（信号与信息处理专业论文）配电系统接地故障的信号注入检测法的分析与研究.pdf

华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 中性点非有效接地系统单相接地故障选线问题一直以来是电力系统继电保护工作的 重要课题。但现场运行的结果表明，装置的选线效果并不是十分理想。以往选线装置大 多采用的是单一的被动式故障选线方法，且其采集信号不是利用零序电流的暂念量就是 利用其稳念量。本论文提出了一种可控的周期性主动式检测方法一脉冲信号注入法。 应用m a t l a b s i m u l i n l 【建立了模型，通过对不同条件下的各种接地故障情况的仿真研究， 提出对n u s 采用基于差值运算法提取脉冲响应信号，再通过波形识别来进行故障选线 的方法；对n e s 采用基于小波变换提取脉冲响应信号，进而通过群体比幅法来达到故 障选线目的的选线方案。经过理论分析和仿真验证，上述方法是切实可行的。 关键词：小电流接地系统，故障选线，脉冲信号注入法，差值运算，小波变换 a b s t r a c t f a u l td e t e c t i o nf o rt l l en o n - e 肫c t i v es i i l g l e - p h a s ee a n hs y s t e mi sa 1 1i m p o n a n tt a s kf o r e n s u r i n gt h ec o n t i i l m 够o fp o 、e rs u p p l y b u tt l l es p o tr e c o r d ss h o wt h a tt h ee f r e c ti s n o t p e r f e c t m o s to ft l l ef a u hd e t e c t i o nd e v i c ei nu 1 ep a s ti su s e di nas i n 9 1 ep a s s i v ef a u l tl i n c d e t e c t i o nm e m o d ，a n di tc o l l e c t s s i 舯a j sb y t l l em e a n so f 协a j l s i e n tv o l u m eo ft 1 1 e z e r 0 一s e q u e n c ec 姗r e n to rs t e a d yv o l u m e p u l s e 询e c t i o nm e t h o di sp r o p o s e di n “sp 印e r i ti s ac o n t r o i l a b l ec y c l ep u l s er e s p o r l d sm e t h o da 1 1 dc a nd e t e c tt h ef a u l tp o s i t i v e l y as i m u l a t i o n m o d e l i sb u i l tb yu s i n gm a t l a b s i m u l i n k a n ds i m u l a t i o n so fv a r i o u sg r o u n df i a u l t su n d e r d i 髓r e n tc o n d i t i o i l sa r ep e 偷m e d i ti sp r e s e n t e di nt h ep a p e rt h a ti i l 恤f a u l td e t e c t i o no f n u ss y s t e mi m p u l s er e s p o n s es i g i l a li se x 缸a c t e db a s e do nm em e t l l o do fm a r g i nc a l c u l a t i o n ， a j l dt h ef a u l tl i n es e l e c t i o nm e t h o di sc a 而e do u tb yt h ew a v e f o 肌r e c o g n i t i o n i nm ef a u l t d e t e c t i o no fn e ss y s t e mt h ei m p u l s er e s p o n s es i g n a l i se x t r a c t e db a s e do nw a v e l e tt r a n s f o n l l ， t 1 1 e nt 1 1 ef a u l ti sd e t e c t e db yc o l o n y 锄p l i t u d ec o m p a r i s o n a r e rt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d s i m u l a t i o n ，t 1 1 er e s u n ss h o w t h a tt 1 1 j sa p p r o a c hi sp r a c t i c a b l e w a n gf n g ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f k a n g1 y i k e yw o r d s ：s m a l lc u r r e n tn e u t r a l 目 o u n d i n gs y s t e m ，f a u l tl i n ed e t e c t i o n ，p u l s ei n j e c t i o n m e t h o d ，m 2 u r g i nc a l c u l a t i o n ，w a v e l e tt r a n s f o m 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 中性点非有效接地系统单相接地故障选线问题一直以来是电力系统继电保护工作的 重要课题。但现场运行的结果表明，装置的选线效果并不是十分理想。以往选线装置大 多采用的是单一的被动式故障选线方法，且其采集信号不是利用零序电流的暂念量就是 利用其稳念量。本论文提出了一种可控的周期性主动式检测方法一脉冲信号注入法。 应用m a t l a b s i m u l i n l 【建立了模型，通过对不同条件下的各种接地故障情况的仿真研究， 提出对n u s 采用基于差值运算法提取脉冲响应信号，再通过波形识别来进行故障选线 的方法；对n e s 采用基于小波变换提取脉冲响应信号，进而通过群体比幅法来达到故 障选线目的的选线方案。经过理论分析和仿真验证，上述方法是切实可行的。 关键词：小电流接地系统，故障选线，脉冲信号注入法，差值运算，小波变换 a b s t r a c t f a u l td e t e c t i o nf o rt l l en o n - e 肫c t i v es i i l g l e - p h a s ee a n hs y s t e mi sa 1 1i m p o n a n tt a s kf o r e n s u r i n gt h ec o n t i i l m 够o fp o 、e rs u p p l y b u tt l l es p o tr e c o r d ss h o wt h a tt h ee f r e c t i sn o t p e r f e c t m o s to ft l l ef a u hd e t e c t i o nd e v i c ei nu 1 ep a s ti su s e di nas i n 9 1 ep a s s i v ef a u l tl i n c d e t e c t i o nm e m o d ，a n di tc o l l e c t s s i 舯a j sb y t l l em e a n so f 协a j l s i e n tv o l u m eo ft 1 1 e z e r 0 一s e q u e n c ec 姗r e n to rs t e a d yv o l u m e p u l s e 询e c t i o nm e t h o di sp r o p o s e di n “sp 印e r i ti s ac o n t r o i l a b l ec y c l ep u l s er e s p o r l d sm e t h o da 1 1 dc a nd e t e c tt h ef a u l tp o s i t i v e l y as i m u l a t i o n m o d e l i sb u i l tb yu s i n gm a t l a b s i m u l i n k a n ds i m u l a t i o n so fv a r i o u sg r o u n df i a u l t su n d e r d i 髓r e n tc o n d i t i o i l sa r ep e 偷m e d i ti sp r e s e n t e di nt h ep a p e rt h a ti i l 恤f a u l td e t e c t i o no f n u ss y s t e mi m p u l s er e s p o n s es i g i l a li se x 缸a c t e db a s e do nm em e t l l o do fm a r g i nc a l c u l a t i o n ， a j l dt h ef a u l tl i n es e l e c t i o nm e t h o di sc a 而e do u tb yt h ew a v e f o 肌r e c o g n i t i o n i nm ef a u l t d e t e c t i o no fn e ss y s t e mt h ei m p u l s er e s p o n s es i g n a l i se x t r a c t e db a s e do nw a v e l e tt r a n s f o n l l ， t 1 1 e nt 1 1 ef a u l ti sd e t e c t e db yc o l o n y 锄p l i t u d ec o m p a r i s o n a r e rt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d s i m u l a t i o n ，t 1 1 er e s u n ss h o wt h a tt 1 1 j sa p p r o a c hi sp r a c t i c a b l e w a n gf n g ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f k a n g1 y i k e yw o r d s ：s m a l lc u r r e n tn e u t r a l 目 o u n d i n gs y s t e m ，f a u l tl i n ed e t e c t i o n ，p u l s ei n j e c t i o n m e t h o d ，m 2 u r g i nc a l c u l a t i o n ，w a v e l e tt r a n s f o m 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配电系统接地故障的信号注入检测 法的分析与研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：至凰日期：2 堡垒呈! ：，学位论文作者签名：生丛日期： 盖型竺! ! ：! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：姐 日期：箜! 里：! 导师签名： 堡= 竖出左厶堂蘧堂僮途塞 第一章绪论 1 1 论文的立项背景及意义 目前，我国高压电网如：儿0 k v 及以上的大电流系统，常采用中性点有效接地 方式。而就中低压电网如：3 6 0 k v 系统而言，常采用中性点非有效接地方式( 小 电流接地系统) 。小电流系统在保证运行维护人员的安全、过电压水平、设备绝 缘水平、经济性等方面存在诸多的优点，一直被应用于我国的中低压电网中。其主 要优点还在于：发生单相接地故障时，故障电流很小，9 0 以上的单相接地电弧都 能够自行熄灭；三相线间电压依然对称，不影响负荷正常工作，故不必立即跳闸， 规程规定可继续运行1 2 h 。根据电力部门对这种电网的故障统计，配电网的单相 接地故障发生率是最高的，占小电流接地系统故障的8 0 以上堙1 。因此，配电线路 故障，尤其是单相接地故障的快速、准确选线问题，不仅对修复线路和保证可靠供 电，而且对保证整个电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的作用。 尽管小电流接地系统有诸多优点，对于线路的相间短路故障，由于伴随出现过 流现象，一般比较容易检测，但是发生单相接地故障以后，非故障相电压会升高到 3 倍，尤其是因此引起的弧光接地过电压，会使故障扩大为两相甚至三相短路故障。 实践也证明，有许多的单相接地故障后来都使故障范围扩大，因此，如何快速而准 确地找出故障线路，防止事故扩大，对电力系统的安全可靠性具有极其重要的意义。 由于配电网的母线上各条出线的参数不尽相同，发生接地故障时，小电流接地 系统的故障线路电流与非故障线路电流相差不大，有时甚至后者更大，很难用常规 的过电流等判据选择故障线路。直至今日，小电流接地系统的故障选线问题仍然是 本领域内比较棘手的问题。 另一方面，对小电流接地系统单相接地选线的研究，到现在已经持续了5 0 多 年，出现了较多的理论和方法，也推出了很多的接地选线装置。但是，直到目自订为 止，仍然没有令人十分满意的、选线准确率很高的保护装置出现，出现的接地选线 装置的实际使用情况也并不普及。究其原因，就在于现有的保护装置自身所依赖的 原理存在一定的局限性，而实际现场情况各不相同，这些原理所依赖的条件无法较 好地满足，限制了基于这些原理的保护装置的实际采用。所以，寻找一种选线准确 率高的保护装置，仍然具有相当重要的理论和实用价值，中低压系统单相接地故障 选线仍然是业界的热门课题。 1 2 中低压配电网单相接地故障检测的现状 垡= | b 出左厶堂亟堂鱼迨塞 1 2 1 国内外的研究概况 1 2 1 1 国外研究情况 国外对小电流接地保护的处理方式各不相同。前苏联采用中性点不接地方式和 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。同本采用 高阻抗接地方式和不接地方式，但电阻接地方式居多，其选线原理较为简单，不接 地系统主要采用功率方向继电器，电阻接地系统采用零序过电流保护瞬间切除故障 线路。近年来一些国家在如何获取零序电流信号及接地点分区段方面作了不少工作 并己将人工神经网络应用于接地保护。美国电网中性点主要采用电阻接地方式，利 用零序过电流保护瞬间切除故障线路，但故障跳闸仅用于中性点经低阻接地系统， 对高阻接地系统，接地时仅有报警功能。法国过去以地电阻接地方式居多，利用零 序过电流原理实现接地故障保护，随着城市电缆线路的不断投入，电容电流迅速增 大，己开始采用自动调谐的消弧线圈以补偿电容电流，并为解决此种系统的接地选 线问题，提出了利用p r o n y 方法和小波变换以提取故障暂态信号中的信息( 如频率、 幅值、相位) 以区分故障与非故障线路的保护方案，但还未应用于具体装置。挪威 一公司采用测量零序电压与零序电流空间电场和磁场相位的方法，研制了一种悬挂 式接地故障指示器，分段悬挂在线路和分叉点上。加拿大一公司研制的微机式接地 故障继电器也采用了零序过电流的保护原理，其软件算法部分采用了沃尔什函数， 以提高计算接地故障电流有效值的速度。9 0 年代，国外有将人工神经网络及专家系 统方法应用于保护的文献。 1 2 1 2 国内研究情况 我国配电网和大型工矿企业的供电系统大都采用中性点不接地或经消弧线圈 接地的运行方式，近年来一些城市电网改用电阻接地运行方式。矿井6 l o k v 电网 过去一直采用中性点不接地方式，随井下供电线路的加长，电容电流增大。近年来 消弧线圈在矿井电网中得到了推广应用并主要采用消弧线圈并串电阻的接地方式。 随着城市用电量的提高，供电系统不再是过去的单电源的辐射或树型系统，而 是采用网孔网络手拉手的供电方式。对用户供电可靠性也不是靠单相接地运行卜2 小时来保障，而是靠电网结构和调度控制来保证。另外，现在在城市和经济发达地 区的1 0 k v 电网规划和改造中以电缆供电为主，架空供电为辅是必然趋势，所以1 0 k v 电网单相接地电容电流很大，尤其是在电缆为主电网中，电网发生的接地故障过程 往往是先产生问隙电弧然后发生永久性接地故障。间隙性电弧所造成的高频熄弧过 电压值可达到6 8 倍相电压，不仅幅值高而且持续时间长，对现有过电压保护存在 威胁，从而对设备造成危害。永久故障时，不允许继续运行，必须迅速切断电源， 避免扩大事故。因而在现代l o k v 配电网中适合采用中性点经小电阻接地方式。 2 垡：| e 出左厶堂亟堂位i 金室 单相接地保护原理研究始于1 9 5 8 年，保护方案从零序电流过流到无功方向保 护，从基波方案发展到五次谐波方案，从步进式继电器到群体比幅比相，以及首半 波方案，先后推出了几代产品，如许昌继电器厂的z d 系列产品，北京自动化设备 厂的x j d 系列产品，中国矿大的up l 型微机检漏装置和华北电力大学研制的系列 微机选线装置，邯山电力自动化研究所研制的l h 一0 2 f 分散式小电流接地微机选线 装置( 针对经消弧线圈接地推出) ，山东大学的t y 系列选线定位装置等5 1 。 1 2 2 目前的单相接地故障选线方案和存在的问题 自2 0 世纪8 0 年代以来，众多大专院校、研究院、生产厂家都致力于对变电站 用的小电流接地选线装置这一产品的开发与生产，提出了不少新思路、新方法，及 多种选线原理，并研制出基于这些选线原理的多种产品，已经历了几次技术更新换 代，其选线的准确性也在不断提高。目前国内生产选线装置的厂家已达到三十余家。 然而，尽管有设备厂方宣称1 0 0 选线正确率，但工程实际中仍存在误判率较高的问 题，且硬件的可靠性较低，从现场运行反馈回来的信息来看，用户对这种产品颇有 微词，许多用户有一种不用麻烦，用了也麻烦的感觉。因此现场好多情况都是选检 设备闲置退出，而采用手动拉闸试验的原始方法查找接地。自动选线技术在9 0 年 代末期陷入低谷，据称很多地区选线装置退出率达到9 0 以上。用户基本上处于一 种抵触状态，一方面为急需要解决选线问题着急，一方面为没有可信赖的装置而发 愁。这说明选线技术到目前为止尚未成熟，仍有待于进一步研究。 目前的选线理论主要包括基于暂态分量特征选线法，基于基波电流电压群体比 幅法，基于谐波电流法，基于零序有功及无功功率分量法，能量法，s 注入法，负 序分量特征法，及利用小波分析，模糊神经元网络理论进行选线等h 叫引，以上各个 方案均具有一定的可行性，但是它们都存在着各自的使用局限性和动作死区。暂态 分量法对采样频率要求很高，并且当故障发生在相电压过零瞬间失效；稳念分量法 无法检测瞬时性接地故障，其中的基波电流电压比幅比相法受出线长短及接地位置 变化影响较大，可能出现“时针效应”而误判，并且对n e s 失效；谐波分量及负序 分量法由于信号微弱及易受负荷分量干扰而造成误判；功率法及能量法办受到系统 运行方式和零序电流电压幅值的影响；而“s 注入法也曾因信号受干扰出现误判。 所以，仅靠一种判据进行选线是不充分的。迄今为止还不存在万能型、无条件选线 判掘，因为如果存在，选线问题就已经解决了。 由于小电流接地系统发生单相接地以后，故障特征不明显，使得迅速、准确地 检测接地回路有一定的难度，因而小电流接地系统单相接地保护一直是继电保护领 域未彻底解决的一个难题。其难点主要表现在变电站内接地故障f 确可靠的选线， 以及配电线路上接地故障的查找及通过分段开关对故障段选择性的隔离。目前存在 堡j 量电力厶堂亟堂位途塞 的难题主要有：缺少准确的接地信号采样( v o 、i o 、相位角、五次谐波等) 装置； 干扰信号的影响( 由于采样信号小，而所处的环境中电磁干扰又很大) 科学的 判定原理和可靠的故障判断装置。 1 3 论文工作的主要内容 本文针对小电流接地系统中的故障选线问题，做了以下工作： 1 )本文在论述电力系统接地方式选择的基础上，深入分析了中性点不接地系 统、中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时的稳态和暂念过程电气量特 征，总结了影响中性点非有效接地系统选线的因素，从而为研究故障选线的新方法 提供了理论基础，指出了利用注入脉冲的响应信号量进行故障选线的研究方向。 2 ) 在对目前现有的各种选线方法的理论依据、选线特点进行分析和比较的基 础上，引出了基于信号注入法进行选线的新方法，通过与传统的“s 注入法的对 比，论述了利用该方法对小电流单相接地故障进行选线的可行性和必要性。 3 )应用m a t l a b 建立仿真模型，对注入的脉冲信号的参数进行了选定，针对 小电流不接地系统提出了基于差值运算法提取信号的选线方法，并对所提取的响应 信号其产生原因和过程进行了分析。通过大量仿真，对其故障特性进行了归纳总结， 并找出了其中的规律，为选线判据的选取奠定了基础。 4 ) 研究了小波变换理论，并对小波函数和分解尺度进行了选取，为更好的将 小波理论应用于响应信号的提取创造了条件，对注入法选线进行了进一步的完善， 并根据各线路响应信号波形的特点选取了群体比幅法为判据进行故障选线，用大量 的仿真结果表明了该方法的准确性和可靠性。 5 ) 最后指出了本课题有待于进一步研究和解决的问题，并提出了利用脉冲信 号注入法进行选线定位一体化的研究方向，阐述了此方法的可行性和必要性1 4 坐= ! 匕垒盘厶堂亟堂位论塞 第二章中性点非有效接地系统单相接地故障分析 为了对各种算法将要采用的故障信息有一个全面的了解，本章在论述电力系统 接地方式的基础上，深入详细地分析了中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地 系统发生单相接地故障后的稳态和暂态的运行情况，并对其故障特性进行了分析比 较，从而为研究故障选线的新方法奠定了理论基础。 2 1 中性点非有效接地方式分析 电力系统的中性点接地方式基本上可以划分为两大类：凡是需要断路器遮断单 相接地故障者，属于大电流接地方式；凡是单相接地电弧能够瞬间自行熄灭者，属 于小电流接地方式。按照我国国标电力系统中性点运行方式的分类如图2 一l 所示。 电力 系统 中性 点运 行方 式 中性 点有 效接 地方 式( 大 电流 接地 中性 点非 有效 接地 方式 ( 小 电流 接 地) 中性点直接 接地方式 中惶点经一 低值阻抗接 地 中性点不接 地(nus ) 经高值阻抗 接地 经消弧线圈 接地 (nes ) 图2 1 电力系统中性点运行方式分类图 由图2 一l 可知，中性点非有效接地方式主要有口吨1 ：1 中性点不接地方式；2 中性点经消弧线圈接地方式；3 中性点经高电阻接地方式等。 中压配电网一般采用不接地或经消弧线圈接地方式，随着配电网的发展，电缆 线路的增加，将来的发展趋势将是经电阻接地。 在低压配电系统中，为了耿得单相2 2 0 v 照明电，一般采用三相四线制，中性 点直接接地。这种系统发生单相接地造成单相短路，短路值很大，必须立即切除故 障部分。若为三相对称的动力线路，为了提高供电可靠性，省去中性线，中性点采 用不接地方式运行。在j 下常运行时，两种方式完全相同。因为完全对称的三相系统 三相电流之和为零，也就是说正常运行时中性线没有电流流过，也没有电流流入中 性点，取消中性线，中性点接地拆除，毫无影响。 垡匕生左叁堂亟堂位论室 可是故障时，这两种情况就大不一样，特别是在发生单相接地时，在不接地系 统中，单相接地并没有造成电路短路，单相接地处没有电流流过，也没有改变网络 相问电压的大小和相位差( 线电压仍然对称) ，所以单相接地后仍可继续运行，不 影响用户供电，因而中性不接地可明显提高供电可靠性。 鉴于我国中低压电网如：3 6 0 k v 系统常采用中性点非有效接地方式。下面将 对中性点非有效接地系统的常用接地方式：中性点不接地系统和中性点经消弧线圈 接地系统的故障过程进行深入的分析。 2 2 中性点不接地系统的单相接地分析 在n u s 中，由于变压器中性点与大地没有连接，单相短路接地故障将不会形成 大电流的回路，故障电流主要由线路对地电容提供。这个电流在数值上是很小的， 对于1 0 k v 架空线路来说，每3 0 公里线路产生大约1 安培的零序电流。电缆线路产 生的零序电流稍大一些。这样微弱的故障信号混杂在上百安培的负荷电流中，使得 传统的基于过流、方向、距离等原理的继电保护装置根本不可能正确反应故障情况。 下面将仔细分析一下在n u s 中发生单相接地故障之后的情形，为了方便论述， 先从直观的电容电流的分布考虑，继而描述零序网络电流的流动，最后给出严格的 理论分析。由于分析的目的在于为这个问题给出一个清晰的说明，所用的模型将做 一定的简化。 图2 2 线路导线与大地的分布电容 不论是架空线路还是地下电缆，各相导线之间以及每相导线与大地之间都存在 着分布电容，如图2 2 。一般来说，线路零序电容的大小与线路的长度、导线的半 径、几何均距以及线路与地面的距离等因素有关。在考虑线路充分换位的情况下， 相间电容是相等的，即c a b = c b c = c a c ，并且，三相的对地电容也是对称的，即 c a = c b = c c 。因为系统的中性点对地阻抗很大，因此系统中任一点的零序阻抗都很 大。对零序电流而言，线路或者其他元件的串联阻抗，比以线路对地导纳表示的并 联阻抗小得多。因此在中性点非有效接地选线问题的研究中，忽略这些串联阻抗， 主要分析各相对地的电容组成的回路。对于系统中一相( 设为a 相) 发生接地故障 6 堡j 墨出左叁堂亟堂笾i 金塞 的情况如图2 3 ( n u s ) 所示。 商腹 ，v 、，u 、 ，、门叫 ，v 、，一 n 鞋故碌线路 c r 故障线路 c 图2 3n u s 的单相接地故障 在故障前，系统正常运行，三相对地有相同的电容，变压器中性点电压可以 认为等于o 。此时各相线路对地电压为相电压，并产生超前于相电压9 0 。的三相 对称的电容电流，其和为零。故障后a 相电位将与大地相位相同，健全相电压则升 高到线电压，变压器中性点电压u n 升高到相电压。此时a 相线路对地电容电流将 消失，而b 、c 两相线路对地电容电流将有所增加。三相电容电流的和就不再等于 0 ，每条线路上都出现了零序电流。其中，故障线路零序容性电流由线路流向母线， 非故障线路则由母线流向线路。当a 相经过阻抗接地时，变压器中性点电压u n 升 高，但是不能达到相电压；健全相电压升高，但也不能达到线电压。电容电流的分 布与不经电阻接地时是一样的，只是幅值随着接地电阻的增加而减小哺1 。 用对称分量法分析n u s 的单相接地故障。由网络分析的原理，在单相接地情况 下，系统的正序、负序和零序电流分量相等。由于电网中许多因素都可能产生较大 的负序电流、正序电流，因此现在中性点非有效选线普遍采用零序分量。现从零序 网络出发，分析中性点非有效接地故障。中性点不接地的情况，此时的零序网，如 图2 4 。 蝴l 图2 4n u s 单相接地序网络 容易看出，故障线路与其它健全线路的零序电流存在如下关系： 7 堡= 匕生左盘堂邀堂位论塞 = 厶，+ 厶1 公式( 2 一1 ) 其中厶：是故障线路出口零序电流，厶，是从母线流入变压器侧的零序电流，0 ，代 表各条非故障线路出口零序电流之和。也就是说，从大小来看，故障线路的零序电 流最大，是其它各线路电流( 包括变压器侧) 之和；从方向来看，故障线路与非故 障线路电流流向相反( 在图2 4 中箭头指向不同) 。显然，这两个区别可以作为选 线依据。注意图中的电流方向为某时刻瞬时实际方向。 2 3 中性点经消弧线圈接地系统的单相接地分析 2 3 1 故障后稳态过程分析 经过消弧线圈接地系统单相接地故障如图2 5 所示。其中与n u s 不同之处是当 中性点经过消弧线圈接地时，单相接地时的电流分布并不会有很大变化，在接地点 又增加了一个电感分量的电流l ，从故障点经故障线路流向消弧线圈。由于这个电 流的补偿作用，接地点的故障电流小得多了。 b 善敞瓣缝臻 e a b 故麓线路 c 图2 5n e s 的单相接地故障 用以上方法分析中性点经过消弧线圈接地系统单相接地故障，零序网络如图 2 6 所示。 图2 6n e s 单相接地故障序网络 8 线路2 堡：j 匕虫左太堂亟堂焦途童 同n u s 相比，非故障线路的零序电流并没有什么变化，而故障线路的零序电流 要包含因消弧线圈产生的电流，即 k = l 一( 厶，+ 厶1 ) 公式( 2 2 ) 式中，表示消弧线圈的补偿电流。 故障线路零序电流的大小要发生变化，方向也可能发生变化，变化的程度取决 于消弧线圈的补偿度。当为完全补偿时，k = 厶，+ 厶，流经故障线路和非故障线路 的零序电流都是本身的电容电流，电容性无功功率的实际方向都是由母线流向线 路，因此在这种情况下，利用稳态电流的大小和方向都无法判断出哪一条线路上发 生了故障。 一般消弧线圈的补偿方式为过补偿，l 厶，+ 厶。，在这种情况下， 故障线路零 序电流不再等于其它线路电流之和，故障线路零序电流的方向可能与其它线路相 同。过补偿度一般不大，故障线路零序电流完全可能比其它线路电流小。所以对于 中性点经消弧线圈接地的系统，就不能用零序电流大小和方向作为选线的依据。若 考虑接地电阻的影响。此时零序网络电流的分布并没有变换，只是电流的值随着接 地电阻的增大而迅速减小。 2 - 3 2基于故障稳态分析的结论 由前面的分析可知，中性点不接地系统发生单相接地故障时具有如下特点： ( 1 ) 故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高至原来的3 倍，线电压保 持对称性，全系统都将出现零序电压； ( 2 ) 故障线路与非故障线路出现零序电流，非故障线路零序电流等于本身的 对地电容电流，故障线路零序电流为全系统非故障线路对地电容电流的总和； ( 3 ) 非故障线路零序电流超前其零序电压9 0 。，故障线路零序电流滞后其零 序电压9 0 。 总的来看，如果想通过稳态特征判断出故障位置，首先需要得到稳态特征参数 值，稳态分析是我们基于基波分量出发的，即对于工频信号来说，以上稳念的分析 才是成立的。对于中性点不接地电网，可利用零序电流基波量的大小和方向构成选 线判据。但在中性点经消弧线圈接地电网中，随着消弧线圈的补偿程度不同，故障 点零序电流的方向不同。实际中广泛采用消弧线圈过补偿方式，在过补偿状念下， 故障线路和非故障线路的基波零序电流的方向相同，而且通常消弧线圈靠近谐振点 运行，故其数值也很小，也不能用大小比较的方法来选出故障线路。可以选用5 次 谐波分量法，但因其含量较少( 少于故障电流1 0 ) ，且受到t a 不平衡电流和过渡 电阻的影响，易产生误选，实际中投入运行的利用5 次谐波构成选线判据的选线装 ) 垡i 匕盟左厶堂亟堂焦途毫 置都不甚理想。 2 3 3 故障后暂态过程分析 以上所讨论的都是在稳念情况下故障点电容电流的分布。实际上，当发生单相 接地故障时，接地电容电流的暂态分量较其稳态值要大很多。 在一般情况下，由于电网中绝缘击穿而引起的接地故障，经常发生在相电压接 近于最大值的瞬间，因此，可以将暂态电容电流看作是如下两个电流之和，如图2 7 所示。 图2 7 单相接地暂态电流的分布 1 由于故障相电压突然降低而引起的放电电流，此电流在图中以寸表示，它通 过母线而流向故障点，放电电流衰减很快，其振荡频率高达数千赫，振荡频率主要 决定于电网中线路的参数( r 0 和l 0 的数值) 、故障点的位置及过渡电阻的数值。 2 由非故障相电压突然升高而引起的充电电容电流，此电流在图中以j 表示， 它要通过电源而构成回路。由于整个流通回路的电感较大，因此，充电电流衰减较 慢，振荡频率也较低( 仅为数百赫) 。 中性点非直接接地系统发生单相接地故障时，暂态过程都比较明显。电气量中 含有大量丰富的高频分量。其中电流量通常较大，尤其是接地电容电流的暂态分量 往往比其稳态值大几倍到几十倍。而消弧线圈对于暂态量中丰富的高频信号相当于 丌路，故n u s 和n e s 的暂态过程是基本相同的h 。 另外，对于中性点经消弧线圈接地电网，由于暂态电感电流的最大值应出现在 接地故障发生在相电压经过零值的瞬间，而当接地故障发生在相电压于最大值瞬间 时，l 0 ，因此，暂态电容电流较暂态电感电流大很多，所以在同一电网中，不论 中性点不接地还是经消弧线圈接地，在相电压于最大值时发生故障的瞬问，其过渡 过程是近似相同的。 1 0 垡= j 匕生左太堂亟堂僮途塞 对于中性点经消弧线圈接地的系统，在发生单相接地的瞬间，消弧线圈的电感 电流在对电网接地电容电流进行补偿的过程中，故障点的接地电流中存在工频分 量，也存在高频振荡分量。如图2 8 中的等值回路适用于分析谐振接地系统中，各 种单相接地故障的暂念过程。暂时不考虑故障点的接地电阻，发生金属性单相接地 故障时，暂念接地电流最大，零序回路的参数较为容易确定。以下主要分析故障发 生瞬间的暂态电容电流、暂态电感电流和暂态接地电流。 h c 图2 8n e s 单相接地暂态等值回路 图中c 表示电网三相对地电容；l 。表示三相线路和电源变压器等在零序回路中 的等值电感；r 。表示零序回路中的等值电阻( 其中包括故障点的接地电阻和弧光电 阻) ；r ，和l 分别为消弧线圈的有功损耗电阻和集中电感。u 。为零序j 下弦电源电压。 由等值回路可知，流过故障点的暂态接地电流由暂态电容电流和暂态电感电流 两部分组成。在分析电容电流的暂态特性时，因其自由振荡频率一般较高，而消弧 线圈的集中电感l l 。，对于暂态高频电流而言其电抗非常大，可以近似认为开路， 故图2 7 中的r i ，和l 可以不考虑乜1 ；另外，单相接地故障往往发生在相电压接近最 大值的瞬间，此时消弧线圈中的电流i l ：0 ，暂态电容电流要比暂态电感电流大很 多1 。所以，在同一电网中，不论中性点不接地或经消弧线圈接地，在估算暂念电 容电流时，可以将消弧线圈忽略不计而认为近似相同。对于中性点不接地电网，由 于不存在消弧线圈的暂态电感电流，因此，流过故障点的接地电流仅由暂态电容电 流构成。 暂念电容电流t 是由暂态自由振荡分量f c 。，。和稳态工频分量两部分组成： t c2 l c m + l c n = 厶h ( 芝 s i n 妒s ；n 彩r c 。s 缈c 。s q r ) p 一西+ c 。s c 纠+ 妒， 公式( 2 3 ) 式中：。为相电压的幅值；厶h 为电容电流的幅值；q 为暂态自由振荡分量的角频 率；艿。毒2 芸，为自由振荡分量的衰减系数，其中。为回路的时间常数。 堡= 匕盥左厶堂亟堂僮途室 实际结果表明，电网的结构、大小和运行方式不同时，会引起暂念过程的改变。 线路越长时，自振频率越低，暂态电流的自由振荡分量的幅值也会降低，同时，自 由振荡的持续时间一般也会减少至半个工频周期左右。 而暂念电感电流f ，的表达式为： 厂 一上 t = l ic o s 妒叱一c o s ( 耐+ 纠l 公式( 2 - 4 ) lj 理论分析和实践结果都可以表明：电感电流暂态过程的长短与接地瞬间的电压 相角、铁芯的饱和程度有关。暂态电感电流的频率与工频相等、持续时间一般可达 2 3 个工频周波1 。 由于暂态接地电流由暂态电容电流和暂态电感电流叠加而成，其特性随两者的 具体情况而定。因两者的频率差别悬殊，两者不可能互相补偿。暂态接地电流屯的 数学表达式为， i d = i c + i | 。 叱抽一舢o s ( 卅卅乙( 等s i n 沁删一s 卿s 以 叱c o s 痧丢 i 国。， 公式( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中的第一项为接地电流的稳态分量，等于稳念电容电流和稳态电感电 流的幅值之差；其余为接地电流的暂态分量，其值等于电容电流的暂态自由振荡分 量与电感电流的暂态直流分量之和。后者即： k 咆“矿厶知( 詈s i l l ( 咐缈) e 一毒+ c o s 妒一丢公式( 2 - 6 ) 由式( 2 6 ) 可以明显得出，在发生接地故障瞬间，在故障点有衰减很快的暂态 电容电流和衰减较慢的暂态电感电流流过。不论是中性点不接地还是经消弧线圈接 地，接地暂念电流的幅值和频率均主要由暂态电容电流所决定，其幅值与接地瞬间 电源电压的相角妒关系最大，当妒= 9 0 0 时，接地电容电流值将达到最大。暂念接地 电流的幅值虽然很大，可是持续时问很短，约为o 5 1 个工频周波。用暂态电压 和暂念电流的幅值及极性之问的关系，可以选出故障线路，暂念电流接地保护正是 基于这一原理构成的。 2 3 4 基于故障暂态分析的结论 通过以上的分析，得出结论如下： 1 2 堡= i 筻电左盔堂亟堂位论塞 1 当单相接地故障发生后，不论中性点不接地还是经消弧线圈接地，故障初 期的暂念电流的幅值和频率主要由暂态电容电流所确定，其幅值和初始相角有关。 当故障发生在相电压接近于最大的瞬间时，电容电流有最大值，当故障发生在相电 压瞬时值为零的附近时，则电容电流的暂念分量相对很小。 2 线路故障时，所有非故障线路的零序电流方向相同，均由母线流向线路； 而故障线路的零序电流方向相反，即由线路流向母线，且故障线路的暂态零序电流 的幅值较非故障线路大；母线故障时，所有线路的零序电流的极性都相同，即各线 路零序电流都从母线流向线路：暂态电流的数值较稳态值大很多，且持续时间短。 3 暂态过程存在丰富的故障信息，中性点不接地和中性点经消弧线圈接地系 统故障时的暂态过程基本是相同的，暂态分量在故障线路中有着重要的意义。 2 4 小结 本章首先讨论了目前较广泛应用的配电网中性点接地方式，根据本论文的研究 方向，重点深入详细地分析了中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统发生 单相接地故障后的稳态和暂态的运行情况，对其故障后的特点进行了分析比较，从 而为研究故障选线的新方法提供了理论基础。 堡匕电力厶堂亟堂焦途塞 第三章小电流接地系统选线技术和原理的比较研究 本章通过对当前小电流接地系统单相接地故障选线方法的分析讨论，简单评价 了各方法的优劣性。归纳总结了一些影响小电流接地系统选线的主要因素。在此基 础上，提出了脉冲信号注入法的选线方案。对其原理进行了简单介绍，理论而系统 的分析了该方法的可行性，并将其与传统的“s 注入法进行了分析比较。 3 1 国内外现有主要选线方法及评价 根据采集的电气量的不同，可以采用不同的方法，而根据电气量的不同特性， 也可以看出各种方法在不同故障条件下的优劣。目前可以采集利用的电气量n 2 。| 钉有： 零序稳态基波分量、零序稳态谐波分量、零序暂态分量、负序分量和注入信号。 对于目前的各种选线理论，根据其是否利用及如何利用故障电气量特征，可以 分为三大类，第一类：利用接地故障稳态特征分量的选线方法；第二类：利用接地 故障暂态分量的选线方法；第三类：利用其他特征量的选线方法。目前可以采用的 方法有瞳3 2 引：比幅比相方法、无功功率方法，有功分量法、突变量法、小波方法、 能量方法，注入方法。以下将逐一进行分析讨论。 3 1 1利用接地故障稳态特征分量的选线方法 ( 1 ) 零序电流比幅法 这种方法基于早期的继电保护原理，适用于n u s 。当n u s 发生单相接地故障时， 流过故障元件的零序电流在数值上等于所有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，所以只要通过零序电流幅值大小比较就可以找出故障线 路。在具体实现上，通常采用“绝对整定值”原理。即利用零序电流厶与一整定值 厶做比较，整定值厶一般大于系统内任何一条出线的电容电流值，如果厶小于整 定值厶，极化继电器不动作；如果厶大于整定值厶则极化继电器动作，显示器显 示该回路的编号，选线完成。 但这种绝对值比较的方法受线路长短、系统运行方式变化、过渡电阻大小及 c t ( 电流互感器) 不平衡电流的影响，可见在理论上就是不完备的，因为系统中可能 存在某条线路的电容电流大于其它线路电容电流之和的情况。从而导致误选、多选、 漏选。从整定方式上看，这种整定方式可能导致死区，不能满足系统运行多变的情 况。 ( 2 ) 零序电流群体比幅比相法 所谓群体比幅比相法，是对于零序电流绝对值比较法的一种扩展和改进。当系 1 4 垡= 匕盥力厶堂亟堂位论塞 统中任意一条线路发生单相接地故障时，接地线路中的零序电流是接于同一母线上 的所有非故障线路的零序电流之和，因而大于任何条非故障线路。群体比幅比相 法正是利用了这一特点，把接于同一电压母线的所有线路视为一个群体，故障发生 时，该群体中所有线路同时参与零序电流幅值相对比较，其中具有最大幅值的即判 定为故障线路。同理，群体比相法：即在任意一条线路接地时，接地线路零序电流 相位与所有非故障线路相位相反。于是将所有线路视为一个群体，故障发生时，该 群体中所有线路同时参与零序电流相位相对比较，发向与其他线路相反的即判定为 故障线路