CN117060347A - 基于线路三相电流变化的单相接地判断保护方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于线路三相电流变化的单相接地判断保护方法和装置，所述方法为：当判断到线路三相电流变化超过设定值时，利用矢量运算得到三相电流的增量，将增量最大值与增量中间值相减的差值、再除以增量最大值，获得不平衡度，如果不平衡度大于设定阈值，则判断线路三相电流测量端的后端位置发生了界内单相接地故障，接地相别为电流增量最大的那一相。所述装置包括：微机测控装置和三相电流互感器，所述微机测控装置包括电流采样模块、单片机和继电器输出控制模块。本发明适用于中性点不接地、中性点经消弧线圈和中性点经小电阻接地系统，能够准确判断出各种接地故障类型特别是高阻接地故障，提高电网运行的可靠性和安全性。

Description

基于线路三相电流变化的单相接地判断保护方法和装置
技术领域
本发明属于电力系统继电保护技术领域，涉及一种基于线路三相电流变化的单相接地判断保护方法和装置，具体说是一种基于线路三相电流变化，选出单相接地故障界内故障线路区段和故障相的判断保护方法和装置，具有准确判别各种接地故障尤其是高阻接地故障的技术优势，可用于馈线分支节点或终端，及时选线定段跳闸隔离故障，保障主干线正常运行，还可以用于母线接地故障定段告警。
背景技术
在电力系统中，单相接地故障在配电线路的故障中占比在80％以上。我国配电网系统中性点大多都采用不接地或经消弧线圈接地的小电流接地方式，当发生单相接地故障时，由于故障电流较小，三相线电压仍保持对称，所以允许带故障运行一段时间。但是，随着电网的扩容和电缆线路的增加，系统的电容电流越来越大，长时间带单相接地故障状态运行，过电压会造成其他绝缘薄弱处异相接地或相间短路，致使故障扩大为重大事故。因此，国家近年颁布的配电网技术导则，明确对单相接地处理的原则是：在躲过瞬时接地故障后，快速就近隔离故障原则，即由“2小时运行+接地选线”改为“选段跳闸”，而对单相接地故障准确选相选线和定段是实现“快速就近隔离故障原则”的必要前提，这关系到供电可靠性和安全性，以及电网智能化的实现。
目前，单相接地故障的选相主要依据相电压变化来判断，选线主要采集馈线零序电流，利用零序有功、零序无功、零序电流暂态变化等方法。采用相电压来判断接地故障相具有一定的不足：一般来说，当接地过渡电阻较低时，接地相电压降低，非接地相电压升高。但在高阻接地时，可能存在一个非接地相电压降低，并且低于接地相电压的状态，若系统存在不平衡，情况更为复杂，依靠相电压选故障相，易选错相。对于户外馈线终端来说，若采集相电压，需要添加额外的设备，增加成本及施工和维护难度。另外，各种常用的零序选线方法大多存在一定的局限性，比如零序无功选线方法不适用于中性点经消弧线圈接地或经小电阻接地的配网系统，零序有功选线方法仅适用于中性点经电阻接地系统。市面上已有应用的馈线终端FTU和故障指示器等定段设备，大都不能准确判断单相接地故障，对高阻接地故障判断更是陷于盲区状态。所以迫切需要一种能够准确判别各种接地故障尤其是高阻接地故障的判断保护方法和装置的问世和推广。
发明内容
本发明的目的是针对目前单相接地保护技术和产品存在高阻故障判断盲区共性问题，提出一种利用线路三相电流变化来对单相接地选相选线及定段的判断保护方法和装置，其具有准确判别各种接地故障尤其是高阻接地故障的技术优势，可普遍适用于中性点不接地、经消弧线圈和小电阻接地系统，既适合无电压互感器及零序电流互感器的馈线分支线路或终端，又适合常规线路的接地故障选相选线定段及保护。
本发明采取的技术方案之一是：一种基于线路三相电流变化的单相接地判断保护方法，当判断到线路三相电流变化超过设定值时，利用矢量运算得到三相电流的增量，将增量最大值与增量中间值相减的差值、再除以增量最大值，获得不平衡度，如果不平衡度大于设定阈值，则判断线路三相电流测量端的后端位置发生了界内单相接地故障，接地相别为电流增量最大的那一相。
进一步的，本方法具体包括：
(1)当系统上电后，启用三相电流合成零序电流I0，若I0小于高越限设定值I0H_set，则判断为正常运行状态，同时更新三相正常电流IA_normal、IB_normal、IC_normal的幅值、相位和计算的采样点位置信息；
(2)如果零序电流I0大于高越限设定值I0H_set，则判断为非正常运行状态，进入单相接地故障判断。
更进一步的，所述单相接地故障判断步骤为：首先对齐采样点位置，修正当前电流的相位值，使得当前电流的采样计算位置与记录的正常运行时刻的电流相差N个周期，其中N为正整数；然后根据当前电流的幅值、相位与记录的正常运行时刻的电流相位做矢量相减运算，得到矢量相减后的模，即为三相电流的增量ΔIi，其中i为A、B或C；再将增量最大值减去增量中间值，除以增量最大值，乘以100，得到相电流增量的百分值，即为相电流增量的不平衡度d：
d＝[max(ΔIi)-mid(ΔIi)]/max(ΔIi)×100
将不平衡度d与设定的阈值Dset比较，若d<Dset，则为非界内故障；若d≥Dset，则为界内接地故障，电流矢量增量最大的那一相即为接地相别。
更进一步的，所述高越限设定值I0H_set根据装置采样精度和系统状况设置，一般设定大于正常状态下的零序电流值；所述阈值Dset大于三相负荷不平衡的25％，一般设为30％以上。
本发明采取的技术方案之二是：一种基于线路三相电流变化的单相接地判断保护装置，所述判断保护装置用于实现上述方案中所述的方法，所述判断保护装置包括微机测控装置和三相电流互感器，所述微机测控装置包括电流采样模块、单片机和继电器输出控制模块；所述三相电流互感器用于实时监控线路的三相电流并将监测信号发送给微机测控装置。
进一步的，所述电流采样模块将模拟量信号经过AD转换成数字信号输出到单片机，单片机的控制输出端与继电器输出控制模块的输入端相连，单片机对各相电流进行采样、计算处理和判断，当判别到线路三相电流变化符合界内单相接地故障判据时，驱动继电器输出控制节点对界内单相接地故障线路开出跳闸保护动作和告警信号。
进一步的，所述判断保护装置还包括零序电流互感器，所述零序电流互感器用于实时监控线路的零序电流并将监测信号发送给微机测控装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的方法和装置具有接地故障选相、选线、定段、跳闸保护等功能，能够及时准确判断各类单相接地故障的发生，尤其能够准确判别常规接地选线装置或定段装置无法判别的高阻接地故障，既可以应用于馈线分支线或终端接地故障定段保护，又可以用于母线接地故障定段告警，满足现代电网对单相接地快速就近隔离故障的原则，还可以对高阻接地故障预警，扩大单相接地保护范围，提高电网运行的可靠性和安全性。
本发明的方法和装置适用于中性点不接地、经消弧线圈接地和经小电阻接地系统。
附图说明
图1是本发明的判断和保护方法流程图。
图2是本发明的装置的电路连接示意图，图中的NZFTU即为本发明的装置。
图3是本发明的微机测控装置的原理框图。
图4是本发明的原理介绍图。
图5是本发明的真型试验电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
实施例一
如图1所示，一种基于线路三相电流不对称变化的接地判断方法，当判断到线路三相电流变化超过设定值时，利用矢量运算得到三相电流的增量，将增量最大值与增量中间值相减的差值、再除以增量最大值，获得不平衡度，如果不平衡度大于设定阈值，则判断线路三相电流测量端的后端点发生了界内单相接地故障，接地相别为电流增量最大的那一相。
该方法具体步骤如下：
(1)当系统上电后，启用三相电流合成零序电流I0，若I0小于高越限设定值I0H_set，则判断为正常运行状态，同时更新三相正常电流IA_normal、IB_normal、IC_normal的幅值、相位和计算的采样点位置信息；
(2)如果零序电流I0大于高越限设定值I0H_set，则判断为非正常运行状态，进入单相接地故障判断：首先对齐采样点位置，修正当前电流的相位值，使得当前电流的采样计算位置与记录的正常运行时刻的电流相差N(N为正整数)个周期；然后根据当前电流的幅值、相位与记录的正常运行时刻的电流相位做矢量相减运算，得到矢量相减后的模，即为三相电流的增量ΔIi(i为A、B或C)；再将增量最大值减去增量中间值，除以增量最大值，乘以100，得到相电流增量的百分值，即为相电流增量的不平衡度d：
d＝[max(ΔIi)-mid(ΔIi)]/max(ΔIi)×100
将不平衡度d与设定的阈值Dset比较，若d<Dset，则为非接地故障；若d≥Dset，则为界内接地故障，电流矢量增量最大的那一相即为接地相别。
其中，高越限设定值I0H_set，根据装置采样精度和系统状况设置，一般设定大于正常状态下的零序电流值。阈值Dset设定大于三相负荷不平衡的25％，一般设为30％以上。
实施例二
如图2和3，一种基于线路三相电流变化的接地判断和保护装置，其包括微机测控装置、三相电流互感器、零序电流互感器(可选)，实时监控线路的三相电流和零序电流(可用三相电流合成)，所述微机测控装置NZFTU为其核心部件，其包括：电流采样模块、单片机和继电器输出控制模块。所述的电流采样模块将模拟量信号经过AD转换成数字信号输出到单片机，单片机对各相电流进行采样、计算处理和判断，当判别到三相电流变化符合界内单相接地故障判据时，驱动继电器输出控制节点对界内单相接地故障线路开出跳闸保护动作和告警信号。
下面结合具体应用对本发明进行详细说明。
如图4所示，系统有两条馈线：馈线1和馈线2，在每条馈线的不同位置安装了两套本发明的装置、简称为终端i-i(i＝1，2)，当在馈线1#所示位置发生C相接地故障后，可利用站内的装置根据各条馈线三相电流的增量判断出接地故障，并选出故障相别和线路；利用馈线上的装置(终端i-i)，可以判断到故障的区间位置。
设单相接地前，系统正常的时刻为t0，在判断周期T(20～100ms)内发生了接地故障，三相电流增量如下式计算，式中：IA(t0)、IB(t0)、IC(t0)为t0时刻A相电流，IA(t0+T)、IB(t0+T)、IC(t0+T)为t0+T时刻的A、B、C相电流，ΔIA、ΔIB、ΔIc分别为A、B、C相电流增量。
ΔIA＝IA(t0+T)-IA(t0)
ΔIB＝IB(t0+T)-IB(t0)
ΔIC＝IC(t0+T)-IC(t0)
则对于终端1-1，有：
ΔIc>>ΔIA，ΔIc>>ΔIB，且ΔIA≈ΔIB。
而对于对于终端1-2、终端2-1及终端2-2，有：
ΔIA≈ΔIB≈ΔIc。
据此，可判断出馈线1发生了C相接地故障，故障位置在终端1-1和终端1-2之间。
以10kV真型试验平台(一次接线图如图5所示)为基础，做多种中性点接地模式的接地故障定段案例。
该真型试验系统的电容电流为10A，中性点可以连接成不接地、经消弧线圈和经小电阻接地等方式。其中01#～03#线路为多级馈线结构，可模拟配网线路分段、分支形式。04#为独立单条馈线。
分别在图中#01、#03或#04处模拟单相接地故障，利用相电流变化不对称法，可准确判断出界内的接地故障。
具体举例如下：
例1.
将真型试验平台的中性点配置为不接地方式，分别在01#线路B相、04#线路C相和01#线路C相做不同接地电阻值的单相接地故障，正常时的电压及装置在故障时刻计算得到的各条线路三相电流增量如表1所示。
表1中性点不接地系统接地试验线路电流变化
注：电压单位V，电流单位mA，均为二次值。
从表中可看到，01#线路B相经1000Ω电阻接地时，只有该线路的B相电流增量远大于非接地的A、C相电流增量，而非接地的03#和04#线路三相电流增量近似相等；04#线路C相经6000Ω电阻接地时，该线路的C相电流增量是非接地的A、C相电流增量的5倍以上，而非接地的01#和03#线路三相电流增量近似相等；01#线路C相金属性接地时，该线路的C相电流增量是第二大增量(B相)的3倍以上，而非接地的03#和04#线路三相电流增量不存在这样的关系。
例1证实：本发明的接地故障选相及定段方法在中性点不接地系统中正确。
例2.
将真型试验平台的中性点配置为经消弧线圈接地，分别在01#线路B相、04#线路C相和01#线路C相做单相接地故障，正常时的电压及装置在故障时刻计算得到的各条线路三相电流增量如表2所示。
表2中性点经消弧线圈接地系统接地试验线路电流变化
从表中可看到，01#线路B相经1000Ω电阻接地时，只有该线路的B相电流增量远大于非接地的A、C相电流增量，而非接地的03#和04#线路三相电流增量近似相等；04#线路C相经6000Ω电阻接地时，该线路的C相电流增量是非接地的A、C相电流增量的6倍以上，而非接地的01#和03#线路三相电流增量相差不超过3mA；01#线路C相金属性接地时，该线路的C相电流增量是第二大增量(B相)的3.6倍，而非接地的03#和04#线路三相电流增量近似相等。
例2证实：本发明的接地故障选相及定段方法在中性点经消弧线圈接地系统中正确。
例3.
将真型试验系统的中性点配置为小电阻接地，分别在01#线路B相和03#线路A相做单相接地故障，正常时的电压及装置在故障时刻计算得到的各条线路三相电流增量如表3所示。
表3中性点经小电阻接地系统接地试验线路电流变化
从表3可看到，01#线路B相经1000Ω电阻接地时，只有该线路的B相电流增量远大于非接地的A、C相电流增量，而同一线路上接地点后(负荷侧)的03#和非接地线路04#的三相电流增量很小且近似相等；03#线路A相经湿沙阻电阻接地时，该线路的A相电流增量远远大于非接地的B、C相电流增量，同线路的电源侧的01#线路表现出同样的特征：接地的A相电流增量远大于非接地的B、C相电流，而非接地的04#线路三相电流增量很小且近似相等。
例3证实：本发明的接地故障选相及定段方法在中性点经小电阻接地系统中正确。
通过例1、例2、例3证实：本发明采用线路三相电流在接地故障前后的增量变化特征进行选相、选线、定段的方法的正确性，具有对各种接地故障准确判别，尤其对高阻接地故障准确判断的技术优势，适用配网各种中性点接地方式。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种基于线路三相电流变化的单相接地判断保护方法，其特征在于：当判断到线路三相电流变化超过设定值时，利用矢量运算得到三相电流的增量，将增量最大值与增量中间值相减的差值、再除以增量最大值，获得不平衡度，如果不平衡度大于设定阈值，则判断线路三相电流测量端的后端位置发生了界内单相接地故障，接地相别为电流增量最大的那一相。
2.根据权利要求1所述的基于线路三相电流变化的单相接地判断保护方法，其特征在于：
(1)当系统上电后，启用三相电流合成零序电流I0，若I0小于高越限设定值I0H_set，则判断为正常运行状态，同时更新三相正常电流IA_normal、IB_normal、IC_normal的幅值、相位和计算的采样点位置信息；
(2)如果零序电流I0大于高越限设定值I0H_set，则判断为非正常运行状态，进入单相接地故障判断。
3.根据权利要求2所述的基于线路三相电流变化的单相接地判断保护方法，其特征在于，所述单相接地故障判断步骤为：首先对齐采样点位置，修正当前电流的相位值，使得当前电流的采样计算位置与记录的正常运行时刻的电流相差N个周期，其中N为正整数；然后根据当前电流的幅值、相位与记录的正常运行时刻的电流相位做矢量相减运算，得到矢量相减后的模，即为三相电流的增量ΔIi，其中i为A、B或C；再将增量最大值减去增量中间值，除以增量最大值，乘以100，得到相电流增量的百分值，即为相电流增量的不平衡度d：
d＝[max(ΔIi)-mid(ΔIi)]/max(ΔIi)×100
将不平衡度d与设定的阈值Dset比较，若d<Dset，则为非界内故障；若d≥Dset，则为界内接地故障，电流矢量增量最大的那一相即为接地相别。
4.根据权利要求3所述的基于线路三相电流变化的单相接地判断保护方法，其特征在于，所述高越限设定值I0H_set根据装置采样精度和系统状况设置，其设定值大于正常状态下的零序电流值；所述阈值Dset大于三相负荷不平衡的25％。
5.一种基于线路三相电流变化的单相接地判断保护装置，其特征在于，所述判断保护装置用于实现上述权利要求1至4中任一项所述的方法，所述判断保护装置包括微机测控装置和三相电流互感器，所述微机测控装置包括电流采样模块、单片机和继电器输出控制模块；所述三相电流互感器用于实时监控线路的三相电流并将监测信号发送给微机测控装置。
6.根据权利要求5所述的一种基于线路三相电流变化的单相接地判断保护装置，其特征在于，所述电流采样模块将模拟量信号经过AD转换成数字信号输出到单片机，单片机的控制输出端与继电器输出控制模块的输入端相连，单片机对各相电流进行采样、计算处理和判断，当判别到线路三相电流变化符合界内单相接地故障判据时，驱动继电器输出控制节点对界内单相接地故障线路开出跳闸保护动作和告警信号。
7.根据权利要求5所述的一种基于线路三相电流变化的单相接地判断保护装置，其特征在于，所述判断保护装置还包括零序电流互感器，所述零序电流互感器用于实时监控线路的零序电流并将监测信号发送给微机测控装置。
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