（电气工程专业论文）小电流接地系统单相接地选线与定位技术的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 我国的中低压配电网多采用小电流接地系统，因其在提高供电可靠性上具有得天独 厚的优越性而得到广泛应用。但是，当小电流接地系统发生单相接地故障时，长时间的 按地运行极易形成两点或接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压，破坏系统的安全 运行。因此必须尽快选出接地线路。 本文首先论述t d , 电流接地系统单相接地故障的特点，分别分析了中性点不按地系 统和经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时的特征。回顾了小电流接地系统单相接地 选线保护的发展历史和国内外的各种保护原理和方案，详细分类讨论了目前现有的各种 选线方法的理论依据和特点及其适用范围，由于当小电流接地系统发生接地故障后，在 短时间内不影响对负荷的连续供电，因此，应该尽可能多的发掘和利用单相接地故障引 起的尽可能多的电气特征将之有机综合，研究有效的复合选线方法，使其能够动态的自 适应的根据接地故障具体情况进行选线，从而提高选线精度。 其次介绍了一种小电流接地系统单相接地选线与定位的新原理“s 注入法”，即 在系统发生单相接地故障时，人为向系统注入一个特殊信号电流，再用寻迹原理进行选 线定位。及根据此原理研制的t y 0 1 型通用小电流接地系统单相接地选线定位保护装 置，单片机技术目前在电力系统继电保护领域得n t 广泛应用，此装置就是其典型应用 之一，装黉由主机和信号电流探测器两部分组成，主机在发生单相接地时，通过p t 向 接地线路接地相注入一种特殊的信号电流，该电流沿接地线路接地相流动并经接地点入 地，信号电流探测器为特殊信号电流的接收装置，它只反映信号电流而不反映工频及其 各次谐波，用其对信号电流进行寻踪，就可以找到接地线路和接地点的确切位置。该装 置的突出特点为通用，适合小电流接地系统的各种情况；接线简单，主机通过五根线接 于”副边，不需零序电流回路；有定位功能，能迅速判断出接地分支和接地点的确切 位雹。 最后对改进的t y 型通用小电流接地系统单相接地选线定位保护装置做了介绍。 关键词：小电流接地系统单相接地故障 选线 定位 s 注入法 山东大学硕士学位论文 a b s t i 己a c t p o w e rs y s t e m sw i t hu n e a r t h e do rac o m p e n s a t e dn e u t r a la r ep o p u l a ri nc h i n a ， w h i c hc a ni m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y w h e ns i n g l e p h a s et oe a r t h f a u l to c c u r s ，i td o e s n tf o r mas h o r tc i r c u i t t h ef a u l tc o m p o n e n ti ss m a l l ， p h a s e t o p h a s ev o l t a g ek e e p ss y m m e t r i c a l ，s oi tn e e d n tt r i pi m m e d i a t e l ya n d k e e po p e r a t i n gf o ro n eo rt w oh o u r s l o n g t i m ee a r t h i n go p e r a t i o n ，h o w e v e r ，w i1 1 d e s t r o yt h es y s t e m a t i cs a f eo p e r a t i o na st h er e s u l to ft w o p o i n t ，m o r es e r i o u s l y ， m u l t i p o i n te a r t h i n ga sw e l la st h es y s t e m a t i co v e rv o l t a g ec a u s e db ya r cl i g h t t h u sh o wt od e t e c tt h ef a u l tl i n eq u i c k l ya n da c c u r a t e l yi sa ni m p o r t a n ts u b j e c t i np o w e rs y s t e mp r o t e c t i o n ，w h i c hh a sn o tb e e ns o l v e dc o m p l e t e l y a tf i r s t t h i sp a p e rp r e s e n t st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l ep h a s e t o e a r t hf a u l ti ns m a l lc u r r e n tn e u t r a lg r o u n d i n gs y s t e ma n dr e v i e w st h ed e v e l o p i n g h i s t o r yo ft h er e l a ya b o u tt h es e l e c t i o no fs i n g l ep h a s e - t o - e a r t hf a u l t1 i n e i ns m a l lc u r r e n tn e u t r a lg r o u n d i n gs y s t e ma l lo v e rt h ew o r l d ，a sw e l la st r a i t s a n dr e s t r i c t i o n so fv a r i o u ss e l e c t i n gc r i t e r i aa r ea n a l y z e di nd e t a i l h o w e v e r t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n do p e r a t i n ge x p e r i e n c e si n d i c a t et h a te a c hc r i t e r i o nh a s l i m i t sa n ds h o r t a g e s ，n oo n ec a ns e l e c tt h ef a u l tl i n e c o r r e c t l yi na l lk i n d s o fc o n d i t i o n s t h e n ，i ti n t r o d u c e san e wt y p eo fp r i n c i p l ea b o u tt h es e l e c t i o no ff a u i t 1 i n ea n d t h el o c a t i o no ff a u l tp o i n ti nt h i s s y s t e m - - t h es p e c i a ls i g n a l i n j e c t i o nm e t h o d w h e ns i n g l e p h a s et oe a r t hf a u l to c c u r s ，as p e c i a ls i g n a l i s i n j e c t e dt ot h ef a u l tli n et h r o u g ht h ep tb yt h em a i n f r a m eo ft h ee q u i p m e n t t h e nt h ed e t e c t o ro fc i r c u i ts i g n a lw i l li n c e p tt h es p e c i a lc i r c u i ts i g n a la n d f i n dt h ef a u l tl i n ea n dt h el o c a t i o no ff a u l tp o i n t a tl a s t ，p r o t e c t sa n dc a r r i e so nt h ei n t r o d u c t i o nw it ht h ep r i n c i d l et o t y 0 1t y p e 。t y 一0 2t y p e t h ee q u i p m e n th a ss o m ee x t r u s i v ec h a r a c t e r ss u 曲a s b e i n g u n i v e r s a l ，s i m p l ec o n n e c t i o na n dl o c a t i o n 山东大学硕士学位论文 k e y w o r d ：s m a l lc u r r e n tn e u t r a lg r o u n d i n gs y s t e ms i n g l ep h a s e - t o e a r t h f a u l ts e l e c t i o no ff a u l tl i n el o c a t i o no ff a u l tp o i n t s p e c i a l s i g n a li n j e c t i o nm e t h o d i i 山东大学硕士学位论文 u ：电压 i ：电流 p ：有功功率 q ：无功功率 f 频率 x ：电抗 z ：阻抗 ：角速度 c ：电容 p t ：电压互感器 主要符号说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 一一- 7 论文作者签名：= 2 趣日期：至丝：乏：兰2 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 做作者躲三纽导师躲迸日期：迦幺z 兰 山东大学硕士学位论文 引言 配电网是电力生产和供应中最接近用户的一个环节“，与千家万户直接密 切相连，在保证用户的连续供电方面是一个十分重要的环节。随着现代科技和 工业生产的发展，对供电的可靠性有更高的要求，因此，保证配电网的可靠运 行非常必要。 我国的配电网大多采用中性点非有效接地方式，包括中性点不接地、经消 弧线圈接地和经高阻接地，也称为小电流接地系统。单相接地故障是该系统发 生几率最高的故障，约占故障总数的8 0 。在单相接地故障情况下，故障电流 仅为电网分布电容电流或消弧线圈补偿后的残余电流，非常小，这时尽管两非 故障掘电压升高为原来的3 倍，但三相线电压仍保持对称，不影响用户的正常 工作，允许电网带故障运行一定时间。小电流接地方式具有供电可靠性高对 通讯系统电磁干扰小等优点。但是，长时间带故障运行，特别是间歇性弧光接 地故障，产生的过电压容易引起电力设备出现新的故障点使事故扩大；长时间 故障电流可能使故障点永久烧坏，最终引起二相或三相短路故障，因此，规程 允许单相按地后只能短时间运行。故障后快速查找故障线路和故障点就显得十 分重要。 第一章、论文的立项背景及意义 在电力系统中，发电机和变压器的中性点是否接地。以何种形式按地运行， 是一个涉及到技术，经济和安全等多个方面的综合问题。我国常用的接地处理方 式主要有：中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经电阻接地以及中 性点不接地。其中，中性点直接接地和中性点经低阻接地属于大电流接地系统： 而中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统以及中性点经高阻接地系统均 属于小电流接地系统。 目前，我国6 3 5 k 、，中低匪电网普遍采用小电流接地方式。小电流接地系统 的主要优点在于：发生单相接地故障时不形成短路回路，只在系统中产生很小的 零序电流，三相线间电压依然对称，不影响系统正常工作。我国电力规程规定。 小电流接地系统可带单相接地故蹲继续运行1 2 小时。这样能够提高供电的 持续性可靠性。因此得到了广泛应用。但是，系统带单相接地故障运行时，故障 山东大学硕士学位论文 相对地电压降为零( 金属性接地短路) ，非接地相对地电压升高为线电压，若长期 运行，将使非接地相绝缘薄弱处发生对地击穿，造成两相接地短路事故。弧光接 地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行，因此必须及时找 出故障线路，尽快排除故障。 为了确定故障线路，传统的方法是通过装设在母线上的零序电压互感器来检 测是否发生接地故障，若发生接地故障，则采用逐条线路拉闸观测接地指示是否 消失的方法判断哪条线路出现故障。该种传统方法既造成了用户不必要的停电损 失，又不利于人身及设备安全。 近年来，随着单片机技术的飞速发展及其在电力系统继电保护领域的广泛应 用，出现了微机在线自动选线装置。这种选线装置通过检测发生单相接地后各条 线路及系统的电气量变化提取故障特征，辨识故障线路，在保持持续供电的条件 下实现自动选线功能。长期以来，国内外继电保护工作者对此类小电流接地系统 单相接地故障选线装置进行了不懈的的研究与探索，提出了基于不同方面故障特 征的多种原理的选线方案，并且研制的相应装置在电力系统中发挥相应作用。但 是理论分析和实际运行经验表明，它们都存在着各自的使用局限性和动作死区， 目前，任何一种单一选线方案都无法满足对小电流接地系统中适应各种故障情况 的1 0 0 正确选线的要求。 因此，小电流接地系统单相接地保护看似简单易行，但实践证明是十分复杂 的，这也是一些国家不采用小电流接地方式的主要原因之一。但毕竟小电流接地 系统有着得天独厚的优越性，并在我国及其他国家被广泛采用，因此迸一步研究 中低压配电网的单相接地故障检测方法，具有很强的理论和实际意义。 第二章、小电流接地系统单相接地的特点分析 2 1 中性点不接地系统的单相接地分析 在图1 所示的电网中，电源的三相电动势分别为奎。、眈、宫。为了分析 简便起见，不计电源内部的电压降和线路上的电压降，电源每相电动势的有效值 b 等于电网正常工作时的相电压u ，电源两相电动势之差e 等于电网的线电压 u 在分析单相接地的零序电流、电压时“”，不计三相对称负荷电流的影响。在 2 山东大学硕士学位论文 相对地电压降为零( 金属性接地短路) ，非接地相对地电压升高为线电压，若长期 运行，将使非接地相绝缘薄弱处发生对地击穿，造成两相接地短路事故。弧光接 地还会引起全系统过电压。进而损坏设备。破坏系统安垒运行，因此必须及时找 出故障线路，尽快排除故障。 为了确定故障线路。传统的方法是通过装设在母线上的零序电压互感器来检 测是否发生接地故障若发生接地故障，则采用逐条线路拉闸观测接地指示是否 消失的方法判断哪条线路出现故障。该种传统方法既造成了用户不必要的停电损 失，又不利于人身及设备安全。 近年来，随着单片机技术的飞速发展及其在电力系统继电保护领域的广泛应 用，出现了微机在线自动选线装置。这种选线装置通过检测发生单相接地后各条 线路及系统的电气量变化提取故障特征，辨识故障线路，在保持持续供电的条件 下实现自动选编功能。长期以来，国内外继电保护工作者对此类小电流接地系统 单相接地故障选线装置进行了不懈的的研究与探索，提出了基于不同方面故障特 征的多种原理的选线方案，并且研制的相应装置在电力系统中发挥相应作用。但 是理论分析和实际运行经验表明，它们都存在着各自的使用局限性和动作死区， 目前，任何一种单一选线方案都无法满足对小电流接地系统中适应各种故障情况 的1 0 0 正确选线的要求。 因此，小电流接地系统单相接地保护看似简单易行，但实践证明是十分复杂 的，这也是些国家不采用小电流接地方式的主要原因之一。但毕竟小电流接地 系统有着得天独厚的优越性，并在我国及其他国家被广泛采用，园此迸一步研究 中低压配电网的单相接地故障检测方法，具有很强的理论和实际意义。 第二章、小电流接地系统单相接地的特点分析 2 1中性点不接地系统的单相接地分析 在图l 所示的电网中，电源的三相电动势分别为e 。、眈、& 。为了分析 简便起见，不计电源内部的电压降和线路上的电压降，电源每相电动势的有效值 q 等于电网正常工作时的相电压玑，电源两相电动势之差e 等于电网的线电压 u 。在分析单相接地的零序电流、电压时，不计三相对称负荷电流的影响。在 u 。在分析单相接地的零序电流、电压时，不计三相对称负荷电流的影响。在 山东大学硕士学位论文 单相接地时，线路i 各相对地的电容为c i ，线路i i 为c1 1 ，线路i i i 为c i i i 。 ：笠： e 路l 槐路2 图1 单相接地式电容电流分布情况 下面分析线路的a 相接地时的情况： 电网各处a 相对地电压d 。= 0 。 因此，电源中性点n 对地电压。d 。一壹。、u 。= 目= u b 相对地压矾= 宫a + d w = 左a - k 。，u b = e = u c 相对地压d 。= 壹。+ d w = 壹。一壹。，v o = e ：u 线电压d m = d 。一以= 左。一奎。，= u ； 0 ”= o b i ： ：= 瓷b 一釜c u 。= u ； 0 。= 0 c d 。= 釜c 一瓷。u 。= u 母线上的零序电压为： d 。= ( 1 3 ) ( d 。+ u b + d 。) = ( 1 3 ) 率( o + 童。一壹。+ 壹。一壹。) = ( 1 3 ) 童。+ 童。一2 k 。 = ( i 3 ) ( 一壹。一2 奎。) = 一壹。 山东大学硕士学位论文 u o = 目= u 根据以上的分析，可以画出图2 所示的相量图。 图2电网单相接地时的电流、电压相量图 ( a ) 电压相量图( b ) 零序电流、零序电压相量图( c ) 接地电流、零序电 压相量图 非故障线路i 的a 相电流j m ：j u 。c 。= j ( 0 ) c i = 0 线路i 的b 相电流，6 i = j u 6 c 。 线路i 的c 相电流，d = j u c c 。 线路i 的三倍零序电流为 3 ，o l = 1 0 i + ，古l + ，d = 0 + j u b 1 ) g + j u c 厶) c i = j ( u b + u c ) g = j 3 u o c z ( 2 2 ) 3 i o l 2 3 u c l 同样的，对非故障线路i i 来说， i n 2 0 ，i b l l 2 j u 6 c i l ，棚2 j u c c i l 3 i o 2 j 3 u o c k ( 2 3 ) 3 ，o l l 。3 u c i l 故障线路i i i 的a 相电流为 i o 1 i - ( j 酣+ j d + ，6 n 十j 棚+ j 6 u i 十， | 1 1 ) 山东大学硕士学位论文 线路i i i 的b 相电流j m = j d a ( ) c i 。 线路i i i 的c 相电流i d n = j u 。c i 线路的三倍零序电流为 3 j o l i i - 厶i + j + j d 一( j j d + j 6 n + j c n + j + ) + + j d = 一( j 村+ ，d + j 6 h + j d i ) = 一( 3 j0 1 + 3 j o n ) ( 2 4 ) 根据以上分析，可以画出图3 所示的零序网络和图2 ( b ) 所示的相量图。 当电网发生单相接地故障时，线路上两个非故障相的电容电流的相量和称为 接地电容电流如a 非故障线路i 的接地电容电流为 - = l b , + l d = j u ( - ) c i + j uc c i 2 j ( u 十u c ) c z = j 3 u o ( ) c l ( 2 5 ) 将式( 2 5 ) 与式( 2 - - 2 ) 进行比较，得到 l 溥3 3 1 0 i 1 a 2 3 u t c - ( 2 - 6 ) 同样的，非故障线路i i 的接地电容电流为 l j , n 1 2 j 3 u o c i i i2 3 ，0 1 1 o i 。3 u 【i ) g ( 2 7 ) s 山东大学硕士学位论文 为 6 i o r ：l j c 1 工 i o f 曲2 t 图3图1 所示电网的零序网络 故障线路的接地电容电流为 如= j 加l + t i l l = j u b ( i 】c u l + j u c ( ) c i i i = j ( u 6 + u c ) ( i ) c i = j 3 u o c i l l 2 3 u c i n ( 2 8 ) 电网中所有线路( 包括故障线路和非故障线路) 的接地电容电流的总和 ii d t = i 沮+ i i m 十i 椰 2 j 3 u o c j + j 3 u oc a ) c + j s u o c i 2 j 3 u oc a ( c l + c l l + c i i i ) ，一2 3 u ( i ) ( c i + c i i + c i ) 接地故障处的电流l 就是接地电容电流的总和j ：。即 ld 。1w t 根据以上分析“。可以画出图2 ( c ) 所示的相量图。 将式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 代入式( 2 4 ) ，可得到 3 1 o 一- 2 一( + 。) 根据以上分析，可以得到以下几点结论： ( 2 l o ) ( 2 一1 1 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 在中性点不接地的系统中发生单相接地故障时，故障相对地电压 为零，非故障相对地电压为系统的线电压，系统出现零序电压，它的大小等于系 统正常工作时的相电压，但系统的线电压仍是三相对称的。 ( 2 ) 非故障线路3 厶的大小等于本线路的接地电容电流。故障线路3 厶 的大小等于所有非故障线路的3 厶之和，也就是所有非故障线路的接地电容电流 之和。 ( 3 ) 非故障线路的零序电流超前零序电压9 0 0 ；故障线路的零序电流滞 后零序电压为9 0 。；故障线路的零序电流与非故障线路的零序电流相位相差1 8 0 。 ( 4 ) 接地故障处的电流大小等于所有线路( 包括故障线路和非故障线 路) 的接地电容电流的总和，它超前零序电压为9 矿。 2 2经消弧线圈接地系统的单相接地分析 2 2 1 消弧线圈的补偿方式 消弧线圈是一个有铁心的电感线圈，其电感大小可通过改变线圈匝数或磁路 气隙来改变。消弧线圈对电容电流的补偿，可以有三种方式：一是，三。( 全补偿) ， 二是i 。 t ( 过补偿) 。全补偿是置= k ，正是电流谐振 条件，一旦中性点对地出现过电压，就会产生很大的电流，使消弧线圈上产生很大 的电流，造成设备损坏。欠补偿时，若发生单相接地时有部分线路处于断开状态， 致使接地电容电流减小，碰巧时可能出现，。= t ，造成全补偿，因此，在实际上都 采用过补偿。正常时因中性点对地电压为零，没有电流流过，既保证电弧容易熄灭， 又不至于过渡到全孙偿。 2 2 2 消弧线圈的调流方式 消弧线圈的调流方式有三种：调铁芯气隙、调铁芯励磁、调线圈匝数。 a 调铁芯气隙方式 调气隙方式是将线圈铁芯分为活动铁芯和静铁芯两部分，活动铁芯由电机经 机械传动部分带动，可上下调节，改变线圈电感，达到调节消弧线圈电流的目的。 这种调节方式的传动结构复杂、故障率高、且制造技术不够成熟，目前采用 不多。 山东大学硕士学位论文 b 调铁芯励磁方式 调铁芯励磁方式是在铁芯上另加一个励磁绕组，通过调节励磁绕组的电流 ( 一般为直流) 来改变铁芯的磁通密度，使铁芯的等效磁阻发生变化，从而改变消 弧线圈电感。 这种方法的优点是无机械传动部分，寿命长。但调节范围小。控制部分复杂， 且由于铁芯磁化曲线的非线性，调节精度不高。再者，对线圈的制造技术要求较高 特别是采用可控硅整流后，经测试高次谐波超国标，影响供电系统安全运行，尤其 对并联补偿电容器运行不利。 c 调匝式消弧线圈 调匝式消弧线圈是将绕组按不同的匝数，抽出若干个分头，用分接开关进行 切换，改交接入的匝数，从而改变电感量，该种消弧线圈因其制造技术简单、成熟、 可靠性高曾一度得到了广泛的应用。但因其级差电流较大，超过规范要求，调级需 要停电，近几年来已逐渐被淘汰，取而代之的是自动跟踪补偿调匝式消弧线圈。 图4 为经消弧线圈的接地电网，下面分析线路的a 相接地情况。 电网各处a 幅对地电压d 。为零，电源中性点n 对地电压d 。= 一童。b 相对 地电压d - 为壹a 一童。，c 相对地电压0 。为壹。一壹。线电压厶。：奎。 一e a ，u k 2 西一e c ，u 。；b e a ，母线上的零序电压u o = 一e 。，非故障线路i 的 3 j m = j 脚= j 3 d 。uc 。，非故障线路i i 的3 j 。n = l = j 3 0 。mc i ，故障线路i i i 的 接地电容电流i ，椰= j 3 u ouc i 。这些电流、电压与电网中性点不接地时完全相 同，所不同的主要有以下几点： 山东大学硕士学位论文 hl馈墨l _ 一 l c 吐挝 _ * _ _ h h * - p h 车巨卷芸兰 hl岫2 _ 一 i c 2 土土圭 ：聋：# ：= 一 i ，蜘路3 f。 。6。c3士13：。!；!fm 图4 单相接地时电容电流和电感电流的分布情况 ( 1 ) 如果消弧线圈的电感为l ，电抗为u l ，由于它两端的电压为u w = - e 。= u o ， 因此通过它的电流为( 不计消弧线圈的功率损耗) j = u j l - - 一j u o l( 2 一1 2 ) j l2 乩( ) l 由于接地电容电流和jl 都通过接地故障处，因此接地故障处的电流为 j d = + 如i + n + 几= j + j l ( 2 1 3 ) j 届：超前d 。为9 0 0 ，而j t 滞后厶。为9 0 0 ，两者相位相反，因此接地故障 处的电流，。比电网接地电流的总和，h ：来的小，消弧线圈起到了补偿作用t 接 地故障处的电流称为残余电流。 在电网运行中采用过补偿方式。使，。 j 爿= ，过补偿多少以补偿度p 来表 示，它定义为 。2 警 c z 卅， 补偿度一般为5 1 0 。从式( 2 - - 1 4 ) 可得 9 山东大学硕士学位论文 ，l = ( 1 + p ) j 雎 ( 2 _ 1 5 ) 由于j 。的相位与j 皿t 相反，所以 j 。一( 1 + p ) j 爿：( 2 1 6 ) 将式( 2 1 6 ) 代入( 2 一1 3 ) ，得到 l = j 埘z + l = ，一z 一( 1 + p ) ，埘z = 一pj z ( 2 1 7 ) 如果p = l o ，那么接地故障处的残余电流只有电网接地电容电流总和的1 0 ， 比没有消弧线圈补偿要小的多。 ( 2 ) 由于故障线路m 的j m l ，j 蜘+ j d h = j 枷，因此故障线路的3 厶应为 3 j o n l = j 。m + j6 i i i + j 。m = _ j d + l j m n = p j f + k n ( 2 - - t 8 ) 将式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 代入式( 2 一1 8 ) ，可得 3 厶m = p j 3 u o ( c l + c + c l l i ) + j 3 u a ( i ) c n i = j 3 u o ( p c l + p c + ( 1 + p ) c i i i ( 2 一1 9 ) 图5 图4 所示电网的零序网络 根据以上分析，可以画出图5 所示的零序网络和图6 所示的相量图。 综合以上分析，可以得出以下几点结论： ( 1 ) 在经消弧线圈按地的系统中发生单相接地故障时，故障相对地电压为 零，非故障相对地电压为系统的线电压，系统出现零序电压，它的大小等于系统 正常工作时的相电压，但系统的线电压仍是三相对称的。 ( 2 ) 消弧线圈两端的电压为零序电压。消弧线圈的电流也通过接地故障处 和故障线路的故障相，但它不通过非故障线路。 1 0 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 接地故障处残余电流的大小等于补偿度与电网接地电容电流总和的乘 积，它滞后零序电压为9 0 0 ，残余电流的数值往往较小a ( 4 ) 非故障线路3 i o 的大小等于本线路的接地电容电流；在过补偿的情况 下故障线路3 厶的大小等于残余电流与本线路接地电容电流之和。 ( 5 ) 非故障线路零序电流超前零序电压为9 0 0 ；在过补偿情况下，故障线路 的零序电流也超前零序电压为9 秽；故障线路的零序电流与非故障线路的零序 电流相位一致。 五兰 抽1 - 蠕z 。 图6电网单相接地时的电流、电压相量图 ( a ) 接地电流、消弧线圈电流、零序电压相量图( b ) 零序电流、零序电压 相量图 第三章、小电流接地系统单相接地选线装置的发展及现状 3 1国外对小电流接地选线的研究概况 国外对小电流接地系统的应用也十分广泛。在俄罗斯，二十世纪以来小电流 接地系统应用较多，并对其保护原理及装置的研究给予了很大的重视，发表了多 篇论文，研制了几代产品，在供电、煤炭、钢铁等部门中得到了广泛的应用，保 护原理也从过流、无功方向发展到群体比幅，装置也从电磁式、晶体管式发展到 集成电路，数字电路和微机构成的保护装置。在同本“”o ”，小电流接地系统在供 电、钢铁、化工用电中应用比较酱遍，多为中性点不接地或经有效电阻接地系统， 因此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，在如何获得零序电流信号以 及接地点区分方砸投入了大量的人力物力，利用光导纤维的架空线和电缆零序互 山东大学硕士学位论文 感器已经获得了成功，也已将人工神经网络应用于接地保护。在欧洲和美国，小 电流接地系统中单相接地保护被认为是难以实现，而且引起的过电压非常严重。 因此，他们一般不采用小电流按地系统而宁愿在供电网络上多投资以保证供电的 可靠性；但是近年来，在i e e e 的专题报告上也认为应当加强小电流接地系统保 护的研究。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 反有报警功能。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“”。不断投入，电容电流迅速增大，已开始采用自 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，提出利 用p r o n y 方式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。三十年代德国首次提出利用零序电流的首半波极性来判断接地线路，相继 有多篇论文发表，并有几代产品问世。现在，他们又研制出一种便携带式接地报 警装最。而挪威一家公司则利用测量空间电场和磁场的相位，反应零序电流和零 序电压的相位，研制出悬挂式接地指示器，分段悬挂在线路和分叉点上。9 0 年 代以来，随着法国，波兰等欧洲国家逐渐将中压电网由低阻改为谐振接地方式， 对小电流接地保护装置进行了许多的研究和现场实验，开发了了零序导纳法接地 保护，以及d e s i r ( d e t e c t i o ns e l e c t i v ep a r l e si n t e n s i t e sr e s i d u e l l s ) 接 地保护装置，成功的解决了接地故障的选择性，特别是高阻故障辨识的难题。 3 2 国内对小电流接地选线的研究概况 在我国。6 3 5 k v 供电系统常采用小电流接地系统，其中大多数是中性点不 接地系统或经消弧线圈按地系统。因此，我国十分重视小电流接地系统的单相接 地保护原理和装置的研究工作。保护方案也从零序电流保护发展到零序无功方向 保护，从基波方案发展到五次谐波方案，以及利用首半波极性方案，并先后推出 几代产品。 最早出现的小电流接地系统保护装置是绝缘监察装置，五十年代，又研制 出根据接地电流的酋半波极性进行选线定位的小电流接地系统的保护装置和利 用零序电流五次谐波原理的接地选线装置。七十年代后期，上海继电器厂和许昌 继电器厂等单位研制出一批具有选择性的接地信号装黄，如适应中性点不接地系 统的z d 一4 型零序功率方向保护和适用于中性点经消弧线圈接地系统的z d 一5 、 山东大学硕士学位论文 z d - 6 、z o 一7 型五次谐波零序功率方向保护装置等。八十年代中期以来随着微机 的应用和推广，我国又相继研制出一批微机型接地选线装置，随之也出现了适合 微机实现的选线理论，其中有南京自动化研究院的利用比较零序电流五次谐波的 大小和方向的小电流接地系统单相接地选线装置：东北电力学院研制出通过无线 电接收谐波电流利用比相原理而实现的单相接地选线装置；( 我校群体比幅原理、 华北电力大学群体比幅比相原理) 华北电力学院研制出利用零序电流五次谐波比 相原理的m l a - 9 8 型小电流接地选线装置；西安交通大学”则提出了利用零序 电流的3 ，5 ，7 次谐波分量之和的相对比较法和自适应独立判别法进行选线的原 理等。 九十年代至今，又先后推出了基于“有功功率法”，“注入交频信号法”， “接地残留增量法”等原理的新型选线装置，并且分析故障暂态特征，应用d s p 技术的基于小波理论的选线装置也已问世。 3 3目前的单相接地故障选线方案存在的问题 综上所述，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， 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，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；稳态分 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，并且对经销弧线圈接地系 统失效；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； 功率法及能量法亦受到系统运行方式和零序电流电压幅值的影响。 因此，尽管微机选线装置自问世以来，在小电流接地保护中起到了非常重要 的作用，装置也正在不断完善，但也在多年的现场运行中暴露出许多原理和技术 上的不足，主要体现在： ( 1 ) 对金属性接地选线正确率较高，但对非金属性接地选线正确率很低， 在现场经常出现误判或漏判。出现这些状况的主要原因是小电流接地系统发生单 相接地故障时接地电流很小，容易受到各种电磁干扰，并且存在电流互感器的三 相不平衡电流，有时难于与单相接地故障产生的零序电流区分：另外很多系统是 山东大学硕士学位论文 电缆线路和架空线路复合，同时线路长短不一，负荷不同，零序电流相差较大， 也是影响选线精度的重要因素；当经过渡阻接地时，零序电流减小，更加难于分 辨，这是目前接地选线面临的技术难题之一。 ( 2 ) 零序电流获取困难。当前很多方法需要获取零序电流，对于装设三相 c t 的线路容易实现，但是对于只装设两相c t 的系统，基于零序电流原理的选线 装置失去作用。 ( 3 ) 对于越来越多的装设消弧线圈的系统，由于零序电流得到有效补偿， 且现场的干扰和谐波污染，使得五次谐波判据常常不能正确选线。因此传统的选 线装置不能发挥作用，而新研究开发的针对经消弧线圈接地系统的接地故障选线 装置，对于不同的自动跟踪补偿系统，如是否装设限压电阻，故障后限压电阻何 时退出运行，系统是过补偿还是完全补偿等情况无法在线跟踪调节，因此存在一 定的弊端，选线准确率也较低。 ( 4 ) 缺乏多种选线判据的有效综合和选线结果的可信度判断“旧。由于小 电流接地系统情况复杂多变，单相接地故障选线受到系统接线方式，出线条数及 长度，负荷大小，故障接地点，接地阻抗值等的影响，尽管有多种判据，任何一 种单一的判据或方法都无法实现适应任何一种情况下的1 0 0 正确选线。因为在 某些情况下，某些方法更加有效，而在另外的情况下，该种方法可能会失效，所 以势必需要一种满足多种情况的，将多种选线方法复合，针对不同系统和接地方 式的选线判据。 第四章、各种单相接地选线保护方案 本文在引言部分已经对小电流接地系统发生单相接地短路故障时选线问题 进行了初步综述。由于配电网结构复杂又不尽相同，单相接地故障又具有多样性， 使得现有的选线装置不能满足现场需要。多年来，继电保护工作者在这一领域进 行了众多颇有成效的探索和研究，根据不同的故障机理和特征提出了多种不同的 选线方案，研制出多种自动选线装鼹在现场投入运行，但是理论分析和运行经验 表明，这些方法仍然存在各自的缺点和动作死区，有待于进一步探讨和完善。 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 分为三大类，第一类：利用接地故障暂态特征分量的选线方案；第二类：利用接 她故障稳态分量的选线方案：第三类：利用其他特征量的选线方案。以下将逐类 山东大学硕士学位论文 进行分析讨论。 4 1 利用接地故障暂态特征分量的选线方案 在一般情况下，由于电网中绝缘被击穿引起的接地故障，经常发生在电 压接近于最大值瞬间，此时故障相电压下降，非故障相电压升高，因此故障相对 她分布电容存在放电过程，非故障相电容存在充电过程，系统要从一个稳态过渡 到另一个稳态，使得故障电流的首半波存在着剧烈的暂态过程，其信号特征极其 丰富，可以用作选线判据，且不受是否经消弧线圈接地的影响。 ( 1 ) 暂态分量的比幅比相法( 首半波法) 由于接地故障多发生在相电压接近峰值时刻，暂态过程非常明显。不同电网 暂态信号的频率一般几百到几千赫兹，衰减时间约1 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 可比稳态值大几倍到几十倍，达到几十到几百安培。而对于谐振接地系统，流经 消弧线圈的暂态电流变化速度远小于暂态电容电流的变化。同时，消弧线圈的感 抗随着频率的增高而增高，而电容的容抗同时下降，因此，采用暂态分量法可以 忽略消弧线圈的影响。 暂态零序电流一般由多个按指数衰减的正弦信号组成，其中某个信号在 故障线和健全线中都占主要成分，称其为主频信号，故障线路远大于健全线路， 并且与所有健全线路极性相反，以此作为选线依据。 幅值比较的方法可以利用各条出线的峰值来进行幅值比较，但单一的峰 值不能充分利用整个暂态信息且容易受到噪声的干扰。因此采用计算各条出线的 真有效值方法，可以增加检测的灵敏度和可靠性。暂态信号的真有效值定义为： = 其中：b 为第k 条出线第j 个采样数据，o 为第k 条出线暂态 信号真有效值，n 为暂态信号的总采样个数。 相位比较的方法，可以选用某一单一条出线m 作为参考线路。其他所有线 路依次和参考线路作暂态零序电流采样值的内积运算“”： p “= f 。，。，当乇 0 时表明第k 条出线和参考线路同极性， j = l 否则表示反极性。如果参考线路只和某一条线路反极性则该出线为故障线路；所 ls 山东大学硕士学位论文 有线路同极性则判为母线接地。由于幅值比较法不能检测母线接地故障，而相位 法当某些健全线路暂态信号过小时容易受噪声影响。将幅值和相位特性结合起来 选线可以克服各自的缺点。该结合方法在稳态法中亦有所应用。 ( 2 ) 基于小波分析的选线方法 当系统发生单相接地时，故障电压和电流的暂态过程持续时间短并含有丰富 的特征量，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。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。近来很多基于小波理论的选线方 案被提出和应用。 4 2 利用接地故障稳态特征分量的选线方案 ( 1 ) 零序电流比幅法 中性点不接地系统单相接地短路时，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，即敲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。但这种方法不能排除c t ( 电流 互感器) 不平衡的影响，受线路长短、系统运行方式及过渡电阻大小的影响，且 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。可见此 法在理论上就是不完备的，并且由于局限性大误判率高已经逐渐被新的相对比较 法所取代。 ( 2 ) 零序电流群体比幅比相法 所谓群体比幅比相法，是对于零序电流电压绝对值比较的一种扩展和改进。 群体比幅法：利用了本文在1 2 中的分析结论，当系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健全线路的零序电 流之和，因而大于任何一条健全线路。于是把接于同一电压母线的所有线路视为 6 山东大学硕士学位论文 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，感 受最大幅值的即判定为故障线路。其优点是采用相对幅值比较，具有“水涨船高” 的特点，避免了绝对值整定等不确定因素，选线精度较高。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健全线路相位相反。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