阅读说明：本技术 一种小电阻接地系统单相接地故障保护方法 (Single-phase earth fault protection method for small-resistance earth system ) 是由 王廷凰 刘子俊 张海台 黄福全 李国栋 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种小电阻接地系统单相接地故障保护方法,利用时间级差和整定值配合实现出口断路器、分支开关、分界开关和配电变压器保护之间的多级配合,有选择性地切除故障线路；针对高阻接地故障时,利用变电站各出线首端检测到的故障电流行波信号进行故障选线,同时排除其他产生原因产生较大不平衡电流的情况,将接地保护定值降低,灵敏度大大提高,保证在高阻接地故障时接地保护依然能够可靠动作。发生接地故障后能快速有选择性地切除故障,当过渡电阻高达1500Ω时依然有效,对减少配电网故障停电范围和停电时间有明显的效果。(The invention provides a single-phase earth fault protection method of a small resistance earth system, which utilizes the cooperation of time step difference and setting value to realize the multi-stage cooperation among an outlet circuit breaker, a branch switch, a boundary switch and the protection of a distribution transformer and selectively remove fault lines; when the high-resistance grounding fault occurs, fault line selection is carried out by utilizing fault current traveling wave signals detected by the head ends of outgoing lines of a transformer substation, the condition that other reasons for generation generate large unbalanced current is eliminated, the grounding protection constant value is reduced, the sensitivity is greatly improved, and the grounding protection can still reliably act when the high-resistance grounding fault occurs. After the earth fault occurs, the fault can be quickly and selectively removed, and the transition resistance is still effective when the transition resistance is up to 1500 omega, so that the method has obvious effect on reducing the power failure range and the power failure time of the power distribution network fault.)

一种小电阻接地系统单相接地故障保护方法

技术领域

本发明涉及配电网故障处理领域，特别涉及一种小电阻接地系统单相接地故障保护方法。

背景技术

中性点采用小电阻接地方式可以限制单相接地故障后非故障相过电压水平，克服不接地系统的铁磁谐振与经消弧线圈接地系统的串联谐振过电压且继电保护配置简单。在我国，随着经济的发展，在人口稠密的中心城区，配电网结构完善能保证供电可靠性，当线路发生单相接地故障时，出于保障人身安全的考虑，往往希望第一时间切除故障线路。基于此，中国上海、北京、广州、深圳、苏州等地城市配电网先后将不接地或经消弧线圈接地方式改为小电阻接地方式。

长期以来，中国配电网保护的配置与整定强调保证变电站设备的安全运行，重点考虑变电站中压配电线路出口断路器处的保护，而对线路上的保护关注不够，没有涉及中间分段断路器保护、分支保护、分界保护和配电变压器保护。由于保护配置不完善以及整定配合方面的问题，配电网保护动作的选择性差，易造成故障停电范围的扩大。小电阻接地配电网中，70％以上的短路故障是单相接地故障，而高阻接地故障约占到接地故障总数的5％至10％。

目前，针对馈线单相接地故障，主要采用阶段式零序电流保护方案，考虑躲过被保护线路下游电容电流和正常运行时最大不平衡电流的影响，零序电流保护整定值偏高，可耐受过渡电阻值一般仅为100Ω左右；而实际配电网中接地故障通常伴随着树障、避雷器不完全击穿以及导线跌落在土地、水塘等情况，产生的对地电流小，零序过流保护往往出现拒动的情况。

发明内容

本发明旨在提出一种小电阻接地系统单相接地故障保护方法及系统，以克服零序过流保护出现拒动的技术缺陷，保证配电网、配电设备安全稳定运行。

本发明实施例提出一种小电阻接地系统单相接地故障保护方法，包括如下步骤：

对于供电等级为A+、A类的省级及以上大城市高负荷密度区采用的电缆闭环运行网络，主干线上采用零序电流差动保护作为主保护，并配置零序Ⅲ段保护作为后备保护；

对于A+、A类供电区域采用的电缆开环运行网络，采用四级保护，分别是主干线断路器保护、环网柜出线断路器保护、分界保护和配电变压器保护；如果没有分界开关，则采用三级级差保护；

对于B、C类供电区域采用的电缆开环运行网络，若环网柜开关采用负荷开关，则环网柜进线开关不配置保护，主干线上发生永久性单相接地故障时将直接跳开线路出口断路器，之后通过配电自动化系统隔离故障线路；对于架空线路环网，零序电流保护配置采用四级或三级级差保护的配置，主干线上分段开关采用负荷开关，不配置保护；

对于D类供电区域采用的架空辐射网络，支路中若采用负荷开关，则零序电流保护采用二级保护，分别是出口断路器保护和配电变压器保护。

其中，对于B、C类供电区域采用的架空线路环网，采用四级保护，分别是主干线断路器保护、分支保护、分界保护和配电变压器保护；如果没有分界开关，则采用三级级差保护。

其中，所述四级保护对开关设备的要求具体为：环网柜进线开关和出线开关采用断路器，架空网分支开关采用断路器，分界开关采用断路器，配电变压器侧配置断路器或负荷开关-熔断器组合电器。

其中，对于主干线路断路器的零序电流Ⅲ段保护，若采用零序电流互感器，线路出口断路器保护整定值为30A，动作时限3s；若采用零序电流滤过器获取零序电流，线路出口断路器保护整定值为60A，动作时限3s；

电缆环网柜进线断路器保护，零序电流整定值与出口断路器保护相同；动作时限与相邻进线断路器保护匹配，并与环网柜出线断路器保护匹配；

对于辐射型架空线路网络中间分段断路器零序电流保护，若采用零序电流互感器获取零序电流，则对应的保护整定值为15A；若采用零序电流滤过器，则对应的保护整定值为30A，动作时限比出口断路器保护小0.3s，重合闸动作时限整定为1s。

其中，对于分支线路零序电流Ⅲ段保护电流定值，如果采用零序电流互感器，则对应的保护整定值为8A；如果采用零序电流滤过器获取零序电流，则对应的保护整定值为15A；其中，动作时限按比下级分界保护或配电变压器接地保护大一个时间级差，比上级主干线断路器保护时限小来整定；重合闸动作时限整定为1s。

其中，分界开关与分支线路保护的整定值和重合闸时间相同，动作时限比分支线路的动作时限小一个时间级差。

其中，配电变压器采用负荷开关-熔断器组合电器时，负荷开关配置零序电流Ⅲ段保护，通过跳开负荷开关实现小电流故障的保护，熔断器用于清除大电流故障；

其中，负荷开关—熔断器组合电器的零序电流保护，动作时限比相邻上一级保护小一个时间级差；若动作时限大于1s，如果采用零序电流互感器，则对应的保护整定值为配电变压器额定电流的10％；如果采用零序电流滤过器获取零序电流，对应的保护整定值为20％的配电变压器额定电流；若动作时限小于1s，如果采用零序电流互感器，则对应的保护整定值为配电变压器额定电流的20％；如果采用零序电流滤过器获取零序电流，对应的保护整定值为40％的配电变压器额定电流。

其中，配电变压器容量大于预设阈值并采用断路器保护时，配置零序电流Ⅰ段与Ⅲ段保护作为末端的单相接地短路保护；

对于零序电流Ⅰ段整定值，如果采用零序电流互感器，则对应的保护整定值为配电变压器额定电流的20％；如果采用零序电流滤过器获取零序电流，对应的保护整定值为40％的配电变压器额定电流，动作时限整定为0.1s；

对于零序电流Ⅲ段整定值，如果采用零序电流互感器，则对应的保护整定值为配电变压器额定电流的10％；如果采用零序电流滤过器获取零序电流，对应的保护整定值为20％的配电变压器额定电流；动作时限整定为1s；

重合闸动作时限整定为1s。

本发明实施例提出一种小电阻接地系统单相接地故障保护方法，仅需检测线路中的零序电流和各线路出口的电流暂态信号即可完成，原理简单实现容易，具有较强的实用性与经济性。本发明实施例针对各种结构和运行方式下的小电阻接地系统单相接地故障保护均提出了详细的配置方案，对网络结构依赖性不强，适应性较好；发生低阻接地故障时，通过时间级差和整定值配合的多级保护能够在3s内有选择性地切除故障，不会出现越级跳闸现象，减小停电范围和停电时间；发生高阻接地故障时，通过故障选线和时间级差配合的多级保护，即使过渡电阻高达1500Ω以上，依然能够可靠有选择性地切除故障。此外，本发明实施例的整定计算方法简单，达到了保护“四性”要求，可以实现小电阻接地系统出口断路器、分支线路、配电变压器等多级之间的保护配合，避免发生接地故障时保护越级动，同时，高灵敏性接地保护也很好的弥补了传统配电网对高阻接地检测的不足。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而得以体现。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

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，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例所述A+、A类供电区域闭环运行电缆环网典型结构示意图。

图2为A+、A类供电区域开环运行电缆环网典型结构。

图3为B、C类供电区域架空环网典型结构。

图4为D类供电区域辐射式架空网典型结构。

图5为过渡电阻200Ω时的电流行波α模量及其小波变换示意图。

图6为过渡电阻1500Ω时的电流行波α模量及其小波变换示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明实施例提出一种小电流接地故障定位方法，包括如下步骤：

(1)对于供电质量等级不同的小电阻接地系统，接地保护步骤如下：

(1.1)对于供电等级为A+、A类的省级及以上大城市高负荷密度区采用的电缆闭环运行网络，如图1所示。主干线上采用零序电流差动保护作为主保护，快速切除主干线故障，避免用户遭受短时停电。当经过渡电阻接地而接地电流较小时，差动保护无灵敏度，因此需配置零序Ⅲ段保护作为后备保护来切除故障。若在规定时间内，差动保护未动作，则零序后备保护启动。解环线路两侧保护动作时限整定最小，因而将最先动作使环网解列为两个辐射型网络，其零序电流保护按照下面开环运行方式下的保护配置原则进行配置。

(1.2)对于A+、A类供电区域采用的电缆开环运行网络，如图2所示。为保证接地故障后有选择性地切除故障元件，采用四级保护方案，分别是主干线断路器保护、环网柜出线断路器保护、分界保护和配电变压器保护；如果没有分界开关，则采用三级级差保护。环网柜进线和出线开关采用断路器，分界开关也采用断路器，配电变压器侧配置断路器或负荷开关-熔断器组合电器。出口断路器、分支线路等均配置单次重合闸，以防止分支线和用户侧瞬时故障造成所带负荷长时停电。

(1.3)对于B、C类供电区域采用的电缆开环运行网络，若环网柜开关采用负荷开关，则环网柜进线开关不配置保护，主干线上发生永久性单相接地故障时将直接跳开线路出口断路器，之后通过配电自动化系统隔离故障线路。其他位置保护配置，采用四级或三级级差保护的配置。

对于B、C类供电区域采用的架空线路环网，如图3所示。零序电流保护配置与图2的电缆环网开环运行中相同，采用四级或三级级差保护的配置。其中，当供电半径较短时，主干线上分段开关采用负荷开关，则不配置保护。

(1.4)对于D类供电区域采用的架空辐射网络，如图4所示。支路中若采用负荷开关，则零序电流保护采用二级保护方案，分别是出口断路器保护和配电变压器保护。当供电半径较长时，主干线路中采用中间分段断路器保护，与上下级保护相配合。当两级保护之间的区段发生故障时，上级保护动作切除故障，之后依靠配电自动化系统使非故障线路恢复运行。

(2)对于多级接地保护的整定步骤如下：

(2.1)对于主干线路断路器的零序电流Ⅲ段保护，若采用零序电流互感器，架空线路出口断路器保护整定值应躲过本线路电容电流，整定值为30A，动作时限3s；若采用零序电流滤过器获取零序电流，还要躲过线路冷起动时的不平衡电流，整定值为60A，动作时限相同。

其中，电缆环网柜进线断路器保护，零序电流整定值与出口断路器保护相同，动作时限既要与相邻进线断路器保护相配合，也要与环网柜出线断路器保护相配合。考虑断路器开关的机械动作时间、熄弧时间等，时间级差选为0.3s。

其中，辐射型架空线路网络中间分段断路器零序电流保护，若采用零序电流互感器获取零序电流，应躲过下游线路最大电容电流，整定值可统一选为15A；若采用零序电流滤过器，应躲过下游线路冷起动时不平衡电流的影响，可统一选为30A，动作时限比出口断路器保护小0.3s。重合闸动作时限整定为1s。

(2.2)分支线路零序电流Ⅲ段保护电流定值应首先躲过分支线路下游的最大电容电流，如果采用零序电流互感器，整定值可统一选为8A；如果采用零序电流滤过器获取零序电流，可统一选为15A。动作时限按比下级分界保护或配电变压器接地保护大一个时间级差，比上级主干线断路器保护时限小来整定。重合闸动作时限整定为1s。

(2.3)分界开关与分支线路保护的整定值和重合闸时间相同。动作时限比分支线路的动作时限小一个时间级差。

(2.4)配电变压器采用负荷开关-熔断器组合电器时，熔断器额定电流按大于2倍的配电变压器额定电流来选择，负荷开关配置零序电流Ⅲ段保护，通过跳开负荷开关实现小电流故障的保护，而熔断器用于清除大电流故障。负荷开关—熔断器组合电器的零序电流保护，动作时限比相邻上一级保护小一个时间级差。若动作时限大于1s，则如果采用零序电流互感器，不平衡电流很小，其定值整定为配电变压器额定电流的10％；如果采用零序电流滤过器获取零序电流，应躲过负荷冷起动产生的不平衡电流，选为20％的配电变压器额定电流。若动作时限小于1s，则整定值提高一倍；则如果采用零序电流互感器，不平衡电流很小，其定值整定为配电变压器额定电流的20％；如果采用零序电流滤过器获取零序电流，应躲过负荷冷起动产生的不平衡电流，选为40％的配电变压器额定电流。

其中，配电变压器容量较大采用断路器保护时，配置零序电流Ⅰ段与Ⅲ段保护作为末端的单相接地短路保护。零序电流Ⅰ段整定值与上面动作时限小时的整定值相同，动作时限整定为0.1s；零序电流Ⅲ段整定值与上面动作时限大时的整定值相同，动作时限整定为1s。重合闸动作时限整定为1s。

(3)对于高阻接地故障，降低零序电流保护整定值是提高高阻故障时保护灵敏度的有效措施。利用故障时各出线电流行波信号幅值和极性的差异，确定系统发生故障并选出故障线路，这样线路出口断路器保护整定值就无需考虑躲过其他出线故障时本线路的对地电容电流，同时，也能判定零序电流是由线路故障产生而非其他原因引起的不平衡电流。零序电流整定值只要躲过系统正常运行时由三相负荷不平衡引起的零序电流即可，同时考虑零序电流互感器的线性范围与测量误差，启动电流应至少达到零序互感器满量程的0.5％，整定值可确定为3.2A。变电站确定故障线路后，如果过渡电阻较小，则接地保护有选择性地切除故障，由于线路出口断路器动作时限整定为3s，则保护最长动作时间为3s。考虑断路器跳闸时间，若3.1s内接地保护动作，系统恢复运行；若接地保护不动作，启动故障线路的高灵敏度接地保护，动作时限按级差整定，进而有选择性地切除故障。

本发明实施例整定方法原则简单，对各种运行方式下的小电阻接地系统配电网均提出了详细方法；保证了保护有较好的可靠性，可以实现小电阻接地系统出口断路器、分支线路、配电变压器等各级之间的配合，避免发生接地故障时保护越级动作；对于高阻接地故障，过渡电阻高达1500Ω时保护依然能够有选择性地可靠动作。

现以典型电网模型为例说明：

利用Matlab-Simulink软件工具建立10kV电缆开环运行网络和架空线辐射状网络模型，如图2和图4所示。

仿真中分别设置架空线路f1(主干线路上距离出口2.6km)、f2(分支B4上距离分支点0.3km)、f3(配变T6一次侧)发生单相接地故障，过渡电阻分别为10Ω、200Ω和1500Ω；仿真中分别设置电缆环网f1(L1线路距出口0.8km)、f2(距2#环网柜出线口0.2km)和f3(配电变压器T2一次侧)发生单相接地故障，过渡电阻分别为10Ω、200Ω和1500Ω。故障后检测各保护安装处零序电流并提取各出线零序电流行波信号并对其进行小波变换，得到行波及其小波变换波形如图5所示。系统保护配置和整定值分别如表1和表2所示。零序电流及保护动作情况如表3和表4所示。

表1架空辐射网接地保护配置与整定

表2电缆环网接地保护配置与整定

表3保护安装处零序电流有效值及动作情况(架空辐射网)

注：_↑-接地保护启动；_↓-接地保护返回；_×-接地保护不启动；_H-高灵敏度接地

表4保护安装处零序电流有效值及动作情况(电缆环网)

因为高阻故障时零序电流受线路结构与长度影响较小，零序电流与动作情况与架空网所示基本相同，表中不再列写。

从表3和表4中可以看出低阻接地时保护有选择性地可靠动作。由表3中数据可看出在过渡电阻为200Ω时出口保护不动作。虽然各级线路耐受过渡电阻能力也不同，中间断路器及分支、配电变压器保护耐过渡电阻能力逐渐增强，但仍无法在过渡电阻高达1000Ω以上时可靠动作。当接地保护灵敏度不足接地保护不动作时，变电站各出线已检测到电流行波信号并进行小波变换，通过行波幅值和极性的差异选出故障线路，3.1s后将启动高灵敏性接地保护。过渡电阻为200Ω和1500Ω时各出线的电流行波α模量及其小波变换极性关系如图5，仍然很明显，行波选线方法仍可正确选择故障线路，继而各级高灵敏度接地保护正确动作。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。