小电流接地保护新原理的研究及微机型保护装置设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 小电流接地保护新原理的研究及微 机型保护装置设计 摘要：介绍了小电流接地保护的 一般做法，研究和探讨了小电流接地保 护的新原理，并设计了微机型小电流接 地保护装置。 中国论文网 /2/view-12895842.htm 关键词：小电流接地保护;微机 型保护 Abstract: this paper introduces the small current grounding protection general way, studied and discussed the small current grounding protection new principle, and design a microcomputer type small current grounding protection device. Keywords: the small current -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 grounding protection; Microcomputer protection type 中图分类号：S611 文献标识码： A 文章编号： 1 引言 在我国，66 kV 及其以下电压等 级的供配电系统都采用小电流接地的工 作方式。所谓小电流接地系统就是指中 性点不接地系统或者经消弧线圈接地系 统，它的优点在于接地电流小，瞬时接 地可以不引起开关跳闸，相对地说供电 可靠性高。但是小电流接地系统中经常 发生单相接地故障，发生故障时，因故 障电流小，使得故障选线较困难。为了 找出故障点，必须采取排查的办法，使 用依次断开线路开关的方法找到故障线， 这样必然影响到供电的可靠性。所以， 小电流接地系统也需要研究新的检测和 运行机制，以减少故障的处理时间，提 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 高供电的可靠性。 2 小电流接地系统新原理的研究 1.1 小电流接地系统的技术现状 小电流接地系统的类型一般有 三种：一是中性点不接地系统；二是中 性点经消弧线圈接地；三是中性点经电 阻接地系统。这三种类型都涉及到故障 选线问题，选线问题是技术难点和关键。 目前常用的选线方法有以下几种1： （1）5 次谐波法。由于配电网 中 5 次谐波的含量非常丰富，所以可以 用 5 次谐波分量为选线依据。该方法虽 然在我国应用较多，但效果并不理想， 因为谐波分量较基波分量小很多，检测 不精确，灵敏度低。 （2）有功分量法。系统中存在 消弧线圈电阻、线路电导等有功分量， 检测这种分量可作为选线依据。这种方 法主要利用零序电流有功分量，问题在 于当线路及消弧线圈的电阻较小时，零 序电流的有功分量较小精度不高，容易 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 误选。 （3）零序导纳法。这种原理是 通过零序导纳数值在导纳平面上的分布 判断是否发生接地故障，由于判断电导 符号的实质就是判断有功方向，也可以 认为它是有功分量法的一种扩展，是有 功分量法的改进和升级。 （4）基于扰动原理的选线方法。 该方法原理是发生单相接地故障后，微 调消弧线圈的脱谐度，这样接地点的残 流相应改变，故障线路的零序电流也随 之改变。 （5）注入信号法。其原理是通 过电压互感器，该信号感应到系统一次 侧，并通过接地点构成回路，可以在配 电网出线端检测注入信号的强弱判断故 障线路。该方法曾在我国大量应用，对 金属性接地和低阻接地取得了较好效果， 但是辨识高阻接地的能力较弱。 （6）基于暂态信号的选线方法。 这种方法基于接地故障多数发生在相电 压接近最大值处这一前提条件，但在相 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 电压过零点附近时，首半波电流的暂态 分量很小，加上过渡电阻的影响，易引 起方向误判。 1.2 基于灰色理论的新原理 上面已经介绍了六种常用的选 线方法，这些方法在一定条件下都可以 发挥其作用，然而又不同程度地存在着 一些不足，本文旨在择中选优，再结合 一些新的技术手段，形成小电流接地系 统选线的新原理。 一种基于灰色理论的暂态零序 电流比较的小电流接地选线系统。灰色 理论是指不完全信息状况下对所要分析 的各因素通过一定的数据处理，在随机 的因素序列间找出它们的关联性。这种 关联性即灰色关联。 考虑 2 个灰色关联数列：参考 序列及比较序列，且关联系数定义如下 2： （1） 假设分辨系数 为 0.5，那么参 考序列和比较序列关联度可如下定义： -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 （2） 式中：表示参考数列和比较数 列之间的关联程度。所有的组成可以构 成一个关联度矩阵 R。 （3） 考虑故障支路与健全支路之间 的关联性，引入绝对关联度： （4） 那么参考序列和比较序列之间 关联度有如下关系： （5） 利用（5）计算各支路间的灰色 关联度，重新获得如下关联矩阵： （6） 据（6）可计算出各支路与其他 支路的平均关联度： （7） 计算平均关联度差值之和： （8） 定义： （9） 利用可评估故障支路和健全支 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 路平均关联度差值，对于 n 支路的配电 网，故障线路的约等于，健全线路的约 等于。所以只要该系统馈线数大于 3， 就可以明显区分出故障线路和健全线路。 1.3 基于暂态零序电流比较的选 线系统工作原理 如图 1 是单相接地故障的零序 网络等效图，是故障点虚拟电源在零序 网络上的压降；分别为第 j 条健全线路 (ji)或者故障线路(j=i)故障点到母线之 间的零序线路电感、电阻和分布电容； Dj 为各出线检测点；L 为消弧线圈零序 电感；n 为系统出线数。 图 2 所示为有 4 条简单出线、 中性点不接地系统的典型相频特性示意 图。 图 1 单相接地故障的零序网络 等效图 图 2 不接地系统零序网络相频 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 特性示意图 可以证明3，在 SFB 频带范围 内，零序电流存在 2 条分布规律：故 障线路零序电流幅值最大；所有健全 线路零序电流极性相同，而故障线路与 之相反。利用这 2 条分布规律选择故障 线，并对所有线路的零序电流进行滤波 处理以提取其中的 SFB 频率分量。 然后确定暂态过程的起始和结 束时刻。暂态过程起始时刻可确定为故 障发生时刻。从 SFB 分量末尾向前搜索， 第 1 次超越预设阈值的时刻即为故障结 束时刻。 接着进行选线。有 3 种选线方 法：通过比较零序电流 SFB 分量的幅 值大小确定故障线路；故障线路和健 全线路的极性相反，可作为选线依据； 综合比较幅值和极性。第 3 种方法克 服前面 2 种方法的局限，选择幅值最大 的若干条(不小于 3 条) 线路再参与极性 比较。 暂态零序电流比较的小电流接 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 地选线系统选线的计算依据是零序容性 电流方向，即暂态零序电压、电流间的 方向关系。定义参量为： （10） 对健全线路有： （11） 对故障线路有： （12） 式中：Ch 是故障线路检测到的 背后等效电容。 （11）和（12）表明，参量与 电流、电压变化率成正比，其极性代表 了暂态容性电流的方向，因此可作为保 护用参量。为防止健全线路电流微弱， 易受干扰影响发生误动，故保护判据可 定为： （13） 式中：为整定值。 令 （14） 式中：为工频频率，为金属性 接地故障时零序电压和整个系统零序电 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 流的工频稳态值。为了充分利用故障后 所有暂态信息及增加抗干扰能力，可对 参量从故障起始时刻开始进行积分，得 到参量为： （15） 其中 （16） 显然，对任何一条线路，的幅 值都随时间增加呈单调上升趋势。但在 任何时刻，故障线路的幅值都大于健全 线路且极性相反，即故障线路为负而健 全线路为正。因此，保护判据也可定为 （17） 2 微机型小电流接地保护装置的 设计 2.1 设计原理 信号取样和计算的原理可以表 示成下面的流程图： 图 3 信号取样和计算的原理 图 4 是微机型小电流接地保护 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 装置的设计原理图。系统中 U、V、W 三相母线上的电压互感器 PT 开口三角 侧，取出零序电压，经小变压器降压后， 其 U0 信号送入接地选线模块 M1、M2；从同一段母线引出的各馈出 线上的零序电流互感器 CT 二次侧，取 出零序电流，经负载电阻 R 进行 IU 变换后，其 I0 信号依次送入选线模块 M1 或 M2(每个模块可接多至 8 路 I0)。 M1、M2 依据内部设定的电路和时序判 别法则，鉴别出接地故障线路，发出信 号，通过驱动电路直接发出声光报警， 用发光二极管指示并记忆故障线路(也 可引出断路器跳闸命令)，数字显示故 障线路编号。如有必要，还可通过接口 电路将信号输给工控单片机，进行数据 处理，实现自动打印记录、汉字显示、 语音报警，并与计算机网络通信。 虚线框内的配置可以简化或去 掉。 图 4 微机型小电流接地保护装 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 置的设计原理图 2.2 选线模块 图 5 是微机型小电流接地保护 装置的选线模块原理。该选线模块主要 由零序电压信号处理电路、零序电流信 号处理电路、时序鉴别器(这里由两片 CPLD 构成，也可由单片机构成)、接地 选线信号输出电路以及单片机接口电路 (STD 总线)组成。在模块内，零序电压 u0 电路再分为两个支路：一路经滤波、 移相、整形和光电隔离，变成基准零序 电压 U0J 作为时序鉴别的参考信号；另 一路经滤波、移相、鉴幅、整形和光电 隔离，变成 U0f，作为零序电压的比幅 信号。各路零序电流 i0 的电路经滤波、 移相、鉴幅、整形、光电隔离后，变成 相位和脉宽可变的信号 I0。U0J 和 1 至 8 路 I0 方波信号分别送入时序鉴别器。 时序鉴别器依据设定的时序鉴别法则分 别判断出各线路是接地故障线路还是健 全线路。由图 3 中可以看出，经时序鉴 别器输出的接地故障线路选线信号，可 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 直接经驱动器进行音响报警、灯光指示 与数字显示；也可以经 STD