（机械工程专业论文）小电流接地故障暂态选线技术研究及应用.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 我国6 - 3 5 k v 中低压配电网大多数采用中性点非有效接地运行方式 ( 又称作小 电流接地运行方式) 。小电流接地系统中单相接地故障发生的概率最高，而单相接 地的故障检测比较困难。本文研究分析了基于暂态信息的小电流接地选线基本原理 与信号规律，介绍小了电流接地故障选线及监测系统的构成及工作流程，分析了小 电流接地故障选线及监测系统的运行状况，对应用中出现的问题制定了解决方案， 提出了小电流接地系统在电网故障检测中的现场工作规范。仿真试验及现场检测表 明，利用暂态信息进行故障选线在小电流接地系统中有良好的推广应用价值。 关键词:小电流接地系统，接地选线，单相接地故障，电力系统暂态，运行维护 abs tract i n c h i n a , n o n - s o l i d g r o u n d e d s y s t e m i s w i d e l y u s e d i n 6 - 3 5 k v m e d i u m a n d l o w v o l t a g e d i s t r i b u t i o n n e t w o r k s . t h e p r o b a b i l i ty o f s i n g l e p h a s e t o g r o u n d f a u l t i s t h e h i g h e s t . i t i s w e l l k n o w n t h a t t o d e t e c t t h e f a u l t a n d i d e n t i f y f a u l ty l i n e i s v e r y d i f f i c u l t d u e t o w e a k s t e a d y s t a t e f a u l t c u r r e n t a n d u n s t a b l e f a u l t a r c . t h i s p a p e r p u t t h e e m p h a s i s o n t h e f a u l t l in e s e l e c t i o n m e t h o d s w h i c h b a s e d o n t h e t r a n s i e n t i n f o r m a t i o n , t h e d e s i g n a n d w o r k i n g s i t u a t i o n o f t h e d e v i c e . t h e b a s i c p r i n c i p l e a n d s i g n a l s r e g u l a r o f f a u l t l i n e s e l e c t i o n w h i c h b a s e d o n t h e t r a n s i e n t i n f o r m a t i o n a r e a n a l y z e d , t h e s o l u t i o n o f e a c h q u e s t i o n i n t h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n i s g i v e n . wi t h t h e s c e n e w o r k i n g r e c o r d , t h e s c e n e s t a n d a r d i n t h e f a u l t l i n e s e l e c t i o n i s p r o p o s e d . t h e s i mu l a t i o n a n d t h e s c e n e e x a m i n a t i o n r a t e h a v e b o t h i n d i c a t e d t h a t t h e m e t h o d s i s f e a s i b l e a n d s h o u l d c a r ry o n t h e p r o m o t i o n i n n o n - s o l i d g r o u n d e d s y s t e m. h a n g m i n ( me c h a t r o n i c s ) d i r e c t e d b y p r o f . h a n g i n g y a o k e y wo r d s : n o n - s o l i d gr o u n d e d s y s t e m , f a u l t l i n e s e l e c t i o n , s i n g l e - p h a s e e a r t h f a u l t , p o we r s y s t e m t r a n s i e n t 声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 小电流接地故障暂态选线技术研 究及应用 ，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: . 沐 i w 日期: 6 . 厂， ， 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。 ( s密的学位论文在解密后遵守此规定 ) 作 者 签 名 卜1 孟 园 日期:五 日 二 r 砂 导 师 签 名 : 曰y . y 日 期 : 之华于 华北电力大学工程硕士学位论文 第 1 章绪论 1 . 1 概述 根据对电网运行经济性、安全性、可靠性等各个方面要求的不同，国内外配电 网对中性点是否接地及以何种方式接地的选择也不同。目 前主要有以下几种方式: 直接接地、经低值电抗器接地、经小电阻接地、高阻接地、经消弧线圈接地和不接 地。后三种属于中性点非有效接地系统，即我国早期规定的小电流接地系统，前三 种属于中性点有效接地系统，即传统意义上的大电流接地系统。 由于历史原因和地区具体条件不同，各个国家配电网中性点接地方式不尽相 同， 甚至同一国家、 同一地区的同一电压等级的电网也有不同接地方式并存的现象。 在我国，对于配电网大多采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式。 配电网线路故障中单相接地故障发生率最高，中性点不接地或经消弧线圈接地 系统的单相接地故障称为小电流接地故障。由于故障电流小，系统可带故障继续运 行一定时间，小电流接地方式可显著提高供电可靠性，同时也具有提高设备和人身 的安全性、降低对通讯系统的电磁干扰等优点。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 后快速选择故障线路就显得十分重要。 由于故障电流微弱、故障电弧不稳定等原因，小电流接地系统的单相接地故障 检测比较困难。长期以来，尽管己经提出并研制了许多检测方法及装置，但实际运 行效果并不十分理想【 1 , 幻，在现场实际应用中，许多电站仍在用人工拉路的方法 查找故障线路。本课题即致力于中性点为小电流接地方式的配电网单相接地故障检 测 ( 故障选线)系统分析及现场应用的研究。 国内外的科研人员及电力工作者对小电流接地系统发生单相接地故障时的故 障机理及选线判据做了大量的研究， 提出了很多选线方法。 这些方法的研究和应用， 对于推动选线技术的发展产生了积极的意义和深远的影响。但从目前小电流接地选 线装置的运行来看，很多地区的选线装置选线正确率很低，这充分说明了故障选线 问题的复杂性及选线装置系统应用研究的必要性。 1 . 2 国内外的研究现状 现有小电流接地系统保护选线原理，按照采用信号的不同可分为:需要向电网 附加注入信号的主动式选线方法，主要包括注入信号法、注入变频信号法:利用电 华北电力大学工程硕士学位论文 网故障自 身产生信号的被动式选线方法，主要包括利用故障稳态信息、暂态信息以 及同时利用稳态和暂态信息等三大类。 1 . 2 . 1 被动选线方法 零序电流幅值法 1 利用了故障线路零序电流比非故障线路零序电流大的特 点，判据简单易行。缺点是受系统运行方式、线路结构影响较大，当某一线路远远 长于其它线路，即其分布电容与系统总的分布电容相差不大时，或接地点过渡电阻 较大时，装置可能拒动;不能排除电流互感器等引起的不平衡电流。该方法不适用 于谐振接地电网。 零序电流方向法利用了不接地系统中故障线路零序电流与非故障线路零序电 流方向相反的特点。有两种判据:一是将各条线路零序电流相位进行比较，和其他 所有线路方向都相反的即为故障线:二是和电压相位反相的即为故障线。其仍然受 线路结构、 系统运行方式的影响。 当故障点离互感器较远且线路很短时， 会存在“ 时 针效应” ，零序电压、电流均较小，相位判断困难 1 幻。同样也不能适应谐振接地 方式。 群体比幅比相法同时利用零序电流幅值和方向。其基本原理是先通过幅值比较 选出较大的几条线路，在此基础上进行相位比较，从而确定故障线路【 1 0 , 1 1 3 。该 方法一定程度上克服了前两种方法存在的问题，但并不能完全克服。尤其是其也不 能适应谐振接地方式。 零序电流有功分量法【 1 4 , 1 5 3 利用了线路、消弧线圈对地电导的存在，故障电 流中含有有功分量的特点。由于非故障线路和消弧线圈的产生的有功分量方向相同 且都经过故障点返回，因此根据故障线路有功分量比非故障线路幅值大且方向相反 的原理，可以实现故障选线。其优点是能够适用谐振接地方法，缺点是故障电流中 有功分量非常小，极易受零序电流互感器等不平衡电流等因素的影响;同时必须取 得零序电压信号。 最大 工 s i n 巾或( i s i n lb ) 法【 1 6 将各条线路故障后零序电流在零序电压垂直 方向上进行投影，根据所得分量 ( 零序电流无功分量)幅值最大者进行选线，称为 i s i n 中 法。如果设系统在正常工作时负荷电流不会突变，求得故障前后投影分量之 差进行比幅选线， 称为( i s i n 4b ) 法。 其最大的优点是可以克服不平衡电流的影响， 但缺点也显而易见，受线路结构、运行方式影响，需要参考信号，计算量过大。 五次谐波幅值和方向法基于以下理论: 单相接地故障时，由于故障点过渡电阻、 线路设备的非线性影响，故障电流中存在着谐波信号，其中以五次谐波为主。由于 消弧线圈对五次谐波的补偿作用仅相当于工频时 1 / 2 5 ，可以忽略消弧线圈的作用。 因此可以认为故障线路的五次谐波比非故障线路的幅值都大且方向相反，通过比 华北电力大学工程硕士学位论文 幅、比相等方法可以确定故障线路。缺点是五次谐波含量较小 ( 一般情况下小于故 障电流 1 0 % )且在有电弧现象时不够稳定，也会受谐波源、不平衡电流中谐波分量 等的影响。 各次谐波平方和方法该方法主要是将3 , 5 , 7 等谐波分量求和后再根据五次谐 波理论进行选线、选相。虽然能在一定程度上克服单次谐波信号小的缺点，却不能 根本解决问题。 零序导纳法 1 2 1 ，根据电网正常运行时的零序回路，利用消弧线圈适当的失谐 状况和位移电压的相应改变，可计算出每条出线的对地导纳和导纳系数，将其作为 相应出线的参考值存储起来。故障时相当于电网附加了一个不对称电源，会引起出 线导纳系数的改变。比较每条线路故障前后导纳系数的变化可以确定故障线路。该 方法的灵敏度可达 1 0 0 k o，可信度较高，已在法国、 瑞典、 波兰等欧洲国家大量使 用，我国也已引进多套装置。 残留增量法 1 2 1 ，在单相永久接地故障的情况下，如果改变消弧线圈的失谐度 ( 或限压电阻的阻值) ，则只有故障线路中的零序电流 ( 故障点的残余电流) 会随 之改变。因此，通过对各条出线在失谐度改变前后零序电流的变化进行对比，变化 最大的即为故障线路。可以消除 c t等带来测量误差的影响，可重复计算、重复判 断. 和消弧线圈的自 动调节配合使用，对瞬间熄灭电弧和故障选线十分有利。该方 法的灵敏度达到 5 0 k in ，可靠性较高，已在我国多个中压电网投入使用.其缺点是 对不接地和消弧线圈不能自 动调节的系统不能适用，当发生弧光接地等非稳定性故 障时，可能会产生计算错误发生误判断。 以上是基于稳态信息的选线方法，利用故障暂态信息的选线方法有以下几种: 最早的利用接地故障暂态过程的选线法是首半波法。首半波原理 1 , 1 2 是基于 接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设，此时故障相电容电荷通过故障相 线路向故障点放电，故障线路分布电容和分布电感具有衰减振荡特性，该电流不经 过消弧线圈，所以暂态电感电流的最大值相应于接地故障发生在相电压经过零瞬 间，而故障发生在相电压接近于最大值的瞬间时，暂态电感电流为零。此时的暂态 电容电流比暂态电感电流大得多，不论是nus 还是nes ，故障发生瞬间的暂态 过程近似相同。利用故障线路暂态零序电流和电压首半波的幅值和方向均与正常情 况不同的特点，即可实现选线。 该方法在 1 9 世纪5 0 年代国外提出， 7 0 年代国内许 昌继电器厂研制出首半波法的接地保护装置。该方法受电网参数、短路相角影响， 极性正确时间短， 故障发生在相电压过零值附近时， 首半波电流的暂态分量值很小， 以及过渡电阻的影响， 易引起方向误判。 而且受当时技术条件限制， 处理方法简单， 使用很不成功。 近年来，随着小波变换在电力系统输电线路故障行波测距的成功应用，国内学 华北电力大学工程硕士学位论文 者开始将小波变换应用于小电流接地系统故障选线研究1 1 7 , 1 8 , i s , 2 0 1 .单相接地 时，故障电压和电流的暂态过程持续时间短并含有丰富的接地信息，而稳态时数值 较小，因此在接地故障检测中选用一种适合分析其暂态分量的新理论，将有利于故 障选线。小波分析可对信号进行精确分析，特别是对暂态突变信号和微弱信号的变 化较敏感，能可靠地提取出故障特征。根据小波变换的模极大值理论可知，出现故 障和噪声会导致信号奇异，而小波变换的模极大值点对应着采样数据的奇异点，由 于噪声的模极大值随着尺度的增加而衰减，所以经过适当的尺度分解后，即可忽略 噪声影响得到较理想的暂态短路信号。小波变换是把一个信号分解成不同尺度和位 置的小波之和，利用合适的小波和小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换 后，易看出故障线路上暂态零序电流特征分量的幅值包络线高于非故障线路的，且 其特征分量的相位也与非故障线路相反，这样就能构造出利用暂态信号的选线判 据. 但电力系统的实际运行是复杂多变的， 可能出现暂态分量小于稳态分量的情况， 这时就应对母线零序电压和各出线零序电流进行基波的小波系数提取，然后类似地 构造选线判据。 利用行波的选线法 2 7 使用故障时的暂态电流行波初始波头，其选线判据是: 故障时接地线路各相暂态电流行波初始波头小波变换的模极大值分别大于各非接 地线路同名相初始行波的模极大值，而且极性相反。该方法不受系统中性点接地方 式、正常运行不平衡分量、线路长短影响，能够反映瞬时故障。特别是通过使用暂 态电流行波初始波头丫，p 模分量适合于只有两相 c t的架空出线系统。该方法只 使用故障初始波头，实际应用中，由于系统实际运行的复杂多变，对于电弧性接地 故障可能会漏记、错记初始波头。而且由于采集行波需要较高的采样频率，对选线 装置的硬件要求高，实现起来成本较高。 同时利用稳态和暂态信息的方法如能量法及复合判据法。 能量法对系统故障后的全部过程均以能量观点来解释。定义线路零序电压与零 序电流乘积的积分为能量函数， 则故障前所有线路为零， 故障后故障线路恒小于零、 而健全线路恒大于零，且故障线路能量幅值等于所有健全线路和消弧线圈之和。该 方法的实际效果未有定论。 复合判据方法根据各个单项故障选线方法适用条件及存在的优缺点，利用信息 融合、模糊决策等理论将不同检测方法结果综合处理选择故障线路。其检侧可靠性 和灵敏度显然好于任一单项选线方法。但对二次系统接线和检测装置软硬件要求较 高。 ，2 . 2 主动式选线方法 注入信号寻迹法 ( s 注入法) :利用单相接地时原边被短接、暂时处于不工作状 华北电力大学工程硕士学位论文 态的故障相 p t向接地线路注入一个特定的电流信号 ( 不同于故障时线路中已有的 信号特征) ，由于注入的信号会沿着接地线路经接地点注入大地，用信号寻迹原理 即可实现选线并可确定故障点【 2 9 , 3 0 1 。使用本方法的优点是对不能取得零序电流 的场合也适用，不但可选线还可实现故障定位;不受电网参数影响;不需要增加一 次投资，对现有设备没有不良 影响。但存在的困难是，注入信号的强弱受 p t容量 限制;接地电阻较大时线路上分布电容会对注入的信号分流，给选线和定点带来干 扰;如果接地点存在电弧现象，注入的信号在线路中将不连续且会破坏信号特征: 无论是电缆线路、架空线路在定点时线路中的信号都不易被接收。 注入变频信号法 2 8 1 :为了克服s 注入法在使用中存在的问题，根据故障后位 移电压的大小，选择通过消弧线圈电压互感器还是故障相电压互感器注入不同频率 的恒流信号。监视各条出线上注入信号产生的零序电流工角、阻尼率的变化，比较 各出线阻尼率的大小来确定故障线。缺点是接地电阻较小时，非故障线的计算误差 较大。 1 . 3 1 . 3 . 1 小电流接地保护存在的主要问题及困难 技术问题 单相接地时故障稳态电流一般小于 2 0 a ，甚至只有几安培。其中有功分量和谐 波分量更小，一般不到接地电流的 1 0 % 。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的干扰。这是所有基于故障稳态信息保护方法面临 的主要问题之一。 小电流接地电网的接地故障一般都是由于电网的绝缘薄弱点在电网瞬间或长 期过电压作用下击穿造成的。我们把经过一次或数次击穿后绝缘恢复到能够维持正 常运行水平的接地故障， 称为瞬时性接地故障。 在接地电弧熄灭后， 电缆绝缘恢复， 电网继续维持正常运行。 现场的单相接地故障中，绝大多数为瞬时性接地或间歇性接地，其故障点普遍 为电弧接地。即使对于金属性永久接地故障，其故障的一般发展过程为:间歇性电 弧接地一稳定电弧接地一金属性接地。 弧光接地故障的发展较为复杂，一般认为电弧在接地电流过零时熄灭，而在电 压接近峰值时重嫩。弧道电阻也随电压和电流非线性变化。因此，弧光接地故障大 多是不稳定的。对于弧光接地、特别是间歇性弧光接地，没有一个稳定的接地电流 ( 包括注入的电流)信号，使得基于稳态信息的检测方法失去了理论基础。 瞬时性接地故障持续时间从几个毫秒到数秒不等。对于持续时间很短的瞬时性 故障来说，常规的电网绝缘监测装置一般来不及动作，给不出报苦信息来。如果， 华北电力大学工程硕士学位论文 我们能够捕捉、记录到瞬时性接地故障，及早地给出报普信息，值班人员可以及时 地采取处理措施，防止造成突然停电的恶性事故发生。 1 . 3 . 2 运行管理问题 根据多年配电网运行管理经验及现场数据表明，目前造成选线失败的原因除技 术因素外， 人为因素也占 很大比重，在设备的运行管理上存在很大的问题。主要体 现在从电力系统本身对配电网的忽视，管理责任不明确，没有定期的检查和维修。 国家尚 未对小电流选线装置制定像保护产品那样的强制性检验标准。同时，由 于小电流接地故障选线原理和装置的多样性，对用户的使用提出较高的要求，加上 多数使用单位对此未予重视，致使对所使用的选线装置的基本原理、适用条件不了 解，出现问 题后不关心、不解决。更为严重的是由于重视不够，对选线所必须接入 信号的有效性都不能保证。如3 j 市某变电站工 段母线零序电压在t v出口将l 信号 端误接入n 信号，致使零序电压信号始终为零，引发接地故障时选线装置和绝缘检 查装置集体拒动;又如 q z市某变电站 h 段母线 t v零序电压出口保险丝熔断三个 月未被发现，引发接地故障时选线装置和绝缘检查装置集体拒动;事实上，在现场 发生较多的是零序电流信号不能有效接入 ( 一般是零序 t a出口接线或高压柜接线 失误) ，至于零序电流或零序电压信号极性反接现象就更为普遍。 如果能解决配网选线的运行管理问题，将明显改善目 前配电网故障检测成功率 不高的窘境，在学术上更客观地得出各种选线方法、选线装置的工作性能，在工作 上对配电网故障检测具备指导性的意义。 1 . 4 1 . 4 . 1 本文的目的和内容 本文的目的 如上所述，目前所存在的小电流接地电网单相接地故障选线方法都存在着不 足，选线装置实际运行效果并不理想，小电流接地电网单相接地故障选线的问题仍 然没有得到有效的解决。这个问题甚至成为了配电自 动化的一个瓶颈. 目 前存在的方法和装置除了注入法、拉路法之外，其他的方法主要使用的是故 障后的工频分量或5 次谐波，对故障后的暂态分量研究不足。现有的使用暂态故障 分量的方法中使用低频暂态故障分量的方法对暂态信号构成的物理本质研究较少， 而使用高频暂态故障分量的行波选线方法对电弧接地故障存在一定的困难。 本论文试图分析研究故障时的暂态信号的特征，并找到利用故障时的暂态信号 进行故障选线的判据。据此构造依靠检测暂态信号来构成小电流接地电网单相接地 故障选线方案.并将此方案诉诸实施，解决相关的暂态信号的获取、高速采集及选 线判据问题，并分析己研制出的小电流接地电网单相接地故障选线装置的现场运行 6 华北电力大学工程硕士学位论文 情况，解决困扰电力系统的老大难问题。通过分析现场运行记录验证其使用效果， 通过装置录波数据发现选线方法的不足并提出改进方案，从而推进配电网小电流接 地选线系统的应用研究。 1 . 4 . 2 本文的内容 本文针对小电流接地电网中性点不同接地方式，详细分析了基于暂态信息的小 电流接地选线基本原理与信号规律。重点分析了单相接地故障时的暂态零序电流、 零序电压的故障特征，以 此找到了利用故障时的暂态零序电流、零序电压进行故障 选线的判据。 介绍了在原理和试验验证的基础上所研制开发的 x j - l o o小电流接地故障选线 及监测系统的总体构成及工作流程。 重点分析了 x j - 1 0 0小电流接地故障选线及监测系统的运行情况及实际应用中 出现的各种问题。文中对装置现场安装运行中出现的问题分析根原并制定出相应的 解决方案，对现场运行情况做出调研，考察基于暂态信息选线方法的推广价值。 由 于管理上的缺陷以 及总体上对配电网的忽视，配网故障选线存在设备操作不 规范、装置年久失修、产品间检验标准不统一等诸多人为因素问题。文中对此提出 了相应的管理措施及注意事项。 在装置运行情况及录波数据的基础上，及时发现装置设计及判据选择上的不 足，并提出改进的建议和方案。 华北电力大学工程硕士学位论文 第2 章利用暂态零序电流的小电流接地选线原理 本章针对小电流接地电网中性点不同接地方式，分析了单相接地故障时的暂态 零序电流、零序电压的故障特征，在此基础上构造了利用故障时的暂态特征频段的 同母线出线的暂态零序电流幅值、极性比较判据和暂态零序电流、零序电压极性比 较判据。 小电流接地系统单相接地故障的稳态信号基本特征 图 2 - 1显示了一个包含三条出线的小电流接地系统单相金属性接地故障示意 按照一般方法，忽略其线路电感、电阻以及对地电导。开关k 打开时为中性点 j.0 2.图 不接地系统，闭合时为消弧线圈接地系统。 线路 i 线路n a f ii i 图 2 - 1 其中:e a , e b , 小电流接地系统单相接地故障示意图 e c 分别为等效的三相电源电动势; c i , c ii, c h i 分别为线路 i , ii, ii i 的单相对地分布电容: l p , r p 分别为消弧线圈的等效电感和电阻。 已有方法主要分析了故障产生的零序稳态、暂态电压电流以及负序稳态电压电 流特征。 2 . 1 . 1 中性点不接地电网中的零序稳态信号基本特征 中性点不接地电网如果三相电源电压是对称的，则电源中性点的电位为零，但 是由于架空线排列不对称而换位又不完全等原因，使各相对地导纳不相等，则中性 华北电力大学工程硕士学位论文 点将会产生位移电压。 一般情况下位移电压不超过电源电压的5 % ， 对运行的影响不 大。此时，三相电压、电流基本对称，零序分量很小。 发生单相金属性接地故障时，接地相电压为零，对地电容被短接。线路3的a 相金属性接地，其它两个健全相 ( 非故障相) b 相和c 相对地电 压升高f 倍， 对地 电 容电 流i 2 b 和i 2 c 也相 应升高f 倍， 两 相电 压、电 容电 流之间的相位差为6 0 度。 因此，电网上的零序电压幅值与电网正常运行时单相对地电压幅值相等;在非故障 线路线路1 上，零序电流幅值等于正常运行时单相对地电容电流幅值，方向从母线 指向线路;在故障线路上，由于同一母线各条出线的对地电容电流都要经过接地点 返回电源，零序电流幅值等于所有非故障线路零序电流之和的幅值，它大于任一条 非故障线路的零序电流，方向从线路指向 母线。 2 . 1 . 2 中性点经消弧线圈接地电网中的零序稳态信号基本特征 运行实践证明，当接地故障电流较大 ( 3 0 a以上)时，会在故障点造成持续性 电弧接地，这将烧毁设备并可引起多相短路。为了消除电弧过程可能带来的危害， 我国的过电压保护设计规范 ( s d j -7 9 ) 规定，在3 - 1 0 k v 系统中，若单相接地电容 电流超过 3 0 a ，或 3 5 - 6 0 k v系统中超过 1 0 a ，其系统中性点均应采取消弧线圈接地 ( 谐振接地)方式。 消弧线圈是一个装设于配电网中性点的可调电感线圈，当发生单相接地时，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，当电流过零电弧熄灭后，消弧线圈还可以减少故障相电 压的恢复速度从而减小电弧重燃的可能性。 对经消弧线圈接地的系统，正常时中性点电压为零，消弧线圈不起作用。发生 单相接地故障时，中性点电压抬高会在消弧线圈中产生感性电流，此电流与健全相 电容电流之和极性相反。在接地点除了流过所有线路健全相对地电容电流外，又加 上一个电感电流，此电流与电容电流相抵消，可以减小流经接地点的电流，使故障 电弧在电流过零时熄灭，故障点绝缘迅速恢复，电网恢复正常运行。 根据对电容电流补偿程度的不同， 补偿方式分为全补偿、欠补偿、过补偿.为 了防止线路发生串联谐振，实践中一般采用过补偿方式，即使流经故障点的电感电 流大于的电容电流。在过补偿方式下，故障线路的零序电流幅值很小，甚至是小于 非故障线路的零序电流，方向与非故障线路相同，也是从母线指向线路。 2 . 2 后， 小电流接地系统单相接地故障的暂态过程分析 近年来，尤其是法国电力公司提出将其大电流接地系统逐步改为谐振接地方案 国内外对小电流接地系统单相接地检测方法的研究越来越重视，并应用了许多 华北电力大学工程硕士学位论文 新技术如人工元神经网络、小波变换、p r o n y 方法、 沃尔什函数、d s p( 数字信号处 理器)技术等。所有这些工作都为彻底解决小电流接地系统单相接地故障问题做出 了有益的尝试。 接地过程中的电弧现象过去没有引起足够的重视。根据现场的经验，单相接地 故障中电弧性故障超过 9 0 % 。有些电弧性故障在故障电流第一次过零或几个周波后 自 动消失，称为瞬时性故障;有些电弧故障则在故障消失后又重燃，称为间歇性电 弧故障;如果电弧只在故障电流过零时熄灭，过零后又重燃则称为稳定性电弧。电 弧接地是一个不稳定的熄、拉弧过程，可能引起系统运行方式的瞬息改变，导致电 弧能量的强烈振荡和积聚，故障电流中稳态信号的含量非常微弱，使得针对稳态信 息的检测方法失去了理论基础。虽然针对稳态信息的检测方法研制的产品在模拟试 验中的效果都不错，但由于模拟试验大多采用人工接地方法，为稳定性接地，不存 在电弧过程，与实际运行中的接地过程并不完全相同。因此，这些产品在实用中的 效果就不如试验中那么理想。 所以应该注重对利用暂态信息方法的研究，虽然利用故障时暂态信息的方法早 已 提出，但在技术上一直没有很好的实现。接地故障中电弧过程普遍存在，使得暂 态信息的含量非常充足。理论上，只有当接地瞬间位于接地相电压过零时刻且为稳 定接地没有电弧过程才不存在暂态信息。由于绝大多数故障都发生在相电压接近于 最大值的时刻，这样的故障实际中发生的概率非常小。 现代微电子技术的发展，特别是d s p 技术的应用，使得对线路中暂态信息的实 时检测成为可能。加上神经元网络、小波变换等技术在信号分析方面的发展，利用 暂态信息的方法一定能够取得突破性的进展。 2 . 2 . 1 中 性点不接地系统暂态信号基本特征 图2 - 2接地故障暂态分析等效电 路 图 2 - 2是接地故障暂态分析等效电路，其中 u ( t ) 是故障激励电源，与故障前 故障点电压大小相等，方向相反:l是线路及电源回路反映在零序回路中的等值电 感;c是电网的三相对地电容之和:r是零序回路等值电阻，包括线路电阻和接地 电阻;l k 是消弧线圈电感，对暂态电流影响很小，可以忽略不计。 暂态最大电流值与故障时电压相角有关，而一般故障都发生在电压最大值附 华北电力大学工程硕士学位论文 近。由图2 一的等效电路可计算出故障发生在电压最大值时的电流为 if = u m c ( 0 e sin m ot - sin g )w 其 中 衰 减 系 ， s = 2l 。 路 。 。 振 荡 频 率 、 = l c , ( 2 - 1 ) 文献【a u 对故障暂态过程均未进行详尽、 准确的分析，一般根据此系统简化模型 得出一些初步结论。 一般认为:暂态电容电流由故障相电压突然下降引起的对地分布电容放电过程 和健全相电压升高引起的对地电容充电过程组成。其中，放电电流通过母线直接流 向接地点，振荡频率较高在数千赫兹;充电电流须通过电源流向接地点，整个流通 回路电感增大，振荡频率较低一般仅为数百赫兹。 健全相充电电流占整个暂态电流主要成分。且暂态电流最大值与工频稳态电流 之比近似等于暂态信号频率与工频之比，即其幅值比稳态值可大数倍到数十倍。实 际的故障波形也验证了上述结论。 2 . 2 . 2 消弧线圈接地系统暂态信号基本特征 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瞬间，而 当故障发生在相电压接近于最大值瞬间时，暂态电感电流约等于零。因此，暂态电 容电流较暂态电感电流大很多， 在同一电网中， 不论中性点绝缘还是消弧线圈接地， 在相电压接近于最大值时发生故障，其过渡过程是近似相同的。 在暂态过程的初始阶段，暂态接地电流特性主要由暂态电容电流所确定;暂态 电感电流中的直流分量虽不会改变接地电流首半波的极性，但对幅值影响较大。 2 . 3 小电流接地故障暂态特征的频域分析 对暂态过程分析的传统方法主要是时域法。一种方法是:在中性点不接地系统 中将暂态电流分为健全相的充电电流和故障相的放电电流，在消弧线圈接地系统中 在上述两种暂态电流中再增加了消弧线圈的暂态电流，三者之间的分析过程及特性 相互独立。另一种方法为:将整个系统零序网络等效为若干分布电容、消弧线圈电 感、过渡电阻的组合，建立并求解微分方程组获得零序电压电流的暂态解。 上述传统方法存在的缺点:只考虑线路分布电容、忽略了线路电感，模型不够 准确，特别在暂态过程频率较高时可能出现南辕北辙现象;都只分析了暂态过程在 时域的特征，忽略了不同频率下系统特征的差异。因此，所得的结论不尽完善、正 确。 本节从建立高精度故障模型入手，分析了单相接地故障的模量网络结构，根据 i t 华北电力大学工程硕士学位论文 分布参数模型线路的相频特性分析了不同接地方式下零序网络的相频特性以及暂 态电流零序特征及分布规律。 2 . 3 . 1 基干线路分布参数的故障模量模型 为了准确分析故障暂态信号特征，有必要对线路采用分布参数模型。 首先采用相模变换 ( c l a r k e 变换) 将三相系统变换为没有祸合的模量系统。从 故障点看到的基于线路分布参数模型的整个系统故障分量模量图可以表示为图 2 - 3 . 图2 - 3 基于线路分布参数的故障模量模型 其中，u为故障点虚拟电源，等于故障点故障前的反相电压;r r 为过渡电阻; u . , u , 为 u 在。 模和0 模的压降; i t . . i t. 为故障电流的a 模和0 模分量; l o t . r a e , 命分别为第k 条出线单位长度线路的0 模电感、电阻、分布电容;几为各条出线检 测点:l 为消弧线圈自身等效电感:i n 为出线1 线路长度。0 模和。 模结构、参数 完全相同。 上图是分析单相接地故障暂态特征的基础，其模型总体结构以及等效参数都与 分析稳态特征的对称分量法一致。由于0 模分量的含义与零序分量完全相同，以下 叙述时对二者不加区分。 2 . 3 . 2 零序网络相频特性及电气量分布规律 2 .3 .2 . 1 不接地系统零序网络相频特性及电气量分布 如果选定一个暂态特征分量的频段，在该频段内健全线路阻抗和故障线路检测 到的背后阻抗都呈容性，均可用一集中参数电容等效，则在该频段中相应的零序网 络图可以得到简化。本文将满足上述条件的暂态特征分量的频带定义为 s f b频段 ( s e l e c t e d f r e q u e n c y b a n d ) . 故障线路和健全线路检测到的容性零序电流在s f b 频段内具有如下关系: 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 关系a 、故障线路幅值大于任何一条健全线路。 关系 b 、故障线路中从线路流向母线，而健全线路中从母线流向线路。二者流 向相反。 母线处检测到的能量交换形式主要是健全线路等效电容吸收的无功功率。此无 功功率从故障点虚拟电源输出后，经故障线路分配到各条健全线路。其在s f b 频带 内的分布也满足规律a . b . 利用零序电流或无功功率的分布规律a , b 均可确定故障线路。 此外，对于暂态零序电压、电流s f b 分量v o (e ) , i o k ct .健全线路满足: lot (t) = c k 酬_ ( 2 - 2 ) 而故障线路暂态零序电压电流s f b 分量 u 0 ( t ) , i 0 ( t ) 满足: i o a ( t ) = - c o h d u o ( t ) ( 2 - 3 ) 其 中 : c o h =艺 c k 为 所 有 健 全 线 路 零 序 电 容 . 关 系。 、 t 比 ,频 段 内 ， 健 全 线 路 暂 态 零 序电 压 、 电 流 极 性 相同 ， 故 障 线 路 暂 态 零 序电压、电流极性相反。 一般配电网络中c77 远远大于工频，因此在不接地系统中s f b 包含了工频分量和 部分谐波分量。 容性电流和无功功率的上述分布规律虽早已提出，但仅限于工频和部分谐波分 量，且缺乏严格的分析证明。根据本文的分析，它在 s f b范围内恒成立。而在 s f b 频带外上述规律将不再恒定成立:当频率刚超越口时， 首次谐振频率等于口的健全 线路容性电流和无功功率将最大且从线路流向母线。频率再高时，将出现部分健全 线路之间的谐振现象， 即出现健全线路之间的电流和无功功率交换。 因此， 可得到: 关系 d 、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。 因此，利用s f b 频带范围以外的零序电压、电流特征选择故障线路较为困难。 2 . 3 . 2 . 2 经消弧线圈接地系统零序网络相频特性及电气量分布 经消弧线圈接地系统中，消弧线圈作为感性元件，将对故障线路电流和无功功 率的幅值及流向产生影响。 设消弧线圈在频率。r 下能够完全补偿系统电容电流，则有: 3 l = 一 i w , c o ( 2 - 4 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 其中g为整个零序网络等效电容: 则 在 任 意 频 率。下 ， 故 障 线 路 检 测 的 容 性 电 流毛 为 : i , = 一 艺i ll ( 2 - 5 ) k - i , t 川 ( 。 一 ， 乙 .月嘴二 . 一 - 0 其 中 ， i c 二 .1 wc. u .人= 线圈在频率 。下流过的零序雌 _ 、二u， 、 ， _ . ， . 一 j a ck u0红 =- t 3 ij 刀-rl r 系 _ 、 、 ，_j c u l . , 一 t _ _ , 掀 0 u0 为狈革 。 卜阴等斤 甩压 。 线路 k及消弧 从( 2 - 5 中可知，如果定义: 、 = 。 ， s ll c .z o-h ( 2 - 6 ) 则在0 到。 频带内， 故障线路容性电流与健全线路流向相同， 不能作为选线依 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。 设最大的健全线路零序电容为 c ，再定义: m i=口 ， c o c o 。 一c - ( 2 - 7 ) 则根据( 2 - 5 ， 在。 到。频带范围内有: 故障线路检测的容性电流幅值大于 任一健全线路，且由于。，; 。: ，其流向也与健全线路相反。此时，故障线路检测 到的背后等效电容有所降低。 容性电流流向与线路阻抗相频特性密切相关。图2 一 所示为4 出线经中性点消弧 线圈接地系统典型相频关系示意图。 s f b 健全线路 1 健全线路 2 健全线路 3 故降线路 3 m , , 3 w , 2 图2 一经消弧线圈接地系统零序网络相频特性 综上所述，对于经消弧线圈接地系统，如果定义s f b 为从。: 到。的频带， 则消弧线圈的影响可以忽略。即上节所述暂态电气量分布规律 a , b , c 仍然成立。 不同点是，因为消弧线圈电感的作用，故障母线检测到的等效电容有所减小。因此， 华北电力大学工程硕士学位论文 可以和中性点不接地系统使用相同的故障线路选择方法。 2 . 3 . 3 对暂态特性的仿真验证 本节采用在e m t p 软件基础上改进的a t p 电磁暂态仿真软件， 对中性点不接地和 经消弧线圈接地系统暂态特性进行了仿真。 e m t p ( e l e c t r o m a g n e t i c t r a n s i e n t s p r o g r a m )即电磁暂态分析程序，最初是 由加拿大大不列颠哥伦比亚大学 ( u b c )的h . w . d o m m e l 教授创立的而后又经很 多专家共同努力而日 臻完善。该程序主要用于计算机模拟电力系统电磁暂态过程， 程序可以求解包括集中参数的线性和非线性电阻、 电感、 电容电路， 多相二 型电路， 多相分布参数电路，各种类型的开关、变压器、电源以 及控制系统等组成的大型电 力系统的稳态或暂态过程。此外，凡是可以用电路来模拟的其他系统，如机械系统 等的稳态或暂态过程均可以用此程序来计算。 e m t p 程序具有规模大、 功能强、 模拟真实等优点，目前在我国高等学校、 科研、 设计和制造等部门都得到了广泛的应用，并在一些国家级重点项目的研究中都已 使 用 e m t p 程序。 图2 - 5 小电流接地故障仿真系统模型 系统仿真模型如图2 -5 所示。k 打开时为不接地系统;闭合时为经消弧线圈接 地系统，其过补偿度设为8 % 0 对故障点位于不同线路的不同位置，故障初相角取、接地过渡电阻取不同数值 的情况分别进行仿真。 图2 一显示了经消弧线圈接地系统中，线路 1 中段接地故障 ( 过渡电阻为5 0, 故障初相角为4 5 度) 时零序电压和各条线路零序电流的原始波形。 图2 一显示了图 2 一中的暂态部分放大图。 图2 一显示了在故障后一个工频周波内， 各条线路零序电 流f f t 结果的幅频特性，及零序电压和各条线路零序电流f f t 结果的相位差即阻抗 的相频特性。图2 一显示了零序电压电流信号经过滤波后的s f b 分童。从 华北电力大学工程硕士学位论文 , o 0 - , o _ _ 1 _ _ _ 土 _兰_ _1之j 二 一1 一 1 了 叹 一 !一2 叹一 一万 v 一 ) . v 一 -芍 们匀田刀80s o1 0 0 匕闺翻使盼 t / . ， 匀据御处朴 1 0 0 t / a s 图2 - 6零序电压和各条出线零序电流 . r . 0 。 ， 口 _ _ _ _ 1 _ _ _ _ 1 _ _ _ _ 1 _ _ _ _ 1_ _ _ _ _ 1 _ _ 7i 粤娜今认三 d 口已】州口 2口 36 a日 日口 日口 7 t / 砚 . 匕川御脸肺 9携翩脸盼 , t / n a 图2 - 7局部放大后的暂态零序电压电流 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 胜竺_二 二习级厂尹! 太 一一一 4 匀恻， 频率( 习 二 ) 罄 - - -vitt . 二 性户 曰 户 一 、 袋