（精密仪器及机械专业论文）小电流谐振接地系统选线装置的研究.pdf

中文摘要社会生产力的飞速发展，对电力系统的可靠性提出了越来越高的要求，同时随着人类向海洋获取能源步伐的加快，海上采油平台作为其中最为有效的途径之一，获得了很大的发展，但海上采油平台由于其平台面积有限，许多电力设备间隔很近，在这种情况下，海上采油平台的电力系统发生单相接地故障的概率大大增加。中低压电力系统以小电流接地系统居多，其中谐振接地系统是主要的发展方向，因此，研究小电流谐振接地系统的单相接地故障选线系统有着很好的应用前景。而随着中性点线圈接地，以往较为常用的基于稳态零序分量的选线算法存在着有效值过小，容易受干扰甚至无法判断的实际和理论缺陷，而后期发展的基于暂态零序分量的选线算法也同样存在受到器件及理论的制约。因此本文提出了基于暂态零序特征分量的谐振接地选线系统，利用d s p 的快速数字信号处理和c a n 控制网络的应用，达到谐振接地系统单相接地故障选线的目的。本选线系统采用c a n 总线组织现场控制网络，并通过c a n 网桥方便可靠的进行节点扩展，节点采用t i 公司生产的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 作为主控设备，通过对零序分量的分析，对零序分量进行滤波，提取暂态特征分量并做综合判据分析，最后多节点将数据上传至上位机，作进一步的数据存储和分析。整个系统较好地实现了设计要求，也较好的控制了成本。关键词：谐振接地，单相接地，c a n ，d s p ，零序暂态分量a b s t r a c tt h er e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e mh a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ta st h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h es o c i e t yw h i l eo c e a np l a t f o r mk e e p sg r o w i n gr a p i d l ya so n eo ft h em o s te f f i c i e n tw a y st og e te n e r g yf r o mo c e a n t h ep r o b a b i l i t yo fo c c u r r e n c eo fs i n g l e - p h a s eg r o u n d e df a u kh a si n c r e a s e dd u et oi t sl i m i t e ds p a c eo fb o t hp l a t f o r ma n de l e c t r i c a lf a c i l i t i e s n o n e f f e c t i v eg r o u n ds y s t e mr e p r e s e n t sm o s to ft h el o w - v o l t a g ep o w e rs y s t e ma n dm e d i u m - v o l t a g ep o w e rs y s t e ma n dr e s o n a n tg r o u n d e dp o w e rs y s t e ms h o w si t sm a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o n t h u si tr e v e a l sg r e a tp r o s p e c t i v eo fs t u d y i n gs i n g l e - p h a s eg r o u n d e df a u l to fr e s o n a n tg r o u n d e dp o w e rs y s t e m b u ti n a d e q u a t e so ft h em e t h o d so f t e nu s e di np a s tw h i c hi sb a s e do ns t e a d yz e r o s e q u e n c ed a t as h o wu pb e c a u s eo ft h eg r o u n d e d - c o i lo ft h en e u t r a lp o 血，e g ，e x c e s s i v e l ys m a l lo fe f f e c t i v ev a l u e ，l i a b i l i t yt ob ei n t e r f e r e da n db o t ht h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ld e f e c t sw h i l et h e r es t i l le x i s t sr e q u i r e m e n t so nb o t ht h e o r ya n dd e v i c eo ft h el a t e l y - d e v e l o p e dm e t h o d sw h i c hi sb a s e do nt r a n s i e n tz e r o - s e q u e n c ed a t a t h u si t si n t r o d u c e di na r t i c l et h a taf a u l td e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nt r a n s i e n tz e r o - s e q u e n c ed a t as p e c i f i c i t yc o m p o n e n tw h i c hu t i l i z e sd s pf a s td i g i t a ls i n g a lp r o c e s s i n gc a p a c i t ya n dc a nc o n t r o ln e t w o r kt od e t e c tf a u l tl i n ei nr e s o n a n tg r o u n d e dp o w e rs y s t e mw i t hs i n g l e p h a s eg r o u n d e df a u l t t h es y s t e mu s e st m s 3 2 0 f 2 812d s pf r o mt ia st h em a i nc o n t r o ld e v i c ea n dc a nb u sa sc o n t r o ln e t w o r ks y s t e mw h i c hc a ne a s i l ye x t e n d st h en e t w o r k a f t e ra c q u i s i o n , t r a n s i e n tz e r o s e q u e n c ed a t ai sf i k e r e dt ob es p e c i f i c i t yc o m p o n e n tw h i c hc a nb ea n a l y z e ds y n t h e t i c a l l y t h er e s u k sw i l lb es e n tt ot h eh o s tf o rs t o r a t i o na n df u r t h e ra n a l y z a t i o n t h es y s t e ma c h i e v e st h eg o a lw h i l em o n i t o r i n gt h ec o s t k e yw o r d s ：r e s o n a n tg r o u n d e dp o w e rs y s t e m ，s i n g l e p h a s eg r o u n d e df a u l t ，c a n ，d s p ，t r a n s i e n tz e r o - s e q u e n c ec o m p o n e n t独创性声明本入声甓蕨量交的学位论文是本人在导颊指导下进行豹研究王作帮取得的研究成果，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，也不包含为获得墨鲞基堂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：掣寥授乞签字霹麓：& 彤7 年7 , 目i o 墨学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤鲞盘芏有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或j 譬描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阕。同崽学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 僳密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：名次旋夕乙导师签名：余饭y签字日期：犹矽7 年7 月，) 日签字日期：h 彩年7 月d 日天津大学硕士学位论文第一章绪论1 1 引言第一章绪论电力系统的稳定运行关系着人民生产生活乃至国家和社会的稳定，电力系统的任何一次故障都有可能给社会造成无法估量的损失，所以保证电力系统安全运行是输变电部门等电力行业的首要任务。同时，随着社会文明的不断进步和人民生活水平的不断提高，对可靠、健康的供电网络的需求也变得相比以往任何时问都来得都要强烈。石油是世界上重要的战略物资和一次能源不仅在各国经济中占有重要地位，而且也是国家安全的基础。中国幅员辽阔，各种资源矿产丰富，但是陆地石油资源储量并不丰富，发展海上采油则成为必然的选择，海上采油平台作为近海或内海蛙为有效的采油方式之一在中国已经有了飞速的发展。海上采油平台由于其位置的特殊性，平台面积狭小，因此平台上的电力网络发生故障的概率是很高的嗣而它对电力系统的可靠件萼求更加苛刻嘛q图l 一1 海上采油平台天津大学硕士学位论文第一章绪论1 2 课题的提出电力系统的中性点接地方式是一个系统工程，既是一个综合性的技术问题，也是一个经济问题，要考虑电网的各种运行情况、供电可靠性要求、故障时的过电压、人身安全、对通信的干扰、对继电保护的技术要求、设备的投资等。中性点接地方式的发展随着人们对电力安全的理解以及电力系统容量而不断变化，见证了科学技术和社会生产力的飞速发展。在发展初期，中性点接地方式采用的都是直接接地的方式运行，因为当时人们认为电压升高是破坏设备绝缘水平的主要原因，发生单相接地故障时相电压即使升高至3 倍也会威胁安全运行，而由于当时电力系统容量较小，从而导致人们对过电流的危害性估计不足。随着电力系统的扩大，单相接地故障增多，中性点直接接地系统中的接地相电流越来越大从而事故频发，断路器经常跳闸而造成频繁的停电事故，人们又将接地方式改为不接地方式运行。而由于工业的迅猛发展，电力系统容量继续扩大，输电距离的不断延伸使得电压等级不断升高，在发生单相接地故障时，接地电容电流形成的电弧往往不能自动熄灭，同时电弧形成的过电压往往导致接地故障进一步扩大，人们开始寻找新的解决方案。如今电力系统从电压等级上包括低压、中压、高压到超高压以及特高压，不同电压等级的电力系统适应于不同的中性点接地方式。对于1 1 0 k v 以上电力系统而言，如果采用中性点非有效接地方式，发生单相接地故障时，非故障相过电压可能会达到正常运行的3 倍以上，对电气设备绝缘的要求大大提高，设备制造成本显著增加，因此，一般都采用中性点直接接地方式。而对于6 6 k v 以下系统，接地故障过电压的问题不像在1 1 0 k v 及以上电网中那样突出，中性点直接接地的优势不明显，因此，有效接地和非有效接地这两种方式在实际工程中都有相当数量的应用。目前，美国、英国和中国香港等地的中压配电网中性点一般采用直接接地方式或经小电阻接地方式，主要考虑是单相接地故障时过电压小，继电保护容易配置。德国、法国、日本和俄罗斯等国主要采用小电流接地方式，主要是避免单相接地故障引起跳闸【l 】【2 1 。我国配电网中性点主要采用非有效接地方式，包括中性点不接地系统、中性点经大电阻接地系统及中性点经消弧线圈接地系统( 也称谐振接地系统，它能自动消除瞬间的接地故障并自动消弧，可以避免对通信信号的干扰) ，因它们在发生单相接地故障时故障点电流只能通过对地电容或阻抗形成小电流回路，被称为小电流接地系统。我国有关规程规定，若3 - 6 k v 系统中接地电容电流超过3 0 a ，或1 0 k v 系统中接地电容电流超过2 0 a ，或3 5 6 0 k v 系统中接地电容电流超过1 0 a 的时候，其系统中性点均要求采取谐振接地方式。而根据沿海某地变电所统2天津大学硕士学位论文第一章绪论计数据：采用小电流接地运行方式，1 0 k v 线路平均每年跳闸2 7 次；改造为经小电阻接地之后平均每年跳闸4 6 次：采用小电流接地运行方式跳闸率减少近5 0 。意大利从2 0 0 0 年以来实施谐振接地改造工程，采用可调消弧线圈后，接地故障引起的供电中断减少5 0 以上；采用固定调谐消弧线圈，接地故障引起的供电中断减少2 6 以上【1 】【3 】。电网故障包括三相短路、二相短路、二相短路接地和单相接地故障等。其中根据实际运行经验发现，电网发生单相接地故障的几率是很高的，约占总故障的7 0 8 0 ，所以对于电网的单相接地故障的处理就显得尤其重要，虽然小电流接地电网允许系统带故障运行一定时间，但随着电力系统的不断发展，出线增多，电容电流也在增大，长时间的带故障运行仍然可能烧毁设备，并波及非故障相也发生接地故障，使系统发生2 相接地故障，直接将发电机组短路，严重破坏系统安全性。由此可见，在低压电网中，小电流接地系统特别是谐振接地系统是发展的方向，因此，小电流接地系统尤其是谐振接地系统的单相接地故障选线就特别值得我们研究。1 3 小电流谐振接地系统选线判据发展概况1 3 1 零序电流和零序电压系统在发生不对称短路时，电路的对称性被破坏，网络中出现了三相不对称的电压和电流，因此不能只取其中一相进行计算，而直接求解这种不对称系统是很复杂的，因此人们应用叠加原理，将一组不对称网络的三相量看作三组不同的对称三相量之和，其中每组对称三相量的绝对值相等，且相邻两相间的相位差相等。这三组不同的对称三相量被称为正序、负序和零序分量，其中正序分量的三相量相序与系统正常运行方式下的相序相同，彼此相位差1 2 0 。；负序( 或逆序)分量的三相量相序与系统正常运行方式下的相序相反，彼此相位差1 2 0 。；零序分量的三相量相位相同，它们可以通过式1 1 进行计算【5 】：c 。e 2c 。f ，1a：三i1a 23 il1c瓦c热皿矿：一三+ 孚，序正的相a示表乞压了一1 2一=瑚0=矿天津大学硕士学位论文第一章绪论分量，e ，表示a 相的负序分量，e 。表示a 相的零序分量。通过不同序分量，可以分析系统在例如短路、断路或不对称时的故障特征。零序分量的特点是它由3 个大小相等且相位相同的相量组成，即a 、b 、c 三相矢量求和，、因此它能反映电力系统在发生单相接地故障的相关特性，其代表的物理意义为中性点的电压或电流。很容易计算得出，理想的三相对称系统的零序电压和零序电流值均为零，而当系统出现单相接地故障时，由于缺相将导致零序电压和零序电流的值将产生变化。对于中性点非有效接地系统，由于变压器中性点没有与大地相连( 如中性点不接地系统) 或串联了补偿用的消弧线圈( 如谐振接地系统) ，故障电流主要靠线路对地电容电流提供。这个电流在数值上是非常小的，单相接地时故障稳态电流一般小于3 0 a ，甚至只有几安培，相比于相间短路电流和负荷电流，其幅值非常小，易受变电站强电磁环境干扰。目前市场上有大量成熟的零序电压互感器和零序电流互感器，只需要根据实际系统状况加以选择即可。需要注意的是，常见零序电压互感器的输出一般在1 0 0 v - 2 0 0 v 之间，常见零序电流互感器的输出根据输入的不同一般也有安级，在进入接地故障选线装置电路板之前要加以变换。1 3 2 谐振接地系统如图1 2 所示谐振接地系统，两条线路的三相对地电容相同，分别为c o l 和c 0 2 ，母线及背后电源每相对地等效电容为c o s 。正常运行情况下，三相电压对称，对地电容电流之和等于零。t 一、 ，o 一，一一，1p -鼻_ l n艮，一、_ 。_ 牛一一一_ ，。、一，一l一寸斗己。一、慷一7一l ，一卜、。_喜二事：岛r i 毒毒= 摹“一亨一，l 一，南=v-。审l ?，嚣i t s_ 毛2：t要，口2l 2膏：= = = = = ，! ：，：；，i 二j7 二，4 ：j一- i _ 十一耄j 一一c m ：忐= ：- ，：卜毒一-cba；主专寺卡；。一。2图1 2 谐振接地单相接地故障时电流分布假设某个时刻线路2 的发生了单相接地故障，a 相七点接地，对地电容被短接，各相电压、电流的相量关系如图1 3 所剥6 1 。4天津大学硕士学位论文第一章绪论一西房| 。一、 度0 匆t+ j jlbi 图1 3 单相接地故障电压、电流向量图其中，a 相对地电压变为零，非故障相b 相和c 相电压分别变为相对a 相的线电压，幅值升高至3 倍；中性点0 电压由零升为一u 。这里可以看到，虽然中性点电压发生位移，但三相负载获得的电压仍然保持不变，亦即发生单相接地故障并不破坏系统对称性，对负载、发电机等而言故障是透明的，因此根据电气事故处理规程的规定，在出现单相金属性接地时，可以带故障运行1 2 小时。故障点零序电压为：谚。= 三( 矿g + 吐+ 吐) = 一忘( i - 2 )若忽略负载电流及对地电容电流在线路及电源阻抗上的电压降，则在整个系统中，a 相对地电压均为零，非故障相电压幅值升高至3 倍，即对地电容电流也随之升高至3 倍。同时，消弧线圈的电感电流经故障点k 点沿故障线返回，因此故障点的电流增加一个电感分量的电流，工，则如图1 2 所示流过故障点的电流是电网中所有非故障相对地电容电流与消弧线圈电感电流之和：j ，2 一i c z 一厶= 一i a l i b 2 一i s s 一，c l i c 2 一i c s i l1 、( 1 - 3 )一j o c o zu b g - - 扣c o u c o - i l2j 1 3 0 g z - 壶严其中c o z = c o ，+ c 0 2 + c o ，为电网单相对地所有电容的总和，式1 - 3 表明，流过故障点的电流数值为正常运行状态下电网三相对地电容电流与消弧线圈电感电流之和，由于，c 与i c z 反相，因此故障点电流将因增加了消弧线圈而减少。健全线路始端的零序电流为：1 ，、。，o l = l1 , 4 , + i b z + i c li = 一扣c 0 1 已( 1 4 )j 式l - 4 表明，非故障线路始端的零序电流为线路本身的电容电流，容性无功5t b天津大学硕士学位论文第一章绪论功率方向由母线流向出线。而故障线路始端的零序电流如式1 - 5 ：1 厂、1 ，、1 0 2 = li a 2 + i b 2 + ，c 2i = i f + b 2 + i c 2l亍：、j 、，1 、( 1 5 )1 ，、，1、-、72 扑几r 凡r 一肠一几j 2 【( g z c 0 2 ) 一壶严即故障线路零序电流为所有健全线路和母线的电容电流与消弧线圈电感电流之和，由于j c 与i c z 反相，其容性无功功率方向将由二者之间的大小关系决定。如果，小于i c z ，电网处于欠补偿状态；i c 等于i c z ，电网处于完全补偿状态；若，c 大于i c z ，则电网处于过补偿状态。当电网处于完全补偿状态时，电流谐振回路恰好在谐振点工作，中性点电压将发生显著的偏移，严重破坏三相电压的对称平衡，若长期如此运行，轻则缩短电气设备的使用寿命，重则会酿成设备损坏事故；而在欠补偿电网中，当电网中因故障或其它原因而切除部分线路后，就有可能形成全补偿的运行方式而造成串联谐振，从而危及系统绝缘，只要采用欠补偿的运行方式，这一缺点就无法避免。而过补偿网络则没有这种后顾之忧，且过补偿电网中流过接地点的是电感电流，使得熄弧后故障相电压恢复速度减慢，因而使接地电弧不易重燃。因此，中性点经消弧线圈接地系统实际上一般都采用过补偿的运行方式。国内外电力系统以前多采用传统消弧线圈，需人工进行调谐，调谐精度较差，近年来，自动跟踪补偿装置的广泛使用，不仅可免除人工调谐的诸多麻烦，而且显著提高调谐精度，使接地电弧瞬间熄灭，有利于进一步限制电弧接地过电压。当电网处于过补偿状态时，c 大于i c z ，流经故障线路的零序电流将大于本身的电容电流，而容性无功功率的实际方向仍然是由母线流向出线，与健全线路的容性无功功率方向一致，因此，过补偿的谐振接地网络无法利用功率方向的差别来判别故障线路，而且由于过补偿度不大，也很难像中性点不接地电网那样利用零序电流大小的不同来找出故障线路。通过以上分析，1 3 3 节介绍了小电流接地系统( 包括中性点不接地系统和谐振接地系统) 中基于故障稳态电流的选线方法【7 1 。1 3 3 小电流接地系统基于故障稳态电流的选线方法一、工频零序电流幅值法【1 1 1原理：故障线路的工频零序电容电流幅值远大于非故障线路的工频零序电容电流幅值。缺点：当线路某一线路远长于其他线路，即其分布电容已经和系统分布天津大学硕士学位论文第一章绪论电容相差不大时，可能出现错误。而且也不适用于谐振接地系统二、工频零序电流极性法原理：故障线路的工频零序电容电流方向与非故障线路工频零序电容电流方向相反。缺点：不能适用与谐振接地系统的完全补偿方式和过补偿方式。三、工频零序电流群体比值比相法原理：从所有线路中选出工频零序电流幅值最大的若干条，进行工频零序电流极性的比较。缺点：虽相比以上两种方法单独使用时效果有所改善，但仍然不能从根本上解决他们天生的缺陷。四、工频零序电流有功分量法原理：利用线路和谐振线圈对地电导的存在，故障电流中含有有功分量且不能被谐振线圈补偿的特点，故障线路有功分量比非故障线路有功分量大而且反向。缺点：零序电流中有功分量非常小，必须获得零序电压信号。五、谐波分量法原理：单相接地故障时，由于故障点和线路设备的非线性影响，故障电流中存在谐波信号。其中基波已经被消弧线圈进行了补偿。而变压器一般都是星三角接法，其三角形侧的3 次谐波电势可在三角形内形成环流，而星形侧没有3 次谐波电流与之平衡，因此三角形侧的3 次谐波电流便成为励磁性质的电流，与星形侧的基波电流共同励磁，从而使其磁通及其感应电势接近正弦波，因此主要消除了3 次以及其整倍数次谐波分量。但无法消除5 、7 、1 1 等次谐波，消弧线圈也无法对它们进行补偿，从幅值来看，5 次谐波是最大的，从极性来看5 次谐波也是与非故障相电容电流反向，因此可以作为选线依据。缺点：系统中5 次谐波易受过渡电阻和变压器等非线性特性元件的影响，尤其是在电力电子装置应用较多的环境中，其幅值波动较大，所以不能保证选线可靠性。六、改进的谐波平方和法：将3 、5 、7 次谐波分量求和后再根据5 次谐波理论进行选线应用，能一定程度上克服单次谐波小的缺点，却不能从根本上解决问题。1 3 4 小电流接地系统基于故障暂态电流的选线方法谐振接地系统在发生单相接地故障时，接地故障点电流由两部分组成：一部天津大学硕士学位论文第一章绪论分为故障相电压突然降低而引起的故障相对地电容放电电流，另外一部分为非故障相电压突然升高而引起的非故障相对地电容充电电流。前者一般称为暂态电容电流，通过母线直接流向故障点，自由振荡频率较高，衰减较快，振荡频率与电网结构和运行方式有关，中压电网的自振频率变化范围一般为3 0 0 3 0 0 0 h z ，线路越长，自振频率越低，其幅值也会降低，同时自由振荡的持续时间也会减少至半个工频周期。后者一般称为暂态电感电流，先经变压器或发电机中性点分配到非故障相，再经对地电容流人大地，自由震荡频率较低，回路电感大衰减较慢，一般为几百h z 。此外，由于消弧线圈铁心的饱和，电感电流中会有暂态直流分量，进而加剧了饱和程度，加速了直流分量的衰减。该直流分量理论分析和实测结果表明，电感电流暂态过程的长短，与接地瞬问的电压相角、铁心的饱和程度都有关系。若在相电压接近最大值时发生故障，则电感电流的直流分量较小，衰减变慢，一般为2 3 个工频周波，有时可持续3 5 个周波；而若在相电压接近于0 时发生故障，则电感电流的直流分量较大，衰减变快，一般在1 个工频周波内衰减完毕。由以上分析可知，在发生单相接地故障的时候，接地故障点同时有衰减很快的暂态电容电流以及衰减较慢的暂态电感电流流过。在暂态过程的初始阶段，不论电网中性点接地方式为谐振接地还是不接地方式，暂态接地电流的初始极性和幅值主要由暂态电容电流决定，而暂态电感电流中的直流分量虽然不会改变电流首半波的极性，却对幅值能带来明显的影响，可能较稳态值大几倍到十几倍。虽然暂态接地电流的幅值很大，可是持续时间很短，约为o 5 1 个工频周波。此外需要说明的是，对于高频信号而言，消弧线圈可视为开路，因此中性点不接地系统和谐振接地系统的暂态接地过程基本是相同的。使用暂态分量进行选线的传统方法有以下几种：一、首半波法原理：单相接地故障后一段时间内故障线路暂态零序电压与暂态零序电流极性相反，而健全线路二者相同，如图1 4 所示。该原理可适用于不接地和消弧线圈接地系统。不足：该方法建立故障发生在相电压峰值出现前后附近的假设，在相电压过零时附近发生的接地故障，其首半波电流暂态分量就会很小，容易引起误判，而且其成立时问较短。虽然大部分的故障发生在相电压最大值附近发生放电时，但少量的相m 瞅v1 n图1 4 传统首半波法天津大学硕士学位论文第章绪论电压为零时发牛的故障仍然使得传统的首半波法存在着原理上的死区。衰减直流分量法原理：与旨半波法的假设故障发生在相电压最大值附近前提不l 刊衰减直流分量法处理的前提是单相接地故障发生在相电压过零附近时刻。此时，故障线路上将有较大的衰减直流分量，而非故障线路的衰减直流分量很小：如果是母线拉生单相接地故障，则所有线路上的衰减直流分量都很小，可以基于此原理形成基于衰减直流分量的暂态电流进线方法。如图1 5 所示可蚍看出故障线路有较为明显的暂态直流分量，对所有线路的零序电流作求和得出直流分量进行比较即可得出结论。不足：由于衰减直矿锄拶蒯守胁屯卿i i 酋 十m t商翕瀹。m 蛊 m 图1 - 5 故障线路和非故障线路的零序电流图流分量法的假设前提恰好与旨半渡法的假设前提相反，崮此同样存在原理上的死区。利用小波原理分析原理：中性点非直接接地系统发生单相接地故障后，故障线路中含有电容和电感等非线性元件，舍有大量丰亩的高频成分。f h 不同频率的暂态分量分布却是不同的有的与稳态分量相同自接地点进入经各线路对地电容和消弧线圈返回，有的则只存在于个别线路及其对地电容上。确定前者的分布或者利用前者的特征，便可获得有效的选线信号，其关键在于确定这类信号的所处频段以便获取分析。传统的方法如快速傅立叶变换f f t ，虽然能够获得信号的频率特征然而在用于分析突变的非平稳信号时，却把信号频域信息分散到整个频域里所以不能提供信号突变的局部时频特征。新兴的小渡分析则具有不同分辨尺度的可调时频窗，这对提取故障暂态信号的突变特征是极为有利的。不足：目前的多数方法大多针对某一特定的中性点非直接接接地系统作e m t p a t p 接地故障仿真然后对仿真所得数据作某类小波分析，整个算法缺乏理论基础小渡变换尺度的选取及特征量在尺度上的定位缺乏理论根据，可见这种研究方法在选线系统的适应性上还有待实际检验。甚冀m天津大学硕士学位论文第一章绪论1 4 课题意义小电流接地系统单相接地故障选线难，主要难在谐振接地系统。谐振接地系统单相接地故障选线装置虽然已经历了多年的研究，但仍然没有较为有效的选线方式，原因在于一般小电流接地系统例如中性点不接地系统，其流经故障点的稳态电流主要为线路电容电流，其幅值较小，而谐振接地系统发生单相接地时，流经故障点的稳态电流还包括了电感电流，补偿了电容电流，因此从系统零序稳态电流的幅值方面而言检测难度进一步加大，现有的电流互感器难以检验。而且谐振接地装置为防止出现电压谐振现象而使中性点发生显著的位移，一般被调为过补偿状态，甚至使得谐振接地系统的故障相零序电流和非故障相零序电流极性相同从而导致检测系统零序稳态电流极性的方法也失效，这就是谐振接地选线系统单相接地故障难以检测的根本原因。而小电流接地系统发生单相接地故障时，故障点的接地电弧中包含了大量丰富的暂态信息，在之前受硬件的限制未能获得较大的发展。近年来，随着高速采集和处理芯片的发展以及现场总线的应用，对暂态信号进行分析的方法又重新回到人们的视线中。因此，本课题将d s p 处理芯片和现场总线应用在谐振接地系统单相接地故障选线装置中，充分利用发生故障时所包含的丰富暂态信息，同时综合考虑目前已有的选线方式，期望获得更为有效可靠的选线方案，这就是本课题的目的所在。1 5 主要工作本文的主要工作是小电流谐振接地系统选线装置的研究，致力于实现适用于小电流谐振接地系统的选线装置。主要进行了以下工作：1 研究谐振接地系统单相接地故障暂态接地过程，提出基于暂态接地特征分量的综合接地判据。2 针对谐振接地系统单相接地故障暂态接地过程中暂态电流和暂态电压特点，以及考虑经济成本的因素下，提出一套谐振接地系统单相接地故障选线装置的解决方案，选择合适的硬件芯片并实现电路板设计。3 在硬件芯片中，按照系统方案要求，设计各功能模块以及上位机的软件。4 在m a t l a b 中对提出的小电流接地判据算法进行仿真验证。l o天津大学硕士学位论文第二章系统及硬件设计第二章系统方案及硬件设计本系统主要用于利用小电流接地系统特别是谐振接地系统的零序电流和零序电压，进行单相接地故障的监控，同时按照一定的算法进行数据处理，将多种选线判据进行综合以进一步提高选线的成功率，之后将数据传送给上位p c 机进行进一步的数据处理和存储，以各种人性化和方便的方式对数据进行汇总，以方便电力部门进行故障统计和分析。鉴于实际情况比较特殊，海上采油平台由于面积狭小，许多管道往往都要拐道甚至是架空，因此系统走线情况非常复杂且难以事先预料，因此系统在设计之初就要充分考虑这种情况的特殊性，同时也为了方便该方案能较好地往其它系统或其它部门移植，因此系统设计每一路出线安装一个检测节点，母线也安装一个检测节点以启动和停止暂态过程分析；检测节点之间通过c a n 网络进行通信，c a n 网络通过c a n 网桥进行方便的扩展，之后系统通过c a n 直连到上位p c机，数据进入数据库，在系统判断发生故障后，通过各种方式提醒管理人员甚至可以通知控制器直接将故障的出线脱扣。2 1 选线方案设计进行选线方案设计的目的和原则在于充分利用小电流接地系统发生单相接地故障时故障点的接地电弧中包含的大量丰富的暂态信息，并能充分利用现代硬件高速的处理能力和现代控制网络的强大扩展能力，设计能较好适应不同故障情况并能有效准确的判断故障线路的选线方案。2 1 1 基于暂态电流的综合选线方案如绪论中所述，由于首半波法和衰减直流分量法的原理以及假设前提恰好互补，因此可以采用这两种方法一起协同完成选线判断。一种可能的方案是在母线启动故障选线信号后，首先进行衰减直流分量选线，对所有出线的零序电流求和得出直流分量之后比较大小。若某条出线的直流分量最大，而且大于设定阈值则该条线路为故障线路；否则如果所有出线的直流分量均小于某个阈值，则可能是母线故障或者是故障发生在相电压最大值附近；则再计算母线零序电压的相角，如果故障发生在相电压附近，则启动首半波分析法判断。天津大学硕士学位论文第二章系统及硬件设计这种综合选线方案的优点在于能充分发挥首半波法和衰减直流分量法在不同初始故障相位角的情况下优异的处理能力，但其缺陷之处也是同样源于两种方法对初始故障相位角的要求，因此该方案中必须要考虑两种方法不同的使用时机，可能需要人为设定阈值或切换时间，在系统发生较大的改变或者负荷发生较大的变化时可能出现误差。2 1 2 基于暂态特征信号的综合选线方案一、小电流接地系统单相接地故障相频分析为了更加准确的分析故障暂态信号，对线路采用分布参数模型，如图2 1 所示，当足闭合时，其为谐振接地系统；当足打开时，其为中性点不接地系统。设第i 条出线接地，u 加为故障点虚拟电源的零序压降，厶。、r 。、c o 。分别为第k 条出线单位长度的零序电感、零序电阻和分布电容，d 。为各出线检测点；l n为消弧线圈零序等效电感；为出线k 线路长度；n 为系统的出线数。l o ir o lh 。l o i1 一、7 叫一r ，! = c o ，二岛jl o ，r o nl nl | l- 一、f 。_ = _ _ _ 。”= c o = l 讲r o i一? 一 ：二p 一v 坳h一”、。、，、_ 一图2 - 1 基于线路分布参数的故障模量模型图2 1 零序网络中任意一条健全线路k 而言，相当于末端为开路状态的简单均匀传输线。根据有关理论，在母线处检测到的按分布参数模型考虑的入端阻抗z o 砖如式2 1 为：，z 。西( ) = 1 j 至r 蚤o k ；+ 三荟j c 三o l 匠o k 珐( 厶了云夏i z 夏_ = 面)c 2 一、，其相频特性如图2 2 所示，可以看到随着频率的增加，交替的表现出容性和感性。若忽略线路电阻，健全线路k 的首次串联谐振频率k 可表示为：。：1 三：；2 ( 2 - 2 )2 可零再2 两1 2天津大学硕士学位论文第二章系统及硬件设计串联谐振并联谐振式2 - 2 中l k = l o 。厶、g = c o 。分别为出线k 的零序电感和零序分布电容。则在o b 之间，健全线路可等效为一集中参数电容。设d 为所有健全线路首次串联谐振频率的最小值，即d = m i n ( o d b ) 埘，则在瓦一夏1 焉吖孤蕊1( 2 - 3 )其中，z l = j c o l n 为消弧线圈零序感抗，z 出= f i o k u 为忽略自身电阻条件下线y 乙o h设消弧线圈在频率，( 一般稍大于工频而远小于d ) 能够完全补偿系统的电容电流，则有“= 苦，其中c o 为整个零序网络的等效电容：oc 。= g = c 。厶( 2 4 )拈一。毛n 扯一嘛c o ) 一( k( 2 5 i i )童= 1 1 lt ，一1式中i c = j o 。c o u o 、i k = j o g u 0 、1 l = 导分别为整个系统、线路k 及天津大学硕士学位论文第二章系统及硬件设计消弧线圈在频率下的零序电流；u 。为频率下的零序电压；c o 。= 1 2g 为所k = 1 耐有健全出路的零序电容。由式2 5 可知，如果定义吼= ，c o g 。，那么在吼的频带内，故障线路容性电流与健全线路流向相同，不能作为保护依据。而从，到频段内，与不接地系统类似，故障线路中容性电流从线路流向母线，与健全线路相反，可以作为保护依据。设最大的健全线路零序电容为q ，再定义 m a ) 【l 厶l，表示故障线路的零序电流大于任ii、i 刮意一条健全线路的零序电流，而且也由于西 c o z ，故障线路的容性电流流向也是与健全线路相反的，此时，故障线路检测到的背后等效电容为c 0 印= c o 。一o ，故障线路可以等效为集中参数电容c o 助。、l jl n由以上的分析可知，如图2 3 所示，在0 ：频段内，健全线路表现为容性但故障线路表现为感性；在：d 频段内，每条健全线路检测的自身阻抗及故障线路检测的背后阻抗均呈容性，均可等效为集中参数电容；在d 以上的频段，各线路将交替的表现为容性和感性，将：d 的频段定义为s f b ( s e l e c t e df r e q u e n c yb a n d ) 。s f 曼- ，。 。一， 、- 。_ 。_ 。_ _ 1 _ 一jj健全线路1健全线路2健全线路31 一、j 一：f j ，、l ；i !，l ll ；lll 故障线路l一rt一 0 l图2 3 谐振接地各出线阻抗相频特性示意图一般在多于两条出线的系统中，两条线路的零序分布电容之和不会超过整个系统的8 9 。因此，根据公式吐= ，0 i 币= 了可，设q 为工频，毗选为3倍的工频即可，而实际上，将畦选为更高的频率，如4 倍工频，能更好的消除1 4天津大学硕士学位论文第二章系统及硬件设计消弧线圈的影响。对于固定的系统，矗可以选取所有出线的自身串联谐振频率的最小值：d = 曲c 妒嗡川一( 赤，志，赤 6 ，对需要经常改变线路运行结构或线路参数不易确定的系统，上式的计算也为复杂。因此可以先计算暂态零序电流的主谐振频率，在主谐振频率上叠加一定阈值即为。以上，即获得了s f b 频带：一。将s f b 频带内零序电流和零序电压的分量定义为暂态特征电流和暂态特征电压，它们有以下特性：1 当系统包含2 条以上出线时，故障线路的暂态特征电流幅值大于任何一条健全线路的暂态特征电流幅值；当系统仅包含2 条出线时，故障线路幅值等于健全线路幅值；当母线发生单相接地故障时，此特性不成立。2 故障线路的暂态特性电流方向与健全线路暂态特性电流方向相反，为故障点流向母线；当母线发生单相接地故障时，所有线路的电流方向均相同，从母线流向故障点。3 在s f b 频带外，所有健全线路阻抗的相频特性或者不再同时呈容性或感性( 即故障线路和健全线路的电气量特性区别不明显) ；或者同时呈容性或感性但其临界频率不易确定。根据以上特性我们可以获得以下的三种基于暂态特征信号的接地选线判据：二、基于暂态特征信号的小电流接地选线判据1 暂态特征电流幅值比较法原理：基于故障线路的暂态特征电流幅值大于健全线路的暂态特征电流幅值。缺点：在母线接地时无法使用，而且需要将所有线路统一进行比较。算法：1 ) 获得s f b 频带内的暂态电流特征分量。2 ) 计算暂态电流幅值。这里有多种算法，一种可能的算法为：i 哑=( 2 7 )3 ) 比较所有出线的暂态电流特征幅值，最大的线路为故障线路。2 暂态特征电流极性比较法原理：基于故障线路的暂态特征电流极性与健全线路的暂态特征电流极性相反。1 5天津大学硕士学位论文第二章系统及硬件设计缺点：可能某些健全线路的电流太小容易受噪声干扰而引起误判，实际使用时可以选取若干条幅值最大的出线进行极性比较；而且也需要将所有线路统一进行比较，也不能适用于2 出线系统。算法：1 ) 获得s f b 频带内的暂态电流特征分量。2 ) 计算暂态电流特征幅值，可以采用公式2 7 。3 ) 比较所有暂态电流幅值，选出幅值最大的的若干条出线( 不少于3条) 。4 ) 在选出的出线中，任选一条( 假设为出线m ) 做为参考线路，其他所有线路与参考线路做内积运算：k2 专酗( 帆m ( 力)( 2 - 8 ) 0 表示该线路与参考线路同极性， o l b ，( 2 1 2 )而对于故障线路i 而言，有谚( t ) = i o i q 掣= 一击i 。( 2 - 1 3 )也就是说，d ( t ) 的极性可以代表无功电流的流向，d ( t ) 0 表示无功电流从母线流向出线。为充分利用丰富的暂态信息，同时增加抗干扰能力，防止某些健全线路因暂态特征电流值过小而受干扰而发生的误判，可根据线路情况，设置一个阈值d ( t 1 ：谚= 立n = 争f c oln ，ww 。( 2 1 4 )其中，0 0 0 为系统工频频率，为系统出线总数，c o 为整个系统零序分布电容，d 和分别为发生单相金属接地时的零序电压以及整个系统零序电流的工频稳态值。根据阈值d ( f ) ，有：僻醐篙在暂态过程时间内，对a l ( f ) 进行积分得到平均常量d ：q = 亍1r 以( f 矽( 2 1 6 )对于积分后得到的以值，故障线路为负值而健全线路为正值。该算法优点在于，它不用与其它线路进行比较即可作出判断，因此在母线或者某些未监测线路发生故障时也能正确作出判断，也适用与2 出线系统，虽然算法比较复杂，仍然是较好的接地选线判据。算法如图2 4 示，具体如下：1 ) 获得s f b 频带内的暂态电流特征分量和暂态电压特征分量。2 ) 计算各条出线的矾( n ) ：嘶) ：业幽掣1 7( 2 1 7 )天津大学硕： 学位论文第二章系统及硬件设计簧查蓑垦骘圈暂态特征电流亩盟圃o暂銮霉壹皇鹭圈一黉栉延皇q 至习一一j图2 4 暂态电流方向选线法算法其中：叱c r ，= 砍。，孓：主 矧三乏4 ) 若q 一1 ；i - - )s u m + = x i o i * x i o i ；夕r e t u r ns q r t ( s u m s i z e o f ( x i o ) ) ?，2 暂态特征电流极性比较法由2 1 2 节可知，基于暂态特征电流极性比较法需要从暂态特征电流幅值比较大的幅值中选出若干条，并从中选出一条作为参考线路m 。具体实现时，所有出线节点将上步中计算所得的i 魄按顺序发送给母线节点，母线节点对所有暂态特征电流幅值进行排序，选出幅值最大者为参考线路m ，之后通知参考线路m 将其自身的f o 。( ，z ) 计算线路发送给所有线路，做算法如下：= 万1 备n o ( 刀) ( 玎) ( 3 - 4 )在c c s 2 中，编写上式函数如下：l o n ga l g o _ c u r r e n t _ p o l e ( 7 0 n gx i o j , l o n gx m o j )l o n gl s u m = o ；f o r ( i = s i z e o f ( x i o ) 一j ? f 一j j i - )s u m + = x i o i j * x m o i ；夕r e t u r ns u m s i z e o f ( x i o ) j3 暂态特征电流方向法由2 1 2 节可知，暂态特征电流方向法需要首先根据暂态特征分量，计算出天津大学硕士学位论文第三章系统控制及软件设计各条出线的吐( 门) ：嘶) ：掣丛掣( 3 5 )对以( 刀) 做积分运算：q = 专喜农( ，z )( 3 6 )她瓣k 醐篙在c c s 2 中，编写上式函数如下l o n ga l g o _ c u r r e n t _ p o w ( 1 0 n gx i o ，b n gx u o )l o n gi , s u m = o , d k ：加r ( i = s i z e o f ( x i o ) 一l ；i o ；i - - )d k = x i o i 木( x u o i j - x u o i - 1 j ) d e l t a t , i f ( a b s ( d k ) 2 0 ( a )因此，这个系统选用谐振接地方式，变压器中性点通过谐振线圈r l 串联接地，参数按