CN100365899C - 高压线路高阻接地保护方法 - Google Patents

Abstract

一种高压线路高阻接地保护方法，属于继电保护领域。方法如下：利用小波函数作为分析工具；采集母线三相电压、线路三相电流及零序电压、电流作为参考电量，电压互感器和电流互感器接线形式采用标准接线；采用三相电流及零序电流经小波分析后的模极大值以或的形式作为启动元件；三相母线电压模极大值作为抗干扰依据；根据线路相电流和零序电流经小波分析后的模极大值特性是否一致寻找接地故障相；以零序电流和电压极性作为方向判别依据。本发明能有效识别出输电线路内部是否发生单相高阻接地故障，具有方向性，并利用母线电压作为抗干扰依据，具有较高保护灵敏度和可靠性。

Description

高压线路高阻接地保护方法

技术领域

本发明涉及的是一种输电线路高阻接地保护方法，特别是一种基于小波极性判别的高压线路高阻接地保护方法。属于继电保护领域。

背景技术

在110kV及以上的大接地电流***中，单相接地短路占绝大多数(约90％以上)。在山区或森林地带，由于绝缘子闪络、雷击等原因，会经常引起不可见的单相高阻接地故障。此时，故障电流一般比较小，电压降小，对负荷正常工作影响较小，从而增加了大电阻接地检测的难度。高阻接地故障的存在可能会导致电力***出现更严重故障。及时探测发现并消除这类故障，具有重要的作用。

经文献检索发现，叶萍，陈德树等人在《电力***自动化》1994年第6期上发表“微机距离保护中几种接地距离继电器方案的分析比较”，该文提出：目前的各种单相接地保护方案中，应用广泛的是线路零序过流及距离保护等。用电压和电流比值构成的距离保护其保护范围基本上不受***运行方式的影响。并大多采用距离保护三段或四段式梯形延时特性，为了避免超越，I段保护范围往往只有线路全长的80-85％。在两端供电***中，当距离本侧为线路全长的85-100％区内发生故障时，因故障落在对侧保护的I段范围，其保护无延时跳闸；而对本侧保护而言，属于II段保护的动作范围，保护常带0.5s的延时跳闸。为了解决这个问题，提出了相继速动方案，即利用发生在线路II段范围内的故障和对侧跳闸后引发序电流的二次突变这一特点，判断对侧开关跳闸并加速跳开本侧开关。此相继速动判据的问题是在某些***运行方式下，无论是工频负序电流还是工频零序电流的突变量都相当小，甚至为零，造成判断灵敏度的不足。多年的实践表明，较简单的接地短路保护仍是反映零序电流、零序电压和零序功率的保护。它们具有简单、可靠，受***运行方式变化影响小，不受三相对称的***振荡和短时过负荷的影响等优点。但在实际应用中，其保护效果受中性点的接地数目和分布影响较大，且当线路很短或运行方式变化很大时，也会出现灵敏度不够的情况。此外，单相重合闸的广泛应用，使零序电流保护的实施变的更加复杂化。至于中性点不接地或经高阻接地的***，由于接地电容电流相对较小，迄今为止还没有较为完善的保护方式。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种输电线路高阻接地保护方法。通过对输电线路电气量的小波模极大值极性判别，提出高可靠性的单相接地故障检测技术，并能取得高灵敏度，适合于单端或双端电气量的应用。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明方法如下：

第一步，利用小波函数作为分析工具；

第二步，采集母线三相电压、线路三相电流及零序电压、零序电流作为参考电量，电压互感器和电流互感器接线形式采用标准接线；

第三步，采用线路三相电流及零序电流经小波分析后的模极大值以或的形式作为启动元件；进一步的，以线路电流或零序电流经小波分析后的模极大值作为启动元件；

第四步，根据线路三相电流和零序电流经小波分析后的模极大值特性是否一致寻找接地故障相；

第五步，以零序电流和零序电压极性作为方向判别依据；

第六步，三相母线电压模极大值作为抗干扰依据。

以下对本发明方法作进一步的限定，具体内容如下：

(1)单相接地保护用电量的采集

本发明所需的电量包括母线三相电压、线路三相电流及零序电压、零序电流，为了实现保护方案的选择性能，零序电压、零序电流互感器接在线路侧。由于零序分量比较小，因此对测试仪器的精度要求比较高，至少采用14位以上的采集板。

(2)零序方向元件相位的校正

当保护范围内部故障时，按通常规定的电压、电流方向看，零序电流要超前零序电压95°～110°(对应于保护安装地点背后的零序阻抗角为85°～70°的情况，实际角度主要由***参数决定)，继电器此时应正确动作。根据这一特点，可以对零序电流作角度校正。一般说来，采用90°校正就基本能达到满足本方法实现的要求。这样，可以通过直接比较同一时刻零序电压和零序电流的极性方向是否一致来识别故障方向。在零序阻抗角较小的情况下，当能保证各电量小波幅值的顺序一致性时，直接作极性比较。

在零序阻抗角较小的情况下，如果不采用相位校正，应保证各电量小波幅值的顺序一致性，此时也能满足要求。

(3)启动元件的选取

采用三相线路电流和零序电流的小波变换以“或”方式启动，保证灵敏性。

(4)输电线路单相高阻接地故障的判别

输电线路发生单相接地故障时，故障相电流将发生变化，同时由于互感等因素的影响，非故障相电流也将发生改变，但主要表现为故障相电流的增大，包括幅值与相位的的变化。即使是经高电阻接地，其幅值和相角也将有轻微变化。相应地，也将产生零序电流。以A相发生接地为例，由于 $3{\stackrel{\·}{I}}_0={\stackrel{\·}{I}}_A+{\stackrel{\·}{I}}_B+{\stackrel{\·}{I}}_C=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_A,$ 因此，零序电流的变化趋势将与故障相电流的故障分量变化趋势基本相同，唯一的区别是故障相电流增量是零序电流的3倍。但它们幅值和相角的变换趋势是一样的。单独利用零序电流和相电流增量的高阻接地保护方案将不具备选择性。为了取得方案的选择性，引入零序电压和零序电流小波变换极性判别的方式。当输电线路发生单相接地故障时，零序电压(故障分量电压)将会产生零序电流，且零序电流从线路流入母线。当发生外部单相接地短路故障，零序电流方向表现为流出母线。

由于小波变换每一尺度的局部模极大值浓缩了该尺度的主要信息，故由故障相的故障分量电流引起的突变信息将主要通过模极大值来体现，同样零序电流的突变信息也通过模极大值体现。因此故障相电流和零序电流经小波变换后，在小波变换1、2尺度的波形上，其相同时段的小波变换模极大值的符号(极性)、位置和个数相同，及两个故障电流的小波变换模极大值是等同出现的。这是由于这些极大值对应于故障电量的突变点。对故障相电流来说，当去除正常分量的影响后，这些值即代表故障分量信息。采用小波函数对零序电压波形进行分析时，其模极大值也表现出这一相同特性。当然由于零序电流与零序电压存在一定的电势角度差，必然对波形分析引起一定的影响，需要作校正才能取得电压和电流模极大值的相同特性。另一方面，在线路外部故障时，零序电流和零序电压各尺度的小波变换模极大值也表现出相同的特征，但经校正后的零序电流模极大值只在位置和个数上相同，极性却呈现相反的特性。利用这一特性，可以可靠地识别区内外故障。

因此，本发明综合利用线路三相电流、零序电压及零序电流经小波变换后的模极大值特性有效识别出输电线路内部是否发生单相高阻接地故障，即同一尺度上同一位置故障相电流、零序电流的模极大值同号则判为接地故障，判据采用相电流和零序电流小波变换模极大值极性相与的方式。再利用同一尺度上同一位置零序电压、零序电流的模极大值同号则判为区内故障，判据采用与零序电压和零序电流小波变换模极大值极性相与的方式。

输电线路单相高阻接地故障的判别方法如下：

步骤一，选取第2尺度的小波变换值作为提取特征，由于小波变换固有的滤波特性，能保证较高的抗干扰性能，较好地去除正常数据的影响，以确保识别的可靠性。

步骤二，以W_s.k(s＝1，2...，k＝1，2...)表示第s尺度的各局部模极大值，k表示模极大值点。例如W_1.1～W_1.3分别表示第1尺度上的模极大值点1～3。则各尺度上局部模极大值同号的识别方法可采用以下规则：

如果W_n.k-1＜W_n.k∩W_n.k+1＜W_n.k∩W_n.k＞0则W_n.k是正极大值，

如果W_n.k-1＞W_n.k∩W_n.k+1＞W_n.k∩W_n.k＜0则W_n.k是负极大值，

如果：W_n.k.Iφ＞0∩W_n.k.I0＞0，则正同号，

W_n.k.Iφ＜0∩W_n.k.I0＜0，则负同号

其中，W_n.k.Iφ为线路三相电流小波变换的局部极大值，Iφ代表I_A，I_B，I_C线路三相电流，W_n.k.I0为零序电流小波变换的局部极大值。当I_A、I₀或I_B、I₀或I_C、I₀小波变换的局部极大值连续超过n(n≥3)次同号时，即认为A或B或C发生接地故障。

步骤三，方向的识别采用以下规则：

如果W_n.k-1＜W_n.k∩W_n.k+1＜W_n.k∩W_n.k＞0则W_n.k是正极大值，

如果W_n.k-1＞W_n.k∩W_n.k+1＞W_n.k∩W_n.k＜0则W_n.k是负极大值，

如果：W_n.k.U0＞0∩W_n.k.I0＞0，则正同号，

W_n.k.U0＜0∩W_n.k.I0＜0，则负同号

其中，W_n.k.U0为零序电压小波变换的局部极大值，W_n.k.I0为零序电流小波变换的局部极大值。当小波变换的局部极大值连续超过n(n≥3)次同号时，即认为正方向接地故障。

(5)抗干扰

本发明不受***运行方式的影响，***运行方式变化时，电压和电流经小波变换后主要表现为连续而平缓的波形。

另一方面，***由于其它原因(如干扰)也可能引起电流产生突变。因此，引入三相母线电压作为抗干扰依据。即三相线路电流和零序电流的小波变换以“或”方式并和三相母线电压模极大值以“与”方式启动判据。当由于干扰导致线路电流突变时，母线电压不一定会有突变，保证了可靠性。

本发明利用小波强大的检测信号突变的能力，具有很高的灵敏度。以某一500kV线路100公里处单相经300Ω电阻接地的计算表明，故障前后的母线电压、线路电流几乎没有变化，以往的保护方案无法检测到该接地故障，本发明能可靠检测出这种轻微接地故障。

本发明具有实质性特点和显著进步，传统的线路高阻接地保护方法由于原理上的缺陷及受装置水平的影响，灵敏度较低，很难满足输电线路对接地保护的灵敏度要求。本发明提出的方法利用小波直接对线路电流、母线电压进行分析，能可靠识别输电线路高阻接地故障，并具有选择性。计算结果和动模实验还表明，本发明在各种运行方式下均能取得很高的保护灵敏度和可靠性，是一种较佳的具有线路高阻接地检测能力的保护方法。

具体实施方式

结合本发明方法的内容提供以下实施例：

本发明方法在一条220kV线路作了大量离线实验。短路前，发电机为额定运行，励磁电流1.55A，输出功率12kW，功率因数0.8，额定相电压幅值115V，经升压变后为800V，接于120公里220kV模拟线路。整个实验过程进行了各种条件的大量计算和分析，实验采用中国电力科学研究院研制的DF1024便携式波形记录仪录取故障波形和数据，根据故障数据对各方案进行离线计算和验证。表1是各短路点的实验结果，这个结果表明，本发明在各种短路情况下的保护灵敏度不低于500Ω，在***突然严重振荡情况下能够可靠不误动，在线路外部单相短路时也能够可靠不误动。

表1保护方案的动模实验结果

√：表示保护动作，×：表示保护不动作

表2是一500kV线路各短路点的仿真结果，线路总长300公里。这个结果表明，本发明在各种短路情况下的保护灵敏度不低于300Ω，在***突然严重振荡情况下能够可靠不误动，在线路外部单相短路时也能够可靠不误动。表1、2说明，本发明在各种运行方式下均能取得很高的保护灵敏度和可靠性，在***运行方式剧烈变化和外部故障情况下能可靠不误动，具有较好的选择性，适用于各电压等级线路高阻接地故障的判别。

表1保护方案的动模实验结果

√：表示保护动作，×：表示保护不动作

Claims (7)

1.一种高压线路高阻接地保护方法，其特征在于，方法如下：

第一步，利用小波函数作为分析工具；

第二步，采集母线三相电压、线路三相电流及零序电压、零序电流作为参考电量，电压互感器和电流互感器接线形式采用标准接线；

第三步，采用线路三相电流及零序电流经小波分析后的模极大值以或的形式作为启动元件；

第四步，根据线路三相电流和零序电流经小波分析后的模极大值特性是否一致寻找接地故障相；

第五步，以零序电流和零序电压极性作为方向判别依据；

第六步，三相母线电压模极大值作为抗干扰依据。

2.根据权利要求1所述的高压线路高阻接地保护方法，其特征是，所述的采集母线三相电压、线路三相电流及零序电压、零序电流作为参考电量，具体如下：

所需的电量包括母线三相电压、线路三相电流及零序电压、零序电流，零序电压、电流互感器接在线路侧，至少采用14位以上的采集板。

3.根据权利要求1或2所述的高压线路高阻接地保护方法，其特征是，所述的零序电压和零序电流，其相位的校正具体如下：

当保护范围内部故障时，按规定的电压、电流方向看，零序电流要超前零序电压95°～110°，继电器此时正确动作，采用90°校正，通过直接比较同一时刻零序电压和零序电流的极性方向是否一致来识别故障方向，在零序阻抗角较小的情况下，当能保证各电量小波幅值的顺序一致性时，直接作极性比较。

4.根据权利要求1所述的高压线路高阻接地保护方法，其特征是，所述第三步，以线路三相电流或零序电流经小波分析后的模极大值取代线路三相电流及零序电流经小波分析后的模极大值以或的形式作为启动元件。

5.根据权利要求1所述的高压线路高阻接地保护方法，其特征是，所述的三相母线电压模极大值作为抗干扰依据，具体如下：

采用母线三相电压小波变换判别的方式，当由于干扰导致线路电流出现突变时，线路三相电流和零序电流的小波变换以“或”方式并和三相母线电压模极大值以“与”方式启动判据。

6.根据权利要求1所述的高压线路高阻接地保护方法，其特征是，所述根据线路三相电流和零序电流经小波分析后的模极大值特性是否一致寻找接地故障相，具体如下；

步骤一，选取第2尺度的小波变换值作为提取特征；

步骤二，以W_s.k表示第s尺度的各局部模极大值，k表示模极大值点，s＝1，2...，k＝1，2...，则各尺度上局部模极大值同号的识别方法采用以下规则：

如果W_n.k-1＜W_n.k⌒W_n.k+1＜W_n.k⌒W_n.k＞0则W_n.k是正极大值，

如果W_n.k-1＞W_n.k⌒W_n.k+1＞W_n.k⌒W_n.k＜0则W_n.k是负极大值，

如果：W_n.k.Iφ＞0⌒W_n.k.I0＞0，则正同号，

W_n.k.Iφ＜0⌒W_n.k.I0＜0，则负同号

其中，W_n.k.Iφ为线路三相电流小波变换的局部极大值，其中，Iφ代表I_A，I_B，I_C线路三相电流，W_n.k.I0为零序电流小波变换的局部极大值，当I_A、I₀或I_B、I₀或I_C、I₀小波变换的局部极大值连续超过n次同号时，n≥3，即认为A或B或C发生接地故障。

7.根据权利要求1所述的高压线路高阻接地保护方法，其特征是，所述以零序电流和零序电压极性作为方向判别依据，具体方向的识别采用以下规则：

如果W_n.k-1＜W_n.k⌒W_n.k+1＜W_n.k⌒W_n.k＞0则W_n.k是正极大值，

如果W_n.k-1＞W_n.k⌒W_n.k+1＞W_n.k⌒W_n.k＜0则W_n.k是负极大值，

如果：W_n.k.U0＞0⌒W_n.k.I0＞0，则正同号，

W_n.kU0＜0⌒W_n.kI0＜0，则负同号

其中，W_n.k.U0为零序电压小波变换的局部极大值，W_n.k.I0为零序电流小波变换的局部极大值，当小波变换的局部极大值连续超过n次同号时，n≥3，即认为正方向接地故障。