一种瞬时性单相接地故障检测定位方法与流程

1.本发明涉及一种瞬时性单相接地故障检测定位方法，属于中压配电网的线路故障定位方法技术领域。


背景技术：

2.城市配电网中的电缆线路数量越来越多，随着电缆线路使用期限的增长，其发生故障的概率越来越大。在电缆线路发生永久性接地故障或短路故障前，常常会出现故障特征小于两个周波的瞬时性故障。如果能捕获这些瞬时性故障，并进一步定位故障点，对于电缆线路的状态评估和计划检修将起到指导作用，减少或避免永久性故障的发生，提高供电可靠性。
3.对于电缆线路的永久性故障，现有的方法主要是阻抗法和行波法。阻抗法通过测量故障后的电压、电流，计算其测量阻抗与线路单位阻抗之间的比值获得故障距离，该方法需要故障后稳定周波数据采样，对于时间长度不定的瞬时性故障，该方法无法使用。行波法包括离线方法和在线方法。离线行波测距方法在电缆线路故障后将电缆线路从配电系统中断开，通过一侧注入行波信号进行测距。在线行波测距方法则在电缆线路上安装多个在线行波采集设备，采集故障后的行波信号测距。行波方法可以对永久性故障和瞬时性故障进行故障定位，但在配电线路上应用需要安装设备多，运行维护量大，使用较少。
4.综上所述，对于电缆线路瞬时性故障，需要一种基于现有变电站采集的数据或仅需要增加少量设备的故障定位方法。中压配电线路从变电站馈出，变电站内一般会配置有保护装置或其他采集装置，随着电子、计算机技术的发展，现有的设备可以较容易的实现10khz以上的采样频率，为电缆线路瞬时性故障的故障定位创造了条件。


技术实现要素：

5.本发明目的是提供一种瞬时性单相接地故障检测定位方法，利用配电线路瞬时性故障时的故障分量网络，基于瞬时性故障等效电路获得暂态过程计算简化公式，利用变电站内测量的线路电压、电流信号，利用叠加原理计算线路的故障电抗，进而确定故障距离，可对电缆线路的状态评估和计划检修起到指导作用，可以在永久性接地故障发生前进行预警和定位，开展针对性的检修，减少或避免永久性故障的发生，提高供电可靠性，有效地解决了背景技术中存在的上述问题。
6.本发明的技术方案是：一种瞬时性单相接地故障检测定位方法，包含以下步骤：
7.(1)故障检测和启动，在变电站电缆线路出口处采集电缆的三相电压和三相电流，判断故障类型；
8.(2)故障分量的获取，将对应系统或装置采样的故障相故障后数据与故障前数据逐点相减，获取故障分量；
9.(3)计算线路测量点的测量电抗，逐点计算故障线路从线路出口处到故障点之间的电感，换算得到故障距离电抗，形成故障距离电抗图；
10.(4)故障电抗值的确定，使用故障距离测量电抗数值计算故障电抗值；
11.(5)根据故障距离电抗值确定故障点。
12.所述步骤(1)中，系统或装置正常时循环采样，采样缓冲区内保存1-2周波的采样数据，当故障发生检测出故障后，作为故障前数据；当某一相电压或相电流幅值变化超过额定值10％则判断为故障，采样并保存其故障后数据；如同时多相电压或相电流幅值变化超过额定值10％则判断为非单相接地故障，采用其他方法计算。
13.所述步骤(2)中，以a相为例，公式为：
14.v
an
(n)＝v
an
(n)-v
an
(n-n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
15.i
an
(n)＝i
an
(n)-i
an
(n-n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
16.其中的v
an
(n)和i
an
(n)分别为电缆线路出口处采集的a相电压和电流，n为每周波的采样点数，一般为64或128；
17.电流故障分量的一阶和二阶导数计算公式如下：
18.d
iaf
(n)＝[i
af
(n)-i
af
(n-1)]/δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0019]
di
af2
(n)＝[i
af
(n+1)
→iaf
(n
→
1)]/[2δt]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0020]
所述步骤(3)中，根据公式(6)逐点计算故障线路从线路出口处到故障点之间的电感，乘以50hz工频换算得到故障距离电抗
[0021]iaf
＝i
alf
+i
cf
ꢀꢀꢀ
(1)
[0022][0023][0024]
结合式(1)、式(2)可得：
[0025][0026]
式(4)可进一步简化为：
[0027][0028]
将式(3)与式(5)联立，可得到：
[0029][0030]
其中v
af
(tf)为故障时等效的短时间内的附加电源，ls、lc、l
line
和c分别为电源侧的等效电感、补偿电感、故障线路电感和等效电容，电流i
af
、i
cf
和i
alf
以及电压v
anf
分别为由故障附加网络在故障点等效电压源v
af
(tf)贡献的电流和电压故障分量。
[0031]
所述步骤(4)中，使用故障距离测量电抗数值计算
[0032]
△
xf(n)＝xf(n)-xf(n-1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0033]
在计算获得的δxf(n)序列中|δxf(n)|《1且连续3点，则最后的故障电抗值为
[0034]
xf＝[xf(n)+xf(n+1)+xf(n+2)]/3
ꢀꢀꢀ
(12)。
[0035]
所述步骤(5)中，根据线路参数预先绘制电抗-距离曲线，曲线数据通过数据表存
储在系统或装置内，根据步骤(4)确定的故障距离电抗值通过查表的方式获得最终的定位结果。
[0036]
不能唯一确定故障点的，使用配电自动化或营销系统的故障区段定位结果来判断是主线路故障还是分支线路故障。
[0037]
本发明的有益效果是：利用配电线路瞬时性故障时的故障分量网络，基于瞬时性故障等效电路获得暂态过程计算简化公式，利用变电站内测量的线路电压、电流信号，利用叠加原理计算线路的故障电抗，进而确定故障距离，可对电缆线路的状态评估和计划检修起到指导作用，可以在永久性接地故障发生前进行预警和定位，开展针对性的检修，减少或避免永久性故障的发生，提高供电可靠性。
附图说明
[0038]
图1为本发明电缆线路单相接地故障等效电路图；
[0039]
图2为本发明故障距离测量电抗图；
[0040]
图3为本发明电抗-距离曲线图。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图与实施例对本发明技术方案作进一步详细的说明，这是本发明的较佳实施例。应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]
一种瞬时性单相接地故障检测定位方法，包含以下步骤：
[0043]
(1)故障检测和启动，在变电站电缆线路出口处采集电缆的三相电压和三相电流，判断故障类型；
[0044]
(2)故障分量的获取，将对应系统或装置采样的故障相故障后数据与故障前数据逐点相减，获取故障分量；
[0045]
(3)计算线路测量点的测量电抗，逐点计算故障线路从线路出口处到故障点之间的电感，换算得到故障距离电抗，形成故障距离电抗图；
[0046]
(4)故障电抗值的确定，使用故障距离测量电抗数值计算故障电抗值；
[0047]
(5)根据故障距离电抗值确定故障点。
[0048]
所述步骤(1)中，系统或装置正常时循环采样，采样缓冲区内保存1-2周波的采样数据，当故障发生检测出故障后，作为故障前数据；当某一相电压或相电流幅值变化超过额定值10％则判断为故障，采样并保存其故障后数据；如同时多相电压或相电流幅值变化超过额定值10％则判断为非单相接地故障，采用其他方法计算。
[0049]
所述步骤(2)中，以a相为例，公式为：
[0050]van
(n)＝v
an
(n)-v
an
(n-n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0051]ian
(n)＝i
an
(n)-i
an
(n-n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0052]
其中的v
an
(n)和i
an
(n)分别为电缆线路出口处采集的a相电压和电流，n为每周波的采样点数，一般为64或128；
[0053]
电流故障分量的一阶和二阶导数计算公式如下：
[0054]
di
af
(n)＝[i
af
(n)-i
af
(n1)]/δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0055]
di
af2
(n)＝[i
af
(n+1)-i
af
(n-1)]/[2δt]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0056]
所述步骤(3)中，根据公式(6)逐点计算故障线路从线路出口处到故障点之间的电感，乘以50hz工频换算得到故障距离电抗
[0057]iaf
＝i
alf
+i
cf
ꢀꢀꢀ
(1)
[0058][0059][0060]
结合式(1)、式(2)可得：
[0061][0062]
式(4)可进一步简化为：
[0063][0064]
将式(3)与式(5)联立，可得到：
[0065][0066]
其中v
af
(tf)为故障时等效的短时间内的附加电源，ls、lc、l
line
和c分别为电源侧的等效电感、补偿电感、故障线路电感和等效电容，电流i
af
、i
cf
和i
alf
以及电压v
anf
分别为由故障附加网络在故障点等效电压源v
af
(tf)贡献的电流和电压故障分量。
[0067]
所述步骤(4)中，使用故障距离测量电抗数值计算
[0068]
△
xf(n)＝xf(n)-xf(n-1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0069]
在计算获得的δxf(n)序列中|δxf(n)|《1且连续3点，则最后的故障电抗值为
[0070]
xf＝[xf(n)+xf(n+1)+xf(n+2)]/3
ꢀꢀꢀ
(12)。
[0071]
所述步骤(5)中，根据线路参数预先绘制电抗-距离曲线，曲线数据通过数据表存储在系统或装置内，根据步骤(4)确定的故障距离电抗值通过查表的方式获得最终的定位结果。
[0072]
不能唯一确定故障点的，使用配电自动化或营销系统的故障区段定位结果来判断是主线路故障还是分支线路故障。
[0073]
在实际应用中，当电力线路发生故障时可利用叠加原理进行分析，对于配电网中性点消弧线圈接地方式的电缆线路故障，可视为正常网络和故障附加网络的叠加。故障附加网络中的故障分量相当于在故障点处加一个与该点正常负荷状态下大小相等方向相反的电压。当电缆线路发生单相接地瞬时性故障时，其等效电路图如图1：
[0074]
其中v
af
(tf)为故障时等效的短时间内的附加电源，ls、lc、l
line
、c分别为电源侧的等效电感、补偿电感、故障线路电感和等效电容。电流i
af
、i
cf
、i
alf
以及电压v
anf
分别为由故障附加网络在故障点等效电压源v
af
(tf)贡献的电流和电压故障分量。对于故障点等效电压源v
af
(tf)，其准确数值需要故障位置等信息，这是无法获得的，此处可以使用故障时刻线路
出口采样点的电压v
an
(tf)近似估计，记为。图中忽略了线路电阻，其会带来一定的误差，但对于较短的电缆线路，其在工程上是可以接受的。故障分量电流i
af
和电压v
anf
可由故障时的实测值减去故障前的正常实测值得到。由图1可知
[0075]iaf
＝i
af
+i
ce
ꢀꢀꢀ
(1)
[0076][0077][0078]
结合式(1)、式(2)可得:
[0079][0080]
式(4)可进一步简化为:
[0081][0082]
将式(3)与式(5)联立，可得到：
[0083][0084]
式(6)计算的结果则是电缆故障线路到故障点的电感，其可以用来进行故障测距。在绝缘恶化的早期阶段，击穿发生在最大电压点，随着劣化的进一步发展，它也可能发生在较低的电压水平。
[0085]
具体故障测距的步骤如下：
[0086]
(1)故障检测和启动
[0087]
方法需要在变电站电缆线路出口处采集电缆的三相电压、三相电流。系统或装置正常时循环采样，采样缓冲区内保存1-2周波的采样数据，当故障发生检测出故障后，作为故障前数据。当某一相电压或相电流幅值变化超过额定值10％则判断为故障，采样并保存其故障后数据。如同时多相电压或相电流幅值变化超过额定值10％则判断为非单相接地故障，采用其他方法计算。
[0088]
(2)故障分量的获取
[0089]
将对应系统或装置采样的故障相故障后数据与故障前数据逐点相减相减，获取故障分量，以a相为例，公式为：
[0090]van
(n)＝v
an
(n)
→van
(n-n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0091]ian
(n)＝i
an
(n)-i
an
(n-n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0092]
其中的v
an
(n)、i
an
(n)为电缆线路出口处采集的a相电压、电流，n为每周波的采样点数，一般为64或128。
[0093]
电流故障分量的一阶和二阶导数计算公式如下：
[0094]diaf
(n)＝[i
af
(n)-i
af
(n-1)]/δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0095]diaf2
(n)＝[i
af
(n+1)i
af
(n1)]/[2δt]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0096]
(3)计算线路测量点的测量电抗
[0097]
根据公式(6)逐点计算故障线路从线路出口处到故障点之间的电感，乘以50hz工频换算得到故障距离电抗。计算后的示例故障距离测量电抗图如图2，在故障距离测量电抗图形上，故障开始后的四分之一周期内识别确定故障距离电抗。
[0098]
(4)故障电抗值的确定
[0099]
使用故障距离测量电抗数值计算
[0100]
△
xf(n)＝xf(n)-xf(n-1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0101]
在计算获得的δxf(n)序列中|δxf(n)|《1且连续3点，则最后的故障电抗值为
[0102]
xf＝[xf(n)+xf(n+1)+xf(n+2)]/3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)。
[0103]
(5)故障点的确定
[0104]
对于配电中压电缆线路，存在很多分支，需要根据线路参数预先绘制电抗-距离曲线，一典型的电抗-距离曲线如图3。
[0105]
曲线数据可以通过数据表存储在系统或装置内，最后根据公式(12)计算出的测量电抗值x_f通过查表的方式获得最终的定位结果。由于配电线路分支线的存在，可能存在多个测距距离的情况，仅通过本方式是不能唯一确定的，可以使用配电自动化或营销系统的故障区段定位结果来判断是主线路故障还是分支线路故障。
[0106]
本发明利用配电线路瞬时性故障时的故障分量网络，基于瞬时性故障等效电路获得了暂态过程计算简化公式，其仅利用变电站内测量的线路电压、电流信号，利用叠加原理计算了线路的故障电抗，进而确定故障距离。
[0107]
电缆线路瞬时性故障的定位，对于电缆线路的状态评估和计划检修将起到指导作用。可以在永久性接地故障发生前进行预警和定位，开展针对性的检修，减少或避免永久性故障的发生，提高供电可靠性。