一种适用于小电流接地系统的单相接地故障处理方法与流程

本发明属于配电网继电保护领域，尤其涉及一种适用于小电流接地系统的单相接地故障处理方法。

背景技术：

小电流接地故障定位技术已成为近年的研究热点。现场应用包括集中式馈线自动化，多采用配电终端或故障指示器采集接地故障暂态电流波形，如论文《配网自动化系统小电流接地故障暂态定位技术》提出了利用暂态电流波形相似性的集中式馈线自动化方法，定位主站利用暂态电流相似性原理确定故障区段，定位算法较为复杂，不同厂家终端与主站配合有一定难度；分布式馈线自动化中，由于能够利用的信息更少，基于暂态电流相似性的算法比集中模式更为困难。此外，就地型馈线自动化如论文《基于电压–时间型重合器的配电网单相接地故障自动隔离技术研究》，利用电压-时间型分段开关隔离故障，停电范围大、时间长，主要适用于对供电可靠性要求不高的线路。

发生小电流接地故障时，利用各区段暂态功率特征差异可实现小电流接地故障定位，原理与双端电源线路短路故障定位原理相似，算法简单，能够适应不同模式的馈线自动化。利用暂态功率方向实现小电流接地故障馈线自动化具有独特的优势，但传统终端不能获得零序电压，限制了该技术的推广应用。国家电网公司近期正在制定相关标准，拟实现配电开关的一二次设备融合，要求新建配电开关配置电容分压或电阻分压等形式的零序电压传感器；南方电网公司也在试点配电开关配置零序电压互感器。零序电压的获得，将为利用暂态功率方向的小电流接地故障检测及处理技术提供发展契机。

集中式馈线自动化中终端需上报故障暂态功率方向，主站根据故障点两侧暂态功率方向相反而健全区段暂态功率方向相同的特点判别故障区段，并遥控故障点两侧开关跳闸；分布式馈线自动化中，相邻终端需交换暂态功率方向信息，当两侧暂态功率方向相反时判为故障区段，并控制两侧开关跳闸。但集中式馈线自动化与分布式馈线自动化模式中，均需要通信通道，不能适应不具备通信条件的配电网保护系统。

此外，目前配电线路的短路故障保护已有较为成熟的配置与整定方案，但对于小电流接地故障，尚缺乏原理完善、动作可靠、实现简单的保护方案。零序电压的获得以及暂态功率方向的应用，使利用暂态功率方向实现小电流接地故障保护成为可能。

技术实现要素：

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种适用于小电流接地系统的单相接地故障处理方法，具体由以下技术方案实现：

所述适用于小电流接地系统的单相接地故障处理方法，应用于单电源辐射型线路，利用接地故障暂态无功功率方向和延时时间配合，控制小电流接地故障点紧邻的上游开关跳闸，包括如下步骤：

步骤1)为出线保护和各级线路保护配置不同的延时定值：

第一延时定值设定为：主干线和各分支线最末端保护装置延时定值均为时间t，主干线路各保护装置延时时间从线路末端向母线依次递增一个时间阶梯△t；分支线各级保护延时时间从负荷侧向分支点处依次递增一个时间阶梯△t；第二延时定值设定为：所有保护装置的延时定值均为无穷大；

步骤2)出线保护和各级线路保护在检测到零序电压超于预设门槛时，故障保护启动，并计算负荷功率方向与接地故障暂态无功功率方向；

步骤3)各保护装置根据接地故障暂态无功功率方向以及必要时的负荷功率方向选择延时定值：当接地故障暂态无功功率由线路流向母线时，保护装置延时定值选用第一延时定值；当接地故障暂态无功功率由母线流向线路时，保护装置延时定值选用第二延时定值；

步骤4)当故障持续时间达到预设定值时，控制开关动作切除故障；当故障持续时间未达到预设定值时，则保护返回。

所述适用于小电流接地系统的单相接地故障处理方法的进一步设计在于，所述步骤1)中的△t根据式(1)选取，

δt＝t1b+t2l+top+tu+tm(1)

其中，t1b为本级保护延时元件的超前误差；t2l为下一级保护的延时元件的滞后误差；top为分段开关分闸时间；tu为电压恢复时间；tm为时间裕度。

所述适用于小电流接地系统的单相接地故障处理方法的进一步设计在于，所述步骤4)中控制开关动作切除故障时，

对于稳定性故障，到达预设定值时，直接跳闸隔离故障区段；

对于间歇性弧光接地故障，定义t0为累计燃弧时间；t1为熄弧时间门槛值，根据两次燃弧之间的熄弧时间t2的长短，分为如下两种情况，当t0累计到事先整定的延时时间后跳闸；

情况1)当t2＜t1时，两次燃弧时间均计入t0；

情况2)当t2＞t1时，认定线路发生两次单相接地故障，并将t0清零，从第二次燃弧重新开始计时。

所述适用于小电流接地系统的单相接地故障处理方法的进一步设计在于，所述预设定值设定为1-2小时。

所述适用于小电流接地系统的单相接地故障处理方法，应用于有备用电源的手拉手线路，发生单相接地故障时，故障点上游检测点暂态无功功率由线路流向母线；故障点下游检测点暂态无功功率由母线流向线路，通过暂态功率方向识别故障点上下游开关，通过延时时间确保负荷侧开关先跳闸，包括如下步骤：

步骤1)为出线保护和各级线路保护配置不同的延时定值，分别为：

第一延时定值设定为：故障区段电源出线保护装置延时定值为时间t，线路其余各保护装置延时时间从故障区段电源向备用电源依次递增一个时间阶梯△t；

第二延时定值设定为：备用电源出线保护装置延时定值为在其延时定值1的基础上再增加一个时间阶梯△t，线路其余各保护装置延时时间从备用电源向故障区段电源继续依次递增一个时间阶梯△t；

第三延时定值设定为：备用电源出线保护装置延时定值为时间t，线路其余各保护装置延时时间从备用电源向故障区段电源依次递增一个时间阶梯△t；

第四延时定值设定为：故障区段电源出线保护装置延时定值为在其延时定值3的基础上再增加一个时间阶梯△t，线路其余各保护装置延时时间从故障区段电源向备用电源继续依次递增一个时间阶梯△t；(电源1为什么电源，电源2为什么电源，请用简要的功能性词语作为定语对电源1、电源2进行分别定义并替换，否则造成不清楚)

步骤2)出线保护和各级线路保护在检测到零序电压超于预设门槛时，故障保护启动，并计算负荷功率方向与接地故障暂态无功功率方向；

步骤3)各保护装置根据接地故障暂态无功功率方向以及负荷功率方向选择延时定值，当检测到负荷功率方向由故障区段电源流出且暂态无功功率由故障区段电源流向线路时，保护装置延时定值选用第一延时定值；当检测到负荷功率方向由故障区段电源流出且暂态无功功率由线路流向故障区段电源时，保护装置延时定值选用第二延时定值；当检测到负荷功率方向由备用电源流出且暂态无功功率由备用电源流向线路时，保护装置延时定值选用第三延时定值；当检测到负荷功率方向由备用电源流出且暂态无功功率由线路流向备用电源时，保护装置延时定值选用第四延时定值；

步骤4)当故障持续时间达到预设定值时，控制开关动作切除故障；当故障持续时间未达到预设定值时，则保护返回。

所述适用于小电流接地系统的单相接地故障处理方法的进一步设计在于，所述步骤1)中的△t根据式(1)选取，

δt＝t1b+t2l+top+tu+tm(1)

其中，t1b为本级保护延时元件的超前误差；t2l为下一级保护的延时元件的滞后误差；top为分段开关分闸时间；tu为电压恢复时间；tm为时间裕度。

所述适用于小电流接地系统的单相接地故障处理方法的进一步设计在于，所述步骤4)中控制开关动作切除故障时，

对于稳定性故障，到达预设定值时，直接跳闸隔离故障区段；

对于间歇性弧光接地故障，定义t0为累计燃弧时间；t1为熄弧时间门槛值，根据两次燃弧之间的熄弧时间t2的长短，分为如下两种情况，当t0累计到事先整定的延时时间后跳闸；

情况1)当t2＜t1时，两次燃弧时间均计入t0；

情况2)当t2＞t1时，认定线路发生两次单相接地故障，并将t0清零，从第二次燃弧重新开始计时。

所述适用于小电流接地系统的单相接地故障处理方法的进一步设计在于，所述预设定值设定为1-2小时。

本发明的优点如下：

相比于利用暂态波形相似性的集中式馈线自动化方法，本发明不需要通信通道，且无不同厂家终端与主站配合问题，隔离时间短；相比于利用电压-时间型分段开关隔离故障方法，本发明优势在于故障点上游健全区段不需要停电，故障停电范围小，且故障处理时间短；相比于集中式馈线自动化与分布式馈线自动化模式的暂态功率方向接地保护，本发明不依赖于通信网络，且故障处理时间相较于集中式馈线自动化模式较短。

附图说明

附图1为单电源配电线路结构图(其中■代表出线断路器；●代表分段开关)。

附图2为手拉手配电线路结构图(其中■代表出线断路器；●代表分段开关)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

短路故障多采用过电流保护方法，由于配电线路较短、分支线路多，仅利用电流定值无法实现出线保护与分支线保护、配变保护之间的配合，各级保护间多通过延时来配合，为保证快速性，级数一般控制在三级以内。对于小电流单相接地故障，故障点上下游都存在电容电流；特别是消弧线圈系统中，由于消弧线圈的补偿作用，故障点上下游电流差异较小，无法用过电流原理实现保护。利用暂态功率方向可实现接地保护，并利用不同延时实现各级保护配合。同时，由于接地故障电流小，对切除时间没有严格要求，相比于短路故障，保护级数可以增多，两级保护间的级差也可以增大。

ⅰ、基于附图1所示的单电源配电线路结构图，选择检测点最多的线路为主干线路，暂态功率方向特征如下：①当主干线路发生单相接地故障时，故障点上游主干线路检测点无功功率方向由线路流向母线时，其余检测点均由母线流向线路；②当分支线路发生故障时，分支线中故障点上游检测点及该分支线上游的主干线路检测点(统称为故障点上游检测点)暂态无功功率由线路流向母线，其余检测点均暂态无功功率由母线流向线路。

对于辐射型线路，只需使故障点紧邻的上游开关跳闸即可，利用暂态功率方向和延时时间配合控制故障区段电源侧开关跳闸。具体思路为：无论主干线路开关，还是分支线开关，暂态无功功率均由线路流向母线且到达延时时间后跳闸。

具体原理结合附图1进行说明。为确保紧邻故障点的上游开关跳闸，主干线路各开关(qf1～ql41)，延时时间从负荷侧向电源侧依次递增，分别为t、t+δt、t+2δt、t+3δt、t+4δt、t+5δt、t+6δt、t+7δt；分支线开关需要与主干线路开关配合，也遵循上述规律，由t开始从负荷侧向电源侧依次递增。由于主干线路开关数最多，采用该方法可使分支线开关延时时间小于其上游主干线路开关。无论主干线路故障或分支线故障，都能确保故障点紧邻的上游开关先跳闸。

以开关ql12、ql21之间发生单相接地故障为例，分段开关qf1、ql11和ql12均检测到本地暂态无功功率由线路流向母线，分别启动计时。t+5δt后开关ql12跳闸切除故障，qf1、ql11开关返回，上游健全区段恢复正常运行。

与短路故障不同，接地故障电流非常小。因此在小电流接地故障保护中，除断路器外，配置保护装置的负荷开关也可以切除故障。

ⅱ、基于附图2所示的有备用电源配电线路结构图，说明该技术的具体内容。

辐射型线路保护方案中，只需控制故障区段电源侧开关跳闸。对于有备用电源的手拉手线路，还需控制故障区段负荷侧开关跳闸，确保下游健全线路安全转移至备用电源。

若电源侧开关先跳闸，负荷侧开关处故障特征也随即消失，因此需确保负荷侧开关先跳闸。发生单相接地故障时，故障点上游检测点暂态无功功率由线路流向母线；故障点下游检测点暂态无功功率由母线流向线路。本方案利用暂态功率方向识别故障点上下游开关，利用延时时间确保负荷侧开关先跳闸。

延时时间的设定。如图2所示，电源1为故障区段电源，电源2为备用电源，由电源1供电，负荷功率方向由电源1流出暂态无功功率由母线流向线路，各开关(qf1～qf2)延时时间分别整定为t、t+δt、t+2δt、t+3δt、t+4δt、t+5δt、t+6δt、t+7δt；暂态无功功率由线路流向母线时，各开关(qf1～qf2)延时时间分别整定为t+15δt、t+14δt、t+13δt、t+12δt、t+11δt、t+10δt、t+9δt、t+8δt。由电源2供电，负荷功率方向由电源2流出，暂态无功功率由母线流向线路，各开关(qf1～qf2)延时时间分别整定为t+7δt、t+6δt、t+5δt、t+4δt、t+3δt、t+2δt、t+δt、t；暂态无功功率由线路流向母线时，各开关(qf1～qf2)延时时间分别整定为t+8δt、t+9δt、t+10δt、t+11δt、t+12δt、t+13δt、t+14δt、t+15δt

本方案延时时间由暂态功率方向和供电电源共同决定。因此提出利用负荷功率方向识别供电电源的方法：若开关的负荷功率方向由电源1流出，判定其供电电源为电源1；反之，为电源2。

正常运行时，联络开关ql4为断开状态，其余开关为闭合状态。区段qf1～ql3由电源1供电，使用第1套定值；区段qf2～ql5由电源2供电，使用第2套定值。

若开关ql1、ql2之间发生单相接地故障，开关ql2、ql3均检测到本地暂态无功功率由母线流向线路，分别启动单相接地故障计时，t+2δt后开关ql2跳闸，开关ql3失压返回；开关qf1、ql1均检测到本地暂态无功功率由线路流向母线，分别启动单相接地故障计时，t+14δt后开关ql1跳闸；电压恢复正常，qf1返回。联络开关ql4合闸恢复故障点下游健全区段供电；至此，故障隔离成功，所有健全区段未经历停电，故障隔离成功后可合上联络开关，恢复下游健全区段正常运行。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。