基于中性点工频零序电流注入的配电网高阻接地故障选线方法与流程

1.本发明涉及中压配电网技术领域，特别是涉及一种基于中性点工频零序电流注入的配电网高阻接地故障选线方法。


背景技术：

2.在配电网中，单相接地故障是最主要的线路故障，约占全部故障的70％以上。随着利用故障暂态电气量以及外加信号注入法等选线技术的不断成熟，配电网低阻接地故障选线基本得到有效解决。但是由于配电网周围环境复杂且线路架空距离低，所以常发生由裸露的带电导线与如水泥、沙地和树木等非理想导体直接接触而产生的高阻接地故障。高阻接地故障点过渡电阻可高达几千欧甚至上万欧，故障特征极其微弱，检测难度极大。电力系统继电保护委员会高阻接地故障研究报告指出，传统保护技术检测高阻接地故障成功率不足20％。若故障长期存在，可能引发更严重的相间短路，导致大面积停电影响供电可靠性；同时坠地导线、树闪故障等还可能造成人身触电与火灾事故。因此，配电网发生高阻接地故障后，及时并准确选取故障馈线是本领域技术人员亟待解决的难题。
3.国内外学者针对高阻接地故障提出了一系列选线方法，主要可分为被动法和主动法。被动法中根据利用故障信息的不同又可分为基于稳态信息选线法和基于暂态信息选线法。基于稳态信息选线法诸如群体比幅比相法、5次谐波法、零序导纳法、负序电流法等。该类方法易受中性点接地方式和系统不对称度的影响而且耐过渡电阻能力不强，一般不会超过一千欧，究其原因是过渡电阻一旦超过一千欧，选线方法利用的稳态电气量含量较低，准确提取稳态电气量并用于选线难度较大，易造成对极性、幅值、方向等的误判，可靠性差。基于暂态信息选线法诸如首半波法、小波变换法、暂态有功能量法、暂态电流投影法等。该类方法具有不受中性点接地方式影响的优势，但是抗干扰能力弱，暂态信号存在时间有限，暂态分量提取较困难，同样的当过渡电阻增大时，暂态电气量减少，一般仅能实现两千欧以下的接地故障选线。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的在于提供一种针对千欧级(主要指1kω—10kω)过渡电阻接地的工频零序电流注入的配电网高阻接地故障选线方法，当配电网发生接地故障后，依据对过渡电阻的精确测量，在判断配电网发生高阻接地后及时准确的辨识故障馈线。
5.为实现上述技术效果，本发明所采用的技术方案是，一种基于中性点工频零序电流注入的配电网高阻接地故障选线方法，具体包括以下步骤：
6.步骤s1：记录配电网正常运行状态零序电压
7.步骤s2：正常运行状态中性点注入已知工频零序电流并记录该工频零序电流和此时零序电压
8.步骤s3：判断零序电压u0幅值是否越限，若越限且至少持续t1时长则认为系统发生单相接地故障；
9.步骤s4：记录故障状态零序电压并由上述记录的已知量求解过渡电阻r
f
；
10.步骤s5：判断过渡电阻r
f
是否满足1kω≤r
f
≤10kω，不满足则选用其他选线方案，满足则启动高阻接地故障选线方案；
11.步骤s6：由上述记录的已知量求解使零序电压置0需注入的工频零序电流
12.步骤s7：由上述记录的已知量计算故障馈线零序电流理论值并实时记录各馈线零序电流实测值构造馈线幅值比λ
i
；
13.步骤s8：判断馈线幅值比是否满足0.9≤λ
i
≤1.1，若满足则该馈线为故障馈线，若都不满足则认为是母线接地故障。
14.进一步的，所述步骤s1具体为：
15.零序电压互感器实时采集母线零序电压并对采集数据进行记录；
16.以a相作为参考相，由节点电压方程可知三相导纳不对称情况下中性点零序电压与系统对地导纳之间的关系为：
[0017][0018]
其中，为a相电源电动势，为配电网三相对地等效导纳，为中性点等效导纳，α＝e
j120
°
为单位相量算子，定义为系统自然不平衡电流。
[0019]
进一步的，所述步骤s2具体为：
[0020]
正常运行状态中性点注入已知的工频零序电流并记录，零序电压互感器采集此时母线零序电压，并对采集数据进行记录；
[0021]
注入的工频零序电流相角可任意选择，幅值上应满足：
[0022][0023]
其中，k
u
为可靠系数，u
n
为系统正常运行时母线额定电压，这是为了避免正常状态中性点注入工频零序电流引起零序电压偏移，造成对接地故障的误判；
[0024]
由节点电压方程可知此时中性点零序电压与注入电流的关系具体为：
[0025][0026]
同时结合步骤s1正常运行状态中性点零序电压的表达式，得到如下配电网对地导纳和系统自然不平衡电流测量表达式：
[0027][0028]
其中，为正常运行状态中性点注入基波零序电流后零序电压的变化量。
[0029]
进一步的，所述步骤s3具体为：
[0030]
当中性点零序电压的幅值u0大于设定的阈值k
u
u
n
且持续至少t1时长，则判断系统发生单相接地故障，并按照步骤s4进行过渡电阻的测量，倘若小于设定的阈值k
u
u
n
则返回步骤s1。
[0031]
进一步的，所述步骤s4具体为：
[0032]
实时采集并记录故障状态中性点零序电压并结合上述步骤记录的已知量，通过联立零序电压方程，精确求解过渡电阻；
[0033]
不妨假设馈线n的a相发生过渡电阻为r
f
的单相接地故障，同样可由节点电压方程确定此时中性点零序电压具体表达式为：
[0034][0035]
结合步骤s1和步骤s2中性点零序电压和的具体表达式，联立这3个零序电压方程得配电网发生单相接地故障时过渡电阻r
f
测量表达式为：
[0036][0037]
由该测量表达式精确测量过渡电阻，从而判断系统是否发生千欧级的单相高阻接地故障。
[0038]
进一步的，所述步骤s5具体为：
[0039]
判断步骤s4测量得到的过渡电阻范围是否满足1kω≤r
f
≤10kω，在此范围内启动本发明所提的高阻接地故障选线方案，若不在此范围，则采用其他选线方法。这主要是避免发生单相低阻接地时，故障残流过大导致灭弧困难，同时如今针对过渡电阻低于一千欧的单相接地故障，先进的选线方法能基本保证选线准确率。
[0040]
进一步的，所述步骤s6具体为：
[0041]
由上述步骤记录的已知量，精确求解故障状态中性点需注入的工频零序电流从而将中性点零序电压置0；
[0042]
由节点电压方程知此时中性点零序电压具体表达式为：
[0043][0044]
由此零序电压方程再结合步骤s2得到的系统自然不平衡电流测量表达式，和
步骤s4得到的过渡电阻r
f
测量表达式，可得中性点需注入的工频零序电流表达式为：
[0045][0046]
其中，定义为比值因子，具体为：
[0047][0048]
其中，为故障前故障相电压，为故障后故障相电压，注入的工频零序电流不受中性点接地方式影响。
[0049]
进一步的，所述步骤s7具体为：
[0050]
由上述步骤记录的已知量求解故障馈线零序电流理论值同时零序电流互感器实时采集各馈线零序电流采集得到的数据记录为馈线零序电流实测值用于构造馈线幅值比λ
i
；
[0051]
故障状态中性点零序电压被置0后，忽略单独某条馈线不对称度对线路本身零序电流的影响，健全馈线i的零序电流满足：
[0052][0053]
其中，为健全馈线i的对地等效导纳；
[0054]
故障馈线n的零序电流满足：
[0055][0056]
其中，为故障馈线n的对地等效导纳；
[0057]
结合步骤s6和步骤s3所得的故障状态中性点需注入的工频零序电流和系统自然不平衡电流测量表达式，明确此时故障馈线n零序电流理论值
[0058][0059]
故可由记录的已知量求解故障馈线零序电流且不受中性点接地方式的影响；
[0060]
结合零序电流互感器采集的馈线零序电流实测值构造馈线幅值比λ
i
：
[0061][0062]
由各馈线的馈线幅值比进一步构造故障选线判据。
[0063]
进一步的，所述步骤s8具体为：
[0064]
通过步骤s7得到的馈线幅值比，构造故障选线判据：
[0065][0066]
存在0.9≤λ
i
≤1.1的馈线则为故障馈线，如不存在则可认为是母线接地故障；
[0067]
对于健全馈线而言，将中性点零序电压置0后，健全馈线零序电流随之置0，健全馈线零序电流实测值在理想情况下为0；而对于故障馈线，它的实测值和理论值在理想情况下应保持一致，都为故障相电源电压与过渡电阻的比值；考虑到实际系统中由于线路自身不对称度的影响、计算误差、测量误差和噪声干扰等因素，为提高选线方法的鲁棒性，故本发明将馈线幅值比偏离理想情况所得数据的
±
0.1；
[0068]
该判据易于整定，将选线装置安装在线路出口处即可，仅利用线路出口所测的零序电流就可以实现选线，无需进行馈线零序电流之间的比较，具有自举性。
[0069]
本发明的有益效果是：(1)精确测量过渡电阻，能较好地判别单相高阻接地故障，可为故障选线方案的启动提供重要依据；(2)能准确完成千欧级(主要指1kω—10kω)高阻接地故障线路辨识，耐过渡电阻能力强，且选线判据具有自举性；(3)该方法不受系统中性点接地方式影响，且满足零序电流互感器测量精度和故障残流允许值要求。
附图说明
[0070]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0071]
图1是本发明实施原理示意图
[0072]
图2是本发明实施例进行高阻接地故障选线流程图；
[0073]
图3是本发明实施例中10kv配电网仿真模型示意图；
[0074]
图4是本发明实施例中馈线l1发生5kω单相高阻接地，中性点注入工频零序电流后零序电压及各馈线零序电流示意图。
具体实施方式
[0075]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0076]
如图1所示为本发明实施原理示意图。其中分别为配电网系统a、b、c三相电源电动势；c
ia
、c
ib
、c
ic
为馈线i(i＝1,2...n)的对地分布电容，g
ia
、g
ib
、g
ic
为馈线i的对地分布电导，为馈线i三相对地导纳；分别为所有线路各相对地参数导纳和，其中c
a
、c
b
、c
c
分别为三相电力线路对地分布总电容，g
a
、g
b
、g
c
分别为三相电力线路对地分布总电
导；为基波零序注入电流，方向如图1所示；为中性点等效导纳，其取值不同代表中性点接地方式不同，开关断开表示中性点不接地；r
f
为过渡电阻。
[0077]
以a相作为参考相，当系统处于正常运行状态，三相导纳不对称下配电网中性点零序电压为：
[0078][0079]
其中，α＝e
j120
°
为单位相量算子，定义为系统自然不平衡电流。
[0080]
在正常运行状态中性点注入已知的工频零序电流此时中性点零序电压与注入电流的关系为：
[0081][0082]
分析式(2)可知中性点注入工频零序电流过大会引起中性点零序电压的偏移，从而导致零序电压越限，为避免造成对接地故障的误判，配电网正常运行状态注入的工频零序电流相角任意，幅值上应满足：
[0083][0084]
其中，k
u
为可靠系数，为母线额定电压。根据式(1)和式(2)可以解得：
[0085][0086]
其中，为正常运行状态中性点注入基波零序电流后零序电压的变化量。
[0087]
进一步的，判断中性点零序电压的幅值是否满足u0≥k
u
u
n
，且至少持续t1＝5s时长，若满足则判断系统发生单相接地故障，不满足则返回计算。
[0088]
图1中不妨假设馈线n的a相发生过渡电阻为r
f
的单相接地故障，此时中性点零序电压满足：
[0089][0090]
根据式(1)(2)(5)求解过渡电阻为：
[0091][0092]
进一步判断过渡电阻的范围是否满足1kω≤r
f
≤10kω，假如满足则启动本发明所提高阻接地故障选线方案，不满足则改用其他选线方案。
[0093]
进一步的，通过故障状态中性点注入工频零序电流将中性点零序电压置0，此时中性点零序电压满足：
[0094][0095]
根据式(4)(6)(7)求解中性点需注入的工频零序电流具体为：
[0096][0097]
其中定义为比值因子，为故障前故障相电压，为故障后故障相电压；
[0098]
忽略单独某条馈线不对称度对线路本身零序电流的影响，此时健全馈线i零序电流满足：
[0099][0100]
此时故障馈线n的零序电流满足：
[0101][0102]
根据式(8)和式(4)，求得此时故障馈线n零序电流理论值
[0103][0104]
进一步的，零序电流互感器实时测量各馈线零序电流，将其设为构造馈线幅值比λ
i
：
[0105][0106]
根据式(9)和式(10)可知，随着中性点零序电压置0，健全馈线零序电流随之置0，故健全馈线零序电流实测值在理想情况下也为0，而对于故障馈线，它的实测值和理论值在理想情况下应保持一致，都为故障相电源电压与过渡电阻的比值。考虑到实际系统中由于线路自身不对称度的影响、计算误差、测量误差和噪声干扰等因素，为提高选线方法的鲁棒性，本实施例中将馈线幅值比偏离理想情况所得数据的
±
0.1，得到故障选线判据：
[0107][0108]
存在馈线幅值比0.9≤λ
i
≤1.1的馈线则为故障馈线，如不存在则认为发生了母线接地故障。
[0109]
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一个1:1的单相变压器注入系统中性点。共设置3组出线l1、l2、l3，每组出线的对地电容分别设置为3.03μf、3.44μf、4.33μf，出线的对地电导分别设置为14.63μs、16.57μs、20.76μs。不对称度体现在三相对地电容不平衡上，故在a相上并联电容0.66μf，模拟系统参数不对称。计算可知系统对地电容电流为60a，阻尼率为1.5％，不对称度为2％。其中消弧线圈工作在过补偿为10％的状态，电感值为278mh。设置馈线l1在0.2s时发生单相高阻接地故障。
[0110]
设置馈线l1在0.2s时发生过渡电阻为1kω、5kω、10kω的单相高阻接地故障，母线在0.2s时发生过渡电阻为2.5kω的单相高阻接地故障。按照图2所示流程，系统正常状态下中性点注入基波零序电流记录注入前后零序电压分别为记录注入前后零序电压分别为最终得到过渡电阻测量结果见表1。
[0111]
表1过渡电阻测量结果
[0112][0113]
图4是本发明实施例中馈线l1发生5kω单相高阻接地，中性点注入工频零序电流后各馈线零序电流和零序电压示意图，表2是馈线l1经不同过渡电阻接地以及母线发生2.5kω单相高阻接地时故障选线结果。
[0114]
表2选线结果
[0115][0116]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。