中性点经消弧线圈接地系统的单相接地故障选线方法研究毕业论文.doc

编号 1251401109 毕业论文 （ 2016 届本科）题 目： 中性点经消弧线圈接地系统 的单相接地故障选线方法研究 学 院： 物理与机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 作者姓名： 郭 威 指导教师： 赵玲霞 职称： 讲师 完成日期： 2016 年 5 月 20 日二一六年五月目录河西学院本科生毕业论文（设计）诚信声明1河西学院本科生毕业论文（设计）开题报告2摘要5Abstract6第一章 绪论71.1 选题的目的和意义71.2发展现状及趋势81.3主要研究内容8第二章 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障原理分析92.1 单相接地故障系统零序电流稳态分布分析92.1.1 中性点不接地系统故障电流分析92.1.2 谐振接地系统故障电流分析122.2 单相接地故障系统零序电流暂态分量分析13本章小结17第三章 中性点经消弧线圈接地系统选线方法综述183.1利用电网稳态电气量提供的故障信息构成的自动选线法183.2利用电网暂态电气量特征提供的故障信息构成的自动选线法223.3其它方法23本章小结23第四章 基于Matlba的小电流接地系统自动选线仿真254.1 Matlab及Simulink简介264.2中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障模型及仿真284.2.1中性点经消弧线圈接地系统仿真模型搭建284.2.2 仿真结果分析294.3 首半波选线方法研究314.4 小波分析选线方法研究32本章总结33参考文献34致谢35河西学院本科生毕业论文（设计）题目审批表36河西学院物理与机电工程学院指导教师指导毕业论文情况登记表37河西学院毕业论文（设计）指导教师评审表38河西学院本科生毕业论文（设计）答辩记录表39河西学院本科生毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 二O一六年五月二十日4河西学院本科生毕业论文（设计）开题报告论文题目中性点经消弧线圈接地系统的单相接地故障选线方法研究学生姓名郭威所属学院物理与机电工程学院专业电气工程及其自动化年级12级指导教师赵玲霞所在单位河西学院职称讲师开题日期2015.11.11一、选题意义中性点不接地方式及中性点经消弧线圈接地方式是我国配电网中目前主要采用的两种系统接地方式。电网中，单相接地故障发生的比例占接地故障总数的80%以上。由于缺少较为可靠的选线方式，电力部门只能用逐线拉路来寻找故障回路，选线效果很难达到要求，这就严重影响了整个供电网络的可靠性。开发出可靠性强、精确度高的单相接地故障检测装置，用于精确定位故障回路进行故障选线，是电网安全可靠运行的迫切需要。解决了系统的单相接地故障自动选线问题，可以使故障线路就近跳闸，或通过馈线自动化技术中的通信网络和远动终端设备切除故障线路。二、研究动态根据小电流接地系统发生单相接地故障时的稳态量和暂态量，产生了多种单相接地故障选线的方法。但是理论分析和实际运行经验表明，它们都存在着各自的使用局限性和动作死区。因此目前任何一种单一选线方案都无法实现适应各种单相接地故障情况的100%正确选线。近年来，随着单片机技术的飞速发展及其在电力系统继电保护领域的广泛应用，出现了微机在线自动选线装置。这种选线装置通过检测发生单相接地后各条线路及系统的电气量变化提取故障特征，辨识故障线路，在保持持续供电的条件下实现自动选线功能。但在实际运行过程中，由于单相接地残流小，受零序电流互感器角度误差和测量误差及环境气候的影响，时常发生误判而达不到理想的使用效果。三、主要内容 中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，线电压保持不变，短时间内允许继续运行，对提高供电可靠性、电气设备和线路的绝缘水平、减轻对通讯系统的干扰等方面具有很好的保护作用，但其单相接地故障线路的选择一直没有得到很好的解决。随着新的数学方法的诞生和数学研究工具的不断完善，以及现代化技术的发展，在实际应用中提出了多种原理和方法。发生单相接地故障时有些故障特征比较明显，有些故障特征则比较模糊;干扰因素可能对有些故障特征影响较大，而对其它故障特征影响较小，因此经常出现误选和漏选的情况，没有得到很好的解决。通常采用的单一故障选线方法如小波变换法、5次谐波电流法和零序电流有功分量法等只能对部分故障信息进行处理，选线可靠性小。四、主要研究方法当前对小电流接地系统的仿真研究，主要集中在对各种具体选线方法的验证上，即采用计算机仿真程序建立数学模型、设置仿真参数进行离线仿真，以求取零序电流、零序电压的稳态值和暂态值。因此，采用规范的数学模型、一致的仿真参数，利用Matlab程序作为仿真的统一平台，对小电流接地系统单相故障的各种选线方法进行离线仿真，就具有一定的现实意义。论文进度安排和采取的主要措施：阶段论文（设计）各阶段名称起止日期1了解设计内容、要求，熟悉设计题目。2015.11.1-2015.11.102借阅参考书，查阅文献，收集与设计相关的资料，完成开题报告。2015.11.11-2016.1.203对小电流接地工作原理进行分析研究，并确定故障选线方法。2015.11.21-2016.2.294用MATLAB仿真软件针对各故障情况进行仿真分析并输出仿真结果。2016.3.1-2016.3.315绘制出故障选线保护的程序流程框图，编写并调试故障选线保护的相应源程序。2016.4.1-2016.4.306准备答辩。2016.5.1-2016.5.20主要参考资料和文献：1张保会，尹项根电力系统继电保护（第二版）M北京：中国电力出版社，20052李光琦电力系统暂态分析（第三版）M北京：中国电力出版社，20073李维波MATLAB在电气工程中的应用M北京：中国电力出版社，20074于群，曹娜.MATLAB/Simulink电力建模与仿真M.北京：机械工业出版社，20115庞清乐小电流接地故障选线与定位技术M北京：电子工业出版社，20106任震小波分析及其在电力系统中的应用M北京：中国电力出版社，20037李自成，刘国海C语言和MATLAB程序设计在电力谐波电流检测方法仿真中的应用M北京：科学出版社，20148孟旭消弧线圈接地系统单相接地故障选线和定位研究D武汉：华中科技大学，20129白雪松，刘震宇，王秩等小电流接地电网的一种故障选线方法J电气应用，2015，5：68-7110李自成，刘国海基于小波包分析的小电流接地系统故障选线新技术研究D济南：山东大学，200611胡鹏基于小波分析的小电流接地系统单相接地故障选线研究D株洲：湖南工业大学，201312战祥新基于Matlab的小电流接地系统自动选线仿真研究D青岛：青岛大学，2006指导教师意见：签 名： （亲笔签名）年 月 日教研室意见负责人签名：年 月 日学 院 意 见负责人签名：年 月 日摘要中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，线电压保持不变，短时间内允许继续运行，对提高供电可靠性、电气设备和线路的绝缘水平、减轻对通讯系统的干扰等方面具有很好的保护作用。但故障时有些故障特征比较明显，有些故障特征则比较模糊；干扰因素可能对有些故障特征影响较大，而对其它故障特征影响较小，因此经常出现误选和漏选的情况，没有得到很好的解决。通常采用的单一故障选线方法如小波变换法、5次谐波电流法和零序电流有功分量法等只能对部分故障信息进行处理，选线可靠性小。本文基于MATLAB仿真软件对中性点经消弧线圈接地系统的单相接地故障进行仿真分析，同时对首半波法和小波分析法进行了验证。关键词：中性点经消弧线圈接地；单相接地故障；选线方法；MATLAB仿真5AbstractPossible interference with neutral point via arc suppression coil grounding system, single-phase ground fault, line voltage remains constant, the short time allowed to continue to run, to improve power supply reliability, electrical equipment and line insulation level and reduce the communication system has a good protective effect. But the fault of some fault feature is obvious, some fault feature is fuzzy; interference factors for some fault feature greater impact, and to other fault feature is small, so it is often mistaken and missing, did not get very good solution. Usually the single fault line selection methods such as wavelet transform method, five times harmonic current and zero sequence current Flow active component method can only deal with parts of the fault information, small line reliability selection. This paper based on MATLAB simulation software to neutral via arc suppression coil grounding system of single-phase grounding fault is simulated and analyzed, also the first half wave method and wavelet transform method were verified.Key words: neutral point via arc suppression coil grounding; single phase earth fault; line selection method; MATLAB simulation6第一章 绪论1.1 选题的目的和意义 电力系统是由发电、变电、输电、配电、供电、用电等设备和技术组成的将一次能源转换为电能的统一系统。配电网是电力系统的重要组成部分，在电力系统的各环节中作为末端直接与用户相联系。一方面直接体现对用户的供电可靠性和电能质量；另一方面，配电网由于电压等级低、缺乏有效的优化运行手段，功率损耗普遍较高，是电力系统经济运行的挖潜大户。 电力系统中性点是否接地及以何种形式接地，是涉及到技术、经济、安全等多个方面的综合问题。目前处理方式主要有：直接接地、电抗接地、低阻接地、高阻接地、消弧线圈接地（又称谐振接地）和不接地。 我国的6-35kV配电网电力系统多属于小电流接地系统，又称中性点非有效接地系统。接地故障是指由于导体与地连接或对地绝缘电阻变得小于规定值而引起的故障。根据电力运行部门的故障统计，由于外界因素（如雷害、风害、鸟害等）的影响，配电网单相接地故障是配电网故障中最常见的，发生率最高，占整个电气短路故障的80%以上。当发生单相接地故障时，由于不能构成低阻抗的短路回路，接地短路电流很小，故称为小电流接地系统。它的优点在于发生单相接地故障时多数情况下可以自动熄弧并恢复绝缘。当线路发生永久性单相金属性接地故障后，三相系统的相电压与线电压仍然是对称的，大小与相位并不变化，但系统的接地相对地电容被短接，对地电压都变为零，中性点电压上升为相电压，非接地相对地电压升高原来的倍，长时间运行会破坏系统的绝缘，对接入系统中的线路、配电、变电设备等造成损害。为防止另一相再接地而引起两相短路，甚至三相短路，因而必须限制一定时间内排除单相故障。 由于故障电流小，系统可带故障继续运行一定时间，不必立即跳闸，不影响对负荷的连续供电。因而小电流接地方式可显著提高供电可靠性，同时也具有提高对设备和人身安全性、降低对通讯系统电磁干扰等优点。但长时间带故障运行，特别是间歇性弧光接地故障时，过电压（特别是弧光过电压）容易使电力设备出现新的接地点使事故扩大；同时故障电流可能使故障点永久烧坏，最终引起短路故障。因此故障后尽快选择故障线路就显得十分重要。 同时，故障电流微弱、故障电弧不稳定等原因，也造成了小电流接地系统的单相接地故障检测比较困难。目前对接地故障点的判断、选线问题一直没得到很好的解决，国内很多配电部门仍采用传统的“拉线法”。该法是通过装设在母线上的零序电压互感器来检测是否发生接地故障，若发生接地故障，则采用逐条线路拉闸观测接地指示是否消失的方法判断哪条线路出现故障。这种传统选线方法既造成了用户不必要的停电损失，也不利于人身及设备安全。1.2发展现状及趋势20世纪70年代以来，我国开始进行小电流系统单相接地自动选线方法的研究和探索。根据小电流接地系统发生单相接地故障时的稳态量和暂态量，产生了多种单相接地故障选线的方法。但是理论分析和实际运行经验表明，它们都存在着各自的使用局限性和动作死区。因此目前任何一种单一选线方案都无法实现适应各种单相接地故障情况的100%正确选线。近年来，随着单片机技术的飞速发展及其在电力系统继电保护领域的广泛应用，出现了微机在线自动选线装置。这种选线装置通过检测发生单相接地后各条线路及系统的电气量变化提取故障特征，辨识故障线路，在保持持续供电的条件下实现自动选线功能。但在实际运行过程中，由于单相接地残流小，受零序电流互感器角度误差和测量误差及环境气候的影响，时常发生误判而达不到理想的使用效果。因此如何自动检测并迅速隔离单相接地故障线路，是当前配电自动化领域的一个重要研究课题，也成为制约配电自动化发展的关键问题。解决了系统的单相接地故障自动选线问题，可以使故障线路就近跳闸，或通过馈线自动化技术中的通信网络和远动终端设备切除故障线路。1.3主要研究内容 现代电力系统是一个超高压、大容量、跨区域的巨大联合动力系统。配电网又是一个包含了很多不同电压等级的变压器、输电线路、电力负荷等设备的复杂网络。在这种情况下，进行很多电力科研实验的实验条件是很难满足的，另外系统的安全运行也不允许进行实验。因此电力系统的稳定与故障分析往往离不开仿真研究。当前对小电流接地系统的仿真研究，主要集中在对各种具体选线方法的验证上，即采用计算机仿真程序建立数学模型、设置仿真参数进行离线仿真，以求取零序电流、零序电压的稳态值和暂态值。因此，采用规范的数学模型、一致的仿真参数，利用Matlab程序作为仿真的统一平台，对小电流接地系统单相故障的各种选线方法进行离线仿真，就具有一定的现实意义。41第二章 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障原理分析2.1 单相接地故障系统零序电流稳态分布分析研究谐振接地系统单相接地故障稳态电流分布首先需要分析中性点不接地系统的电容电流分布，然后再分析系统中性点经消弧线圈接地对系统零序电流分布的影响。本节介绍了单相接地故障系统零序电流稳态分布。2.1.1 中性点不接地系统故障电流分析 实际电网中有主变压器、变电站设备及多条线路，变电站设备也都有一定的对地电容存在。用COB表示变电站设备对地电容，用CO1 、 C02表示线路1、2对地电容。则系统可由图2.1表示。当线路2的A相接地后，如果忽略负荷电流和电容电流在线路阻抗上的压降，则全系统A相对地的电压均等于零，同时B相和C相的对地电压和电容电流都升高为倍，系统电容电流的分布用“”表示。图2.1 A相接地故障网络接线图 在单相接地时，由于三相中的线电压和三相负荷电流依然对称，相对于故障前没有变化，因此不需要考虑，只需要分析对地关系的变化。A相接地时，各相对地的电压为：（2-1）由式（2-1）可得母线的零序电压为：（2-2）在非故障线路 1 中产生流向故障点的电容电流：（2-3）由图 2.1 可见，在非故障线路1上，A相电流为零，根据式（2-3）中B相和C相的电流可得到线路1出口处零序电流为：（2-4）其有效值为，为相电压的有效值。即零序电流为线路 1 本身的电容电流，方向为由母线流向线路。当电网中的线路很多时，上述结论适用于每一条非故障线路。在变电站等效支路上，由图 2.1 可见，首先有它本身上的 B 相和 C 相对地电容电流和。由于各线路的电容电流从 A 相流入，从 B、C 相流出，因此只剩下变电站支路电容电流，故：（2-5）其有效值为。即零序电流为变电站支路本身的电容电流，其方向是由母线流向变电站支路，与健全线路具有相同的特点。对于发生单相接地故障的线路 2，除了在 B 相和 C 相上流经其本身的电容电流和之外，整个系统B相和C相全部对地电容电流经A相接地点流回，其值为：（2-6）其有效值为 ，为整个系统对地电容的总和。由图 2.1 可见从故障线路2中A相流出电流为，这样在线路2出口处的零序电流为：（2-7）其有效值为。即故障线路中的零序电流，其数值等于除故障线路外全系统非故障元件对地电容电流之总和，其方向为由线路流向母线，与非故障线路上零序电流的方向相反。根据上述分析结果，可以做出如图 2.2 所示的单相接地故障零序等效网络。在接地点有一个零序电压，而零序电流的回路是通过各个元件的对地电容构成，由于线路的零序电阻远小于电容，因此可以忽略不计。图中表示线路2本身的零序电容电流，其余电流为各支路首端电流。图 2.2 单相接地故障零序等效网络通过对图 2.2 进行分析对计算零序电流的大小和分布是十分方便的。中性点不接地系统发生单相接地后零序分量的分布特点如下：在发生单相接地故障时，全系统都将出现零序电压，该零序电压与故障点故障前相电压大小相等，方向相反。在非故障线路上有零序电流，其数值等于本线路对地电容电流，超前零序电压 90，其方向为由母线流向线路。在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件零序电流之和，滞后零序电压 90，其方向为线路流向母线。我国现今执行的电力行业标准 DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 规定：对310kV钢筋混泥土或金属杆塔的架空线路构成的配电网和所有35kV、60kV配电网，当单相接地电容电流小于10A时，中性点采用不接地方式；大于10A时，中性点应采用消弧线圈接地方式。2.1.2 谐振接地系统故障电流分析谐振接地系统A相接地故障如图 2.3 所示，当采用消弧线圈后，与中性点不接地系统相比，电容电流的大小和分布不变，不同之处是在接地点又增加了一个电感分量的电流。因此，从接地点流回的总电流为：（2-8）从线路2 A相流出的电流可表示为：（2-9）式中，为全系统的对地电容电流，可用式（2-6）进行计算。为消弧线圈电流用L表示它的电感，则有。在线路2始端所流过的零序电流为：（2-10）图 2.3 消弧线圈接地系统 A 相接地故障网络接线图其有效值为。即故障线路中的零序电流，其数值等于全系统非故障元件对地电容电流有效值与消弧线圈电感电流有效值之差的绝对值。由于与的相位相差 180，因此将因为消弧线圈的补偿而减小。类似地，可以做出谐振接地系统的零序等效网络，如图 2.4 所示。根据对电容电流补偿作用程度的不同，消弧线圈可以有完全补偿、欠补偿和过补偿 3 种补偿方式：当时，接地点的电流近似为0，为完全补偿。当时，补偿后的接地点电流仍然是电容性的，为欠补偿。当时，补偿后的接地点电流是感性的，为过补偿。大于 的程度用补偿度 P 来表示，其关系为：（2-11）一般选择补偿度。电网中多采用过补偿方式1。图 2.4 消弧线圈接地系统单相接地故障零序等效网络2.2 单相接地故障系统零序电流暂态分量分析进行单相接地故障选线需要用到各回线路的暂态零序电流。而直接对各回线路的暂态电流暂态特性进行分析非常繁杂。通过 2.1.2 节中的零序电流走向分析可知谐振接地系统发生单相接地故障时，健全线路的暂态零序电流由暂态容性电流构成，故障线路的由暂态容性电流与暂态感性电流构成。本文通过图 2.5 所示的单相接地暂态电流的等效电路分别分析谐振接地系统发生单相接地故障后暂态容性电流、暂态感性电流和暂态接地电流的暂态特性。图中C为中性点经消弧线圈接地系统的三相对地电容，为三相电路和电源变压器等在零序回路中的等效电感，为零序回路中的等效电阻（其中包括故障点的接地电阻和弧道电阻），为消弧线圈有功损耗电阻，L消弧线圈电感，为等效零序电源电压。图 2.5 单相接地故障暂态电流等效电路（1）暂态电容电流分析电容电流暂态特性时，电路中的自振频率一般比较高，另由于消弧线圈电感 ，故可以不考虑图2.5中的与。针对图2.5中、构成的串联回路，假设在零时刻接通零序电压，通过求解微分方程式可以得到暂态电容电流的表达式。（2-12）式中，为相电压幅值。式（2-12）的特征根为：（2-13）式中，为自由振荡分量的衰减系数；，为二阶回路自振角频率；为电容电流自由振荡分量的振荡角频率。当时，为一对实部为负的共轭复根，暂态电容电流具有周期性振荡衰减的特性；当时，为两个不相等的负实根，暂态电容电流具有非周期性振荡衰减的特性，并逐渐的趋于稳定。通常架空线的波阻抗为250500，同时故障点的接地电阻一般较小，弧道电阻又常可忽略不计，故一般情况下暂态零序电流呈现的是周期性振荡衰减的特性，且一般情况下，暂态电容电流的自由振荡的频率为3003000Hz，且衰减较快，约为0.51个工频周期。暂态电容电流由两部分组成，分别为暂态自由振荡分量和稳态工频分量。在初始条件t=0时，并利用电容电流与相电压的幅值关系，经过拉式变换求取可得：（2-14）由式（2-14）可见，暂态自由振荡分量的衰减系数越小，自由振荡衰减就越慢，反之，就越快。当故障相电压峰值接地时，暂态电容电流的自由振荡分量的振幅最大，当时，将有最大值。（2-15）由式（2-15）可见，的幅值与自由振荡角频率和工频角频率的比值成正比。反之当故障相在零值接地时，暂态电容电流的自由振荡分量的振幅最小。当时，将有最小值。（2-16）由式（2-16）可见，的幅值等于稳态工频电容电流的幅值。（2）暂态电感电流根据非线性电路理论可知，铁心磁通与铁心不饱和时电感电流在暂态过程中的方程式相同。因此可以根据求解消弧线圈在暂态过程中铁心磁通的表达式，求取暂态电感电流的表达式。由图 2.5 得下列微分方程式：（2-17）式中，为相应分接头下消弧线圈的匝数；为消弧线圈铁心中的磁通。由于在补偿电流工作的范围之内，消弧线圈的磁化特性曲线应该保持线性关系，故。因已假定系统三相参数对称，故在系统发生单相接地故障前，消弧线圈中流过的电流为零，即为零。根据上述条件带入式（2-17），便可求得磁通为：（2-18）式中，为稳定状态磁通，其值为； 为补偿电流相角，其值为。为电感回路时间常数，其值为。因为，故可以忽略消弧线圈电阻，则式（2-18）可以化简为：（2-19）根据式（2-19）可得暂态电感电流为：（2-20）式中，。由式（2-20）可知，暂态电感电流由稳态交流分量和暂态直流分量构成，其暂态过程振荡角频率和电源角频率相同，其幅值大小与电源电压接地瞬间的相角有关。当时，衰减直流分量幅值最大；当时，衰减直流分量幅值最小。一般情况下，暂态电感电流的暂态直流分量 23 个周波衰减完毕。当，经过半个工频周波或（为工频周波）时，暂态电感电流达到最大值。（2-21）（3）暂态接地电流暂态接地电流由暂态电感电流和暂态电容电流叠加而成，其特性由二者具体情况所决定。在暂态过程的初始阶段，暂态接地电流的特性主要由暂态电容电流所决定。为平衡暂态电感电流中的直流分量，暂态接地电流将会产生与其大小相等、方向相反的直流分量，它虽然不会改变接地电流首半波的极性，但对幅值却有明显的影响。由式（2-14）和（2-20）可以求出暂态接地电流的表达式：（2-22）式中，第一项为接地电流稳态分量，其余为接地电流暂态分量。其中稳态分量由稳态电容电流与稳态电感电流之差组成。而暂态分量是由电容电流衰减很快的自由衰减振荡分量与电感电流衰减很慢的衰减直流分量之和组成，两者的幅值不仅不能相互抵消，甚至还可能彼此叠加，使暂态接地电流的幅值明显增加2。本章小结本章详细介绍分析了中性点接消弧线圈接地配电网络发生单相接地故障时暂态零序电流的基本稳态分布特征及基本暂态分量特征。为本文配电网中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障选线研究打下了基础。第三章 中性点经消弧线圈接地系统选线方法综述根据实施接地保护时所采用电气量的不同，接地保护原理可分为利用注入信号和故障信号两大类，其中利用故障信号的方法又可分为利用故障信号稳态分量法和暂态分量法两类。目前国内外已出现并可利用的接地保护原理或方法有很多，例如：故障线路零序电流最大原理，零序功率方向原理，首半波原理，谐波电流方向原理，零序电流有功分量方向原理，注入法原理，基于故障相电流的保护原理，负序电流保护原理，基于小波分析的暂态信号保护原理，零序电流补偿法，零序导纳法，能量函数法等。在接地选线方案上，除常规的绝对定值保护方案外，还有群体比幅比相方案、群体比幅方案、人工智能技术接地选线、最大或方案等。下面对常用的几种基本小电流接地系统单相接地故障选线方法进行简要分析：3.1利用电网稳态电气量提供的故障信息构成的自动选线法（1）零序电流比幅法小电流接地系统发生单相接地短路时，流过故障元件的零序电流其数值等于全系统非故障元件对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，据此只要通过零序电流幅值大小比较就可以找出故障线路。此法依靠的是本线路的电容电流。a.基本原理对于中性点不接地系统，如前所述，在故障线路首端测出的零序电流在数值上等于其它正常线路上的零序电流之和，于是可得出如下判据：（3-1）上式中M是母线上所有出线的集合，是每条出线首端测得的零序电流值。若存在某线路首端测得的零序电流满足上式，那么f就是故障线路；若不存在满足上式的，则断定为母线发生故障。该式表示在故障线路首端测得的零序电流数值大于同一母线下其它出线的零序电流数值。b.局限性零序电流的测量值受到电流互感器由于饱和而产生的不平衡电流的影响。测量点电流互感器饱和引起的零序电流可能改变各条线路的零序电流的测量值，使得它们不能正确反映线路上实际流过的零序电流，从而导致误判。在系统中，当线路长短差异较大时，如果短线路发生单相接地，使其零序电流与未发生接地的最长线路的零序电流差异不是很大，对系统的检测灵敏度就提出了更高的要求。在中性点经消弧线圈接地系统中，故障相存在零序电流。在故障线路上，该电流方向与非故障相回路的零序电流的流向相同，但却是感性的，它对故障点左侧线路上容性的零序电流有补偿作用。考虑到感性零序电流的补偿作用，故障线路首端测得的零序电流数值可能小于某条其他线路首端测得的零序电流数值，即：（3-2）故此法不适用于中性点经消弧线圈接地的系统。会受到过渡电阻大小的影响。当过渡电阻数值很大时，中性点电压偏移很小，线路上流经的零序电流数值也很小，当数值小于一定的精度要求时，会被各种干扰信号以及测量回路的各种误差因素，例如电流互感器的不平衡电流等淹没，这将影响到故障选线的准确性5。（2）群体比幅比相法a.基本原理从集合中选取数值最大的几条线路作为故障线路的候选，然后再根据零序电流与零序电压的相位差别进行判断。此方法实际上是结合了零序电流比幅法和零序电流相对相位法两种方法，通过选取零序电流数值最大的某几条线路作为研究对象，在一定程度上避免了由于零序电流数值很小而引起的误判。b.局限性仍然没有解决电流互感器饱和不平衡电流的影响，中性点经消弧线圈支路补偿电流的影响以及过渡电阻过大的影响5。（3）基于原理的方法a.基本原理若假设在故障前后，负荷在一段时间内不会发生较大的变化，所以可以假设由TA饱和产生的不平衡电流在故障前后保持不变。因而若以故障前后线路上零序电流增量（故障后零序电流减去故障前零序电流）为研究对象，可以消除这部分不平衡电流的影响。若以滞后母线处零序电压方向为参考方向，故障前后的增量在该正方向上分量的数值为正，故障前后增量在该方向上分量的数值为负。此判据可用下式表示：（3-3）b.局限性基于原理的方法的提出是针对中性点不接地系统的，对于中性点经消弧线圈接地系统，该方法会受到中性点消弧线圈补偿电流的影响，当系统为过补偿时，故障线路首端测得的零序电流增量在滞后中性点零序电压方向上的分量方向可能发生变化，会出现的情况。当过渡电阻数值很大时，零序电流数值很小，影响判断的精度。（4）五次谐波分量法在经消弧线圈接地的系统中，由于基波零序电容电流得到有效补偿，使得基于基波零序电气量比较的选线方案失效，于是提出了基于高次谐波特征的选线方法6。a.基本原理当小电流接地电网中发生单相接地故障时，高次谐波也随之产生。其中主要为5次谐波分量，它在电网中的分布，与上文讨论过的基波零序电流分布情况相同。高次谐波电流中的容性分量是指流经线路及中性点对地电容回路的电流，由于容抗（电容阻抗）是与频率反相关的，即与谐波次数成反比，频率增高5倍，则容抗减少5倍，进而5次谐波电容电流增大为基波时电容电流的5倍；感性分量与之刚好相反，消弧线圈的5次谐波感性补偿电流，减小为基波时的1/5，两者不仅不会互相补偿，甚至后者谐波的感性电流几乎可以忽略不计。这样，不论消弧线圈补偿程度如何，情况均与中性点不接地时几乎相同。因此，从理论上讲，故障线路中的5次谐波零序电流应当最大，滞后5次谐波零序电压；非故障线路中的5次谐波零序电流较小，且超前5次谐波零序电压，藉此可以实现故障选线。b.局限性由于系统本身可能存在谐波源，以及在负荷不对称，特别是当系统发生相间短路或三相短路时，由于测量回路的元件饱和而产生大量的5次谐波，势必使得基于谐波分量比较法的判线判据失败。因此实际中应用5次谐波分量进行故障选线的装置效果很不理想。（5）有功分量方向法a.基本原理由如前所述的分析可知，在中性点经消弧线圈接地系统中，由于中性点电阻和过渡电阻的存在，使得故障相回路中除了存在滞后中性点零序电压方向上的电流分量，还有滞后中性点零序电压方向上的电流分量。因此若以滞后中性点零序电压方向为参考方向，在该方向上分量的数值为正，在该方向上分量的数值为负，可用下式表示：（3-4）该方法由于以零序电流在滞后中性点零序电压方向上的分量为研究对象，因此可以有效地克服中性点经消弧线圈接地系统中流经消弧线圈的补偿电流的影响。b.局限性若中性点不接地系统发生金属性接地故障，这时过渡电阻为零。系统不存在故障相回路，这时无论是故障线路还是正常线路，在其首端测得的零序电流在滞后母线处零序电压方向上分量数值都很小，不能满足精度要求。当过渡电阻数值很大时，线路中的零序电流数值同样会很小。（6）零序功率方向法a.基本原理小电流接地系统发生单相接地故障时，其故障线路和非故障线路的零序电流的方向不同，前者滞后零序电压，后者超前。据此以零序电压和零序电流的乘积作为输入信号可构成接地保护。此法在系统运行方式发生改变后无需重新整定，线路的长短影响不大，但在谐振接地系统中失效。b.局限性受到过渡电阻大小的影响。当过渡电阻数值很大时，中性点电压偏移很小，线路上流经的零序电流数值也很小，当数值小于一定的精度要求时，同样将会影响到故障选线的准确性。在经消弧线圈接地系统中，由于零序电流的变化，该法失效。（7）能量法a.基本原理利用接地后零序电流和电压构成能量函数。非故障线路的能量函数总是大于零，消弧线圈的能量函数与非故障线路极性相同，网络上的能量都是通过故障线路传送给非故障线路的，因此故障线路的能量函数总是小于零，且其绝对值等于其他线路（包括消弧线圈）能量函数的总和。通过比较能量函数的方向和大小可判别接地线路。b.局限性由于零序能量函数中同时存在电感能量和电容能量，并且电感和电容之间存在能量交换，系统的能量不会释放完。因此能量函数不能完全反应线路由于故障产生的能量关系。3.2利用电网暂态电气量特征提供的故障信息构成的自动选线法（1）首半波法a.基本原理当故障线路在某相电压接近于最大值瞬间发生单相接地故障时，由于故障相线路相电压的突然降低，非故障相线路相电压升高，故障后短时间内，系统中有衰减的暂态电流。由于故障瞬间流经消弧线圈（用集中电感表示）的电流数值接近于零，而且（是以集中参数形式表示的线路上的电感），在计算故障后零序电容电流时，可不考虑消弧线圈的影响，无论是中性点不接地还是中性点经消弧线圈接地，故障后系统中零序电容电流的分布基本相同。若过渡电阻数值不大时，故障后短时间内，存在周期衰减的过渡电流，此过渡电流的数值比稳态零序电流大得多，且在故障后第一个半波时，过渡电流达到最大值。因此利用故障线路暂态零序电流的幅值和方向与正常线路不同的特点实现选线，具有更高的准确性。b.局限性当线路在故障相电压接近于零瞬间发生单相接地故障时，在首半波时线路中过渡电流的数值并不大。当过渡电阻数值较大时，系统中不会产生周期衰减的过渡电流，同样也达不到首半波零序电流数值最大的要求。（2）小波分析法a.基本原理利用小波奇异性检测理论对采集到的故障信号进行小波变换，确定模极大值点，并比较各条线路零序电流模极大值的大小和极性，可以判别出故障线路。用此法选线不受故障瞬间电压相角以及消弧线圈的影响。利用故障瞬间信息，受干扰影响程度小，而且此算法从机理上也能抑制随机小干扰的影响。九十年代以来，国内外专家将小波分析理论引入小电流接地系统的故障选线研究。利用小波变换良好的时域局部性对故障电流进行分析，传统的保护原理是基于对工频信号及稳态分量的分析计算，将故障产生的高频分量当作干扰滤掉。常用方法有Fourier变换、Kalmen滤波、最小二乘滤波和有限脉冲响应滤波等，这些都是适合于处理平稳信号的实用方法。小波变换提供了一个可调的时间-频率窗，即具有“变聚焦”的特点。它的另一特征就是能表征信号的奇异性，用信号在不同尺度上小波变换的模极大值或Lipschitz指数表示信号的突变特征。因此小波分析法成为实现和发展暂态保护的有力手段，开辟了该领域研究的另一个发展方向，是目前研究热点之一。b.局限性尽管利用小波变换良好的时域局部性对故障电流进行分析，已取得了一定的进展。但实验表明干扰和过渡电阻对这种方法的影响比对其它方法更严重些。随着配电网的发展，电力电子装置、电弧炉、家用电器等各种非线性用电设备的增多，使得配电网的谐波问题越来越严重，这在一定程度上影响了该种方法的准确性。因此该种方法到理论上获得突破，直至实现商品化还有很长的路要走6。3.3其它方法（1）拉线法a.基本原理当母线绝缘监测装置检测到单相接地故障信号后，值班人员采用顺序拉闸的方法来逐条检验每条线路，若切除某条线路后故障信号消除，则断定该线路即为故障线路。b.局限性在拉闸过程中，使得一些正常线路的用户会短时停电，降低了供电可靠性。需要人为操作，增加了误操作的可能性，自动化水平低。（2）注入信号法人为的向系统注入一个一定频率、幅度的信号电流，然后利用专用的信号电流探测器查找故障线路和故障点。它利用单相接地故障时原边被短接，暂时处于不工作状态的接地相电压互感器，向系统注入信号电流，用寻迹原理，通过检测、跟踪该信号电流的通路来实现接地故障的选线。只有故障线路的故障相才会有此信号电流，从而判断出接地故障线路。此法突破以往大多是利用零序电流作为单相接地选线判据的局限，从根本上解决了两相TA架空出现的单相接地选线问题。这与上面介绍的各种利用故障信号量来实现接地选线的保护原理是不同的。此法的缺点是仪器接线复杂。本章小结利用小电流接地系统发生单相接地时的故障信息，产生了上面这些基本的自动选线方法。目前不断有文献提出了很多新方法，如提取故障电流暂态分量的特征频带法，暂态容性电流方向法等，这些方法正处于理论研究阶段。可见对小电流接地系统单相接地故障的自动选线正处于不断的研究和发展过程中。本章主要对小电流接地系统的各种自动选线方法作了简单介绍，并简要分析了各种方法的基本原理和其局限性。第四章 基于Matlba的小电流接地系统自动选线仿真由于电力系统的特殊性，对很多故障处理方法不可能进行现场的实际模拟运行分析，只能借助于计算机仿真手段。电力系统仿真可分为离线仿真和实时仿真。电力系统离线仿真是在数字计算机上为电力系统的物理过程建立数学模型，用数学方法求解，以进行仿真研究的过程，其仿真速度与实际系统的动态过程不等。目前电力系统离线仿真可分为电磁暂态过程仿真、机电暂态过程仿真和中长期动态过程仿真。（1）电磁暂态过程仿真是用数值计算方法对电力系统中从数微秒至数秒之间的电磁暂态过程进行仿真模拟。电磁暂态过程仿真必须考虑输电线路分布参数和参数的频率特性、发电机的电磁和机电暂态过程以及一系列元件（避雷器、变压器、电抗器等）的非线性特性。因此，电磁暂态仿真的数学模型必须建立这些元件和系统的代数或微分、偏微分方程。由于电磁暂态仿真不仅要求对电力系统的动态元件采用详细的非线性模型，还要计及网络的暂态过程，也需采用微分方程描述，使得电磁暂态仿真程序的仿真规模受到了限制。一般进行电磁暂态仿真时，都要对电力系统进行等值简化。其仿真程序目前普遍采用的是电磁暂态程序（Electromagnetci Transient Program，简称为即EMTP）；（2）机电暂态过程仿真，主要研究电力系统受到大扰动后的暂态稳定和受到小扰动后的静态稳定性能。其中暂态稳定分析是研究电力系统受到诸如短路故障，切除线路、发电机、负荷，发电机失去励磁或者冲击性负荷等大扰动作用下，电力系统的动态行为和保持同步稳定运行的能力，电力系统机电暂态仿真的算法是联立求解电力系统微分方程组和代数方程组，以获得物理量的时域解。目前，国内常用的机电暂态仿真程序是电力系统综合程序（PSASP）和中国版BPA电力系统分析程序；（3）电力系统中长期动态过程仿真是电力系统受到扰动后较长过程动态仿真，要计入在一般暂态稳定过程仿真中不考虑的电力系统长过程和慢速的动态特性。电力系统实时仿真可分为数字仿真、物理仿真以及数模混合式仿真。电力系统实时仿真系统大概经历了三个历史阶段，主要有以下三种类型：（1）基于相似理论的以实际旋转电机为代表的电力系统动态模拟仿真系统。硬件通常由若干台按比例缩小的电机、一定数量的型线路模型、电源、负荷、开关模型以及相应的监测、控制系统组成，通常用来进行电力系统机电暂态以及动态过程的实时仿真研究。这些装置的主要优点是直观明了、物理意义明确，缺点是设备昂贵、占地面积大、可模拟的电力系统受制于装置自身的规模和元件的物理特性，装置的可扩展性和兼容性差。（2）数模混合式实时仿真系统，除电机、动态负荷等旋转元件用数字元件模拟外，其余元件基本上与动模采用的元件一致，其使用的灵活性和对电力系统的研究范围都有了很大的提高，对电力系统的实时仿真范围己经可以覆盖电力系统扰动的全过程。其最大的优点就是其数值稳定性好，仿真规模取决于硬件规模。（3）全数字实时仿真系统，基于多CUP并行处理技术，由系统仿真时下载到该CUP地软件来决定该CUP模拟什么电力系统元件，因此，在时间步长和I/O设备的频宽满足要求的情况下，系统的一次元件模型只取决于软件而与硬件无关，这个显著的特点为用户对未来新元件的仿真提供了充分的发展空间。当前仿真技术向数字化发展，用的比较多的动模试验，采用的是模拟仿真，但由于投资大，运行和维护难度大，可修改性小，在使用和推广上比较受限制；如RTDS（Real-Time Dynamic Simulator）实时动态仿真，效果不错，但其硬件模块费用高，规模的扩大受一定的限制；还有一种DDRTS（Digital Dynamic Real-Time Simulator）数字动态实时仿真，其模型的建立是有计算机软件完成，只要有相应的高速计算机和快速仿真软件，则仿真速度和仿真规模可以不断提高，相信随着计算机的价格的降低和性能的提高，仿真算法的不断完善，这种仿真模式将有很广阔的空间3。4.1 Matlab及Simulink简介随着计算机技术的发展和利用，特别是各类数学科技软件的出现与不断完善