CN117856184A - 一种基于动态电阻投切的小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态电阻投切的小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法，属于配电网故障诊断领域；小电阻接地方式采用的零序过电流保护存在耐过渡电阻能力低的问题，仅依靠零序过电流保护难以实现对单相高阻接地故障的检测与选线；为此，本发明在计及电网参数不平衡条件下，提出了一种基于动态电阻投切的小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法，作为零序过电流保护应对单相高阻接地故障的补充，以提高保护系统对单相高阻接地故障的检测与选线能力；该方法不仅在原理上克服了电网参数不平衡对选线结果的影响，还增强了保护在面对单相高阻接地故障时的可靠性。

Description

一种基于动态电阻投切的小电阻接地系统单相高阻接地故障 保护方法

技术领域

本发明涉及配电网故障诊断领域，具体涉及一种基于动态电阻投切的小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法。

背景技术

在我国配电网中，中性点接地方式主要采用不接地或是经消弧线圈接地。这两种接地方式在很长的时间里都能够满足我国实际生产的需要，但是随着时代的发展，越来越多的城市将配电网中的架空线路改设为电缆线路，大量电缆线路的加入，导致配电线路对地电容和电网容性电流激增，原有的中性点接地方式已不能满足电网安全运行的要求。因此中性点经小电阻接地凭借其在发生单相接地故障时，过电压水平低，选线能力强等优点在一些地区正逐步取代小电流接地方式。

小电阻接地系统常采用零序过电流保护作为主保护，零序过电流保护的整定值需要躲过各条线路最大电容电流。零序过电流保护对低阻值接地故障与金属性接地故障有着较高的灵敏性，但受限于整定值较大，零序过电流保护处理单相高阻接地故障时灵敏性低，易出现拒动。本发明公开了一种基于动态电阻投切的小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法，作为零序过电流保护应对单相高阻接地故障的补充，该方法既能增强零序过电流保护对单相高阻故障的检测能力，又能够克服传统零序导纳法选线在处理单相高阻接地故障时受电网参数不平衡影响，易误判的难题。

发明内容

本发明针对目前小电阻接地方式中常采用的零序过电流保护，存在耐过渡电阻能力低的问题，发明了一种基于动态电阻投切的小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法，该发明利用并联小电阻投入前后各线路零序电流变化量与系统零序电压变化量，解决了零序过电流保护耐过渡电阻能力低的问题，尤其是克服了电网参数不平衡的问题；即在电网正常运行时，并联小电阻不投入；若母线处安装的零序电压互感器感知到系统零序电压大于零序电压阈值且各条线路出口处安装的零序电流互感器感知到该线路零序电流小于零序电流阈值后，投入并联小电阻，根据并联小电阻投入前后系统零序电压变化量判断系统是否真实发生单相高阻接地故障；紧接依据本发明推导的公式构成的算法选择故障相与计算过渡电阻；依据各线路零序电流变化量与系统零序电压变化量计算各条线路的零序测量导纳与零序测量电导偏移百分数，将大于零序测量电导偏移百分数阈值的线路认定为故障线路。

投入并联小电阻的阻值大小根据现场实际情况选定，选定的原则是：既要保证并联小电阻投入后系统零序电压与各线路零序电流变化量满足互感器精度要求，又要保证并联小电阻投入后，各线路零序电流不会过大而导致设备损坏。

本发明所提出的单相高阻接地故障保护方法与传统零序过电流保护均属于稳态时域分析领域，不涉及暂态时域分析领域，因此，不对并联小电阻投入时刻的初相角作详细规定。

本发明具有如下的优点：

1.由于本发明以零序过电流保护为基础，仅是增设了针对单相高阻接地故障的检测，因而既能够保留低阻值接地故障与金属性接地故障时零序过电流保护的灵敏性，又能增强保护系统对单相高阻接地故障的检测能力。

2.本发明所提出的选线方法，采用各线路零序电流变化量与系统零序电压变化量计算零序测量导纳，能够消除电网参数不平衡的影响，因而在处理不平衡电网条件下的单相高阻接地故障时，能够准确动作。

3.本发明仅需借助零序过电流保护原有设备，测量并联小电阻投入前后系统零序电压与各线路零序电流变化量，无需新增设备，可最大程度减少改造投资、操作简单、实用性强。

附图说明

图1是基于动态电阻投切的小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法流程图。

图2是小电阻接地系统仿真拓扑图。

图3是系统零序电压变化波形图。

图4是故障线路零序电流变化波形图。

具体实施方式

以下将结合附图和仿真案例，对本发明进行较为详细的说明。

一种基于动态电阻投切的小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1，从各条母线出口处安装的零序电流互感器中获取各线路的零序电流，如果某一线路的零序电流大于该线路的零序过电流保护整定值，则启动零序过电流保护，反之进入S2。

S2，从母线处安装的零序电压互感器中获取系统零序电压，即电网不平衡电压，当测量所得的系统零序电压大于1.5倍正常运行电网的不平衡电压，认为系统内疑似出现了单相高阻接地故障；

所述正常运行电网不平衡电压理论值为：

其中，、/>、/>分别为三相对地参数，/>为中性点电导，/>为系统三相不对称矢量和，/>为A相电源电势。

S3，投入并联小电阻，记录投入前后系统零序电压，并计算系统零序电压变化量，将计算所得的系统零序电压变化量与正常运行电网并联小电阻投入前后的系统零序电压变化量比较，比较结果作为单相高阻接地故障发生与否的判据；若此时系统零序电压变化量大于正常运行电网并联小电阻投入前后的零序电压变化量的1.3倍，则判定疑似故障为真实发生的故障，反之并联小电阻退出，重复S1-S3。

S4，根据并联小电阻投入前后系统零序电压，计算接地导纳；

所述接地导纳计算公式如下：

其中，为接地导纳、k为并联小电阻投入后中性点接地电导与原电导比值，分别为故障运行状态下，并联小电阻投入前后系统零序电压，/>为系统三相总对地导纳。

S5, 根据公式计算故障相理论值，对比/>与实际电源的幅值、相位，将三相中幅值、相位与/>最接近的一相判定为故障相，所述接地导纳与理论故障相计算公式如下：

其中， k为并联小电阻投入后中性点接地电导与原电导比值。

S6，计算理论故障相电源电势与实际电源电势的幅值差，若幅值相差超过10%，表明测量数据存在问题，需重新测量，重复操作S1-S6。

S7，根据并联小电阻投入前后系统零序电压变化量与各线路零序电流变化量计算各线路零序测量导纳与零序测量电导百分数，将零序测量电导偏移百分数大于100的线路判定为故障线路。

所述零序测量导纳与零序测量电导偏移百分数公式如下：

其中，为第i条线路对地导纳，/>为故障发生后第i条线路的零序测量导纳，/>、/>分别为并联小电阻投入前后第i条线路零序电流变化量与系统零序电压变化量，real表示取虚数的实部，若某线路的零序测量电导偏移百分数大于100，则判定该线路为故障线路。

仿真验证

下面列举一仿真案例以辅助说明本发明公开的基于动态电阻投切的小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法可行性和技术优势；仿真软件中搭建的小电阻接地系统拓扑图，见图2，图中Y₀、Y₁分别为接地小电阻与并联小电阻，S为控制并联小电阻投入或退出的开关；仿真软件中搭建的小电阻接地系统拓扑图相关参数，见表1。

表1 小电阻接地系统拓扑图相关参数

项目	线路1	线路2	线路3	线路4
					A相分布电容/μF	4.064	6.107	3.343	0.900
B相分布电容/μF	4.071	5.819	3.027	0.860
					C相分布电容/μF	4.243	6.285	3.161	0.80
A相分布电阻/kΩ	43.085	28.694	56.370	7.00
					B相分布电阻/kΩ	42.974	28.694	56.306	5.500
C相分布电阻/kΩ	42.717	28.53	56.054	5.000

四条线路最大电容电流分别为2.48A、33.03A、17.28A、4.64A，零序过电流保护的整定值需要躲过各条线路最大电容电流，考虑可靠系数后，保护整定值设定为，即零序电流阈值为43A；前期仿真结果显示，电网处于正常运行状态且并联小电阻未投入时，电网不平衡电压幅值为43.62V，投入后，电网不平衡电压幅值下降至21.43V；根据前文所述，将零序电压阈值与单相高阻接地故障判据阈值(零序电压变化量阈值)分别设置为：/>、/>。

0.1秒时刻在线路2的A相设置阻值为300欧姆的单相高阻接地故障，故障发生前后系统零序电压与故障线路零序电流波形变化图见图3与图4；故障出现后，中性点电位升至零序电压阈值以上且线路2零序电流为17.96A小于/>，此时零序过电流保护不动作，满足并联小电阻投入条件，判定配电网内疑似出现单相高阻接地故障，记录此时零序电压，并在延迟5个周波后，于0.2005秒时刻接通开关，并联小电阻投入中性点；记录小电阻投入后零序电压/>，根据/>记录结果判断系统是否发生单相高阻接地故障，。结果表明，疑似单相高阻接地故障真实发生，紧接进入故障选线环节；保护系统于0.3秒时刻切除故障线路，系统恢复正常；在经历几个周波的检测（0.3s-0.36s）后确定系统已经处于新的稳定状态，小电阻于0.36秒退出运行。

为进一步验证本发明在故障选相方面的准确性与可行性，分别在线路2和线路4的A、B、C相设置阻值为100Ω,1000Ω的单相接地故障，记录并联小电阻投入前后系统零序电压，将数据代入上述选相公式，选相结果见表2。

表2故障相识别

线路	过渡电阻/Ω	理论故障相相位/（°）	理论故障相幅值/kV	幅值误差/%	相位误差/（°）	选相结果
							线路2	100	-0.059056	6.033	4.50	0.059056	A
线路2	100	-120.0554	6.045	4.71	0.5540000	B
							线路2	100	119.9445	6.086	5.42	0.055500	C
线路4	1000	-0.04148	5.946	2.99	0.041480	A
							线路4	1000	-120.054	5.873	1.73	0.54000	B
线路4	1000	119.9657	6.186	7.15	0.034300	C

由表2可知，通过对比理论故障相电源电势与实际电源电势相位、幅值可以明显判定故障相。

为进一步验证本发明在选线方面的准确性与可行性，在线路2设置阻值为100Ω，300Ω，500Ω，1000Ω，1500Ω的单相高阻接地故障，选线结果见表3。

表3不同故障类型下各线路零序测量电导偏移百分数

过渡电阻（Ω）	线路1	线路2	线路3	线路4	选线结果
						100	6.87	9544.08	7.32	0.21	线路2
300	6.87	3182.44	7.88	-0.02	线路2
						500	-2.86	1908.49	-9.57	-0.08	线路2
1000	-2.76	965.84	-1.28	-0.04	线路2
						1500	-2.93	638.07	-1.88	0.21	线路2

由表3可以以看出，故障线路零序测量电导偏移百分数远远大于健全线路，二者区分度明显，表明本发明能够适用于小电阻接地系统的单相高阻接地故障选线。

以上所述与实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于动态电阻投切的小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法，可提高保护对单相高阻接地故障的检测与选线能力，其特征在于，所述基于动态电阻投切的小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法包括：

单相高阻接地故障检测步骤：实时检测系统零序电压与各条线路零序电流，当同时满足系统零序电压大于零序电压阈值且各线路零序电流小于零序电流阈值两个条件时，认为系统中疑似发生了单相高阻接地故障，投入并联小电阻，记录并联小电阻投入前后系统零序电压，根据系统零序电压变化量判断疑似单相高阻接地故障是否真实发生；

单相高阻接地故障选相步骤：确定系统发生单相高阻接地故障后，对比理论故障相的幅值与相位确定故障相；

单相高阻接地故障选线步骤：确定系统发生单相高阻接地故障后，将零序测量电导偏移百分数大于阈值的线路判定为故障线路。

2.根据权利要求1所述基于动态电阻投切的小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法，其特征在于，所述单相高阻接地故障检测步骤中零序电压阈值为：

其中，、/>分别为系统正常运行时的零序电压与零序电压阈值，/>、/>、/>分别为三相对地导纳，/>为中性点电导，/>为系统三相不对称矢量和，/>为A相电源电势；

正常运行系统的零序电压变化量与单相高阻接地故障判据为：

其中，与/>分别为正常运行系统的零序电压变化量与单相高阻接地故障判据，k为并联小电阻投入后中性点接地电导与原电导的比值，当系统零序电压变化量大于/>，认为故障真实发生，反之认为故障未发生。

3.根据权利要求1所述基于动态电阻投切的小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法，其特征在于，所述单相高阻接地故障选相步骤包括：

根据公式计算故障相理论值，对比/>与实际电源的幅值与相位，将三相中幅值、相位与/>最接近的一相判定为故障相，所述接地导纳与理论故障相计算公式如下：

其中，为接地导纳，/>分别为故障运行状态下，并联小电阻投入前后系统零序电压，/>为系统三相总参数。

4.据权利要求1所述基于动态电阻投切的小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法，其特征在于，所述单相高阻接地故障选线步骤包括：

判定系统内发生单相高阻接地故障后，根据并联小电阻投入前后各线路零序电流变化量与系统零序电压变化量计算该线路的零序测量导纳与零序测量电导偏移百分数公式如下：

其中，为第i条线路对地导纳，/>为故障发生后第i条线路的零序测量导纳，/>、/>分别为并联小电阻投入前后第i条线路零序电流变化量与系统零序电压变化量，real表示取虚数的实部，若某线路的零序测量电导偏移百分数大于100，则判定该线路为故障线路。