一种应用于TN-C-S系统的接地故障检测及故障线路定位方法与流程

本发明涉及电气工程故障保护，具体涉及一种应用于tn-c-s系统的接地故障检测及故障线路定位方法。

背景技术：

1、目前，tn-c-s系统是我国城镇系统中的主要接线方式，图2为tn-c-s系统接线的基本原理及故障示意图。如图2所示，tn-c-s系统分为网侧tn-c部分的线路和用户侧tn-s线路。其中，tn-c部分线路的中性线和地线共用（即pen线），pen线到tn-s部分则变为pe和n线两条。tn-c-s系统的接地点包括：（1）经接地电阻rg1（4欧姆）的电源侧（配电变压器低压侧）接地点；（2）经接地电阻rg3（4~10欧姆）的用户侧接地点；（3）经接地电阻rg2（4~10欧姆）的一个或多个线路侧接地点，工作接地点ps。

2、接地故障是低压配电系统中的常见故障，其包含相线接地线（设备外壳即图其中的蓝色虚线框）、相线接大地场景。其中，相线接地线主要发生于tn-s部分，相线接大地则主要发生于tn-c线路。图2中，当用户侧设备中发生相线碰外壳接地漏电时，故障相电流显著增大，由此可触发过流保护，此类接地故障的保护手段比较成熟。当电网侧相线发生接大地故障时（线路绝缘破损经接触物对大地漏电、人身触电，接大地故障即图2中的m），此时过流保护无法感知故障，其剩余电流理论上会增大，因此理论上应使用剩余电流保护技术对此进行保护（如利用图2中的剩余电流互感器ts从剩余电流中提取故障信息），但对tn-c-s系统而言，传统剩余电流保护依然无法适用，其原因是低压系统负荷以单相负荷为主，实际低压三相负荷功率一般不平衡，因此n线存在流回电源中性点的不平衡电流，该不平衡电流的大部分会经n（pen）线返回，少部分经接地电阻rg3、rg2 返回中性点，因此，即使tn-c线路实际无接大地故障发生，线路中依然存在一定数值大小的剩余电流，其大小最多可达数安培。以位于变压器出口处的总保为例，相关国家标准规定剩余电流的最大动作整定电流是500ma，因此tn-c-s系统的总保是无法投运的；即使使用较高的整定值确保总保投运，则又面临检测灵敏度过低的不足。

3、低压台区一般采用三级网络结构如图3所示。实际中，由于负荷投切会导致单条线路中的分监测点乃至首级监测点的剩余电流发生变化，因此常规基于单点信息的检测方法无法识别线路接地故障，更无法对故障线路进行定位。

技术实现思路

1、为了解决目前低压tn-c-s配电系统中的接地故障检测及故障线路定位问题。本发明提供一种应用于tn-c-s系统的接地故障检测及故障线路定位方法。

2、本发明技术方案提供一种应用于tn-c-s系统的接地故障检测及故障线路定位方法，包括如下步骤：

3、将功率平衡调节装置接入三相的tn-c部分线路；

4、在线路上游设置监测点，通过设置的功率平衡调节装置进行三相功率平衡的控制；

5、利用线路上游的监测点实现线路的接地故障检测；

6、利用单个或多个监测点实现具体接地故障线路的选择定位。

7、作为本发明技术方案的进一步限定，功率平衡调节装置通过对三相电压、电流进行同步采集，实时计算出各相功率及功率因数；根据各相的实际功率及功率因数，对每相分别投入可变的功率电阻和电感，实现对三相功率平衡的控制。

8、作为本发明技术方案的进一步限定，功率平衡调节装置包括采集模块、计算控制模块和可变功率模块；采集模块通过计算控制模块与可变功率模块连接；

9、采集模块用于对三相电压、电流进行同步采集；

10、计算控制模块实时计算出各相功率及功率因数；根据各相的实际功率及功率因数输出调节控制信息给可变功率模块；

11、可变功率模块通过计算控制模块的调节控制信息对每相分别投入可变的功率电阻和电感。

12、作为本发明技术方案的进一步限定，功率平衡调节装置进行三相功率平衡控制的控制策略包括：

13、根据各相的功率和功率因数，计算各相当前的等效负荷电阻和电感；

14、选取三相中的最小等效负荷电阻、最小等效负荷电感为调节控制目标；

15、分别计算功率平衡调节装置中对各相的施加负荷参数；

16、根据计算出的各相的施加负荷参数，功率平衡调节装置分别控制其可变功率模块构成预定功率电阻和电感。

17、作为本发明技术方案的进一步限定，选取三相中的最小等效负荷电阻、最小等效负荷电感为调节控制目标的步骤包括：

18、最小等效负荷电阻 rd=min(，，)；

19、最小等效负荷电感 ld=min(，，)；

20、其中，、，、和、分别为a、b、c各相的等效负荷电阻和电感。

21、作为本发明技术方案的进一步限定，分别计算功率平衡调节装置中对各相的施加负荷参数的步骤包括：

22、功率平衡调节装置的施加负荷与各相已有等效负荷为并联关系，根据，计算出a相的施加负荷参数、；根据，计算出b相的施加负荷参数、；根据，计算出c相的施加负荷参数、。

23、作为本发明技术方案的进一步限定，通过设置的功率平衡调节装置进行三相功率平衡的控制的过程中还包括：

24、监测点同时监测剩余电流和中性线电流；

25、当监测到中性线电流为零或小于设定阈值时即认为功率平衡调节装置完成三相功率平衡调节。

26、作为本发明技术方案的进一步限定，利用线路上游的监测点实现线路的接地故障检测的步骤包括：

27、对线路上游的监测点，当监测到中性线电流为零或小于设定阈值时，剩余电流 ir为由线路电容参数不平衡导致的剩余电流 ic和线路故障接地产生的故障剩余电流 if；

28、对单条出线构建故障剩余电流存在的检测判据：

29、

30、式中，为避开线路电容电流的判据设定阈值。

31、作为本发明技术方案的进一步限定，利用单个或多个监测点实现具体接地故障线路的选择定位的步骤包括：

32、当线路i-1发生接地故障时，若在分监测点i处设置监测点，同时通过对线路i接入平衡调节装置，则可确认故障在分监测点i所辖的线路内，也即故障线路为线路i、线路i-1或线路i-2的某一条；

33、若在分监测点i-1和分监测点i-2处分别设置监测点，同时分别对线路i-1和线路i-2接入功率平衡调节装置，则可完成故障线路区段的具体定位。

34、作为本发明技术方案的进一步限定，若在分监测点i-1和分监测点i-2处分别设置监测点，同时分别对线路i-1和线路i-2接入功率平衡调节装置，则可完成故障线路区段的具体定位的步骤具体包括：

35、若在分监测点i-1和分监测点i-2处分别设置监测点，同时分别对线路i-1和线路i-2接入功率平衡调节装置；

36、若分监测点i-1检测到故障，则判定故障线路为线路i-1；

37、若分监测点i-2检测到故障，则判定故障线路为线路i-2；

38、若分监测点i-2和分监测点i-2均未检测到故障，则判定故障线路为线路i。

39、从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：通过在下游线路施加功率平衡调节装置控制该条线路达到三相功率平衡，进而达到主动消除中性线不平衡电流产生的固有剩余电流目的，由此依托单监测点信息以对其下游线路进行接地故障检测及故障线路定位选择。本方法使用单监测点信息进行故障检测，因此成本较低；同时，本方法通过消除中性线电流以消除固有剩余电流的影响，因此不受负荷类型、中性线阻抗与大地阻抗的影响，其适用场景远高于现有的方法。

技术特征：

1.一种应用于tn-c-s系统的接地故障检测及故障线路定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的应用于tn-c-s系统的接地故障检测及故障线路定位方法，其特征在于，功率平衡调节装置通过对三相电压、电流进行同步采集，实时计算出各相功率及功率因数；根据各相的实际功率及功率因数，对每相分别投入可变的功率电阻和电感，实现对三相功率平衡的控制。

3.根据权利要求2所述的应用于tn-c-s系统的接地故障检测及故障线路定位方法，其特征在于，功率平衡调节装置包括采集模块、计算控制模块和可变功率模块；采集模块通过计算控制模块与可变功率模块连接；

4.根据权利要求3所述的应用于tn-c-s系统的接地故障检测及故障线路定位方法，其特征在于，功率平衡调节装置进行三相功率平衡控制的控制策略包括：

5.根据权利要求4所述的应用于tn-c-s系统的接地故障检测及故障线路定位方法，其特征在于，选取三相中的最小等效负荷电阻、最小等效负荷电感为调节控制目标的步骤包括：

6.根据权利要求5所述的应用于tn-c-s系统的接地故障检测及故障线路定位方法，其特征在于，分别计算功率平衡调节装置中对各相的施加负荷参数的步骤包括：

7.根据权利要求6所述的应用于tn-c-s系统的接地故障检测及故障线路定位方法，其特征在于，通过设置的功率平衡调节装置进行三相功率平衡的控制的过程中还包括：

8.根据权利要求7所述的应用于tn-c-s系统的接地故障检测及故障线路定位方法，其特征在于，利用线路上游的监测点实现线路的接地故障检测的步骤包括：

9.根据权利要求8所述的应用于tn-c-s系统的接地故障检测及故障线路定位方法，其特征在于，利用单个或多个监测点实现具体接地故障线路的选择定位的步骤包括：

10.根据权利要求9所述的应用于tn-c-s系统的接地故障检测及故障线路定位方法，其特征在于，若在分监测点i-1和分监测点i-2处分别设置监测点，同时分别对线路i-1和线路i-2接入功率平衡调节装置，则可完成故障线路区段的具体定位的步骤具体包括：

技术总结
本发明属于电气工程故障保护领域，具体提供一种应用于TN‑C‑S系统的接地故障检测及故障线路定位方法，包括如下步骤：将功率平衡调节装置接入三相的TN‑C部分线路；在线路上游设置监测点，通过设置的功率平衡调节装置进行三相功率平衡的控制；利用线路上游的监测点实现线路的接地故障检测；利用单个或多个监测点实现具体接地故障线路的选择定位。通过接入功率平衡调节装置消除中性线不平衡电流对故障检测的影响，因此该方法不受负荷侧工作接地点数量、中性线接地工作点数量的影响；消除中性线电流后进行检测，检测灵敏度仅受线路不平衡电容电流的影响，由于低压配电线路较短，不平衡电容电流很小，因此该方法具有很高的检测灵敏度。

技术研发人员：刘祥波,高芳,王森,杨小婷,胡明,张善武,梁伟,张文轩,张雨宁,王家武,刘长锋,丁漪,马飞,于海洋,扈佃爱,刘玲,孔德群,钟燕,訾富胜,杨兴仲,李琦
受保护的技术使用者：国网山东省电力公司日照供电公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5