CN103474980B - 一种基于暂态功率方向的配电网单相接地保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于暂态功率方向的配电网单相接地保护方法，属于电力***继电保护技术领域。本发明对于中性点经消弧线圈接地的配电网，当其中的一条馈线发生单相接地故障时，首先在故障后短时窗内计算母线零序电压和各馈线零序电流的乘积积分，得到各条馈线的暂态零序功率值；然后将各条馈线的暂态零序功率值与零值进行比较，当某条馈线的暂态零序功率值小于零时，判定该线路发生正向故障，保护元件动作；当某条馈线的暂态零序功率值大于零时，判定该线路发生反向故障，保护元件不动作。本发明成本低，降低了方法使用的难度，增加了保护的可靠性。

Description

一种基于暂态功率方向的配电网单相接地保护方法

技术领域

本发明涉及一种基于暂态功率方向的配电网单相接地保护方法，属于电力***继电保护技术领域。

背景技术

我国城乡配电网均属于小电流接地***，即中性点不接地或中性点经消弧线圈接地***。小电流接地***发生故障会影响非故障相对地电压致其升高，电压升高会对电网设备的绝缘产生破坏；特别是间歇性电弧接地，会引起弧光过电压，该电压通过破坏***绝缘进而发展成相间或多点接地短路，引起***过电压，从而损坏设备，破坏***安全运行，因此必须准确、快速找到故障线路并及时使故障线路与***隔离。

最原始的隔离方法是在选线成功后由人工对故障线路进行切断。近年来，一些单相接地保护装置在实际中得到了应用，对电网的安全运行起到了积极的作用。但部分装置的实际表现并不令人满意，误动、拒动的现象时有发生。现行的单相接地保护装置基于的原理一般为：零序电流比幅法、零序电流相对相位法和谐波分量法等。零序电流比幅法利用了故障线路零序电流等于非故障线路对地电容电流之和的特点，电缆线路的引入、过渡电阻的影响和运行方式的选择均有可能造成某条线路的对地电容电流大于其他所有线路对地电容电流之和的情况，这将导致保护装置发生误动。零序电流相对相位法利用了故障线路零序电流与非故障线路零序电流流动方向相反的特点，在线路较短零序电流值较小时，方向的判断较为困难，在谐振接地***补偿过程发生后失效。谐波分量法本质上还是利用了群体比幅比相法，不能从根本上解决上述两种方法存在的问题和不足，误动、拒动的现象还是经常出现。

发明内容

本发明提供了一种基于暂态功率方向的配电网单相接地保护方法，以用于解决现有单相接地保护原理因零序电流小、电流流动方向难以判别，补偿过程的影响和非故障线路零序电流大于其他线路零序电流之和而导致保护装置误动或拒动的不足，以提高保护装置的可靠性。

本发明的技术方案是：一种基于暂态功率方向的配电网单相接地保护方法，对于中性点经消弧线圈接地的配电网，当其中的一条馈线发生单相接地故障时，首先在故障后短时窗内计算母线零序电压和各馈线零序电流的乘积积分，得到各条馈线的暂态零序功率值；然后将各条馈线的暂态零序功率值与零值进行比较，当某条馈线的暂态零序功率值小于零时，判定该线路发生正向故障，保护元件动作；当某条馈线的暂态零序功率值大于零时，判定该线路发生反向故障，保护元件不动作。

所述单相接地保护方法具体步骤如下：

A、当其中的一条馈线发生单相接地故障时，首先在故障后短时窗内计算母线零序电压和各馈线零序电流的乘积积分S(j)，得到各条馈线的暂态零序功率值：

（1）

式中：t ₀为故障发生时刻，为故障后截取母线零序电压和馈线零序电流的时窗长度，u ₀(t)母线零序电压，i _0j (t)为各馈线的零序电流，N为馈线的条数；

B、将各条馈线的暂态零序功率值与零值进行比较，并确定故障方向：

当S(j)〈0时，确定为正方向故障；当S(j)〉0时，确定为反方向故障；

C、根据故障方向确定保护元件的动作判据为：

当确定为正方向故障时，保护元件动作；当确定为反方向故障时，保护元件不动作。

本发明的工作原理是：如图1所示，为配网馈线发生故障后零序故障分量等效电路图，图中K为开关，L为消弧线圈，R为接地电阻。K闭合时配网为中性点经消弧线圈接地***（即谐振接地***），K开启时配网为中性点不接地***。R ₁,R ₂,R ₃,...R _n 为保护元件，u ₀为母线的零序电压，i ₀₁,i ₀₂,i ₀₃,…i _0N 为各馈线的零序电流，其对应的箭头方向为保护元件安装的正方向，所有馈线上的保护元件的安装方向保持一致。对于谐振接地***，发生单相接地故障后的短时窗内，故障暂态零序电流不受消弧线圈的影响，***可看作中性点不接地***。单相接地故障发生后，故障点可看作增加了一个等效电源-－u _f ，此时故障馈线的零序电流等于各条健全馈线零序电流之和，且故障馈线的零序电流方向为馈线流向母线，健全馈线的零序电流方向为母线流向馈线。若定义母线处零序电压和各条馈线的零序电流乘积的积分为各条馈线暂态零序功率，式中t ₀为故障发生时刻，为故障后截取母线零序电压和馈线零序电流的时窗长度，u ₀(t)母线零序电压，i _0j (t)为各馈线的零序电流，N为馈线的条数，则各馈线暂态零序功率的方向与各馈线零序电流的方向相同（因为故障馈线的零序电流方向为馈线流向母线，健全馈线的零序电流方向为母线流向馈线，所以故障馈线暂态零序功率的方向为馈线流向母线，健全馈线暂态零序功率的方向为母线流向馈线）。因此对于保护元件而言可定义当S(j)〈0时为正方向故障，当S(j)〉0时为反方向故障，故可构建保护元件动作判据为：正方向故障时，暂态零序功率的方向与保护元件安装的正方向相反，保护元件启动断开；反方向故障时，暂态零序功率的方向与保护元件安装的正方向相同，保护元件不动作。

本发明的有益效果是：

1、本方法将母线零序电压和馈线零序电流的乘积（暂态零序功率）的符号作为保护元件的动作判据，在零序电流较小时，比单纯利用馈线零序电流的符号作为保护元件的动作判据，可靠性更高；

2、本方法在故障发生后的短时窗内截取母线零序电压和馈线零序电流计算暂态零序功率，此时消弧线圈还未对***进行补偿，因此该方法避免了消弧线圈补偿作用的影响；

3、本方法保护元件的动作与否只依赖于本条馈线暂态零序功率方向的判断，不依赖于其他馈线的相关信息，避免使用了群体比幅比相法，对于非故障线路零序电流大于其他线路零序电流之和的特殊情况，保护的可靠性更高。

附图说明

图1为本发明配网馈线发生故障后零序故障分量等效电路图；

图2为本发明实施例1和实施例2的中性点经消弧线圈接地的配网仿真模型；

图3为本发明实施例1故障后5ms时窗内母线的零序电压波形图；

图4为本发明实施例1故障后5ms时窗内馈线L ₁的零序电流波形图；

图5为本发明实施例1故障后5ms时窗内馈线L ₂的零序电流波形图；

图6为本发明实施例1故障后5ms时窗内馈线L ₃的零序电流波形图；

图7为本发明实施例1故障后5ms时窗内馈线L ₄的零序电流波形图；

图8为本发明实施例1故障后5ms时窗内馈线L ₅的零序电流波形图；

图9为本发明实施例1故障后5ms时窗内馈线L ₆的零序电流波形图；

图10为本发明实施例2故障后5ms时窗内母线的零序电压波形图；

图11为本发明实施例2故障后5ms时窗内馈线L ₁的零序电流波形图；

图12为本发明实施例2故障后5ms时窗内馈线L ₂的零序电流波形图；

图13为本发明实施例2故障后5ms时窗内馈线L ₃的零序电流波形图；

图14为本发明实施例2故障后5ms时窗内馈线L ₄的零序电流波形图；

图15为本发明实施例2故障后5ms时窗内馈线L ₅的零序电流波形图；

图16为本发明实施例2故障后5ms时窗内馈线L ₆的零序电流波形图。

具体实施方式

实施例1：如图2所示为6条馈出线路组成的35kV中性点经消弧线圈接地的配网，该电网中的G为无限大电源；T为主变压器，变比为110kV/35kV，联结组别为YN/d11；我国配电网主变压器配电电压侧一般为三角形联结，***不存在中性点，当***采用谐振接地方式时需取得可供消弧线圈接地的中性点，增设接地变压器就是最佳的办法，此处T_Z是供补偿电网接地专用的Z字形变压器；L为消弧线圈，R为消弧线圈的阻尼电阻。线路采用架空线路、架空线—电缆混合线路和电缆线路三种线路，六条馈线的编号依次为L ₁,L ₂,L ₃…L ₆，其中，L ₁为架空线，长度为15km；L ₂为电缆，长度为6km；L ₃为架空线，长度为18km；L ₄为线缆混合线路，电缆长度为5km，架空线长度为12km；L ₅为架空线，长度为30km；L ₆为电缆，长度为8km。负荷选用恒定功率负荷模型，其中P=800kW，Q=140KVar；R ₁,R ₂,R ₃,...R ₆为保护元件，其上箭头的方向为保护元件安装的正方向。

现假设馈线L ₁距离母线5km处A相发生单相接地故障，接地电阻20Ω，故障角为90°，采样频率为10kHz。故障后5ms时窗内母线零序电压的波形图如图3所示；馈线L ₁,L ₂,L ₃…L ₆的零序电流波形图如图4-9所示。截取故障后1ms时窗内的母线零序电压和各馈线零序电流值，根据公式（1）计算各条馈线的暂态零序功率值为：

S(j)=[-7.48×10⁶1.86×10⁶1.93×10⁵1.96×10⁶4.13×10⁵3.08×10⁶]

其中，S(1)=-7.48×10⁶<0，保护元件R ₁检测为正方向故障，保护元件R ₁启动断开。

而，S(2)、S(3)、S(4)、S(5)和S(6)均大于零，保护元件R ₂,R ₃,...R ₆检测为负方向故障，保护元件R ₂,R ₃,...R ₆不动作。保护动作与假设需求一致，保护动作正确。

实施例2：如图2所示的中性点经消弧线圈接地的配网***，***参数与实施例1相同。现假设馈线L ₂距离母线4km处A相发生单相接地故障，故障初始相角90°，故障过渡电阻为20Ω，采样频率为10kHz。故障后5ms时窗内母线零序电压的波形图如图10所示；馈线L ₁,L ₂,L ₃…L ₆的零序电流波形图如图11-16所示。截取故障后1ms时窗内的母线零序电压和各馈线零序电流值，根据式公式（1）计算各条馈线的暂态零序功率值为：

S(j)=[2.00×10⁵-1.40×10⁸1.27×10⁶2.22×10⁵1.03×10⁷1.05×10⁸]

其中，S(2)=-1.40×10⁸<0，保护元件R ₂检测为正方向故障，保护元件R ₂启动断开。

而，S(1)、S(3)、S(4)、S(5)和S(6)均大于零，保护元件R ₁,R ₃,...R ₆检测为负方向故障，保护元件R ₁,R ₃,...R ₆不动作。保护动作与假设需求一致，保护动作正确。

上面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。

Claims (1)

1.一种基于暂态功率方向的配电网单相接地保护方法，其特征在于：对于中性点经消弧线圈接地的配电网，当其中的一条馈线发生单相接地故障时，首先在故障后短时窗内计算母线零序电压和各馈线零序电流的乘积积分，得到各条馈线的暂态零序功率值；然后将各条馈线的暂态零序功率值与零值进行比较，当某条馈线的暂态零序功率值小于零时，判定线路发生正向故障，保护元件动作；当某条馈线的暂态零序功率值大于零时，判定线路发生反向故障，保护元件不动作；

所述单相接地保护方法具体步骤如下：

A、当其中的一条馈线发生单相接地故障时，首先在故障后短时窗内计算母线零序电压和各馈线零序电流的乘积积分S(j)，得到各条馈线的暂态零序功率值：

$S\left(j\right)=\underset{t_0}{\overset{t_0+\mathrm{\&tau;}}{\&Integral;}}{u}_0\left(t\right)i_{0j}\left(t\right)dt,j=1,2,\mathrm{.......}N---\left(1\right)$

式中：t₀为故障发生时刻，τ为故障后截取母线零序电压和馈线零序电流的时窗长度，u₀(t)母线零序电压，i_0j(t)为各馈线的零序电流，N为馈线的条数；

B、将各条馈线的暂态零序功率值与零值进行比较，并确定故障方向：

当S(j)〈0时，确定为正方向故障；当S(j)〉0时，确定为反方向故障；

C、根据故障方向确定保护元件的动作判据为：

当确定为正方向故障时，保护元件动作；当确定为反方向故障时，保护元件不动作。