（电气工程专业论文）基于暂态信号的小电流接地选线装置的研究.pdf

华北电力大学j ：程硕士学位论文摘要 摘要 我国中压配电网中性点大多数采用小电流接地方式，包括中性点不接地系统和 中性点经消弧线圈接地系统。在这种系统发生单相接地故障时，由于故障电流微弱、 电弧不稳定、复杂的故障情况以及多样的系统运行方式等原因，小电流接地故障检 测始终没有彻底解决。本文在详细分析小电流接地故障暂态过程基本特征的基础 上，首次提出利用零序电流采样值极性变换过程这一时间段内( 首半波) 各出线零 序电流间的极性来选线的新原理，并研制出了基于暂态信号的小电流接地选线装 置。 经过现场试运行和装置安装前后的测试，这种小电流接地选线装置有着较高的 选线正确率，使用效果良好；有利于配网自动化系统的可靠运行，能够获得较大的 经济效益和社会效益；非常适用于我国的城市配电网络。 关键词：小电流接地选线，暂态信号，相频特性 a b s t r a c t n e u t r a li n d i r e c t l yg r o u n d e ds y s t e m ，i n c l u d i n gn e u t r a ln o n - g r o u n d e ds y s t e ma n d p e t e r s e n - c o i lg r o u n d e ds y s t e m ，a r ew i d e l yu s e di nm vd i s t d b u t i o np o w e rs y s t e mi n c h i n a w h e nt h es i n g l e - p h a s e t o - g r o u n df a u l to c c u r si nt h es y s t e m ，o na c c o u n to fw e a k f a u l tc u r r e n t ，u n s t a b l ef a u l ta r c ，t h ec o m p l e xf a u l tc i r c u m s t a n c e s 觚dt h ev a r i o u ss y s t e m r u nm o d e ，t h ep r o b l e m so ft h ee a n hf a u l tp r o t e c t i o n si nn o s o l i de a n hn e 坩o r kh a v en o t b e e nr e s o l v e dd r a s t i c a l l y ：a tt h eb a s eo ft h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s i e n t z e r 0s e q u e n c ec u r r e n t ，t h i sp a p e rp u tf o 删a r df o rt h ev e r yf i r s tt i m em a k eu s eo fz e r 0 p r e f a c ee l e c t r i cc u l l r e n ts a m p l ev a l u ep o l et r a n s f 0 咖a t i o np r o c e s s e st h i sa tt h a tt i m ee a c h l i n ei n s i d et h es e g m e n tz e r 0t h ep r e f a c ee l e c t r i cc u l l r e n to fp o l et oc h o o s et h en e w p r i n c i p l eo ft h el i n e i n t h i ss c h 锄e ，an e wf - a u l tl i n es e l e c t i o nd e v i c ef - 0 rn e u t r a l i n d i r e c t l yg r o u n d e ds y s t e mb a s e do nt r a n s i e n ts i g n a li sd e v e l o p e d b yf i e l dr u n n i n ga n dt e s t i n g ，t h eu s a g er e s u l to ff a u l tl i n es e i e c t i o nd e v i c ei sv e r y g o o d ；i ti sa d v a n t a g e o u st ot h ea u t o m a t i o no ft h ed i s t r i b u t i o np o w e rs y s t e m ，c a na c q u i r e t h eb i g g e re c o n o m i cp e r f b 珊a n c ea n ds o c i a lp e r f o 硼a n c e i ti sp r o v e db yp r a c t i c et h a t t h i sd e v i c em a yb ea p p l i c a b l ef 0 rc h i n a sc i t yd i s t r i b u t i o np o w e rs y s t 锄s z h o uy a o ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gz e n g p i n g k e yw o r d ：f a u l tl i n es e l e c t i o nf o rn e u t r a li n d i r e c t l yg r o u n d e ds y s t e m ，t 豫n s i e n ts i g n a l ， a n g l ef r e q u e n c yc h a r a c t e “s t i c s 华北电力大学j ：程硕士学位论文摘要 摘要 我国中压配电网中性点大多数采用小电流接地方式，包括中性点不接地系统和 中性点经消弧线圈接地系统。在这种系统发生单相接地故障时，由于故障电流微弱、 电弧不稳定、复杂的故障情况以及多样的系统运行方式等原因，小电流接地故障检 测始终没有彻底解决。本文在详细分析小电流接地故障暂态过程基本特征的基础 上，首次提出利用零序电流采样值极性变换过程这一时间段内( 首半波) 各出线零 序电流间的极性来选线的新原理，并研制出了基于暂态信号的小电流接地选线装 置。 经过现场试运行和装置安装前后的测试，这种小电流接地选线装置有着较高的 选线正确率，使用效果良好；有利于配网自动化系统的可靠运行，能够获得较大的 经济效益和社会效益；非常适用于我国的城市配电网络。 关键词：小电流接地选线，暂态信号，相频特性 a b s t r a c t n e u t r a li n d i r e c t l yg r o u n d e ds y s t e m ，i n c l u d i n gn e u t r a ln o n - g r o u n d e ds y s t e ma n d p e t e r s e n - c o i lg r o u n d e ds y s t e m ，a r ew i d e l yu s e di nm vd i s t d b u t i o np o w e rs y s t e mi n c h i n a w h e nt h es i n g l e - p h a s e t o - g r o u n df a u l to c c u r si nt h es y s t e m ，o na c c o u n to fw e a k f a u l tc u r r e n t ，u n s t a b l ef a u l ta r c ，t h ec o m p l e xf a u l tc i r c u m s t a n c e s 觚dt h ev a r i o u ss y s t e m r u nm o d e ，t h ep r o b l e m so ft h ee a n hf a u l tp r o t e c t i o n si nn o s o l i de a n hn e 坩o r kh a v en o t b e e nr e s o l v e dd r a s t i c a l l y ：a tt h eb a s eo ft h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s i e n t z e r 0s e q u e n c ec u r r e n t ，t h i sp a p e rp u tf o 删a r df o rt h ev e r yf i r s tt i m em a k eu s eo fz e r 0 p r e f a c ee l e c t r i cc u l l r e n ts a m p l ev a l u ep o l et r a n s f 0 咖a t i o np r o c e s s e st h i sa tt h a tt i m ee a c h l i n ei n s i d et h es e g m e n tz e r 0t h ep r e f a c ee l e c t r i cc u l l r e n to fp o l et oc h o o s et h en e w p r i n c i p l eo ft h el i n e i n t h i ss c h 锄e ，an e wf - a u l tl i n es e l e c t i o nd e v i c ef - 0 rn e u t r a l i n d i r e c t l yg r o u n d e ds y s t e mb a s e do nt r a n s i e n ts i g n a li sd e v e l o p e d b yf i e l dr u n n i n ga n dt e s t i n g ，t h eu s a g er e s u l to ff a u l tl i n es e i e c t i o nd e v i c ei sv e r y g o o d ；i ti sa d v a n t a g e o u st ot h ea u t o m a t i o no ft h ed i s t r i b u t i o np o w e rs y s t e m ，c a na c q u i r e t h eb i g g e re c o n o m i cp e r f b 珊a n c ea n ds o c i a lp e r f o 硼a n c e i ti sp r o v e db yp r a c t i c et h a t t h i sd e v i c em a yb ea p p l i c a b l ef 0 rc h i n a sc i t yd i s t r i b u t i o np o w e rs y s t 锄s z h o uy a o ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gz e n g p i n g k e yw o r d ：f a u l tl i n es e l e c t i o nf o rn e u t r a li n d i r e c t l yg r o u n d e ds y s t e m ，t 豫n s i e n ts i g n a l ， a n g l ef r e q u e n c yc h a r a c t e “s t i c s 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于暂态信号的小电流接地选线 装置的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师的指导下进行的 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己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。 学位论文作者繇! 至 丛嗍埠丛生笸 关于学位论文使用授权的声明 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：l 、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；2 、学校可以采用影印、缩 印或其他复制手段复制并保存学位论文：3 、学校可允许学位论文被查阅或借阅；4 、 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；5 、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：导师签名： 日 期：型2 ：苎：白期： 华北电力人学工程硕士学位论文 1 1 概述 第一章引言 在我国l o 一3 5 k v 的配电网中，其中性点一般采用中性点不接地( n u s ) 、中性点 经高阻( n r s ) 或消弧线圈( n e s ) 接地的方式。在以这类方式接地的电网中，发生单相 接地故障时短路电流只能通过对地电容或阻抗形成回路，故障电流往往比负荷电流 小很多，故而称为小电流接地系统。在中性点非直接接地系统中，发生单相接地故 障后，故障相对地电压降到极小，非故障相对地电压则升高，其值甚至接近线电压； 故障时由于线电压仍然对称，特别是中性点经消弧线圈接地的系统，流过接地点的 电流很小，不影响对负荷的连续供电，所以电力系统安全规程规定在这种情况 下系统仍可继续运行0 5 2 小时：但是长时间单相接地运行也会造成严重后果，危 及设备、人身安全，造成不良的社会影响：( 1 ) 1 0 k v 配电线路发生单相接地故障 后，变电站1 0 k v 母线上的电压互感器能检测到零序电流，在开口三角的线圈上会 产生零序电压，使电压互感器的铁芯饱和，励磁电流增加。如果这种状况持续时间 较长，则可能将电压互感器烧毁，还可能产生几倍于正常电压的谐振过电压，危及 变电设备的绝缘，甚至使变电设备绝缘击穿；此过电压进一步将线路上的绝缘子击 穿，造成严重的短路事故。同时也可能烧毁部分配电变压器，使线路上的避雷器、 熔断器绝缘击穿甚至烧毁，也可能引发火灾。( 2 ) 1 0 k v 配电线路发生单相接地故障 后，一方面变电站要进行人工拉路选线，将所有出线按顺序全部拉、合一次，据此 来查找故障线路，中断正常供电，影响供电可靠性；另一方面查到故障线路时要拉 开该条出线的开关，进行故障点的查找和消除工作，影响用户正常的用电。特别是 在恶劣气候条件和配电网络复杂的地区以及夜间，不利于查找和消除故障，将造成 长时间、大面积停电，对供电可靠性会产生较大影响：对于导线断线落地这一类的 单相接地故障，如果接地配电线路未停运，则对于行人和线路巡视人员( 特别在夜间) 而言，可能发生人身触电伤亡事故，造成不良的社会影响和经济损失，损害供电企业 的社会形象。( 3 ) 1 0 k v 配电线路发生单相接地故障后，必然要停运故障线路，从 而造成长时间、大面积停电，减少供电量。据不完全统计，每年由于配电线路发生 的单相接地故障而少供电十几万k w h ，影响供电企业的供电量指标和经济效益：同 时由于配电线路接地相直接或间接对大地放电，将造成较大的电能损耗，如果按规 程规定运行一段时间( 不超过2 h ) ，则将造成更大的电能损耗，与创建节约型社会的 主旋律背道而驰。 随着时代的发展，人类的生产、生活越来越离不开电能，因此在配电网络中发 华北电力人学工程硕士学位论文 生单相接地故障后要求运行人员务必在最短时间内判断出故障线路，采取必要措施 使故障与系统隔离，以防止故障的进一步扩大。随着对小电流接地系统的供电可靠 性问题的日益重视，方便、准确的单相接地故障检测方法越来越受到供电企业的欢 迎。 1 2 国内外在小电流接地选线方面的研究现状 变电站用的小电流接地选线装置自2 0 世纪8 0 年代以来，国内外众多大专院校、 研究院、生产厂家都致力于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。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。 虽然说配网中单相接地故障不影响电网的正常运行，但小电流接地系统在单相 接地时，非故障相电压会升高为线电压，长时间带故障运行极易产生弧光接地，进 而形成两点接地故障，引起系统过电压，从而影响系统中电气设备的安全，使事故 范围扩大。因此，需要尽快选出故障线路，以便运行人员及时采取措施加以处理。 但由于故障电流微弱、电弧不稳定等原因，单相接地故障检测比较困难，近几十年 来，国内外已经研究出许多检测技术，但实际使用中还存在不少问题、选线准确率 并不高。 最初的故障选线是通过“拉路”法，逐条切断线路来监视零序电压的有无，从 而选出故障线路。这种方法虽然能保证选择的正确性，但是速度慢且影响供电，给 要求高供电可靠性的用户带来经济损失以及不良的社会影响。 以后又陆续提出了几种故障选线原理，按照所采用的电气量，可分为利用注入 信号和故障信号两类。 注入信号最早用于输电线路的故障测距。它的基本思路是通过检测注入信号的 传输路径和特征实现故障选线、测距和定位。基本原理是通过运行中的t v 向系统 注入附加信号，再利用信号寻踪原理实现故障检测。在变电站母线t v 三次侧( 开 口三角电压回路) 加装一个高频( 高于电网中原有的谐波频率，如2 2 0 h z ，便于滤波 检测) 电流信号源，在故障后通过t v 向故障相注入高频电流信号。这样在t v 一次 2 华北电力大学! l 程硕士学位论文 侧中性接地点与故障接地点之间形成注入信号电流的流通回路，该频率信号电流仅 在接地故障线路中流通，非故障线路上则不存在。通过加装在出线上的信号电流探 测器，检测各线路上有无注入的特定频率的信号电流，便可查出接地线路。该装置 由主机和信号电流探测器两部分构成，主机发出的信号通过电压互感器副边三次端 子接入，并由故障线路接地点流回。信号探测器插在主机内部或安装在各条出线绝 缘距离以外探测选线。该方法在实用中有一定效果。但缺点是：要在变电站母线上 安装专用信号源，在每条线路上装设信号电流探测器，造成现场实现的复杂化：注 入信号强度受t v 容量限制；因接地电阻较大造成信号电流阻抗角变小或接地点存 在间歇性电弧现象时，容易产生测量和计算误差，造成误判。 利用故障信号的方法又可分为利用故障信号稳态量和暂态量两类： ( 一) 实际运用中有几种选线方法的主要判据就是故障时的各种稳态信号( 包 括故障产生的工频零序、负序电压电流信号，谐波电压电流信号以及注入的电流信 号等) 。 ( 1 ) 零序电流幅值选线法 利用中性点不接地系统故障线路工频零序电流幅值比健全线路大的特点，选择 工频零序电流幅值超越一个预设门槛的线路、或者选择零序电流幅值最大的线路为 故障线路。也可将故障后线路零序电流与自身对地电容电流作幅值比较，选择有变 化的线路为故障线路。 ( 2 ) 零序电流群体比幅比相选线法 选择零序电流工频幅值较大的若干条线路比较其相位，选择与其它线路电流流 向相反的线路为故障线路。其存在若干补充方案。 ( 3 ) 零序电流无功功率方向选线法 在中性点不接地系统中，故障线路的零序电压滞后零序电流9 0 0 ，即该线路的 容性无功功率是从线路流向母线；而非故障线路的零序电压则超前零序电流9 0 0 ， 即容性无功功率是从母线流向线路。比较各线路的零序电流与系统中零序电压的相 差，便可选出故障线路。实际中多将零序电流无功方向比较和幅值比较组合起来应 用。但当存在对地电容较小的短线路时，由于零序电流的幅值过小，再加上过渡电 阻接地的夹角变小，使得装置相角比对的误差变大，容易引起误判。而在中性点经 消弧线圈接地系统中，则因过补偿使得故障线路实际的容性无功功率方向也和非故 障线路一样，变成了自母线流向线路，使得零序无功方向保护失效。至于为了保证 零序无功方向判别有效性而在故障时切除部分或全部消弧线圈的方法，因为使消弧 线圈没有发挥应起的补偿作用，所以没有太大的实际意义。 方法( 1 ) ( 3 ) 只适用于不接地系统、而不适用于消弧线圈接地系统。为克 华北电力大学工程硕士学位论文 服此缺点，又有以下几种方法： ( 4 ) 零序电流有功分量或有功功率选线法 电网线路、特别是消弧线圈串联的非线性电阻将产生一定有功零序电流且不能 被消弧线圈补偿。故障线路零序电流有功分量比健全线路大且方向相反。利用这些 特征可选出故障线路。 ( 5 ) d e s i r 法 故障后从所有出线中抽取零序电流的基波有功分量，计算出故障点残余有功电 流，将每一出线零序电流在故障点有功电流垂直轴上进行投影比较并选出故障线 路。该方法是有功分量方法的改进，优点是不需要零序电压信号。缺点是对零序电 流的精度要求很高，一般t a 不易满足。 ( 6 ) 负序电流法 它基于以下原理：负序电流由故障点产生，流向电源和非故障线路，与电源的 负序电流方向基本相反；由于故障相电压在接地故障过渡电阻上产生故障电流，故 障线路的负序电流与故障相电压相位一致。另外，在假设馈线保护安装处到线路末 端的线路长度较短的条件下，i o k i 2 k ，即故障线路k 保护安装处的负序电流近似等 于零序电流。由这种原理构成的保护装置具有不受弧光接地的影响，抗过渡电阻能 力强，负序电流与零序电流比较式接地保护具有自适应等优点。但负序电流绝大部 分由故障线路流向电源，非故障线路负序电流很小，方向准确测量困难，这就使得 负序方向接地保护在实际配置中使用的可能性较小；另外，当线路k 保护安装处到 线路末端线路较长时，负序与零序方向保护的假设不一定成立。该技术还有待进一 步研究。 由于以下几个方面的影响：故障电流稳态分量幅值小，故障点电弧不稳定； 基波分量容易被外部设备所干扰；经电流互感器变换后的零序电流又容易受到 t a 中的不平衡电流的影响，使得这些信号误差较大，进而影响到基于这些原理的 小电流接地选线装置选线的准确率，实际的使用效果并不理想。 ( 二) 小电流接地电网发生单相接地故障时，系统由故障前的稳态变化到故障 后的稳态，要经历一个暂态的过渡过程。在暂态过程中，故障相电压突然降低引起 分布电容对地放电，非故障相电压突然升高使分布电容充电。由于放电电流只需经 过母线构成回路，而充电回路必须经过电源( 变压器) ，因此放电过程比充电过程 频率高、衰减快。接地故障绝大多数发生在电压接近峰值时刻，暂态过程非常明显。 不同电网暂态信号的频率一般从几百到几千赫，衰减时间约l 4 个工频周期。最大 暂态电流和稳态电容电流之比近似等于暂态频率与工频频率之比，因此暂态电流幅 值可能是稳态电流幅值的几倍到几十倍，达到几十到几百安培。目前的城市配电网 4 华北电力大学工程硕士学位论文 是以架空绝缘导线和电缆为主的辐射网，其对地电容值较大，接地时产生的暂态信 号频率更高、暂态电流幅值更大、更容易检测。因此利用暂态电流来进行故障选线， 具有灵敏度高、不受消弧线圈的影响等几个优点。 在实际应用中以暂态量作为判据的主要有两种方式： 第一种在中性点不接地系统中一般采用基波零序电流方向判别法，早在上世纪 5 0 年代，德国就提出了利用故障线路暂态零序电压、电流初始极性相反的特点进行 故障选线的首半波法，我国在7 0 年代推出过基于这种原理的晶体管式接地选线装 置，但实际应用效果也不理想。从原理上讲，初始极性关系正确的时间非常短( 远 小于暂态过程) ，并且受线路结构和参数影响很大：更重要的是受当时技术手段的 限制，不能对暂态信号进行有效地采集、记录并实行较高级的数学分析。所以这种 方法一直没有得到深入的研究和应用。随着现代微电子技术的发展，微机继电保护 技术在电力系统中应用越来越广泛。研究人员可以很容易地记录并用复杂的数字算 法处理接地故障产生的暂态信号，使得基于暂态信号的保护方法获得了新的生命。 但近些年来研究的焦点放在了小波分析等数学分析工具的应用上，而对暂态特征和 利用方式仍然缺乏深入的研究。 第二种在中性点经消弧线圈接地的系统中一般采用五次谐波判别法：故障点和 线路设备等非线性因素会产生谐波电流，其中以五次谐波分量为主。由于消弧线圈 对五次谐波的补偿作用仅相当于工频时l 2 5 。因此一般条件下故障线路的五次谐波 电流比非故障线路的大且方向相反，据此可以确定故障线路。但这种方法也有原理 上的缺陷：在经消弧线圈接地的系统中，发生单相接地故障后五次谐波的含量非 常小、幅值突变，会影响零序电流五次谐波动作判据的准确性；保护用t a 、t v 对于基波分量的变换最准确，而对于高次谐波分量会产生较大的附加相位移，影响 五次谐波功率方向继电器的动作正确性；三相波形完全相同时的五倍频率的分量 才能称得上是五次谐波，实际电网中大量存在的工业负荷( 电气化铁路负荷、冶金 行业的电弧炉) 使得系统三相电压发生不同程度的波形畸变；使得通过分解五次谐 波而成的零序分量的误差很大，不利于故障线路的判断、选择。 另外，在配电线路上目前能够对单相接地故障进行分段保护的断路器装置几乎 处在空白阶段( 不少厂家正在着手做这方面的工作，并已有产品通过试验) ，由于 对接地故障准确判断并实施继电保护的设备的缺失，很长时间以来没有得到很好的 解决，在很大程度上也制约了配网自动化技术的使用和刀：展。虽然在线路上有些地 方在使用接地故障指示器，以方便进行接地故障点的查找，但由于线路上可以获得 的信号源更有限，使得这种产品的误判率更高，达不到缩短故障查找范围、快速找 出具体故障位置的目的。 华北电力人学：程硕士学位论文 1 3 小电流接地故障保护存在的主要问题及困难 近几十年来，各国学者提出了多种原理的小电流接地故障保护，从理论与实际 应用的效果来看，有许多问题需要解决，基于这些原理研制而成的装置的性能有待 进一步提高。归纳起来，存在的主要问题如下： ( 1 ) 信号( 特别是故障稳态电流) 微弱 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。 ( 2 ) 不稳定故障电弧的影响 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。根据实测，间歇性电弧接地持续时间可达 o 2 2 s ，频率可达3 0 0 3 0 0 0 h z ；稳定电弧接地持续时间可达2 1 0 s ；最后故障点被 烧熔成金属性接地，即所谓永久性故障接地。因此，弧光接地在单相接地故障中较 为普遍。 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 压接近峰值时重燃。弧光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。虽然这些产品在模 拟试验时的效果都不错，但由于模拟试验大多采用人工接地方法，线路导体与大地 发生金属性接触，与实际运行中的绝缘击穿现象并不完全相同，因此，这些产品在 实用中的效果就大打折扣。 ( 3 ) 对故障( 特别是暂态) 特性缺乏深入分析 近年，国内外学者将许多新兴数学分析工具，如小波分析、p r o n y 方法、神经 网络、信息融合、模糊理论等引入到小电流接地保护中。这些工具的引入，可以更 准确、可靠、灵敏地提取故障特征，一定程度上提高了保护准确率和可靠性。 但如果过于依赖数学分析工具( 工具至上) 而忽视了故障特征本身的分析，对 问题的解决无异于南辕北辙。 由于故障稳态特征较为简单、分析相对透彻，而故障暂态特性较为复杂、目前 6 华北电力大学工程硕士学位论文 掌握的还远远不够，因此，对故障暂态特性以及暂态信号的利用方式进行深入研究 是十分必要的。 1 4 本课题开发与应用的意义 目前的城市配电网多是以架空绝缘导线和电缆为主的辐射网，其对地电容值较 大，接地时产生的电容电流也将相应增大，会引起更高的弧光过电压；这样就极易 导致线路非故障相绝缘薄弱处发生对地击穿，造成两相接地短路，影响电力系统的 安全运行。因此，供电企业迫切希望能够开发出可靠实用的小电流接地故障选线技 术：能够在系统接地后能准确选出故障线路的装置进行故障检测，然后发出告警信 号或直接动作于跳闸切除故障线路，将危害降到最低，以保证供电的安全性。 本课题所研究的基于暂态零序电流特征分量的极性比较法，通过比较判定所有 出线中与其他线路中的零序电流极性均相反的线路作为故障线路，如果所有出线中 的零序电流极性相同则为母线接地。基于这种原理的小电流接地选线装置有着较高 的选线正确率，有利于配电网络的安全、经济运行；有利于配网自动化系统和电站 综合自动化系统的可靠运行；并能在集控中心实现远程故障诊断、隔离，节省人力、 物力。在现场进行一段时间的试运行，效果良好能够获得较大的经济效益和社会效 益。 1 5 本课题的主要研究工作 本课题来源于江苏省电力公司的专项技术改造工程，在已有理论的基础上，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零序电流、 无功功率特征及分布规律。详细研究了暂态信号作为小电流接地选线依据的理论基 础以及各种故障状态下故障分量的暂态特征。首次提出利用零序电流采样值极性变 换过程这一时间段内( 首半波) 各出线零序电流间的极性来选线。研制出基于零序 电流首半波积分后相位判别原理的小电流接地选线装置，并选择一个城区的1 1 0 k v 变电所进行安装、试运行。本课题研究的主要内容包括： ( 1 ) 分析暂态信号作为小电流接地选线依据的理论基础以及各种故障状态下 故障分量的暂态特征。比较全面地分析了中性点不接地电网中故障后短时间内零序 暂态电流的特征：无论接地故障是否发生在电压的最大值附近，在故障后的第1 个 周期的首半波内，故障线路中的暂态零序电流幅值近似等于系统中非故障线路的全 部电容电流之和，方向是流向母线，与非故障线路相差1 8 0 。 ( 2 ) 近二十年来，随着微电子技术和信号处理技术的飞速发展，微机继电保 护技术在电力系统中应用越来越广泛。借助现代微电子技术，可以很方便地实现接 7 华北电力大学： 程硕士学位论文 地故障暂态信号的高速采集、记录；近些年来，国内外学者将许多新兴数学分析工 具，如小波分析、p r o n y 方法、神经网络、信息融合、模糊理论等引入到小电流接 地保护中。这些技术以及工具的引入，可以更准确、可靠、灵敏地提取、分析故障 特征，一定程度上提高了保护的准确率和可靠性。 ( 3 ) 根据小电流接地故障的暂态特征和选线原理，并在解决了若干关键技术 的基础上，研制了小电流接地故障选线及监测装置。装置的构成：采用一台后台分 析主机( 后台机) 加多台前置数据采集装置( 前置机) ，配合以串行口、网卡、m o d e m 、 继电器接点等多种通信设备的总体结构；再结合变电站原有的综合自动化系统或远 动装置、通信系统及远方主站就构成一个监测系统。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章小电流接地系统单相接地故障的基本特征 2 1 配电网中性点的接地方式 配电网中性点采用哪一种接地方式更有利于系统的安全、经济运行，是目前电 力系统学术界讨论较多的问题，认识也不尽一致。它是一个技术问题，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、设备的投资等等，是一个系统工程。 对于1 1 0 k v 及以上电网来说，如果采用中性点非有效接地方式，单相接地故障 时，非故障相过电压可能会达到正常运行值的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。对于6 6 k v 及以下配电网( 以下简称配电网) 来说，额定运行电压相对较低，接地故障过电压的 矛盾就不像在l1 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， 有效接地与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、新加坡、我国香港等地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 等欧洲国家以及日本、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。我国配电网中性点主要采用非有效接地方式。电容电流比较小的网 络，采用中性点不接地方式；在电缆架空线混合网络接地电流超过1 0 a 以及纯电缆 网络接地电流超过2 0 a 时，一般采用谐振接地方式。 人们对配电网接地方式的认识，是随着电网规模及技术发展不断变化的。在电 力系统发展的初期，电网绝缘水平比较低，为防止单相接地时相电压升高导致绝缘 故障，当时采用中性点直接接地方式，在单相接地时瞬时跳闸切除故障。后来，人 们发现单相接地是出现概率最大的故障形式，而直接接地方式造成线路频繁跳闸。 为在发生单相接地故障时，使线路仍能继续运行一段时间，以采取措施消除故障或 缩小停电范围，电网中性点逐步改为不接地方式。由此带来的问题，是单相接地时 非故障相电压升高，不过，经过分析比较认为，提高配电网绝缘水平以承受单相接 地时的电压升高，在经济上也是可行的。 到2 0 世纪2 0 年代，随着线路长度的增加以及额定运行电压的提高，中性点不 接地电网的单相接地故障电流不断增大，接地电弧难以自动消除，间歇性电弧引起 的过电压对电气设备的危害增大。为了解决这些问题，一些国家，如美国、英国等， 转而采用中性点直接接地或经小电阻接地方式，发生单相接地故障时，继电保护动 作，断路器瞬时跳闸切除故障。同时，也有些国家，如德国、法国等，则采用谐振 接地技术，使故障点残余电流很少，电弧易于熄灭。谐振接地概念最早是由德国电 9 华北电力大学工程硕士学位论文 力专家彼得逊( p e t e r s o n ) 提出的，因此，消弧线圈又叫做彼得逊线圈。 二战以后，随着配电网规模的扩大以及电缆线路的大量使用，配电网电容电流 进一步增大，使用固定调谐的消弧线圈不可能完全补偿掉电网电容电流，故障电弧 难以自动熄灭，从避免长期接地过电压危害配电网绝缘出发，一些国家( 如法国) 逐渐将电缆网络的中性点谐振接地方式改为经小电阻接地。基于同样的考虑，我国 一些电力专家主张在电缆网络里优先考虑使用经小电阻接地方式。2 0 世纪8 0 年代 以来，我国沿海一些城市( 如上海、广州、深圳等地) 的部分电缆网络陆续采用了 经小电阻接地方式。 近年来，谐振接地方式又受到了电力工作者的重视。例如，法国在2 0 世纪9 0 年代，又将小电阻接地方式改回谐振接地方式；英国约克地区的西北电力公司 ( n o r w e b ) ，也将部分配电网改造为谐振接地方式。在我国，谐振接地的应用也 愈来愈广泛。引起这一变化的主要原因是，电力市场化后，对供电可靠性提出了更 高的要求，电力部门希望通过采用谐振接地方式，尽可能地减少单相接地故障引起 的供电中断。消弧线圈自动调谐装置的发明，也推动了谐振接地方式的应用，因为 它能够自动跟踪电网电容电流的变化，使流过接地点电流尽可能的小，故障电弧自 动熄灭的可能性也大为提高。另外一个原因，是由于微机继电保护技术的进步，使 接地故障选线准确率大为提高，为及时处理接地故障创造了条件。 电缆网络中性点采用小电阻接地的一个主要考虑，是电缆线路里故障都是永久 性的，即便是采用谐振接地，接地电弧也难以自行熄灭。事实上，电缆网络里相当 一部分故障是发生在电缆本体以外( 如在用户变压器处) 的瞬时性故障。对实际接 地故障分析表明，电缆内部接地故障的电弧，也有可能自动熄灭，从而维持一段时 间的正常供电。因此，中性点采用非有效接地方式，可以避免不必要的供电中断。 据我国沿海某城市供电局对某一变电所的统计数据，配电网中性点改造为经小电阻 接地之后三年中，1 0 k v 线路共跳闸1 3 6 次，平均每年4 6 次；而在改造之前的两年 中，1 0 k v 线路共跳闸5 3 次，平均每年才2 7 次。可见中性点采用非有效接地方式时， 1 0 k v 线路平均每年的跳闸次数远小于采用小电阻接地方式。所以，如能选择到可靠 的自动跟踪调谐装置和可靠的自动接地选线装置，并且电缆等设备绝缘水平能适 应，电缆网络也应该优先考虑采用谐振接地方式。 2 2 中性点不接地电网中单相接地故障特征分析 本节主要介绍出现小电流接地故障时，故障电流、电压变化的基本特征。 如图2 1 所示的网络接线，两条线路的三相对地电容相同，分别为c o l 、c 0 2 ， 母线及背后电源的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 l o 华北电力人学工程硕士学位论文 地电容电流之和等于零。当第二条线路的a 相发生了单相接地，对地电容被短接， 故障点对地电压变为零，其它两个非故障相( b 相和c 相) 电压变为分别相对a 相 的线电压，幅值升高；倍。电压的相量关系如图2 2 所示。电流从母线流向线路作 为正方向。 h ，引 品舢一 上一一 茸竺f ： - c o i 工工i 二i 士 ：t ：t 圭妊葺 甘+ l c 2 ：t ：， i 瞄i c s - - ib 2 ，舵 一 卜斗一 。j l ll ，1 上 _ 抖一： 乙0 2t 一车 ；专 + 妊： - j-一 上。 l l b k! 线 路 i 线 路 i i 图2 一l 单相接地时。用三相系统表示的电容电流分布图 图2 2a 相接地时各电压电流的向量关系图 故障点零序电压为 = 三p + ) = 一t ( 2 - 1 ) 忽略负荷电流及对地电容电流在线路及电源阻抗上的电压降，则整个系统a 相 对地电压均变为零，非故障相电压也都变为相对于a 相的线电压。对地电容电流也 随之升高i 倍，这时电容电流的流向在图2 1 中标出，流过故障点的电流是电网中所 有非故障相对地电容电流之和： 华北电力大学j i ：程硕士学位论文 i f = 一i c 2 一i 卧一i8 r l 酷一i 吼一i c 2 一i c s = 一j 缈c i u b g 一国g u c g = 歹3 国c o ze ( 2 - 2 ) 其中c o z = c o 。+ + c o ，为电网单相对地所有电容的总和，功c o e 是正常运行 状态下a 相对地电容电流的和，因此，流过故障点的电流数值是正常运行状态下电 网三相对地电容电流的算术和。 由图2 2 可见，非故障线路始端感受到的零序电流为 厶i = 妻p 彳l + j 占l + j c l ) = 一缈c o l 应 ( 2 3 ) j 即非故障线路零序电流为线路本身的电容电流，电容性无功功率的方向由母线 流向线路。 而故障线路始端感受到的零序电流为： 即故障线路零序电流为所有健全线路和母线的电容电流，电容性无功功率的方 向由线路流向母线。 如图2 3 所示，线路f 点发生接地故障，可以看成是故障点插入两个幅值相等、 极性相反的虚拟电源e f ( t ) 与e f ( t ) ，其中e f ( t ) 就是故障前故障点电压。根据电路叠 加原理，虚拟电源e f ( t ) 与电网电源共同作用，产生非故障状态下电压、电流，即负 荷分量；而虚拟电源e f ( t ) 单独作用在电网中产生的故障附加分量，称为故障分量， 包括零序电压电流分量。虚拟电源- e “t ) 又称故障附加电源，方便起见用u “t ) 来表示。 p ，( f ) () 叶( f ) () 一 _ ， ，。一- 、 ， ， 、 p ，( f ) r) ， 图2 3 应用叠加原理分析故障示意图 ，一- 、 ，7， 、 ( f ) () “，( f ) 根据上述分析，可以画出单相接地故障时的零序等效网络，如图2 4 所示。在 故障点有一个零序电压玩，( 为u “t ) 在零序网路的压降) ，而零序电流是通过各个元 1 2 ， 岛 、幻 一 如 眨 g2 、：弋 丘 细 “ “v 3 l 一1 j ， 、， s 、叫 嚣 c ， ， 一 “ i - 一 f 戥 ， ， 一 舵 “n ，r 华北电力大学 ：程硕士学位论文 件的对地电容构成的。可见，在健全线路上，零序电流幅值等于正常运行时单相对 地电容电流，方向从母线指向线路；而在故障线路上，等于所有健全线路零序电流 之和( 即大于任一条健全线路零序电流) ，方向从线路指向母线。 线 路 i 线 路 l i 图2 4 单相接地故障零序等效网络 以上有关结论，适用于有多条线路的电网。 当接地点存在一定过渡电阻时，接地相电压不再为0 ，其幅值随过渡电阻增加 而增加。相应的，系统零序电压和各出线零序电流则随之减小。但各出线零序电流 之间的幅值、相位关系，以及和系统零序电压的相位关系不变。 2 3 中