一种基于零序电压正负面积和的小电流接地系统单相故障启动方法

摘要

本发明为一种基于零序电压正负面积和的小电流接地系统单相故障启动方法，属电力系统继电保护技术领域。本方法为：在1MHz采样率下，提取短时窗内的母线零序电压波形，并分别计算该时窗内的母线零序电压波形在0轴两侧的面积，最后将得到的正、负半轴面积相加，即可得到母线零序电压波形与0轴所围成的面积总和。若该面积总和大于设定的阈值，则判定小电流接地系统发生单相故障，选线装置启动；反之，则判定未发生故障，选线装置不启动。大量实测数据验证表明本方法准确可靠，不受故障过渡电阻变化等因素的影响。

说明书

技术领域

本发明为一种基于零序电压正负面积和的小电流接地系统单相故障启动方法，属电力系 统继电保护技术领域。

背景技术

小电流接地系统发生单相故障的几率较高，这时供电仍能保证线电压的对称性，不影响 对负荷的连续供电。但是其他两相的对地电压升高倍，很容易在绝缘薄弱点引起另一点接 地从而形成相间短路；另外随着电网线路的增多，系统单相故障电容电流增大，长时间运行 容易使故障扩大成两点或多点接地短路，破坏系统安全运行，所以必须及时找到故障线路并 予以切除。

目前，小电流接地选线装置都是以零序电压和零序电流的大小超过设定阈值作为装置启 动的判据，但在实际的运行中除了单相故障外，电压互感器断线、铁磁谐振等同样会引起零 序电压的升高，系统将出现较高的零序电压和零序电流，导致小电流接地选线装置误动作， 影响单相故障的判断。因此，急需提出一种更加可靠、准确的方法实现小电流接地系统单相 故障的启动。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的小电流接地系统单相故障启动方法存在准确度不 高的问题，提出一种基于零序电压正负面积和的小电流接地系统单相故障启动方法。

本发明的技术方案是：一种基于零序电压正负面积和的小电流接地系统单相故障启动方 法，在1MHz采样率下，提取短时窗内的母线零序电压波形，并分别计算该时窗内的母线零 序电压波形在0轴两侧的面积，然后将得到的正、负半轴面积相加，即可得到母线零序电压 波形与0轴所围成的面积总和；若该面积总和大于设定的阈值，则判定小电流接地系统发生 单相故障，选线装置启动；反之，则判定未发生故障，选线装置不启动。

具体步骤为：

(1)采用三个单相式电压互感器，其一次绕组接成星形并将中性点接地，其二次绕组接 成开口三角形，从端子处得到零序电压；

(2)短时窗内零序电压的提取：在1MHz的采样率下，提取短时窗内的母线零序电压离 散信号u₀(k)，其中采样点k＝1，2，…，N，N为零序电压短时窗内的采样点总数；

(3)0轴两侧的零序电压面积计算；分别利用和求短时窗内母 线零序电压波形与0轴正、负半轴所围成的面积S₁和S₂，其中u₀(m)和u₀(n)分别为母 线零序电压波形在0轴正、负半轴的离散信号；m和n分别为母线零序电压波形在0轴正、 负半轴的采样点，且m＝1，2，…，p；n＝1，2，…，q；p和q分别为u₀(m)和u₀(n)的 采样点总数，且p+q＝N；

(4)零序电压波形与0轴所围成的面积总和的计算：根据计算零 序电压波形与0轴所围成的面积总和S；

(5)单相故障启动判据的构造；按以下条件判断小电流接地系统是否发生单相故障

若则判定小电流接地系统发生单相故障，选线装置启动；

若则判定小电流接地系统未发生故障，选线装置不启动；

其中为故障启动的阈值，其整定按照未发生故障时较小，而发生单相故障时较大 的理论分析，并留有一定的裕度，设置为1000。

本发明的原理是：

一、原理分析

为了取得零序电压，通常采用三个单相式电压互感器，其一次绕组接成星形并将中性点 接地，其二次绕组接成开口三角形，从端子处得到零序电压。只要小电流接地系统本级电压 网络内发生单相故障，则在同一电压等级的所有发电厂和变电所的母线上都将出现数值较高 的零序电压，且零序电压偏离0轴较大、波动不均匀，因此零序电压波形与0轴正、负半轴 所围成的面积之和较大。但是正常运行情况下，母线零序电压为零，则零序电压波形与正、 负半轴所围成的面积均为零；实际上由于电压互感器的误差、负荷产生的谐波以及三相系统 对地不完全平衡等原因，在开口三角形也可能有数值不大的零序电压输出，且该电压在0轴 附近均匀波动，零序电压波形与0轴正、负半轴所围成的面积之和较小。因此，可利用零序 电压波形与0轴正、负半轴所围成的面积之和不同的特点，实现小电流接地系统单相故障启 动。另外，由于消弧线圈、变压器等电气设备的非线性影响，小电流接地系统在正常情况或 者单相故障时母线零序电压中都存在谐波分量，本发明根据三次零序电压谐波特点，在1MHz 采样率下，选取6.7ms的合适时窗，并提取该时窗下的母线零序电压波形，然后分别计算母 线零序电压波形在0轴两侧的面积，最后将得到的正、负半轴面积相加即可得到母线零序电 压波形与0轴所围成的面积总和。根据以上理论分析并留有一定的域度，设定故障启动的阈 值若该面积总和大于阈值则判定小电流接地系统发生单相故障，选线装置启动； 反之，则判定未发生故障，选线装置不启动。

二、本发明的具体实现步骤

1、原始数据采集：采用三个单相式电压互感器，其一次绕组接成星形并将中性点接地， 其二次绕组接成开口三角形，从端子处得到零序电压。

2、短时窗内零序电压采样点的提取：在1MHz的采样率下，提取短时窗内的母线零序电 压离散信号u₀(k)，其中采样点k＝1，2，…，N，N为零序电压短时窗内的采样点总数。

3、0轴两侧的零序电压面积计算：分别利用式(1)和式(2)求短时窗内的零序电压波 形与0轴正、负半轴所围成的面积S₁和S₂。

$S_1=\underset{m=1}{\overset{p}{\Sigma }}{u}_0\left(m\right)---\left(1\right)$

$S_2=\underset{n=1}{\overset{q}{\Sigma }}{u}_0\left(n\right)---\left(2\right)$

式(1)和式(2)中，S₁和S₂分别为母线零序电压波形与0轴正、负半轴所围成的面积； u₀(m)和u₀(n)分别为母线零序电压波形在0轴正、负半轴的离散信号；m和n分别为母 线零序电压波形在0轴正、负半轴的采样点，且m＝1，2，…，p；n＝1，2，…，q；p和q分 别为u₀(m)和u₀(n)的采样点总数，且p+q＝N。

4、零序电压波形与0轴所围成的面积总和的计算：利用式(3)求零序电压波形与0轴 所围成的面积总和S。

$S=|\underset{m=1}{\overset{p}{\Sigma }}{u}_0\left(m\right)+\underset{n=1}{\overset{q}{\Sigma }}{u}_0\left(n\right)|---\left(3\right)$

式(3)中S为短时窗内的母线零序电压波形与0轴所围成的面积的总和。

5、单相故障启动判据的构造：设定故障启动的阈值按以下条件判断小电流接 地系统是否发生单相故障：

若则判定小电流接地系统发生单相故障，选线装置启动；

若则判定小电流接地系统未发生故障，选线装置不启动。

本发明的有益效果是：针对小电流接地系统进行故障启动，其原理简单，不需要大量的 采样数据，准确可靠，且不受故障过渡电阻变化等因素的影响。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明实施例1中小电流接地系统单相故障时的短时窗母线零序电压波形图；

图3为本发明实施例2中小电流接地系统未故障时的短时窗母线零序电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

一种基于零序电压正负面积和的小电流接地系统单相故障启动方法，在1MHz采样率下， 提取短时窗内的母线零序电压波形，并分别计算该时窗内的母线零序电压波形在0轴两侧的 面积，然后将得到的正、负半轴面积相加，即可得到母线零序电压波形与0轴所围成的面积 总和；若该面积总和大于设定的阈值，则判定小电流接地系统发生单相故障，选线装置启动； 反之，则判定未发生故障，选线装置不启动。

具体步骤为：

(1)采用三个单相式电压互感器，其一次绕组接成星形并将中性点接地，其二次绕组接 成开口三角形，从端子处得到零序电压；

(2)短时窗内零序电压的提取：在1MHz的采样率下，提取短时窗内的母线零序电压离 散信号u₀(k)，其中采样点k＝1，2，…，N，N为零序电压短时窗内的采样点总数；

(3)0轴两侧的零序电压面积计算；分别利用和求短时窗内母 线零序电压波形与0轴正、负半轴所围成的面积S₁和S₂，其中u₀(m)和u₀(n)分别为母 线零序电压波形在0轴正、负半轴的离散信号；m和n分别为母线零序电压波形在0轴正、 负半轴的采样点，且m＝1，2，…，p；n＝1，2，…，q；p和q分别为u₀(m)和u₀(n)的 采样点总数，且p+q＝N；

(4)零序电压波形与0轴所围成的面积总和的计算：根据计算零 序电压波形与0轴所围成的面积总和S；

(5)单相故障启动判据的构造；按以下条件判断小电流接地系统是否发生单相故障

若则判定小电流接地系统发生单相故障，选线装置启动；

若则判定小电流接地系统未发生故障，选线装置不启动；

其中为故障启动的阈值，其整定按照未发生故障时较小，而发生单相故障时较大 的理论分析，并留有一定的裕度，设置为1000。

实施例1：

一种基于零序电压正负面积和的小电流接地系统单相故障启动方法流程图如图1所示。 假设小电流接地系统发生单相故障，从量测端获得母线的零序电压，然后提取母线零序电压 突变发生时刻起6.7ms的时窗波形如图2所示。根据式(1)和式(2)计算零序电压波形与 0轴正、负半轴所围成的面积S₁和S₂，结果如下：

$S_1=\underset{m=1}{\overset{p}{\Sigma }}{u}_0\left(m\right)=1.7436\times {10}^5$

$S_2=\underset{n=1}{\overset{q}{\Sigma }}{u}_0\left(n\right)=-1.2373\times {10}^5$

最后利用式(3)求零序电压波形与0轴所围成的面积总和S，结果如下：

$S=|\underset{m=1}{\overset{p}{\Sigma }}{u}_0\left(m\right)+\underset{n=1}{\overset{q}{\Sigma }}{u}_0\left(n\right)|=5.0632\times {10}^4$

设定故障启动的阈值因为所以判定小电流接地系统发生单相故障，选 线装置启动。

实施例2：

一种基于零序电压正负面积和的小电流接地系统单相故障启动方法流程图如图1所示。 假设小电流接地系统发生故障，从量测端获得母线的零序电压，然后提取母线零序电压突变 发生时刻起6.7ms的时窗波形如图3所示。根据式(1)和式(2)计算零序电压波形与0轴 正、负半轴所围成的面积S₁和S₂，结果如下：

$S_1=\underset{m=1}{\overset{p}{\Sigma }}{u}_0\left(m\right)=1.4762\times {10}^4$

$S_2=\underset{n=1}{\overset{q}{\Sigma }}{u}_0\left(n\right)=-1.4987\times {10}^4$

最后利用式(3)求零序电压波形与0轴所围成的面积总和S，结果如下：

$S=|\underset{m=1}{\overset{p}{\Sigma }}{u}_0\left(m\right)+\underset{n=1}{\overset{q}{\Sigma }}{u}_0\left(n\right)|=225$

设定故障启动的阈值因为所以判定小电流接地系统未发生单相故障，选 线装置不启动。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方 式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出 各种变化。