一种小电流接地系统单相接地故障的选线方法与流程

本发明涉及6～35kv中压配网系统中小电流单相接地选线故障判断技术领域，具体涉及一种小电流接地系统单相接地故障的选线方法。

背景技术：

我国35kv及以下配网系统中性点均采用小电流接地系统，包括中性点不接地、经高阻接地和经消弧线圈接地三种接地方式，后者已在我国电力系统上升到主导地位。随着自动跟踪补偿技术的提升，接地电流越来越小，接地故障自动清除功能显出独特的优势，不影响对用户的连续供电，提高了供电可靠性。与此同时，单相接地故障特征越来越不明显，与之配套的接地选线装置的正确动作率越来越低，给变电站接地选线及配网自动化的故障定位造成很大的困难。世纪初，统计到80～90％的接地选线装置退出运行。二、三十年来，国内接地选线判据的研究掀起热潮，截至今日，动作判据有百余多种，涉及领域之广前所未有。目前以多种判据的“综合选线”法结束暂告一段落，也是制造厂的唯一选择。尽管如此，误选、漏选仍旧无法避免。有些地区干脆采用中性点经低电阻接地方式，人为降低系统零序阻抗，增大接地电流，改用零序保护跳闸来替代接地选线。一方面降低了供电可靠性，另一方面，更加重了无法克服的继电保护盲区和安全隐患。

接地选线从电气量判据可分类三大类：暂态分量法、稳态分量法和信号注入法，而运算方法数不胜数。高过渡电阻接地故障电气量微弱，任何判据无能为力。研究机构及接地选线专业制造厂声称本装置动作正确率高达95％以上，仅指少量的数十安金属性接地及十数安的低过渡电阻接地，没有将经高过渡电阻接地故障统计在内，这样的正确动作率并无实际价值。小电流接地系统的接地选线(或定位)已经成为今日配网自动化的技术瓶颈，是不争的事实。

2004年国家电网公司《10kv～66kv消弧线圈装置技术标准》出台，第“2.4.5.2”条的规定，消弧线圈接地系统的最大残流不超过5a，是指金属性接地故障。按照2004年～2016年相继颁布了电力行业标准《小接地电流系统单相接地保护装置》(dl/t872—2004)及《小电流接地系统单相接地故障选线装置技术条件》(dl/t872-2016)规定，接地选线的最小工作电压为全电压的20％，此时最大残流仅有1a，折算到过渡电阻约5.7kω。运行表明，至今国内无一研究机构能突破该项指标。

国内所有接地选线生产厂使用的三种系列(暂态分量法、稳态分量法和信号注入法)判据，都是利用故障时段出现的零序电压、电流波形特征进行运算，然后输出选线结果或发出调档指令，继续进行选线运算。实际上，线路出现接地故障时，零序电压u0与零序电流i0不是同时达到某阈值。依据换路定律，电容两端的u0不能突变，其暂态表达式衰减幅值和衰减时间均受过渡电阻制约，过渡电阻较大时，上升到触发阈值时需要数个周波。而接地电流可以突变，接地瞬间最大，衰减方向与u0相反，始端电流近似表达式i0≈i′0.msin(ωt+ψ)，所以，零序电压超过阈值再启动判据时往往已经失掉最有效的始端波形。实际上，微小零序电流和零序电压均受“时针效应”影响，其幅值、相位已经模糊不清，凡是与微弱电流、电压有关的判据都有可能造成漏判或误判。

利用暂态分量实现选线的理论基础是基于接地故障出现在电压峰值附近的假设，且认定接地瞬间过渡电阻满足权威专著将与无限长均匀线的波阻抗等值^[1～3]，架空线路参数波阻取250～500ω，由此推出接地故障瞬间产生的高幅值、高频率的衰减振荡电流比稳态值大几倍乃至几十倍，暂态特征可以保证暂态判据的正确选线。由于上述理论的诱导，误认为单相接地时一定会产生所推导出的暂态波形。误区如下：一段母线上通常有十数条馈线，每条馈线上一定有数个分支点，分支点再引出分支线(包括电缆线路)，配电线路馈线呈树枝状；变电站母线上连接着高压变压器，馈线干线、支线、开闭所上分散着数十乃至上百台配电变压器，每台变压器的入口电容约数百～数千微微法。l、c均是集中参数，与高压线路无限长均匀线特征无共同之处，不能用均匀线无限长分布参数l0、c0等值。电缆线路的只有数欧姆，混合线路的参数不确定因素太多，更难确定。实际上，配网接地故障暂态方程中的判别式只有数欧姆～十数欧姆。综上所述，理论上认定绝大多数接地故障不满足判别式不会存在高幅值的暂态衰减振荡电流。当过渡电阻把u0降低到规程规定的20％相电压必须正确动作时，i0早已不存在暂态分量，各种暂态判据自然失效。

某电力科学研究院对国内知名接地选线生产厂的各种判据的10套接地选线装置，在现场永久性接地试验，对于5kω过渡电阻接地故障均选线失败，实践证实了行业公认的“综合判据“对高过渡电阻无效。

多个权威研究机构早已认定：“理论和实践都表明，没有一种选线方法能够保证对所有的故障类型都有效，每种选线方法都有一定的适用范围，也都有各自的局限性。”“存在这样一些故障信号，使得找不到一种选线方法能够对一些故障之一做出充分可靠的判断”。小电流接地系统接地选线是电力企业一项重要的实用技术，考虑到目前选线的技术水平，原版和修订版的电力行业标准《小电流接地系统单相接地故障选线装置技术条件》(dl/t872-2016)允许针对小电流接地系统中的三种不同的接地方式(不接地系统、消弧线圈接地系统和高电阻接地系统)，采用不同原理的多种判据选线。

发明专利公开号104614642b，授权日期2018-5-25，公开的一种小电流接地选线方法，利用零序电流和零序电压启动，将第一次预选接地线路跳闸，再观察零序电压是否消失，如果没有消失，说明是本装置误动，将误跳线路开关合闸供电，进行第二次选线补救。该发明展示了：1)装置将误选纳入选线纠正判据，说明“综合判据”已经失败；2)第一次选线误动，第二次选线误动概率更大，因为任何判据一定首选接地信息最丰富的馈线，装置最灵敏，因此，误动不再有补救成功的可能，再延续n次，只能是n倍误动。这种自动装置只是将传统的人工“推拉试验”该换成“自动推拉试验”，背离了接地选线技术的初衷。

发明专利公开号1054251098，授权日期2018-7-27,公开的一种能够提高准确率的小电流接地系统单相接地选线方法。利用零序电压启动选线运算，对故障后第五个周波的零序电压与零序电流进行傅立叶变换，得到零序电压与各路出线零序电流基波的幅值和相角。问题：a)小于五个周波(100ms)的瞬时故障或间歇电弧故障大量存在，不具备判据所需的初始条件；b)高过渡电阻接地时，无论零序电压还是零序电流都无法避免“时针效应”的干扰，误选、漏选的根本原因没有解决。c)若是消弧线圈接地系统，故障线路与健全线路的幅值和相位角不具备明显差异，健全线路零序电流幅值大于接地故障线路电流幅值十分常见。

技术实现要素：

基于现有技术的不足，本发明提供了一种小电流接地系统单相接地故障的选线方法，不区分中性点不接地、经消弧线圈接地及高阻接地方系统，单一判据，方法简单、准确、灵敏度高。

本发明的技术方案为：

一种小电流接地系统单相接地故障的选线方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

s1：采用高精度准零磁通电流互感器线性变换每条馈线上的一次侧零序电流，并跟踪采集每条馈线上的不平衡电容电流ik.bp，设定每条馈线的启动阈值ik.dz＝k0ik.bp，其中，k＝1,2,……,n，n为馈线条数，k0为可靠系数，取1.5～3.0；

s2：在t0时刻，|ik.0|>ik.dz的情况下，获取t0时刻n条馈线零序电流瞬间点ik.0，若n条馈线中每条馈线上的零序电流瞬间点ik.0存在唯一符号者，其余线路符号与之相反，则判定唯一符号者为接地故障线路，其中，ik.0表示电流在t0时刻瞬间点的幅值，k＝1,2,……,n，n为馈线条数；

若n条馈线中每条馈线上所有零序电流瞬间点ik.0符号相同，即不存在瞬间点唯一符号者，则判定母线接地故障。

进一步地，所述方法还包括：步骤s2中，若n条馈线中每条馈线上的电流低于阈值|ik|＜ik.dz的时刻t1，判定接地故障消失，其中，t1-t0为故障持续时间。

进一步地，若|ik|>ik.dz不消失，判定永久性接地故障。

本发明的有益效果为：本方法背弃了用时域、频域作为背景的暂态法、稳态法及信号注入法原理，不再采用具有严重“时针效应”的零序电压进入启动和参与判据，而采用无时域、无频域、无“时针效应”的始端电流点的特定特征，利用电流越限瞬时符号的单一判据判定接地故障线路，判断方法简单可靠。

附图说明

图1为过渡电阻接地等值电路；

图2为本发明的方法流程图；

图3为本发明的小电流接地系统单相接地等值电路；

图4为用本发明方法测得的某供电公司环网点的故障录波图。

具体实施方式

下面参考附图并结合实施例对本发明进行详细说明。需要说明的是在不冲突的情况下，以下各实施例及实施例中的特征可相互组合。

在得出本发明方法之前首先分析得出本发明方法的判据理论依据，消弧线圈接地系统单相接地等值电路如图1所示，导线电感在高阻接地时对电流特征的影响极小，略去，以简化分析。图中：r1—过渡电阻，c—系统等值电容，l—消弧线圈电感，r2—消弧线圈等值电阻。用拉式变换写出：

电流表达式(4)与电压表达式(5)的f2(p)相同，依据展开定理，

或

略去拍频效果，取振荡频率接地电流、零序电压的暂态特征是相同的。

依据推导出的暂态特征(τ、ω0)接地故障线路的零序电流可写成

式中um—相电压峰值，icl—补偿后的残流；高阻接地时，阻抗角微小，略去，z′≈z″，略大于零，只关心接地后首端的波形时，略去暂态分量对接地故障线路的助增作用，式(7)可简化为式(8)，且偏于安全。

i0≈i′0.msin(ωt+ψ)……(8)

式中式(8)看出，当时，正弦电流以峰值开始；接当ψ＝±π时，正弦电流以零值开始。

略去运行中的位移电压，零序电压可写成式(9)

式中假定系统电容电流为80a，c＝44×10^-6f，取rgd＝1000ω，r2＝1.1ω，τc＝0.073s。就是说在电压任何初相位发生接地故障，受如此大的时间常数的影响，初始端刻的u0值，也需要7个周波，所以用零序电压作为启动量往往贻误时机，也是漏选的根本原因，所以本方法判据不采用零序电压。

略去运行中的位移电压，非故障线路的零序电流的表达式：

式(10)看出，受到衰减较慢的暂态分量的钳制，健全线路的零序电流上升缓慢，且幅值取决于故障线路的电容比，选线装置需要较高的灵敏性。当时，接地电流是以峰值为起点的接近工频正弦的正弦电流，当ψ＝±π时，则是以零为起点的接近工频的正弦电流。

式(8)、(10)表明，高过渡电阻接地时虽然没有高幅值“首半波”衰减振荡特征，但是在接地电流始端，接地故障线路与非接地线路电流的符号相反，与金属性接地的“首半波”特征一样。只要能够采集到足够小的电流，接地信息仍旧十分清晰。

因此，如图2所示，本发明一种小电流接地系统单相接地故障的选线方法，所述方法包括步骤：

s1：馈线采用高精度准零磁通电流互感器线性变换一次侧零序电流，跟踪采集每条馈线上的不平衡电容电流ik.bp，自动设定每条馈线的启动阈值ik.dz＝k0ik.bp；其中，k＝1,2,……,n，n为馈线条数，k0为可靠系数，取1.5～3.0；

s2：在t0时刻，|ik.0|>ik.dz的情况下，获取t0时刻n条馈线零序电流瞬间点ik.0，若n条馈线中每条馈线上的零序电流瞬间点ik.0存在唯一符号者，其余线路符号与之相反，则判定唯一符号者为接地故障线路，ik.0表示电流在t0时刻瞬间点的幅值，k＝1,2,……,n，n为馈线条数；

若n条馈线中每条馈线上所有零序电流瞬间点ik.0符号相同，即不存在瞬间点唯一符号者，则判定母线接地故障。

所述方法还包括：步骤s2中，若n条馈线中每条馈线上的电流低于阈值|ik|＜ik.dz的时刻t1，判定接地故障消失，其中，t1-t0为故障持续时间。

若|ik|>ik.dz不消失，判定永久性接地故障。

任一时刻每条馈线上的不平衡电容电流ik.bp及每条馈线零序电流ik均由准零磁通零序电流互感器测得。

以下举例对上述方法进一步进行说明。

图3是单相接地故障发生在小电流接地系统中性点三种接地方式的等值电路。其中，ta1、ta2、……tan为n条馈线零序电流互感器；i1、i2、……in为接地故障时n条馈线出现的零序电流；c1、c2、……cn为n条馈线对地电容；rgd为单相接地时的过渡电阻；kl为中性点经消弧线圈接地的控制开关；kr为中性点经高电阻接地的控制开关；rz为中性点电阻；l为消弧线圈电感；ir为中性点电阻的电流；il为消弧线圈的电流。

kl、kr的闭合与断开对本判据没有影响。

发生单相接地故障时，定义电流方向由母线指向线路为正方向，由线路指向母线为负。rgd＝0时为金属性接地，rgd阻值较高时为经高过渡电阻接地，rgd的大小不影响本单一判据的成立，以下分析不再涉及rgd。gl为馈线接地故障点，gb为母线接地故障点。

无论是中性点不接地系统、还是经消弧线圈接地系统、或者是经高阻接地系统，准零磁通零序电流互感器可准确地将接地故障线路的零序电流与非故障线路的零序电流故障电流变换到二次侧，为判据提供无“时针效应”的模拟量。正常运行时，每条馈线零序电流互感器测量到自身的不平衡电容电流ik.bp，生成启动定值ik.dz＝k0ik.bp，取k0＝1.5～3，所以判据的灵敏度极高。当馈线变成“手拉手”供电方式时，馈线自身的不平衡电流发生改变，随时改变零序电流的启动定值。依据换路定律，换路瞬间，电容两端电压不能突变，而电流可以突变。t0时刻接地故障点gl出现在馈线上，获取|ik.0|>ik.dz时刻点的各馈线电流ik.0，电流瞬间符号(方向)如实心箭头所示，判定唯一符号者为接地故障线路。接地故障点gb出现在母线上时，电流符号(方向)如空心箭头所示，各馈线在t0时刻符号相同，判定为母线接地。t0时刻电流采点完成之后到t1时刻各馈线电流消失，即|ik|＜ik.dz，t1-t0定义为故障持续时间；若|ik|>ik.dz出现～消失重复数次，定义为间歇电弧接地；若|ik|>ik.dz不消失，定义为永久性接地故障。

如图4所示，某供电公司环网点的故障录波摘录：接地故障持续时间15ms，电流峰值约0.192a，有效值0.136a，推算出接地点的过渡电阻：有效的证实了此单一判据对高过渡电阻的实用性、准确性。

本方法判据不区分中性点不接地、经消弧线圈接地及高阻接地方式，非暂态、非稳态、无频域、无时域的单一判据通用。

本发放判据不需要零序电压参与，使用在配网自动化接地定位时，无须增装三芯五柱电压互感器，也省略了与之配套的避雷器、接地网，节省人力、物力、设备占用空间及运行维护成本。

本方法判据由准零磁通零序电流互感器提供模拟量，已经检测到过渡电阻40kω、持续时间为15ms的瞬间接地故障，该判据的灵敏性、速动性高于国内任何判据。

以上所属实施例仅表达了本发明的集中实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。