小电流接地系统单相接地暂态零序量分析与选线方法研究

1、. 郑州大学硕士学位论文小电流接地系统单相接地暂态零序量分析与选线方法研究姓名：陈帆申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：蒋建东201105 。 瓵.; 课题 的 研 究 背 景在发 生 单 相 接地短 路时 ， 由于系 统的 中 性点 与地没 有 直接相 连 ， 无 法形 成短 路回 路， 故 障 电流 只流过 线 路对地电容 形 成的 容 性回 路， 因此 电流 的 数 值 比 较小很难启动 保 护 装置立 刻 跳 闸 ； 并 且故 障 时的 各 相 线 电压 之 间 仍 保 持对称 ， 系 统可 以 在这种 情况下继续运 行 ， 所以 使 用小电流 接地系 统对于系 统供

2、电可 靠性 的 提 高 有 着积 极 的 意义 【 。但是 使 用 小电流 接地系 统， 当 单 相 接地故 障 发 生时， 没 有 接地电荷的 疏导 回 路， 间 歇性电弧接地聚集 的 电荷难以 流入 地中 ； 故障 相 的 电压 变低而其它 相 的 电压 变为 线 电压 ， 引 起 中 性 点 对地电压 发 生 偏 移 。这些 因素会引 起 过 电压 ， 严 重时可 能 破 坏 系 统设 备 的 绝 缘 ， 导 致 接地故 障 扩大化 ， 降 低电力 系 统的 运 行 可 靠性 。为 了 利于熄 灭 接地时 产 生 的 各 种 电弧， 系 统中 性点 可 以 采 用经 过 一个 电感线 圈

3、 接地的 补偿 方 式 ， 大大降 低了 接地点 故 障 电 流的 幅 值， 有 效的 对 接 地时的 各 种 电弧 产生抑制 作用 。电、 化 工 、 钢 铁 用 电中 主 要使 用 中 性 点 不 接 地系 统 ， 因此选 线 原理 简单 ， 使 用基 波 无功 方向 法； 德 国使 用经消 弧 线 圈 接 地系 统 ， 并提 出 了 反 映 接 地故障 暂态过 程 的 首 半 波 接 地保 护 理 论 ； 俄罗 斯 具 有 代 表 性 的 选 线 理 论 是 无功 功 率方向 理论 。 在 世 纪 年 代 初， 国外 已 将人 工 神 经网络 应 用 于 接 地选 线 ， 并有 文 献提

4、 到 应 用专家 系 统 等新 方法【 。 本 文 的主 要 研究 内容 利用 单相接地故 障 时产生 的 工 频稳态 信号 或 者 高次 谐 波信号 来选 线 的 技 术称 为 稳态 选 线 技 术 。 稳态 选 线 方 法 对 金 属 性 单相接地故 障 选 线 的 正 确 率 比较高 ，但 是 由 于 接地故 障 零序 信号 微 弱 ， 容 易受 到线 路长短 和 接地过 渡 电 阻 的 影响，在 中 性 点经 消弧 线 圈接地系 统 中 无法 使用 ， 且不能有 效 判 断 电 弧 接地故 障 。 下面介绍 几 种 常用 的 选 线 方 法 。电 流 的 关 系 如下 一 。 的 数

5、值最 大； 畲 驛 法 厶 乙 有 补 偿 作 用 ， 既 。 敲 磌 次 谐 波电 流 则 满 足 如下 关 系小电 流 接地系 统 中 发 生 电 弧 性 接地时， 由于 电 弧 的 周 期 性 变化 容 易引起 接地回路的 振 荡 ， 接地电 流 的 大小 和 方 向 也随 之作 周 期 性 的 变化 ， 此时很 难 进 行选 线 。 如果 对 各线 路的 零序 量进 行比较， 则 会使 测量装 置的 接线 变得复 杂， 无法 与馈线 保护 相结 合 ， 在 现场 终 端单元 上 安 装 也不方 便 ， 文 献 【 】分析了系 统中 发 生 单相接地时的 负 序 电 流 特 征 ， 如图

6、 所示 。 ， 用 电 流 中 的 有 功分量【 】选 线 的 基本 原理如下 ：由 于 只能通 过接地的 线 路测出 电流 的 有 功分量， 因此只要 选 择一 个参 考 向 量， 从 接地电 流 中 把线 路的 有 功电 流提 出 出 来， 就 可以 用 于 辨别 出 接地线 路， 这种 方 法 法 适 用 于 经 电 阻 接地系 统 和部 分谐 振 接地系 统 。 由于 线 路的 结 构 参 数 并 不完全不对 称 ， 尤 其是 在 不接地网络中 ， 接地电 流 中 的 有 功量的 数 值更 小， 检 测灵敏 度不高 。 将消弧 线 圈两端并联 电 阻 虽 然 可以 增大系 统 中 的

7、有 功电 流 含 量， 但 是 同 时增大了接地故 障 电 流 ，对 故 障 点绝缘 水 平 提 出 了更 高 的 要 求。导 纳的 【 】原理如下 ： 陬 一 期 ， ， 上 提 高 了选 线 选 线 ， 但 由 于 系 统 的 零序 故 障 量均 比较小 ， 也有 可能导 致误判 。主机 的 信号 发 生 器 通 过三 相电 压互感 器 的 副 边 实现特 定 频率 的 电 流 信号 注入到系 统 中 ， 信号 探测器 监 测各条线 路的 出 线 电 流 。 主机 根据 接地前后中 性 点的 电 压的 变化 ， 将信号 注 入系 统 ， 由于 故障 线 路接地相互感 器 被 短 接， 原边

8、 会出 现感 应 信号 电 流 ， 信号 电 流 经 过故障 线 路和 接地点形 成 的 回路流 入大地， 出线 电 流 中 含 有 特 定 频率 的 信号 电 流 ； 而 非故 障 线 路没有 接地点无法 形 成 导 通 的回路， 出 线 电 流 中 无法 检 测到特 定 频率 的 信号 电 流 。 该 方 法 受 系 统 接地方 式的影响较小 ， 没有 利用 到零序 电 流 信号 ， 故 不用 再 额 外 装 设 互感 器 。 但 在 实 际 中 ，受 电 压互感 器 的 容 量限 制 ， 注 入的 信号 能量不能太大， 当故 障 点的 接地电 阻 较大时， 线 路的 分流 作 用 会影响

9、选 线 。 为 了减小 线 路的 分流 作 用 ， 可以 降低 注 入信号 的 频率 ， 但 降低 信号 频率 后对 于 信号 的 探测非常不利， 需 要 额 外 增加 检 测系 统 ， 增加 设 备复 杂性 和 选 线 成 本 。 在稳态 选线 方法 中 有 幅 值 、相 位 法 ， 同样可以 利用 暂态 信号 的 幅 值 、相 位选线 ， 暂态 幅 值 法 定 义 各 条 线 路出 线 的 暂态 电 流 中 幅 值 最 大的 线 路为 故障 线 路，暂态 相 位 法 通 过比 较 各 个 线 路的 暂态 电 流 之 间 的 相 位 关 系 ， 与 其它线 路的 相 位均相 反 的 线 路即

10、为 故障 线 路。 暂态 幅 值 、相 位 法 选线 实 现 起 来比 较 简 单 ， 但是需 要 进 一 步 在 理 论 分 析方面进 行研 究 。 与 其他信号 处 理 方法 相 结 合 。图 行波 选线 原理 图 系 统中 发生接 地故障 时 的 信号 常 常 为 非 平 稳的 信号 ， 包 含 各 种 干 扰 信号 ，对 于非平 稳信号 的 分 析， 无法 使 用 傅里 叶变 换 的 方法 ， 傅罩 叶变 换 只能 单 独对时 域 或频域 进行分 析， 并且 频窗宽 度固 定 。 而 在实 际 的 应 用 中 ， 常 常 希 望信号的 窗口 宽 度能 随频率 的 变 化而 改变 ， 在

11、频率 低的 地方希 望窗口 较 窄 ， 在频率 高的 地方希 望窗口 较 宽 。而 小波 法 【 】则 可以 满足 这样的 要 求 ， 同时 进行时 频分 析， 可以 聚焦 到 微弱信号 的 任何 细 节 。 基 于小波 技术的 选线 方法 ， 主要 是 通 过小波 变 换 ， 把各 线 路电 压 或电 流 在某 一 频带 内的 分 量 提 取 出 来， 比 较 提 取 的 信号 量 的 差 异 ， 选择 故障线 路。 小波 法 实 际 上实 现 了对 暂态 信号 的 一 种 分 频细 化， 将 暂态 信号 分 解为局部 分 量 和 细 节 分 量 ， 利用 含 量 很 少 的 局部 分 量

12、或者 细 节 分 量 进行选线 ， 对 暂 阵， 根 据 这 些 元 素 所反映 的 可能 性 进行 选 线 。文 献 将 数 学形 态 学应用 于选线 ， 小 电 流接 地时 的 信 号中包 含有 各种 噪声， 首 先用 形 态 滤 波 器 滤 除白 噪声以及尖 脉冲 的 影 响 ， 然 后用 形 态 学因 子 ， 确 定 信 号的 突变 方 向 和突变 强 度 ， 根 据各线 路 这 些 量 的 差 异进行 选 线 。这 种 方 法 的 计 算量 明显 减 少 ， 对 采样 点的 要 求 本章 小 结在分析 目前 已 有的 各种 选 线 方 法 之后， 可以 看出 ， 由 于在小 接 地系

13、统中发生单 相接 地时 的 情况 复杂 多 变 ， 而且 接 地稳 态 信 号微 弱 ， 容 易 受 到 各种 外界信号的 干 扰， 目前 提出 的 多 种 稳 态 选 线 技 术 多 数 对 故 障 时的 信 息量 没 有进行 充 分的 利 用 ， 选 线 方 法 受 各种 条 件 的 限 制 无法 适用 于所有 的 故 障 情况 。稳 态 法 在中性 点经 消 弧线 圈 接 地系统中无 法 使用 ， 且 不 能 判 断 瞬时 性 、间 歇 性 电 弧接 地故障 。暂 态 充 放电 过 程 中含有 丰 富 的 信 息量 ， 对 这 些 暂态 信 息量 进行 利 用 ， 可以克 服稳 态 方

14、法 信 息量 单 一 的 缺陷， 提高选 线 灵敏 度 。由 于暂 态 过 程 可以 忽 略 消弧线 圈 对 信 号 变 化的 影 响 ， 因 此 不 但 可以 判 断 稳 定 性 接 地， 还 可以 对 瞬时 性 、间 歇 性 接 地进行 判 断 。虽然 暂态 信 息的 数 据 计 算量 比较 大， 需 要 更加快 速 的 数据 采集 、处理 速 度 。但 从提高接 地选 线 灵敏 度 的 角度 而言 ， 分析 研 究接 地的 暂态 过 程 ， 利 用 暂 态 量 进行 选 线 会有 效 的 改 善选 线 的 精度 。 方 法， 最 早 的 研 究 是 通过电 力 系统 的 实 验室 进 行

15、物 理 模拟 。 物 理 仿 真 是 把实 际的 监测、控 制 系统 按 照一 定的 比 例 缩 小 组 成一 个物 理 模型。 这 种在实 验室 中 搭建的 系统 可 以 对 各 种 结 构的 电 力 系统 进 线 模 拟 。 在实 验室 进 行物 理 模 拟 实 验，直观 明 了， 物 理 意义 明 确 ， 但是 元件 模型费用 高， 搭 建周 期 长， 可 以 搭 建的 系统 规 模 有限， 无法模 拟 结 构复 杂 的 系统 ， 接线 方 式 也 难 以 改 变 。 随 着计 算 机 技术 和 各 种 数 学 计 算 方 法的 发展， 电 力 系统 的 仿 真 方 法日 益完 善 ，

16、出 现 了如 小电 流 接 地系 统暂态 零序 帚 分 析 小电 流 接 地系 统模 型 小电 流 接 地系 统暂态 零序 量 分 析负 荷 图 小电 流 接 地系 统示 意 图如 图 所 示 ，三 相 双 绕组变 压 器 模 型 使 用 单 相 的 变 压 器 来 实现。 变 压 器 小电 流 接 地系 统暂态 零厅 量 分 析变 压 器 实际 参数有 ： 额 定 容量 鼠 疃 缪 筀流 百 分 数 。 模 型 中 各参数的 计算 公式 如 下 ：硝 三 生一 表 变 压 器 模 型 参数 小电 流 接 地系 统暂态 零序 量 分 析雪口 叫 罚 籲 图 输电 线 路 模 型 图电 阻 痥

17、，线 路 零序 电 阻 痥 呗 氛 虻 绺 雄 痥 ，线厂 为 ，正 序 电 阻 羁 为 ，零序 电 阻 痥 ，正 序 电 感 厶 为 痥 ，各条 线 路 的 长度 分 别取 、 。表 线 路 各序 参数电 容 功 率 尸为 绺 行 晕 薰 蔘 为 零，电 容性无 功 功 率 为 零。图 消 弧线 圈模 型 图 小电 流 接 地系 统暂态 零序 量 分 析 后肹 盘，一流 经消 弧线 圈的 电 感 电 流 ； 一电 网 对 地电 容电 流 的 总和。 弧 馡图 小电 流 接 地系 统故 障 仿 真 模 型 图 中 的 仿真 算 法 通常 包括有： 可 变 步 长 畇 类型 算 法 和 固线 性

18、 化 程度 高 的 系统 ，由 于计算 速 度 快被 选 为 默认 的 算 法 ； 是 一 种 变 阶 数 算 法 都 是 对 系统 模型 的 离散 数据 进行 求解。 对 系统 进行 仿真 时 ，如果 输出点数过 少，容 易造成 输出曲 线 不 光 滑 ，甚 至输出曲 线 ，曲 线 改 善 效果 比使用 减 小步 长方 式 的 效果 更 好，精 细 输出 不 能 适用 于固 定步 长方 式 中。 小电 流 接 地系 统暂态 零序 量 分 析 接 地故障特 征 单相 接 地故障特 征 小电 流 接 地系 统暂态 零序 龟 分 析 只 叫 玎 阂 恢 鲥饥 妄 一 毋 由 于 整个 系 统的 喽

19、 缘 氐 缪咕 湮A 悖珹 相 被 短 接 对地电 容 电 流 也变为其 有效 值为 。 趌 毋 小电 流 接 地系 统暂态 零序 龟 分 析 竞 缓 ，。线 路 本身 对地的 电 容 电 流 ， 电 网 中 的 任 何正常 线 路 均 满 足 这一 条 件。的 零序 电 流 为回 ， 得到电 流 为 小电 流 接 地系 统暂态 零序 量 分 析 皇 曼量曼曼曼皇 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓 曼曼曼曼鼍曼鼍曼曼皇 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇 曼曼曼皇 曼曼曼曼量曼曼量璺曼曼皇 皇 皇 曼曼曼曼曼曼曼皇 曼曼皇序 电 压为 砜， ， 利 用这个 零序 网 络 图 ， 可 以方 便 地得到各 条 线 路

20、 的 零序 电 流 的，一，。；、图 叠 加原 理 分 析 故障示意 图图 单相 接 地时 的 零序 等 效 网 络根 据 以 上分 析 可 以 归 纳出接 地短 路 时 网 络 中 零序 电 流 的 特 点 如 下 ： 小电 流 接 地系 统暂态 零序 分 析 单相 接 地故障特 征 蔡聖； ，白 毒妻 溶· 粄 籌 一 厶 。 一 ，豁一 狶 ： 一 ÷ 】 髟 小电 流 接 地系 统暂态 零序 量 分 析白，氛在实际 系 统中 ， 常 常 根 据电 感 线 圈 对 容 性 电 流 的 补偿 作 用 的 大 小主 要 有 过 ， ， 此 时 流 过接 地点 的 电 流

21、以 感 性 电 流 为 主 ， 使 用 这 种 方 法不 会 像其它两 种 方法一 样容 易造 成 串 联 谐振 ， 在实际 中 主 要 使 用 这 种 补偿 方 式 。 小电 流 接 地系 统暂态 零序 鼍 分 析 小电 流 接 地系 统暂态 零序 量 分 析 小电 流 接 地系 统暂态 零序 龟 分 析图 疚 P痴 窠 拥叵 低 中 发生单 相 短 路时 各线 路的 零序 电 流波 形 ， 故 障 线 路的 零序 电 流 幅 值最 大 ， 与其他 两 条线 路的 零序 电 流 幅 值没 有 固定的 关 系 ， 且故 障 线 路的 零序 电 流 相位 与其他 两 条线 路的 相位 也 不呈

22、现 特 定的关 系 。 故 在中 性 点 经消 弧 线 圈 接 地系 统中 ， 由于消 弧 线 圈 电 感 电 流 的 补偿 作 用 ，利用 零序 电 流 幅 值和 相 位 进行 选 线 将 会 不 准 确 。 小电 流 接 地系 统暂态 零序 量 分 析 小电 流 接 地系 统暂态 零序 量 分 析 琓 薹 本章 小结本章 首先对 小电 流 接 地系 统的 仿 真环 境 进行 介绍， 根 据 中压系 统的 实 际 情 况， 对电 源、变 压器 、线 路 以及 负 荷等 小电 流 系 统主 要部 分 进行 建模， 得到 了 小电 流 接 地系 统的 仿 真模型。 然后简 要介绍了 仿 真运行

23、需要的参 数 设 置 ， 详 细介绍了 不 接 地系 统 约靶 痴 窠 拥叵低 稳 态 运行 时的 零序 电 压量 、电 流 量 特征 。 最 后根 据 已 建立 的 模型， 对 蚇 中单相 接 地过程 的 零序 电 压、 零序 电 流 、零序 功率 以及 五次 谐波 进行 了 仿 真， 仿 真结果 表 明 了 该 模型的 准确 性。 时 的各 种暂态 特征，利用 各 线路暂态 信 号 的不 同，构 造 选 线判据 ，并进 行 方法图 暂态 接 地等 值 回 路民 搪 研 例 。 衰 减 。实 际 中 的架 空线路的波 阻 抗一般 在 ，此 时 接 地点 的电阻 通 常 可生 时 均 会 有自

24、 由振荡分 量产生 。当 矽 颍 ，即在故障 相 电压 达 到 最 大 时 发 生 接地，得到 名 。一的值 为在矿 ，在故障 相电压 为 最 小时 发 生 接 地，得到 。曲值 为对 于架 空线路，因为 蘡 詑 。如果 电网发 生 非 曼曼曼曼曼皇皇曼量皇曼量曼曼曼量皇鼍 蔓量曼曼曼曼曼曼曼量皇皇曼量皇曼曼量曼曼皇曼曼皇曼皇皇曼曼量曼曼鼍 量曼曼曼曼曼曼皇曼量周期性振荡，即樱 耸痹萏谭谋洌萏缌 鱰。为 縯 产此 时 肌在时 间 蹋 疪幅值 达 到 最 大 值 ，其 值 为丸 滋 餺， 伊 猚 縡 】 縠 气 】外 ，由于 铁 芯 饱和导 致 电感 电流 中 产生 高次谐波 分 量，其 值 随

25、 铁 芯 饱和程 度 的不 同而定 。如果 其 伏 安 特性 曲线在 曲以 下 并保持 线性 关 系，则 可以 忽略 接地故障 电流 中 的高次谐波 分 量。理 论 分 析 和实 际 结 果 表 明，消弧线圈 中 电流 暂态 过 程 的持 续 时 间 与 铁 芯 的饱和程 度 以 及 电压 初 相 角 同时 有关 。如果 初 相 角根 据 以 上分 析 ，可以 得到 接 地时 的接 地点 电流 的值 如下 攻分 量。组 成的，毛 尉 和毛 。中 均包 含有暂态 电容电流 驮 萏 绺 械 缌 鱰，前 者根 据 以 上分 析 得出以 下 结 论 ： 故障 暂态 电流 中 包 含有逐 渐衰 减 的直

26、 流 电流 ，由于 直 流 分 量的存 在，故 选线判据口 ：堕 弧一 帧：! ! 唬 图 不 接 地 系统 线路 暂态 电流波 形图 经 电阻 接 地 系统 线路 暂态 电流波 形 所示。表 不 同 故 障位 置的仿 真 结 果 在 线路 嘟拥毓 收 希 嗬 胧 锥 ， 故 障 点 的接 地 电阻 为分 别 对 初 相角 分 别 取 。， 。三 种 情 况 进行 仿 真 ， 仿 真 结 果 如表 表 不 同 故 障 初 相角 的仿 真 结 果当 线路 嘟拥毓 收 希 嗬 胧 锥 处， 故 障 的初 相角 为 。， 对接 地 点 过 渡 电阻 分 别 取 ， 三 种 情 况 进行 仿 真 ， 仿 真 结 果 如表 所示。 表 不 同 故 障位 置的仿 真 结 果 表 不 同 故 障电阻 的仿 真 结 果 表 不 同故 障 位 置 的 仿 真结果 本章 小 结本章 首先通 过 对 小 电 流接地 系 统发 生 单 相 接地 时的 暂 态量 进 行 了 分 析 ，然后 根 据 各 线 路的 暂 态零 序 电 流 变化率 的 不 同，提 出了 利 用 接 地 暂 态电 流 的变化率判 据 来区分 故 障 线 路与正 常 线 路，最后 利 用 建立 的 接地 故 障 模 型