小电流接地选线系统——毕业设计

毕业设计题目小电流接地选线系统院、系电气工程及其自动化姓名指导教师系主任2014年6月8日小电流接地选线系统摘要我国中低压配电网中性点广泛采用小电流接地方式，这种接地方式具有供电可靠性高的优点。但发生单相接地故障后，由于故障电流微弱、电弧不稳定等原因，单相接地故障选线和故障定位问题长期以来没有得到很好地解决，至今许多变电站仍然使用人工拉路方法查找故障线路和自测法寻找故障点。本论文重点研究配电网单相接地故障选线及故障定位问题。通过对配电网单相接地故障暂态过程的深入分析得知线路存在串联谐振过程和并联谐振过程，线路发生谐振时，故障线路的阻抗时而程容性，时而程感性，其特性受系统出线数、各线路长度等因素的影响较大，此时故障线路零序电流与所有非故障线路零序电流关系较为复杂。通过分析多种选线方法的优缺点，本文最终选择了信号注入法。分析了注入信号法选线定位原理，指出注入信号法实质上是人为增加了零序电流。讨论了注入信号的探测方法，提出用零序电流互感器探测注入信号的方法。分析了影响注入信号电流在故障线路中流通的因素和注入信号电流的相位特征，指出注入信号电流的相位特征只能作为选线的辅助判据。关键词小电流接地系统；单线接地故障；故障定位；信号注入THESMALLCURRENTGROUNDINGLINESELECTIONSYSTEMABSTRACTINOURCOUNTRY,WIDELYUSEDINLOWVOLTAGEDISTRIBUTIONNETWORKNEUTRALSMALLCURRENTGROUNDINGMETHOD,THEGROUNDINGMETHODHASTHEADVANTAGEOFHIGHPOWERSUPPLYRELIABILITYBUTAFTERTHESINGLEPHASEEARTHFAULTOCCURS,SUCHASWEAKFAULTCURRENTANDARCSTABILITY,SINGLEPHASEEARTHFAULTLINESELECTIONANDFAULTLOCATIONPROBLEMFORALONGTIMEHAVENTBEENSOLVEDWELL,UPTONOWMANYSUBSTATIONSTILLUSEMANUALPULLWAYMETHODTOFINDTHEFAULTLINEANDTHESELFTESTMETHODTOFINDFAULTPOINTTHISPAPERFOCUSESONPOWERSINGLEPHASEEARTHFAULTLINESELECTIONANDFAULTLOCATIONPROBLEMTHROUGHTHEDISTRIBUTIONNETWORKOFSINGLEPHASEEARTHFAULTTRANSIENTPROCESSOFTHETHOROUGHANALYSISTHATSERIESRESONANCEPROCESSANDPARALLELRESONANTCIRCUIT,CIRCUITRESONANCEOCCURS,THEIMPEDANCEOFTHEFAULTLINEANDSOMETIMESCHENGRONGSEX,SOMETIMESPERCEPTUALPROCESS,ITSCHARACTERISTICSTOQUALIFYFORTHESYSTEM,THELINELENGTHISLARGER,THEINFLUENCEOFSUCHFACTORSASTHEFAULTLINEZEROSEQUENCECURRENTWITHALLNONFAULTLINEZEROSEQUENCECURRENTRELATIONSHIPISMORECOMPLICATEDBYANALYZINGTHEADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFAVARIETYOFLINESELECTIONMETHOD,THISPAPERFINALLYCHOSETHESIGNALINJECTIONMETHODANALYZEDTHEINJECTEDSIGNALPOSITIONINGMETHODOFLINESELECTIONPRINCIPLE,ANDPOINTSOUTTHATTHESIGNALINJECTIONMETHODISESSENTIALLYARTIFICIALLYINCREASEDTHEZEROSEQUENCECURRENTINJECTEDSIGNALDETECTIONMETHODISDISCUSSED,ANDPUTFORWARDWITHTHEZEROSEQUENCECURRENTTRANSFORMERDETECTIONSIGNALINJECTIONMETHODINFLUENCEINJECTIONSIGNALCURRENTISANALYZEDINTHEFLOWOFFACTORSINTHEFAULTLINEANDPHASECHARACTERISTICSOFTHESIGNALCURRENTINJECTION,POINTSOUTTHATTHEPHASECHARACTERISTICSOFTHESIGNALCURRENTINJECTIONCANONLYASANAIDINTHECRITERIONOFLINESELECTIONKEYWORDSTHESMALLCURRENTGROUNDINGSYSTEMSINGLEGROUNDFAULTFAULTLOCATIONSIGNALINJECTION目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111研究目的及意义112国内外技术现状113本文主要研究内容3第2章小电流接地系统的单相接地故障的电气特征分析421小电流接地系统422中性点不接地单相接地故障的电气特征423中性点经消弧线圈接地单相接地故障电气特征724本章小结9第3章接地选线技术综述1031利用稳态信号的接地选线技术10311零序电流幅值比较法10312零序电流方向法10313谐波法11314零序电流有功分量法11315负序电流法12316注入信号法1232利用暂态信号的接地选线技术12321幅值与极性比较法13322小波法14323暂态能量法1433本章小结14第4章信号注入法1541注入信号法的提出15411“S注入法”的提出15412从中性点注入信号法的提出1842注入信号源20421信号源及其功率20422注入信号电流的频率21423注入信号的探测2143本章小结23结论24致谢25参考文献26第1章绪论11研究目的及意义在配电网系统中，单相接地故障率最高，约占配电网故障的80以上。我国的配电网多为小电流接地系统，由于在小电流接地系统中发生单相接地故障时不形成短路回路，只在系统中产生很小的零序电流，三相线电压依然对称，不影响系统正常工作，所以我国的电力规程规定，小电流接地系统可带单相接地故障继续运行12小时1,2。这样能够提高供电的持续性和可靠性，这是小电流接地系统的突出优点。但随着馈线的增多，电容电流也在增大，长时间带故障运行就易使故障扩大为相间短路或两点及多点接地故障。弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行，所以必须及时找到故障线路予以切除或者找到故障点进行维修。但是由于单相接地故障产生的故障电流很小等诸多原因，单相接地故障选线定位问题一直没有得到很好的解决。现有的小电流接地保护不能从根本上解决小电流接地的选线问题，这与电力系统提高供电可靠性的要求与呼声背道而驰。因此，进一步研究小电流接地系统单相接地故障的诊断方法具有很好的理论和实际意义。12国内外技术现状1在美国，由于其电网中性点主要采用电阻接地方式，也利用零序过电流保护瞬时切除故常线路。小电流接地系统中单相接地保护被认为是难以实现的，而且引起的过电压非常严重。因此，他们一般不采用小电流接地系统宁愿在供电网络上多投资以保证供电的可靠性。但是近年来，在EIEE电子信息与电子工程国际学术会议的专题报告上也认为应当加强小电流接地系统保护的研究。2法国在使用中性点进电阻接地系统NRS几十年后，现在正以NES取代NRS，同时开发出高新技术产品，零序导纳接地保护。另外，挪威一公司则利用测量空间电场和磁场的相位，反映零序电压和零序电流的相位，研制了挂式接地指示器。3在前苏联，二十世纪以来小电流接地系统应用较多，主要采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，保护主要采用零序功率方向原理和首半波原理。其选线原理比较简单，不接地系统主要功率方向继电器。日本在供电、钢铁、化工用点中普遍采用NUS或NRS，所以选线原理简单。采用基波无功方向方法。今年来，在如何获取零序电流信号以及接地点分区段方面投入了不少力量，利用光导纤维研制的架空线路和电缆零序互感器OZCT试验获得成功。4三十年代德国首次提出利用零序电流的半波极性来判断接地线路，相继有多篇论文发表，并有几代产品问世。现在他们又研制出一种携带式接地报警装置。而挪威一家公司则利用空间电场和磁场的相位，反映零序电流和零序电压的相位，研制出悬挂式接地指示器，分段悬挂在线路和分叉点上。590年代，外国已将人工神经网络原理应用于NUGS单项接地故障保护，并在有关文献提到应用专家系统方法。随着小波分析的出现和发展，国外有文献提及利用小波分析良好的时频局部性，分析故障暂态电流的高频分量的方法。6在我国，635KV配电网常采用小电流接地系统，其中大多数是中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统。已经提出的选线方法均以零序电压来启动保护或选线装置，因此可以根据是否利用故障电流来把它们分类，第一类包括比幅法、比相法、群体比幅比相法、首半被法、谐波电流方向法、五次谐波分量法、有功分量法、能量法，还有近几年出现的利用小波分析最大原理、模糊推理或模式识别来实现故障选线的多种方法第二类包括拉线法、注入信号跟踪法等。7随着选线原理的发展，各种选线装置也相继研制成功。50年代我国有根据首半波极性研制成功的基地保护装置和零序电流五次谐波研制成功的接地选线定位装置。70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一批有选择性的接地信号装置，如反映中性点不接地系统零序功率方向的ZD4型保护和反映消弧线圈接地系统五次谐波零序功率方向的ZD5型，ZD6型ZD7型保护。有些运行部门还采用反映零序电流增大的零序电流保护来选线。80年代中期，我国又研制成功了微机型小电流系统单相接地选线装置，近几年来，随着微机在电力系统应用的推广，相继出现了一些型接地选线装置和适合微机实现的选线理论。其中南京自动化院的利用比较零序电流五次谐波的的大小和方向的小电流接地系统单相接地选线装置东北电力学院研制出通过无线电接收谐波电流，利用比相原理而实现的单相接地选线装置山东大学研制出基于群体比幅比相原理的ML1型以及利用零序电流五次谐波比相原理的MLA98型小电流选线装置西安交通大学则提出了利用零序电流的3、5、7次谐波分量之和的相对比较法和自适应独立判别法进行选线的原理等等。九十年代至今，又先后推出了基于有功功率法，S注入法，小波分析法及接地残留增量法等原理的新型选线装置，并且分析故障暂态特征，应用DPS技术的基于小波理论的选线装置已经产生。8到目前为止，基于上述不同的选项原理，己经先后推出了几代产品，但在实际应用中，效果不十分理想。而小电流接地系统故障测距问题的研究相对较少，真正用于实际的装置很少见，这同配网自动化水平不相适应。因此小电流接地系统故障定位问题还有必要进一步研究。13本文主要研究内容本文就上述的难题做了以下工作1对单相接地故障的电气特征作了分析，总结了中性点不同接地方式的特点，为故障诊断提供理论依据。2通过故障后电压的变化提出判断故障相的依据，并总结了完整的选相过程。3分析了常用单相接地故障的选线方法的缺点和注入法的优点。4详细分析了传统注入法的选线定位原理。第2章小电流接地系统的单相接地故障的电气特征分析21小电流接地系统我国的配电网采用小电流接地系统，小电流接地系统即中性点非直接接地系统，它包括中性点不接地系统、经消弧线圈接地系统也称谐振接地系统和。由于历史原因和具体条件不同，各个国家的电网中性点处理方式不尽相同，甚至在同一国家、同一地区的同一电压也有不同接地方式并存现象。在我国366KV中低压配电网系统一般采用中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统，所以本文重点分析小电流接地系统中的中性点不接地和经消弧线圈接地系统的单相接地故障特征。22中性点不接地单相接地故障的电气特征为分析方便，假设A相发生金属性接地短路，忽略负荷电流和电容电流在线路上产生的电压降。如图21所示，各线路上电流方向已标注。AEBCTC1C2C线路1线路2ABC1CIB2CIBIIBIT图21中性点不接地系统单相接地故障电气原理图由以上原理图可知系统各参量变化如下1电压系统A相对地电压为210AUB相对地电压为（22）1503JABABEEEUC相对地电压为（23）150JACAC故障点的零序电压为（24）ACKBAKEUU3102电流非故障线路的各相电流和三倍零序电流1LA相的电流为（25）01AIB相的电流为（26）11CUJIBC相的电流为（27）11JIC有效值为（28）113UICB变压器T上，首先有它本身的B相和C相的对地电容电流的电源，因此，从A相中要流回故障点的全部电容电流，而在B相和C相流出各线路上同名相的对地电容电流。此时从变压器出线端所反应的零序电流仍然为三相电流之和。由图21可见，各线路的电容电流由于从A相流入后又分别从B相和C相流出了，因此相加后相互抵消，而只剩下变压器本身的电容电流，故有效值为,即零序电流为变压器本CTBTII03TTUI003身的电容电流。故障线路各相电流和三倍零序电流2L故障相电流（29）CTBCBAIIII212其有效值（210）UUITA33212非故障相电流（211）22CJIB（212）C三倍的零序电流（213）TCBAIII0122033其效值（214）202UI功率非故障线路的复功率为（215）2701800IIIIS（216）9SINCOIIUQP同理有故障线路（217）09SINCO03IUQP根据以上分析可得到以下几点（1）零序网络由同级电压网络中元件对地的等值电容构成通路，与中性点直接接地系统有接地的中性点构成通路有极大的不同，网络的零序阻抗很大。（2）发生单相接地时，相当于在故障点产生了一个其值与故障相故障前相电压大小相等，方向相反的零序电流，从而全系统都将出现零序电压。（3）在非故障元件中流过的零序电流，其数值等于本身的对地电容电流；电容性无功功率的实际方向由母线流向线路。（4）在故障元件中流过的零序电流，其数值为全系统非工作元件对地电容电流之总和；电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线。23中性点经消弧线圈接地单相接地故障电气特征在中性点不接地的电网中发生单相接地故障时，如图22所示，若接地点流过的全系统对地电容电流，若此电流过大，会使故障扩大。为防止上述情况发生，常在中性点接入消弧线圈。各级电压网络中，当全系统的电容电流超过下列数值时应装设消弧线圈36KV电网为30A，10KV电网为20A，2266KV电网为。AEBCTC1C2C线路1线路2ABC1CIB2CIB0IITBILI图22性点经消弧线圈接地系统单相接地故障电气原理图如图22所示的电网中，电源的三相电动势相等。为了简便起见，不计电源内部的电压降和线路上的电压降，电源每相电动势的有效值等于电网正常工作时的相电压，电源两相电动势之差等于电网的线电压，变压U器中性点经消弧线圈接地。假设线路2的A相发生金属性接地故障，各线路电压变化以及非故障线路电容电流的分布与中性点不接地系统的情况相同。由于中性点接地方式不同，此时故障点的接地电流由原来的电容电流变为由消弧线圈产生的电感电流补偿后的残流，但仍具有零序性质。所以线路2的基波零序电流为（219）LGIII01023式中为消弧线圈的补偿电流，而此时从接地点流回的总电流为LIKI（220）CLKI式中为全系统的对地电容电流。C由于和相位相差180。，几将随消弧线圈的补偿程度而变化，因KI此，故障线路零序电流的大小和方向也随之改变。根据对电容电流补偿程度的不同，即补偿度P的大小这里P定义为，可分为以CLI下三种不同的补偿方式1全补偿全补偿时P0即的补偿方式，它虽可使接地点的电流为零，CLI但却有严重的缺点，因为此时刚好有式子成立，这正是工频31串联谐振的条件。但是如果三相的对地电容不相等或断路器三相非同期合闸时，出现的零序电压在串联谐振回路中产生很大的电流，此电流在消弧线圈上会产生很大的压降，使电源中性点的电压大大升高，造成设备的绝缘损坏，因而不宜采用这种补偿方式。2欠补偿欠补偿就是P0即的补偿方式。它没有发生上述过电压的危CLI险，因而得到了广泛的应用，一般选择过补偿度值为P510。采用过补偿以后，通过故障线路保护安装处的电流为补偿以后的感性电流，它与零序电压的相位关系和非故障线路电容电流与零序电压的相位关系相同，数值大小也和非故障线路的容性电流相差无几，因此不接地系统中常用的零序电流选线原理和零序功率方向选线原理显然已不能采用。总结以上分析中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时的结果，可以得出如下结论1故障相的对地电压为零，非故障相的对地电压为系统的线电压。2全系统出现零序电压，其大小为系统正常工作时的相电压。3欠补偿时，接地故障处的电流超前零序电压90O。过补偿时，滞后零序电压90O，小于未补偿时的值。4非故障线路零序电流超前于零序电压90O，其大小等于该线路的对地电容电流。故障线路零序电流的大小等于系统所有非故障线路总对地电容电流与消弧线圈的补偿电流的和，其相位随补偿度而异，欠补偿时滞后于零序电压90O,过补偿时超前零序电压90O10。3故障线路始端的零序功率的有功分量和无功分量均小于零；非故障线路始端的零序功率的有功分量大于零，无功分量小于零。24本章小结本章主要分别分析了在中性点不接地方式系统中和中性点经消弧线圈接地系统中，发生单相接地故障后的线路中各电气量的变化。第3章接地选线技术综述31利用稳态信号的接地选线技术目前，已开发出的接地选线装置大多是利用接地故障产生的稳态工频或谐波信号构成，称为稳态选线法。此外，还有一种注人信号寻迹法，其前提是故障点永久接地，信号比较稳定，因此也归入稳态选线法。下面简单介绍几种有代表性的稳态选线方法。311零序电流幅值比较法零序电流幅值比较法简称幅值法，它利用故障线路零序电流幅值比非故障线路大的特点选择故障线路。以前的做法是使用电流继电器，电流继电器在零序电流超过整定值时动作，指示故障线路,继电器的整定值要躲过本线路可能出现的最大对地电容电流。现在使用比较多的是群体比幅法，应用微机技术采集并比较接地母线上所有出线零序电流，将幅值最大的线路选为故障线路。由于不需设定门槛值，群体比幅法提高了检测可靠性和灵敏度，但在母线故障时会出现误判断。幅值法的致命问题是不适用于谐振接地电网。由于该电网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；另外一个影响可靠性的因素是故障点电弧不稳定现象，小电流接地故障往往伴随有间歇性拉弧现象，由于没有一个稳定的接地电流，因此可能造成选线失败。一些装置在试验室模拟试验，甚至在现场进行人为接地试验时选线结果很准确，但实际应用效果却并不好，这是因为模拟试验时线路异体与地之间是金属性接触，与实际运行中的绝缘击穿现象并不完全相同。312零序电流方向法零序电流方向法简称方向法或相位法,它利用故障线路零序电流与非故障线路方向相反的特点选择故障线路。一种实现方法是检测零序功率方向，如果某线路的零序无功功率方向为正，即零序电压超前零序电流90O则说明零序电容电流的方向是由线路流向母线，该线路被选为故障线路；另一种方法是群体比相法，选择3个以上幅值最大的线路零序电流，比较它们之间的相位，相位与其他线路相反的线路被选为故障线路。与幅值法相比，方向法有较高的检测灵敏度，但仍然存在不适用于谐振接地电网的弱点。因为在过补偿或完全补偿状态下，故障线路零序电流的方向与非故障线路相同；对间歇性接地故障来说，零序电流畸变严重，难以计算其相位，方向法比幅值法更容易出现误判断。313谐波法由于故障点、消弧线圈、变压器等电气设备的非线性影响，故障电流中存在着谐波信号，其中以5次谐波分量为主。由于消弧线圈对5次谐波的补偿作用仅相当于工频时的，可以忽略其影响。因此，故障线路的5次谐波零序电流比非故障线路的都大且方向相反，据此可以选择故障线路，称为5次谐波法。为了进一步提高灵敏度，可将各线路的3、5、7次等谐波分量的平方求和后进行幅值比较，幅值最大的线路选为故障线路。谐波法优点是可以克服消弧线圈的影响，但实际应用效果并不理想，主要原因是故障电流中的5次谐波含量较小小于10，检测灵敏度低；多次谐波平方和法虽然能在一定程度上克服单次谐波信号小的缺点，但并不能从根本上解决问题。314零序电流有功分量法由于线路存在对地电导以及消弧线圈存在电阻损耗，故障电流中含有有功分量。非故障线路和消弧线圈的有功电流方向相同且都经过故障点返回，因此，故障线路有功分量比非故障线路大且方向相反。根据这一特点，可以选出故障线路。INIOJIOK图31DESIR法原理在设计具体的选线装置时，可利用零序电压与零序电流计算并比较各线路零序有功功率的大小与方向来确定故障线路。为避免零序电压互感器误差的影响，法国电力公司EDF提出了一种仅利用零序电流的方法，称为DESIR法，其原理见图31。此外，还提出了一种电导法，利用零序电压与电流计算各线路电导。对非故障线路来说，计算出的电导等于本身对地泄漏电导；而对故障线路来说计算出的电导极性为负，且幅值远大于本线路泄漏电导。有功分量法的优点是不受消弧线圈的影响，但由于故障电流中有功分量非常小并且受线路几相参数不平衡的影响，检测灵敏度低，可靠性得不到保障。为了提高灵敏度，有的装置采用在消弧线圈上并联接地电阻的做法加大故障电流中有功分量。这样做带来的问题是使接地电流增大，加大对故障点绝缘的破坏，很可能导致事故扩大。且对电缆线路来说这一问题更为突出。315负序电流法小电流接地故障的负序电流具有与零序电流相同的分布特征，因此也可以通过比较各线路负序电流的大小与方向选择故障线路。由于负序电源阻抗比较小，故障线路负序电流绝大部分流入了电源回路，使得非故障线路的负序电流比较小，有利于接地选线。但正常运行时线路中也会存在较大的负序电流，并且负序电流的获取远小如零序电流来得简单、准确，所以负序电流法的实际应用效果并不会比零序电流法好。316注入信号法注入信号寻迹法简称注人法，在发生接地故障后，通过三相电压互感器TV的中性点向接地线路注人特定频率225HZ的电流信号，注人信号会沿着故障线路经接地点注入大地，用信号探测器检测每条线路，有注人信号流过的线路被选为故障线路。该方法的优点是不受消弧线圈的影响，不要求装设零序电流互感器TA，并且用探测器沿故障线路探测还可以确定架空线路故障点的位置。其缺点是需要安装信号注人设备。对于谐振接地电网来说，注人法选线正确率远高于前面介绍的几种方法，但从实际运行结果来看，还有相当一部分故障情况下不能正确选线。上主要原因是信号注入能量受三线电压互感器的限制，不能太高；在接地电阻较大时，健康线路分布电容会对注入信号分流，干扰正确选线。对间歇性接地来说，注人的信号变化不连续，影响正确选线。32利用暂态信号的接地选线技术利用稳态信号的选线方法应用效果不理想，在谐振接地电网中选线的成功率很低。根本原因有二个一是稳态接地电流微弱，故障线路中零序电流仅有几个安培，远小于线路正常负荷电流，检测起来比较困难；二是故障线路的工频零序电流在幅值及方向上都与非故障线路没有明显的差异。由前面的介绍可知，小电流接地故障暂态电流幅值是稳态对地电容电流的几倍到十几倍，数值在数十安培到数百安培之间，并且不受消弧线圈影响。因此，利用暂态信号进行接地选线可以克服稳态选线法存在灵敏度低，以及受消弧线圈影响的缺点。321幅值与极性比较法这二种方法分别是稳态选线法中的幅值法与比相法在暂态信号上的推广应用，统称为暂态电流比较法。幅值比较法选择暂态零模电流幅值最大的线路为接地线路。极性比较法选择3个以上幅值最大的线路暂态零模电流来比较它们之间的极性关系，极性与其他线路相反的线路被选为接地线路。暂态电流比较法具有简单、易于实现的优点，但从理论上分析并不是很严格，用于实际选线有可能出现误判断。应用暂态信号，自然会遇到选择数据时间窗口的问题。如果窗口时间选得过小，信号利用不充分，影响检测灵敏度及抗干扰能力；反之，窗口选得过长如大于一个周期，则信号中稳态分量作用变大，受消弧线圈电流的影响，可能造成选线失败。另一方面，故障暂态信号包含从直流到数千赫兹丰富的频率分量，其中包含支持上述选线原理的“正确”分量，也有不支持选线原理的“错误”分量。因此，需要对暂态信号的利用方式加以研究。暂态电流比较法原理来自于图1B所示的零序模等效网络。在这个电路中，所有的线路都用相应的电容来等效。根据电工理论，零模网络中的馈线是一个末端开路的传输线，由母线看进去的输人阻抗随信号频率变化，在频率小于其第一次串联谐振频率时，阻抗角接近90，线路呈容性，可以用电容来等效；而在频率大于后的一段频率范围内，阻抗角接近线路呈感性，则不能用电容来等效。因此，实际利用的暂态信号频率应该低于选定的频率上限，以保证所有线路都可以用电容来等效，否则，如果馈线中一部分呈容性，一部分呈感性，就难以确定零模电流分布规律，找不出故障线路零模电流区别于非故障线路的特征来。实际的配电网中，对频率在2000HZ以下的暂态信号来说,所有线路都可以用一电容来表示。另外一个要考虑的因素是消弧线圈的影响。消弧线圈电感电流与电容电流相抵消会影响故障线路零模电流的特征。在频率小于调谐频率时，感性电流大于容性电流，导致故障线路零模电流与非故障线路的方向一致，使暂态电流法失效。详细的分析表明,在暂态分量频率大于2次谐波100HZ时即可忽略消弧线圈的影响。综上所述，在应用暂态电流比较法前，需要对原始暂态信号进行滤波处理，取出一选定的频带SELECTEDFREQUENEYBAND,SFB内的暂态信号。在SFB范围内，图1B所示的零模等效网络是适用的，故障线路零模电流幅值最大且与非故障线路方向相反，通过比较各线路零模电流的幅值与极性，就能够可靠地选出接地线路来。这种情况下，使用的数据时间窗口可选为任意值，而不用再担心不“正确”分量的影响。实际应用中，SFB上限可选在2000HZ；在谐振接地电网中SFB下线选为100HZ，而对于中性点不接地的电网，SFB下限就是直流分量。322小波法小波变换基于原理与大家熟悉的傅里叶变换是类似的。他利用时间有限且频带也有限的小波函数代替稳态函数作为基函数对暂态信号进行分解，可以更好的反映暂态信号包含的频率成分随时间变化的特点。近年来，关于暂态信号用于暂态继电保护中的研究十分活跃，已提出了一些使用小波变换处理暂态信号的选线方法，称为小波法。这此方法的基本思路是利用小波变换提取各线路零模电流在某一尺度相当于某一频带内下的模值，通过比较模值的大小与极性可选出接地故障的线路来。小波法选线原理与前面介绍的暂态电流比较法是一致的，实质上它只利用了一个很窄的频带内的暂态信号，因此暂态信号利用不充分。此外，前面介绍过，接地暂态信号含有不支持暂态电流比较原理的“错误”分量，对于如何解决这问题，已发表的小波法论文都没有涉及。总体来看，在检测灵敏度和可靠性上，小波法没有特别的优势。323暂态能量法暂态能量法对故障后各线路零模瞬时功率进行积分，得到零模能量函数。故障线路的能量函数幅值最大，极性为负，与非故障线路的相反，据此可选择接地线路。暂态能量法实质上是零模有功功率法在暂态信号上的应用。由于暂态电流中有功分量所占的比例比较小，因此暂态能量法对暂态信号利用不充分，检测灵敏度低。33本章小结基于稳态量的小电流接地故障选线方法灵敏度低、易受电弧不稳定影响，且不适用于消弧线圈接地电网；而利用故障暂态信号的选线方法却可以克服这些缺点。随着微电子技术的发展，人们可以很容易地对故障暂态信号进行高速采集、记录与分析，因此对暂态接地选线技术的研究取得了重大进展。小电流接地电网发生高阻单相接地故障时，暂态故障电流幅值也仅有几个安培，难以保证接地选线的可靠性，需要进一步研究解决。第4章信号注入法通过电压互感器的故障相注入信号的选线定位原理自上世纪94年代初被提出以来，已广泛应用于我国配电网中，在原理上比基于单相接地故障参数特征的选线原理可靠性高，使其在应用中取得了较好的选线准确率，而且该原理本身还具有精确的定位能力，是目前我国配电网单相接地故障定位效果最理想的定位原理，同时还具有测距功能，理论上该原理具有较高的选线、定位和测距精度。但是由于注入的信号电流微弱，选线定位保护运行环境恶劣，不可避免地受各种于扰的影响，再加上配电系统固有的分布电容的影响和配电系统单相接地故障复杂性的影响，使注入信号电流的检测精度受到影响，从而影响到选线定位精度。需对注入信号的检测和影响注入信号的因素进一步研究。41注入信号法的提出411“S注入法”的提出图41注入信号法选线定位原理示意图图41为一典型辐射式配电网系统系统正常运行时，三相对称，系统中没有零序分量，A、B、C三相电压均为正常相电压，零序电压为零，PT二次侧电压分别为V当系统发生单相接地故障时，假设图41中N线路的C相发生单相接地故障，故障相C相对地电压降为零，两非故障相电压升高为线电压，零序电压升高为相电压，此时PT二次侧的各相电压分别为，开口三角上测得的零序电压为。可见，PT的C相一次绕组被短接，C相的二次绕组中也无感应电压，使PT的故障相在单相接地故障存在期间处于“闲置“状态。正是利用这一特点，可以通过PT的故障相将信号电流注入到故障一次系统中。根据上述零序电压的变化可以判断出系统发生了接地故障，根据各相电压的变化可以判断出接地故障相，且接地相PT的一次绕组被短接，二次绕组中没有感应电压感应电压，因此，在接地相PT的二次绕组和地之间加一信号源，该信号源在PT二次绕组中产生电流信号，如图41虚线所示。由于故障相PT一次绕组处于短路状态，二次绕组中的信号电流必然会感应到一次系统，其流通回路如图41中虚线所示，在PT一次侧的中性接地点、沿故障线路故障相，经接地故障点和大地返回PT一次侧的中性接地点这就是“S注入法”。如图41所示，注入信号源加在PT二次侧故障相C相上，相当于从CN处相系统加了一不对称三相电源由对称分量法可得信号源的序分量该注入信号源作用下的故障序网如图42所示，图中各参数为注入信号源作用下的参数，、分别为系统正序、负序、零序阻抗；、分别为线路正序、负序、零序阻抗；为消弧线圈电抗；为系统分布电容电抗；为故障过渡电阻。由于系统和线路的正负序阻抗和零序阻抗相比小得多，可忽略不计，这样，正负序分量、被系统阻抗短接，只有零序分量作用于故障系统。可见，注入信号法实质上是人为增加了故障系统的零序电流，根据叠加原理，系统正序电源提供的电流不变，但系统中实际流动的电流为两个电源提供的电流之和。从注入信号源看进去，系统总阻抗与中性点直接接地电力系统发生单相接地故障时的总接地阻抗相当。这样，注入电源的端电压不需很高就能为故障系统提供较理想的零序电流，供故障检测用。注入电流的大小根据检测该电流所需强度而定。注入信号电流在配电网一次系统的流通回路有如下特点1注入信号电流仅在故障线路中流通；2注入信号电流仅在故障线路的故障相中流通；3注入信号电流在故障相经接地故障点返回到PT一次的中性接地点。根据特点1，配电系统发生单相接地故障时，注入信号电流仅在接地线路中流通，非接地线路中没有注入信号电流。这样，只要检测出各出线中有无注入信号电流，就可以方便地找出故障线路。这就是基于注入信号电流的单相接地故障选线原理。根据特点2和3，系统发生单相接地故障时，注入信号电流仅在变电站和故障点之间的一段线路中流通，越过故障点后，注入信号电流将不再存在。在变电站与接地点之间存在分支的情况下，注入信号电流也不会流入无接地故障的分支中。利用这一特点，可以查找出接地分支和接地点的确切位置，这就是基于注入信号电流的单相接地故障定位原理。通过测量注入信号电流在系统母线处产生的零序电压和故障出线中的注入信号电流，可以计算出变电站和接地故障点之间在注入信号源作用下的阻扰，从而可以计算出故障距离。这就是基于注入信号电流的单相接地故障测距原理。XS1I1VGS2ZI2GXS0I0CVG3RG图42注入信号源作用下的故障序网利用单相接地时暂时处于“闲置“状态的PT故障相注入信号的方法，有以下优点1不需要增加任何一次设备；2均不会对系统运行设备产生任何不良的影响；3注入信号仅仅流向接地线路接地相，注入效率高；4信号发生设备与一次强电系统之间通过PT电磁藕合，没有直接电的联系，不用考虑绝缘问题，使控制和信号发生设备都比较简单；5装置的接线十分方便；6注入信号电流的强度基本不受接地点过渡电阻的影响。412从中性点注入信号法的提出如图43A以中性点不接地配电系统为例进行分析。假设A相经过渡电阻接地，序网如图43B。因中性点不接地，系统较小的分布电容为故障系统提供电流回路，零序阻抗很大，所以故障电流很小，这是中性点不接地系统突出的优点，但很小的故障电流不利于故障的检测，当过渡电阻较大时，零序电流更小。为了检测故障，在不影响系统故障电流较小这一优点的前提下，人为增加零序电流，在图43B中J、K两端加一理想电流源。根据叠加原理，系统正序电源提供的电流不变，但系统中实际流动的电流为两个电源提供的电流之和。为便于探测，外加的零序电流的频率应与电力系统的固有频率完全不同。图43A中性点不接地简单系统图43C为注入信号源作用下的序网图。从注入信号源看进去，系统总阻抗与中性点直接接地电力系统发生单相接地故障时的总接地阻抗相当。这样，注入电源的端电压不需很高就能为故障系统提供较理想的零序电流，供故障检测用。注入电流的大小根据检测该电流所需强度而定。应用对称分量法，把各序电流转换成相电流，即可得到系统中各相电流。系统中各点三相电流的向量和构成剩余电流。对于故障线路或故障分支，注入电流在外加电源和故障点之间有流通回路，剩余电流等于注入的信号电流；对于非故障线路，注入电流只能通过分布电容流通，所以剩余电流为零。因此，根据各条出线剩余电流的大小即可选出故障线路。在故障出线的首端测量外加电源的电压和电流，可计算出测量点和故障点之间的回路阻抗，继而可求出故障距离。图43BF点单相接地故障序网图XS3S2XS0C03RGVJKS3XS3S2S2SXS0图43C）注入信号作用下序网图ABC图44从中性点处注入信号的几种方式从中性点处将信号注入故障系统，可有以下几种方式将注入信号藕合到故障一次系统A从开口三角处；B从消弧线圈处；C从Z形变压器中性点处；如图44所示。此种方式要求信号源的阻抗应足够大，以减小注入信号源对电力系统的影响和信号的注入效率。由于接地故障时，中性点电压升高到相电压或更高，配电系统对信号源的绝缘要求较高，不宜采用这种方式。42注入信号源不管哪种方式将注入信号耦合到故障一次系统，利用注入信号进行故障检测和定位，都不应影响配电系统的正常运行，也不能影晌信号耦合设备的正常运行。因此，注入信号源应满足一些特殊要求，它只能向系统提供幅值较小的注入信号。为便于检测，信号源的频率必须与电力系统的固有频率完全不同。由于信号耦合设备容量的限制，加之信号功率源本身受技术、经济性的制约而不可能做的很大，注入信号源的强度以便于检测而定，选择注入信号电流效率高的信号源。421信号源及其功率注入信号源及其功率容量的选择应以精确性、可靠性、方便性、经济性为目标。在信号功率源注入及调节方便、功耗小的原则下来选定信号源。以线路发生最不理想故障高阻接地及衰减度最大的情况下，保证线路探测节点能够可靠检测出信号电流为原则来确定注入信号源的功率。注入信号源可选用信号恒流源和信号恒压源。在保证线路上电流一致的情况下，使用恒流源注入时其输出功率小于采用恒压源方式，这样功率便于调节，装置也易于实现，且从经济上功耗及制造成本考虑，使用恒流源较为优越。422注入信号电流的频率电力系统运行中，谐波的存在是不可避免的，而且强度也可能比注入信号高的多，为避免电力线中谐波电流产生磁场的干扰，注入信号的频率的选择必须有利于躲过工频及其各次谐波的干扰，从检测注入信号的角度考虑，与工频之比尽可能大，这样受基波影响较小，注入信号易于检测；为减小系统分布电容的影响，注入信号的频率亦不能太高。根据上述原则，信号源的频率必须与电力系统的固有频率完全不同，上面介绍的两种注入信号加入到故障系统的方式采用了不同的信号频率。从PT故障相注入信号的方式，将信号源频率取在工频N次谐波与N1次谐波之间N为正整数，称为第一种信号源。理论上，N可取任意值，实际上，若N取值较小，信号源频率与工频相近，不利于从较强的工频故障电流中提取较弱的诊断信号电流。若N取值较大，一方面，系统分布电容容抗，由于信号频率高而变小，分布电容对信号电流的分流增大，故障线路上流动的信号电流就变小，不利于信号电流的检测。另一方面，线路感抗由于信号频率高而增大，不能再忽略不计，也使故障线路上流动的信号电流变小，增加了注入信号的检测难度。从中性点注入信号的方式，将信号源频率取为工频150倍，称为第二种信号源。由于多数非线性电力负荷产生奇次谐波电流，这些奇次谐波电流也在故障线路中流动，为便于提取注入电流，所以信号源频率取工频偶次谐波。信号源可近似看作一理想电流源，也就相当于开路；从信号源角度看，故障回路呈低阻抗回路如图63C；即信号源向一低阻回路提供电流，该电流从变电站沿故障线路到故障点经大地返回。可见，较低电压的信号源就能向故障系统提供较大的零序电流，如对于低压400V系统，不到50V的信号源电压就能向系统提15A的零序电流，分布电容的影响可忽略。这种方式当不能忽略分布电容的影响时，由于信号源频率较高，分布电容的分流将使故障线路上的诊断信号电流较小，有可能小到无法探测。所以该种信号源635KV的中压配电系统中不适用。423注入信号的探测注入信号电流与故障电流相比小得多，同时故障线路中仍有负荷电流流通，注入信号电流与负荷电流相比也小得多。单相接地故障电流和负荷电流均由工频及其各次谐波构成。为此，必须采取适当的措施探测该信号，并使探测器对注入信号的频率有非常高的灵敏度。注入信号可通过零序电流互感器测量，也可通过测量注入信号产生的磁场而得到。1磁场探测法根据电磁感应原理，导体中通过电流时，会在导体周围产生磁场。因此，通过测量配电线路周围的磁场可以检测到注入信号。配电线路周围的磁场比较复杂，有工频电流产生的磁场，有注入信号电流产生的磁场，也有电台等产生的高频磁场。对工频电流和注入信号电流来说，线路周围的磁场是三相各自磁场的合成，而不是真正独立的零序电流所产生。在线路下方测量注入信号产生的磁场得到的注入信号为零序量。设导线位置为（D，H），测量点位置为PX，Y，导线产生的磁场为43式中，I为导线的电流；为导线到测量点的距离；为自由空间的导磁率。磁场BX，Y与以导线为圆心以为半径的圆相切。将其分解为水平分量和垂直分量、，则4445三相的合成磁场强度水平分量和垂直分量为4647当水平方向靠近线路时，可忽略垂直分量，则P点的合成磁场强度为48磁场法探测注入信号，是通过感应线圈在空间接收注入信号电流产生的磁场，接收到的是注入信号的零序量。该方法的优点是不受现场是否安装了零序电流互感器的限制。在我国，大多数的小电流接地系统仅装两相CT，使基于零序电流故障量的单相接地故障选线定位保护的应用受到限制。因此，用磁场探测法探测注入信号电流能应用于任何配电系统。磁场探测法在“TY系列通用小电流接地系统单相接地选线与定位保护“中成功应用。但是通过天线接收该磁场信号，易受干扰，特别高频信号和冲击信号。2零序电流互感器探测法使用特殊的CT对上面提到的第二种信号源注入的信号电流进行探测。所使用的特殊CT只对注入信号电流敏感，铁芯的BH曲线具有很平坦的饱和特性。调节CT的二次负荷，使铁芯在工频电流激励时饱和，而在注入信号激励时不饱和。CT二次感应电势为49式中，F激励信号电流的频率；NCT二次线圈的匝数；S铁芯截面积；磁通密度的极值。这样，具有1050倍工频频率的注入信号激励下的二次感应电势比工频电流激励下的二次感应电势大10倍以上，能有效地分离出注入信号。对第一种信号源，其注入信号频率不高，注入信号在故障一次系统中流通，注入信号电流也经过零序电流互感器CT的一次侧而感应到零序电流互感器的二次侧，通过配电系统使用的测量零序电流互感器也能探测到注入信号电流。因此，本文提出通过配电系统使用的零序电流互感器探测注入信号的方法。由于零序电流互感器自身有抗冲击的能力，用零序电流互感器探测注入信号比磁场法探测注入信号抗冲击和高频干扰能力都有所提高。用零序电流互感器探测注入信号电流适用范围有一定的限制，因用零序电流互感器作传感器，所以只有安装了零序电流互感器或三相电流互感器的配电系统才能采用这种探测方法。在两相电流互感器接线的小电流接地系统中只有加装B相电流互感器才能适用。为弥补该缺点，采取两种探测方法兼用。这样，既提高了抗干扰能力、抗冲击能力，又具有适应性。43本章小结注入信号法选线定位原理以及基于该原理的选线定位保护己成功应用并且取得了很好的效果，本章从注入信号电流法的提出入手，做了以下工作1用对称分量法对注入信号作用于故障系统进行了分析，指出是注入信号的零序分量对故障检测起作用，注入信号法实质上是单相接地故障时人为增加了零序电流。2讨论了注入信号的探测方法。对注入信号的探测可以通过注入信号电流产生的磁场探测，本文提出也可以通过零序电流互感器探测。两种探测各有优缺点，可视现场具体情况选用。3分析了影响注入信号电流在故障线路中流通的因素。分析了过渡电阻、系统中性点接地方式、系统电压等级等对故障线路中注入信号电流的影响，指出影响故障线路中注入信号电流的主要因素是过渡电阻和系统分布电容。4初步分析了注入信号电流的相位特征。由于故障线路和非故障线路中注入信号电流流通回路中的阻抗不同，相位也不同。但受过渡电阻的影响，过渡电阻较小时，两者的相位相反，过渡电阻大于一定值，该关系不再成立，可据此判断系统是否