專利名稱：一種消弧線圈接地系統故障選線自適應方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種消弧線圈接地系統故障選線自適應方法，屬電力系統繼電保護技術領域。
背景技術：
單相接地電弧能夠自行熄滅的中性點非有效接地系統稱為小接地電流系統，主要以中性點不接地、經高電阻接地或經消弧線圈接地等接地形式出現。我國6～66kV的配電網通常都屬于小接地電流系統(參考文獻1)。
配電網中性點一般經消弧線圈或中性點不接地，發(fā)生單相接地故障時，由于不形成短路，規(guī)程允許繼續(xù)運行1-2h，但是長時間的接地運行極易形成兩相接地短路，弧光接地還會引起全系統過電壓。為防止故障擴大，必須發(fā)出信號并排除故障。為防止故障進一步擴大，必須及時、準確地選出故障線路并予以切除(參考文獻2)。
經過長期研究，目前出現了多種故障選線方法，并開發(fā)出了相應的裝置，但在實際應用中的效果并不十分理想。現有的小電流接地系統單相接地故障選線方法，從使用的信號上大體可分為三類，穩(wěn)態(tài)方法(參考文獻3-5)、暫態(tài)方法(參考文獻6-7)和信號注入法(參考文獻8)。穩(wěn)態(tài)方法中的典型方法有幅值比較法、相位比較法、零序導納法、零序功率法等。幅值比較法和相位比較法僅適用于中性點不接地的系統，但實際中由于變電站出線較多單相接地電流過大，因此消弧線圈被廣泛使用，因此這兩種方法適用范圍很小；零序導納法和零序功率法由于穩(wěn)態(tài)后零序電流較小，容易受到干擾，影響了在實際中的應用效果。暫態(tài)方法利用故障引起的高頻暫態(tài)分量進行故障選線，但是高頻暫態(tài)分量的大小與故障合閘角密切相關。信號注入法需要外加信號，實際應用時需要改動系統PT的接線，不利于裝置的實際應用。由于暫態(tài)選線方法可以不受小接地電流系統中性點接地方式的影響，且不需要注入信號，因此在實際應用中有明顯的優(yōu)越性。雖然實際中大多數故障為絕緣擊穿故障，故障時電壓不在零附近，可以產生明顯的暫態(tài)信號，但也不是沒有發(fā)生電壓過零附近故障的可能，如在昆明供電局的實際運行中，電壓過零附近故障也時有出現。在電壓過零附近發(fā)生故障時高頻暫態(tài)分量很小，考慮到各種干擾，暫態(tài)選線方法可能失效。但此時故障卻引起了較大的衰減直流分量。文獻9中提出了一種基于小波變換利用衰減直流分量的選線方法，該方法使用db10小波，將4kHz的采樣信號分解到6層，選用0～31.25Hz和31.25～62.5Hz的信號形成選線核心算法。db10小波的支撐長度為19，因此0～31.25Hz的小波濾波器的時窗為19×25＝608采樣點，對應的時間為608/4000秒，約7.5個周波。因此要做到準確選線就需要多于7.5個周波的數據。可見文獻9中的算法需要大量的采樣數據，這不利于實際應用，而且該方法沒有考慮母線故障的情況。因此，本方法提出了一種利用衰減直流分量的故障選線自適應新方法，僅使用故障后一個周波的數據，它與暫態(tài)選線方法是互補的，兩者結合可以形成完善的故障選線方法。
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發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現有小接地電流系統接地故障選線技術之不足，在對中性點經消弧線圈接地系統中的電磁暫態(tài)特征分析的基礎上，通過大量仿真后，提出了一種利用衰減直流分量對經消弧線圈接地的小接地電流系統準確進行故障選線的自適應方法。
1 衰減直流分量分布特性對于本方法進行數字仿真的中性點經消弧線圈接地系統，發(fā)生單相接地故障時，電流分布如圖1所示。
圖1中，C1、C4、C5和Cf等表示各線路對地電容，Ln表示消弧線圈電感，Lr表示等效電感，Rf表示接地點的過渡電阻，F1、F2為接地點。
當電網發(fā)生單相接地故障時，流過故障線路的零序電流id由暫態(tài)電容電流ic和暫態(tài)電感電流iL兩部分疊加而成(參考文獻10)。即id＝ic+iL 式(1)中，第一項為接地電流穩(wěn)態(tài)分量，等于穩(wěn)態(tài)電容電流和穩(wěn)態(tài)電感電流的幅值之差；其余為接地電流的暫態(tài)分量，等于電容電流的暫態(tài)自由振蕩分量與電感電流的暫態(tài)直流分量之和。對于非故障線路而言，其流經的零序電流中只含有暫態(tài)電容電流分量，而不含有電感電流分量。當故障發(fā)生在相電壓過零點附近時，故障線路其暫態(tài)零序電流的特性主要取決于暫態(tài)電感電流，相對于非故障線路，故障線路暫態(tài)零序電流中含有的直流分量較大。
本方法數字仿真系統中有5條出線，當線路L5在F1點電壓過零時發(fā)生A相接地故障時(過渡電阻為20Ω)，故障線路L5和非故障線路L4的零序電流如圖2所示。從圖2可以看出，故障線路零序電流中有非常明顯的衰減直流分量，而非故障線路零序電流中衰減直流成分則很小。當母線發(fā)生A相在F2點接地故障時，線路L4和線路L5中的零序電流如圖3所示，在圖3中，兩條線路的零序電流中衰減直流分量幾乎為零，這是因為衰減直流分量直接流入了消弧線圈，而沒有流過線路的原因。
2 故障選線方法由經消弧線圈接地的小接地電流系統單相接地故障時衰減直流分量的分布特性可見，當線路不在電壓最大值附近故障時，系統將有衰減直流分量產生，它只流過故障線路和消弧線圈而不流過非故障線路，當母線故障時雖然也有衰減直流分量產生，但它不流過任何線路，而是直接流入消弧線圈。根據這一特點，可以構成利用衰減直流分量的小接地電流系統故障選線方法。其實現步驟如下1.當母線零序電壓瞬時值un(t)大于KuUn，故障選線裝置立即啟動，記錄下故障前2個周波和故障后3個周波的各出線及母線零序電流和母線零序電壓，其中Ku一般取值為0.35，Un表示母線額定電壓；2.從選線裝置啟動時刻向前追溯，在母線零序電壓上尋找小于0.01Un的采樣點，其對應的時刻認為是單相接地故障發(fā)生的時刻tf；3.從tf開始選取一個周波的采樣點，使用下面的方法計算各線路及母線零序電流中的衰減直流分量初始值IDC，其中，τ為衰減時間常數。
僅求直流分量，可以忽略分數次諧波的影響，不妨假定被采樣信號具有如下形式 式中IDC為衰減直流分量初值，τ為衰減時間常數，Im，n和n分別為n次諧波的幅值和初相角。將x(t)離散化得(參考文獻11)
式(3)中，Δt為采樣時間間隔，N為每周波的采樣點數。在信號處理中，x(k·Δt)一般簡寫為x(k)。令r＝e-Δt/τ，在一個周期內對x(k)求和得 因為Σk=1Ncos2πNnk=0,Σk=1Nsin2πNnk=0]]>所以Σk=1Nx(k)=Σk=1NIDCrk=IDCΣk=1Nrk---(5)]]>引入第N+1點的采樣值，對x(k)在從2到N+1點的這一周期內求和，同理有Σk=2N+1x(k)=Σk=2N+1IDCrk=IDCrΣk=1Nrk---(6)]]>由(5)式、(6)式得r=IDCrΣk=2N+1rk/IDCrΣk=1Nrk---(7)]]>由(5)得IDC=Σk=1Nx(k)/Σk=1Nrk---(8)]]>4.不失一般性，設有饋線3條以上，通過比較在線路中衰減直流分量初始值絕對值，尋找前3個最大值，按從大到小順序為IDC，j、IDC，k和IDC，m，對應的線路分別為Li、Lk和Lm；5.判斷是否在電壓最大值附近發(fā)生故障。具體方法是從tf開始選取母線零序電壓一個周期的采樣點，計算其相角θu0(設零序電壓為正弦函數，且θu0∈[-180°，180°])，并定義判據1|θu0-90°|≤30°或|θu0+90°|≤30°(9)當滿足判據1時，認為是在相電壓最大值附近發(fā)生故障，由于在這種情況下本方法靈敏度較低，可能造成誤判，為保證選線的準確性，故本方法將閉鎖，而轉入應用暫態(tài)選線方法，這里不作贅述。不滿足判據1時，則區(qū)分線路故障還是母線故障；6.判斷是否為線路故障，并定義判據2|IDC，j|＞|IDC，k|+|IDC，m|(10)當滿足判據2，說明線路Lj的衰減直流分量IDC，j遠大于其它線路上的衰減直流分量，本方法認為線路Lj故障。不滿足判據2時，則認為是母線故障。
7.當系統中只有1條或2條線路時，將不會有3個IDC，n，對這兩種情況進行以下處理1條饋線系統只需區(qū)分屬于母線故障還是線路故障，在滿足判據1的情況下，閉鎖本方法；在判據1的情況下，設母線衰減直流分量為IDC，B，線路衰減直流分量為IDC，L，定義判據3為當IDC，B＞2IDC，L時，判斷為母線故障，否則判斷為線路故障；2條饋線系統在滿足判據1的情況下，閉鎖本方法；在不滿足判據1的情況下，設母線衰減直流分量為IDC，B，線路衰減直流分量初始值按大小速順序排列分別為IDC，j和IDC，k，定義判據4為當IDC，B和IDC，j方向相反，則判斷為線路j故障，當IDC，B和IDC，j方向相同，判斷為母線故障。
本發(fā)明與現有技術相比，具有如下優(yōu)點1、本發(fā)明的理論基礎較為直觀、方法簡單實用、可靠、有效，。
2、大量仿真表明本方法在故障合閘角θ≤60°且過渡電阻較大時，可以正確地選線；在過渡電阻較小時，故障合閘角較大時也可以正確選線；3、本方法可與暫態(tài)選線方法結合，形成完善的小接地電流系統故障選線技術。
圖1消弧線圈接地電網中單相接地時的電流分布。
圖2線路故障時的故障線路與非故障線路零序電流。
圖3母線故障時的線路零序電流。
圖4選線流程圖。
具體實施例方式本方法具體實現流程圖如圖4所示。本方法的具體步驟如下(1)當小接地電流系統的母線零序電壓瞬時值u0(t)大于KuUn，故障選線路裝置立即啟動，記錄下故障前2個周波和故障后3個周波的各出線零序電流和母線零序電壓。其中，Ku一般取值為0.35，Un表示母線額定電壓；(2)從選線裝置啟動時刻向前追朔，在母線零序電壓上尋找小于0.01Un的采樣點，其對應的時刻認為是單相接地故障發(fā)生的時刻tf；(3)從tf開始選取母線零序電壓一個周期的采樣點，計算其相角θu0，設零序電壓為正弦函數，且θu0∈[-180°，180°]，并定義判據1為|θu0-90°|≤30°或|θu0+90°|≤30°；計算各條線路的IDC，IDC=Σk=1Nx(k)/Σk=1Nrk]]>并定義判據2為|IDC，j|＞|IDC，k|+|IDC，m|；(4)在各線路的IDC，n中尋找最大的3個值，按從大到小順序為IDC，j、IDC，k和IDC，m對應的線路分別為Lj、Lk和Lm，根據判據1和判據2判斷是線路故障還是母線故障，或者應該閉鎖算法；a.當滿足判據1時，認為是在相電壓最大值附近發(fā)生故障，故將閉鎖本方法，而轉入應用暫態(tài)選線方法；b.當不滿足判據1時，則根據判據2區(qū)分是線路故障還是母線故障；當滿足判據2，說明線路Lj的衰減直流分量IDC，j遠大于其它線路上的衰減直流分量，認為是線路Lj故障；當不滿足判據2時，則認為是母線故障；c.當系統中只有1條或2條線路時，將不會有3個IDC，n，對這兩種情況進行以下處理1條饋線系統只需區(qū)分屬于母線故障還是線路故障，在滿足判據1的情況下，閉鎖本方法在判據1的情況下，設母線衰減直流分量為IDCB，線路衰減直流分量為IDC，L，定義判據3為當IDC，B＞2IDC，L時，判斷為母線故障，否則判斷為線路故障；2條饋線系統在滿足判據1的情況下，閉鎖本方法；在不滿足判據1的情況下，設母線衰減直流分量為IDC，B，線路衰減直流分量初始值按大小速順序排列分別為IDC，j和IDC，k，定義判據4為當IDC，B和IDC，j方向相反，則判斷為線路j故障，當IDC，B和IDC，j方向相同，判斷為母線故障。
發(fā)明人采用本方法進行了大量的數字仿真，其結果表明該方法是有效、可靠的。
權利要求
1.一種消弧線圈接地系統故障選線自適應方法，利用衰減直流分量的量測進行，其特征在于使用故障后第一個周波的直流分量代替衰減直流分量的計算，并根據直流分量大小實現小接地電流系統的故障選線；具體步驟如下(1)當小接地電流系統的母線零序電壓瞬時值u0(t)大于KuUn，故障選線路裝置立即啟動，記錄下故障前2個周波和故障后3個周波的各出線零序電流和母線零序電壓；其中，Ku一般取值為0.35，Un表示母線額定電壓；(2)從選線裝置啟動時刻向前追朔，在母線零序電壓上尋找小于0.01Un的采樣點，其對應的時刻認為是單相接地故障發(fā)生的時刻tf；(3)從tf開始選取母線零序電壓一個周期的采樣點，計算其相角θu0，設零序電壓為正弦函數，且θu0∈[-180°，180°]，并定義判據1為|θu0-90°|≤30°或|θu0+90°|≤30°；計算各條線路的IDC，IDC=Σk=1Nx(k)/Σk=1Nrk]]>并定義判據2為|IDC，j|＞|IDC，k|+|IDC，m|；(4)在各線路的IDC，n中尋找最大的3個值，按從大到小順序為IDC，j、IDC，k和IDC，m，對應的線路分別為Lj、Lk和Lm，根據判據1和判據2判斷是線路故障還是母線故障，或者應該閉鎖本算法；a.當滿足判據1時，認為是在相電壓最大值附近發(fā)生故障，故將閉鎖本方法，而轉入應用暫態(tài)選線方法；b.當不滿足判據1時，則根據判據2區(qū)分是線路故障還是母線故障；當滿足判據2，說明線路Lj的衰減直流分量IDC，j遠大于其它線路上的衰減直流分量，認為是線路Lj故障；當不滿足判據2時，則認為是母線故障；c.當系統中只有1條或2條線路時，將不會有3個IDC，n，對這兩種情況進行以下處理1條饋線系統只需區(qū)分屬于母線故障還是線路故障，在滿足判據1的情況下，閉鎖本方法；在判據1的情況下，設母線衰減直流分量為IDC，B，線路衰減直流分量為IDC，L，定義判據3為當IDC，B＞2IDC，L時，判斷為母線故障，否則判斷為線路故障；2條饋線系統在滿足判據1的情況下，閉鎖本方法；在不滿足判據1的情況下，設母線衰減直流分量為IDC，B，線路衰減直流分量初始值按大小速順序排列分別為IDC，j和IDC，k，定義判據4為當IDC，B和IDC，j方向相反，則判斷為線路j故障，當IDC，B和IDC，j方向相同，判斷為母線故障。
全文摘要
一種消弧線圈接地系統故障選線自適應方法，屬電力系統繼電保護技術領域。本方法是當消弧線圈接地系統的母線零序電壓瞬時值u
文檔編號G01R31/08GK1696724SQ20051001079
公開日2005年11月16日 申請日期2005年5月9日 優(yōu)先權日2005年5月9日
發(fā)明者束洪春, 司大軍, 張 杰, 劉娟, 劉志堅, 唐嵐, 邱革非, 孫向飛 申請人:昆明理工大學
專業(yè)數控銑床產品供應商
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