CN1421704A - 电力***小电流接地故障分段方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力***小电流接地故障分段方法，特别是单出线长距离***的单相接地故障分段方法，该方法适用于线路上按区段安装有多个检测装置的***，每个装置以零序电压或零序电流的变化作为故障启动条件，并计算故障产生的暂态零序电流幅值和初始极性，主站根据各个检测装置上报的故障信息确定故障区段，其基本判据为：故障点两侧暂态零序电流在故障发生后初始极性相反，且在故障点的每一侧暂态零序电流幅值与到故障点的距离成反变关系，本方法适用于中性点不接地、消弧线圈接地、高阻接地***，也适用于线路中接有电抗负荷的***。

Description

电力***小电流接地故障分段方法

                             技术领域

电力***小电流接地故障分段方法，涉及一种中性点不接地、消弧线圈接地或高阻接地的中压配电网单相接地故障分段方法，尤其涉及一种单出线长距离的小电流接地***，如铁路信号电源供电***(自闭或贯通线路)的单相接地故障分段方法。

                              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，使单相接地故障检测一直是个难以彻底解决的问题。

配电网发生的故障绝大多数为单相接地。因此，随着配电网馈线自动化的发展和故障管理功能的不断完善，要求对单相接地故障也能像短路故障那样，实现故障区段快速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。

特别对于像铁路信号电源供电***(自闭、贯通线路)，线路长度一般为40-60km，在没有合适电源或者跨所供电的特殊情况下可能达上百公里。铁路沿线气象、地质环境复杂，查找故障点非常困难。尤其希望能在单相接地故障时减小故障范围，并进一步将故障隔离。铁路自闭、贯通线路的输出经过了调压器与常规母线隔离，其单相接地的特征等同于单出线长距离***。

已有的单相接地故障分段技术主要是利用故障产生的稳态零序电流和负序电流统称为稳态方法。稳态零序电流法只适用中性点不接地***，而不适用于消弧线圈接地***或带有三相对地电抗负荷***。负序电流法也存在着信号幅值小、不易测量、受负荷变化影响较大且不能适用于带有三相电抗负荷的***等缺点。同时，实际接地故障大多数为闪弧故障，工频信号将非常微弱甚至不存在。因此，利用工频电流的稳态方法将存在极大的局限性。也有利用故障相暂态电压电流关系确定故障位置的，如：《中国专利公报》1998年11月25日公开的，申请号：96197635.7，发明名称：测定配电网中单相接地故障位置的方法。该方法是先根据中性点电压的变化确定故障暂态过程的开始时刻，对故障相的电流和电压暂态信号滤波，确定该暂态过程的时间长度，计算故障暂态波的频率，对测出的电压和电流暂态信号实行低通滤波，计算电压和电流暂态过程的频谱U(ω)和I(ω)，计算阻抗谱(1)，并且由等式(2)根据离散角频率ω_k计算故障距离，根据该发明，采用多通带滤波器对故障相的电压和电流信号滤波，沿两个方向对测出的电压和电流信号滤波，根据暂态过程的自动相关函数估算出充电/放电暂态过程的频率，并且采用参量谱估算法计算出电压和电流暂态过程的但频谱U(ω)和I(ω)的复数值。但是，该方法的精度还不够高，应用也受到限制。

                              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***，并且不受闪弧故障、负荷变化、三相对地电抗影响，易于检测的单相故障的分段方法。当线路发生单相接地故障后，利用各种检测设备尽快确定故障所在区段、减小故障查找范围。在此基础上可以通过相应开关的操作隔离故障区段并恢复健全线路供电。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：通过线路上按区段安装的检测装置、主站和通讯***配合确定故障区段，具体过程为：

线路检测装置：以线路零序电压或零序电流的变化作为故障启动条件，根据暂态零序电流的变化搜索故障起始时刻。利用故障产生的暂态零序电流计算故障分段所需信息：暂态零序电流幅值和暂态零序电流初始极性。暂态零序电流幅值可以按公式 $I_f=\sqrt{\frac{1}{T_0}{\∫}_0^{T_0}{i_0}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}$ 计算，其中T₀为暂态零序电流的延时时间，其选取必须尽量多的保留暂态信号而尽量少的保留工频信号。暂态零序电流初始极性的计算可以遵循如下规则：如果现场可以同时得到零序电压、零序电流信号，则电流初始极性定义为故障瞬间暂态零序电流相对于暂态零序电压的变化趋势，趋势相同为正，否则为负。如果现场只能得到零序电流信号、而不能得到零序电压信号，则电流初始极性定义为故障瞬间暂态零序电流本身的极性。因此，暂态零序电流初始极性的确定可以依赖于暂态零序电压，也可以不依赖于暂态零序电压，但在同一***内必须统一。最后上报故障分段信息。

主站根据线路上各个检测装置上报的故障分段信息确定故障区段位置。基本判据是：故障点两侧暂态零序电流在故障发生瞬间初始极性相反，且在故障点的每一侧暂态零序电流幅值与到故障点的距离成反变关系。当检测点位于线路末端、暂态信号较小时，所计算的初始极性易受干扰、可靠性不高。因此，可以只选择暂态零序电流幅值较大的若干检测点参与比较初始极性，即利用幅值和初始极性综合比较确定故障位置。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

发生单相接地故障时，最大暂态零序电流和稳态零序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。因此，和稳态信号相比，暂态信号强、更易检测。

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。三相电抗负荷在故障时的特性和消弧线圈类似，同样可以忽略其对暂态信号的影响。

配电网负荷的变化不会引起线路零序电流的变化，利用暂态零序电流的方法也不受负荷变化的影响。闪弧故障时，伴随着故障点不断被击穿，暂态信号不断产生，因此利用暂态零序电流的方法对闪弧故障有更强的适用性。

利用本方法不需要像利用工频电流那样必须以零序电压信号为参照，可以适用于不能得到零序电压的线路。

不论线路上有没有对地电抗负荷，故障线路上暂态零序电流的分布规律都相同。因此，利用暂态零序电流的变化规律进行故障分段，不受***接地方式、线路电抗负荷的影响，闪弧故障时会产生更多的暂态信息，适用面广；暂态信号相比于稳态信号幅值大，检测灵敏度、可靠性高。

要实现本发明内容，整套***应当由三部分组成：分布于线路各个检测点的检测装置，位于变电站的主站和通讯***。工作过程是检测装置负责实时监测线路零序电压电流的变化，故障后计算暂态零序电流幅值和初始极性，将计算结果上报主站。主站接收到各个终端设备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：

线路检测装置：

1)根据零序电压或零序电流的变化作为单相接地故障的启动条件：

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、零序电流的工频有效值或瞬时值都可以作为故障启动条件。

2)寻找故障的起始时刻：

由于在直接接地故障中暂态信号只在故障起始时刻出现、且持续时间短暂。同时故障点两侧的暂态过程只与本侧的线路结构、参数有关，即两侧的暂态零序电流频率组成并不一定相同，因此两侧的极性关系只在故障瞬间完全成立。因此，必须完全、准确地记录故障的暂态过程，并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)计算暂态零序电流的幅值：

暂态零序电流幅值计算可以采用公式 $I_f=\sqrt{\frac{1}{T_0}{\∫}_0^{T_0}{i_0}^2\left(t\right)\mathrm{dt}},$ 但如果T₀选取的过大则易受消弧线圈或电抗负荷影响，过小则暂态信息不能完全利用。因此，必须保证T₀的选取尽量多的保留暂态信号而尽量少的保留工频信号，一般选取T₀大于1/8而小于1/2工频周波。

也可以采用其它方式计算暂态零序电流幅值，但每条线路上方法应当统一。

4)计算暂态零序电流在故障起始时刻的初始极性：

如果现场可以同时得到零序电压、零序电流信号，则电流初始极性定义为故障瞬间暂态零序电流相对于暂态零序电压的变化趋势。趋势相同为正，否则为负。判断暂态零序电压U₀、电流I₀变化趋势是否相同可以采用下式： $P={\∫}_0^{T_1}{u}_0\left(t\right)i_0\left(t\right)\mathrm{dt}$

如果现场只能得到零序电流信号、而不能得到零序电压信号，则电流初始极性定义为故障瞬间暂态零序电流本身的极性，即计算： $P={\∫}_0^{T_1}{i}_0\left(t\right)\mathrm{dt}$ 其中T₁为从故障起始时刻到使P出现第一个极值的时间。如果P＞0则暂态零序电流初始极性为正，否则P＜0为负。第二个公式同样适用于有零序电压信号的条件下。

5)上报故障信息：

线路检测装置上报主站的故障信息除了暂态零序电流幅值和初始极性外，还应当包括故障时间、零序电压幅值等辅助信息。

主站：

1)根据线路各个检测点上报的故障信息确定故障区段位置：

选择暂态零序电流幅值最大的若干检测点比较其初始极性。如果某区段两侧暂态电流初始极性相反则该区段为故障区段，如果所有参与比较的检测点初始极性都相同且其暂态零序电流幅值随线路呈单调变化趋势，幅值最大的检测点必然位于所有参与比较检测点的末端，则故障区段为紧靠其没有检测点参与比较一侧的区段。

通讯***：

1)不同的通讯***区别主要在于信息传递的速度。由于单相接地故障按规程可以带电运行，对检测、分段的时效要求并不很高，因此各种通讯***都能完成本发明所要求的任务。

                             附图说明

图1为一个具体实现***结构示意图；

图2为一个实际记录的故障点后侧零序电流波形；

图3为与图2同一故障的故障点前侧零序电流波形；

图4为附图1所示***中单相接地故障时暂态零序电流沿线路的分布规律图。

其中：CB出线断路器S1-S6柱上开关FTU1-FTU6馈线自动化远方终端RTU

为变电站终端设备Tf为故障时刻I-VIII线路区段F故障点

                            具体实施方式

具体实现时整套检测***如果由专用装置组成，则必然造成设备和资金浪费。因此一个最佳实现方案是：和馈线自动化***或者铁路信号电源监测***共用软硬件平台，以FTU、RTU作为线路检测装置，并共用主站和通讯***，只需增加相应的软件和少量硬件即可。

附图1-4是本发明的一个实施例，下面结合说明***的结构和工作过程。

如图1所示，整套检测***由三部分组成：分布于线路各个检测点的馈线自动化远方终端FTU1-FTU6、变电站终端设备RTU作为线路检测装置，位于变电站的主站，联系各个检测装置与主站的通讯***。具体实现步骤如下：

设开关S4、S5之间发生单相接地故障，则故障点后侧(从故障点到电源)的检测装置检测到的零序电流变化将如附图2所示，而故障点前侧的检测装置检测到的零序电流将如附图3所示。虽然各个检测点检测到的零序电流幅值将随着其到故障点的距离而变化，其中工频分量的变化将随消弧线圈的有无、电抗负荷的位置而异。但故障瞬间的暂态零序电流特性却是固定的：每一侧的初始极性统一，且幅值与到故障点的距离成反变关系。整条线路和各个检测点检测到的暂态零序电流幅值和极性关系如附图4所示。

图1中线路上各个检测装置将检测到的暂态零序电流幅值和极性通过通讯***上报主站。主站选择幅值较大的若干检测点比较极性确定故障区段。如果幅值门槛较低，如选择五个幅值最大的检测点分别为FTU1～FTU5参与比较初始极性。则FTU1～FTU4初始极性相同且都与FTU5初始极性相反，则可以判断故障位于区段VI。如果幅值门槛较高，如只选择三个检测点FTU2～FTU4比较初始极性，则其初始极性都相同且幅值呈增加趋势，因此可以判断故障位于紧靠幅值最大检测点FTU4的另一侧，即同样定位于区段VI。

确定故障区段后，主站可以以各种形式报告接地信息，并自动或人工在适当时机指令断开开关S4、S5，隔离故障区段进行检修，同时不影响健全区段的供电。

Claims (3)

1、电力***小电流接地故障分段方法，通过线路上按区段安装的检测装置、主站和通讯***配合实现，具体过程为：

线路检测装置：

a根据线路零序电压或零序电流的变化作为故障启动条件，

b根据暂态零序电流的变化搜索故障起始时刻，

c计算故障分段所需信息，

d上报故障分段信息，

主站：

根据线路上各个检测装置上报的故障分段信息确定故障区段位置，

其特征在于：

e故障分段信息源于故障产生的暂态零序电流，

f检测装置计算的故障分段信息主要包括：暂态零序电流幅值和暂态零序电流初始极性，

g用来计算暂态零序电流幅值的公式： $I_f=\sqrt{\frac{1}{T_0}{\∫}_0^{T_0}{i_0}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}$ 中T₀的选取必须尽量多的保留暂态信号而尽量少的保留工频信号，

h如果现场可以同时得到零序电压、零序电流信号，则电流初始极性根据故障瞬间暂态零序电流相对于暂态零序电压的变化趋势而定义，如果现场只能得到零序电流信号，则初始极性根据故障瞬间暂态零序电流本身的变化趋势而定义。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：主站根据故障线路各个检测点上报的故障信息，选择暂态零序电流幅值最大的若干检测点比较其初始极性，如果某区段两侧暂态电流初始极性相反则该区段为故障所在区段，如果所有参与比较的检测点初始极性都相同且其暂态零序电流幅值随线路呈单调变化趋势，幅值最大的检测点必然位于所有参与比较检测点的末端，则故障区段为紧靠其没有检测点参与比较一侧的区段。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：如果现场可以同时得到零序电压、零序电流信号，则电流初始极性根据故障瞬间暂态零序电流相对于暂态零序电压的变化趋势而定义，趋势相同为正，否则为负，判断暂态零序电压U₀、电流I₀变化趋势是否相同可以采用下式： $P={\∫}_0^{T_1}{u}_0\left(t\right)i_0\left(t\right)\mathrm{dt}$ 如果现场只能得到零序电流信号、而不能得到零序电压信号，则电流初始极性根据故障瞬间暂态零序电流本身的变化趋势而定义，即计算： $P={\∫}_0^{T_1}{i}_0\left(t\right)\mathrm{dt}$ 其中T₁为从故障起始时刻到使P出现第一个极值的时间，如果P＞0则暂态零序电流初始极性为正，否则P＜0为负，第二个公式同样适用于有零序电压信号的条件下。

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