CN201234133Y - 中性点非有效接地电网消除单相接地故障保护系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型针对中性点非有效接地系统单相接地故障判断存在的误区，公开了一种中性点非有效接地电网消除单相接地故障保护系统，它采用钳制故障相电压的限压、旁路保护法和采用电感电流补偿接地电容电流的电流补偿保护法相结合，达到既能不受接地电流的影响，可靠消除弧光接地等故障，又能减小接地故障电流，不必精确追踪和调节补偿电流值的理想效果。本实用新型具有实用性强、测控简单、保护可靠的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种中性点非有效接地电网对单相接地故障的全面判别、消除故障的综合保护方法及其综合保护系统，具体地说是一种中性点非有效接地电网消除单相接地故障保护系统。
背景技术
在电力系统中，单相接地是电网运行的主要故障形式，约占全电网总故障的60％以上，而且相当一部分相间短路故障是由单相接地故障发展而来。电力系统的安全可靠程度，在其他条件相同的情况下，只取决于电力系统中性点的工作方式。研究电力系统中性点的接地方式，主要是正确认识和处理这个最多见的单相接地故障问题。
单相接地故障的类型可以分为：弧光接地、高阻接地和金属接地。据电力系统的统计，绝大部分的单相接地故障是弧光接地和高阻接地。单相弧光接地的危害最大，高阻接地最为常见，如架空线路中的树枝的挂碰、断线、电缆线路中的电缆绝缘受潮、老化等等，都呈现出高阻接地的特征，而弧光接地故障也大都从高阻接地故障发展而来。
高阻接地的接地电阻变化范围大、不稳定，故障状态最为复杂，当接地电阻大到一定程度后，故障特征不同于常见的特征，并且故障信息很微弱，以至成为保护和选线中的一个难题。所以，高阻接地故障发生时由于保护误动或拒动而引起的事故时有报道：如输电线路断线掉在水泥地面保护拒动引起人身伤亡，断线掉在山林地区保护拒动而引起火灾、电缆放炮等等。大多数的保护产品对高阻接地保护都存在误判、误动或拒动，其原因除了故障信息微弱外，更主要的是存在认识上的误区。由于通常对不接地系统发生单相接地时的电压分析都是按典型的金属接地来分析，此时接地相电压为零，非接相电压升为线电压，中性点偏移到接地点，零序电压等于方向相反的故障前的相电压。以至产生一种普遍认同的结论：接地相是三相电压中幅值最低的一相，绝大多数以电压为判据的接地故障保护产品也都是按此结论判别接地相。实际上这只在接地电阻小于某临界值的范围内是正确的，当接地电阻大于这个临界值时，此结论就是错误的。换言之，在高阻接地的范围中，当接地电阻大到一定程度，接地相不是电压幅值最低相。固守前述结论，必然造成高阻接地故障中保护的误判、误动。此外，以电流为判据的接地故障保护产品，由于高阻接地时零序电流很小，而拒动；选线产品也因此而无法选线。
消弧线圈是最常见的一种消除单相接地故障的保护设备，它连接于电网中性点和地之间，当单相接地故障发生时，它产生感性电流抵消故障的容性电流，使故障电流减小到规定的范围以内，以消除弧光接地或抑制其它接地故障。这就要求必须准确地测量系统的电容电流，精确地调节消弧线圈的电感量与需要抵消的电容电流相匹配，否则便达不到保护的目的。
由于变电站的容量有分步到位的过程和继续扩大的趋势，这就使得消弧线圈的容量经常处于非小即大的尴尬境地：小了，则工作在欠补偿状态，系统切除线路时容易产生谐振；大了，容易造成设备闲置损坏和浪费。即使消弧线圈的最大容量符合当前系统的需要，由于系统的电容电流的大小随系统运行方式的改变而改变，使得消弧线圈测控装置非常复杂，操作困难，对电容电流变化的计算及测量准确度不够，在实际运行中很难运行在最佳挡位，特别是为了避免补偿而引发谐振，往往使补偿后弧道的残流仍然较大，过零后复燃的可能性仍然存在，最终导致消弧失败。而且消弧线圈补偿的仅仅是工频电容电流，而实际通过接地点的电流不仅有工频电容电流，而且还包含有大量的高频电流和阻性电流，严重时仅高频电流和阻性电流便可以维持电弧的持续燃烧，特别是电缆电路的高频震荡电流幅值较大，衰减慢，以至在工频电流过零时高频电流仍有较大幅值，不能做到完全熄弧。
此外，消弧线圈会造成中性点位移电压异常升高，不能降低电弧接地过电压的最大值等等，诸如此类的弊端，以至消弧线圈在许多地方投运率不高，造成极大浪费，运行事故也时有报道。并且，消弧线圈成套装置组件多、成本高，占地大，运行维护复杂、适应性差，随着当前电力的发展，电网的增容，许多消弧线圈面临着淘汰。
发明内容
针对现有的对单相接地故障判别存在误区，易造成对高阻接地故障的误判或漏判而无法提供有效的保护问题，实用新型一种中性点非有效接地电网消除单相接地故障保护系统。
本实用新型的技术方案是：
一种中性点非有效接地电网消除单相接地故障保护系统，其特征是：主要由微机测控装置、电抗器L、电抗器Ln、电压互感器TV、电流互感器(CT1，CT2)、四只单极高压开关(Ko，Ka，Kb，Kc)组成。电源中性点与单极高压开关(Ko)上触头连接，单极高压开关(Ko)的下触头与电抗器Ln的一端连接，电抗器Ln的另一端穿过电流互感器CT2的一次绕组后接地；电源三相母线分别与单极高压开关(Ka，Kb，Kc)的各自常开主触点的上触头对应相连，它们的下触头相互连接在一起后与电抗器L的一端相连，电抗器L的另一端穿过电流互感器CT1的一次绕组后接地，四个单极高压开关(Ko，Ka，Kb，Kc)受微机测控装置的开关输出端的控制，电压互感器TV二次绕组的端点分别与微机测控装置的对应电压输入端相连，电流互感器CT1，CT2的二次端以及系统馈线零序电流互感器的二次端(I01，……，I0n)分别与微机测控装置的对应的电流输入端相连。其中的微机测控装置可采用常规微机加软件来实现。
本实用新型的有益效果：
本实用新型揭示了中性点不接地系统单相接地故障的规律，找出了高阻接地故障的各种特征和判别及保护保护方法，无论接地电阻和故障特征如何变化，都能准确判别故障和故障相，实施有效的保护。
本实用新型实现了对中性点不接地系统单相接地故障实施全范围的有效的保护，尤其是能够分辨难以察觉高阻接地故障的微弱信号，将故障消灭在萌芽状态中。
本实用新型将限压、旁路的保护方法与电流补偿的保护方法结合在一起，二者各自的优点被充分发挥，二者各自的缺点被相互弥补，实用性强，测控简单可靠，实现了一种消除单相接地故障理想的途径。
附图说明
图1是本实用新型的判别和保护方法流程图。
图2是本实用新型的保护系统的电结构原理图。
图3是本实用新型的微机测控系统的原理框图。
图中：Ko、Ka、Kb、Kc为高压真空开关，TV为电压互感器，CT1、CT2为电流互感器，Ln为消弧线圈，L为电抗器，XHXC为消弧线圈，SXDY为三相电源，MX为母线，WCZZ为微机测控装置，XHZZ为消弧装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本本实用新型作进一步的说明。
一、单相接地故障相判别方法
一种中性点非有效接地电网的单相接地故障相的判别方法，参考图1：当单相接地故障发生，以零序电压大于1/2正常相电压为故障特征区1，在该区域内判三相电压的最低相为故障相；以零序电压等于1/2正常相电压为故障特征区2，在该区域内判滞后零序电压90°的相电压为故障相；以零序电压小于1/2正常相电压为故障特征区3，在该区域内判三相电压的次低相为故障相。
二、消除单相接地故障的综合保护方法
一种中性点非有效接地电网消除单相接地故障的保护方法，参考图1、图2，其特征是：在电网上分别设置微机测控装置以及用于消除故障的电抗器L及消弧电抗器Ln等组成保护系统，由微机测控装置检测电网的三相电压、零序电压出和故障时的零序电流值，按如下步骤进行故障消除：
微机测控装置检测到有单相接地故障，首先判断故障相，若零序电压满足故障特征区1的条件，判电压最低相为故障相；若零序电压满足故障特征区2的条件，判滞后零序电压90°的电压相为故障相；若零序电压满足故障特征区3的条件，判电压次低相为故障相；若接地零序电流值小于20A，保护仅由投—退电抗器L完成，过程如下：1)微机测控装置驱动故障相高压开关闭合，将该相通过电抗器L接地，以钳制故障相电压，转移故障电流，使故障点绝缘恢复，消除接地故障，然后驱动该高压开关延时分断，退出电抗器L，若系统电压恢复正常，则保护完成；2)若故障仍存在，则重复以上过程，第二次在故障相投-退电抗器L；3)若仍有故障，则判为永久接地故障，第三次持续在故障相投电抗器L，直至故障线路切除，再使电抗器L退出。
微机测控装置检测到有单相接地故障，首先判断故障相，若零序电压满足故障特征区1的条件，判电压最低相为故障相；若零序电压满足故障特征区2的条件，判滞后零序电压90°的电压相为故障相；若零序电压满足故障特征区3的条件，判电压次低相为故障相；若接地零序电流值大于20A，保护由投—退电抗器L和投—退电抗器Ln共同完成，过程如下：1)微机测控装置先在故障相投电抗器L，接着驱动高压开关Ko闭合，将电源中性点通过电抗器Ln接地，Ln产生的电感电流补偿接地故障的电容电流，使其小于20A，由于L对故障相的限压、旁路作用，保证了不受接地电流大小的影响，可靠消除弧光接地等单相接地故障，从而，不必精确追求电流补偿度，使对电流的测控变得简单易行，L和Ln二者结合，实现保护的理想效果；然后，故障相的高压开关延时分断，退电抗器L；此时，若系统电压恢复正常，则分断高压开关Ko，退出电抗器Ln，完成保护；2)若故障仍存在，保持电抗器Ln在电源中性点投入，第二次在故障相投-退电抗器L，3)若仍有故障，则判为永久接地故障，同样保持电抗器Ln在电源中性点投入，第三次在故障相投电抗器L并持续，直至故障线路切除，再使电抗器L和线圈Ln退出、复位。
三、消除单相接地故障的综合保护系统
一种中性点非有效接地电网消除单相接地故障的综合保护系统，参考图2、图3，它主要由微机测控装置、电抗器L、电抗器Ln、电压互感器TV、电流互感器(CT1，CT2)、四只单极高压开关(Ko，Ka，Kb，Kc)、和组成。电源中性点与单极高压开关(Ko)上触头连接，单极高压开关(Ko)的下触头与电抗器Ln的一端连接，电抗器Ln的另一端穿过电流互感器CT2的一次绕组后接地；电源三相母线分别与单极高压开关(Ka，Kb，Kc)的各自常开主触点的上触头对应相连，它们的下触头相互连接在一起后与电抗器L的一端相连，电抗器L的另一端穿过电流互感器CT1的一次绕组后接地，四个单极高压开关(Ko，Ka，Kb，Kc)受微机测控装置的开关输出端的控制，电压互感器TV二次绕组的端点分别与微机测控装置的对应电压输入端相连，电流互感器CT1，CT2的二次端以及系统馈线零序电流互感器的二次端(I01，……，I0n)分别与微机测控装置的对应的电流输入端相连。
其中的微机测控装置可采用常规微机加软件加以实现，其硬件组成如图3所示。
所述的高压开关为单极高压真空开关或高压电力电子开关。
例1.
在6kV中性点非有效接地电网系统发生单相接地时，测得零序电压为2kV，而该系统正常相电压为3.6kV，由权利要求1所述的判别方法可看出，该单相接地故障满足特征区1的条件，因此，可判此时三相电压中最低的一相为故障相，立即在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器L接地，或其它方式接地)，若故障电流小于20A，则不投入电抗器Ln，只由投-退电抗器L完成保护；若其大于20A，则将电抗器Ln根据CT2测量电流值调节到适当的位置，驱动高压开关Ko闭合，将电源中性点通过电抗器Ln接地，由Ln产生的电感电流补偿接地故障电流小于20A；对于瞬时性故障，上述保护延时数秒后，退出电抗器L，然后根据系统电压判断故障是否消除，若消除则退出Ln；否则，保持电抗器Ln在中性点投入，再次使故障相通过电抗器L接地，第二次经过数秒延时，再退出电抗器L；若仍有故障，则判为永久接地故障，仍保持电抗器Ln在中性点投入，再次持续在故障相投电抗器L，直至根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路，复归电抗器L和电抗器Ln。
例2.
在6kV中性点非有效接地电网系统发生单相接地时，测得零序电压为1.8kV，而该系统正常相电压为3.6kV，由权利要求1所述的判别方法可看出，该单相接地故障满足特征区2的条件，因此，可判此时滞后零序电压90°的那相电压为故障相，立即在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器L接地，或其它方式接地)，若故障电流小于20A，则不投入电抗器Ln，只由投-退电抗器L完成保护；若其大于20A，则将电抗器Ln根据CT2测量电流值调节到适当的位置，驱动高压开关Ko闭合，将电源中性点通过电抗器Ln接地，由Ln产生的电感电流补偿接地故障电流小于20A；对于瞬时性故障，上述保护延时数秒后，退出电抗器L，然后根据系统电压判断故障是否消除，若消除则退出Ln；否则，保持电抗器Ln在中性点投入，再次使故障相通过电抗器L接地，第二次经过数秒延时，再退出电抗器L；若仍有故障，则判为永久接地故障，仍保持电抗器Ln在中性点投入，再次持续在故障相投电抗器L，直至根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路，复归电抗器L和电抗器Ln。
例3.
在6kV中性点非有效接地电网系统发生单相接地时，测得零序电压为1.2kV，而该系统正常相电压为3.6kV，由权利要求1所述的判别方法可看出，该单相接地故障满足特征区3的条件，因此，可判此时三相电压中次低的一相为故障相，立即在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器L接地，或其它方式接地)，若故障电流小于20A，则不投入电抗器Ln，只由投-退电抗器L完成保护；若其大于20A，则将电抗器Ln根据CT2测量电流值调节到适当的位置，驱动高压开关Ko闭合，将电源中性点通过电抗器Ln接地，由Ln产生的电感电流补偿接地故障电流小于20A；对于瞬时性故障，上述保护延时数秒后，退出电抗器L，然后根据系统电压判断故障是否消除，若消除则退出Ln；否则，保持电抗器Ln在中性点投入，再次使故障相通过电抗器L接地，第二次经过数秒延时，再退出电抗器L；若仍有故障，则判为永久接地故障，仍保持电抗器Ln在中性点投入，再次持续在故障相投电抗器L，直至根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路，复归电抗器L和电抗器Ln。
例4.
在10kV中性点非有效接地电网系统发生单相接地时，测得零序电压为4kV，而该系统正常相电压为6kV，由权利要求1所述的判别方法可看出，该单相接地故障满足特征区1的条件，因此，可判此时三相电压中最低的一相为故障相，立即在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器L接地，或其它方式接地)，若故障电流小于20A，则不投入电抗器Ln，只由投-退电抗器L完成保护；若其大于20A，则将电抗器Ln根据CT2测量电流值调节到适当的位置，驱动高压开关Ko闭合，将电源中性点通过电抗器Ln接地，由Ln产生的电感电流补偿接地故障电流小于20A；对于瞬时性故障，上述保护延时数秒后，退出电抗器L，然后根据系统电压判断故障是否消除，若消除则退出Ln；否则，保持电抗器Ln在中性点投入，再次使故障相通过电抗器L接地，第二次经过数秒延时，再退出电抗器L；若仍有故障，则判为永久接地故障，仍保持电抗器Ln在中性点投入，再次持续在故障相投电抗器L，直至根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路，复归电抗器L和电抗器Ln。
例5.
在10kV中性点非有效接地电网系统发生单相接地时，测得零序电压为3kV，而该系统正常相电压为6kV，由权利要求1所述的判别方法可看出，该单相接地故障满足特征区2的条件，因此，可判此时滞后零序电压90°的那相电压为故障相，立即在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器L接地，或其它方式接地)，若故障电流小于20A，则不投入电抗器Ln，只由投-退电抗器L完成保护；若其大于20A，则将电抗器Ln根据CT2测量电流值调节到适当的位置，驱动高压开关Ko闭合，将电源中性点通过电抗器Ln接地，由Ln产生的电感电流补偿接地故障电流小于20A；对于瞬时性故障，上述保护延时数秒后，退出电抗器L，然后根据系统电压判断故障是否消除，若消除则退出Ln；否则，保持电抗器Ln在中性点投入，再次使故障相通过电抗器L接地，第二次经过数秒延时，再退出电抗器L；若仍有故障，则判为永久接地故障，仍保持电抗器Ln在中性点投入，再次持续在故障相投电抗器L，直至根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路，复归电抗器L和电抗器Ln。
例6.
在10kV中性点非有效接地电网系统发生单相接地时，测得零序电压为2kV，而该系统正常相电压为6kV，由权利要求1所述的判别方法可看出，该单相接地故障满足特征区3的条件，因此，可判此时三相电压中次低的一相为故障相，立即在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器L接地，或其它方式接地)，若故障电流小于20A，则不投入电抗器Ln，只由投-退电抗器L完成保护；若其大于20A，则将电抗器Ln根据CT2测量电流值调节到适当的位置，驱动高压开关Ko闭合，将电源中性点通过电抗器Ln接地，由Ln产生的电感电流补偿接地故障电流小于20A；对于瞬时性故障，上述保护延时数秒后，退出电抗器L，然后根据系统电压判断故障是否消除，若消除则退出Ln；否则，保持电抗器Ln在中性点投入，再次使故障相通过电抗器L接地，第二次经过数秒延时，再退出电抗器L；若仍有故障，则判为永久接地故障，仍保持电抗器Ln在中性点投入，再次持续在故障相投电抗器L，直至根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路，复归电抗器L和电抗器Ln。
例7.
在35kV中性点非有效接地电网系统发生单相接地时，测得零序电压为12kV，而该系统正常相电压为21kV，由权利要求1所述的判别方法可看出，该单相接地故障满足特征区1的条件，因此，可判此时三相电压中最低的一相为故障相，立即在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器L接地，或其它方式接地)，若故障电流小于20A，则不投入电抗器Ln，只由投-退电抗器L完成保护；若其大于20A，则将电抗器Ln根据CT2测量电流值调节到适当的位置，驱动高压开关Ko闭合，将电源中性点通过电抗器Ln接地，由Ln产生的电感电流补偿接地故障电流小于20A；对于瞬时性故障，上述保护延时数秒后，退出电抗器L，然后根据系统电压判断故障是否消除，若消除则退出Ln；否则，保持电抗器Ln在中性点投入，再次使故障相通过电抗器L接地，第二次经过数秒延时，再退出电抗器L；若仍有故障，则判为永久接地故障，仍保持电抗器Ln在中性点投入，再次持续在故障相投电抗器L，直至根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路，复归电抗器L和电抗器Ln。
例8.
在35kV中性点非有效接地电网系统发生单相接地时，测得零序电压为10.5kV，而该系统正常相电压为21kV，由权利要求1所述的判别方法可看出，该单相接地故障满足特征区2的条件，因此，可判此时滞后零序电压90°的那相电压为故障相，立即在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器L接地，或其它方式接地)，若故障电流小于20A，则不投入电抗器Ln，只由投-退电抗器L完成保护；若其大于20A，则将电抗器Ln根据CT2测量电流值调节到适当的位置，驱动高压开关Ko闭合，将电源中性点通过电抗器Ln接地，由Ln产生的电感电流补偿接地故障电流小于20A；对于瞬时性故障，上述保护延时数秒后，退出电抗器L，然后根据系统电压判断故障是否消除，若消除则退出Ln；否则，保持电抗器Ln在中性点投入，再次使故障相通过电抗器L接地，第二次经过数秒延时，再退出电抗器L；若仍有故障，则判为永久接地故障，仍保持电抗器Ln在中性点投入，再次持续在故障相投电抗器L，直至根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路，复归电抗器L和电抗器Ln。
例9.
在35kV中性点非有效接地电网系统发生单相接地时，测得零序电压为9kV，而该系统正常相电压为21kV，由权利要求1所述的判别方法可看出，该单相接地故障满足特征区3的条件，因此，可判此时三相电压中次低的一相为故障相，立即在该相母线上投入接地保护(接地保护可以是通过电抗器L接地，或其它方式接地)，若故障电流小于20A，则不投入电抗器Ln，只由投-退电抗器L完成保护；若其大于20A，则将电抗器Ln根据CT2测量电流值调节到适当的位置，驱动高压开关Ko闭合，将电源中性点通过电抗器Ln接地，由Ln产生的电感电流补偿接地故障电流小于20A；对于瞬时性故障，上述保护延时数秒后，退出电抗器L，然后根据系统电压判断故障是否消除，若消除则退出Ln；否则，保持电抗器Ln在中性点投入，再次使故障相通过电抗器L接地，第二次经过数秒延时，再退出电抗器L；若仍有故障，则判为永久接地故障，仍保持电抗器Ln在中性点投入，再次持续在故障相投电抗器L，直至根据事先的选择，或由人工跳闸切断故障线路，或由装置跳闸箱动作切断故障线路，复归电抗器L和电抗器Ln。
本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (1)
1、一种中性点非有效接地电网消除单相接地故障保护系统，其特征是：主要由微机测控装置、电抗器(L)、电抗器(Ln)、电压互感器(TV)、电流互感器(CT1，CT2)、四只单极高压开关(Ko，Ka，Kb，Kc)组成，电源中性点与单极高压开关(Ko)上触头连接，单极高压开关(Ko)的下触头与电抗器(Ln)的一端连接，电抗器(Ln)的另一端穿过电流互感器(CT2)的一次绕组后接地；电源三相母线分别与单极高压开关(Ka，Kb，Kc)的各自常开主触点的上触头对应相连，它们的下触头相互连接在一起后与电抗器L的一端相连，电抗器(L)的另一端穿过电流互感器(CT1)的一次绕组后接地，四个单极高压开关(Ko，Ka，Kb，Kc)受微机测控装置的开关输出端的控制，电压互感器(TV)二次绕组的端点分别与微机测控装置的对应电压输入端相连，电流互感器(CT1，CT2)的二次端以及系统馈线零序电流互感器的二次端(I01，……，I0n)分别与微机测控装置的对应的电流输入端相连，其中的微机测控装置可采用常规微机加软件来实现。
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