小电阻接地配电网的单相高阻接地故障识别以及保护方法

摘要

本发明公开了一种小电阻接地配电网的单相高阻接地故障识别方法，根据小电阻接地配电网发生单相高阻接地故障时，非故障馈线可能出现的最大零序虚拟功率变化量确定保护整定值ΔP

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，具体涉及一种小电阻接地配电网的单相高阻接地故障识别方法，还涉及一种小电阻接地配电网的保护方法。

背景技术

随着电缆在城市配电网中的广泛使用，系统对地电容电流不断增大，单相接地故障电流增大，电弧不易熄灭，容易产生间歇性弧光接地过电压。不接地方式和消弧线圈接地方式已不能很好解决以上问题。小电阻接地配电网指配电网中性点经小电阻(阻值在30Ω以内)接地，小电阻接地方式因具有单相接地故障过电压水平低、保护简单等特点，成为了以电缆为主的城市配电网主要中性点接地方式。

单相接地故障是电网的主要故障形式，单相高阻接地故障是单相接地故障中的一种，单相高阻接地也故障是小电阻接地配电网中较为突出的故障问题。当中性点经小电阻接地的配电网发生单相高阻接地故障时，其故障特征量很小且易受线路电容电流以及对地参数不平衡的影响。目前主要采用零序过流保护和零序功率方向保护来识别配电网单相接地故障。零序过流保护定值需可靠躲过区外线路发生金属性接地故障时流过区内线路的对地电容电流，定值较高，且馈线中电缆的广泛使用进一步提高了保护定值，削弱了零序过流保护对高阻接地故障的灵敏度。零序功率方向保护具备较好的反映过渡电阻能力，但由于零序电压、电流的极性校验困难，且高阻接地故障时用于判断功率方向的零序电压幅值较小，存在保护死区。配电网单相高阻接地的可靠性识别和切除一直是电网安全运行的难题。

当发生单相高阻接地故障时，现有保护难以识别和切除故障，极易造成人身触电或引起火灾事故。因此，寻求一种小电阻接地配电网单相高阻接地故障保护将有利于提升配电系统的整体安全性能。针对该问题，国内外研究学者开展了大量研究。但是研究的重点在于利用短时傅里叶变换、离散小波变换、神经网络算法等提取高阻接地故障的谐波特征量以识别单相高阻接地故障，但其适用性有限。有学者尝试引入零序电压作为制动量，根据制动量自适应调整零序保护定值从而改进零序过流保护的性能，或通过构造相应的保护判据以达到识别单相高阻接地故障，但是上述方法均未考虑对地参数不平衡对单相高阻识别的影响。有学者提出利用已有配电自动化终端设备计量电流、电压、电能质量、信号异常、谐波等参数，构建相应的识别判据实现高阻故障检测，但是对配网自动化水平提出了较高要求。

综上所述，小电阻接地配电网单相高阻接地故障难以有效识别和保护严重影响系统安全性能，但是现有的单相高阻接地故障识别方法和保护在可靠性和适应性方面存在不足，且未考虑对地参数不平衡的影响。如何准确地识别小电阻接地配电网单相高阻接地故障，并形成具有较高可靠性和适应性的保护方法目前尚未有可行的技术方案。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种小电阻接地配电网的单相高阻接地故障识别方法，解决现有技术中的单相高阻接地故障识别方法可靠性低的技术问题，能够计及对地电容参数不对称度的影响，具有较高的灵敏度和可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种小电阻接地配电网的单相高阻接地故障识别方法，包括以下步骤：

步骤1：根据小电阻接地配电网发生单相高阻接地故障时，非故障馈线可能出现的最大零序虚拟功率变化量确定保护整定值ΔP_set；

步骤2：计算小电阻接地配电网正常运行时各馈线的各相故障前零序虚拟功率，并计算故障发生时各馈线的各相故障时零序虚拟功率；

步骤3：根据故障前零序虚拟功率与故障时零序虚拟功率计算各馈线的各相零序虚拟功率变化量；

步骤4：将各馈线的各相零序虚拟功率变化量与保护整定值ΔP_set进行比较，当某一馈线的某相零序虚拟功率变化量大于或等于保护整定值ΔP_set时，则判定该馈线发生单相高阻接地故障。

优选的，按照如下步骤确定保护整定值ΔP_set：

步骤101：假设小电阻接地配电网发生单相高阻接地故障时，任意非故障馈线j可能出现的零序虚拟功率变化量的极大值为ΔP_j，按如下公式：

其中，ω为角频率；C_j为馈线j的三相对地总电容；E_m为小电阻接地系统额定相电压的幅值；A_ρ为向量的模，θ_ρ为向量的相角，为馈线j对地电容参数不对称度；A_Γ为相量的模，θ_Γ为相量的相角；为与过渡电导相关的相量，上标*表示相量的共轭运算，j表示复数的虚部单位，表示小电阻接地系统三相对地电容参数的不对称度；r₀为中性点小电阻阻值，G_f表示单相接地时的过渡电导，G_f＝0；

步骤102：以非故障馈线可能出现的零序虚拟功率变化量的极大值中的最大值作为保护整定值ΔP_set，按如下公式：ΔP_set＝K_relmax(ΔP_j)；其中，K_rel为可靠系数。

优选的，对步骤102中的保护整定值ΔP_set的计算公式中的max(ΔP_j)进行变形，得到如下公式：

其中，max(θ_Γ-θ_ρ)＝θ₁+θ₂，θ₁、θ₂均表示与对地电容参数相关的变量，按如下公式：

其中，I_C为小电阻接地系统电容电流；C_j为馈线j的三相对地总电容；

在计算保护整定值ΔP_set时，从各馈线的三相对地总电容中选取最大值进行计算，即可一次计算得到max(ΔP_j)。

本发明还提供了一种小电阻接地配电网的保护方法，首先采用本发明的小电阻接地配电网的单相高阻接地故障识别方法，识别出发生单相高阻接地故障的馈线；然后，针对发生单相高阻接地故障的馈线采取保护措施。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明专门针对于小电阻接地配电网的单相高阻接地故障进行识别，本发明构建零序虚拟功率变化量作为保护特征量用以反映配电网单相高阻接地故障，采用零序虚拟功率变化量作为保护特征量来进行保护值整定时，在确定保护整定值时，考虑了对地电容参数及其不对称度对单相高阻接地故障识别的影响，从而提高保护特征量的灵敏度，因此，与现有技术中采用零序过流保护作为保护特征量相比，提高了故障识别的灵敏度。另外，零序虚拟功率变化量结合了相电压与零序电流的变化，放大了单相高阻接地故障特征，与现有技术中的零序功率方向保护相比，避免了极性校验困难的问题，从而提高了保护的适用性和故障识别的可靠性。

2、保护特征量所需电气量仅为故障前后的各馈线零序电流和相电压信息，易于在小电阻接地配电网中实现。将各馈线的各相零序虚拟功率变化量与保护整定值ΔP_set进行比较，无需比较各相之间的零序虚拟功率变化量来选择最大的虚拟功率变化量，从而避免了馈线中各相之间进行数据通信，降低了系统的硬件配置要求。

3、本发明提供了两种确定保护整定值的方法：一种是先求各非故障馈线可能出现的零序虚拟功率变化量的极大值，然后再从中选择最大值作为保护整定值ΔP_set；另一种是从各馈线的三相对地总电容中选取最大值进行计算，即可一次计算得到，能够减少计算量。

4、本发明的小电阻接地配电网的保护方法，由于能够准确可靠的识别发生单相高阻接地故障的馈线，因此，能够针对性的采取措施，提高保护动作的准确性，提高电网安全性。

附图说明

图1是正常运行时小电阻接地配电网的结构示意图；

图2是发生单相高阻接地故障时小电阻接地配电网的结构示意图。

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的详细说明。

如图1所示，本具体实施方式中小电阻接地配电网的结构示意图，图中有5条馈线，i＝1,2,...,5，每条馈线均有A、B、C三相，分别为故障前A相母线电压、B相母线电压、C相母线电压，r₀为用于中性点接地的小电阻。线路参数如下表1：

表1线路参数

一种小电阻接地配电网的单相高阻接地故障识别方法，包括以下步骤：

步骤1：根据小电阻接地配电网发生单相高阻接地故障时，非故障馈线可能出现的最大零序虚拟功率变化量确定保护整定值ΔP_set；

步骤2：计算小电阻接地配电网正常运行时各馈线的各相故障前零序虚拟功率，并计算故障发生时各馈线的各相故障时零序虚拟功率；

步骤3：根据故障前零序虚拟功率与故障时零序虚拟功率计算各馈线的各相零序虚拟功率变化量；

步骤4：将各馈线的各相零序虚拟功率变化量与保护整定值ΔP_set进行比较，当某一馈线的某相零序虚拟功率变化量大于或等于保护整定值ΔP_set时，则判定该馈线发生单相高阻接地故障。

可采用两种方法来确定保护整定值：一种是先求各非故障馈线可能出现的零序虚拟功率变化量的极大值，然后再从中选择最大值作为保护整定值ΔP_set，按如下步骤：步骤101：假设小电阻接地配电网发生单相高阻接地故障时，任意非故障馈线j可能出现的零序虚拟功率变化量的极大值为ΔP_j，按如下公式：

其中，ω为角频率；C_j为馈线j的三相对地总电容；E_m为小电阻接地系统额定相电压的幅值；A_ρ为向量的模，θ_ρ为向量的相角，为馈线j对地电容参数不对称度；A_Γ为相量的模，θ_Γ为相量的相角；为与过渡电导相关的相量，上标*表示相量的共轭运算，j表示复数的虚部单位，表示小电阻接地系统三相对地电容参数的不对称度，电网的三相对地参数需尽可能保持一致以避免中性点电压过大，因此三相对地电容参数的不对称度的模取值范围一般为本具体实施方式中考虑极端情况，因此，能够充分保障故障识别的可靠性；r₀为中性点小电阻阻值，G_f表示单相接地时的过渡电导，G_f＝0；

步骤102：以非故障馈线可能出现的零序虚拟功率变化量的极大值中的最大值作为保护整定值ΔP_set，按如下公式：ΔP_set＝K_relmax(ΔP_j)；其中，K_rel为可靠系数。

另一种是从各馈线的三相对地总电容中选取最大值进行计算，即可一次计算得到，能够给减少计算量，具体地：对步骤102中的保护整定值ΔP_set的计算公式中的max(ΔP_j)进行变形，得到如下公式：

其中，max(θ_Γ-θ_ρ)＝θ₁+θ₂，θ₁、θ₂均表示与对地电容参数相关的变量，按如下公式：

其中，I_C为小电阻接地系统电容电流；C_j为馈线j的三相对地总电容；

在计算保护整定值ΔP_set时，从各馈线的三相对地总电容中选取最大值进行计算，即可一次计算得到max(ΔP_j)。本具体实施方式中选择此种计算方式，那么则从表1中选择馈线2的三相对地总电容进行计算，得到取最大值0.05，E_m＝8.165×10³V，I_C＝64.4A,r₀＝10Ω，K_rel＝1.5，从而计算得到保护整定值ΔP_set＝7.74×10³。

本具体实施方式中，步骤2中，小电阻接地配电网正常运行时任意馈线i的各相故障前零序虚拟功率按如下公式计算：

A相故障前零序虚拟功率P_inA：

B相故障前零序虚拟功率P_inB：

C相故障前零序虚拟功率P_inC：

其中，上标*表示向量的共轭运算；Re表示取实部；表示故障前馈线i的零序电流，方向为流向母线；分别为故障前A相母线电压、B相母线电压、C相母线电压；

如图2所示，故障发生时小电阻接地配电网的结构示意图，图中，分别为故障时A相母线电压、B相母线电压、C相母线电压。

故障发生时任意馈线i的各相故障时零序虚拟功率按如下公式计算：

A相故障时零序虚拟功率P_ifA：

B相故障时零序虚拟功率P_ifB：

C相故障时零序虚拟功率P_ifC：

其中，表示故障时馈线i的零序电流，方向为流向母线；分别为故障时A相母线电压、B相母线电压、C相母线电压。

本具体实施方式中，步骤3中任意馈线i的各相零序虚拟功率变化量按如下公式计算：

A相故障时零序虚拟功率变化量ΔP_iA：ΔP_iA＝P_ifA-P_inA；

B相故障时零序虚拟功率变化量ΔP_iB：ΔP_iB＝P_ifB-P_inB；

C相故障时零序虚拟功率变化量ΔP_iC：ΔP_iC＝P_ifC-P_inC；

当ΔP_iA、ΔP_iB、ΔP_iC中的任意一个大于或等于保护整定值ΔP_set时，则表示馈线i发生单相高阻接地故障。

本具体实施方式中，各馈线各相零序虚拟功率变化量如表2所示：

表2各馈线零序虚拟功率变化量

从表中可知，馈线1的A相零序虚拟功率变化量ΔP_iA＝29.08×10³,则ΔP_iA≥ΔP_set，即判断馈线1发生单相高阻接地故障。

一种小电阻接地配电网的保护方法，首先采用本发明的小电阻接地配电网的单相高阻接地故障识别方法，识别出发生单相高阻接地故障的馈线；然后，针对发生单相高阻接地故障的馈线采取保护措施。

本发明利用母线相电压和馈线零序电流形成馈线零序虚拟功率，以故障前后馈线零序虚拟功率变化量作为保护特征量，当零序虚拟功率变化量大于保护整定值，即可判定相应馈线发生单相接地故障。本发明计及馈线对地电容参数大小以及对地电容参数不对称度的影响，其原理简单，所需电气量仅为故障前后的各馈线零序电流和母线各相电压信息，易于在小电阻接地配电网中实现。该方法对区内外单相高阻接地故障的划分界限明显，具有较高的灵敏度和可靠性。