（微电子学与固体电子学专业论文）10kv配电网单相接地故障定位研究.pdf

中困科学技术人学硕i 学位论文 摘要 配电网是电力系统的重要组成部分，在发生故障后，如不及时找出故障点进 行故障排除，将会影响很大范围内的用户用电。我国的1 0 k v 配电网一般采用小 电流接地方式运行，中性点不接地，在发生单相接地故障时，因为接地电流很小， 加上配电网的结构复杂，对接地点的精确定位一直是一个难点。本文通过对多种 i 芑 定位方法的分析、比较，基于配电线路的集总参数模型，橥合实际线路的复杂性， 提出了一种新的i o k v 配电网单相接地故障定位方法双端复阻抗法，完成了 故障定位系统核心部分的软硬件实现，进行了相关实验，并对实验结果进行了分 析。 分别从线路的两端测量包含接地阻抗在内的总的复阻抗，基于配电线路的集 总参数模型，通过简单的算法即可对故障点进行定位。这种方法算法简单，不需 要双端数据的同步，可以抵消接地阻抗的影响，适用于任何阻抗类型的稳定接地 故障。在多仓频率下进行故障测距，再利用分段线性拟合对测距结果进行校准， 可以补偿阻抗模型的误差，得到较高的定位精度。 本文详细介绍了1 0 k v 配电网单相接地故障定位的基本原理和方法，以系统 的核心模块阻抗测量模块为主，详细给出了定位系统的软硬件实现方案，进 行了相关实验并对实验结果进行分析，给出了系统的预计定位精度。 关键词：i o k v 配电网、中性点、单相接地故障、阻抗、多频率测量、分段线性 中国科学技术大学硕十学位论文 a b s t r a c t d i s t r i b u t i o ns y s t e mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h ep o w e rs y s t e m i ft h e f a u l t so c c u lt h e ym u s tb ee l i m i n a t e di nt i m et ok e e pt h ep o w e rs u p p l yn o tb e i n g l a r g e l ya f f e c t e d i nc h i n a ，m o s to f t h e1 0 k vd i s t r i b u t i o ns y s t e m su s et h en e u t r a l p o i n t n o n g r o u n d i n gm e t h o d f o rt h e s el o wc u r r e n tg r o u n d i n gs y s t e m s ，t h el o c m i o no ft h e s i n g l e p h a s e - g r o u n d i n gf a u l ti sv e r yd i f f i c u l tb e c a u s eo ft h el o wg r o u n d i n gc r r r e n t a n dt h ec o m p l e xd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s an e wa p p r o a c ho fs i n g l e p h a s e g r o u n d i n g f a u l tl o c m i o ni np o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h ea l g o r i t h mi s p r o p o s e db a s e do nt h el u m p e dt r a n s m i s s i o nl i n em o d e la n dt h ec o m p l e x i t yo ft h e p o w e rd i s t r i b u t i o nl i n e si st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h ek e ym o d u l e so ft h el o c a t i o n s y s t e ma r ei m p l e m e n t e da n ds o m er e l a t e de x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt og e ts o m e r e s u l t s b ym e a s u r i n gt h et o t a li m p e d a n c eo ft h ed i s t r i b u t i o nl i n e a n dt h eg r o u n d i n g i m p e d a n c ef r o mb o t ht e r m i n a l s t h el o c a t i o no ft h ef a u l tc a nb eo b t a i n e dw i t ha n a l g o r i t h mb a s e do nt h el u m p e dt r a n s m i s s i o nl i n em o d e l t h ea l g o r i t h mi sv e r ys i m p l e i t s i n d e p e n d e n t w i mt h e g r o u n d i n gi m p e d a n c e s a n dd o e sn o tn e e dt h e s y n c h r o n i z a t i o no ft h et w o t e r m i n a ld a t a m u l t i f r e q u e n c ym e a s u r e m e n ti su s e da n d t h er e s u l t sa r ec a l i b r a t e db yp i e c e w i s e l i n e a ra l g o r i t h mt oi m p r o v et h el o c a t i o n r e s o l u t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fs i n g l e - - p h a s e g r o u n d i n gf a u l tl o c a t i o nf o r t h e1 0 k vp o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mi nd e t a i l ，a n dg i v e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o nf o c u s i n go nt h ei m p e d a n c eo n - l i n em e a s u r i n gm o d u l e a c c o r d i n gt o t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t s t h ee s t i m a t ef o rt h er e s o l u t i o no ft h el o c a t i o ns y s t e mi 8 m a d e k e y w o r d s ：1 0 k vd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，n e u t r a l p o i n t , s i n g l e p h a s e g r o u n d i n gf a u l t , i m p e d a n c e 。m u l t i f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t ，p i e c e w i s e l i n e a r 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部 j 或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可踢将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：徨塾型 _ 呻7 年箩月夕口日 中国科学技术大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1配电网及其常见线路故障 配电网是指1 1 0 k v 及其以下电压等级的电网。在我国，6 6 1 1 1 0 k v 电压等级的 配电系统被划分为高压配电系统，1 0 6 k v 电压等级为中压配电系统，3 8 0 2 2 0 k v 电压等级为低压配电系统。目前配电自动化所涉及的主要是1 0 k v 的中压电网，其 范围一般是从变电站的主变低压1 0 k v 懊u 和低压l o k v 母线开始，直至电力用户为 止，一般供电范围为1 0 k i n 。 由于配电网本身复杂的网络结构导致配电网具有较高的故障率。从故障发 生的部位，可分为架空线路故障、地下电缆故障以及变电所、发电厂故障等；从 发生的原因看，主要有雷击等自然现象、树枝或其它东西接触以及操作不当和设 备缺陷等。从故障的类型看，主要有断线故障、相间短路故障、单相接地故障等。 配电线路大部分架设在人们生活的地区，发生故障时，影响与它连接的较大范围 的用户供电。 1 21 0 k v 配电网单相接地故障定位研究的重要性 为了提高供电的可靠性，我国的1 0 k v 配电网一般采用中性点不接地方式运 行。由于没有中性点引出，发生单相接地故障时，不能构成低阻抗的工频回路， 接地电流很小，故这种系统又称为小电流接地系统，其对应的单相接地故障又称 为小电流接地故障。按照规定，1 0 k v 配电网发生单相接地故障后仍可继续运行 1 - - 2 小时，但由于中性点不接地，发生单相接地故障后，非故障相对地工频电压 升高至原来的3 倍，用电设备处于过电压运行状态，对系统的绝缘要求很高， 不仅非常不安全，而且极易进一步发展成为两点或多点故障或相间短路故障。另 外，在故障发生时，有可能产生异常过电压。发生铁磁谐振过电压时，其值可达 到4 倍相电压，发生间歇性弧光接地时，有时也可达3 5 倍相电压。这些高电压 波及全网，持续时间较长时，将对网络中设备的绝缘寿命产生不良影响，甚至导 中国科学技术大学颀i 学位论文 致电缆爆炸、p t 烧毁等事故，造成巨大的经济损失和人员伤亡。安徽省一年因 小电流接地故障所带来的经济损失就达数亿人民币之巨；华北某电厂曾连续发生 几起丌关爆炸事件，均是由小电流接地系统的单相接地故障引起。在配电网的所 有故障中，单相接地故障占到7 叽8 0 ，是最主要的故障类型，因此，如何准确 地对单相接地故障点进行定位就显得非常重要。 以中性点不接地方式运行的1 0 k v 配电网的单相接地故障定位由于其小的 接地电流和复杂的网络结构而显得非常困难。传统的1 0 k v 配电网单相接地故障 定位一般采用逐条线路拉闸停电的方法来确定故障线路，在选出故障线路后，再 派工作人员到现场沿线查找故障位置，然后排除故障。这种方法由于人工的介入， 所需的定位时间比较长，难以适应人们对配电网自动化水平的新要求。为了保证 配电网的安全、自动化运行，国内外的专家、学者投入了大量的人力、物力和财 力来研究单相接地故障的定位方法，已经取得了不少的研究成果 1 - 3 。 1 3近年来相关研究成果 文献 4 】提出了通过变电站侧的p t 向1 0 k v 目e 电线路接地相注入基波频率 介 于工频的n 次与n + 1 次谐波之间的“s 信号”，再用中心频率为厶的带通电流探 测器沿接地线行走探测，注入信号消失点极为故障接地点。对于分支线路的情况， 则在两个分支线路离分支点1 0 m 的地方分别探测，能够检测到注入的“s 信号” 的分支为故障分支。文献 5 】对文献 4 】的方法进行了改进，在故障停电后向接地 线路外加恒定直流高压使接地点保持击穿状态，再以文献【4 】的方法判定故障位 置，从而解决了文【4 】在故障停电后绝缘恢复和定位困难的问题。以上两种方法 不受网络结构和线路参数的影响，也不受分布电容和接地阻抗的影响，对有无分 支线路均适用，定位精度高，但这两种方法还是需要人工沿线行走探测，没有实 现单相接地故障定位的自动化。 、 近年来，在配电网的单相接地故障定位领域，人们提出了许多新的故障测距 算法，逐步实现了配电网故障测距的自动化。 文献【6 】【7 】基于线路的集总参数模型，认为线路只有与距离成正比的电感，用 中国科学技术大学硕t ：学位论文 “信号注入法”( 也称“阻抗法”) 对故障点进行定位。这种方法只需测量单端电 气量，算法也非常简单，但只适用于纯阻性接地，无法对非纯阻性的复阻抗接地 故障进行定位：而且，由于i o k v 配电网络的复杂性，集总参数模型有与实际的i o k v 配电线路有很大的误差，这种方法并不能在实际的i o k v 配电网故障定位中取得较 高的精度。 文献【8 基于线路的分布参数模型，利用长线的波传播方程，通过测量线路两 端的工频电压和电流，对故障定进行准确定位。这种方法测量双端电气量，有较 高的精度，但对双端数据的同步性要求较高。文献 9 】通过递推法抵消了双端数 据的非同步性带来的误差，但计算比较复杂，不易实现。 “利用线路故障瞬间产生的向线路两端运动的暂态行波可以实现线路故障 测距”，行波法具有不受系统运行方式变化和不稳定电弧的影响，以及故障测距 快速准确等优点。行波法包括a 型、b 型、c 型和e 型算法，利用暂态行波的往返 时间来实现定位。文献 1 】中介绍了行波法的基本原理；文献 1 0 介绍了行波测距 的电流一电压、电压一电压、电流一电流三种测距方式：文献 1 1 将小波分析引入 到行波测距中，介绍了小波对信号的奇异性检测理论。行波法不受过渡电陌和线 路不对称等因素的影响，精度相对较高；但行波法存在反射波的识别问题，在算 法上实现起来比较复杂。 文献 1 2 1 提出了一种新的故障测距算法。基于频谱分析的原理和线路的分布 参数模型，建立配电网络的传递函数，由传递函数的频谱特性构造判据进行故障 定位，传递函数的频谱特性通过从单端施加方波激励信号得到。这种方法不需要 双端数据的通信，理论上可以搜索到任意子分支，但其实用性还有待进一步研究。 中国科学技术大学硕卜学位论文 1 4本文研究内容与创新之处 本文通过对以往多种定位方法的分析、比较，主要对以下内容进行了研究： ( 1 ) 结合配电线路的参数模型以及实际配电线路的复杂性，提出了一种新的用 于i o k v 配电网的单相接地故障定位方法双端复阻抗法： ( 2 ) 完成了故障定位系统核心部分的软硬件设计； ( 3 ) 设计并完成了相关故障测距实验，结果良好；对实验结果进行分析，给出 了系统预计的定位精度。 本文提出了一种全新的i o k v 配电网单相接地故障的定位方法双端复阻 抗法，其创新之处有： ( 1 ) 基于线路的集总参数模型，算法简单： ( 2 ) 通过双端复阻抗的测量，可以抵消接地阻抗的影响，适用于所有稳定的 接地阻抗类型； ( 3 ) 采用多频率测量和分段线性拟合，可以大大提高定位的精度，补偿阻抗 模型的误差。 中囝科学技术大学硕l 学位论文 第2 章电力系统的运行方式及其单相接地故障分析 电力系统的运行方式可以按中性点接地方式来划分，主要的运行方式有四 种：中性点直接接地方式、中性点经电阻接地( 按接地电阻的大小分为高阻接地 和低阻接地) 方式、中性点经消弧线圈接地方式和中性点不接地方式。其中，中 性点经消弧线圈接地系统称为谐振接地系统；中性点直接接地或经一低值电阻接 地的系统，称为中性点有效接地系统；中性点不接地、经高值电阻接地或谐振接 地的系统，称为中性点非有效接地系统。 对于不同的中性点接地方式，其故障特点是不同的，本章将分别对四种中性 点接地方式以及在各种接地方式下的单相接地故障特点进行介绍【b 一4 1 。 2 1中性点直接接地方式 对于中性点直接接地系统，当发生单相接地故障时，故障相由接地点通过 “地”形成单相短路，如图2 1 所示。 图2 1中性点直接接地系统单相接地故障示意图 中性点直接接地系统的最大缺点是单相短路电流值很大，发生单相接地时， 必须立刻切除故障部分。在大容量的电力系统中，单相接地电流达到不可允许的 数值，为了减小单相短路电流值，经济而有效的办法是减少中性点接地数，也就 是只将部分中性点接地，而另一部分中性点不接地。 运行经验指出，架空线路的单相接地故障大多数为暂时性的，而直接接地系 统发尘单相接地，必须断开故障线路，使用户供电中断。为了克服这一严重缺点， 提高供电可靠性，在中性点直接接地系统的线路上，广泛装设自动重合闸装置。 当发生单相接地故障时，断路器自动断开，在自动重合闸作用下，自动合闸。若 中国科学技术大学顾f 学位论文 接地为暂时性的，则合闸合后线路接通，用户供电恢复；若接地是永久性的，则 断路器又重新断开。因此，采用直接接地方式的系统需要具有高性能的继电器和 断路器，以便能快速地切除线路故障，故障排除后再依靠重合闸恢复正常供电。 中性点直接接地系统的主要优点是单相接地时，其直接接地的中性点电位不 变，非故障相对地电压也不升高，因电网中设备对地绝缘水平决定于相电压，使 电网在绝缘上所花投资降低。因而，我国l i o k v 以上的系统，一般采用中性点直 接接地系统，其技术名称为“大接地电流系统”。其缺点是接地电流很大，会导 致频繁的跳闸，降低供电的可靠性。 2 2中性点经电阻接地方式 中性点经电阻接地分为高电阻接地、中电阻接地、低电阻接地等三种方式。 中性点接地电阻的取值，可以从接地过电压、接地电流以及通信干扰等方面综合 考虑。 cb 缦 踌 l 线 路 2 图2 2 中性点经电阻接地系统单相接地故障示意图 这种接地方式的优点是： ( 1 ) 由于接地电阻上承担一部分电压，当发生单相接地故障时，非故障相电压 低于3 倍的相电压，因此对电网中的设备绝缘水平的要求比较低，从而降低了 建设投资； ( 2 ) 虽然加了电阻，在接地时，流过故障线路的电流仍然较大，可以比较容 6 中国科学技术大学硕仁学位论文 易地检出故障线路，用一般的电流保护或接地信号指示器便可； ( 3 ) 有利于消除谐振过电压和断线过电压，避免使单相接地故障发展成为相问 短路故障。 同中性点直接接地系统一样，中性点经电阻接地运行的最大缺点是：当发生 单相接地故障时，无论是永久性的还是非永久性的，均会导致频繁跳闸，降低供 电的可靠性。 2 3 中性点经消弧线圈接地方式 对于出线较多，线路长度较长，或者包含大量电缆线路的系统，当其电容电 流超过一定数值时，单相接地故障时电弧不易熄灭，这时应采用中性点经消弧线 圈接地的方式运行，如图2 3 。 在电网中性点与地之间接入消弧线圈之后，若电网发生单相接地，其单相接 地电容电流将会得到有效补偿。如能使故障点的残余电流减至5 a 左右，就可使 电弧不易重燃。 消弧线圈实际上是具有铁芯的可调消弧电抗器，当发生单相接地故障时，可 形成与接地电流大小接近但方向相反的感性电流以补偿容性电流，从而使接地处 的电流变得很小或接近于零。 cb l 缝 路 l 线 路 2 图2 3 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障示意图 发生单相接地故障后，三相电路的对称性受到破坏，故障点就出现明显的不 中国科学技术大学硕f 学位论文 对称，如当a 相发生单相接地故障后，a 相对地电压为零，而b 相和c 相对地电 压升高，对地电容电流相应增大。同时，故障线路中将有电感电流流过。整个系 统出现数值为电网f 常运行时的相电压的零序电压，并且故障线路和非故障线路 上均会出现零序电流，非故障线路的零序电流在数值上等于自身线路对地电容电 流，方向由母线流向线路，故障线路的零序电流数值上等于所有非故障线路的零 序电流与电感电流之和，方向不定。视补偿电流大小而定。 中性点经消弧线圈接地的系统，其消弧线圈通常安装于各枢纽变电所内，接 在零序电抗小、零序漏磁通小的变压器中性点上或接地变压器中性点上，消弧线 圈处于过补偿状态，使得故障时电弧重燃的次数大为减少，从而使高幅值的过电 压出现的概率减小。但近年来这种方法应用较少，其原因是当系统接线变化时， 必须调整消弧线圈的值；同时，随着配电网规模变大，做不到完全抵消分布电容。 2 4中性点不接地方式 对于中性点接地系统，其接地事故常常会引起断路器频繁地切断电路，使供 电可靠性降低。考虑到有些单相接地故障是由于风摇摆树枝碰触输电线引起的， 单相接地故障只发生在短时间内，很快便会自动解除，低压配电网可采用中性点 不接地方式运行。 c嚣彳 + ，c ：l 如一_ + ，t 。 一 五妄 o m 、j j + f 吨 q 。中g 。 2 c k 2 ：土 f 2 i 一，- 2 ，+ 一， ”l f 斯4 g ， 2 c l ：上 -。71 图2 4 中性点不接地系统单相接地故障示意图 线 路 l 线 路 2 中国科学技术大学硕+ b 学位论文 这种运行方式实现起来简单，不需要在中性点接任何装置。发生单相接地故 障时，其接地电流很小，而且不会破坏系统的对称性，用户端的电压三角形不发 生变化，一般允许其带故障继续运行1 2 小时。由于单相接地时故障点电流很小， 跨步电压和接触电压都较低，使人身伤亡显著降低，邻近通信线路干扰较小。 对于中性点不接地系统，当正常运行时，各相对地电压是对称的，中性点对 地电压为零，无零序电压。如果发生单相接地，若不计元件的对地电容，那么接 地电流为零，因为不影响对用户供电，不需要立即跳闸，避免了频繁短时故障的 重复继电保护动作，可大大提高供电可靠性。 中性点不接地系统发生单相接地故障时的故障特点为： ( 1 ) 故障相对地电压为零，健全相对地电压升高3 倍，所以系统的绝缘要按 线电压考虑，在绝缘上投资相应要增加； ( 2 ) 流过接地点的接地电流是系统总的电容电流，即正常每相电容电流的三 倍。这一电流随着电网线路的增加，电网的扩大而不断增大，接地点的电弧也较 难熄灭，出现稳定电弧，有可能烧坏设备，时间太长甚至会导致两点或多点故障 或相问短路故障。 虽然中性点不接地系统对系统的绝缘性要求较高，而且长时间带故障运行会 导致多点或相间故障，但对于规模不大的3 3 5 k v 电网，接地电流( 电容电流) 只有几个安培，单相接地实际并不影响向用户供电，从减少跳闸次数保证连续供 电、提高供电可靠性上来看，采用中性点不接地方式是合理的( 根据国家标准 ( g b 5 0 0 7 0 9 4 ) 规定，当单相接地电容电流小于1 0 a 时，宜采用中性点不接地方 式) 。我国的1 0 k v 配电网大多采用中性点不接地的运行方式，本文也主要针对 这种中性点不接地系统的小电流接地故障进行研究。 中国科学技术大学硕士学位论文 第3 章1 0 k v 配电网单相接地故障定位原理 要对电力系统进行故障定位，除了要知道其运行方式外，还必须知道线路的 电气特性，如电气参数、阻抗模型等，因为基于不同的电气模型有着不同的定位 方法。本章首先分析三种不同的阻抗模型，然后针对1 0 k v 配电网，基于集总参 数模型提出一种新的单相接地故障的定位方法双端复阻抗法，介绍这种方法 的基本原理并分析其优点。 3 1 输配电线路的电气特性 电力系统是以三相交流方式运行的，在正常情况下三相对称，要理解三相 电路的电气特性，只需考虑其中的一相即可，下面的分析均考虑单相线路。输电 线路包括架空线路和电缆线路，这里只介绍架空线路。 3 1 1 输配电线路的电气参数 输配电线路有电阻r 、电感l 、电容c 、漏电导g 四个参数。输电线路的这些 参数通常可以认为是沿全长均匀分布的，单位长度的参数为电阻凡、电感h 、 电容c o 电导g 0 ，在知道线路的材料、构成以及几何参数后，架空线路的四个参 数都可由公式求出。 1 电阻r 线路的电阻是由导体的材料和构成决定的，现在用的线路导体多采用多股 硬铜线( 电阻率p = 1 7 8 x 1 0 “q m ) 和硬铝线( 电阻率p = 2 8 3 x 1 0 - 8 q m ) 并用的 导线。设导线的截面积为s m m 2 ，则单位长度的电阻r 可由下式得到： r 节警q ， 1 0 ， 中国科学技术大学硕f 。学位论文 2 电感l 线路的电感l 由各相导线的几何形状确定。对称三相输电线的电感叫自感， 单位长度的输配电线，每相的平均电感由下式决定： l ：0 2 l n 生m h k i n 其中，以是等效线距，是等效半径。设三相导体之间的线阳j 距为函2 ，以3 ，西l ， 导体的半径为，则 d e = 再瓦 r e = o 7 7 8 8 r 3 电容c 线路的电容和电感一样，也由各相导线之间的几何形状来决定，对称三相输 电线间的电容叫线间电容，单位长度输配电线上，每相的平均电容由下式求出： c ： ! 斗f k m 18 i n ( 以r ) 4 漏电导g 线路的漏电导是反映泄露电流和电晕所引起的有功损耗的一种参数，通常 线路绝缘良好，泄露损耗可忽略，因此架空线路的漏电导主要取决于电晕引起的 有功损耗。电晕现象就是架空线路带有高电压的情况下，当导线表面的电场强度 超过空气的击穿强度时，导线附近的空气游离而产生局部放电的现象。电晕现象 一般在超高压线路中发生，对于1 0 k v 配电网线路，其漏电导可忽略不计。 3 1 2 输配电线路的阻抗模型 输配电线路可以由电阻r 、电感l 、电容c 、电导g 构成的各种等效电路 来表示，对不同电压等级、不同传输距离的输配电线路，可根据实际需要，采用 不同的等效模型【15 1 。 1 1 中国科学技术大学顾i ：学位论文 1 集总参数模型 城市连接变电所之间的输电线距离较短，其等效电路可以用集中参数的电阻 和电感来表示( 线路电压不高时，其分布电容、漏电导可忽略) ，如图3 1 所示。 有时候，在忽略线路损耗不会产生问题时，可以简化计算，不考虑电阻，只计电 感，成为最简单的线路模型。 r l o - o 八八_ 厂y y y 、l _ o 2 型阻抗模型 图3 1 集总参数模型 从城市近郊发电厂来的供电线及城市外环供电线，相对来说线路比较长或者 地下电缆线需要考虑电容时，输电线路采用图3 2 的等效模型，即丌型等效模型， 是电力系统分析中比较常用的阻抗模型。 rl 3 分布参数模型 图3 2 型阻抗模型 连接远距离的发电厂和城市地区的长距离输电线及电力系统出现故障时，导 线上的电压和电流作为一种波动在输电线上传送，这种情况下，需要严格的分析， 输电线路的阻抗希望用分布参数的硒、k 、c o 、g o 来构成等效模型，如图3 3 所示。 中圈科学技术大学硕 - 学位论文 民l o民l 0民l 0 图3 3 分布参数模型 这种分布参数模型理论上是架空线路最准确的模型，也是最复杂的模型，线 路上的电压和电流既与时蒯有关，也与距离有关，其基本方程为【1 6 】： u = c h t x u 2 + z 。s h t x l 2 ( 3 1 ) j ：芒兰西：+ e h ? x 丘 ( 3 2 ) z 。| 、。 其中，u z 、，z 为线路某一端的相电压、线电流；u 、，为到该端距离为x 处 的相电压、线电流： y 为线路的传播系数， ，= ( g o + j c o c o ) ( r o + j c o l o ) = 口+ j ， 口表示行波振幅衰减系数，表示行波相位的变化情况即相位系数。 线路的特性阻抗( 也称波阻抗) 为 z 。= 由方程( 3 1 ) 、( 3 2 ) ，可以得出沿线路的电压分布规律或线路中间某点电压、 电流与线路两端电压、电流的关系，基于线路分布参数的故障定位方法大多基于 这两个方程。可以看出，这种方法依赖于分布参数r 0 、k 、c o 、g o 的均匀性， 而且，定位算法的实现需要较大的计算量( 常常需要迭代计算) 。在实际的1 0 k v 配电网自动化中，基于分夼参数的长线模型较少出现，这种模型一般用于高压输 电线路。 中国科学技术大学顾l 学位论文 3 2 双端复阻抗法故障定位原理 在配电自动化中，接地故障检测包括两个部分：故障选线和故障定位。对于 中性点不接地的1 0 k v 小电流接地系统，由于发生单相接地故障后的特点非常明 显，故障的选线非常容易( 例如可以通过故障发生后故障相对地电压为o 而非故 障相对低电压升高3 倍来进行选线) ，难点在于故障点的精确定位。 般束说，常用的电力系统的故障定位方法大致可分为行波法和故障分析法 两大类1 1 埘。 行波法是根据行波传输理论实现输电线路的故障测距方法，利用行波速度和 行进时间来得到故障距离。行波法不受过渡电阻和线路不对称等因素的影响，精 度相对较高，但存在反射波的识别问题，一般在架空输电线路中使用，在复杂配 电网中的应用还有待研究。 故障分析法利用线路故障时测量的电压、电流，基于3 1 1 节介绍的各种线 路模型，通过分析和计算得到故障距离。故障分析法可分为单端测量和双端测量 两种方法。单端测量由于测量的电气量较少，不能抵消接地阻抗的影响，而且一 般只适用于纯阻性接地，有一定的局限性。双端测量通过测量双端的电气量，可 以抵消接地阻抗的影响，而且具有较高的测距精度。随着通信系统的快速发展， 双端测距得到了快速的发展。 考虑到实际的1 0 k v 配电线路的复杂性以及传输距离近的特点，我们提出了 一种基于集总参数模型的单相接地故障定位方法双端复阻抗法，认为线路具 有集总的、与距离成正比的复阻抗，通过测量变电站距接地点的线路阻抗来对接 地故障点进行定位；利用多频率测量和分段线性拟合来提高定位的精度，抵消集 总参数模型与实际复杂的配电线路的误差。 3 2 1 双端复阻抗法原理概述 利用双端复阻抗法实现故障定位的基本原理是，将配电线路看成集总的、与 距离成币比的“阻抗”，通过“信号注入”和“双端复阻抗测量”，得到故障点距 中国科学技术人学硕l 学位论文 变电站( 注入点) 的线路阻抗，进而得到故障点距变电站的距离。 如图3 4 ，当i o k v 配电网发生单相接地故障时，在选线装置选出故障相后， 经变压器p t 向故障相注入某一频率的信号，信号沿输电线经接地阻抗( 过渡阻 抗) z 、大地，由电流互感器c t 返回，通过注入信号与返回信号可以得到包含 接地阻抗z 。在内的回路总阻抗；分别在m 、n 两地测量两端回路的总阻抗，便 可通过简单的计算得到m p 、n p 两段输电线的阻抗，进而得到m p 与n p 的长度， 实现对故障点p 的定位。 故障相 u m i c t m m pn k n 故障相 u i n i c t “ 图3 41 0 k v 配电网单相接地故障定位基本原理 这罩有几点需要说明： ( 1 ) 这罩的“集总参数模型”并不是简单将配电线路等效为与距离成正比的电 阻和电感。虽然是低压架空线路，但由于配电网络的复杂性，其漏电导和分布电 容( 对地电容) 并不可忽略。为了与实际模型更接近，同时降低算法的复杂性，我 们的“集总参数模型”是与距离成正比的“复阻抗”( 单位长度的输电线复阻抗 为z 0 ，长度为l 的线路复阻抗即为l z 0 ) ，这种模型对输电距离小于2 0 k m 的 1 0 k v 配电网而言是合理的。 ( 2 ) 为了防止信号的干扰，两端信号的注入及测量都要分别进行。如图3 4 所 示，先断开k n 、闭合k m ，进行m 地的信号注入和复阻抗测量；再断开k m ，闭 合k n ，进行n 地的信号注入和复阻抗测量。双端数据的通信可以通过g s m g p r s 通信模块实现。 ( 3 ) 注入信号频率的选取。虽然对于中性点不接地系统，接地工频电流很小， 但由于1 0 k v 配电线路一般离用户较近，经分布电容和漏电导耦合到地的工频杂 1 5 中固科学技术人学硕i ：学位论文 散电流仍不可忽略，为了方便返回信号的提取，一般选取注入信号的频率介于工 频5 0 h z 的n 次和n + 1 次谐波之间；另外，由于高频信号在输电线路上衰减严 重，注入信号的频率不能太高，一般在i k h z 以下。 为了获得更高的精度，信号的注入常常采用三相同时注入，如图3 5 所示。 c 相 b 干日 a 栩 m 地 一一 n 地 图3 5 三相注入的情况 配电线路有其自身的分布电容，单相注入时，注入的信号不仅经接地阻抗z ， 返回大地，而且还会经分布电容返回，c t 电流不仅仅包含经z 。返回的电流，还 包括由分布电容返回的电流，这会直接导致阻抗测量结果的不准确。采用幅度相 等、相差为1 2 0 0 的三相信号同时注入时，三相线路的分布电容相同，经分布电 容返回的也是幅度相等、相差为1 2 0 0 的三相平衡信号，进入c t 后会被抵消，只 剩下经接地阻抗z 。返回的电流，从而保证了c t 电流的准确性。 采用三相注入时，阻抗计算时用的电压为故障相的注入信号，返回电流仍然 用c t 返回电流，与单相注入相同。三相注入的目的只是抵消由分布电容返回的 杂散电流。 中国科学技术大学硕士学位论文 3 2 2 双端复阻抗法的测距算法 1 0 k v 配电线路发生单相接地故障时，基于集总参数的等效阻抗模型如图3 6 所示。 t：。= 图3 6基于集总参数的1 0 k v 配电网单相接地故障阻抗模型 z l 、z 2 分别为从m 、n 至接地点的输电线等效阻抗，设单位长度输电线复阻 抗为z o ，p 离m 、n 的距离分别为l l 、l 2 ，则z l ：l l * 7 - o ，z 2 = l 2 z o ，z l 、z 2 为 平行向量。z m 、z n 分别为从m m l 和n n l 看进去的回路总阻抗，其相角分别为 m 、毋n ，二者的差为a 妒。用矢量图表示上述各复阻抗的关系如图3 7 所示 ( a b = z i ，a t = z 2 ) 。 c z 2 图3 7 复阻抗矢量关系图 在a o b c 中，由余弦定理， 蚓= i z 2 1 一= 1 2 + i z 。1 2 2 z i z 。j c o s a ( o m 、n 两地间输电线m n 的总阻抗 z 总= 2 1 + z 2 = ( l 1 + l 2 ) z o = 总z o f l q ( 3 3 ) 、( 3 4 ) 可得， 区l ：学，| z 2 f ：丛2 笪 进而有 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 中国科学技术大学硕f ：学位论文 耻每背，妒争背 ；， 可见，若已知两地间输电线的总阻抗i zg l 和总长度le ，只要在两端测得包 括接地阻抗在内的总阻抗z m 、z n ，便可利用矢量三角形由( 3 3 ) 式得到l z | ，进 一步得到故障点距m 、n 两地的输电线阻抗l z l | 、l z 2 | ，最后由( 3 5 ) 式对故障点进 行定位。 输电线的总长度lg 容易知道，而其总阻抗i zej 可以事先测得，故障测距的 关键在于m 、n 两端回路总阻抗z m 、z n 的测量( z m 、z n 为复矢量，测量包括模 的测量和相角的测量两个部分) 。对于1 0 k v 配电网，由于中性点不接地，注入 信号只通过测量c t 返回( 如图3 4 所示) ，z m 、z n 很容易通过注入法测量。 3 2 3 多频率测量和分段线性拟合 实际的配电线路一般架设高度不是很高，离一些民用建筑和设施也很近， - 其漏电导和分布电容不能忽略，线路阻抗并不严格等效为与距离( 输电线长度) 成 正比的复阻抗，前面提到的“集总参数模型”只是一种近似。为了提高定位的精 度，可以采用多频率测量：分别在不同的频率下测量复阻抗z m 、z n ，由( 3 3 ) 式 和( 3 5 ) 式得到不同频率下的故障测距结果( 测距结果理论上与频率无关) ，把不同 频率下的测距结果进行平均作为最后的测距结果。 由于实际的1 0 k v 配电网络的复杂性和分支结构，再加上由于检修而出现的 线路参数的不均匀性，线路的“阻抗”与距离并不严格成线性关系，为了进一步 提高定位的精度，多频率测距后的平均结果还需要用“分段线性拟合”来进行校 准，校准过程如下： 校准距离( m ) 图3 8 测距结果校准曲线 平均测距结果( m ) 中国科学技术大学硕士学位论文 如图3 8 所示，在测量配电线路的未知故障点前，事先选取几个点( 与m 地 的距离分别为u 、v 、w ) ，进行人为接地，在不同频率、不同接地阻抗下多次测 量复阻抗z m 、z n ，得到不同频率、不同接地阻抗下的测距结果，将其平均后得 到平均测距结果a 、b 、y 。将a 、6 、y 作为已知条件，按分段线性关系连成 图中的折线作为校准曲线。将校准益线的相关参数( 1 l 、v 、w 以及a 、e 、y ) 存 于系统中，在测量未知故障点时，用实际的测量距离( 多频率下的平均测距结果) 在校准曲线上找到校准距离作为最终的定位结果。 不同的配电网有不同的校准曲线，系统在用于定位之前都要事先进行实地测 量，以获取校准曲线。至于如何分段，即u 、v 、w 如何选取，以及分多少段， 可根据实际的线路情况来决定。不同型号、不同地理位置处的输电线分在不同段； 相对较空旷的区域允许用较长的距离分段，离市中心或居民区较近的线路可以用 相对较短的距离分段；另外，对分支较多的地方，一般要求相对较密集的分段。 分段越多、越细，最后的结果越准确，同时定位过程也越复杂。为了得到准确的 校准曲线，人为接地时的故障测距要尽可能的模拟到实际接地中的各种接地阻 抗，因此，测量不但要在多个频率下进行，还要在多组不同的乙取值( 不同的阻 抗类型、不同的阻抗大小) 下进行。 3 2 4 基于双端复阻抗法的故障定位步骤 综上所述，1 0 k v 配电网单相接地故障定位的基本步骤如下： ( 1 ) 线路总阻抗i zg l 的测量 在线路的一端进行人为接地，另一端进行阻抗测量，得到多频率下线路的总 阻抗i z 。l 。 ( 2 ) 校准曲线的获取 对于要监测的配电线路，根据线路的实际情况对其分段，分别取多组接地阻 抗z “包括不同的阻抗类型以及阻抗大小) ，对分段点进行人为接地，在多个频率 下进行故障测距，将 9 1 l | 距平均结果以及实际故障距离存于系统中，按图3 8 得到 分段线性的校准曲线。 ( 3 ) 实际故障点的定位 中国科学技术大学颇十学位论文 当线路发生单相接地故障时，在选线装置给出选线结果后，启动故障定位系 统，在多频率下进行故障测距，用多频率下的平均测距结果在校准曲线上找到“校 准距离”作为最后的定位结果。 3 2 5 双端复阻抗法的优点 双端复阻抗法的基本思想是，基于简单的集总参数模型得到简单的测距算 法；利用多频率测量和分段线性校准来提高定位的精度，补偿阻抗模型的误差。 从双端复阻抗法的原理可以看出，双端复阻抗法属于故障分析法，只不过采 用的模型是最简单的集总参数模型。 用双端复阻抗法实现1 0 k v 配电网单相接地故障定位的优点是： ( 1 ) 基于线路的集总参数模型，算法简单，只需测量阻抗和计算余弦： ( 2 ) 通过双端测量，抵消了接地阻抗z s 对定位结果的影响； ( 3 ) 这种方法不仅仅适用于纯阻性接地，只要是稳定的接地故障，这种方法 适用于所有的接地阻抗类型； ( 4 ) 仅仅利用双端电压量或电流量来实现定位，往往需要双端数据的同步， 双端复阻抗法由于只需测量阻抗，不需要双端数据的同步； ( 5 ) 利用多频率测量和分段线性校准可以提高定位的精度，补偿集总参数模 型的误差。 2 0 中国科学技术大学硕： 学位论文 第4 章1 0 k v 配电网单相接地故障定位系统的实现 4 1 系统的模块划分及工作过程 基于双端复阻抗法的故障定位需要测量双端的电气量，整个系统由置于m 、 n 两地的两个相同的测量子系统和一个主机处理系统构成，如图4 1 所示。各地 子系统分别由阻抗测量模块和通信模块构成。 在各地子系统中，阻抗测量模块完成多个频率下本地测量端回路总阻抗z m 、 z n ( 见图3 6 ) 的测量，是整个系统的核心；通信模块负责传输两地复阻抗的测量 结果、对应的测量频率以及简单的控制命令。主机处理部分负责对两地的测量结 果进行综合处理、计算，得到故障距离：并负责发送测量频率的切换命令以及阻 抗测量模块的开肩和关闭命令；在多频率下的阻抗测量完成后，主机处理模块对 平均测距结果进行校准，得到最终的定位结果并予以显示。 m 地n 地 图4 11 0 k v 配电线路单相接地故障定位系统框图 作为配电网自动化系统的一部分，故障定位系统可与s c a d a e m s ( s c a d a ： s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，监视控制与数据采集；e m s ：e n e r g y m a n a g e m e n ts ) , s t e m ，能量管理系统) 系统以及配电网g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m ：地理图形信息系统) 系统协同工作。在单相接地故障发生并由选线装置给 出故障相后，故障定位系统开始工作。基于双端复阻抗法的故障定位系统工作过 程如下： ( 1 ) 开启m 地阻抗测量模块( 此时n 地阻抗测量模块为关闭状态) ，并给出测 量频率；在测得m 端总阻抗z m 后，测量结果和对应的测量频率一起通过通信模 中国科学技术大学硕卜学位论文 块发给主机。 ( 2 ) 在主机收到m 地子系统的测量结果后，关闭m 地测量模块，开启n 地测 量模块并给出测量频率；在测得n 端