CN1207176A - 检测和确定电力电网中高阻接地故障的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到检测和确定电力电网中发生的高阻接地故障。该方法中,用相量形式表示的中性点电压(Uo)在变电站中测出。根据本方法,电网的相线电压采用相量的形式测量,代表中性点电压(Uo)的零序电压相量为测量各相线电压的相量和,零序阻抗(Zo)由电网模型计算出,此后,零序电压(Uo)采用相量的形式同电网相线电压(Uv)相量进行比较,同时也与电网的合成零序阻抗(Zo)进行比较,由这些计算变量得出各相线的故障阻抗(Zf),然后,故障阻抗(Zf)实部具有最大值的那一相被确定为故障相线。

Description

检测和确定电力电网中高阻接地故障的方法
根据权利要求1的前序部分，本发明涉及一种检测和确定电力电网中线路发生高阻接地故障的方法。
通常，检测接地故障通过监视电力电网中的零序电压(即中性点电压)来实现。在该种装置中，当中性点电压超过一预定限制值时，就发出线路故障报警。
美国专利号NO.4729052中公布了一种检测线路接地故障的方法，它通过改变接于电力***中性点上的接地***阻抗，再测量该变化给中性点电压所带来的变化。该方法适用于补偿中性线电网，且电网中有一种谐振补偿线圈接在中性点上。
德国专利号NO.4140556中公布了一种非常类似于本发明的装置。该装置的目的在于，通过继电保护装置来检测接地故障状态下的故障线路。执行该操作时，利用相量的形式对中性点电压和一个线电压进行比较，中性点电压也可以和一个正序电压分量或任何其它不受接地故障影响的参考电压进行比较。因此，该装置的应用领域属于常规的继电保护，它有一个固定的跳闸判据，而且，实际的故障检测是以中性点电压绝对值为基础的。
在常规技术中，存在一个问题，就是在20KΩ及其以上的数量级故障电阻情况下，缺少一种可靠通用且又比较灵敏的检测方法。
本发明的一个目的就是克服上述技术中存在的缺点，并提供一种完全新型的方法，以检测和确定电力电网中发生的高阻接地故障。
在检测接地故障时，本发明的目的通过下述方法实现，将在电网电站内测出的零序电压(中性点电压)同电网中测到的相电压正序分量进行比较，同时，零序电压又与电网的合成零序阻抗进行比较。比较采用相量的形式进行，也就是说，把电压看作零相的参考矢量。这种比较的结果是为了估算故障电阻的大小。比较中用到的合成零序阻抗可以采取一种近似值，这可通过电网模型计算而得来。因此，本发明源自于采用变电站中惯用的方法，对相线电压进行测量。
同常规装置相比，本发明的主要不同之处在于：
-比较采用相量的形式，且对怀疑可能出故障的相线其正序电压分量进行了比较，同时也对电网的合成零序阻抗进行了比较。
-本方法通过比较三相***各个相线的计算故障阻抗，以此来指出发生故障的相线。在发生故障的相线中，故障阻抗是电阻性质的，而其余两个相线中，每相计算阻抗的实部均为负值，而这种情况是不现实的。
-本方法对故障电阻大小作出了估算，由此可很容易计算出故障电流值。
-计算的故障电流可以同电网中测得的实际故障电流进行比较，由此得出故障检测所遵循的一个判据，也可以更精确地得出电网中发生故障的位置。
更具体地讲，根据本发明的方法其特征由权利要求1的特征部分进行阐述。
本发明提供有相当大的优点。
常规的故障检测工序是建立在监视零序电压绝对值的基础上的，若利用本发明的优点，它就可以得到较大的考虑，因为现在是以相量的形式来测量中性点电压，而且，通过比较零序电压就能确定发生的电阻性故障，并由此而比较电网的零序阻抗。于是，故障检测范围可以延伸至大大超过故障的电阻值。
同美国专利号NO.4729052的技术相比，本发明的优点为，在电网的中性点上不需要边结附加的器件，而是直接在电网中组成一个故障电路部件。另一大好处为，在不接地电网和带电阻接地的电网中，也可以检测出接地故障。
同德国专利号NO.4140556所引用的技术相比，本发明的不同之处在于，中性点电压不仅同一个由相线电压算得的变量相比较，而且另外还同电网的零序阻抗进行比较，在此阶段前，相角判据不予采用。此处必须指出，对于德国专利号NO.4140556所公布的方法，在发生高阻接地故障时，都不能用来检测接地故障。在一种补偿电网中，其中性点带有补偿接地线圈，由于接地故障电阻值很小，上述引用的方法就会给出一些随意的结果，这是因为，在该电网中，零序阻抗的相角处决于补偿线圈的调谐程度，它可以在一个很大的范围内变动(几乎覆盖了180°)。
采用此处公布的新型方法，只需要将一些新的工序编入接地故障监视***的存储器中就行了，此外，还需将一个简单的电网模型编程模块添加到电网监视/控制***的软件之中。
这种新型方法无需新的变换器，但是在进行电压测量时可用到它，譬如，在变电站中，通常在两个相线间接上一个变压器，以给变电站提供电力电源。
下面，参考附图，通过几个典型的实施方案，本发明可得到更详尽的阐述，其中
附图1用图解的方法示出了一种电网电路的等效电路，并由本发明的方法进行监视；
附图2a示出了一种不接地电网及带电阻接地电网的零序阻抗等效电路图。
附图2b示出了一种电网的零序阻抗等效电路图，这种电网将接地故障电流的容性分量进行了全部的或部分的补偿。
本方法适用于检测和确定电力电网发生高阻接地故障的情况，而在这种情况下，常规的继电保护灵敏度不能检测出故障。本方法的工作范围为故障电阻数量级位于5～150KΩ之内。
尽管在原理上本方法是直接用于不接地电网和补偿线圈接地电网中，但是，若电网通过一个较高的接地***电阻进行接地的话，它也一样起作用。
本方法建立的基础为分析变电站内测得的电压。通过采取相量的形式，测量出电力电网的中性点电压，然后，将该测量值与各相线电压的正序分量进行比较，就可以在馈电变电站(中压)的保护区域内检测出高阻单相接地故障。此外，除了带有通常的接地故障报警外，中性点电压分析还能指示出故障电阻的大小、相应的故障电流值以及遭到接地故障的那一个相线。
运用这些数据，继续对电网的零序电流进行分析，然后再将它们与故障相线电压作出比较。同常规接地故障保护及检测相比，这种新型方法的不同之处在于，现在的接地故障电流不与中性点电压作比较，而是跟各相线电压的正序分量进行比较；此处，接地故障点的故障阻抗被认为是纯电阻性质的。
利用电流测量的优点，可以验证零序电压分析的结果，同时又可获得关于故障点的更精确数据。测量电网电流的合适地点为变电站的输出馈线，也可以为沿着传输线的各个分支点，还可以是断电/分段隔离所。
零序分析的基础在于解答等效电路的各部分，而等效电路则代表各个接地故障条件。如果已知电压及合成零序阻抗，那么发生故障时的阻抗可由下面等式表示： Z ‾ f = ( U ‾ v U ‾ o - 1 ) Z ‾ o - - - ( 1 )
在此
Z o为零序阻抗，
Z f为计算故障阻抗，
U v为相电压的正序分量，
U o为测量的中性点电压。
在附图2a及2b中，用一种等效电路展示了电力电网的模拟电网模型，零序阻抗 Z o通过该模型来进行计算。模型所需的重要参数为，电力电网整个线路长度以及跨接于电网区域内的接地电容。后一个参数可根据实际电网构成而具有不同数值。附图2a阐述的是一种不接地电网或带电阻接地电网的零序阻抗 Z o等效电路图，而附图2b则分别描述了一种谐振接地电网或补偿电网的同一种参数。在附图2a所示的不接地电网中，等效电路的控制器件为电网的接地电容Ce。这些元件带有一个漏电阻器件Re，它约带有接地电流的5-8％(由实践公式Re＝12.5-20·Xc得来，此处Xc为接地电容Ce的电抗)。在谐振接地电网中，这些电路器件另外还带有补偿线圈Le所产生的电抗，补偿线圈Le并联在电路中，如附图2b所示。附图2a的等效电路对于带电阻接地电网也是正确的，且它的漏电阻Re大大减小了。
本方法测量的变量为：
-变电站的三个相线电压，
-中性点电流以及所有电流测量点处的线电压。
中性点电压 U o由相线电压的相量和计算得来。每个相线电压 U v在计算时均作为对称分量***的正序分量，并由瞬时测量值计算得来。为确认发生故障的相线，等式(1)对三个相量方向作如下解答：
1) U v没有旋转角
2) U v旋转为+120°的电角度
3) U v旋转为+240°的电角度。
每个计算周期给出一个 Z f估算值。其中，故障相线为 Z f实部值最大的那一相。因为在实际中故障阻抗 Z f为纯电阻性质的，所以在计算未受损的两个相线时，有必要为其故障阻抗的实部给定一个负值。
根据电流操作法，如果在相线中出现了 Z f的最大实部值，那么就认为检测到了接地故障：
- Z f的实部至少为 Z f虚部的四倍。
该条件同下述准则是等效的，即故障阻抗的相角最大为±15°电角度。计算故障电阻之后，附图1的等效电路也可用来解算故障电流及其相角。
最后，零序电压分析得出以下信息：
-故障相线指示，
-估算出故障电阻大小，
-估算故障电流及其相角。
假使故障电阻较大，那么，由于正常状态下的中性点电压为非零值，故障电阻对电网参数的作用就可能比较困难。这种正常状态下的中性点非零电压主要是由电网的电容不对称造成的，它的值只是不频繁地作一些变化。因此，用一种趋向分析法替代实时零序电压测量，就可以提高已公布方法的灵敏度，趋向分析的基础为监视一个变化值，该变化值定义为实时零序电压值与其平均值之间形成的偏差，例如，计算其平均值时，可在最近10分钟内进行。这种方法提高了接地故障指示的灵敏度，故障电阻可高达约100～150KΩ。引用的这些附图是建立在对不接地电网进行现场测试的基础上的。
一般接地故障报警在由零序电压分析程序解除后，就可以确定故障检测结果，通过分析零序电流测量数据，接地故障的最近点便得以确定。此处，利用相量的形式，在变电站内和/或沿着电网测出的零序电流与零序电压分析得出的零序电流值进行比较，最后，如果发生下述情况，分析的电网部分就被认为是发生了接地故障。
-在给定范围内，测量的零序电流大小等于由上述方法计算得出的值，
-在给定范围内，测量的零序电流相角等于由上述方法计算得出的值。
相角的允许范围可以与上文相同，暂定为±15°电角度。相比之下，电流的允许范围可以宽松一些，暂定约±30％。
同零序电压分析的方式一样，对于高阻接地故障，可通过以下方式来提高本方法的灵敏度，即用一个变值变量来替代实时零序电压测量，该变值变量算作瞬时零序电压相对其长期平均值的偏差。
本发明的基本思想就是将中性点电压 U o同各相线电压的正序分量U v进行比较，另外还将其与电网的合成零序阻抗 Z o进行比较。
由于电压判据只用于故障检测，而不是用在各相线电压的正序分量上，所以本方法中带有可变性。合适的选择有：
1)恰好在发生故障前的故障相线电压
2)故障线路的正序电压分量(故障期间)
3)故障相线的正负序电压分量和(故障期间)
除了这些选择项外，实时零序电压测量还可以由趋向分析来代替，这种趋向分析即为对零序电压相对其长期平均值(例如，计算时间为最近10分钟)的偏差而进行的分析。各相线电压的正负序分量以及零序电压可利用现有熟悉的对称分量理论由各个测得的相电压计算出来。
电网的零序阻抗可通过电网模型大致计算出来。若有必要，通过运用已知的故障电阻值进行接地故障测试，就可以对电网模型的接地电容Ce及漏电阻Re进行校准。

Claims (5)

1.一种检测和确定电力电网中高阻接地故障的方法，该方法中，在变电站内测量
-中性点电压( U o)，它以相量形式表示，其特征在于
-采用相量的形式测量电网的相线电压，
-代表中性点电压( U o)的零序电压相量为测量的各相线电压的合成相量，
-零序阻抗( Z o)由电网模型计算得出，
-零序电压( U o)采用相量的形式同电网相线电压( U v)相量进行比较，同时也与电网的合成零序阻抗( Z o)进行比较，
-由这些计算变量得出各相线的故障阻抗( Z f)，由此，故障阻抗( Z f)实部具有最大值的那一相被确定为故障相线。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，零序电压( U o)利用相量的形式同各相线电压的相量形式正分量( U v)进行比较，另外还与电网的合成零序阻抗( Z o)进行比较。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，零序电压( U o)同在恰好发生故障前测得的故障相线电压( V v)进行比较，另外还与电网的合成零序阻抗( Z o)进行比较。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，零序电压( U o)同故障相线的正负序电压分量相量和( V v)进行比较，另外还与电网的合成零序阻抗( Z o)进行比较。
5.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，在进行比较时，零序电压( U o)的实时值由实时值与长期平均值间的差值来代替，例如，在计算其平均值时，时间选择为最近的10分钟。
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