CN1180272C - 电力***小电流接地故障选线、分段方法 - Google Patents

Abstract

电力***小电流接地故障选线、分段方法，尤其涉及一种具有自具特点的小电流接地***单相接地保护方法，a以零序电压或零序电流的变化作为故障的启动条件；b确定故障起始时刻和暂态信号延时长度；c对暂态零序电压、暂态零序电流进行双向带通滤波；d计算故障选线、分段所需的故障信息，e根据暂态信号中无功功率的大小及方向确定故障线路；f对于故障线路，根据暂态信号中无功功率的大小及方向确定故障区段，本方法可以适用于中性点不接地、消弧线圈接地、高阻接地***，不受闪弧故障的影响，且故障选线时不需要其他线路故障信息，具有自具特点。

Description

电力***小电流接地故障选线、分段方法

                                技术领域

电力***小电流接地故障选线、分段方法，涉及一种中性点不接地、消弧线圈接地或高阻接地***中压配电网单相接地故障选线、分段定位方法，尤其涉及一种具有自具特点的小电流接地***单相接地保护方法。

                                背景技术

我国配电***大多采用中性点不接地或谐振接地(消弧线圈接地)处理方式。由于故障电流小、弧光造成的接地过程不稳定等原因，单相接地故障检测一直难以彻底解决。

中性点不接地电网中，单相接地时故障线工频零序电流等于所有健全线路对地电容电流之和，方向从线路指向母线。而健全线路零序电流等于自身对地电容电流，方向从母线指向线路。但在消弧线圈接地***中上述规律不再成立。

在消弧线圈接地***中，对于高次谐波由于消弧线圈的感抗增加即其补偿作用下降，而对地分布电容容抗下降。因此，对于零序电流中5次以上的谐波成份可以忽略消弧线圈的作用，即认为故障线路比非故障线路幅值大且方向相反。但故障零序电流中谐波含量非常小，检测有一定难度。

故障时***负序等效电路不同于零序等效电路，由故障产生的负序电流流经故障线路后直接通过变压器注入高压***，而健全线路负序电流幅值非常小。利用该原理的方法如：《中国专利公报》2000年9月6日公开的，申请号：00114452.9，发明名称：小电流接地***接地保护方法，该方法步骤为1、监测***零序电压、各馈线负序电流，选择监测各相电压和各馈线零序电流，2、零序电压大于整定值则判定***故障，3、计算故障发生后各馈线负序电流变化量，4、某馈线负序电流变化量大于精确工作电流时，分别可根据负序电流大小、方向或能量函数判定该线路故障。该方法虽也可实现故障选线和分段，但受负荷变化影响较大。

利用上述特征进行故障选线的方法，大多利用了故障时产生的稳态电流信号，各有优缺点。由于稳态电流幅值小，且实际故障许多是如图1、图2、图3所示的闪弧故障，故障在电压接近最大值时发生而在电压过零点后消失，因此接地电流中基本上不存在稳定的稳态过程。给所有基于稳态的方法带来了局限性。

随着配网自动化的发展和故障管理功能的不断完善，如何对单相接地故障实现故障区段的快速定位、隔离并恢复健全线路的供电，而不仅局限于传统的故障选线，成为业内技术人员研究的主要课题。本发明对于解决该问题，特别是对于单出线长距离***，如铁路自闭、贯通线路等，将会产生积极的效果。

                              发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种能够适用所有小电流接地***、不受闪弧故障影响，可靠性高、具有自具特点的小电流接地故障选线方法，并可利用该方法实现故障分段。在***出现单相接地故障时，能够快速确定故障线路或故障区段，进一步自动或人工指令相应断路器、开关操作切除故障线路或隔离故障区段。利用该方法可以实现单相接地故障的保护功能。

本发明解决技术问题所采取的技术方案是：通过各种在线检测装置进行故障选线并确定故障区段，实现过程为：

a以零序电压或零序电流的变化作为故障的启动条件；

b确定故障起始时刻和暂态信号延时长度；

c对暂态零序电压、暂态零序电流进行双向带通滤波；

d计算故障选线、分段所需的故障信息：根据暂态零序电流主谐振频率确定滤波器参数并提取暂态零序电压、电流中相应的分量u₀′(t)和i₀′(t)，使其保持容性约束关系， $u_0^{\′}\left(t\right)=R*i_0^{\′}\left(t\right)+\frac{1}{c}{\∫}_{-\∞}^t{i}_0^{\′}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ},$ 其中R为线路等效阻抗，C为线路对地等效电容，再根据具有容性约束关系的分量u₀′(t)和i₀′(t)计算暂态信号中无功功率的大小及方向： $Q={\∫}_0^T{i}_0^{\′}\left(t\right)\×\frac{{\mathrm{du}}_0^{\′}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}={\∫}_0^T{i}_0^{\′}\left(t\right){\mathrm{du}}_0^{\′}\left(t\right),$ 其中T为一个工频周期；

e根据暂态信号中无功功率的大小及方向确定故障线路；

f对于故障线路，根据暂态信号中无功功率的大小及方向确定故障区段。

该方法是同时利用故障产生的暂态零序电压、暂态零序电流作为判断依据，通过在出线出口或线路上按区段安装的在线监测装置，实现小电流接地***单相接地故障选线、分段。

对暂态零序电压、暂态零序电流信号进行双向带通滤波按下述方法处理：采用相关函数法来估计暂态零序电流的主谐振频率ω1，确定滤波器高通截止频率为3ω0，低通截止频率为ω1+ωr，其中ω0为工频角频率，ωr为安全余量，利用无限冲击响应滤波器IIR对暂态零序电压、暂态零序电流作双向带通滤波。

在步骤e中根据暂态信号中无功功率的大小及方向确定故障线路的方法如下：对于同一母线的不同出线出口的检测点，如果暂态无功功率小于零，该条线路为故障线路，否则暂态无功功率大于零，其为健全线路。

在步骤f中确定故障区段的方法如下：对于故障线路，由主站根据线路上各个检测装置上报的故障信息确定故障区段，如果在其上按区段安置多个检测装置，则故障位于两侧无功功率方向相反的区段，如果所有检测点的暂态无功功率都大于零，则故障点位于母线和第一个检测点之间，如果所有检测点的暂态无功功率都小于零，则故障点位于最后一个检测点和线路末端之间。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

单相接地时，暂态过程主要由故障相对地电容放电过程和非故障相的充电过程构成。最大暂态电流和稳态电容电流之比近似等于谐振频率与工频频率之比，即其幅值可能比稳态值大几倍到几十倍。

在谐振接地***中，由于消弧线圈中的电流不能突变，流经消弧线圈的暂态电流变化速度远远小于暂态电容电流的变化。同时，消弧线圈的感抗随着频率的增高而增高，而电容的容抗同时下降。因此，当采用暂态零序电流时可以不考虑消弧线圈的影响。

零序暂态电流一般由多个按指数衰减的正弦信号组成，其中整个***的谐振信号在故障线和所有健全线中都占主要成分，称其为主频信号。可以证明，在任何***的任何检测点上，暂态零序电压、电流的主频分量必然呈容性关系。利用该关系可以确定故障线路和故障区段。本方法在选线时只需要检测点的零序电压、零序电流信号，可以作为单相接地保护继电器的保护原理。

综上所述，利用本发明的方法进行单相接地故障选线或分段时，暂态信号比稳态信号幅值大、易于检测；不受***中性点接地方式影响；闪弧故障时绝缘每一次重新击穿都会产生暂态过程，暂态信号更加丰富、适用面广；故障选线时，不需要其它线路信息，有自具特点。

                                附图说明

图1为实际记录的单相接地故障健全线零序电流波形；

图2为与图1同一故障的故障线零序电流波形；

图3为与图1同一故障的零序电压波形；

图4为暂态零序电压、电流容性分量关系示意图；

图5为故障点两端暂态无功功率及方向示意图；

图6为专用选线装置结构图；

图7为故障分段实现装置示意图。

图中：R线路等效阻抗  C线路对地分布电容  i₀′(t)零序电流  u₀′(t)零序电压D1-D5为检测点 f故障点 DAU1-DAUn数据采集单元 CB出线断路器 S1-S6柱上开关FTU1-FTU6为馈线在线检测装置  RTU为变电站在线检测装置。

                            具体实施方式

本发明可以用多种方法分别实现故障选线和分段功能，可以是具有专一功能的专用设备，也可以和其它装置，如配网自动化***、馈线出口保护设备共用软硬件平台。

下面分别叙述：

1、电站单相接地故障选线方法：

利用本发明可以像传统方法那样比较各条出线故障信息实现故障选线。附图6所示为其装置结构示意图，其中虚线部分为可选部分。各个数据采集单元DAU负责检测不同的线路，并将检测数据上传CPU单元集中处理，处理结果可以以多种形式在当地显示或上传远方调度。具体实现步骤如下：

1)以零序电压、零序电流的变化做为故障的启动条件：

在小电流接地***中，当发生金属性单相接地故障时，接地相电压降低为0，而两个健全相电压升高为线电压即相电压的

倍。同时，线路上的零序电压和零序电流都会增加，其中零序电压幅值等于正常工作时的相电压。因此，可以利用零序电压或零序电流超越一定的门槛作为单相接地故障的启动条件：

S₀＞S_0d

所用的零序电压、零序电流可以是直接测量的结果也可以是通过三相电压或电流计算而来：

$S_0\left(t\right)=\frac{1}{3}(S_A\left(t\right)+S_B\left(t\right)+S_C\left(t\right))$

上述两式中S代表了电压或电流。

当接地点存在过渡电阻时，零序电压随着过渡电阻的增加而降低。同时为了克服正常工作时不平衡电压的影响，零序电压的门槛一般取为相电压的30％。

零序电压电流的工频有效值或瞬时值都可以作为故障启动条件的依据。

2)根据暂态零序电流信号的变化确定故障起始时刻：

由于在稳定接地故障中暂态信号只在故障起始时刻出现、且持续时间较短。为了完全、准确地利用所有的故障信息，必须准确地搜索到故障的起始时刻，即代表该暂态过程的第一个测量点。

单相接地故障启动后，在启动前一个工频周波到启动后一个工频周波的时间范围内，寻找暂态零序电流突变量第一次超越一定门槛的时刻，即可认为是故障的起始时刻。门槛可以根据该范围内暂态零序电流突变量瞬时最大值确定，如其20％。

3)根据暂态零序电流的自相关函数估算***主谐振频率：

基于傅立叶变换分析信号频谱的方法必须通过大量的采样才能可靠地估算出信号波谱，且必须假设信号是静态的。由于瞬时值具有暂态和非静态特性，计算出的波谱可能不够准确。对FFT采用窗口函数加权后也会使计算的波谱失真。分析衰减正弦信号的较好模式是Prony方法，但它受噪声干扰的影响较大。

瞬态频率的计算可采用相关函数实现，它可估算出测量信号中的动态变化。

$r\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_0^{T}x\left(t\right)x(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

离散的数据信号的相关函数如下式表示：

$r\left[k\right]=\underset{n=1}{\overset{N-k}{\mathrm{\Σ}}}x\left[n\right]x[n+k]$

其中：N是数据长度，k为延时。参与运算的数据应该从该瞬态过程的开始时刻到结束时刻。相关函数达到最小值处的相关函数时间值等于按指数衰减的正弦信号的半个周期长度。据此可以求出暂态过程的主谐振频率。

4)根据***主谐振频率确定带通滤波器的截至频率：

由于频率比***主频大的暂态电压电流分量不完全满足容性关系，即不完全满足在该频率上故障线的幅值大于所有健全线路且极性相反。因此，在计算故障方向之前必须对暂态零序电压、电流信号进行低通滤波。低通滤波的作用主要是：滤除不需要的暂态信号、滤除高频干扰信号。

同时，对于中性点谐振接地***的故障线路，其在工频附近呈感性阻抗，因此应该滤去低频分量。

因此，应该对暂态零序电压电流作带通滤波。其中低通的截至频率根据主谐振频率来确定。由于实际使用的数字低通滤波器不可能具有零宽度的通带。因此，在计算出的主频率上必须添加一定的安全余量ω_r，具体由下式确定：

ω_r＝max(200，0.1ω_h)

其中：ω_r为主谐振频率。而高通的截止频率可以选为3倍的工频频率。即带通滤波器的截止频率为：(3ω₀，ω₁+ω_r)

5)对暂态零序电压、电流施行双向带通滤波：

为了不影响主频信号电压、电流间的相位关系，要求数字带通滤波器具有线性相位。如果使用非线性相位的滤波器(如无限冲击响应IIR滤波器)，则必须使用双向滤波技术以避免相位失真。即先从暂态信号第一个采样点开始进行低通滤波直到最后一个采样点，对第一次滤波的结果再从最后一个数据开始反向滤波直到第一个数据。

6)确定暂态过程的持续时间：

不同故障条件下暂态信号的持续时间不同，为了更准确地使用故障数据必须确定故障的结束时间即故障的延时时间。由于绝大多数暂态过程持续时间大都小于一个工频周波，因此对故障后一个完整工频周期的暂态零序电流数据进行带通滤波，在保留的暂态零序电流分量中选取信号的最大幅值。从采样序列的尾端向始端逐个比较，直到达到一个极限值(例如最大值的10％)。将该时刻作为暂态信号的结束时刻。

7)计算暂态无功功率大小和方向：

计算暂态零序电压电流无功功率的方法有多种。如将暂态零序电流信号所有频率成份都位移90度：

$i_0^{\′\′}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_0^{\′}\sin (w_k+{\mathrm{\θ}}_k+\mathrm{\π}/2)$

再计算无功功率：

$Q={\∫}_0^T{u}_0\left(t\right)i_0^{\′\′}\left(t\right)\mathrm{dt}$

由于在暂态信号的频率下，线路阻抗的作用小于分布电容，因此可以利用公式 $Q={\∫}_0^T{i}_0^{\′}\left(t\right)\×\frac{{\mathrm{du}}_0^{\′}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}={\∫}_0^T{i}_0^{\′}\left(t\right){\mathrm{du}}_0^{\′}\left(t\right)$ 简化计算暂态无功功率。

8)比较各条出线暂态无功功率方向确定故障线路：

故障线路的暂态无功功率为负、而健全线路为正。由于当健全线路电流信号较弱时易受噪声干扰，因此可以选择暂态电流幅值或暂态无功功率较大的若干条出线在比较其极性。

此类设备具有较专一的功能，需由一台设备监视多条甚至所有出线。整套设备主要由多个采集单元DAU和一个CPU单元构成，。

图6中：采集单元中的一块负责监视电压信号，其余每块采集单元负责监视一定数目出线的零序电流，整个装置可以根据电站出线数目选用不同的采集单元数。出现故障后，由零序电压或零序电流同时启动所有采集单元，采集单元记录一定长度的故障前后数据，并传给CPU单元。

CPU单元负责整套装置的管理和协调工作，接受用户设置的定值，存储、分析各个采集单元记录的故障数据，利用本方法确定故障线路后以不同的形式提供选线结果和报警信号。并能根据需要将故障数据或分析结果上传上级主站或远方***。

2、故障分段方法：

要实现分段功能，整套***应当由三部分组成：分布于线路各个检测点上的在线检测装置、位于变电站的中央处理单元和通讯***。附图7所示为一典型的***结构，利用馈线自动化现有的硬件设备，以FTU、RTU作为在线检测装置，以主站作为中央处理单元，只需再增加相应的软件即可。相比较于只利用暂态零序电流的方法，本方法必须同时需要零序电压、零序电流信号。

在线检测装置负责实时监测线路零序电压、零序电流的变化，在发生故障后计算暂态无功功率的大小和方向，将计算结果上报中央处理单元。中央处理单元接收到各个在线检测装置上报的信息后确定故障区段并发出报警信号。再由人工或自动遥控相应开关将故障隔离并恢复健全线路的供电。

具体实现步骤如下：

线路在线检测装置：

1)以零序电压、零序电流的变化做为故障的启动条件，

2)根据暂态零序电流信号的变化确定故障起始时刻，

3)根据暂态零序电流的自相关函数估算***主谐振频率，

4)根据***主谐振频率确定带通滤波器的截至频率，

5)对暂态零序电压、电流施行双向带通滤波，

6)确定暂态过程的持续时间，

7)计算暂态无功功率大小和方向。

主站：

根据故障线路上不同检测点故障信息确定故障区段，

故障位于两侧无功功率方向相反的区段。如果所有检测点的暂态无功功率方向都大于零，则故障点位于母线和第一个检测点之间。相反，如果所有检测点的暂态无功功率方向都小于零，则故障点位于最后一个检测点和线路末端之间。

3、单相接地故障出线保护方法：

利用本发明实现故障选线只需要零序电压和本线路零序电流信号，不需要其它线路的故障信息，具有自具特点。因此，可以利用本方法实现单相接地故障保护功能。具体实现步骤如下：

1)以零序电压、零序电流的变化做为故障的启动条件，

2)根据暂态零序电流信号的变化确定故障起始时刻，

3)根据暂态零序电流的自相关函数估算***主谐振频率，

4)根据***主谐振频率确定带通滤波器的截至频率，

5)对暂态零序电压、电流施行双向带通滤波，

6)确定暂态过程的持续时间，

7)计算暂态无功功率大小和方向，

8)利用出线出口故障信息确定被检测线路是否为故障线路：

对位于第j条出线出口的检测点，如果该线路暂态信号滤波的无功功率Q_j＜0，则第j条线路为故障线路，否则Q_j＞0其为健全线路。当健全线路中暂态电流较小时，计算的无功功率和方向可能有误，因此，应该在判断故障线路前对暂态电流幅值设置一定的门槛。

在配电网中作为发展趋势，各种出线保护功能可以合为一个整体，即节约投资、简化连线和装置空间，又便于管理。在现有的出线保护设备中增加单相接地故障保护功能，可以充分利用已有资源，只需增加相应的软件和少量硬件即可。

做为单相接地故障保护功能，如果确定被检测线路为故障线路，可以立即输出跳闸指令隔离故障线路。也可以先发出报警信息，并按照规程规定继续运行一段时间，在合适时机由人工干预再发出跳闸指令。

Claims (4)

1、电力***小电流接地故障选线、分段方法，通过在线检测装置进行故障选线并确定故障区段，其特征在于实现过程为：

a以零序电压或零序电流的变化作为故障的启动条件；

b确定故障起始时刻和暂态信号延时长度；

c对暂态零序电压、暂态零序电流进行双向带通滤波；

d计算故障选线、分段所需的故障信息：根据暂态零序电流主谐振频率确定滤波器参数并提取暂态零序电压、电流中相应的分量u₀′(t)和i₀′(t)，使其保持容性约束关系， $u_0^{\′}\left(t\right)=R*i_0^{\′}\left(t\right)+\frac{1}{c}{\∫}_{-\∞}^t{i}_0^{\′}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ},$ 其中R为线路等效阻抗，C为线路对地等效电容，再根据具有容性约束关系的分量u₀′(t)和i₀′(t)计算暂态信号中无功功率的大小及方向： $Q={\∫}_0^T{i}_0^{\′}\left(t\right)\×\frac{d{u}_0^{\′}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}={\∫}_0^T{i}_0^{\′}\left(t\right){\mathrm{du}}_0^{\′}\left(t\right),$ 其中T为一个工频周期；

e根据暂态信号中无功功率的大小及方向确定故障线路；

f对于故障线路，根据暂态信号中无功功率的大小及方向确定故障区段。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对暂态零序电压、暂态零序电流信号进行双向带通滤波按下述方法处理：采用相关函数法来估计暂态零序电流的主谐振频率ω1，确定滤波器高通截止频率为3ω0，低通截止频率为ω1+ωr，其中ω0为工频角频率，ωr为安全余量，利用无限冲击响应滤波器IIR对暂态零序电压、暂态零序电流作双向带通滤波。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤e中根据暂态信号中无功功率的大小及方向确定故障线路的方法如下：对于同一母线的不同出线出口的检测点，如果暂态无功功率小于零，该条线路为故障线路，否则暂态无功功率大于零，其为健全线路。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤f中确定故障区段的方法如下：对于故障线路，由主站根据线路上各个检测装置上报的故障信息确定故障区段，如果在其上按区段安置多个检测装置，则故障位于两侧无功功率方向相反的区段，如果所有检测点的暂态无功功率都大于零，则故障点位于母线和第一个检测点之间，如果所有检测点的暂态无功功率都小于零，则故障点位于最后一个检测点和线路末端之间。

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