CN1645705A - 小电流接地系统接地故障选线与保护方法 - Google Patents

Abstract

小电流接地系统接地故障选线与保护方法，步骤依次为：在线监测系统的零序电压和相电压，监测各线路相电流；零序电压大于整定值则判断系统接地故障；定义相间差电流为该相电流变化量与另外两相电流变化量相量和的0.5倍的差值，计算馈线相间差电流；定义计算电阻为故障发生后相电压和以该相电流为基准的相间差电流的比值，计算馈线的计算电阻值；根据馈线计算电阻的大小判断线路是否发生故障，故障线路的计算电阻值等于接地故障电阻值；故障线路发接地故障信号。本发明的故障选线与保护方法能保护弧光接地故障和20kΩ以下故障电阻的高阻故障，具有较高的保护精度和可靠性，且接地保护方法适合在配电自动化现场终端单元FTU上实现。

Description

小电流接地系统接地故障选线与保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术，特别是中性点不直接接地系统的单相接地故障选线和保护。

背景技术

中性点不直接接地系统简称小电流接地系统，发生单相接地故障时，产生过电压，如不及时清除，可能引发电缆爆炸及其他故障，影响电力系统安全和电能质量。配电网中传统的逐条出线试探性拉闸寻找故障线路的方法，浪费人力物力，早已不能适应电力系统自动化发展的需求。申请号91103633.4名称为“小电流接地的检测方法及装置”发明专利申请公开了比较电网中各出线零序电流中交流谐波量大小，谐波量最大的为接地线路的方法。由于小电流接地系统接地故障电流受系统补偿度、接地电阻等影响，大小和方向不定；故障线路零序电流与非故障线路零序电流之间的关系同样受系统补偿度、运行方式等影响，变化不定，比较零序电流故障选线方法可靠性不高；而零序谐波电流受变压器的饱和程度、负荷等多种随机因数影响，采用零序谐波电流的接地保护整定困难，可靠性也不高。申请号94106374.7的发明专利“小电流系统单相接地保护方法及装置”主要特征是快速比较出零序谐波无功最大的线路判定为接地线路。该采用零序谐波无功比较的接地保护方法受接地故障特性、系统参数等影响较大，要求测量装置精度高，工业现场实现困难。申请号00114452.9的发明专利“小电流接地系统接地保护方法”提出了计算各馈线负序电流变化量，根据负序电流的大小、方向或能量函数判断线路故障的方法。基于负序电流变化量的接地保护方法灵敏度较高，但易受到负荷变化的影响。现有的小电流接地系统的接地保护方法的精度和运行可靠性有限，大部分接地保护方法采用对各条出线测量量比较，难以在配电自动化的现场终端单元FTU上实现，不利于在配电自动化中应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小电流接地系统接地选线和保护方法，主要通过测量、计算系统的零序电压和各馈线的计算电阻值实现，可以提高接地保护的可靠性和精度，并便于在配电自动化的现场终端单元FTU上实现，满足配电自动化接地故障保护要求。

在测量、计算系统的零序电压和各馈线的计算电阻值进行接地保护这一总的技术构思下，建立本发明的技术方案。

本发明的技术方案之一是，所述小电流接地系统接地故障选线和保护方法包括如下步骤：

(1)在线监测配电系统的零序电压和相电压，在线监测各馈线的相电流；对零序电压、相电压和相电流进行离散AD采样；

(2)连续计算零序电压有效值，当大于电压整定值时，判定系统发生接地故障，启动故障选线与保护判断；零序电压突变时刻为故障发生时刻；电压整定值取值范围为5％～30％相电压值，通常取10％相电压；

(3)计算系统发生接地故障前后各馈线的三相电流变化量，定义相间差电流为该相电流变化量与另外两相电流变化量相量和的0.5倍的差值，计算相间差电流向量；

(4)定义每相的计算电阻为故障发生后该相电压和以该相电流为基准的相间差电流的比值；定义各条馈线的计算电阻R_f为该条馈线三相计算电阻的最小值；计算各条馈线的计算电阻值；

(5)通过比较各馈线的计算电阻R_f进行接地故障选线，判定计算电阻最小的馈线为故障线路；

(6)故障线路发接地故障信号。

本发明的技术方案之二是，所述小电流接地系统接地故障选线和保护方法包括如下步骤：

(1)在线监测配电系统的零序电压和相电压，在线监测各馈线的相电流；对零序电压、相电压和相电流进行离散AD采样；

(2)连续计算零序电压有效值，当大于电压整定值时，判定系统发生接地故障，启动故障选线与保护判断；零序电压突变时刻为故障发生时刻；电压整定值取值范围为5％～30％相电压值，通常取10％相电压；

(3)计算系统发生接地故障前后各馈线的三相电流变化量，定义相间差电流为该相电流变化量与另外两相电流变化量相量和的0.5倍的差值，计算相间差电流向量；

(4)定义每相的计算电阻为故障发生后该相电压和以该相电流为基准的相间差电流的比值；定义各条馈线的计算电阻R_f为该条馈线三相计算电阻的最小值；计算各条馈线的计算电阻值；

(5)通过比较馈线计算电阻与该馈线计算电阻整定值的大小进行馈线接地保护，判定计算电阻小于整定值的馈线发生单相接地故障；馈线计算电阻整定值按需要保护的接地故障最高过渡电阻值乘以一个大于1的灵敏系数确定，最高过渡电阻的取值范围为5kΩ～40kΩ，通常取20kΩ；灵敏系数取值范围为：1～2，通常取1.2；

(6)故障线路发接地故障信号。

以下对本发明做出进一步说明。

本发明上述技术方案一、二的步骤(3)、(4)中，可采用以下方法计算三相电流变化量和计算电阻：

故障后，第一工频周波第j采样点的三相电流采样值变化量为：

                     Δi_A(j)＝i_A(j)-i_A(j-N)

                     Δi_B(j)＝i_B(j)-i_B(j-N)

                     Δi_C(j)＝i_C(j)-i_C(j-N)

上式中N为微机保护每工频周期的采样点数。故障后，第二工频周波第k采样点的三相电流采样值变化量为：

                     Δi_A(k)＝i_A(k)-i_A(k-2N)

                     Δi_B(k)＝i_B(k)-i_B(k-2N)

                     Δi_C(k)＝i_C(k)-i_C(k-2N)

由三相电流采样值变化量经傅立叶变换计算三相电流变化量的相量并计算相间差电流，以A相为基准的相间差电流为：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{fA}}=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_A-({\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{I}}_B+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_C)/2$

以B相为基准的相间差电流为：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{fB}}=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_B-(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_C+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_A)/2$

以C相为基准的相间差电流为：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{fC}}=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_C-(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_A+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_B)/2$

三相的计算电阻分别为：

$R_{\mathrm{fA}}=\left|\frac{\stackrel{\·}{U}}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{fA}}}\right|=\left|\frac{{\stackrel{\·}{U}}_A}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_A-(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_B+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_C)/2}\right|$

$R_{\mathrm{fB}}=\left|\frac{{\stackrel{\·}{U}}_B}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{fB}}}\right|=\left|\frac{{\stackrel{\·}{U}}_B}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_B-(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_C+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_A)/2}\right|$

$R_{\mathrm{fC}}=\left|\frac{{\stackrel{\·}{U}}_C}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{fC}}}\right|=\left|\frac{{\stackrel{\·}{U}}_C}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_C-(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_A+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_B)/2}\right|$

线路的计算电阻为：

                  R_f＝min(R_fA，R_fB，R_fC)

下面对上述接地故障电阻保护方法进行详细描述和论证。

小电流接地系统正常运行如图1所示，三相电压分别为三

相完全对称；中性点位移电压为 ${\stackrel{\·}{U}}_0=0;$ 以线路□为例，每相对地电容为c₁，流过线路始端的三相电流分别为

各相对地电容电流分别为

流过各相的线路负荷电流分别为 有：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CAI}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LAI}}=\mathrm{j\ω}{c}_1({\stackrel{\·}{E}}_A+{\stackrel{\·}{U}}_0)+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LAI}}$

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BI}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CBI}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LBI}}=\mathrm{j\ω}{c}_1({\stackrel{\·}{E}}_B+{\stackrel{\·}{U}}_0)+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LBI}}$

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CI}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CCI}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LCI}}=\mathrm{j\ω}{c}_1({\stackrel{\·}{E}}_C+{\stackrel{\·}{U}}_0)+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LCI}}$

线路□，每相对地电容为c₂，有：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AII}}=\mathrm{j\ω}{c}_2({\stackrel{\·}{E}}_A+{\stackrel{\·}{U}}_0)+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LAII}}$

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BII}}=\mathrm{j\ω}{c}_2({\stackrel{\·}{E}}_B+{\stackrel{\·}{U}}_0)+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LBII}}$

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CII}}=\mathrm{j\ω}{c}_2({\stackrel{\·}{E}}_C+{\stackrel{\·}{U}}_0)+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LCII}}$

当系统发生单相接地故障时，如图2所示馈线I的A相发生单相接地故障，故障电流为

三相线电压仍然保持对称，不过每相对地电压发生变化；中性点位移电压从 变为 不再等于0；仍以线路□为例，流过线路始端的三相电流分别为

各相对地电容电流分别为 流过各相线路负荷电流分别为

有：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}}^{\′}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CAI}}^{\′}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LAI}}^{\′}=\mathrm{j\ω}{c}_1({\stackrel{\·}{E}}_A+{\stackrel{\·}{U}}_0^{\′})+{\stackrel{\·}{I}}_f+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LAI}}^{\′}$

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BI}}^{\′}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CBI}}^{\′}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LBI}}^{\′}=\mathrm{j\ω}{c}_1{\stackrel{\·}{(E}}_B+{\stackrel{\·}{U}}_0^{\′})+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LBI}}^{\′}$

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CI}}^{\′}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CCI}}^{\′}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LCI}}^{\′}=\mathrm{j\ω}{c}_1({\stackrel{\·}{E}}_C+{\stackrel{\·}{U}}_0^{\′})+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LCI}}^{\′}$

同理，非故障线路II有：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AII}}^{\′}=\mathrm{j\ω}{c}_2({\stackrel{\·}{E}}_A+{\stackrel{\·}{U}}_0^{\′})+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LAII}}^{\′}$

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BII}}^{\′}=\mathrm{j\ω}{c}_2({\stackrel{\·}{E}}_B+{\stackrel{\·}{U}}_0^{\′})+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LBII}}^{\′}$

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CII}}^{\′}=\mathrm{j\ω}{c}_2({\stackrel{\·}{E}}_C+{\stackrel{\·}{U}}_0^{\′})+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LCII}}^{\′}$

在实际电网中，三相线路负荷电流在故障发生前后可视为保持不变，即

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LAI}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LAI}}^{\′},$ ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LAII}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LAII}}^{\′},$ ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LBI}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LBI}}^{\′},$ ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LBII}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LBII}}^{\′},$ ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LCI}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LCI}}^{\′},$ ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LCII}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LCII}}^{\′}.$

故障线路I各相电流在故障前后的变化量分别为：

$\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{AI}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}}^{\′}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}}=\mathrm{j\ω}{c}_1({\stackrel{\·}{E}}_A+{\stackrel{\·}{U}}_0^{\′})+{\stackrel{\·}{I}}_f-\mathrm{j\ω}{c}_1({\stackrel{\·}{E}}_A+{\stackrel{\·}{U}}_0)={\stackrel{\·}{I}}_f+\mathrm{j\ω}{c}_1({\stackrel{\·}{U}}_0^{\′}-{\stackrel{\·}{U}}_0)$

$\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{BI}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BI}}^{\′}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BI}}=\mathrm{j\ω}{c}_1({\stackrel{\·}{E}}_B+{\stackrel{\·}{U}}_0^{\′})-\mathrm{j\ω}{c}_1\left({\stackrel{\·}{E}}_B{+\stackrel{\·}{U}}_0\right)=\mathrm{j\ω}{c}_1({\stackrel{\·}{U}}_0^{\′}-{\stackrel{\·}{U}}_0)$

$\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{CI}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CI}}^{\′}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CI}}=\mathrm{j\ω}{c}_1({\stackrel{\·}{E}}_C+{\stackrel{\·}{U}}_0^{\′})-\mathrm{j\ω}{c}_1({\stackrel{\·}{E}}_C+{\stackrel{\·}{U}}_0)=\mathrm{j\ω}{c}_1({\stackrel{\·}{U}}_0^{\′}-{\stackrel{\·}{U}}_0)$

非故障线路II各相电流在故障前后的变化量分别为：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AII}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AII}}^{\′}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AII}}=\mathrm{j\ω}{c}_2({\stackrel{\·}{E}}_A+{\stackrel{\·}{U}}_0^{\′})-\mathrm{j\ω}{c}_2({\stackrel{\·}{E}}_A+{\stackrel{\·}{U}}_0)=\mathrm{j\ω}{c}_2({\stackrel{\·}{U}}_0^{\′}-{\stackrel{\·}{U}}_0)$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BII}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BII}}^{\′}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BII}}=\mathrm{j\ω}{c}_2({\stackrel{\·}{E}}_B+{\stackrel{\·}{U}}_0^{\′})-\mathrm{j\ω}{c}_2({\stackrel{\·}{E}}_B+{\stackrel{\·}{U}}_0)=\mathrm{j\ω}{c}_2({\stackrel{\·}{U}}_0^{\′}-{\stackrel{\·}{U}}_0)$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CII}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CII}}^{\′}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CII}}=\mathrm{j\ω}{c}_2({\stackrel{\·}{E}}_C+{\stackrel{\·}{U}}_C^{\′})-\mathrm{j\ω}{c}_2({\stackrel{\·}{E}}_C+{\stackrel{\·}{U}}_0)=\mathrm{j\ω}{c}_2({\stackrel{\·}{U}}_0^{\′}-{\stackrel{\·}{U}}_0)$

计算故障线路I的三相相间差电流，以故障相(A相)电流为基准的相间差电流为：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}}-(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BI}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CI}})/2={\stackrel{\·}{I}}_f$

即故障线路以故障相电流为基准的相间差电流值等于接地故障电流值。以非故障相(B相、C相)电流为基准的相间差电流分别为：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BI}}-(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CI}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}})/2=-{\stackrel{\·}{I}}_f/2$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CI}}-(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AI}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BI}})/2=-{\stackrel{\·}{I}}_f/2$

即以非故障相电流为基准的相间差电流值等于接地故障电流的一半。

非故障线路II的三相相间差电流分别为：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AII}}-(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BII}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CII}})/2=0$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BII}}-(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CII}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AII}})/2=0$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CII}}-(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AII}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BII}})/2=0$

即非故障线路的相间差电流值等于零。

单相接地故障发生后，通常故障相电压最小。如A相发生接地故障，有 ${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_A<{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_B,{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_A<{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_C.$

故障线路I的三相计算电阻分别为：

$R_{\mathrm{fAI}}=\left|\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_A}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{AI}}-(\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{BI}}+\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{CI}})/2}\right|=\left|\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_A}{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_f}\right|=R_f$

$R_{\mathrm{fBI}}=\left|\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_B}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{BI}}-({\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{CI}}+\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{AI}})/2}\right|=\left|\frac{2{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_B}{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_f}\right|>R_{\mathrm{fAI}}$

$R_{\mathrm{fCI}}=\left|\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_C}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{CI}}-(\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{AI}}+\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{BI}})/2}\right|=\left|\frac{2{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_C}{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_f}\right|>R_{\mathrm{fAI}}$

即故障相的计算电阻等于接地故障电阻，非故障相的计算电阻大于故障相的计算电阻；故障线路I的计算电阻为：

                         R_fI＝min(R_fAI，R_fBI，R_fCI)＝R_fAI＝R_f

即故障线路I的计算电阻等于接地故障电阻。

同理可得非故障线路II的三相计算电阻分别为：

$R_{\mathrm{fAII}}=\left|\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_A}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{AII}}-(\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{BII}}+\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{CII}})/2}\right|\&RightArrow;\&infin;$

$R_{\mathrm{fBII}}=\left|\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_B}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{BII}}-(\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{CII}}+\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{AII}})/2}\right|\&RightArrow;\&infin;$

$R_{\mathrm{fCII}}=\left|\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_C}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{CII}}-(\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{AII}}+\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{BII}})/2}\right|\&RightArrow;\&infin;$

非故障线路II的计算电阻为：

            R_fII＝min(R_fAII，R_fBII，R_fCII)→∞

即理论上，非故障线路II的计算电阻值为无穷大；考虑受保护装置测量精度的限制、信号测量回路的信号传变误差及干扰影响，非故障线路II的计算电阻值大小在一定的数值范围内，但仍远大于接地故障电阻值。比较线路I和线路II的计算电阻，判断计算电阻值最小的线路I是故障线路。也可以采用计算电阻值与整定值比较，判断计算电阻值小于整定值的馈线I为故障线路。馈线计算电阻整定值按需要保护的最大高阻接地故障电阻值乘以一个大于1的灵敏系数(如1.2)确定。接地故障发生后，对故障线路发接地故障信号，也可以动作保护机构跳闸。

因此小电流接地系统发生单相接地故障后，本发明在测量、计算系统的零序电压和各馈线的计算电阻值进行接地保护这一总的技术构思下，提出两种检测故障方法。第一种故障选线方法，比较各馈线计算电阻值的大小，判断具有最小计算电阻值的线路为故障线路；第二种接地保护方法，采用馈线的计算电阻值与整定值比较，如果馈线计算电阻小于该馈线的整定值，则该馈线为故障线路；对故障线路发接地故障信号，也可以动作保护机构跳闸。

该接地故障选线和保护方法采用直接计算接地故障电阻进行故障选线和保护判断，原理直观明了，便于整定；第二种接地保护方法只需测量被保护线路的电压、电流，便于在配电自动化现场终端单元FTU上安装，实现线路的分段就地保护，能够满足配电自动化的要求；从而相对现有技术更具先进性、实用性。

附图说明

图1小电流接地系统正常情况下的电流分布图；

图2小电流接地系统发生单相接地故障时的电流分布图；

图3实现配电网接地故障电阻保护的现场终端单元FTU装置；

图4FTU装置硬件原理图；

图5用于实验测试的小电流接地系统接地故障。

在图中：1-架空线路，2-多回馈线集中等效线路，3-电缆线路，4-架空线路。

具体实施方式

该保护方法需要测量三相电流、三相电压和零序电压，适合在微机线路保护装置或配电自动化现场终端单元FTU等硬件平台上实现。

图3为一FTU装置，由宁波天安集团提供，采用数字信号处理器TMS320F206实现，硬件结构原理如图4所示。采用14位AD转换，每工频周波32点采集三相电压、三相电流、零序电压零序电流等模拟量。计算零序电压有效值，当零序电压大于整定值(10％相电压)时，判断配电网发生接地故障，零序电压突变时刻为故障发生时刻，计算故障发生前后三相电流变化量，计算相间差电流，计算电阻值；通过比较各馈线的计算电阻Rf进行故障选线，判定计算电阻最小的馈线为故障线路；或者通过比较馈线计算电阻与该馈线计算电阻整定值的大小进行接地保护，判定计算电阻小于整定值的馈线为故障线路，馈线计算电阻整定值按需要保护的高阻接地故障电阻值乘以灵敏系数1.2确定；

图5为采用该FTU装置进行实验测试的一35KV配电网，母线上带有L1、L2、L3、L4四条馈线，馈线参数见表1。

                                     表1 馈线参数

名称	性质	长度(km)	每相等效对地电容(μF)	相间电容(μF)	阻尼率	负荷(KVA)	功率因数Cosα
								L1	架空线路	30	0.15	0.0375	4％	2000	0.80
L2	多回馈线集中等效线路	100	0.5	0.125	4％	10000	0.80
								L3	电缆线路	30	1.8	0.72	3％	2000	0.80
L4	架空线路	20	0.1	0.025	4％	1000	0.80

根据中性点接地方式、补偿度、故障点、故障接地方式、故障电阻以及负荷等的不同情况，分别进行实验测试，计算了各馈线的计算电阻值，计算结果列于表2。

                     表2 各种运行状况下各馈线的计算电阻值及接地故障电阻保护动作情况

故障类型	中性点接地方式	脱谐度ν	U0(kV)	各馈线计算电阻值及保护动作情况
												Rf1(Ω)	动作否？	Rf2(Ω)	动作否？	Rf3(Ω)	动作否？	Rf4(Ω)	动作否？
				馈线4的A相金属性接地(Rf＝5Ω)	不接地		20.20	32235	否	33843	否									34438	否	7.712	是
高阻接地(400欧)		20.03	31825									否	32578	否	33223	否	7.678	是
					消弧线圈直接接地	-5％	20.19	31656	否	32370	否								32670	否	8.435	是
-10％	20.18	31632	否									32465	否	32679	否	8.508	是
						消弧线圈串电阻接地	-5％	20.16	31683	否	32435							否	32769	否	8.467	是
-10％	20.16	31665	否		32450							否	32693	否	8.488	是
							馈线4的A相高阻接地(Rf＝1000Ω)	不接地		7.69	95800						否	111400	否	129300	否	1009	是
高阻接地(400欧)		7.40	82500	否	112500	否						114600	否	1009	是
								消弧线圈直接接地	-5％	18.53	78400					否	95400	否	106400	否	1007	是
-10％	18.20	77100	否	95200	否	104200						否	1007	是
									消弧线圈串电阻接地	-5％	14.60				79400	否	96500	否	107300	否	1008	是
-10％	14.21	78300	否	94800	否	105400		否				1007	是

在接地故障电阻保护方法测试过程中，取零序电压整定值为10％相电压，即2021V。由表2可知：各种类型故障，零序电压都大于整定值，都能可靠判定接地故障的发生，启动接地保护检测。采用接地电阻故障选线方法，比较各馈线的计算电阻。在各种类型接地故障条件下，馈线4的计算电阻最小，判断馈线4故障，馈线4的计算电阻值近似等于接地故障电阻。采用接地故障电阻保护方法，各馈线计算电阻整定值按需要保护的最大高阻接地故障电阻值即2021V。由表2可知：各种类型故障，零序电压都大于整定值，都能可靠判定接地故障的发生，启动接地保护检测。采用接地电阻故障选线方法，比较各馈线的计算电阻。在各种类型接地故障条件下，馈线4的计算电阻最小，判断馈线4故障，馈线4的计算电阻值近似等于接地故障电阻。采用接地故障电阻保护方法，各馈线计算电阻整定值按需要保护的最大高阻接地故障电阻值(20kΩ)乘以1.2的灵敏系数确定，即取馈线1、2、3和4的计算电阻整定值为24kΩ。在表2中馈线4的各种类型接地故障条件下，馈线1、2和3的计算电阻值都大于相应的整定值，接地保护可靠不动作；而馈线4的计算电阻都小于相应的整定值，接地保护灵敏动作，馈线4的计算电阻值近似等于接地故障电阻值。由于取各馈线的计算电阻整定值为24kΩ，该接地故障电阻保护能检测24kΩ以下的高阻接地故障，保护精度高、保护可靠性好。

Claims (2)

1.一种小电流接地系统接地故障选线与保护方法，包括如下步骤：

(1)在线监测配电系统的零序电压和相电压，在线监测各馈线的相电流；对零序电压、相电压和相电流进行离散AD采样；

(2)连续计算零序电压有效值，当大于电压整定值时，判定系统发生接地故障，启动故障选线与保护判断；零序电压突变时刻为故障发生时刻，电压整定值取值范围为5％～30％相电压值；

(3)计算系统发生接地故障前后各馈线的三相电流变化量，定义相间差电流为该相电流变化量与另外两相电流变化量相量和的0.5倍的差值，计算相间差电流向量；

(4)定义每相的计算电阻为故障发生后该相电压和以该相电流为基准的相间差电流的比值；定义各条馈线的计算电阻R_f为该条馈线三相计算电阻的最小值；计算各条馈线的计算电阻值；

(5)通过比较各馈线的计算电阻R_f进行接地故障选线，判定计算电阻最小的馈线为故障线路；

(6)故障线路发接地故障信号。

2.一种小电流接地系统接地故障选线与保护方法，包括如下步骤：

(1)在线监测配电系统的零序电压和相电压，在线监测各馈线的相电流；对零序电压、相电压和相电流进行离散AD采样；

(2)连续计算零序电压有效值，当大于电压整定值时，判定系统发生接地故障，启动故障选线与保护判断；零序电压突变时刻为故障发生时刻；电压整定值取值范围为5％～30％相电压值；

(3)计算系统发生接地故障前后各馈线的三相电流变化量，定义相间差电流为该相电流变化量与另外两相电流变化量相量和的0.5倍的差值，计算相间差电流向量；

(4)定义每相的计算电阻为故障发生后该相电压和以该相电流为基准的相间差电流的比值；定义各条馈线的计算电阻R_f为该条馈线三相计算电阻的最小值；计算各条馈线的计算电阻值；

(5)通过比较馈线计算电阻与该馈线计算电阻整定值的大小进行馈线接地保护，判定计算电阻小于整定值的馈线发生单相接地故障；所述馈线计算电阻整定值按需要保护的接地故障最高过渡电阻值乘以一个大于1的灵敏系数确定，最高过渡电阻的取值范围为5kΩ～40kΩ，通常取20kΩ，灵敏系数取值范围为1～2；

(6)故障线路发接地故障信号。

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