CN1804649A - 小接地电流电网单相接地故障选线方法及其选线系统 - Google Patents

Abstract

一种小接地电流电网单相接地故障选线方法，包括以下步骤：(1)采集安装于各条线路上的电压传感器、电流传感器上的零序电压、零序电流信号，并计算零序电压幅值，如该幅值超过极限值判定发生故障，采集故障后4个周波的零序电流；(2)计算出每条线路零序电流在故障启动后第二、三、四个周波的有效值I₁、I₂和I₃，计算每条线路的零序电流的梯度系数K₁、K₂；(3)判断是否满足K₁＞K_SET且K₂＞K_SET；K_SET为梯度系数设定值，取值范围为1.2～2.0；(4)如满足，该线路为接地故障线路。实现该选线方法的选线系统包括微处理器，该微处理器包括故障检测启动单元、零序电流梯度计算单元、暂态梯度选线单元。本发明操作和维护简单、选线准确性好、选线成功率高。

Description

小接地电流电网单相接地故障选线方法及其选线系统

(一)技术领域

本发明属于电力系统领域，涉及一种小接地电流电网单相接地故障选线方法及其选线装置。

(二)背景技术

目前国内的中压电网中性点接地方式主要有两种：中性点不接地和中性点经消弧线圈接地。这两种中性点接地方式的电网均称为小电流接地电网。

这两种电网在发生线路单相接地故障时有不同的特点。

对于中性点不接地电网，参见图1，在中性点不接地的供电电网中，线路发生单相接地时有如下特点：(1)、非故障线路零序电流3I₀的大小等于本线路的对地电容电流，故障线路的零序电流3I₀的大小等于所有非故障线路零序电流3I₀之和；(2)、零序电压突变、抬高。故障点的电流为全网的对地电容电流；(3)、故障线路的零序电流与非故障线路的零序电流方向相反，非故障线路的零序电流超前零序电压90°，方向由母线流向线路；而故障线路的零序电流滞后零序电压90°，方向由线路流向母线。

对于中性点经消弧线圈接地电网，参见图2，由于消弧线圈的存在，线路上零序电流的分布将发生重大改变，其特点为：(1)、非接地故障线路上的零序电流的大小和方向均保持不变；(2)、故障接地线路中的零序电流的大小变成了该故障接地线路本身的对地电容电流与电感电流和配电系统总电容电流相互补偿后的残流(它一般为5～6A)的差值；(3)、故障接地线路中的零序电流(也就是上述两个电流的差值)常常比单回线路的对地电容电流要小。

由于消弧线圈的电感电流对系统中对地电容电流的补偿作用，使得流过接地故障线路的零序电流大大减少，甚至在多数情况下会出现接地故障线路中的零序电流比未接地线路中的零序电流更小的情况，这就使得接地故障判线变得十分困难。

另外，由于接地点过渡电阻可以在很大的范围内(从金属性接地R＝0到很高的阻值R＝几KΩ～几十KΩ)变化，使得流过接地故障点的残流在幅值和相位上也会相应地在一个很大的范围内变化，这也将使各条线路中流过的零序电流及其分布同样亦在一个很大的范围内变化，这就使得此时对故障接地线路的判别更是难上加难。

这两种电网在发生线路单相接地故障时带故障运行不得超过2小时。故障发生后，变电站的运行人员需要知道接地故障所在线路才能进行故障排除。但是，由于小电流接地电网单相接地故障电流较小，通常运行人员只能凭经验试跳各条线路。

由于计算机技术在电力系统自动化领域的广泛应用，微机小电流接地选线装置应运而生。自动选线装置主要可以分为以下几种原理：

(1)、零序电流绝对值整定原理；(2)、故障线路零序电流最大原理(无消弧线圈系统采用基波；有消弧线圈系统则采用五次谐波)；(3)、零序功率方向原理(无消弧线圈系统采用基波，有消弧线圈系统采用五次谐波)；(4)、有功分量法；(5)、残流增量法；(6)、暂态零序电压电流方向原理(首半波原理)；(7)、“S注入法”接地选线。

从目前的运行情况来看，各种小电流接地选线装置的选线效果并不十分理想。极大多数的选线装置的选线成功率都不高。这是由于存在以下多种因素会对选线装置的准确性产生较大的影响，使各种选线装置的实际选线效果大受影响，不能很好满足实际使用要求。

(1)现场硬件条件因素：

零序CT误差：零序CT的工作电流往往较小，零序CT工作于磁化曲线较低的位置，该区域CT的变比往往与额定变比有较大误差，从而影响零序电流的精度。

架空线相CT参数不一致：对于架空线路采用三相CT接成零序过滤器的形式。由于三相CT参数不一致将造成零序电流出现较大的误差。

(2)负载因素：

相负载不平衡造成零序电流的存在：变电站实际运行过程中，由于三相负载不可能完全平衡，也将造成零序电流的误差，而且，由于负载不平衡而造成的零序电流往往比真正的零序电流要大的多，因此可能将湮没实际零序电流。

三相对地电容随季节、天气等变化而变化。

(3)现场调试与施工因素：

现场施工中有时会将零序电流的同名端极性接反；

现场调试时将CT变比设错。

由于以上众多因素，因此往往容易造成误判。

许多变电站不再采用独立的接地选线装置，而采用由综合自动化系统判别接地线路。但是，这种方式并不能排除由于负载不平衡、CT误差、季节变化等各种因素的影响。而且，对于中性点经消弧线圈接地的系统，由于消弧线圈对于电容电流的补偿作用，采用幅值+相位的判别方法将失效，因此不能采用综合自动化系统去判别接地线路。

(三)发明内容

为了克服已有技术的选线方法的准确性较差、选线成功率低、选线装置的操作和维护复杂的不足，本发明提供一种操作和维护简单、选线准确性好、选线成功率高的小接地电流电网单相接地故障选线方法及其选线系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种小接地电流电网单相接地故障选线方法，该方法包括以下步骤：

(1)、采集安装于各条线路上的电压传感器、电流传感器上的零序电压、零序电流信号，并计算零序电压幅值，判断该零序电压幅值是否超过预设的极限值，如超出判定发生故障，并采集故障后4个周波的零序电流；

(2)、根据采集到的故障后4个周波的零序电流，计算出每条线路零序电流在故障启动后第二个周波的有效值I₁、第三个周波的有效值I₂和第四个周波的有效值I₃，计算每条线路的零序电流的梯度系数：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_1=\frac{I_1}{I_2}\\ K_2=\frac{I_2}{I_3}\end{array}\right.;$

(3)、判断是否满足K₁＞K_SET且K₂＞K_SET，K_SET为梯度系数设定值，K_SET的取值范围为1.2～2.0；

(4)、满足K₁＞K_SET且K₂＞K_SET的线路为接地故障线路。

进一步，该方法还包括(5)、不满足K₁＞K_SET且K₂＞K_SET时，采集各条线路的零序电压U、故障前的基波零序电流I_前、故障后第二个周波的基波零序电流I_后；

(6)、计算I_前与I_后之间的矢量差：ΔI＝I_后-I_前；

(7)、比较各条线路的ΔI，选择其中幅值最大且相位落后于零序电压U为90°±δ的线路为故障线路，δ的取值范围为0°～30°。

再进一步，上述的(1)中，判定发生故障后保存各条线路的从故障前一个周波到故障后四个周波的零序电流、零序电压波形，根据电流、电压波形计算故障后二、三、四个周波的零序电流有效值。

更进一步，上述的(1)中，判定发生故障后保存各条线路的从故障前一个周波到故障后四个周波的零序电流、零序电压波形；上述的(5)中，根据波形计算故障前的基波零序电流I_前、故障后第二个周波的基波零序电流I_后、零序电压U的相位。

一种实现所述的小接地电流电网单相接地故障选线方法的选线系统，包括微处理器、A/D转换装置、外部接口、安装于各条线路上的电压传感器、电流传感器、人机界面装置、电源，所述的电压传感器、电流传感器与外部接口通讯连接，外部接口通过A/D转换装置连接微处理器，微处理器连接人机界面装置，所述的微处理器包括：

一故障检测启动单元，用于采集所述的电压传感器、电流传感器上的零序电压、零序电流信号，并计算零序电压幅值，判断该零序电压幅值是否超过预设的极限值，如超出判定发生故障；

一零序电流梯度计算单元，用于根据采集故障后4个周波的零序电流计算出每条线路在故障启动后第二个周波的有效值I₁、第三个周波的有效值I₂和第四个周波的有效值I₃，计算每条线路的零序电流的梯度系数：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_1=\frac{I_1}{I_2}\\ K_2=\frac{I_2}{I_3}\end{array}\right.;$

一暂态梯度选线单元，用于判断是否满足K₁＞K_SET且K₂＞K_SET，如果满足，则该线路为故障线路。

进一步，所述的微处理器还包括：一基波信号采集单元，用于在故障选线单元判断不满足K₁＞K_SET且K₂＞K_SET时，采集各条线路的零序电压U、故障前的基波零序电流I_前、故障后第二个周波的基波零序电流I_后；一零序电流比较单元，用于计算I_前与I_后之间的矢量差：ΔI＝I_后-I_前；一矢量差分选线单元，用于比较各条线路的ΔI，选择其中幅值最大且相位落后于零序电压U为90°±δ的线路为故障线路，δ的取值范围为0°～30°。

所述的微处理器还包括：波形保存单元，用于将判定发生故障后保存各条线路的从故障前一个周波到故障后四个周波的零序电流、零序电压波形。

本发明的工作原理：当中性点经消弧线圈接地电网单相接地故障发生后，在故障点有衰减很快的暂态电容电流和衰减较慢的暂态电感电流流过；而中性点不接地电网单相接地故障发生后，在故障点只有衰减很快的暂态电容电流流过。暂态电容电流持续时间很短，约为0.5～1.0个工频周波；暂态电感电流由直流分量和交流分量两部分组成，持续时间一般可达几个工频周波。

基于上述暂态电流的特性，小电流接地选线装置采用高速A/D采集零序电压和各条线路的零序电流，记录零序电压突变前一个周波和突变后四个周波的零序电流波形数据，然后计算从故障发生后第二个周波到第四个周波每条线路的零序电压幅值(有效值)，选出其中成降梯度变化的线路，该线路就是接地线路。如果没有符合上述条件的线路，说明该电网为中性点不接地系统，此时分别计算故障前后基波零序电流的矢量及矢量差，比较各条线路矢量差满足幅值和相位条件的即为接地线路。

本发明的有益效果主要表现在：(1)、对于中性点经消弧线圈接地电网，暂态过程零序电流幅值较大，容易测量，因此选线成功率较高；(2)、本发明不同于现有技术中的首半波选线法，首半波选线法同时考虑零序电流的幅值和相位，而本技术采用接地故障后第二、三、四周波的零序电流幅值梯度来选线，不需要零序电流的相位，因此对于现场施工中零序CT极性接反时也能正确判别；(3)、对于间歇性电弧接地本技术仍然适用；(4)、采用普通的PT、CT，不需要另外安装其他专用耦合设备及监测设备，选线装置操作维护简单；(5)、不受系统规模和线路结构变化影响；(6)、考虑了故障前系统的状态，零序电流矢量差分避免了负载不平衡、三相CT不平衡及其他运行因素的影响；(7)、由于变电站安装的消弧线圈种类较多，性能各异，有些电站采用冷备用型消弧线圈(单相接地故障发生后再投入)及慢速消弧线圈，运用本发明可以避免误判。

(四)附图说明

图1是中性点不接地电网单相接地时电流分布图。

图2是中性点经消弧线圈接地电网单相接地时电流分布图。

图3是故障检测启动单元的流程图。

图4是本发明的选线方法的流程图。

图5是本发明的选线装置的原理框图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图3、图4、图5，一种小接地电流电网单相接地故障选线方法，该方法包括以下步骤：(1)、微处理器5采集安装于各条线路上的电压传感器1、电流传感器2上的零序电压、零序电流信号，并计算零序电压幅值，判断该零序电压幅值是否超过预设的极限值，如超出判定发生故障，并采集故障后4个周波的零序电流；(2)、根据采集到的故障后4个周波的零序电流，计算出每条线路零序电流在故障启动后第二个周波的有效值I₁、第三个周波的有效值I₂和第四个周波的有效值I₃，计算每条线路的零序电流的梯度系数：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_1=\frac{I_1}{I_2}\\ K_2=\frac{I_2}{I_3}\end{array}\right.;$

(3)、判断是否满足K₁＞K_SET且K₂＞K_SET，K_SET为梯度系数设定值，K_SET的取值范围为1.2～2.0；(4)、满足K₁＞K_SET且K₂＞K_SET的线路为接地故障线路。

该方法还包括：(5)、不满足K₁＞K_SET且K₂＞K_SET时，采集各条线路的零序电压U、故障前的基波零序电流I_前、故障后第二个周波的基波零序电流I_后；(6)、计算I_前与I_后之间的矢量差：ΔI＝I_后-I_前；(7)、比较各条线路的ΔI，选择其中幅值最大且相位落后于零序电压U为90°±δ的线路为故障线路，δ的取值范围为0°～30°。

再进一步，上述的(1)中，判定发生故障后保存各条线路的从故障前一个周波到故障后四个周波的零序电流、零序电压波形，根据电流、电压波形计算故障后二、三、四个周波的零序电流有效值。

更进一步，上述的(1)中，判定发生故障后保存各条线路的从故障前一个周波到故障后四个周波的零序电流、零序电压波形；上述的(5)中，根据波形计算故障前的基波零序电流I_前、故障后第二个周波的基波零序电流I_后、零序电压U的相位。

参照图5，一种实现所述的小接地电流电网单相接地故障选线方法的选线系统，包括微处理器5、A/D转换装4置、外部接口3、安装于各条线路上的电压传感器1、电流传感器2、人机界面装置6、电源7，所述的电压传感器1、电流传感器2与外部接口3通讯连接，外部接口3通过A/D转换装置4连接微处理器5，微处理器5连接人机界面装置6，所述的微处理器5包括：一故障检测启动单元8，用于采集所述的电压传感器、电流传感器上的零序电压、零序电流信号，并计算零序电压幅值，判断该零序电压幅值是否超过预设的极限值，如超出判定发生故障；一零序电流梯度计算单元10，用于根据采集故障后4个周波的零序电流计算出每条线路在故障启动后第二个周波的有效值I₁、第三个周波的有效值I₂和第四个周波的有效值I₃，计算每条线路的零序电流的梯度系数：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_1=\frac{I_1}{I_2}\\ K_2=\frac{I_2}{I_3}\end{array}\right.;$

一暂态梯度选线单元11，用于判断是否满足K₁＞K_SET且K₂＞K_SET，如果满足，则该线路为故障线路。

该微处理器5还包括一基波零序电信号单元12，用于在故障选线单元判断不满足K₁＞K_SET且K₂＞K_SET时，采集各条线路的零序电压U、故障前的基波零序电流I_前、故障后第二个周波的基波零序电流I_后；一零序电流比较单元13，用于计算I_前与I_后之间的矢量差：ΔI＝I_后-I_前；一矢量差分选线单元14，用于比较各条线路的ΔI，选择其中幅值最大且相位落后于零序电压U为90°±δ的线路为故障线路，δ的取值范围为0°～30°。

还包括波形保存单元8，用于将判定发生故障后保存各条线路的从故障前一个周波到故障后四个周波的零序电流、零序电压波形。根据电流、电压波形计算故障后二、三、四个周波的零序电流有效值以及计算故障前基波零序电流I_前、故障后第二个周波基波零序电流I_后、零序电压U的相位。

本发明的A/D转换装置有40路14位同步采样/保持A/D转换，用以完成36路零序电流信号和4路零序电压信号的同步采样；微处理器包括CPU、FLASH、RAM、ROM、EEPROM等，用于完成采样数据存储、接地启动判断、接地故障分析及接地故障报警等功能；人机界面装置包括一个240*64点阵的液晶显示器、键盘及LED显示；电源为内部电源。

参照图3，故障检测启动的过程：

(1)、微处理器的CPU产生定时中断，在中断任务中完成40路A/D转换，将转换结果存储于RAM中；

(2)、采集各条线路的零序电压、零序电流，计算4个零序电压幅值；

(3)、判断零序电压是否发生超过极限值，如果发生越限，置零序电压启动标志，判定发生故障，并在零序电压启动后采集数据达到4个周波，则置采集满标志。

参见图4，本发明的单相接地故障选线的流程为：

(1)、故障发生后，首先判断采集满标志是否置位，如果置位，则启动接地选线子程序；

(2)、判断此时零序电压启动标志是否置位，如置位，则将RAM中保存的40路A/D转换数据保存到FLASH中，即保存各条线路的从故障前一个周波到故障后四个周波的电流、电压波形；

(3)，按照公式：

$I=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k^2}$

i_k为离散采集点的数据，n为每个周波采集点数；

分别计算故障后第二个周波每条线路的零序电流，计为I₁；故障后第三个周波每条线路的零序电流，计为I₂；故障后第四个周波每条线路的零序电流，计为I₃；

(4)、计算每条线路的零序电流的梯度系数：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_1=\frac{I_1}{I_2}\\ K_2=\frac{I_2}{I_3}\end{array}\right.$

计算每条线路的梯度系数K₁、K₂。逐条线路判断是否满足K₁＞K_SET且K₂＞K_SET；K_SET为梯度系数设定值，K_SET的取值范围为1.2～2.0；

(5)、如满足条件则该线路为接地线路。

(6)、如果所有线路没有满足上述条件的，则说明该接地故障发生于中性点不接地系统中，此时计算各条线路在接地故障前后的零序电流基波矢量I_前、I_后；

(7)，计算I_前与I_后之间的矢量差：ΔI＝I_后-I_前；

(8)选择该矢量幅值最大且落后于零序电压90°±δ的线路为故障线路，δ的取值范围为0°～30°。

Claims (7)

1、一种小接地电流电网单相接地故障选线方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)、采集安装于各条线路上的电压传感器、电流传感器上的零序电压、零序电流信号，并计算零序电压幅值，判断该零序电压幅值是否超过预设的极限值，如超出判定发生故障，并采集故障后4个周波的零序电流；

(2)、根据采集到的故障后4个周波的零序电流，计算出每条线路零序电流在故障启动后第二个周波的有效值I₁、第三个周波的有效值I₂和第四个周波的有效值I₃，计算每条线路的零序电流的梯度系数：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_1=\frac{I_1}{I_2}\\ K_2=\frac{I_2}{I_3}\end{array}\right.;$

(3)、判断是否满足K₁＞K_SET且K₂＞K_SET，K_SET为梯度系数设定值，K_SET的取值范围为1.2～2.0；

(4)、满足K₁＞K_SET且K₂＞K_SET的线路为接地故障线路。

2、如权利要求1所述的小接地电流电网单相接地故障选线方法，其特征在于：该方法还包括：(5)、不满足K₁＞K_SET且K₂＞K_SET时，采集各条线路的零序电压U、故障前的基波零序电流I_前、故障后第二个周波的基波零序电流I_后；

(6)、计算I_前与I_后之间的矢量差：ΔI＝I_后-I_前；

(7)、比较各条线路的ΔI，选择其中幅值最大且相位落后于零序电压U为90°±δ的线路为故障线路，δ的取值范围为0°～30°。

3、如权利要求1所述的小接地电流电网单相接地故障选线方法，其特征在于：上述的(1)中，判定发生故障后保存各条线路的从故障前一个周波到故障后四个周波的零序电流、零序电压波形。

4、如权利要求2所述的小接地电流电网单相接地故障选线方法，其特征在于：上述的(1)中，判定发生故障后保存各条线路的从故障前一个周波到故障后四个周波的零序电流、零序电压波形；上述的(5)中，根据波形计算故障前的基波零序电流I_前、故障后第二个周波的基波零序电流I_后、零序电压U的相位。

5、一种实现如权利要求1所述的小接地电流电网单相接地故障选线方法的选线系统，包括微处理器、A/D转换装置、外部接口、安装于各条线路上的电压传感器、电流传感器、人机界面装置、电源，所述的电压传感器、电流传感器与外部接口通讯连接，外部接口通过A/D转换装置连接微处理器，微处理器连接人机界面装置，其特征在于：所述的微处理器包括：

一故障检测启动单元，用于采集所述的电压传感器、电流传感器上的零序电压、零序电流信号，并计算零序电压幅值，判断该零序电压幅值是否超过预设的极限值，如超出判定发生故障；

一零序电流梯度计算单元，用于根据采集故障后4个周波的零序电流计算出每条线路在故障启动后第二个周波的有效值I₁、第三个周波的有效值I₂和第四个周波的有效值I₃，计算每条线路的零序电流的梯度系数：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_1=\frac{I_1}{I_2}\\ K_2=\frac{I_2}{I_3}\end{array}\right.;$

一暂态梯度选线单元，用于判断是否满足K₁＞K_SET且K₂＞K_SET，K_SET为梯度系数设定值，K_SET的取值范围为1.2～2.0，如果满足，则该线路为故障线路。

6、如权利要求5所述的小接地电流电网单相接地故障选线系统，其特征在于：所述的微处理器还包括：

一基波信号采集单元，用于在故障选线单元判断不满足K₁＞K_SET且K₂＞K_SET时，采集各条线路的零序电压U、故障前的基波零序电流I_前、故障后第二个周波的基波零序电流I_后；

一零序电流比较单元，用于计算I_前与I_后之间的矢量差：ΔI＝I_后-I_前；

一矢量差分选线单元，用于比较各条线路的ΔI，选择其中幅值最大且相位落后于零序电压U为90°±δ的线路为故障线路，δ的取值范围为0°～30°。

7、如权利要求5或6所述的小接地电流电网单相接地故障选线系统，其特征在于：所述的微处理器还包括：

波形保存单元，用于将判定发生故障后保存各条线路的从故障前一个周波到故障后四个周波的零序电流、零序电压波形。

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