量比较法单相接地保护经模拟动态实验室测试，在只有一条出线的中性点不接地的模拟电网中，当单相接地点设置在该条出线上，接地相的电流变化量为非接地相电流变化量的2.3倍；而当接地点设置在出线前的母线上时，接地相的电流变化量是非接地相的1.02倍。该测试结果很好地验证了相间工频变化量比较法的正确性，这种方法能够很好地区分小电流接地系统中单相接地时的故障元件和非故障元件，具有较高的灵敏度和可靠性。

Claims (2)

1、一种小电流接地系统单相接地保护方法，是从三相电网中各相电流互感器采样得到各相电流，其特征在于：将各相电流延时后与其自身相减得到各相电流的工频变化量，再以任意两相电流工频变化量的差值与一个定值比较，由比较器输出保护控制信号，确定故障元件，起动保护。

2、根据权利要求1所述的保护方法，其特征所述的一个定值是另外一相电流的工频变化量的α倍，对于中性点不接地系统，α可取为1，对于消弧线圈接地系统，α可取为过补偿度p的两倍。

Images