本发明涉及配网继电保护的技术领域，更具体地，涉及一种基于线路等效阻抗值的单相接地故障检测方法。
背景技术：
与中性点不接地方式以及经消弧线圈接地方式相比，中性点经小电阻接地方式更加适用于以电缆线路为主的大中型城市配网，其具有有效地限制各种过电压以及快速切除故障线路等优点，在大中型城市配网中得到广泛的应用。配网馈线所处的环境复杂，单相经高阻接地故障时常发生，其主要原因包括有架空线路断线、树枝挂碰、绝缘子或避雷器老化及被击穿、电缆绝缘受潮等，特别是电缆沟的环境恶劣，再加上南方的降雨量大，电缆绝缘受潮现象经常发生。同时，掉地的架空线路会产生较高的跨步电压，高阻故障所伴随的电弧会产生高温，这些都将对周围的行人造成巨大的生命威胁。
目前广泛应用于小电阻接地系统的零序电流阶段式保护方案虽然要求其对单相经过渡电阻接地故障具有一定的灵敏性，但是由于需要躲过区外故障时本线路的对地电容电流，其保护定值设置较高，对高阻接地故障的灵敏度很低，无法满足高阻接地故障的需求；也有部分变电站采用零序方向保护方案，但是由于互感器的极性校验困难，再加上故障线路的零序功率方向与非故障线路只相差了90度左右，在电流较小时容易产生较大的计算误差，导致误判。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于线路等效阻抗值的单相接地故障检测方法，利用故障线路和非故障线路的零序电压有效值与零序电流有效值之比存在明显差异的特点，计算线路的零序电压有效值与零序电流有效值之比，并通过此比值的大小判断线路是否发生单相接地故障，从而提高保护对高阻接地故障的灵敏度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种基于线路等效阻抗值的单相接地故障检测方法，包括以下步骤：
s1.赋初值给保护动作整定值zact、零序电流最大不平衡值i0.unb以及零序电压下限值u0.lim；
s2.采集并计算出馈线零序电流的工频有效值i0以及母线零序电压的工频有效值u0；
s3.比较判断是否满足i0>i0.unb，若满足，则转步骤s4；若不满足，则返回步骤s2；
s4.比较判断是否满足u0>u0.lim，若满足，则转步骤s5；若不满足，则返回步骤s2；
s5.根据公式z＝i0/u0×103计算馈线的等效导纳值；
s6.比较判断是否满足z<zact，若满足，则转步骤s7；若不满足，则返回步骤s2；
s7.发出高阻接地故障警报或者跳闸命令。
本发明的基于线路等效阻抗值的单相接地故障检测方法，能够对故障线路和非故障线路进行正确判断，受过渡电阻的影响较小，且对于线性故障电阻和非线性故障电阻均具有良好的适用性，不受互感器的极性影响。另外，本发明只需在传统采集零序电流信号的基础上，增加零序电压信号的采集和处理，易于工程实现。本发明能够提高保护对单相经高阻接地故障的灵敏性，提高配网的安全稳定性以及降低由高阻接地故障所引发的安全事故的概率。
优选地，步骤s1中的零序电流最大不平衡值i0.unb取值范围为1.2a～2a，零序电压下限值u0.lim的取值范围为55v～65v，所述保护动作整定值zact的取值范围为54～60。零序电流最大不平衡值i0.unb需要考虑零序电流互感器可能出现的最大不平衡值，包括系统的不平衡度以及零序互感器本身的“零漂”程度；零序电压下限值u0.lim需要考虑正常运行时开口三角绕组电压的最大值；保护动作整定值zact可以以接地小电阻的阻值并考虑一定的可靠系数进行估算。
优选地，所述零序电流最大不平衡值i0.unb取值为1.4a，零序电压下限值u0.lim的取值为58v，所述保护动作整定值zact取值为60。
优选地，所述保护动作整定值zact＝3rg×krel，式中，rg为接地小电阻的阻值，krel为可靠系数，取值范围为1.8～2。
优选地，步骤s1中所述的零序电流最大不平衡值i0.unb由公式i0.unb＝1/3·(k+pasy)·a计算，其中，k为线路的不对称度；pasy为系统的不对称度；a为线路总对地电容电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明只需在传统采集零序电流信号的基础上，增加零序电压信号的采集和处理，易于工程实现。
(2)本发明受过渡电阻的影响很小，可以提高保护对单相经高阻接地故障的灵敏性，从而提高配网的安全稳定性以及降低由高阻接地故障所引发的安全事故的概率。
(3)本发明能够对故障线路和非故障线路进行正确判断，受过渡电阻的影响较小，且对于线性故障电阻和非线性故障电阻均具有良好的适用性，不受互感器的极性影响。
附图说明
图1为基于线路等效阻抗值的单相接地故障检测方法的流程图。
图2为实施例一的10kv小电阻接地系统的一次接线图。
图3为实施例二线路首端故障时的保护动作情况。
图4为实施例二线路中点故障时的保护动作情况。
图5为实施例二线路末端故障时的保护动作情况。
图6为实施例二发生电弧故障时的保护动作情况。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一
如图1所示为基于线路等效阻抗值的单相接地故障检测方法的第一实施例，包括以下步骤：
s1.赋初值给保护动作整定值zact、零序电流最大不平衡值i0.unb以及零序电压下限值u0.lim；
s2.采集并计算出馈线零序电流的工频有效值i0以及母线零序电压的工频有效值u0；
s3.比较判断是否满足i0>i0.unb，若满足，则转步骤s4；若不满足，则返回步骤s2；
s4.比较判断是否满足u0>u0.lim，若满足，则转步骤s5；若不满足，则返回步骤s2；
s5.根据公式z＝i0/u0×103计算馈线的等效导纳值；
s6.比较判断是否满足z<zact，若满足，则转步骤s7；若不满足，则返回步骤s2；
s7.发出高阻接地故障警报或者跳闸命令。
其中，步骤s1中保护动作整定值zact＝3rg×krel，式中，rg为接地小电阻的阻值，krel为可靠系数，取值范围为1.8～2；步骤s1中零序电流最大不平衡值i0.unb由公式i0.unb＝1/3·(k+pasy)·a计算，其中，k为线路的不对称度；pasy为系统的不对称度；a为线路总对地电容电流。
经过以上步骤，本发明能够对故障线路和非故障线路进行正确判断，受过渡电阻的影响较小，且对于线性故障电阻和非线性故障电阻均具有良好的适用性，不受互感器的极性影响。
实施例二
本实施例为实施例一所述方法的应用实施例，以10kv中性点为小电阻接地方式的变电站为模型，如图2所示，本实施例的接地小电阻以及变压器的零序阻抗为10ω，馈线1、馈线2、馈线3、馈线4的长度分别为6km、9km、12km、15km，各馈线均采用电缆线路，型号均为yjv22‐3*300，其正序参数为：r1＝0.500ω/km、l1＝0.318mh/km、c1＝0.376μf/km，零序参数为：r0＝0.500ω/km、l0＝6.398mh/km、c0＝0.370μf/km。配电变压器的负载率为60％，且功率因数取cosθ＝0.9。本实施例中，在馈线3的首端、中点以及末端分别设置了单相经过渡电阻接地故障点f，以故障线路馈线3和非故障线路馈线4的保护动作情况为样本，来验证实施例一中方法的有效性。本实施例的参数设置如下：
①零序电流最大不平衡值i0.unb：线路的不平衡电流可根据下式进行计算：
i0.unb＝1/3·(k+pasy)·a
式中：k为线路的不对称度；pasy为系统的不对称度；a为线路总对地电容电流。
考虑到小电阻接地系统的最大不对称度pasy为1％，线路最大不对称度k取2.5％，按照工程惯例，线路对地电容电流一般取2a/km，最大长度为30km，则线路的不平衡电流为0.7a。且考虑零序电流互感器“零漂”等其他因素，取可靠系数为2，则零序电流最大不平衡值为1.4a。
②零序电压下限值u0.lim：现场采集母线零序电压一般采用电压互感器的开口三角绕组，而正常运行时开口三角绕组的不平衡电压约为174v，则零序电压下限值u0.lim可取为58v。
③保护动作整定值zact：本案例中的接地小电阻rg＝10ω，并考虑可靠系数为1.8～2，根据计算公式
zact＝3rg×krel
可计算得zact可取为54～60。本实施例中的zact取为60。
当发生线性电阻故障时，过渡电阻分别设置为为0ω、600ω、1200ω以及1500ω，图3至图5分别为在故障线路的首端、中点以及末端设置单相接地故障时，故障线路和非故障线路的零序电流值、零序电压值、等效阻抗值以及保护动作情况。由图3至图5可知，故障线路的保护均正确动作，而非故障线路的保护均不动作，且其不受故障位置的影响，在本案列中可耐受的过渡电阻值约为1000ω；以故障点为线路末端时故障线路和非故障线路的情况进行具体分析：
①非故障线路：
非故障线路的零序电压工频有效值与零序电流工频有效值之比约等于该线路对地工频容抗值。馈线2的对地电容为0.376μf/km，长度为9km，则其对地工频容抗值为940.63ω，与金属故障时非故障线路计算所得的等效阻抗值相近，大于保护动作整定值60，保护不动作。而当过渡电阻较高时，非故障线路的零序电流小于零序电流最大不平衡值i0.unb＝1.2a，所以保护不动作。
②故障线路：
故障线路的零序电压工频有效值与零序电流工频有效值之比约等于3倍接地小电阻值。本案例中，接地小电阻阻值为10ω，即故障线路的零序电压工频有效值与零序电流工频有效值之比约为30，与仿真所得的结果32.57相近，其远小于保护动作整定值60，因此保护动作。而当过渡电阻为1200ω，由于母线零序电压小于零序电压下限值u0.lim＝58v，所以保护不动作。
当发生电弧故障时，电弧故障的形式一般是以线性电阻rf和一非线性电弧电阻rarc相串联。本实施例以故障点为线路中点，线性电阻rf为0ω和500ω时的情况为例进行分析。电弧故障时，故障线路和非故障线路的零序电流值、零序电压值、等效阻抗值以及保护动作情况如图6所示，由图6可知，在发生电弧故障的情况下，故障线路的保护均正确动作，而非故障线路的保护均不动作。故障线路的零序电压工频有效值与零序电流工频有效值之比约等于3倍接地小电阻阻值，而非故障线路的零序电压工频有效值与零序电流工频有效值之比约等于该线路的对地容抗值，这一规律在电弧故障时同样成立。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。