一种基于伏安特性动态轨迹的弧光接地故障检测方法与流程

本发明属于电力系统配电线路继电保护技术领域，特别涉及一种基于伏安特性动态轨迹的弧光接地故障检测方法。

背景技术：

配电网利用配电设备将来自输电网、发电厂的电能就地分配或按电压等级逐级分配给各类用户，其安全、稳定运行是对用户可靠供电的重要保证。配电网结构复杂，中性点接地方式多变，故障概率较高，其中单相接地故障所占的比重最大，约占故障总数的80％左右。

按照中性点接地方式的不同可以将配电网分为：中性点有效接地系统和中性点非有效接地系统。以中性点经小电阻接地为主的中性点有效接地系统属于大电流接地系统，发生单相接地故障时，故障电流的幅值相对较大，检测相对容易。而以中性点经消弧线圈接地配电系统为主的中性点非有效接地配电网属于典型的小电流接地系统，发生单相接地故障时无明显的工频故障电流回路，稳态故障电流幅值较小；由于消弧线圈补偿作用，故障工频电流将失去显著的方向特征，检测的难度大。此外，发生单相接地故障时，线路与大地间的电压差往往会导致空气间隙或固体介质绝缘的击穿，导致接地电弧的产生。

对于中性点经消弧线圈接地配电系统，随着现有的基于行波、暂态量的故障检测技术的大量使用，故障检测的正动率已经有了一定的提高，特别是对金属性或经较低过渡电阻的故障时，正动率已经达到了90％以上，但遗憾的是，近年来，由单相接地故障导致的人身触电伤亡、诱发山火等恶性事故仍频繁发生，其主要原因是：此类故障发生时，线路经树枝、沙地、草皮等非线性导电介质接地，大部分情况下还伴随着非线性电弧的产生，现有的故障检测方法在应对此类非线性弧光接地故障时暴露出明显的缺陷，如：未考虑非线性电弧的影响，不能有效地应对弧光接地故障的微弱电气量，灵敏性差等，导致故障长时间存在而不能被及时地发现，发展为更为严重的两相短路、甚至三相短路故障，甚至引发火灾、损坏电力设备、造成人员触电伤亡等。

现阶段，大多数故障检测方法对弧光接地故障检测的关注程度不够，明确地可以用于弧光接地故障检测的方法也是寥寥无几。现有的故障检测方法多从选线的角度出发，按照不同的类似分为：稳态分析法、暂态分析法、行波法以及人工智能法四大类。

稳态分析法大多仅适用于金属性接地故障，应对弧光接地故障的检测效果往往较差，其根源在于：中性点经消弧线圈接地配电系统发生弧光接地故障时，工频电流、有功分量、单一的谐波分量等稳态电气量的含量较低，检测的难度较大，容易造成基于上述电气量的方向、幅值等的误判，可靠性较差。大多数的暂态分析法在过渡电阻不大时故障特征明显，具有相对可靠的检测效果，但在应对弧光接地故障时，因接地电弧的非线性、较高的接地电阻，导致检测算法的可靠性较差。行波法最大的优点是不受中性点运行方式的影响，能够摆脱消弧线圈的干扰，但该方法的灵敏启动易受过渡电阻的制约。在实际的中性点经消弧线圈接地配电系统中，弧光接地故障检测的故障样本数据极少、选样标准不一致、物理意义不清晰是人工智能法致命的缺点。

现阶段从选线角度开展的故障检测方法并未从根本解决弧光接地故障检测的检测问题，因为现有的弧光接地故障检测方法多以零序电压、零序电流或初始行波波头的幅值越限作为检测算法启动的标志，实际上很难对其设置准确的整定值，可靠性、灵敏性无法兼顾。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于伏安特性动态轨迹的弧光接地故障检测方法，以零模电压、零模电流的瞬时反极性特征和1/4周波内具有顺时针特性的伏安特性动态轨迹作为弧光接地故障检测的依据，具有较高的可靠性和灵敏性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为

一种基于伏安特性动态轨迹的弧光接地故障检测方法，包括以下步骤：

步骤(1)、对配电系统馈线出口处的零模电流i0(t)和零模电压u0(t)进行持续采样，当在某一时刻ts零模电压与零模电流的瞬时极性相反，即i0(ts)×u0(ts)<0，检测程序启动，判断：疑似发生弧光接地故障，并进入步骤(2)；

步骤(2)、以一定的采样率f，f取5khz—20khz，提取线路出口的1/4周波长度为n的零序电压、零序电流序列，分别记为f0(i)、f1(i)，i＝1,2,……n，并利用切比雪夫数字滤波器对f0(i)、f1(i)进行带通滤波，通带截止频率的上下限设置为140hz和1000hz，阻带截止频率的上下限设置为100hz和1050hz，获得两个电气量1/4周波的离散值序列，并分别记作f0(j)、f1(j)，j＝1,2,……n；

步骤(3)、对f0(j)、f1(j)两个序列的数据分别以各自的最大值为基准进行标幺，获得1/4周波含n点的离散值序列i0(m)、u0(m)，m＝1,2,……n：

步骤(4)、将i0(m)、u0(m)组合形成伏安特性曲线的坐标点序列p＝[p1(x1,y1),p2(x2,y2),p3(x3,y3),…pn(xn,yn)]，并利用式(2)分别计算所有的连续两个向量间与间的旋转角度θ＝[θ1,θ2,…θn-1]；

θ＝atan2[(xm-1ym-xmym-1)/(xm-1xm+ym-1ym)](2)

步骤(5)、每次满足θ前×θ后≤0，则计数1次，总计数用m表示，若总计数m大于整定值p，则判断为噪声或其他外部干扰，重新进入步骤(1)，若总计数m≤p，则进入步骤(6)，整定值p取1/4n；

步骤(6)、利用公式(3)计算所有夹角的总和∑θ，如果∑θ≥0，则具有逆时针的伏安特性动态轨迹，重新进入步骤(1)；如果∑θ<0，则具有顺时针的伏安特性动态轨迹，判断为：发生了弧光接地故障；

∑θ＝θ1+θ2+…+θn-1(3)。

本发明的优点：本发明提出的检测算法，以零模电压、零模电流的瞬时反极性特征作为弧光接地故障检测算法的启动判据，保证了算法的高灵敏性；以1/4周波内具有顺时针特性的伏安特性动态轨迹作可以实现弧光接地故障的可靠判别，保证了算法的高可靠性，检测算法不受过渡电阻、故障初始相角、噪声等外部干扰的影响，可以及时有效地识别出故障，减少故障危害，对快速地恢复电力系统的稳定运行具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明实施例的中性点经消弧线圈接地配电系统弧光接地故障检测的流程图。

图2是本发明采用的10kv配电线路模型示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种基于伏安特性动态轨迹的中性点经消弧线圈接地配电系统弧光接地故障检测方法，详细说明如下：

本发明实施例是采用的10kv配电线路模型，如图2所示，系统中包含f1-f4共4条馈线：1条分支线路、1条纯电缆线路、1条缆线混合线路、1条纯架空线路；设置在0.165s在馈线f3距离母线10km处发生弧光接地故障，将故障点处的过渡电阻看作是电弧电阻rarc和固定电阻rcon(200欧姆)的串联，电弧电阻由非线性对数电弧模型确定，设置消弧线圈补偿度为8％，仿真模型的采样频率f＝10khz。

按照图1所示的检测算法流程图：

步骤(1)、对馈线出口处的零模电压、零模电流进行实时监测；在0.165s时，零模电压瞬时值(-82.18v)与零模电流瞬时值(3.88a)的乘积小于0，判断：疑似发生弧光接地故障，检测算法启动；

步骤(2)、提取1/4周波的零模电流和零模电压，分别记为f0(i)、f1(i)：

利用切比雪夫数字滤波器对f0(i)、f1(i)进行带通滤波，通带截止频率的上下限设置为140hz和1000hz，阻带截止频率的上下限设置为100hz和1050hz，获得两个电气量1/4周波的含n点的离散值序列，并分别记作f0(j)、f1(j)，j＝1,2,……n；

步骤(3)、对f0(j)、f1(j)两个序列的数据分别以各自的最大值进行标幺；获得1/4周波含有n点离散值的序列i0(m)、u0(m)：

步骤(4)、将i0(m)、u0(m)组合形成伏安特性曲线的坐标点序列p＝[p1(x1,y1),p2(x2,y2),p3(x3,y3),…pm(xm,ym)]，并利用式(2)分别计算所有的连续两个向量间与间的旋转角度θ＝[θ1,θ2,…θm-1]：

步骤(5)、满足θ前×θ后≤0的总次数m＝0小于整定值p，建议整定值p取1/4n；

步骤(6)、利用公式(3)计算得到的所有夹角总和∑θ＝-404.16°<0，表明具有顺时针特性的伏安特性动态轨迹，判断：该馈线发生了弧光接地故障。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。