一种基于零序能量突变的不稳定电弧故障检测方法

1.本发明涉及一种基于零序能量突变的不稳定电弧故障检测方法，属于电力系统继电保护技术领域。


背景技术：

2.随着我国配电网不断快速发展，配电网数量和规模都在逐渐增多，这给配电网运行维护增加了很大的工作量。如何有效保障和提高配电网的安全可靠运行，关系到用户用电的安全与可靠问题，从而供电企业必须面临一个很重要的挑战，那就是怎样持续保证和提升配电网的安全与供电可靠。
3.我国10kv配电网的中性点一般采用不接地或谐振接地方式，当发生单相接地故障时流过故障点的电流很小，同时又不影响系统的对称性，可以带故障运行一段时间，所以叫做小电流接地系统。小电流接地系统的主要优点在于流入大地的电流小，对于一些干扰性的瞬时性故障可以不引起保护动作，有效的提升了供电可靠性。约85％的停电事故是由配电网线路故障导致的，在单相接地故障中，一大部分都是接地电弧故障，如果长时间不处置，还是容易导致事故。特别是近年来，随着经济的快速发展和城市的规模越来越大，在配电网线路中，投入的电缆线路所占的比例越来越高，当受一些因素影响形成单相接地时，由于系统对地电容的显著增加，将产生较大的接地电流，电弧难以自行熄灭，长期运行很容易烧毁设备和线路，严重时形成发展性故障或导致山火。在配电网实际运行中，由于系统参数和外部环境因素，配电网也有可能发生不稳定电弧接地故障，这种不稳定就体现在故障会间隔一定的时间交替出现。间接性主要体现在电弧会反复重燃和熄灭，由于涉及到电压的上升速度和故障间隙的介质绝缘水平上升速度比较的问题，所以电弧重燃与熄灭的时间间隔也很难估计。根据目前的研究，配电网电弧故障很难在暂态过程中就发生熄灭，所以选择工频熄弧理论为研究对象。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种基于零序能量突变的不稳定电弧故障检测方法，用于解决上述技术问题。
5.本发明的技术方案是：一种基于零序能量突变的不稳定电弧故障检测方法，首先获取零序电流信号。判断零序电流的极性。提取故障后间隔半个工频周期的零序电流。求取线路发生不同类型故障后的零序能量曲线，采集1ms时窗计算相邻两点能量突变量。利用能量突变量和阀值判别式来判别线路电弧故障。当突变量大于或等于阀值em即认为发生了一次不稳定电弧故障。小于阀值em即判定没有发生故障。可实现开关柜、电缆环网柜、配电柜柜内电弧故障检测，检测结果灵敏度高，可靠性高。
6.具体步骤为：
7.step1：获取零序电流信号。
8.step2：判断零序电流的极性。
9.step3：提取故障后间隔半个工频周期的零序电流。
10.step4：求取线路发生不同类型故障后的零序能量曲线，采集1ms时窗计算相邻两点能量突变量。
11.step5：利用能量突变量和阀值判别式来判别线路电弧故障。
12.step6：考虑到每次弧光放电持续时间为1ms，依据1ms时窗计算相邻两点能量突变量，当突变量大于或等于阀值em即认为发生了一次不稳定电弧故障。小于阀值em即判定没有发生故障。
13.所述step1具体为：根据配电网的实际运行搭建配电网络仿真模型，并在仿真模型中设置电弧接地故障，得到配电网线路在电弧接地故障下产生相应的零序电流等信号。
14.所述step2具体为：
15.若零序电流的极性为负，则线路发生故障。
16.若零序电流的极性为正，则线路没有发生故障。
17.所述step3具体为：提取故障线路零序电流i0，根据考虑故障场景的配电网搭建电弧故障仿真模型。在电弧故障仿真模型中设置馈线l
1 a相发生电弧接地故障，得到配电网l1线路在电弧故障下相应的零序电流i0。
18.所述step4具体为：
19.定义接地故障消耗的能量函数s：
[0020][0021]
其中，s为线路发生电弧接地故障所消耗的能量，i0为零序电流，t为持续的时间。
[0022]
求取线路发生不同类型后的零序能量曲线，因为稳定的故障在零序电流上表现出的特征并不明显，所以通过pscad设置馈线l1a相于0.0822s发生过渡电阻不同的稳定故障和不稳定故障，截取1ms时窗的故障电流数据。
[0023]
所述step5具体为：利用暂态能量突变可以判断是否发生故障，故障发生后还可以利用零序能量多次突变判断是否发生了不稳定电弧接地故障。
[0024]
所述step5中，所述阀值判别式为：
[0025][0026]
式中e
′
max
(t)为能量的差分最大值，em为整定阀值，t的单位为s。阀值采用相邻时间间隔金属性接地故障零序能量增量的4倍，em取为10。
[0027]
本发明的有益效果是：
[0028]
1、解决了非有效接地方式的配电网不稳定电弧故障时，由于故障电流微弱致使其特征提取识别较困难的问题。
[0029]
2、通过阈值判别式作为判据，判定是否发生不稳定燃弧故障。
[0030]
3、利用故障中暂态能量突变量来实现故障检测，选取工频熄弧理论为研究对象，受电弧重燃与熄灭的影响较小，提高了检测方法的可靠性。
[0031]
4、不需要大量采集数据，同时其检测原理简单，准确度较高，检测算法易于实现。
[0032]
5、本方法不依赖于高采样率设备、不依赖于复杂电气信息量，所需数据量小，系统配置灵活，可实现低采样率下的不稳定电弧故障检测，具有较强的工程实用性。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在没有实施创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]
图1是本发明的配电网电弧故障仿真图；
[0035]
图2是本发明方法流程图；
[0036]
图3是实施例中电弧接地故障后零序电流图；
[0037]
图4是实施例中间隔半个工频周期的不稳定电弧故障零序电流图；
[0038]
图5是实施例中间隔时间无规律性的不稳定电弧故障零序电流图；
[0039]
图6是实施例中金属性接地故障零序分量图；
[0040]
图7是实施例中经恒定过渡电阻接地故障零序分量图；
[0041]
图8是实施例中不同故障类型的零序能量曲线图；
[0042]
图9是实施例中不同故障类型的零序能量曲线变化率图；
[0043]
图10是实施例中弧光接地1ms内能量突变值图；
[0044]
图11是实施例中金属性接地1ms内能量突变值图；
[0045]
图12是实施例中实测电弧故障零序电流图；
[0046]
图13是实施例中稳定接地故障暂态能量曲线变化率图；
[0047]
图14是实施例中不稳定接地故障暂态能量曲线变化率图。
具体实施方式
[0048]
本发明是通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同代替，因此，本发明不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方案。
[0049]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
[0050]
实施例1：根据配电网的实际运行搭建配电网电弧仿真模型。首先利用 pscad/emtdc建立如图1所示的配电网仿真模型，110kv/10kv的变电所共有六回出线，架空线路有4条，分别是l1＝8km、l2＝24km、l4＝16km、l6＝12km，纯电缆线路有2条，分别是l3＝16km、l5＝15km。其中，架空线路的正序阻抗为：r1＝0.45ω/km， l1＝1.172mh/km，c1＝6.1nf/km，零序阻抗为：r0＝0.7ω/km，l0＝3.91mh/km， c0＝3.8nf/km。电缆馈线的正序阻抗为:r1＝0.075ω/km，l1＝0.254mh/km，c1＝318nf/km，零序阻抗为：r0＝0.102ω/km，l0＝0.892mh/km，c0＝212nf/km。该配电系统的中性点从母线的z字型接地变压器引出，经消弧线圈并联小电阻接地，并在仿真模型中设置电弧接地故障。
[0051]
step1：获取零序电流信号。
[0052]
step2：判断零序电流的极性。
[0053]
step3：提取故障后间隔半个工频周期的零序电流。
[0054]
step4：求取线路发生不同类型故障后的零序能量曲线，采集1ms时窗计算相邻两点能量突变量。
[0055]
step5：利用能量突变量和阀值判别式来判别线路电弧故障。
[0056]
step6：考虑到每次弧光放电持续时间为1ms，依据1ms时窗计算相邻两点能量突变量，当突变量大于或等于阀值em即认为发生了一次不稳定电弧故障。小于阀值em即判定没有发生故障。通过对比，满足阈值判别式，从而可以判断发生率不稳定电弧接地故障。
[0057]
所述step1中，根据配电网的实际运行搭建配电网络仿真模型，并在仿真模型中设置电弧接地故障。得到配电网线路在电弧接地故障下产生相应的零序电流等信号。
[0058]
所述step2中，判断零序电流的极性：
[0059]
(1)若零序电流的极性为负，则线路发生故障。
[0060]
(2)若零序电流的极性为正，则线路没有发生故障。
[0061]
所述step3中，提取故障线路零序电流i0，根据考虑故障场景的配电网搭建电弧故障仿真模型。在电弧故障仿真模型中设置馈线l
1 a相发生电弧接地故障，得到配电网 l1线路在电弧故障下相应的零序电流i0。
[0062]
所述step4中，定义接地故障消耗的能量函数s：
[0063][0064]
其中，s为线路发生电弧接地故障所消耗的能量，i0为零序电流，t为持续的时间。
[0065]
求取线路发生不同类型后的零序能量曲线，因为稳定的故障在零序电流上表现出的特征并不明显，所以通过pscad设置馈线l1a相于0.0822s发生过渡电阻不同的稳定故障和不稳定故障，截取1ms时窗的故障电流数据。
[0066]
所述step5中，利用暂态能量突变可以判断是否发生故障，故障发生后还可以利用零序能量多次突变判断是否发生了不稳定电弧接地故障。
[0067]
所述step5中，阀值判别式为：
[0068][0069]
式中e
′
max
(t)为能量的差分最大值，em为整定阀值，t的单位为s。阀值采用相邻时间间隔金属性接地故障零序能量增量的4倍，em取为10。
[0070]
实施例2：本实施例其他部分与实施例1相同，首先利用pscad/emtdc建立如图1所示的配电网仿真模型，110kv/10kv的变电所共有六回出线，架空线路有4条，分别是l1＝8km、l2＝24km、l4＝16km、l6＝12km，纯电缆线路有2条，分别是l3＝16km、 l5＝15km。其中，架空线路的正序阻抗为：r1＝0.45ω/km，l1＝1.172mh/km，c1＝6.1nf/km, 零序阻抗为：r0＝0.7ω/km，l0＝3.91mh/km，c0＝3.8nf/km。电缆馈线的正序阻抗为: r1＝0.075ω/km，l1＝0.254mh/km，c1＝318nf/km,零序阻抗为：r0＝0.102ω/km， l0＝0.892mh/km，c0＝212nf/km。该配电系统的中性点从母线的z字型接地变压器引出，经消弧线圈并联小电阻接地，当开关k1闭合时，消弧线圈投入，由不接地方式变为经消弧线圈接地的模式。当开关k2
闭合时，变为小电阻接地。消弧线圈的补偿方式为过补偿，负荷选用恒定功率负荷模型，系统采样频率为10khz。馈线l1距离始端2km 处a相发生电弧接地。配电网发生故障后，提取故障零序电流，如图3、图4、图5 所示，并计算接地故障所消耗的能量s，如图8所示，根据能量s曲线得到不同故障类型的暂态能量突变值，如图9所示，通过计算在两个周期内，一共有6个突变点大于或等于阀值em，如图14所示,因此判断l1a相发生了电弧接地故障。通常情况下，一个周波电弧放电两次。若一个周波不出现电弧放电，则该周波前一个周波和后一个周波极大可能存在电弧放电过程。统计躲开故障后首周波的5个周波内的脉冲个数，当脉冲个数在3-10，判定为间歇性弧光接地故障。故障检测结果正确。
[0071]
实施例3：本实例其他参数设置与实例2相同。馈线l3距离始端9km处a相发生电弧接地，采样频率为10khz，通过pscad仿真、matlab编程实测得到暂态能量变化曲线如图12、图13所示，由图可以看出，一个周期内，一共有3个突变点大于或等于阀值em，因此，也可以判断l3a相发生了电弧接地故障。
[0072]
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。