CN1584613A - 一种利用衰减直流分量的故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用衰减直流分量的故障选线方法，属电力系统继电保护技术领域。对于经消弧线圈接地的小接地电流系统，当线路不在电压最大值附近发生单相接地故障时，将会有衰减直流分量产生。当故障发生在线路上时，线路上的衰减直流分量很大，当故障发生在母线上时，其衰减直流分量将直接流入消弧线圈，而各线路上的衰减直流分量都很小。本发明根据这些特性，使用故障后第一个周波的直流分量代替衰减直流分量的计算，并根据直流分量大小实现小接地电流系统的故障选线。本发明理论基础较为直观、方法简单实用、可靠、有效。本方法在故障合闸角θ≤60°且过渡电阻较大时，可以正确地选线；在过渡电阻较小时，故障合闸角较大时也可以正确选线。

Description

一种利用衰减直流分量的故障选线方法

技术领域：

本发明涉及一种利用衰减直流分量的故障选线方法，属电力系统继电保护技术领域。

背景技术：

配电网中性点一般经消弧线圈或中性点不接地，发生单相接地故障时，由于不形成短路，规程允许继续运行1-2h，但是长时间的接地运行极易形成两相接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压。为防止故障扩大，必须发出信号并排除故障。所以迅速、准确的实现故障选线，对于运行方式多变、结构日益复杂的配电网的安全可靠运行有着极其重要的意义。

经过长期研究，目前出现了多种故障选线方法，并开发出了相应的装置，但在实际应用中的效果并不十分理想。现有的小电流接地系统单相接地故障选线方法，从使用的信号上大体可分为三类，稳态方法(参考文献1-3)、暂态方法(参考文献4-5)和信号注入法(参考文献6)。稳态方法中的典型方法有：幅值比较法、相位比较法、零序导纳法、零序功率法等。幅值比较法和相位比较法仅适用于中性点不接地的系统，但实际中由于变电站出线较多单相接地电流过大，因此消弧线圈被广泛使用，故而这两种方法适用范围很小；零序导纳法和零序功率法由于稳态后零序电流较小，容易受到干扰，影响了在实际中的应用效果。暂态方法使用故障引起的暂态分量进行故障选线，但是暂态分量的大小与故障合闸角密切相关，当在电压过零附近故障时暂态分量很小，在各种干扰的影响下可能失效。信号注入法需要外加信号，实际应用时需要改动系统PT的接线，不利于装置的实际应用。在小接地电流系统中发生单相接地故障时，不仅会有高频暂态量产生，同时也可能有衰减直流产生。现有的暂态量选线方法只利用了前者，而忽略了后者的利用。

对于中性点不接地的小接地电流系统，单相接地故障后使用现有的幅值比较法和相位比较法可以很容易地选出故障线路。但是，对于中性点经消弧线圈接地的小接地电流系统，当发生单相接地故障时，故障线路与非故障线路的电流大小与相位均相近，可靠的故障选线较难实现，是目前应当关注的重点。

参考文献：

[1]郝玉山，杨以涵，任元恒，等.(Hao Yushan，Yang Yihan，Ren Yuanheng).小电流接地微机选线的群体比幅比相原理(Principle of magnitude & phase comparison formicro computer based small current grounding system line selection).电力情报(Information on Electric Power)，1994(2)：15-19

[2]易东，李群湛，黄彦全(Yi Dong，Li Qunzhan，Huang Yanquan).零序导纳法接地选线保护原理(Principle of selective grounding fault protection based on zero sequenceadmittance).电力系统自动化设备(Power System Automation Equipment)，2002，22(10)：40-42

[3]杜丁香，徐玉琴(Du Dingxiang，Xu Yuqin).消弧线圈接地电网的有功选线(Faultedline detecting with active power in a auto-compensated distribution network).继电器(Relay)，2002，30(5)：33-36

[4]束洪春，肖白(Shu Hongcun，Xiao Bai).配电网单相电弧接地故障选线暂态分析法(A transient-based.study of fault line selection for single-phase to ground faults ondistribution system).电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems)2002，26(21)：58-61

[5]贾清泉，刘连光，杨以涵等(Jia Qingquan，Liu Lianguang，Yang Yihan).应用小波检测故障突变特性实现配电网小电流故障选线保护(Abrupt change detection withwavelet for small current fault relaying)中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2001，21(10)：78-82

[6]王新超，桑在中(Wang Xincao，Sang Zaizhong).基于“S注入法”的一种故障定位新方法(A new approach of fault location based on“S injecting signal”.继电器(Relay)，2001，29(7)：9-12

发明内容：

本发明的目的在于克服现有接地故障选线技术之不足，而提供一种在对中性点经消弧线圈接地系统中的电磁暂态特征分析的基础上，通过大量仿真后认定可以利用衰减直流分量对经消弧线圈接地的小接地电流系统准确进行故障选线。

1 衰减直流分量分布特性

在如图1所示的中性点经消弧线圈接地系统中，当线路l₂在F₁点电压过零时发生A相接地故障时(过渡电阻为100Ω)，故障线路(l₂)和非故障线路(l₁)的零序电流如图2所示。在本发明中，波形图横轴单位均为ms，纵轴单位均为A。从图2可以看出，故障线路零序电流中有非常明显的衰减直流成份，而非故障线路零序电流中几乎没有衰减直流成份。这是因为当F₁点故障时，相当于在正常系统的基础上在F₁点迭加了一正弦电压源e_f(t)＝E_msin(w₀t+θ)，其中θ表示故障合闸角。在忽略线路电阻和消弧线圈电阻的情况下，故障线路的零序电流i₀₂可近似地写为 $i_{02}=(L_n+L_l){\∫}_0^t{e}_f\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ},$ 当θ＝0，i₀₂中的直流分量将达到最大，但直流分量仅通过故障线路与消弧线圈构成回路，而不会流过非故障线路，因此故障线路中的衰减直流分量较大，而非故障线路的很小。当母线发生A相接地故障时，线路l₁和线路l₂中的零序电流如图3所示。在图3中，两条线路的零序电流中衰减直流分量几乎为零。这是因为衰减直流分量直接流入了消弧线圈，而没有流过线路的缘故。

2 故障选线方法

由经消弧线圈接地的小接地电流系统单相接地故障时衰减直流分量的分布特性可见：当线路不在电压最大值附近故障时，系统中将有衰减直流分量产生，它只流过故障线路和消弧线圈而不流过非故障线路；当母线故障时虽然也有衰减直流分量产生，但它不流过任何线路，而是直接流入消弧线圈。根据这一特点，可以构成利用衰减直流分量的小接地电流系统故障选线方法。本方法使用故障后第一个周波的直流分量代替衰减直流分量的计算，并根据直流分量大小实现小接地电流系统的故障选线；具体步骤如下：

(1)当小接地电流系统的母线零序电压瞬时值u₀(t)大于K_uU_n，故障选线路装置立即启动，记录下故障前2个周波和故障后3个周波的各出线零序电流和母线零序电压；其中，K_u取值为0.35，U_n为母线额定电压；

(2)从选线装置启动时刻向前追朔，在母线零序电压上寻找小于0.01U_n的采样点，其对应的时刻确定为单相接地故障发生的时刻t_f；

(3)从t_f开始选取一个周波的采样点，使用 $D=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k$ 计算各线路零序电流中的直流分量D，其中：x_k表示离散的采样点，N为每周波的采样点数；

(4)在各线路中寻找直流分量最大的线路l_m，设其直流分量为D_m；

(5)判断是否为母线故障或在电压最大值附近发生故障；具体做法是从t_f开始选取母线零序电压一个周波的采样点，计算其相角θ_u0，设零序电压为正弦函数，且θ_u0∈[-180°，180°])，并定义判据1：D_m＜D_zd且|θ_u0-90°|＞20°且|θ_u0+90°|＞20°；当满足判据1时，表明故障不是发生在故障相电压最大值附近，而是母线故障；

(6)在除线路l_m之外的其它线路中寻找直流分量最大的线路l_s，设其直流分量为D_s，计算比值K_D＝D_m/D_s。定义判据2：K_D＞K_Dzd，当满足判据2时，为线路l_m为故障线路，反之为是母线故障。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明的理论基础较为直观、方法简单实用、可靠、有效。

2、大量仿真表明：本方法在故障合闸角θ≤60°且过渡电阻较大时，可以正确地选线；在过渡电阻较小时，故障合闸角较大时也可以正确选线；

3、本方法可与暂态选线方法结合，形成完善的小接地电流系统故障选线技术。

附图说明：

图1为中性点经消弧线圈接地系统示意图。图中：线路l₁长度为30km、线路l₂长度为25km、线路l₃长度为12km、线路l₄长度为15km、线路l₅长度为16km。

图2显示线路故障时的故障线路与非故障线路零序电流。

图3显示母线故障时的线路零序电流。

具体实施方式：

本方法的具体步骤如下：

(1)当小接地电流系统的母线零序电压瞬时值u₀(t)大于K_uU_n，故障选线路装置立即启动，记录下故障前2个周波和故障后3个周波的各出线零序电流和母线零序电压。其中，K_u一般取值为0.35，U_n表示母线额定电压；

(2)从选线装置启动时刻向前追朔，在母线零序电压上寻找小于0.01U_n的采样点，其对应的时刻认为是单相接地故障发生的时刻t_f；

(3)从t_f开始选取一个周波的采样点，使用 $D=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k$ 计算各线路零序电流中的直流分量D，其中：x_k表示离散的采样点，N为每周波的采样点数；

(4)在各线路中寻找直流分量最大的线路l_m，设其直流分量为D_m；

(5)判断是否为母线故障或在电压最大值附近发生故障。

当D_m＜D_zd时(D_za大小与系统参数有关，对于图1所示系统D_za取0.4A)，表明线路上的衰减直流分量较小。这可能由两个原因造成：①母线故障，②故障相电压在最大值附近发生故障；因此需要加以识别。具体做法是：从t_f开始选取母线零序电压一个周波的采样点，计算其相角θ_u0(设零序电压为正弦函数，且θ_u0∈[-180°，180°])，并定义判据1：D_m＜D_zd且|θ_u0-90°|＞20°且|θ_u0+90°|＞20°。当满足判据1时，表明故障不是发生在故障相电压最大值附近，而是母线故障。

(6)在除线路l_m之外的其它线路中寻找直流分量最大的线路l_s，设其直流分量为D_s，计算比值K_D＝D_m/D_s。定义判据2：K_D＞K_Dzd，当满足判据2时，认为线路l_m为故障线路，否则认为是母线故障。K_Dzd整定为3。

Claims (1)

1.一种利用衰减直流分量的故障选线方法，利用衰减直流分量的量测进行，其特征在于使用故障后第一个周波的直流分量代替衰减直流分量的计算，并根据直流分量大小实现小接地电流系统的故障选线；具体步骤如下：

(1)当小接地电流系统的母线零序电压瞬时值u₀(t)大于K_uU_n，故障选线路装置立即启动，记录下故障前2个周波和故障后3个周波的各出线零序电流和母线零序电压；其中，K_u取值为0.35，U_n为母线额定电压；

(2)从选线装置启动时刻向前追朔，在母线零序电压上寻找小于0.01U_n的采样点，其对应的时刻确定为单相接地故障发生的时刻t_f；

(3)从t_f开始选取一个周波的采样点，使用 $D=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k$ 计算各线路零序电流中的直流分量D，其中：x_k表示离散的采样点，N为每周波的采样点数；

(4)在各线路中寻找直流分量最大的线路l_m，设其直流分量为D_m；

(5)判断是否为母线故障或在电压最大值附近发生故障；具体做法是从t_f开始选取母线零序电压一个周波的采样点，计算其相角θ_u0，设零序电压为正弦函数，且θ_u0∈[-180°，180°]，并定义判据1：D_m＜D_zd且|θ_u0-90°|＞20°且|θ_u0+90°|＞20°；当满足判据1时，表明故障不是发生在故障相电压最大值附近，而是母线故障；

(6)在除线路l_m之外的其它线路中寻找直流分量最大的线路l_s，设其直流分量为D_s，计算比值K_D＝D_m/D_s。定义判据2：K_D＞K_Dzd，当满足判据2时，为线路l_m为故障线路，反之为是母线故障。

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