CN1265533A - 小电流接地***接地保护方法 - Google Patents

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Abstract

小电流接地***接地保护方法,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。本方法提高保护可靠性和精度,可分段判定,便于在FTU上实现,满足配电自动化要求。

Description

小电流接地***接地保护方法
本发明涉及电力***继电保护技术，特别是中性点不直接接地***的单相接地选线和保护。
中性点不直接接地***简称小电流接地***，发生单相接地故障时，产生过电压，如不及时清除，可能引发电缆***及其他故障，影响电力***安全和电能质量。目前配电网普遍采用逐条出线试探性拉闸寻找故障线路，不能适应电力***发展的要求。申请号91103633名称为“小电流接地的检测方法及装置”发明专利申请公开了比较电网中各出线零序电流交流谐波量大小，谐波量最大者为接地线路的方法。94106374号发明专利“小电流***单相接地保护方法和装置”主要特征是快速比较出零序谐波无功最大的线路判定为接地线路。由于接地故障电流受***补偿度、接地电阻等影响，大小和方向不定，故障线路零序电流与非故障线路零序电流之间的关系同样受***补偿度、运行方式等影响，变化不定，比较零序电流故障选线可靠性不高；而零序谐波电流受变压器的饱和程度、负荷等多种随机因素影响，采用零序谐波电流的接地保护整定困难，可靠性亦不高；采用零序谐波无功比较受***参数影响大，且对测量装置要求高，现有诸方法对各条出线测量量的比较，难以在配电自动化柱上开关的现场终端单元FTU上实现，不利于在配电自动化中应用。
本发明的目的在于提供一种小电流接地***接地保护方法，主要通过测量计算***的零序电压和各馈线的负序电流变化量实现，以提高接地保护的可靠性和精度，并便于在FTU上实现，满足配电自动化要求。
在测量计算***的零序电压和各馈线的负序电流变化量进行接地保护这一总的技术构思下，本发明可以用以下方式实现：
1.一种小电流接地***地保护方法，包括如下步骤：
(1)在母线或者馈线上在线监测***的零序电压；在各馈线上在线监测线路的负序电流，
(2)当零序电压大于整定电压时，判定***发生接地或断线故障，零序电压突变时刻为故障发生时刻，
(3)在各馈线选定任一相为基准，计算故障发生后的负序电流采样值变化Δi2(k)，并由其计算负序电流变化量ΔI2，
(4)定义负序电流变化量的精确工作电流Is为大小测量误差≤30％、相位测量误差≤30°的最小工作电流，
当某线路|ΔI2|＞|IS|，且|ΔI2|＞整定值
判定该线路故障，保护机构动作。
2.一种小电流接地***接地保护方法，包括如下步骤：
(1)在母线或者馈线上在线监测***的零序电压；在各馈线上在线监测各线路的负序电流，
(2)当零序电压大于整定电压时，判定***发生接地或断线故障，零序电压突变时刻为故障发生时刻，
(3)在各馈线选定任一相为基准，计算故障发生后的负序电流采样值变化量Δi2(k)，并由其计算负序电流变化量ΔI2及其相位，
(4)定义负序电流量的精确工作电流Is为大小测量误差≤30％、相位测量误差≤30°的最小工作电流，
当某线路|ΔI2|＞|IS|，且该线路负序电流变化量相位和流向***的负序电流变化量相位的相位差在120°～240°之间时，
判定该线路故障，保护机构动作。
3.一种小电流接地***接地保护方法，包括如下步骤：
(1)在母线或者馈线上在线监测***的零序电压；在各馈线上在线监测各线路的负序电流和零序电流，
(2)当零序电压大于整定电压时，判定***发生接地或断线故障，零序电压突变时刻为故障发生时刻，
(3)在各馈线选定任一相为基准，计算故障发生后的负序电流采样值变化量Δi2(k)，并由其计算负序电流变化量ΔI2；同样计算该线路零序电流变化量ΔI0，
(4)定义负序电流变化量的精确工作电流Is为大小测量误差≤30％、相位测量误差≤30°的最小工作电流，
当某线路|ΔI2|＞|Is|，且
判定该线路故障，保护机构动作。
4.一种小电流接地***接地保护方法，包括如下步骤：
(1)在母线或者馈线上在线监测***的零序电压：在各馈线上在线监测各线路的负序电流和各相电压，
(2)当零序电压大于整定电压时，判定***发生接地或断线故障，零序电压突变时刻为故障发生时刻，
(3)在各馈线测量故障后电压最低相为基准，计算故障发生后的负序电流采样值变化量Δi2(k)，并由其计算负序电流变化量ΔI2及其相位，
(4)定义负序电流变化量的精确工作电流Is为大小测量误差≤30％、相位测量误差≤30°的最小工作电流，
当某线路|ΔI2|＞|Is|，且ΔI2相位在-60°～60°之间时，
判定该线路故障，保护机构动作。
5.一种小电流接地***接地保护方法，包括如下步骤：
(1)在母线或者馈线上在线监测***的零序电压；在各馈线上在线监测各线路的负序电流和各相电压，
(2)当零序电压大于整定电压时，判定***发生接地或断线故障，零序电压突变时刻为故障发生时刻，
(3)在各馈线上测量故障后电压最低相为基准，计算故障发生后的负序电流采样值变化量Δi2(k)，并由其计算负序电流变化量ΔI2，
(4)定义负序电流变化量的精确工作电流Is为大小测量误差≤30％、相位测量误差≤30°的最小工作电流，
当某线路|ΔI2＞|Is|，且前述(3)负序电流采样值变化量Δi2(k)与电压最低相电压采样值的乘积在故障后两周波内的积分值为正时，
判定该线路故障，保护机构动作。
上述诸方式的步骤(3)中，计算负序电流采样值变化量，
故障后，第一周波负序电流采样值变化量为：
           Δi2(k)＝i2(k)-i2(k-T)
故障后，第二周波负序电流采样值变化量为：
           Δi2(k)＝i2(k)-i2(k-2T)
其中i2(k)为当前采样值，k为采样时刻，T为工频信号周期。由Δi2(k)计算负序电流变化量ΔI2或其相位时，可采用滤波方法，付里叶变换是其中最常用的一种。
为提高负序电流的测量精度，可以选择采用测量级电流互感器和硬件负序电流滤过器提取负序电流。
由于故障线路负序电流变化量为接地故障残流的1/3，二者方向一致；非故障线路负序电流变化量很小，接近于零，方向与故障线路负序电流变化量基本相反。因此，采用负序电流进行接地保护，保护精度只与故障接地残流有关。当单相接地故障残流大于3倍负序电流变化量的精确工作电流时，负序电流接地保护都能准确动作。从而既能适用于中性点不接地***，又能适用于中性点经消弧线圈接地***、经电阻接地***，并能提高接地保护的抗过渡电阻能力。同时由于小电流接地***负序阻抗远小于零序阻抗，在弧光接地过程的电弧熄灭瞬间，负序电流的振荡衰减时间远小于零序电流的振荡衰减时间，因此负序电流接地保护受弧光振荡影响小，具有很强弧光接地保护能力。另一方面，负序电流接地保护1、3、4、5保护方案中，只需测量该被保护线路的电压、电流，便于在FTU上安装，实现线路的分段就地保护，满足配电自动化的要求。
下面结合附图和具体实施方法对本发明作进一步说明。
图1表明正常馈线1和故障馈线4的负序电流。
图2表明正常馈线1和故障馈线4的能量函数波形，其中能量函数为负序电流与故障相电压的乘积对时间积分。
对一35KV配电网进行分析，母线上带有L1、L2、L3、L4四条馈线，馈线参数见表1：
表1馈线参数
名称 性质 长度 每相等效接地电容(μF)   相间电容(μF) 阻尼率 负荷(KVA) 功率因素Cosα
    L1   架空线     30     0.15     0.035   4％   2000     0.80
L2 多回馈线集中等效 100 0.5 0.125 4％ 10000 0.80
    L3   电缆线     30     1.8     0.72   3％   2000     0.80
    L4   架空线     20     0.1     0.025   4％   1000     0.80
根据中性点接地方式、补偿度、故障点、故障接地方式、故障过渡电阻以及负荷的不同情况，分别计算了负序电流的大小、方向及基于负序电流的能量函数，计算结果与波形分别列于表2、表3及图1、图2。
表2各馈线负序电流大小比较
  故障类型   中性点接地方式     ν   U0(kv)   Δ3I21(A)   Δ3I23(A)   Δ3I24(A)
A相金属性接地(Rf＝5欧)     不接地   20.20   0.801   0.811   48.25
    消弧线圈直接接地   -5％   20.19   0.050   0.053   2.95
  -10％   20.18   0.082   0.085   5.12
    消弧线圈串电阻接地   -5％   20.16   0.130   0.132   7.89
  -10％   20.16   0.155   0.159   9.19
A相高阻接地(Rf＝1000欧)     不接地   7.69   0.307   0.312   18.41
    消弧线圈直接接地   -5％   18.53   0.041   0.045   2.71
  -10％   18.20   0.081   0.078   4.61
    消弧线圈串电阻接地   -5％   14.60   0.090   0.095   5.71
  -10％   14.21   0.102   0.106   6.47
馈线4接地故障：表中ν为经消弧线圈接地电网的脱谐度，U0为零序电压，表2和图1中ΔI21为馈线1的负序电流大小，ΔI23为馈线3的负序电流大小，ΔI24为馈线4的负序电流大小。
图1中(a)、(b)为中性点经消弧线圈接地，脱谐度为-10％，故障电阻为5Ω；(c)、(d)为中性点经消弧线圈接地，脱谐度为0(全补偿)，弧光接地，故障电阻为5Ω。
从表2，图1明显看出：无论中性点采用何种接地方式，单相接地故障时，故障馈线负序电流变化量与非故障馈线负序电流变化量的相位基本相反，大小之比保持不变，大约相差60倍，比值约等于负载负序阻抗与电源负序阻抗之比。因此，采用负序电流选线具有较高的准确度。
表3为负序电流大小接地保护，采用方法1和方法3。方法1中用到的负序电流整定值按其他线路发生金属性接地故障时流过该线路的最大负序电流变化量确定，可取1.5倍的可靠系数。方法3中用到ΔI04为故障后馈线4的零序电流变化量大小。
表3负序电流大小接地保护
故障类型 中性点接地方式 保护方法1馈线4的负序电流整定值Δ3Iset(A)     L3接地故障                  L4接地故障
保护方法1 保护方法3 保护方法1 保护方法3
Δ3I24(A) L4动作否 Δ3I04(A) L4动作否 Δ3I24(A) L4动作否 Δ3I04(A) L4动作否
A相金属性接地(Rt＝5欧) 不接地     0.599     0.399     否     1.903     否     48.25   动作     46.43 动作
高阻接地(400欧) 0.870 0.580 否 1.879 否 70.21 动作 68.95 动作
消弧圈直接接地ν＝-10％ 0.063 0.042 否 1.903 否 5.12 动作 6.94 动作
消弧线圈并电阻接地(1000欧)ν＝0 0.270 0.180 否 1.894 否 21.77 动作 21.86 动作
A相高阻接地(Rt＝1000欧) 不接地     0.599     0.152     否     0.725     否     18.41   动作     17.69 动作
高阻接地(400欧) 0.870 0.136 否 0.442 否 16.51 动作 16.21 动作
消弧圈直接接地ν＝-10％ 0.063 0.038 否 1.715 否 4.61 动作 6.26 动作
消弧线圈并电阻接地(1000欧)ν＝0 0.270 0.087 否 0.914 否 10.51 动作 10.55 动作
在表3中，其他馈线、如馈线L3接地故障时，馈线L4基于负序电流大小的接地保护不动作，仅当L4自身故障时，保护动作。
表4为负序电流方向接地保护，采用了前述方法2和方法4。
表4负序电流方向接地保护
故障类型 中性点接地方式                  L3接地故障                   L4接地故障
    保护方法2     保护方法4     保护方法2     保护方法4
α(°)   L4动作否 β(°)   L4动作否 α(°)   L4动作否 β(°)   L4动作否
A相金属性接地(Rt＝5欧)   不接地   -22.5     否   168   否   175.4   动作     2.5   动作
高阻接地   -22.4     否     165   否   175.6   动作     2.3   动作
消弧圈直接接地 -22.5 否 160 否 174.8 动作 2.5 动作
消弧线圈并电阻接地 -22.6 否 167 否 175.8 动作 2.9 动作
A相高；接地(Rt＝1000欧) 不接地   -22.5     否   168   否   175.7   动作     2.8     动作
高阻接地   -22.4     否     163   否   175.9   动作     2.4     动作
消弧圈直接接地 -22.3 否 167 否 176.1 动作 2.0 动作
消弧线圈并电阻接地 -22.4 否 164 否 175.8 动作 2.7 动作
α为比较电流(流向电源的负序电流变化量)与极化电流(流向馈线负序电流变化量)的相位差；β为比较电压(故障相电压)与极化电流(流向馈线负序电流变化量)的相位差。
从表4看出，采用上述方法2、4的负序电流方向保护，与中性点接地方式及故障电阻无关，保护准确度高。
图2为正常馈线1与故障馈线4的能量函数波形，其中
(a)中性点经消弧线圈接地，脱谐度为-10％，弧光接地，故障电阻为100Ω；
(b)中性点经消弧线圈接地，脱谐度为-10％，故障电阻为1kΩ；
(c)中性点经消弧线圈接地，脱谐度为-10％，故障电阻为20kΩ；
(d)中性不接地，故障电阻为20kΩ。
取负序电流与故障相电压的乘积对时间的积分为能量函数。从图2看出：故障后故障馈线的能量函数单调上升，非故障馈线的能量函数基本为零。弧光接地时，非故障相充电、故障相放电，故障馈线能量函数存在一个跃变过程；高阻接地故障时，故障馈线能量函数平稳上升。故障接地方式与接地电阻对基于能量函数的选线保护影响不大，在高阻接地故障和电弧接地故障时，暂态能量接地保护(上述方法5)仍具有较高的准确度。

Claims (5)

1.一种小电流接地***地保护方法，包括如下步骤：
(1)在母线或者馈线上在线监测***的零序电压；在各馈线上在线监测各线路的负序电流，
(2)当零序电压大于整定电压时，判定***发生接地或断线故障，零序电压突变时刻为故障发生时刻，
(3)在各馈线选定任一相为基准，计算故障发生后的负序电流采样值变化Δi2(k)，并由其计算负序电流变化量ΔI2，
(4)定义负序电流变化量的精确工作电流Is为大小测量误差≤30％、相位测量误差≤30°的最小工作电流，
当某线路|ΔI2|＞|Is|，且|ΔI2|＞整定值
判定该线路故障，保护机构动作。
2.一种小电流接地***接地保护方法，包括如下步骤：
(1)在母线或者馈线上在线监测***的零序电压；在各馈线上在线监测各线路的负序电流，
(2)当零序电压大于整定电压时，判定***发生接地或断线故障，零序电压突变时刻为故障发生时刻，
(3)在各馈线选定任一相为基准，计算故障发生后的负序电流采样值变化量Δi2(k)，并由其计算负序电流变化量ΔI2及其相位，
(4)定义负序电流量的精确工作电流Is为大小测量误差≤30％、相位测量误差≤30°的最小工作电流，
当某线路|ΔI2|＞|Is|，且该线路负序电流变化量相位和流向***的负序电流变化量相位的相位差在120°～240°之间时，
判定该线路故障，保护机构动作。
3.一种小电流接地***接地保护方法，包括如下步骤：
(1)在母线或者馈线上在线监测***的零序电压；在各馈线上在线监测各线路的负序电流和零序电流，
(2)当零序电压大于整定电压时，判定***发生接地或断线故障，零序电压突变时刻为故障发生时刻，
(3)在各馈线选定任一相为基准，计算故障发生后的负序电流采样值变化量Δi2(k)，并由其计算负序电流变化量ΔI2；同样计算该线路零序电流变化量ΔI0，
(4)定义负序电流变化量的精确工作电流Is为大小测量误差≤30％、相位测量误差≤30°的最小工作电流，
当某线路|ΔI2|＞|Is|，且
Figure A0011445200031
判定该线路故障，保护机构动作。
4.一种小电流接地***接地保护方法，包括如下步骤：
(1)在母线或者馈线上在线监测***的零序电压；在各馈线上在线监测各线路的负序电流和各相电压，
(2)当零序电压大于整定电压时，判定***发生接地或断线故障，零序电压突变时刻为故障发生时刻，
(3)在各馈线测量故障后电压最低相为基准，计算故障发生后的负序电流采样值变化量Δi2(k)，并由其计算负序电流变化量ΔI2及其相位，
(4)定义负序变化电流量的精确工作电流Is为大小测量误差≤30％、相位测量误差≤30°的最小工作电流，
当某线路|ΔI2|＞|Is|，且ΔI2相位在-60°～60°之间时，
判定该线路故障，保护机构动作。
5.一种小电流接地***接地保护方法，包括如下步骤：
(1)在母线或者馈线上在线监测***的零序电压；在各馈线上在线监测各线路的负序电流和各相电压，
(2)当零序电压大于整定电压时，判定***发生接地或断线故障，零序电压突变时刻为故障发生时刻，
(3)在各馈线上测量故障后电压最低相为基准，计算故障发生后的负序电流采样值变化量Δi2(k)，并由其计算负序电流变化量ΔI2，
(4)定义负序电流变化量的精确工作电流Is为大小测量误差≤30％、相位测量误差≤30°的最小工作电流，
当某线路|ΔI2|＞|Is|，且前述(3)负序电流采样值变化量Δi2(k)与电压最低相电压采样值的乘积在故障后两周波内的积分值为正时，
判定该线路故障，保护机构动作。
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