阅读说明：本技术 基于相电流畸变的中性点不接地系统单相接地故障选线法 (Phase current distortion-based single-phase earth fault line selection method for neutral point ungrounded system ) 是由 陈有根 尹俊波 李志勇 普世平 黄挚雄 危韧勇 于 2019-09-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于相电流畸变的中性点不接地系统单相接地故障选线法,其特征在于,包括以下步骤：1.对所述系统单相接地故障前后分别提取各相电压,骤降相判定为故障相；2.提取各线路故障相故障前后的电流有效值<Image he="108" wi="381" file="DDA0002198996730000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>3.计算各线路故障相的电流畸变率ε<Sub>i1</Sub>、ε<Sub>i2</Sub>…ε<Sub>in</Sub>；4.选择故障相电流畸变率ε<Sub>ii</Sub>>0的线路i为故障线路,其余故障相电流畸变率ε<Sub>in(n≠i)</Sub><0的线路为正常线路。该方法同其它中性点不接地系统单相接地故障选线方法相比,成本较低、算法简洁、实现简单；仿真试验表明,选线结果不受接地电阻大小、故障点距母线位置、线路长度及数目等因素影响。所述方法有助于快速排故,提高配电网的供电可靠性。(The invention discloses a phase current distortion-based single-phase earth fault line selection method for a neutral point ungrounded system, which is characterized by comprising the following steps of: 1. extracting each phase voltage before and after the single-phase earth fault of the system respectively, and judging the suddenly-reduced phase as a fault phase; 2. extracting effective current values before and after each line fault phase fault 3. Calculating the current distortion rate epsilon of each line fault phase i1 、ε i2 …ε in (ii) a 4. Selecting a fault phase current distortion rate ε ii >Line i of 0 is a fault line, and the phase current distortion rate epsilon of the rest faults in(n≠i) <The line of 0 is a normal line. Compared with other single-phase earth fault line selection methods of a system with no grounding of a neutral point, the method has the advantages of low cost, simple algorithm and simple realization; the simulation test shows that the material is,The line selection result is not influenced by the factors such as the size of grounding resistance, the distance between a fault point and a bus, the length and the number of lines and the like. The method is beneficial to fast troubleshooting and improves the power supply reliability of the power distribution network.)

基于相电流畸变的中性点不接地系统单相接地故障选线法

技术领域

本发明涉及配电网接地故障选线技术领域，特别是涉及一种基于相电流畸变的中性点不接地系统单相接地故障选线方法。

背景技术

运行经验表明，配电系统中单相接地故障占各类接地故障的80％以上。中性点不接地系统因发生单相接地故障时故障电流小、线电压对称、负荷可继续运行1～2h等特点而广泛应用于国内外中低压配电网。但由于故障相对地电压为0(金属性接地)，健全相对地电压升高至原来倍，若不在短时间内选线排故，则可能导致相间击穿进而引发更严重的三相短路故障。特别地，冶金、化学等以电缆方式供电的企业对单相接地排故时间长，常导致设备绝缘老化，甚至电缆“放炮”等现象。

现有选线技术中，依据其检测信号的不同可分为两类：

(1)以“S”注入法为代表的信号注入选线，该方法即利用信号电流注入装置接于电压互感器的二次侧，当单相接地时，装置向故障相感应出信号电流(通过接地点流出)，再利用检测器检测信号电流即可实现选线，但对于间歇性电弧接地或瞬时接地故障，此类选线方法准确性不高；

(2)基于故障暂、稳态特征的选线，其中以零序电流比幅比相法最为典型，该方法利用SFB频带中故障线路零序电流幅值最大，极性与健全线路零序电流相反的特点来选线，实际应用中，SFB频带的定义要视具体系统、线路而定，且对于高阻接地故障，线路零序电流含量可能低至无法检测，进而导致选线失败。

近年来，由于小波分析在时频域具有良好的局部化、多分辨率特性，特别是对突变量的敏感，使得其在配电网单相接地故障中的应用成为热门研究，此类选线方法多注重于信号的处理，缺少对系统故障本质的特征分析，算法复杂，实际工程应用不多。

发明内容

为了克服现有配电网单相接地故障选线技术的不足，简化选线算法，提高准确选线效率及配电网供电可靠性，本发明提出一种基于相电流畸变的中性点不接地系统单相接地故障选线方法。

本发明通过以下技术方案实现：

基于相电流畸变的中性点不接地系统单相接地故障选线法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：对所述系统单相接地故障前后分别提取各相电压，骤降相判定为故障相；

步骤2：提取各线路故障相故障前后的电流有效值

步骤3：计算各线路故障相的电流畸变率ε_i1、ε_i2…ε_in；

步骤4：选择故障相电流畸变率ε_ii>0的线路i为故障线路，其余故障相电流畸变率ε_in(n≠i)<0的线路为正常线路。

步骤3所述的故障相电流畸变率ε_in为

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.选线算法简洁。针对中性点不接地系统单相接地故障，在判定电压骤降相为故障相后，只需提取各线路故障相在故障前后的电流有效值进行简单运算即可正确选线。

2.相比以“S”注入法为代表的信号注入选线方法，所述方法与电压、电流监测装置配合使用即可，无需额外的信号注入装置及检测装置，成本较低；且对于间歇性接地故障，线路故障后相电流有效值亦会增大，相电流畸变率ε_i亦为正，不影响所述方法选线的准确性。

3.相比典型的零序比幅比相法，针对高阻接地导致零序电流含量过低而无法检测的问题，所述方法使用的是相电流有效值，不影响电流监测装置对其的正确提取计算。

4.由于所述选线方法基于各自线路的稳态故障特征(相电流有效值)，故只要互感器采集量为稳态量，暂态特征(故障初相角、暂态高频、衰减因子等)、系统线路的数量、长度等因素对该选线方法的准确性无影响。

5.所述方法的选线结果不受接地阻值的大小影响。

附图说明

图1为典型配电网中性点不接地系统单相接地故障简化模型。

图2为基于Karrenbauer相模变换及边界条件的复合序网。

图3为中性点不接地系统单相接地故障暂态等值电路。

图4为故障选线流程图。

图5为10Ω单相接地故障下的各线路故障相电流。

图6为不同接地电阻情况下的故障线路故障相电流。

图7为不同接地电阻情况下的健全线路(Line1)故障相电流

具体实施方式

一、现结合理论实施例、附图对本发明作进一步说明：

以国内典型的中性点不接地系统为例，其单相接地故障简化模型如图1所示，假定三相系统电压、线路参数对称，并忽略导线间分布电容。系统共n条架空出线，其中为第n条导线及末端负荷的等效阻抗，其值由线路长度l、变压器、负荷决定：

其中，为第n条导线的等效集中阻抗(l＜100km)；分别为第n条导线归算至高压侧的变压器漏阻抗、负荷阻抗。

当line₂的f点处发生单相接地故障时，联立边界条件及Karrenbauer相模变换,可得：

其中U_0、1、2，I_0、1、2分别为0、1、2模网络的电压、电流，R_f为接地电阻。

根据式(3)可得如图2所示的等效复合网络模型，针对故障电流I_fa的求解，该模型和图1所示系统严格等效，其中虚拟电源为

U_f'＝U₀'+U₁'+U₂'＝U_A (4)

式中，U₀'，U₁'，U₂'分别为0、1、2模网络中的电源。

为了便于模型推导，该等效复合网络模型可简化为如图3所示的二阶等效电路，其精度能满足各种工程计算及仿真验证，其中L、R、C分别为简化合并后的等效值：

式中R₀、L₀、C₀、C'₀分别为0模阻抗网络中Π型等效模型的电阻、电感及两侧电容；R₁、L₁分别为1模(或2模)阻抗网络中的等效电阻、电感。

建立上述模型的二阶微分方程：

结合系统故障初始条件(设故障时电容C两端电压为U₀)，解得故障电流为

式中：

上述故障电流数学模型表明，当系统在line₂的f点发生单相接地故障进入稳态后(I_fa指数部分衰减为0)，无论是过阻尼还是欠阻尼情况下，I_fa皆为正弦量，即

为了便于分析，设故障电流其中I_fav为I_fa的稳态有效值，为故障初相角；设A相电源电压为其中

对于图1所示系统中健全线路line_n(n≠2)，故障前、后A相电流分别为

式中为故障点对地电压。

则健全线路line_n(n≠2)的A相电流畸变率为

式中

对于故障线路line₂，其故障前、后A相电流分别为

则故障线路line₂的A相电流畸变率为

式中Z_φ为虚拟电源U_f'两端的等效阻抗，Z_eq为系统故障前任意母线上的等效阻抗Z_eq1//Z_eq2//…//Z_eqn。

上述分析表明：中性点不接地系统发生单相接地故障时，健全线路故障相的电流畸变率ε_I(健全)＜0；故障线路故障相的电流畸变率ε_I(故障)＞0。

由式(12)、(14)可知，该相电流畸变率是由线路自身在故障前后的电流有效值导出，不受其它线路及故障暂态因素(故障初相角、衰减因子等)影响，且过渡电阻R_f越小，故障线路与健全线路的相电流畸变率差异越大，选线效果越好。但需注意的是，为减少误差，应待接地暂态过程完成再进行采集计算，工程上认为暂态过程在(3～5)τ(电路时间常数)后结束，选线步骤如图4所示。

二、仿真结果验证

设置系统f点在0.3S时通过10Ω电阻单相接地，各线路故障(A)相电流如图5所示。根据该模型各参数可算出故障暂态过程(3～5τ)近似为0.9～1.5ms，即故障后1.5ms系统进入稳态，易见只有故障线路故障相的电流(有效值)在故障后增大，其余健全线路故障相的电流(有效值)均减小，各相电流畸变率如表1所示。

表1 10Ω单相接地情况下各线路的故障相电流畸变率

仿真结果表明：

只有故障线路的故障相电流幅值在故障后增大，畸变率为正；健全线路故障相电流幅值在故障后减小，畸变率为负。

针对不同接地阻值，各故障线路及健全线路(以Line1为例)的故障相电流如图6、7所示；各线路故障相电流畸变率及选线结果如表2所示。

表2 f点不同接地阻值情况下各线路的故障相电流畸变率及选线结果

仿真结果表明：

接地电阻越小，式(10)、(12)的值越远离0，故障线路与健全线路的故障相电流畸变率差异越大，该选线方法效果越好；对于高阻接地(实际阻值一般低于2.7KΩ)，只要互感器采集精度足够高，该选线方法亦可正确选出故障线路。

针对不同接地位置的各线路故障相电流畸变率及选线结果如表4所示，其中表3中f₁～f₅分别为Line₁～Line₅上距母线2km、4km、8km、12km、19km处的接地位置。

表3不同接地位置情况下各线路的故障相电流畸变率及选线结果

仿真结果表明：

对于不同接地位置，该选线方法皆可正确选出故障线路；且接地位置离母线越近，故障线路故障相电流的畸变率越大，该选线方法效果越好。

由于所述选线方法基于各自线路的稳态故障特征(相电流有效值)，故只要互感器采集量为稳态量，暂态特征(故障初相角、暂态高频、衰减因子等)、系统线路的数量、长度等因素对该选线方法的准确性无影响。