一种经阻容比闭锁的零序过流保护方法与流程

本发明涉及一种电力系统输配电的接地故障保护方法，特别涉及一种经阻容比条件闭锁的零序过流保护方法。

背景技术：

配电网采用中性点经小电阻接地方式时，若发生单相金属性接地故障，故障点与中性点小电阻构成零序电流通路，因此故障电流较大，能使用零序过流保护快速切除接地故障；而对于中性点不接地系统或中性点经消弧线圈系统，即使发生金属性接地故障，故障电流仍然很小，常规零序保护无法快速动作切除故障，因此一般允许运行2小时。鉴于上述对比，中性点经小电阻接地方式具有快速切除接地故障的优点，因而在城市配电网中得到越来越多的应用，例如，广东正在进行中性点经小电阻接地方式的推广工作。另外，由于电网规模的扩大，系统对地电容电流不断增大，导致消弧线圈的补偿容量不足，有部分变电站因为对消弧线圈扩容存在困难，也逐渐转成中性点经小电阻接地方式。

然而，中性点经小电阻接地的10kv系统，出于选择性的考虑，零序过流保护在定值整定时一般只能反应过渡电阻100ω以下的接地故障，若发生100ω以上的高阻接地故障，不仅零序保护无法跳闸，另外由于此时开口三角电压(二次额定值100v)不到10v，也达不到发出零序电压告警信号的门槛，因此系统处于一种无法跳闸也没有告警信息提示的故障状态，只能任由故障发展得更严重后达到保护动作条件后才能跳闸，某地区甚至出现过导线掉入池塘把水烧开都没有保护动作的情况。

中性点经小电阻接地方式一般是用在电缆线路较多的系统中，高阻接地的情况较少，而随着推广，涉及架空线路的情况也变多了，若配电线路掉落在潮湿沙地、干燥草地、草皮等介质上，过渡电阻在200～500ω范围内，就会进入不能跳闸也无告警信息的高阻接地故障状态，容易留下长时间存在的安全隐患。因此，有必要对目前的零序保护进行改进，提高接地故障高阻检测水平。

高阻接地检测水平达到多少为合适呢？考虑到保护装置电压、电流的测量精度的限制，高阻接地检测水平总会存在极限，对比中性点非有效接地系统，规程规定，10kv电网单相接地故障电流达到10a以上，应采用经消弧线圈接地方式；单相接地故障电流达到150a以上时，宜改为小电阻接地系统。所以对于中性点不接地系统，单相接地故障电流为10a以下；而对于经消弧线圈接地方式，一般采用过补偿方式，过补偿度为5％～10％，补偿后的单相接地故障电流也在10a左右，与之对照，小电阻接地系统在无法切除故障时，单相接地故障电流也最好能控制在10a左右，以广州10kv系统为例，中性点接地电阻为10ω，10a对应高阻接地检测能力约为600ω。

因此需要对中性点经小电阻接地配电网的零序保护进行改进，提出一种零序过流保护方法，使零序保护能够适应系统发生不同过渡电阻接地情况，尤其是提高接地故障高阻检测水平。

技术实现要素：

本发明的目的是针对中性点经小电阻接地系统，提供一种经阻容比条件闭锁的零序过流保护方法，能够适应系统发生不同过渡电阻接地情况，尤其是提高接地故障高阻检测水平。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

在一方面，本发明提供了一种经阻容比闭锁的零序过流保护方法，包括：

根据采集的零序电压零序电流计算阻容比绝对值|krc0|；

根据中性点经小电阻接地系统的中性点接地电阻rr、额定相电压以及系统总对地电容电流水平设定阻容比绝对值门槛值k0.set；

当满足预设阻容比闭锁条件时,开放零序过流保护，所述预设阻容比闭锁条件为：阻容比绝对值|krc0|大于其门槛值k0.set。

进一步的，阻容比绝对值|krc0|的计算方法如下：

计算零序电压和零序电流的比值表达式如下：

式中，g0为代表阻性部分产生的分量实部，bc0为代表容性部分产生的分量虚部；

计算实部和虚部的比例并取绝对值，得到阻容比绝对值|krc0|，表达式如下：

进一步的，其特征在于，阻容比绝对值门槛值k0.set计算方法按照下式进行：

式中，kk为可靠系数，uph.n为额定相电压，σic为系统总对地电容电流水平。

进一步的，阻容比绝对值门槛值k0.set计算方法中可靠系数kk取0.6～0.9。

进一步的，根据阻容比绝对值门槛值k0.set计算公式，kk取典型值0.8，10kv配电网uph.n取5.77kv，rr取典型值10ω，σic取包容绝大部分10kv配电网的电容电流水平值600a，获得阻容比绝对值门槛值k0.set的通用取值为大于0.77。

进一步的，除了所述预设阻容比闭锁条件即阻容比绝对值|krc0|大于其门槛值k0.set，还包括零序电流有效值3i0大于其门槛值3i0.set，当同时满足这两个条件时才启动零序过流保护。

零序过流保护启动后，跳闸计数器开始计时，若达到跳闸延时，则发出跳闸命令；若在达到跳闸延前，当条件不满足，则保护返回，跳闸计时器清零。

在另一方面，本发明提供了一种经阻容比条件闭锁的零序过流保护系统，其特征在于，包括阻容比绝对值计算模块、阻容比绝对值门槛值设定模块和零序过流保护启动模块；

所述阻容比绝对值计算模块，用于根据采集的零序电压零序电流计算阻容比绝对值|krc0|；

所述阻容比绝对值门槛值设定模块：用于根据中性点经小电阻接地系统的中性点接地电阻rr以及系统总对地电容电流水平设定阻容比绝对值门槛值k0.set；

所述零序过流保护启动模块，用于当满足预设阻容比闭锁条件时，启动零序过流保护，所述预设阻容比闭锁条件为：阻容比绝对值|krc0|大于其门槛值k0.set。

进一步的，所述零序过流保护启动模块，用于当满足预设阻容比闭锁条件、并且零序电流有效值3i0大于其门槛值3i0.set时，启动零序过流保护，所述预设阻容比闭锁条件为：阻容比绝对值|krc0|大于其门槛值k0.set。

本发明的有益效果是：

(1)阻容比闭锁条件不受pt、ct极性的影响，能够可靠使用专用零序ct，能够对较小的零序电流进行精确测量，这又保证了高阻故障检测的可靠性，有利于提高中性点经小电阻接地系统高阻接地故障检测的水平；

(2)阻容比闭锁条件不受过渡电阻、零序电压大小的影响，仅与系统的对地电容参数、中性点接地电阻有关，因此能够稳定区分故障线路和非故障线路，保证了高阻接地故障检测的选择性；

(3)本发明通过判断当满足预设阻容比闭锁条件、并且零序电流有效值3i0大于其门槛值3i0.set时，启动零序过流保护，避免零序过流定值太低导致难以躲过自身电容电流的问题，从而适用于高阻接地故障的情形，同时又不会因为非故障线路对地电容电流的影响而发生误动，高阻接地故障检测的灵敏度高；

(4)不改变原有的保护配置，易于在实际工程中实施应用。

(5)能够将中性点经小电阻接地系统的零序保护高阻接地检测能力从100ω提高到600ω的水平，灵敏度提高到能够反应10a电流水平的单相接地故障，从而提高配电网运行的安全性。

附图说明

图1是本发明具体实施例所应用的中性点经小电阻接地系统主接线示意图；

图2是本发明具体实施例经阻容比条件闭锁的零序过流保护的流程图；

图3是本发明具体实施例经阻容比条件闭锁的零序过流保护的保护范围示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

以下实施例所应用的中性点经小电阻接地系统的主接线图如图1所示，设中性点接地电阻为rr，10kv系统可取典型值10ω，图1中线路4发生单相接地故障，设过渡电阻为rg。设三相电压为零序电压为电压互感器pt采集母线的电压，可以获得三相电压忽略接地变阻抗，通过pt开口三角电压获得的零序电压与中性点小电阻上方的零序电压是一致的。图1中，ct01～ct04分别是线路1～线路4的零序电流互感器，可以测量各线路的零序电流。ct0rr是中性点小电阻支路的零序电流互感器，可以测量中性点小电阻支路的零序电流。

一种经阻容比闭锁的零序过流保护方法，包括以下步骤：

步骤一：根据采集的零序电压零序电流计算阻容比绝对值|krc0|；

中性点经小电阻接地系统要求负荷侧变压器的10kv部分为δ接线，因此各线路三相负荷电流之和为零，因此，对于非故障线路，计算零序电流即为三相的对地电容电流之和：

式中：n代表图1中的非故障线路，n＝1,2,3；为非故障线路的零序电流；j为虚数单位；ω为工频同步角速度；cn为各非故障线路的对地电容。

而对于故障线路，根据基尔霍夫定律，会流过所有非故障线路的零序电流，并且会流过中性点小电阻的零序电流，流过中性点小电阻的零序电流为因此，故障线路的零序电流如式2所示，式中负号是与非故障线路及中性点小电阻的零序电流保持总和为0：

式中：为故障线路即图1中的线路4的零序电流；σc为系统对地电容之和；c4为故障线路的对地电容。

会随着故障点的位置不同因为压降的影响而有所变化，在母线处发生金属性短路接地故障时最大，约为相电压。

对式1和式2进行形式变化，转换为计算这个表达式代表着故障线路和非故障线路零序电流的构成不同，非故障线路和故障线路的计算结果分别如式3和式4所示：

式3和式4都可以统一表示为如下的形式：

式中，g0为实部，其意义代表着阻性部分产生的分量；bc0为虚部，其意义代表着容性部分产生的分量，考虑到pt、ct极性可能接反的情况，g0、bc0可能为正数或负数，对于非故障线路，g0理论上为0，但实际上线路分布参数的影响，实际不会真的为0，但数值较小。

取式5中实部和虚部的比例，并取绝对值，本发明申请称之为阻容比绝对值，用|krc0|表示，因其本质上为中性点小电阻接地系统发生单相接地故障时阻性电流与容性电流的比例，如式6所示：

对于非故障线路，由于实部为0，所以阻容比绝对值的理论值为0。

因此，采集零序电压零序电流按照式5计算其比值，取实部和虚部，代入式6，计算得到阻容比绝对值|krc0|。

步骤二：根据中性点经小电阻接地系统的中性点接地电阻rr、额定相电压以及系统总对地电容电流水平设定阻容比绝对值门槛值k0.set；

而对于故障线路，根据式4，可以获得阻容比绝对值满足式7：

进一步对式7的分母进行扩大，3ω(σc-c4)放大至3ωσc，则得到一个不等式，如式8所示，该不等式的右侧表达式是一个取决于配电网系统参数的一个常数，rr为配电网的中性点小电阻阻值，3ωσc取决于配电网的总对地电容。

根据式8确定阻容比系数的门槛值k0.set；

步骤三：当满足预设阻容比闭锁条件时,开放零序过流保护，所述预设阻容比闭锁条件为：阻容比绝对值|krc0|大于其门槛值k0.set。

根据式8，中性点经小电阻接地系统发生单相接地故障时，故障线路存在阻容比绝对值大于一个系统常量的特征，而根据式3，非故障线路的阻容比绝对值约为0，这个特征具有明显的区分度；并且在式8中，并未涉及到过渡电阻这一变量，这意味着在发生过渡电阻接地故障时，不论过渡电阻多大，式8总是满足的，因此该条件适用于单相金属性接地和高阻接地的情况；由于取了绝对值，上述计算与ct、pt极性是否接反没有关系，以这个条件作为零序过流保护的闭锁条件，可以避免专用零序ct极性接反的影响。

解决了极性校验的问题后，能够可靠使用专用零序ct，当要求检测10a的接地故障电流水平，即检测高阻能力要求达到600ω时，以10kv系统中性点小电阻典型值为10ω、专用零序ct典型变比100/1为例，故障线路零序电流10a折算到二次值为100ma，保护装置的精工电流普遍都能达到20ma左右，100ma的电流完全能够准确测量；此时对应的零序电压(以开口三角电压二次额定值100v为例)约为1.64v，保护装置也是能够准确测量的。

上述判据也可以使用自产零序电流，若使用保护三相电流自产零序电流，由于保护电流ct变比较大，以典型的1000/1为例，考虑到保护装置的精工电流只能保证在0.02a的水平，折算为高阻接地故障检测水平约为300ω，比使用专用零序ct时的抗过渡电阻能力要低。

在以上实施例基础上，根据式8计算阻容比系数的门槛值k0.set，具体方法为：

如式10所示：

式中，kk为可靠系数，取0.6～0.9；uph.n为额定相电压；σic为系统总对地电容电流水平。

在以上实施例的基础上，为了适应系统发生不同过渡电阻接地情况，尤其是提高接地故障高阻检测水平，对传统的零序过流保护加入阻容比闭锁条件进行改进，得到改进后的零序过流保护判据如式9所示。该判据既可用于专用零序ct，也可用于保护自产零序电流，使用保护自产零序电流时受制于测量精度的限制导致抗过渡电阻能力有所不足。

式中，3i0.set为零序过流保护的零流整定值；k0.set为阻容比系数的门槛值，可根据式8计算得到。

根据式8计算k0.set，需要获得系统的总对地电容参数，事实上，系统总对地电容与系统总对地电容电流水平是直接相关，因此可根据系统总对地电容电流水平来计算，如式10所示。

式中，kk为可靠系数，取0.6～0.9；uph.n为额定相电压，10kv系统取5.77kv；σic为系统总对地电容电流水平。

实施例1：根据上述理论编写程序，并在保护装置中运行，保护装置采集零序电压、零序电流，计算阻容比。在接地过渡电阻rg取1ω,80ω,100ω,300ω,600ω时，保护装置计算结果如表1所示。表1中，3i0为故障线路的零序电流，|krc0|f为故障线路的阻容比，|krc0|n为其中一路非故障线路的阻容比。表1中的结果与前述理论推导是一致的。

表1线路4故障时阻容比计算结果

基于上述理论分析及实施例1的计算结果，本发明提出一种经阻容比条件闭锁的零序过流保护方法，流程如图2所示，主要有如下三个步骤：

步骤1：采集零序电压零序电流计算阻容比绝对值|krc0|，阻容比绝对值计算方法如下：

首先按照式5使用零序电压和零序电流计算即下式：

式中，g0为实部，其意义代表着阻性部分产生的分量；bc0为虚部，其意义代表着容性部分产生的分量；

之后按照式6计算实部和虚部的比例并取绝对值，得到阻容比绝对值|krc0|，即：

步骤2：按照式9进行接地故障判别，即对零序电流有效值3i0、阻容比绝对值|krc0|分别与各自门槛值进行比较，同时满足下述2个条件时则判定为接地故障的发生，零序过流保护启动：

式中，3i0.set为零序电流门槛值；k0.set为阻容比绝对值门槛值；

步骤3：保护启动后，跳闸计数器开始计时，若达到跳闸延时，则发出跳闸命令；若在达到跳闸延前，步骤3中有条件不满足，则保护返回，跳闸计时器清零。

上述经阻容比条件闭锁的零序过流保护方法的步骤1中，阻容比绝对值门槛值k0.set按照式10进行计算,即通过小电阻接地系统的中性点接地电阻rr以及系统总对地电容电流水平计算：

式中，kk为可靠系数，取0.6～0.9；uph.n为额定相电压，10kv系统取5.77kv；σic为系统总对地电容电流水平。

上述经阻容比条件闭锁的零序过流保护方法的动作区域如图3所示。

图3中，为旋转相量，以为基准计算角度，横轴表示纯阻性零序电流，纵轴表示纯容性零序电流。阴影部分a、b为动作区域，空白区域c为非动作区域。图3中的θ角用来确定动作区域的边界，与k0.set的关系如式11所示。

θ＝tan^-1k0.set(11)

通过式11和图3可以得到，电容电流水平越大时，得到的保护范围越大，如果采用一个能包容绝大部分变电站电容电流水平的值，可得到一个通用的阻容比绝对值取值，例如以600a的电容电流水平作为典型值，计算所得的k0.set可包容绝大部分10kv系统，将600a代入式9，kk取典型值0.8，得到式12。采用式12即可满足绝大部分10kv系统的要求，而不必再专门计算阻容比系数的门槛值。如遇到某些特殊的10kv系统对地电容电流水平特别大，超过了600a的水平，可通过式10来进行计算。

k0.set＞0.77(12)

考虑到同时存在不同线路同相金属性接地故障时，两个金属性接地故障点会构成通路，此时会出现类似于中性点直接接地的故障特征，零序电流、零序电压的相位关系不再符合中性点经小电阻接地方式的接地故障特征，但这时电流非常大，应快速切除故障，为了防止这种情况下阻容比条件误闭锁，零序过流i段或零序过流速断不经阻容比条件闭锁。阻容比闭锁条件宜仅用于零序过流ⅱ段、ⅲ段。零序过流ii段作为零序过流i段或零序过流速断的后备，且需要与邻段配合，若定值需要整定的较低，应投入阻容比闭锁条件，这样可不受本线路的最大对地电容电流的限制。零序过流ⅲ段作为后备保护，一般需要躲开零序过流i段、ⅱ段的定值，而高阻接地故障的检测也需要由零序过流ⅲ段执行，因此门槛整定的会较低，很可能躲不开本线路的最大对地电容电流，因此需投入阻容比闭锁条件。

实施例2：按照本发明一种经阻容比条件闭锁的零序过流保护方法编写程序，并在保护装置中运行，保护装置在一个10kv电压等级的中性点经小电阻接地系统中运行，保护装置采集零序电压、零序电流，进行单相接地故障特别是高阻接地故障的判别。接地变位于10kv母线，中性点小电阻为10ω。线路参数为零序电阻1.35ω/km，零序感抗1.104ω/km，零序容抗0.1555mω*km，线路长度分别为45km、35km、50km、65km。pt变比为10kv/100v，零序ct变比为100/1。保护装置经阻容比闭锁零序过流保护的定值为0.06a。线路4发生单相接地故障时的动作情况如表2所示。

表2线路4故障时保护装置的动作结果

表2中3i0、u0为装置中的实际采集计算的二次值，|krc0|为故障线路保护装置中的计算值，非故障线路保护装置中|krc0|的计算值接近于0，未在表格中列出。将故障点换至其他线路，模拟线路4为非故障线路的情况，阻容比条件均能正确闭锁，零序保护可靠不动。通过实施例2，表明了阻容比闭锁条件能够可靠区分故障线路和非故障线路，并能在高阻接地故障时可靠动作，这使得改进后的零序过流保护能够达到600ω水平的高阻接地检测能力，灵敏度提高到能够反应10a电流水平的单相接地故障。

综上，本发明的基于阻容比条件闭锁的零序过流保护方法，不受pt、ct极性的影响，使用专用零序ct对较小的零序电流进行精确测量，保证了高阻故障检测的可靠性；阻容比闭锁条件不受过渡电阻、零序电压大小的影响，仅与系统的对地电容参数、中性点接地电阻有关，因此能够稳定区分故障线路和非故障线路，保证了保护的选择性；避免零序过流定值太低难以躲过自身电容电流的问题，灵敏度高；不改变原有的保护配置，易于实施，能够提升零序保护的高阻接地故障检测能力，从传统零序过流保护的100ω水平提高到600ω的水平，灵敏度提高到能够反应10a电流水平的单相接地故障，从而提高中性点经小电阻接地配电网运行的安全性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。