本發(fā)明屬于電氣工程自動(dòng)化領(lǐng)域，具體涉及一種配電網(wǎng)單相接地故障相的辨識(shí)方法。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，電能已經(jīng)成為了人們生產(chǎn)和生活中必不可少的二次能源。因此，電能供應(yīng)的穩(wěn)定和持續(xù)成為了電網(wǎng)運(yùn)行的首要目標(biāo)之一。

同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)電網(wǎng)也已經(jīng)進(jìn)入了大互聯(lián)時(shí)代，各類型區(qū)域電網(wǎng)已經(jīng)互聯(lián)成為了全國(guó)性質(zhì)的大電網(wǎng)。但是，電網(wǎng)運(yùn)行在運(yùn)行中不可能完全無(wú)故障運(yùn)行，因此對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行中故障的快速辨識(shí)、定位和處理就成為了保障電網(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)行的最重要手段之一。

單相接地故障是電網(wǎng)系統(tǒng)最常見(jiàn)的故障之一：由于障礙物、配電線路絕緣子擊穿、單相斷線或者小動(dòng)物危害等諸多因素，電網(wǎng)時(shí)常出現(xiàn)單相接地故障。單相接地故障不僅影響了用戶的正常供電，而且可能產(chǎn)生過(guò)電壓，燒壞設(shè)備，甚至引起相間短路而擴(kuò)大事故。因此，對(duì)于單相接地故障的故障相的快速辨識(shí)尤為重要。

在小電流接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，可帶故障繼續(xù)運(yùn)行1～2小時(shí)。為了提高單相接地故障運(yùn)行的安全性，需對(duì)單相接地故障相進(jìn)行有效辨識(shí)，以便后續(xù)故障處理。但是，傳統(tǒng)的單相接地故障辨識(shí)方法多建立在參數(shù)嚴(yán)格對(duì)稱的基礎(chǔ)上，而系統(tǒng)參數(shù)不對(duì)稱在電網(wǎng)中是普遍存在的，尤其是在采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，將明顯放大中性點(diǎn)不平衡電壓。因此傳統(tǒng)辨識(shí)方法不能適用于不對(duì)稱較大的電網(wǎng)。在不平衡電壓影響下故障零序電壓的變化較為復(fù)雜，加上現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況的變化，難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱系統(tǒng)故障相辨識(shí)尤其是高阻接地故障相辨識(shí)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠有效實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)單相接地故障相辨識(shí)、尤其能解決不對(duì)稱系統(tǒng)高阻接地故障相辨識(shí)的配電網(wǎng)單相接地故障相的辨識(shí)方法。

本發(fā)明提供的這種配電網(wǎng)單相接地故障相的辨識(shí)方法，包括如下步驟：

s1.系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)；

s2.根據(jù)步驟s1得到的運(yùn)行參數(shù)，在同坐標(biāo)系下預(yù)先計(jì)算a、b和c三相發(fā)生單相接地故障時(shí)零序電壓隨過(guò)渡電阻變化的軌跡曲線；

s3.當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，檢測(cè)故障零序電壓矢量，并在步驟s2所述的同坐標(biāo)系中繪制所述故障零序電壓矢量；并根據(jù)故障零序電壓矢量的終點(diǎn)的位置與步驟s2的得到的a、b和c三相發(fā)生單相接地故障時(shí)零序電壓隨過(guò)渡電阻變化的軌跡曲線的相對(duì)位置，判斷單相接地故障的故障相。

步驟s1所述的系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)包括系統(tǒng)的不平衡電壓、阻尼率、脫諧度、系統(tǒng)三相對(duì)地電壓以及三相電源電壓。

步驟s2所述的在同坐標(biāo)系下預(yù)先計(jì)算a、b和c三相發(fā)生單相接地故障時(shí)零序電壓隨過(guò)渡電阻變化的軌跡曲線，具體為采用如下步驟計(jì)算軌跡曲線：

a.正常運(yùn)行時(shí)，采用下式計(jì)算得到系統(tǒng)的不平衡電壓矢量ubd：

式中ya、yb和yc分別為a、b和c相對(duì)地的導(dǎo)納，yn＝j(luò)ωl+g∑為中性點(diǎn)對(duì)地導(dǎo)納，y∑＝y(tǒng)a+yb+yc＝j(luò)ωc∑+g∑為系統(tǒng)對(duì)地的總導(dǎo)納；

b.發(fā)生單相接地故障時(shí)，采用下式計(jì)算得到系統(tǒng)的零序電壓矢量u0f：

式中g(shù)f為過(guò)渡電導(dǎo)矢量，ei為故障相電源電壓矢量，i為系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的相序代號(hào)；

c.將步驟a和步驟b得到的公式進(jìn)行變換得到如下公式：

式中v為消弧線圈的脫諧度，ui為故障前故障相電壓矢量，其與電源電壓之間的夾角為βi，d＝(gn+g∑)/ωc∑為系統(tǒng)阻尼率，df＝gf/ωc∑為過(guò)渡電阻引起的附加阻尼率；故障前系統(tǒng)不平衡電壓ubd為任意方向，其相位角為α，α∈[-180°，180°]；

d.當(dāng)df在0～∞之間變化時(shí)，以ei相位為參考，設(shè)u0f的坐標(biāo)為(u0fx，u0fy)，則根據(jù)步驟c的公式可以得到：

e.由步驟d所得公式消去中間變量df得到u0f的軌跡方程。

步驟c中所述的脫諧度，具體為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和高阻接地系統(tǒng)的脫諧度為1，消弧線圈接地系統(tǒng)脫諧度大于負(fù)1小于1。

步驟s3所述的根據(jù)故障零序電壓矢量的終點(diǎn)的位置與步驟s2的得到的a、b和c三相發(fā)生單相接地故障時(shí)零序電壓隨過(guò)渡電阻變化的軌跡曲線的相對(duì)位置判斷單相接地故障的故障相，具體為當(dāng)故障零序電壓矢量的終點(diǎn)落在a、b和c三相發(fā)生單相接地故障時(shí)零序電壓隨過(guò)渡電阻變化的軌跡曲線中的任意一根曲線上時(shí)，則該曲線對(duì)應(yīng)的相為單相接地故障的故障相。

步驟s3所述的在步驟s2所述的同坐標(biāo)系中繪制所述故障零序電壓矢量，并根據(jù)故障零序電壓矢量的終點(diǎn)的位置與步驟s2的得到的a、b和c三相發(fā)生單相接地故障時(shí)零序電壓隨過(guò)渡電阻變化的軌跡曲線的相對(duì)位置判斷單相接地故障的故障相，具體為采用如下步驟進(jìn)行判斷：

a.當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，檢測(cè)故障零序電壓，并以步驟s2中坐標(biāo)系的原點(diǎn)為圓心，以故障零序電壓值為半徑作圓，并求取所作圓與步驟s2得到的零序電壓軌跡曲線的交點(diǎn)坐標(biāo)；

b.在坐標(biāo)系中標(biāo)出故障零序電壓的坐標(biāo)，計(jì)算故障零序電壓坐標(biāo)與步驟s3中的所有交點(diǎn)坐標(biāo)之間的距離，則距離最短的交點(diǎn)坐標(biāo)的所在軌跡對(duì)應(yīng)的相即為單相接地的故障相。

本發(fā)明提供的這種配電網(wǎng)單相接地故障相的辨識(shí)方法，通過(guò)跟蹤測(cè)量系統(tǒng)不平衡電壓、阻尼率以及脫諧度、三相對(duì)地電壓ua、ub、uc以及三相電源電壓ea、eb和ec，預(yù)先在同一個(gè)坐標(biāo)系下計(jì)算出故障前a、b、c三相接地故障時(shí)的精確零序電壓軌跡，在故障發(fā)生時(shí)，以故障電壓為半徑、以原點(diǎn)為圓心作圓c，求得圓c與零序電壓軌跡的交點(diǎn)坐標(biāo)，由所得交點(diǎn)坐標(biāo)到u0f坐標(biāo)u(u0fx，u0fy)距離最小的點(diǎn)所在軌跡表征故障相。該發(fā)明方法能在故障發(fā)生前準(zhǔn)確計(jì)算故障零序電壓軌跡，可有效實(shí)現(xiàn)單相接地故障相辨識(shí)，適用于中性點(diǎn)經(jīng)各種接地方式下的小電流接地系統(tǒng)，尤其能夠有效解決不對(duì)稱系統(tǒng)高阻接地故障辨識(shí)難題，克服了傳統(tǒng)選相方法的局限性，具有良好的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明方法中同一坐標(biāo)系下欠補(bǔ)償狀態(tài)下各相發(fā)生接地故障時(shí)零序電壓軌跡圖。

圖3為本發(fā)明方法中同一坐標(biāo)系下全補(bǔ)償狀態(tài)下各相發(fā)生接地故障時(shí)零序電壓軌跡圖。

圖4為本發(fā)明方法在欠補(bǔ)償狀態(tài)下a相接地故障時(shí)的電壓軌跡圖。

圖5為本發(fā)明方法在欠補(bǔ)償狀態(tài)下a相接地故障時(shí)的電壓軌跡局部放大圖。

圖6為本發(fā)明方法在全補(bǔ)償狀態(tài)下a相接地故障時(shí)的電壓軌跡圖。

圖7為本發(fā)明方法在全補(bǔ)償狀態(tài)下a相接地故障時(shí)的電壓軌跡局部放大圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示為本發(fā)明方法的流程圖：本發(fā)明提供的這種配電網(wǎng)單相接地故障相的辨識(shí)方法，包括如下步驟：

s1.系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，實(shí)施跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，具體包括系統(tǒng)的不平衡電壓矢量ubd、阻尼率d、脫諧度v、系統(tǒng)三相對(duì)地電壓矢量ua、ub、uc以及三相電源電壓矢量ea、eb、ec；

s2.根據(jù)步驟s1得到的運(yùn)行參數(shù)，在同坐標(biāo)系下預(yù)先計(jì)算a、b和c三相發(fā)生單相接地故障時(shí)零序電壓隨過(guò)渡電阻變化的軌跡曲線，具體為采用如下步驟計(jì)算軌跡曲線：

a.正常運(yùn)行時(shí)，采用下式計(jì)算得到系統(tǒng)的不平衡電壓矢量ubd：

式中ya、yb和yc分別為a、b和c相對(duì)地的導(dǎo)納，yn＝j(luò)ωl+g∑為中性點(diǎn)對(duì)地導(dǎo)納，y∑＝y(tǒng)a+yb+yc＝j(luò)ωc∑+g∑為系統(tǒng)對(duì)地的總導(dǎo)納；

b.發(fā)生單相接地故障時(shí)，采用下式計(jì)算得到系統(tǒng)的零序電壓u0f：

式中g(shù)f為過(guò)渡電導(dǎo)矢量，ei為故障相電源電壓，i為系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的相序代號(hào)；

c.將步驟a和步驟b得到的公式進(jìn)行變換得到如下公式：

式中v為消弧線圈的脫諧度，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和高阻接地系統(tǒng)的脫諧度為1，消弧線圈接地系統(tǒng)的脫諧度大于負(fù)1且小于1；ui為故障前故障相電壓，其與電源電壓之間的夾角為βi，d＝(gn+g∑)/ωc∑為系統(tǒng)阻尼率，df＝gf/ωc∑為過(guò)渡電阻引起的附加阻尼率；故障前系統(tǒng)不平衡電壓ubd為任意方向，其相位角為α，α∈[-180°，180°]；

d.當(dāng)df在0～∞之間變化時(shí)，以ei相位為參考，設(shè)u0f的坐標(biāo)為(u0fx，u0fy)，設(shè)故障前ubd處于任意方向，相位角為α∈[-180°，180°]，幅值為ubd，則根據(jù)步驟c的公式可以得到：

當(dāng)df→∞時(shí)，u0fx＝ubdcosα，u0fy＝ubdsinα，此時(shí)u0f處于ubd處。當(dāng)df→0時(shí)，u0fx＝-ei，u0fy＝0，此時(shí)u0f處于-ei處；

非全補(bǔ)償狀態(tài)下，v≠0，由步驟d的公式解得u0f(u0fx，u0fy)隨過(guò)渡電阻變化的軌跡方程為一段圓弧，其表達(dá)式為

在過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)下，上述公式中的γ取負(fù)值，在欠補(bǔ)償狀態(tài)下γ取正值；

在全補(bǔ)償狀態(tài)下，v＝0，解得單相接地故障時(shí)，u0f(u0fx，u0fy)隨過(guò)渡電阻變化的軌跡為一直線段，其表達(dá)式為

u0f的軌跡是處于(-ei，0)、(ubdcosα，ubdsinα)兩點(diǎn)之間的直線段；

具體則分為如下幾種情況：

1)a相發(fā)生接地故障

在非全補(bǔ)償狀態(tài)下，以a相電源電壓矢量ea相位為參考，ubd相位為α，解得u0f(u0fx，u0fy)隨過(guò)渡電阻變化的軌跡方程為一段圓弧，圓弧可用的圓心oa(oax，oay)、半徑rua及對(duì)應(yīng)圓心角γa表示，其表達(dá)式為：

在過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)下，上述公式中的γa取負(fù)值，在欠補(bǔ)償狀態(tài)下γa取正值；

在全補(bǔ)償狀態(tài)下，解得a相發(fā)生單相接地故障時(shí)，u0f(u0fx，u0fy)隨過(guò)渡電阻變化的軌跡為一直線段，其表達(dá)式為

u0f的軌跡是處于(-ea，0)、(ubdcosα，ubdsinα)兩點(diǎn)之間的直線段；

以欠補(bǔ)償電網(wǎng)為例，u0f的軌跡如圖2中ca所示；全補(bǔ)償狀態(tài)下，u0f的軌跡如圖3中l(wèi)a所示。

2)b相發(fā)生接地故障

非全補(bǔ)償狀態(tài)下，以b相電源電壓矢量eb相位為參考，ubd相位為120°+α，解得u0f(u0fx，u0fy)隨過(guò)渡電阻變化的軌跡方程為一段圓弧，圓弧可用的圓心ob(obx，oby)、半徑rub及對(duì)應(yīng)圓心角γb表示，其表達(dá)式為：

在過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)下，上述公式中的γb取負(fù)值，在欠補(bǔ)償狀態(tài)下γb取正值；

將上述公式計(jì)算所得圓弧逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°，得b相接地故障換算至與a相同坐標(biāo)系內(nèi)的u0f軌跡方程：

式中a＝e-^120°，γ′b＝γb+2π/3，ubdx＝ubdcos(α+2π/3)，ubdy＝ubdsin(α+2π/3)；

在全補(bǔ)償狀態(tài)下，解得b相發(fā)生單相接地故障時(shí)，u0f(u0fx，u0fy)隨過(guò)渡電阻變化的軌跡為一直線段，并將該直線段換算至以a相電源電壓相位為參考軸的坐標(biāo)系內(nèi)，其表達(dá)式為

式中，ubdy＝ubdsinα，ubdx＝ubdcosα；

以欠補(bǔ)償電網(wǎng)為例，u0f的軌跡如圖2中cb所示；全補(bǔ)償狀態(tài)下，u0f的軌跡如圖3中l(wèi)b所示。

3)c相發(fā)生接地故障

非全補(bǔ)償狀態(tài)下，以c相的電源電壓矢量eb相位為參考，ubd的相位則為α-120°，解得u0f(u0fx，u0fy)隨過(guò)渡電阻變化的軌跡方程為一段圓弧，圓弧可用的圓心oc(ocx，ocy)、半徑ruc及對(duì)應(yīng)圓心角γc表示，其表達(dá)式為：

在過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)下，上述公式中的γc取負(fù)值，在欠補(bǔ)償狀態(tài)下γc取正值；

將上述公式計(jì)算所得圓弧順時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°，得c相接地故障換算至與a相同坐標(biāo)系內(nèi)的u0f軌跡方程：

式中a＝e-^120°，γ′c＝γc-2π/3，ubdx＝ubdcos(α-2π/3)，ubdy＝ubdsin(α-2π/3)；

在全補(bǔ)償狀態(tài)下，解得c相發(fā)生單相接地故障時(shí)，u0f(u0fx，u0fy)隨過(guò)渡電阻變化的軌跡為一直線段，并將該直線段換算至以a相電源電壓相位為參考軸的坐標(biāo)系內(nèi)，其表達(dá)式為

式中，ubdy＝ubdsinα，ubdx＝ubdcosα；

以欠補(bǔ)償電網(wǎng)為例，u0f的軌跡如圖2中cc所示；全補(bǔ)償狀態(tài)下，u0f的軌跡如圖3中l(wèi)c所示；

s3.當(dāng)發(fā)生單相接地故障后，檢測(cè)故障零序電壓矢量；在具體應(yīng)用時(shí)，可能出現(xiàn)如下兩種情況：

一.理論上，故障零序電壓矢量的終點(diǎn)將會(huì)落在步驟s2得到的a、b和c三相發(fā)生單相接地故障時(shí)零序電壓隨過(guò)渡電阻變化的軌跡曲線中的任意一根曲線上；此時(shí)，當(dāng)故障零序電壓矢量的終點(diǎn)落在a、b和c三相發(fā)生單相接地故障時(shí)零序電壓隨過(guò)渡電阻變化的軌跡曲線中的任意一根曲線上時(shí)，則該曲線對(duì)應(yīng)的相為單相接地故障的故障相。

二.在實(shí)際應(yīng)用中，由于采樣系統(tǒng)誤差等干擾因素的存在，故障零序電壓矢量的終點(diǎn)并不會(huì)落在步驟s2得到的a、b和c三相發(fā)生單相接地故障時(shí)零序電壓隨過(guò)渡電阻變化的軌跡曲線中的任意一根曲線上，此時(shí)則可以采用如下的步驟進(jìn)行判斷：

a.以步驟s2中坐標(biāo)系的原點(diǎn)為圓心，以故障零序電壓值為半徑作圓，并求取所作圓與步驟s2得到的零序電壓軌跡曲線的交點(diǎn)坐標(biāo)；

b.在坐標(biāo)系中標(biāo)出故障零序電壓的坐標(biāo)，計(jì)算故障零序電壓坐標(biāo)與步驟s3中的所有交點(diǎn)坐標(biāo)之間的距離，則距離最短的交點(diǎn)坐標(biāo)的所在軌跡對(duì)應(yīng)的相即為單相接地的故障相。

具體的，假設(shè)a相發(fā)生單相接地故障，判斷發(fā)生單相接地故障后，檢測(cè)故障零序電壓矢量u0f；以o為圓心，u0f為半徑作圓c。

在非全補(bǔ)償狀態(tài)下，當(dāng)u0f≥ubd時(shí)，圓c與圓ca、cb、cc分別相交于m、n、p點(diǎn)，如圖4所示。分別計(jì)算m、n、p點(diǎn)到u點(diǎn)的距離mu、nu、pu；理論上mu的長(zhǎng)度為零，考慮實(shí)際測(cè)量誤差，分別比較mu、nu、pu的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度最短者mu所在圓弧軌跡ca表征故障相；

在非全補(bǔ)償狀態(tài)下，當(dāng)u0f＜ubd時(shí)，將u0f＜ubd部分進(jìn)行放大，如圖5所示。圓c與圓弧ca、cb、cc的交點(diǎn)可能有兩個(gè)，可能有一個(gè)交點(diǎn)，可能無(wú)交點(diǎn)，若無(wú)交點(diǎn)可排除該相發(fā)生接地故障。圖中ca、cc分別與圓c有兩個(gè)交點(diǎn)a、b，d、e，cb與圓c無(wú)交點(diǎn)。比較所有交點(diǎn)a、b，d、e到u(u0fx，u0fy)的距離ua、ub、ud、ue的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度最短者ua所在圓弧ca即表征故障相

在全補(bǔ)償狀態(tài)下，當(dāng)u0f≥ubd時(shí)，圓c將與圓ca、cb、cc分別相交于e、f、g點(diǎn)，如圖6所示。分別計(jì)算e、f、g點(diǎn)到u點(diǎn)的距離eu、fu、gu，取eu、fu、gu中長(zhǎng)度最小者eu所在軌跡la為故障相。

在全補(bǔ)償狀態(tài)下，當(dāng)u0f＜ubd時(shí)，圓c與圓弧la、lb、lc的交點(diǎn)可能有兩個(gè)，可能有一個(gè)交點(diǎn)，可能無(wú)交點(diǎn)，若無(wú)交點(diǎn)可排除該相發(fā)生接地故障。圖中圓c僅與圓la交于c、f點(diǎn)，則可判定a相發(fā)生接地故障。