《配电网故障分析》word版.docx

摘 要配电网是我国电力系统重要组成部分，它的安全稳定运行对整个电力系统的安全稳定起着重要的作用。在我国，电力系统中性点的接地方式对于电网的运行至关重要。目前主要的接地方式有中性点不接地、中性点直接接地、中性点经电阻接地、中性点经消弧线圈接地。我国中、低压配电网中性点大多数采用小电流接地方式,即中性点不接地、经高电阻接地或者经消弧线圈接地。由于城市电力系统的不断发展，电力电缆被广泛的使用，所分布电容也随着增大，从而导致了接地的电容电流大大的超过了运行规程规定，因此为了能瞬时自行熄灭接地电弧，采用了中性点经消弧线圈接地的运行方式，就是我们所常说的谐振接地。当在中性点不接地系统中，发生单相接地故障后，由于故障电流的比较小，系统还能正常运行一段时间，不会对用户供电造成影响。尽管如此，但假如长时间运行，要是则会引起其它更严重的系统故障，破坏整个系统安全运行。所以，要及时找到故障的线路并且切除故障。单相接地故障时，由于故障电流小，尤其在中性点的经消弧线圈接地运行方式中，因为电感电流的补偿作用，使故障电流就更小了，这会给准确的故障选线带来了困难。目前在我国内已经提出了好多选线方法，不过每种方法都有其适用范围。本课题先简单讲解了各种选线方法所存在的问题和基本原理，接着介绍配电网的中性点的各种主要的接地方式和短路故障类型，主要分析了中性点的不接地系统及中性点的经消弧线圈接地系统在单相接地故障发生时的电气特征量，作为本课题的选线判据理论基础。广域测量技术是近年来电力系统前沿技术中最活跃的领域之一。该技术是基于同步相量测量技术,在现代高速的通信网络的支持下,对地域广阔的电力系统运行状态进行监测和分析,为电力系统实时控制和运行服务的系统。广域测量系统对电力系统控制、保护、规划、分析等领域也有着深远的影响。从保护角度出发，还与放射性配电网的自身结构特征结合，来提出了一种基于广域信息的配电网接地故障选线。这种方法是从电力系统的最基本网络方程来出发，利用放射性配电网特征结构信息的矩阵和广域信息完成了对故障线路的判断。跟以往的方法比较，这方法不是利用故障的电流，而是利用通过广域信息来完成故障判断。这方法不仅能够判断线路是否发生对称故障，还能判断线路是否发生也不对称故障，比如：单相短路的接地故障。这方法有明确的物理概念还能判断出本线路末端的故障以及下一条线路出口处的故障。文中利用 了33 节点的系统来验证了方法的有效性。 在配电网中,单相接地故障率最高,尽快选出故障线路,对系统的正常运行具有重要意义。所以本文对单相接地故障专门提出了一种判断单相接地故障的方法，是对于暂态零模量的电流单相接地的故障判断。由于对暂态零模量的电流进行不一样的处理，而提出两种不同的故障判据：一种是对于暂态零模量的电容故障判据；另一种故障判据是对于暂态零模量电流差分比。第一种判据十根据暂态零模量的电流做进一步计算，算出暂态零模量的电容，然后再根据暂态零模量电容比，来实现故障判断；第二种判据是在判据中引入差动保护的思想，根据暂态零模量电流的差分比，来实现故障判断。文中通过MATLAB/Simulink 进行建模仿真，在各种不同的故障下对两种判据条件进行了仿真验证，仿真结果表明该方法理论上具有可行性。关键词：配电网；暂态零模量电流；接地故障；故障选线 目 录引 言11 绪论21.1 选题背景以及意义21.2 国内外研究概况21.3 各种故障选线方法简介31.3.1 不利用故障信号的特征分量进行选线31.3.2 利用故障信号的特征分量进行选线41.4 本论文的主要研究工作62 配电网接地故障理论分析72.1 中性点接地方式及短路故障的分类72.1.1 中性点接地方式介绍72.1.2 配电网短路故障的分类介绍82.2 单相接地故障稳态电气分量分析92.2.1 中性点不接地系统单相接地故障稳态分析102.2.2 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障稳态分析112.3 单相接地故障暂态电气分量分析132.3.1 补偿电流的暂态过程142.3.2 接地电流的暂态过程142.4 本章小结153 基于广域信息的配电网接地故障判断163.1 广域测量系统以及广域保护简介163.1.1 广域测量系统的介绍163.1.2 广域保护简介173.2 基于广域信息的选线方案173.2.1 方案的提出173.2.2 算法的基本原理以及推导过程183.2.3 故障线路的选线判据193.3 算例验证以及分析203.3.1 算例系统简介203.3.2 测试结果以及分析203.4 本章小结244 基于暂态零模量电流的配电网接地故障判断254.1 相模变换的简介254.2 基于零序暂态模量的故障判据264.2.1 零序暂态模量选线基本原理284.2.2 零序暂态模量选线算法仿真294.3 基于暂态零模量电流差分比的故障判据方案364.3.1 差动保护简介364.3.2 基于暂态零模量电流差分比的差动保护算法374.4 本章小结415 总结42致 谢43参考文献4460引 言随着现代工业不断发展以及人民生活水平日益提高，我们对电力的需求也越来越大，对电能可靠性的要求也越来越高。如何在配电网发生故障后，分析故障原因、判断故障线路、并快速恢复供电变得日益重要。在我国配电网中，中性点不接地系统以及中性点的经消弧线圈的接地系统被普遍采用，当发生单相接地故障的时候，系统还能带故障运行一段时间，不会对用户的供电造成影响。不过故障电流由于小，尤其是在当发生高阻接地故障的时候，故障选线就会变得更加困难，所以一直缺少完全可靠的选线方法，由于配电网发展以及配网自动化的技术兴起，这使得对接地故障线路的快速准确的判断变得越来越重要，如果不能立即排除故障，则故障可能会进一步发展，会对整个系统的安全造成威胁，为了提供新的思路解决这一问题，本文提出了基于广域信息配电网的接地故障判断以及基于暂态零模量电流配电网的接地故障判断。 1 绪论1.1 选题背景以及意义我国的电力系统主要由发电系统部分、输电系统部分和配电系统部分这三大部分组成。而在我国的电网建设，尤其是对配电网络的建设部分，重视程度还远远不够，使得配电网在规划、设计、运行方面一直以来都是处于比较薄弱环节。而作为整个电力系统终端环节的配电系统，跟用户的关系十分密切，用电负荷的可靠运行起着重要的作用，我国经济发展的快速发展，使得广大用户对电网供电的可靠性要求不断提高。使得对配电网相关的问题进行了深入全面的分析以及研究变得尤为重要。而在我国，配电网络辐射的范围很广，线路的数量也非常的庞大。所以在线路发生接地故障的时候，能有效快速检查线路、排除故障，并且很快的恢复供电，对可靠保障供电的起到了重要的作用，也能满足用户的供电需要。我国的电力系统中性点接地的主要方式有两种，分别是非有效接地的方式和有效接地的方式，非有效接地的方式主要是中性点的经高阻抗接地方式、中性点的不接地方式以及中性点的经消弧线圈接地的方式。由中性点接地的方式，电力系统分为小电流接地系统跟大电流接地系统。而在我国，110k V 以下的电压等级系统主要是采用了中性点非有效接地方式，也就是小电流接地系统；110k V 以及以上的电压等级的系统主要是采用了中性点有效接地方式，也就是大电流接地系统。在我国，配电网一般采用中性点非有效的接地方式。当线路上发生了接地故障时，特别是单相接地故障的时候，发生故障的部位流过故障的电流非常小。所以在线路发生了单相接地故障之后，由于线路的三相线电压跟之前是一样对称的。因此，一般来说能适当的运行几个小时。但是如果长期运行将不利于绝缘，对设备也有造成一定的损坏，还有可能引起接地故障的扩大，危及电力系统的安全运行。所以，要及时的找到故障线路并切除故障，是一项非常重要的任务。1.2 国内外研究概况我国对单相接地的保护方法以及故障选线装置的开发研究就从未中断过，保护方案从零序电流过流保护到无功方向保护,从基波方案发展到五次谐波方案,从步进式继电器到微机群体比幅比相以及近期出现的注入法和人工智能方法等。随着选线理论的发展,各种选线装置也相继问世。年代末,我国就利用接地故障暂态过程研制成功了选线装置。年代后期,上海继电器厂和许昌继电器厂等单位研制生产了反映中性点不接地系统零序功率方向的一型保护装置和反映经消弧线圈接地系统五次谐波零序功率方向的一,一,一型保护装置。年代中期,我国又研制成功了微机型小电流接地系统单相接地选线装置。近几年来,随着选线理论和微机技术的不断发展,又出现了一批新的选线装置,如基于“注入法”的选线装置、残流增量法微机选线装置等。在 20 世纪初期，国外就开始对小电流接地系统的选线装置进行了大量的研究。在欧洲和美国,小电流接地系统中单相接地保护被认为难于实现,且引起的过电压严重,因此他们宁愿在供电网架结构上多投资以保证供电可靠性,也不采用此种接地方式,但是近年来的专题报告中也认为应当加强小电流接地系统的保护研究。在原苏联,小电流接地系统获得了广泛应用,并对其保护原理和装置的研究给予了很大的重视,研制了几代装置,在供电和煤炭行业中得到了应用,保护原理也从过流、无功方向,发展到群体比幅装置由电磁式继电器、晶体管发展到模拟集成电路和数字电路,而微机构成的装置则较少。德国多使用中性点经消弧线圈接地系统,并于年代就提出了反映故障暂态过程的单相接地保护原理,研制了便携式接地报警装置；而挪威一公司则利用测量空间电场和磁场的相位,反应零序电压和零序电流的相位,研制了悬挂式接地指示器,分段悬挂在线路和分叉点上。上世纪年代以来,随着法国、波兰等欧洲国家逐渐将中压电网由中性点经低阻接地方式改为谐振接地方式,国外多家电力公司对小电流接地保护装置进行了深入研究和现场实验。如法国电力公司应用有功电流法开发出保护装置波兰某电力公司应用零序导纳法研制了导纳接地保护装置。这些保护装置已在国内推广应用,到年为止,己有多套投入中压电网运行。1.3 各种故障选线方法简介 在电力系统的研究领域，配电网故障选线是近几年研究的热点之一。至今已有多种故障选线原理被提出，不利用故障信号的特征分量进行选线分别有S 注入法、注入变频信号法；利用故障信号的特征分量进行选线分别有零序电流比幅法、零序电流比相法、五次谐波分量法、负序电流选线法、 最大 ( I sin ) 选线法、首半波选线法、基于小波分析选线法。1.3.1 不利用故障信号的特征分量进行选线1）S 注入法s注入法选线原理不利用单相接地故障产生的信号,而是向系统注入外部信号进行选线。作为一种最早实现的在线定位方法，其基本原理是：发生单相接地故障后，通过电压互感器向系统注入 220Hz 电流信号，使用信号探测器沿线路检测，注入信号消失点即为接地点。其优点是地面检测，无需登杆，在接地电阻较小时，有较高的精确性；的接地相电压互感器注入信号,不增加一次设备,不影响系统运行。但是注入信号法也存在着一些问题，注入信号的功率不够大,变换到高压侧的注入信号非常微弱,很难准确测量经高阻接地时,注人信号微弱而不易检测弧光接地时谐波含量丰富,注人信号极易受到干扰。2）注入变频信号法注入变频信号法根据故障后位移电压大小的不同,选择向消弧线圈电压互感器副边注入谐振频率恒流信号还是向故障相电压互感器副边注入谐振频率恒流信号,如果位移电压较低,则从消弧线圈电压互感器注入谐振频率恒流信号,如果位移电压较高,则从故障相电压互感器注入谐振频率恒流信号。监视各条出线上注入信号产生的零序电流功角、阻尼率的变换,比较各条出线阻尼率的大小,再根据线路受潮及绝缘老化等因素得出选线判据。但是当接地电阻不太大时,信号电流大部分都经故障线路流通,导致非故障线路上阻尼率误差较大。1.3.2 利用故障信号的特征分量进行选线1）基于故障信号的稳态特征分量进行选线（1）零序电流比幅法当中性点不接地系统发生单相接地故障时,流过故障线路的稳态零序电流在数值上等于所有非故障线路对地电容电流之和,故障线路上的零序电流最大,通过零序电流幅值大小比较就可以找出故障线路。该方法在一定程度上弥补了单纯采用零序电流幅值或者相位单一特征量选线的不足，但是也有其缺陷：例如不能避免电流互感器的不平衡电流和过渡电阻的影响，同时对于谐振接地系统来说,由于谐振接地系统中消弧线圈补偿电流的存在,往往使故障线路电流幅值小于非故障线路,因此零序电流比幅法不适用于谐振接地系统。（2）零序电流比相法当中性点不接地系统发生单相接地故障时,流经故障线路的稳态零序电流的方向是从线路流向母线流经非故障线路的稳态零序电流的方向是从母线流向线路。通过比较零序电流的方向就可以找出故障线路。这种方法在故障点离互感器较近、线路很短、高阻接地等情况发生时,测量到的零序电压和零序电流较小,相位判别较困难,可靠性低。对于间歇性接地故障来说,零序电流畸变严重,难以计算相位,容易出线误判。对于谐振接地系统来说,因为在过补偿或完全补偿状态下,故障线路的零序电流方向于非故障线路相同,因此零序电流比相法不适用于谐振接地系统（3）五次谐波分量法该方法弥补了前两种方法的共同不足之处，能适用在中性点经消弧线圈接地的配电网系统中。电力系统中存在着大量的非线性元件，当发生故障时，由于受接地电阻，消弧线圈及变压器线圈等电气设备的非线性影响，故障电流中将会引起高次的谐波电流，以五次谐波分量居多。当小电流接地电网中发生单相接地故障时，高次谐波随之产生。高次谐波电流中的容性分量与谐波次数成正比，消弧线圈对系统的补偿作用可忽略不计。由于系统中5次谐波电容电流含量较大，且分布特性与中性点不接地系统的基波电容电流完全一致，即故障线路中的5次谐波零序电流最大，滞后5次谐波零序电压90度；非故障线路中的5次谐波零序电流较小，超前5次谐波零序电压90度，利用群体比幅比相算法就可以实现故障选线。 (4)负序电流选线法单相接地故障发生后，不仅会产生零序电流，而且还会产生负序电流，利用该方法进行故障选线的主要依据是：故障和非故障线路电流的负序分量大小相差很大，前者远大于后者，两者的电流方向相反，故障线路和电源流出的负序电流方向也不同。该方法不受弧光接地的影响，且抗过渡阻抗的能力较强，其缺点在于：正常运行时候线路电流中也含有很大成分的负序电流，另外，当配电网的三相负荷不平衡时，将会有负序电流产生，从而影响了实际中选线的准确性。在实际中的应用效果也不是很好。（5）最大( I sin ) 选线法该方法的原理是：记下将各条线路在正常工作情况下的零序电流的幅值和相位，然后选择一个中间参考信号作为参照量，记录下各条线路在故障前的零序电流对故障母线在故障后的相位关系，最后把它们都投影到故障线路的零序电流的理论方向上，计算得出各条线路故障前后的投影之间的差值20。利用差值的大小来进行故障线路的判别。此方法的优点是可以消除了电流互感器的不平衡电流的影响，其缺点是当中间信号出现问题时将会造成算法问题，使算法失效，还有就是计算时有相量和相位，计算量很大。这正是该方法的主要缺点。 2）基于故障信号的暂态特征分量进行选线 (1) 首半波选线法首半波法的原理如下：暂态零序电流和的电压首半波，在正常情况下和故障时刻的幅值和方向均不相同。可以利用这一特征进行分析，得出结果。这种方法的优点是可以避免不稳定接地故障。缺点是对检测装置的同步采样的速度要求较高。还有就是首半波法容易受到线路故障时的故障参数的影响。当故障发生在相电压幅值接近于零时，暂态电流信号也是比较小，则该选线方法也会出现失效。（2)基于小波分析选线法小波变换是一种信号的时间频率分析方法,是一种窗口大小固定不变但形状可以改变,时间窗口和频率窗口都可以改变的时频局部化分析方法。小波变换的极大值检测法是多尺度边缘检测,多尺度边缘检测是在不同尺度上先对信号进行平滑,再由光滑信号的一阶导数检测信号突变点。该原理为：利用小波变换作为提取信号的手段，提取故障暂态过程中的故障线路与非故障线路的特征量信息，根据它们在暂态特征量的幅值包络线的不同，且极性相反的特性在分析选择出故障线路22。这种方法的优点是可以避免因为干扰和测量的误差，借此避免故障特征湮没，提高故障选线的可靠性。该方法的缺点是暂态特征信号的持续时间短，测量时的随机性、局部性等约束，暂态方法的使用上受到限制。1.4 本论文的主要研究工作配电网接地故障选线是近几年研究的热点问题，但是目前没有一种方法能够很好的解决这个问题。每一种方法都有一定的适用范围，比如有些方法只能适用在中性点不接地系统，而不能适用在中性点经消弧线圈接地的系统中。本文在已经提出的各种选线方法研究的基础上，提出了新的配电网接地故障选线，主要的研究内容有以下几个方面：1）先对配电网的接地故障进行了理论分析，并分析了配电网发生接地故障后的各种电气特征量，为今后的故障选线方法研究提供了一定的理论支撑。2）针对放射性配网的结构特点，本文将广域信息引入配网中，提出了一种基于广域测量信息的配电网接地故障检测的方法。该方法主要利用放射性配网的特征结构信息矩阵以及广域信息来进行故障判断，可以判断本线路末端的各种接地故障与下条线路的出口处的各种接地故障。3）以 33 节点系统的数据为例,通过对放射性配电网结构的分析，利用放射性配网的特征结构信息。通过 Matlab 编程，实现故障前后配网潮流的计算，从而提取出所需要的广域信息，再经过适当的处理，验证了基于广域测量信息的配电网接地故障检测的方法的效性。4）针对线路发生单相接地故障的概率较大，本文提出了一种专门判断单相接地故障的判断方法，即基于暂态零模量电流的选线方法。在此基础上，提出了两种有效区分故障线路和非故障线路的选线判据。5）以 Matlab/Simulink 为工具，建立一个简单的放射性配网的仿真模型，分别在各种不同的故障条件下，对基于暂态零模量电流的选线方法进行了验证。 2 配电网接地故障理论分析2.1 中性点接地方式及短路故障的分类2.1.1 中性点接地方式介绍在我国的电力系统中，随着配电网电压等级的升高，对绝缘的投资大大增加，为了降低设备造价，采用了中性点直接接地系统，其主要优点是单相接地时，其中性点电位不变，非故障相对地电压接近于相电压(可能略有增大)，因此降低了电力网绝缘的投资，而且电压越高，其经济效益也越大。配电网中性点接地方式主要有以下几种；不接地、经消弧线圈接地、经电阻接地、经电抗接地、直接接地等几种。就其主要运行特征而言,可归纳为两大类，分别是中性点有效接地方式和中性点非有效接地方式。其中，中性点有效接地方式主要适用于 110k V 及以上电压等级的电网中。中性点非有效接地方式是在配电系统中主要采用的一种接地方式。当电力系统中性点对地为完全的绝缘时，此时的中性点运行方式即为中性点不接地方式。由于在中性点不接地方式中对接地的电力设施的经济投入比例是非常的少，所以该种接地方式的造价成本比较低，因此它普遍适用于我国乡镇的 10k V 配电网中。在该种接地的方式下，当线路发生单相接地故障的时候，由于故障电流无法形成流通的回路，此时的故障电流也很小，而且线路之间的线电压较未发生故障时的线电压没有任何的改变。所以在发生单相接地故障后，系统可继续运行几个小时的时间，因此有了比较充足的时间去将排除故障。如果发生单相接地故障后，系统继续长时间的运行将会击穿系统中绝缘性能比较差的地方，从而发生多点接地故障，进一步扩大了故障发生的范围。当中性点不接地系统单相接地电流较大时，在发生单相接地故障后，接地电容电流也变的很大，从而对产出的电弧很难熄灭。而引起弧光接地过电压，影响到周围设备的安全，严重的还将发展成系统性事故，为了避免事故的发生，所以我们采用了中性点经消弧线圈接地的方式，也就是系统的中性点与大地之间的电气联系是通过电抗器进行链接的一种方式。当发生单相接地故障后，通常利用电抗器中的电感电流对故障电容电流补偿，补偿后的故障电容电流大幅度的减小，从而对电弧的熄灭起到了促进的作用。该种接地的方式不仅有利于电弧的自动熄灭，还可以防止由已经发生的单相接地故障进一步恶化为相间短路的发生。通常情况下消弧线圈的补偿方式共有三种，它们分别为欠补偿方式、全补偿方式和过补偿方式。感性电流比线路中对地电容电流小时，此时的故障点处的电流为容性的电流，该种补偿方式即为欠补偿方式，这种方式一般比较少用；感性电流恰好等于线路中的对地电容电流时，此时的故障点处的电流也恰好等于零，该种补偿方式即为全补偿方式这是最理想的方式，但实际上它存在严重缺点；当消弧线圈中补偿的感性电流比线路中对地电容电流大时，此时的故障点处的电流为感性电流，该种补偿方式为过补偿方式，这种方式不会因为线路的退出而出现全补偿，所以在一般的运行中均采用这种补偿方式。中性点经消弧线圈接地系统属于小电流接地系统，它与中性点不接地系统的特点相同，凡单相接地电流过大，不满足中性点不接地条件的电力网，均可采用中性点经消弧线圈接地系统。由于城市10kv电网中电缆线路增多，使接地电容电流大大增加，加上部分年代久远的电缆绝缘老化，一旦线路发生单相接地故障，很容易发展成相间短路，从而使回路电源侧的继电保护装置动作而跳闸，即原有的小电流接地系统的相对的绝缘必须按线电压考虑，绝缘投资较大，经综合比较后，将这样的电力网改成中性点经小电阻接地，中性点经小电阻接地系统属于大电流接地系统，具有大电流接地系统的优点。其接地电阻值的大小，系根据将系统单相短路电流限制在一定值以下，以保证10kv断路器能可靠开断，同时考虑到满足继电保护的灵敏度要求来确定，虽然这种接地系统在发生单相接地时将跳闸，但由于其避免了单相接地发展为相间短路的情况，提高了电力网和电气设备可靠性，因此逐渐得到了采用，在部分35kv电力网也有采用。当中性点与大地之间的电气联系是通过一个定值电阻链接时，此种中性点接地方式即为中性点经高阻抗接地方式。在中性点经高阻抗接地方式中发生单相接地故障时，该定值电阻与线路的对地电容形成并联放电通道，从而适当的减小了容性电流。根据配电网的不同情况，对我国配网中中性点的各种不同的接地方式做了简单的介绍，且每一类接地的方式都有一定的利弊，根据现实中电网的情况和当地的环境采用合适的中性点接地方式。一般而言，架空线数量比较多的配网中，主要选择中性点不接地的运行方式或者选择中性点经消弧线圈的接地方式；电缆线路数量比较多的配网中，主要选择中性点经高阻抗的接地方式；对于两者混合相当的配网中，其选择应从实际情况考虑。由于我国在配电网的应用中广泛使用中性点不接地方式以及经消弧线圈接地的方式，所以下面主要分析在这两种接地方式下发生单相接地故障后的电气特征量。2.1.2 配电网短路故障的分类介绍 配电网主要是由配电变压器、架空线路或电缆线路、隔离开关、无功补偿电容、杆塔以及其他的一些设备所组成的一个整体。在电力网中起重要分配电能作用的网络，配电网的短路接地故障可以分为单相接地故障、两相短路、两相接地短路、三相短路：1）单相接地故障 单相接地故障是在配网中很常见的一种故障，它几乎占所有故障类型的 83%以上。多发生在潮湿、多雨天气。由于树障、配电线路上绝缘子单相击穿、单相断线以及小动物危害等诸多因素引起的。单相接地故障引起的各种危害也比较多，不仅影响了用户的正常供电，而且可能产生过电压，烧坏设备，如果单相接地故障后系统长时间的运行将会引起其他故障的发生，使得故障范围进一步的扩大。 2）两相短路两相短路是指三相供配电系统中任意两相导体间的短路，比单相接地故障更为严重的一种故障，因而对系统造成的危害是比较大的，常会导致用户大面积的停电，甚至是烧毁线路。不过两相短路发生的概率是8%，比单相接地故障发生的概率小很多。3）两相接地短路两相接地短路是指中性点不接地系统中，任意两相发生单相接地而产生的短路，在该类故障中有零序电流的存在，而两相短路故障中则没零序电流。发生的概率也只有5%。4）三相短路三相短路是指供配电系统中三相导体间的短路，三相短路也属于对称短路，其他的故障都是非对称故障，发生故障的概率最小，但是短路时，短路电流最大，在所有故障中最为严重的一种故障类型。2.2 单相接地故障稳态电气分量分析 图 2-1 中性点不接地系统的电容电流分布图在中性点不接地系统中，假设线路相发生单相金属性接地故障，电网中的电容电流分布情况如图 2-1 所示，图中、为各线路对地电容。配电网络为一个中性点不接地的配电网络；为解决这一问题，一般是在中性点加入消弧线圈，并多采用消弧线圈并（串）电阻的派生接地方式。下面将分别对这两种系统发生单相接地故障时的稳态电气分量做了重点的理论分析。 2.2.1 中性点不接地系统单相接地故障稳态分析在正常运行的情况下，线路的三相有相同的对地电容 ，在相电压作用下，每一相都有一超前于相电压的电容电流流入地中，而三相电容电流之和等于零。当线路 的相发生单相金属性接地故障后，故障相对地电压变为零，非故障相对地电压升高倍，对地电容电流也相应地增大倍，向量关系如图 2-2所示：图 2-2 相接地时的向量关系图在 相接地以后，忽略掉负荷电流和电容电流在线路阻抗上产生的电压降，在故障点处各相对地的电压为： 22 2 (2-1) 则母线中性点的零序电压为： (2-2) 对于非故障线路来说，以线路进行计算，其三相对地电容电流分别是： （2-3)式中 、为线路各相对地电容电流，是线路单相对地电容，是电网角频率。则基波零序电流为： (2-4) 式中的为的基波零序电流，而其他非故障线路的零序基波电流与线路 类似。由公式（2-4）可以看出，非故障线路的零序电流的大小为该线路三相对地电容电流的向量和，其方向是由母线流向线路。故障线路 的各相对地电容电流为： (2-5) 的基波零序电流为： (2-6) 由公式（2-6）得故障线路的基波零序电流等于所有非故障线路基波零序电流的向量和，方向为从线路流向母线。有分析得出中性点不接地系统发生单相接地故障时的故障特征： （1）在单相接地时，故障相对地电压降为零，而非故障相对地电压升高为原来的倍，即为线电压，同时全系统出现零序电压；(2) 非故障线路的零序电流大小等于其三相对地电容电流之和，容性无功功率方向是由母线流向线路；(3)故障线路的零序电流为所有非故障线路对地电容电流之和，容性无功功率方向由线路流向母线。2.2.2 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障稳态分析 由中性点不接地系统单相接地故障稳态分析得出，当中性点不接地系统发生单相接地故障时，故障点会流过整个配电网的对地电容电流。如果电网馈线以及电缆线路比较多，整个系统的对地电容电流就会比较大，这时很多的瞬时性故障将不能自动消除，同时在接地点会形成电弧，引起弧光过电压，从而使得非故障相的对地电压进一步升高，很有可能会造成绝缘损坏，使事故进一步扩大。为解决此问题，一般在中性点加入消弧线圈，并多采用消弧线圈并（串）电阻的派生接地方式。这时单相接地故障如图 2-3 所示：图 2-3 消弧线圈接地电网的电容电流分布图正常运行时，各相电压对称，中性点对地电压为零，消弧线圈 中没有电流流过，各电气特征量与中性点不接地相同。发生单相接地故障后，对于非故障相来说，其电容电流的大小和分布与中性点不接地系统是一样的。以线路 为例，则有。与中性点不接地系统的不同在于：在接地电感处增加了一个电感电流（忽略消弧线圈的阻尼电阻影响）： （2-7）这时流过故障线路的电流变成经过消弧线圈补偿过的系统电容电流： （2-8）对于消弧线圈的选取，定义脱谐度 的概念： （2-9） 式中 是消弧线圈补偿电流的大小，是电网对地电容电流的大小。在不同大小的消弧线圈时，系统也会在三个不同的状态下运行：（1）全补偿，当时,电流谐振回路刚好在谐振点运行，电容电流与电感电流完全抵消，此时单相接地故障电流最小。但电网在此种方式下运行会产生谐振过电压，使中性点电压升高，因此在实际应用中不采取完全补偿方式。（2）欠补偿,当时，此时经过补偿的接地电流仍然是容性的。当系统中某个元件被切除时，也有可能会出现完全补偿的情况，因此一般也不予采用。（3）过补偿，当时，发生单相接地故障时，接地电流为感性，因为不会引起谐振过电压，所以广泛应用。由此得出了谐振接地系统发生单相接地故障时的特点：（1）非故障线路的情况和中性点不接地系统相同，零序电流大小等于其正常运行时三相对地电容电流之和，容性无功功率方向是由母线流向线路；（2）故障线路零序电流不再等于非故障线路零序电流之和，而是由非故障线路电容电流之和及中性点电感电流组成。采用过补偿方式后，其容性无功功率的方向与非故障线路一样变成从母线流向线路。2.3 单相接地故障暂态电气分量分析由于在配电网中发生了单相接地的故障后，稳态电气分量的数值一般比较小，尤其是在谐振接地的系统中，零序电流的值更小，这给准确的故障选线带来了很大的困难，所以很多学者将研究的方向转移到发生单相接地故障后的暂态电气分量。由于中性点没有接地的系统中的暂态过程比较简单，所以本文主要分析谐振接地的系统中的暂态过程。如下图 2-4中，是一谐振接地的配电系统在线路发生了单相接地的故障以后零序暂态等效电路图。图 2-4 零序暂态等效电路图如图2-4所示，是系统的零序电压，是消弧线圈中的电阻， 是消弧线圈中的电感值，是整个系统的零序等值电感，是整个系统的零序等值电容， 是整个系统的等值电阻。在发生暂态的过程中，主要存在着三种暂态电流分量：即零序电容电流、补偿电流和接地电流，下面将对这两种暂态分量的瞬时过程进行具体的分析。 2.3.1 补偿电流的暂态过程如图2-4所示，单独计算、串联支路和电源所构成的回路中的电感电流,其所满足的微分方程为： (2-10)上式中,为零序电压的最大值，为其角频率，为其发生故障时的初相位。通过拉氏变换求解式（2-10）中关于的微分方程可得： （2-11）上式中，为电感电流的相位，其中；为电感电流的衰减时间常数。由于,所以可以认为,则式（2-11）为： （2-12） （2-13）由式（2-12）可知由两部分组成，即暂态衰减分量和和稳态分量， 其中 ，。当， 时，取得最大值： （2-14)当 时，可以取到最小值。电感电流 中暂态分量衰减的时间的长短与发生故障时刻的电压相位有密切的关系。当发生故障时刻的电压相位时，暂态分量值比较大，衰减的时间比较短；当发生故障时刻的电压相位 时，暂态分量值比较小，衰减的时间比较长。 2.3.2 接地电流的暂态过程如图 2-4所示，暂态的接地电流是由零序电容电流和补偿电流这两个方面构成。因此，暂态接地电流的性质既有零序电容电流的性质又有补偿电流的性质。当发生单相接地故障时，由于电感电流不能发生突变，所以在故障发生开始的一段时间内，暂态接地电流的性质主要表现为零序电容电流的性质。 由图 2-4可知，暂态接地电流 的时域形式可以写为：（2-15）上式中，稳态分量为，它为零序电容电流和补偿电流两者稳态分量之和；暂态分量为： （2-16）它为零序电容电流和补偿电流两者中的暂态分量之和。由式（2-16）可知，接地电流的暂态分量的幅值明显大于零序电容电流和补偿电流中的任一暂态分量的幅值。总之，当系统发生了单相的接地故障以后，暂态的接地电流中既有快速衰减零序电容电流又有衰减缓慢的补偿电流。在发生故障的开始阶段，由于电感电流不能发生突变，所以暂态接地电流的幅值和频率主要取决于零序电容电流的幅值和频率。由于暂态分量的相互叠加，所以发生故障时的瞬时接地电流的幅值比较大，但是持续的时间比较短，约为 0.1s0.2s。由于发生故障初始阶段的接地电流主要有零序电容电流来决定的，所以对于中性点不接地系统发生故障初始阶段的接地电流变化情况同谐振接地系统基本上是一致的。2.4 本章小结本章首先介绍了配电网中性点接地的几种常见方式、各种接地方式的特点，以及其各自的适用范围；并对各种各样的短路故障做了简单的介绍。然后重点对我国常用的两种接地方式的系统中发生了单相的接地故障后的稳态电气分量和暂态电气分量进行了重点的分析，并为下文中故障选线奠定了必要的依据和理论基础。 3 基于广域信息的配电网接地故障判断3.1 广域测量系统以及广域保护简介 3.1.1 广域测量系统的介绍 基于同步相量测量技术和现代通信技术的广域测量系统（WAMS）是对整个电力系统进行实时动态的检测，当前广域测量系统(WAMS)的PMU装置以GPS为采样基准，能全网同步采集机组和线路的电压、电流以及重要的开关保护信号;并能计算得到电压和电流相量、频率和频率变化率、机组和线路功率、发电机内电势(功角)以及根据机组键相信号实测机组功角;同时还能提供扰动触发的暂态记录。广域测量系统的建立可以实时的采集大规模互联电力系统的稳态信息和动态信息，而采集的这些稳态信息和动态信息在电力系统的运行和控制过程中都可能被用到，这就为电力系统的运行以及控制提供了新的解决办法。图 3-1所示为一广域测量系统（WAMS）的基本组成结构。由图 3-1 可知，广域测量系统（WAMS）主要是由同步相量测量单元 PMU 和现代电力通信网络组成。图 3-1 广域测量系统的基本结构PMU时完成同步相量测量的基本设备，可以安装在电力系统中选定的不同地点，精确地同步实时测量系统的电压和电流值，然后可以将相量传送到距离遥远的监测中心，中心通过收集、记录、比较同步相量数据，可以开发各种监测、保护、控制设备来维护电网的安全运行到现在为止，广域测量系统中的主要测量技术已经得到了很好的解决，可以提供电力系统中的向量信息。这一系统的建立为实现广域保护奠定了必要的基础。3.1.2 广域保护简介 随着广域测量系统(WAMS)的建立和不断完善，监测网的数据不但可以在中央监测中心和区域监测中心及PMU间传输，而且可以在区域监测中心相互传输，区域监测中心在接收PMU发来的数据同时也要转发数据，从系统全局角度对电力系统进行监控、操作、保护、控制、规划是大电网发展的必然趋势，从而实现电力系统的实时控制。近年来许多学者提出了广域继电保护的概念并进行了多方面的研究。一般而言，广域保护是指根据整个系统的信息情况对已经发生的故障进行准确、快速的切除，并分析故障切除后对整个系统稳定运行所产生的影响，同时采取适当的控制措施保证整个系统的运行是安全可靠的。关于广域保护系统这方面的研究情况大致的可以分为两个具体的研究方面：一个是通过对广域信息的采集实现对整个电力系统的控制、安全监视、状态估计以及稳定边界计算等功能，这个方面着重了对广域信息进行了利用，并实现系统的安全控制，也就是所谓的广域控制系统；另一个则是通过对广域信息的采集实现继电保护功能，这个方面强调的是与传统的主保护进行必要的相配合，从而实现对整个电力系统的继电保护，也就是所谓的广域继电保护系统。对于这些不同的研究方面，他们的共同之处都是以广域信息的搜集作为基础。与传统的继电保护不同，广域保护不再是对元件（如：发电机、母线、线路、变压器等）进行具体的保护，而是从整个电网的安全运行的角度出发，将继电保护和稳定控制结合起来，保证整个系统不会发生大面积停电或者系统崩溃这一严重的事故。由于广域保护是从全局的概念出发，所以在时间它上很难满足对故障元件的快速切除，因而广域保护又不能完全的代替传统的继电保护，故可以作为传统保护的后备保护。 3.2 基于广域信息的选线方案 3.2.1 方案的提出第二章的分析可以得知，在中性点不接地的系统中发生单相接地故障时，流过故障线路和非故障线路的电流变化仅为对地电容电流的变化，其值通常较小，特别是在中性点经消弧线圈接地系统中，采用过补偿方式后零序电流就更小了，所以给准确的故障选线大大的提高了难度。显而易见，在我国的配电网中，发生单相接地故障时故障电流太小，这是导致接地选线判断比较困难的最主要原因。另外，随着分布式电源的投入，配电网将不再是单电源网络，这势必影响传统馈线保护的选择性和灵敏性。传统的后备保护为了保证对线路的选择性将整定值以及动作的时间相配合。即使在单电源放射性配网中，传统的馈线保护也很难区分本线路末端故障与下条线路的出口故障。通常情况下，由于配电网普遍采用中性点非有效接地方式，因此，配电网中单相接地故障的判别问题多年来一直是个难点。广域保护的方法为配电网接地故障选线问题的解决提供了新思路。本章通过对放射性配电网结构的分析，利用放射性配网的特征结构信息（即网络拓扑信息和线路参数信息）以及广域信息来进行故障判断。该方法只适用于放射性的配电网络中。3.2.2 算法的基本原理以及推导过程 电力系统中的基本网络方程为：