電力系統小電流接地故障指示、分段方法
2023-09-18 07:01:45 2
專利名稱：電力系統小電流接地故障指示、分段方法
技術領域：
本發明屬於電力系統接地故障檢測處理領域，具體涉及一種中性點不接地、經消弧 線圉接地或高阻接地系統中壓配電網單相接地故障指示、分段方法。
背景技術：
我國配電系統大多採用中性點不接地或諧振接地(經消弧線圈接地)的中性點接地 方式。由於故障電流小、弧光造成的接地過程不穩定等原因，單相接地故障檢測一直難 以徹底解決。
中性點不接地電網中，單相接地時故障線工頻零序電流等於所有健全線路對地電容 電流之和，方向從線路指向母線。而健全線路零序電流等於自身對地電容電流，從母線 指向線路。但在經消弧線圈接地系統中上述規律不再成立。
在經消弧線圈接地系統中，對於高次諧波由於消弧線圈的感抗增加即其補償作用下 降，而對地分布電容容抗下降。因此，對於零序電流中5次以上的諧波成份可以忽略消 弧線圈的作用，即認為故障線路比非故障線路幅值大且方向相反。
故障時系統負序等效電路不同於零序等效電路，由故障產生的負序電流流經故障線 路後直接通過變壓器注入高壓系統，而健全線路負序電流幅值非常小。
利用上述特徵進行故障檢測的方法各有優缺點，且都利用了故障時產生的穩態電流 信號。由於穩態電流幅值小，且實際故障許多是如圖4所示系統發生的閃弧故障，故障 在電壓接近最大值時發生而在電壓過零點後消失，因此接地電流中基本上不存在穩定的 穩態過程。給所有基於穩態的方法帶來了局限性。
一般而言，故障產生的暫態電流比穩態電流大幾倍到幾十倍，且不受消弧線圏影 響。因此，利用暫態信號的檢測方法具有較高的可靠性和靈敏度。
目前利用暫態信號進行故障檢測一般需要檢測零序電壓信號，需要安裝三相電壓 互感器或零序電壓濾過器，使得故障檢測裝置成本較高。
隨著配網自動化的發展和故障管理功能的不斷完善，要求對單相接地故障能夠實現 故障區段快速定位、隔離並恢復健全線路的供電，而不僅局限於傳統的故障選線。特別 是對於單出線長距離系統(如鐵路自閉、貫通線路)有重要意義。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種能夠適用所有小電流接地系統、不受閃弧故 障影響、只需安裝一相電壓互感器、可靠性髙、具有自具特點的電力系統小電流接地故 障指示、分段方法。
本發明解決技術問題所採取的技術方案是該電力系統小電流接地故障指示、分段 方法，通過各種在線檢測裝置的報瞀信息確定故障區段，實現過程為 a以相電壓或零序電流的變化作為故障的啟動條件； b根據暫態零序電流的變化確定故障起始時刻； c對暫態相電壓、暫態零序電流信號進行帶通濾波； d確定暫態信號的持續時間； 其特徵在於
a估算檢測點背後零序等效電容；
b同時利用故障產生的暫態相電壓和暫態零序電流有關信息作為故障指示、分段依
據；
C根據故陣發生後採集到得暫態相電壓和暫態零序電流估算檢測點背後零序等效電 容，並根據零序電容的值確定故障檢測裝置是否動作報警；
只需一相電壓信號，在每個檢測點的一相上安裝電壓信號測量裝置，提取暫態相電 壓、暫態零序電流中相應成份，使發生故障後在故障線路出口到故障點段上的各檢測點 滿足關係
formula see original document page 6 (接地故障發生在電壓互感器安裝相) (1)
formula see original document page 7 (接地故障發生在非電壓互感器安裝相) (2)
上式中， 為裝有電壓互感器一相的相電壓、/。為暫態零序電流、z為檢測點背後
線模電感、C。為檢測點背後零序電容。
利用以下方法估算檢測點背後等效電容
應用接地故障後第三個採樣值後的N個電壓、電流的採樣值(n=3~N+3)，採用最 小二乘算法，解如下方程，即可得到參數-C。的估計值；
W+3 2 2 2 AT屈 2
formula see original document page 7(3)
formula see original document page 7formula see original document page 7(4)
式中^為發生故障後零序電流的第k個採樣值、力為發生故障後相電壓的第k
個採樣值、Ar為採樣步長；
對所採樣的數據，取0~/,時間段內所採樣的數據做出一個估計值，然後延長數據窗， 用0"2 (/2>^)時間段內所採樣的數據做出另一個估計值，如此重複即可得到待估參 數的一個序列。
按照下述方法確定故障檢測裝置是否需要動作報蒈
設每個檢測點參數估計值為W個，用序列P(0(k-l…m)表示，不論是對於故障指示 和故障選線，若檢測點參數估計值(屍)序列在滿足以下兩個條件時，即可確定檢測點 位於故障線路出口到故障點之間，故障監測裝置動作報瞀；
(1) 屍("的平均值小於零，艮P:
formula see original document page 7 (5)
(2) 屍(t)的波動在一定範圍以內formula see original document page 8 (6)
CT的確定與具體的故障情況和數據精度有關，可根據現場實際運行取值。 對於電纜線路，採用如下方法獲取相電壓信號-
將一段鐵皮包住電纜的某一相，相導體與鐵皮之間形成電容，相導體的絕緣層作為
電容的介質，鐵皮經過RC電路接入大地，通過測量R上的電壓獲取相電壓信號。
工作原理
利用故障產生的一相暫態電壓、暫態零序電流作為判斷依據，通過在出線出口或線 路上按區段安裝的在線檢測裝置，實現小電流接地系統單相接地故障指示、分段。實現 過程為
以相電壓或零序電流的變化作為故障的啟動條件。搜索故障起始時刻和故障延時時 間。根據暫態零序電流主諧振頻率確定濾波器參數，對暫態相電壓、暫態零序電流信號 進行雙向帶通濾波，使保留的分量滿足式(1)或式(2)的關係對零序電流在故障後第一 個工頻周波內的信號，用相關函數法來估計其暫態信號的主頻率W,。確定帶通濾波器截
止頻率為(3w。， W,+W,),其中W。為工頻角頻率，fi^為安全裕量。利用濾波器IIR對 暫態零序電壓、暫態零序電流進行雙向帶通濾波，使保留的分量滿足關係
formula see original document page 8 ( 為故障相電壓信號)
formula see original document page 8 ( 為非故障相電壓信號)
其中L為檢測點背後線模電感，C。為檢測點背後零序等效電容。
與現有技術相比本發明的有益效果是單相接地時，暫態零序電流比穩態值大幾倍 到幾十倍；並且在諧振接地系統中，由於消弧線圈中的電流不能突變，流經消弧線圏的 暫態電流變化速度遠遠小於暫態電容電流的變化。同時，消弧線圈的感抗隨著頻率的增 髙而增高，而電容的容抗同時下降。因此，當採用暫態零序電流時可以不考慮消弧線圈
的影響。
裝置在實現時只需安裝一相電壓互感器，可以有效的降低生產成本。
對於電纜線路，可通過外套經RC電路接地的鐵皮獲取相電壓信號，相對於安裝電 壓互感器，該方法簡單實用，成本低。
利用本發明的方法進行單相接地故障指示、分段時，暫態信號比穩態信號幅值大、 易於檢測；不受系統中性點接地方式影響；閃弧故障時絕緣每一次重新擊穿都會產生暫 態過程，暫態信號更加豐富、適用面廣；不需要其它檢測點的信息，有自具特點；裝置 生產成本低。在系統出現單相接地故障時，能夠快速確定故障區段，進一步自動或人工 指令相應斷路器、開關操作以隔離故障區段。
圖l :是故障線路出口到故障點段上各檢測點背後零模阻抗等效示意圖； 圖2 :是故障線路出口到故障點段上各檢測點背後線模阻抗等效示意圖； 圖3 :是電纜電壓測量電路示意圖； 圖4 :是本發明實施例的系統結構示意圖。
具體實施例方式
圖1-4是本發明的最佳實施例下面結合附圖1-4對系統的結構和工作過程做進一 步說明。
如圖4所示為一典型的系統結構。整套檢測系統有三部分組成分布於線路各個檢 測點的饋線自動化遠方終端FTU1-FTU6、主站、聯繫各個檢測裝置與主站的通信系統。 相比較於利用暫態零序電流的方法，本方法必須同時需要零序電壓、零序電流信號。 設開關S4、 S5之間發生單相接地故障，則從母線到故障點段上各檢測點 (FTU1-FTU4)的相電壓和零序電流滿足關係式(1)或(2),其估算電容滿足判別式 (5)和(6);其它各檢測點(FTU5-FTU6)的估算電容不滿足判別式(5)和(6)。 位於母線到故障點段上的各檢測點(FTU1-FTU4)向主站發送報警信號，而其它 各檢測點不向主站發送報警信號。主站根據報警的檢測點確定故障點位於開關S4、 S5 之間。確定故障區段後，主站可以用各種形式報告接地信息，並自動或人工在適當時機指 令斷開開關S4、 SS，隔離故障區段進行檢修，同時不影響健全區段的供電。
具體實現步驟如下
1、 以相電壓、零序電流的變化做為故障的啟動條件
在小電流接地系統中，當發生單相接地故障時，線路上的相電壓和零序電流都會有 較大變化。因此，可以利用相電壓的變化量超越正常運行時相電壓的30%或零序電流突 變量超越正常運行時最大不平衡電流的20%作為單相接地故障的啟動條件。
所用零序電流可以是直接測量的結果也可以是通過三相電流計算而來
考慮到接地點過渡電阻的影響，電壓變化量的門檻值一般取為相電壓的30%。
對於電纜線路，可通過外套經RC電路接地的鐵皮獲取相電壓信號。
2、 根據暫態零序電流信號的變化確定故障起始時刻
由於在穩定接地故障中暫態信號只在故障起始時刻出現、且持續時間較短。為了完 全、準確地利用所有的故障信息，必須準確地搜索到故障的起始時刻，即代表該暫態過 程的第一個測量點。
單相接地故障啟動後，在啟動前一個工頻周波到啟動後一個工頻周波的時間範圍 內，尋找暫態零序電流突變量第一次超越一定門檻的時刻，即可認為是故障的起始時刻。 門檻可以根據該範圍內暫態零序電流突變量瞬時最大值確定， 一般取為暫態零序電流突
變量瞬時最大值的20%。
3、 根據暫態零序電流的自相關函數估算系統主諧振頻率
基於傅立葉變換分析信號頻譜的方法必須通過大量的採樣才能可靠地估算出信號 波譜，且必須假設信號是靜態的。由於瞬時值具有暫態和非靜態特性，計算出的波譜可 能不夠準確。對FFT採用窗口函數加權後也會使計算的波譜失真。分析衰減正弦信號 的較好模式是Prony (普羅尼)方法，但它受噪聲幹擾的影響較大。
瞬態頻率的計算可採用相關函數實現，它可估算出測量信號中的動態變化。 = fx(f)xO + r)c ,
離散的數據信號的相關函數如下式表示-
W-i
= y ;c[w]x[w + A]
其中N是數據長度，k為延時。參與運算的數據應該從該瞬態過程的開始時刻到結束 時刻。相關函數達到最小值處的相關函數時間值等於按指數衰減的正弦信號的半個周期 長度。據此可以求出暫態過程的主諧振頻率。
4、 根據系統主諧振頻率確定帶通濾波器的截止頻率 由於系統主頻以上的暫態電壓電流信號不完全滿足容性關係，即不完全滿足在該頻
率上故障線的幅值大於所有健全線路且極性相反。因此，在計算故障方向之前必須對暫 態零序電壓、電流信號進行低通濾波。低通濾波的作用主要是濾除不需要的暫態信號、 濾除高頻幹擾信號。
同時，對於中性點諧振接地系統的故障線路，其在工頻附近呈感性阻抗，因此應該 濾去低頻分量。
因此，應該對暫態零序電壓電流作帶通濾波。其中低通的截至頻率根據主諧振頻率 來確定。由於實際使用的數字低通濾波器不可能具有零寬度的通帶。因此，在計算出的 主頻率上必須添加一定的安全裕量^，具體由下式確定
wr = max(200，0.kyj
其中敏r為主諧振頻率。而高通的截止頻率可以選為3倍的工頻頻率。即帶通濾波器 的截止頻率為(3w。，
5、 對暫態相電壓、電流施行雙向帶通濾波
為了不影響主頻信號電壓、電流間的相位關係，要求數字帶通濾波器具有線性相位。 如果使用非線性相位的濾波器(如IIR濾波器)，否則必須使用雙向濾波技術以避免相 位失真。即先從暫態信號第一個採樣點開始進行低通濾波直到最後一個採樣點，對第一 次濾波的結果再從最後一個數據開始反向濾波直到第一個數據。
6、 確定暫態過程的持續時間
不同故障條件下暫態信號的持續時間不同，為了更準確地使用故障數據必須確定故 障的結束時間即故障的延時時間。由於絕大多數暫態過程持續時間大都小於一個工頻周
波，因此對故陣後一個完整工頻周期的暫態零序電流數據進行帶通濾波，在保留的暫態 零序電流分量中選取信號的最大幅值。從採樣序列的尾端向始端逐個比較，直到達到一
個極限值(例如最大值的10%)。將該時刻作為暫態信號的結束時刻。
7、 估算檢測點背後等效零序電容
應用接地故障後第三個採樣值後的N個電壓、電流的採樣值(n=3~N+3)，採用最 小二乘算法，解如下方程，即可得到參數-C。的估計值。通過改變數據窗，得到估計值
的一個序列。
formula see original document page 12
8、 根據估算電容的值確定故障監測裝置是否動作報瞀
設每個檢測點參數估計值為w個，用序列屍(A)(k-l…ra)表示。不論是對於故障指示 和故障選線，若檢測點參數估計值(屍)序列在滿足以下兩個條件時，即可確定檢測點 位於故障線路出口到故障點之間，故障檢測裝置動作報警。 (1)的平均值小於零，即
formula see original document page 12
(2)屍(A)的波動在一定範圍以內:
formula see original document page 12的確定與具體的故障情況和數據精度有關，可根據現場實際運行取值。
9、根據故障線路上不同檢測點故障信息確定故障區段
故障位於一側檢測裝置動作報警而另一側不動作的兩檢測點之間。當發生接地故障
後，如果所有檢測點都不報警，則故障點位於故障線路出口和第一個檢測點之間；如果
某條線路上的檢測點都報黌，則故障點位於該線路最後一個檢測點和線路末端之間。 整套系統可以借用餓線自動化現有的硬體設備。以FTU、 RTU作為終端設備，以
主站作為中央處理單元，只需再增加相應的軟體即可。
也可以利用本發明開發專用的故障指示裝置，如附圖4所示。故障發生後，可以本
地報警(翻牌、指示燈亮)，也可以通過通訊網絡將報警信息發送到監測主站。對實現
了通信或饋線自動化的系統，檢測裝置可將報瞀信息上傳至主站。
利用本發明實現故障分段功能只需要檢測點一相電壓和零序電流信號，不需要其它
檢測點的故障信息，具有自具特點。因此，可以利用本方法實現單相接地故障保護功能。
權利要求
1、電力系統小電流接地故障指示、分段方法，通過各種在線檢測裝置的報警信息確定故障區段，實現過程為a以相電壓或零序電流的變化作為故障的啟動條件；b根據暫態零序電流的變化確定故障起始時刻；c對暫態相電壓、暫態零序電流信號進行帶通濾波；d確定暫態信號的持續時間；其特徵在於a估算檢測點背後零序等效電容；b同時利用故障產生的暫態相電壓和暫態零序電流有關信息作為故障指示、分段依據；c根據故障發生後採集到的暫態相電壓和暫態零序電流估算檢測點背後零序等效電容，並根據零序電容的值確定故障檢測裝置是否動作報警；
2、 根據權利要求l所述的電力系統小電流接地故障指示、分段方法，其特徵在於: 只需一相電壓信號，在每個檢測點的一相上安裝電壓信號測量裝置，提取暫態相電壓、 暫態零序電流中相應成份，使發生故障後在故障線路出口到故障點段上的各檢測點滿足 關係see original document page 2 (接地故障發生在電壓互感器安裝相) (1)see original document page 2 (接地故障發生在非電壓互感器安裝相) (2)上式中，uφ為裝有電壓互感器一相的相電壓、z。為暫態零序電流、丄為檢測點背後線模電感、c。為檢測點背後零序電容。
3、 根據權利要求l所述的電力系統小電流接地故障指示、分段方法，其特徵在於 利用以下方法估算檢測點背後等效電容 應用接地故障後第三個釆樣值後的N個電壓、電流的採樣值(n=3~N+3)，採用最 小二乘算法，解如下方程，即可得到參數-C。的估計值；see original document page 3式中xk為發生故障後零序電流的第k個採樣值、h為發生故障後相電壓的第k個採樣值、△t為採樣步長；對所採樣的數據，取0~f,時間段內所採樣的數據做出一個估計值，然後延長數據窗， 用0-2 (t2>t1)時間段內所採樣的數據做出另一個估計值，如此重複即可得到待估參 數的一個序列。
4、根據權利要求l所述的電力系統小電流接地故障指示、分段方法，其特徵在於， 按照下述方法確定故障檢測裝置是否需要動作報警設每個檢測點參數估計值為W個，用序列屍("(k-l…m)表示，不論是對於故障指示 和故障選線，若檢測點參數估計值(戶)序列在滿足以下兩個條件時，即可確定檢測點 位於故障線路出口到故障點之間，故障監測裝置動作報瞀； (1)P(k)的平均值小於零，即:see original document page 3的波動在一定範圍以內see original document page 3 (6)o的確定與具體的故障情況和數據精度有關，可根據現場實際運行取值。
5、根據權利要求l所述的電力系統小電流接地故障指示、分段方法，對於電纜線路，採用如下方法獲取相電壓信號將一段鐵皮包住電纜的某一相，相導體與鐵皮之間 形成電容，相導體的絕緣層作為電容的介質，鐵皮經過RC電路接入大地，通過測量R上的電壓獲取相電壓信號。
全文摘要
電力系統小電流接地故障指示、分段方法，屬於電力系統接地故障檢測處理領域。其特徵在於估算檢測點背後零序等效電容；同時利用故障產生的暫態相電壓和暫態零序電流有關信息作為故障指示、分段依據；根據故障發生後採集到的暫態相電壓和暫態零序電流估算檢測點背後零序等效電容，並根據零序電容的值確定故障檢測裝置是否動作報警。本方法主要有以下優點裝置在實現時只需安裝一相電壓互感器，可以有效的降低生產成本；對於電纜線路，可通過外套經RC電路接地的鐵皮獲取相電壓信號，簡單易行；暫態信號比穩態信號幅值大、易於檢測；不受系統中性點接地方式影響。
文檔編號G01R31/08GK101201379SQ20071000769
公開日2008年6月18日 申請日期2007年1月17日 優先權日2006年12月11日
發明者波 孫, 徐丙垠, 薛永端, 許立強, 馬士聰 申請人:淄博科匯電氣有限公司