（电气工程专业论文）小电流接地系统的状态监测及接地故障研究.pdf

河北工业大学博士学位论文 i 小电流接地系统的状态监测及接地故障研究小电流接地系统的状态监测及接地故障研究 摘摘 要要 在我国中压配电系统中，广泛采用中性点小电流接地方式。做好小电流接地系统运行的状态监测工作，对于保障生产用电和人民生活用电的可靠、安全性具有重大意义。 本文主要针对小电流接地系统中状态监测的一些特点，通过理论推导、现场数据记录验证、模拟分析和仿真等方法对线路绝缘在线监测的实现、接地故障线路的甄别和电气设备状态的温度解读算法等方面进行了研究，完成了如下研究工作： 本文就不停电绝缘在线监测问题进行了研究，借助电磁场和行波理论，提出了一种基于短暂扰动注入的输配电线路状态在线监测新方法。该方法可以完全实现线路绝缘的带电在线监测；通过分叉点注入和电压的短暂钳位技术，实现了各分支线路的独立监测。 本文针对消弧线圈接地系统在单相接地故障时故障线路甄别困难问题，提出了零序电流比例增量判别法。该方法利用故障线路零序电流变化率大于非故障线路的原理来实现线路甄别。本文还构建了基于多种故障线路甄别算法综合的模糊判据体系，实例分析表明该体系可以有效提高算法的可靠性。 本文研究了两相接地时主要电气量的变化，提出了将负序电流检测法用于单相接地异相高阻接地（漏电）故障的线路甄别。 本文在对温度时域传导过程分析的基础上，提出了一种在线监测设备中电接触元件电阻变化的时域参考模型法。该方法可根据经验来选择近似的参考模型，只获取温度的快速变化信号，对变化缓慢的环境温度不敏感。 本文在对温度传导过程频域分析的基础上，给出了温度传递延滞时间的频域相角表达式。借助 daubechies 小波，研究了温度变化的时频域信息提取方法。该方法对于评估装置内耗电阻的变化十分有效。 关键词：关键词：状态监测，绝缘监测，小电流接地系统 小电流接地系统的状态监测及接地故障研究 ii studies on condition monitoring and earth fault of small current grounding system abstract in china, small current grounding system has been used in most of the medium voltage power distribution networks. therefore, to monitor the conditions of the small current grounding system and detect the possible failurs in the distribution lines is of great significance to ensure a reliable electricity supply for industrial and domestic customers. this paper has mainly focused on the characteristics of the small current grounding system and its condition monitoring. by means of theoretical analysis, simulations and practical field data validations, researches have been carried out on some related topics as: online inspection of insultaion conditions, grounding-fault line screening and detection, and algorithmes for using temperature to intepret the conditions of electric devices. this paper has studied how to monitor the insulation conditons of a power system at online circumstances. it suggests a new short-time disturbance method for state monitoring of the power transmission and distribution lines using electromagnetic field and wavelet transform theories. the method has the characteristics of being able to realize online monitoring of possible insulation problem. by injection through the bifurcate points using voltage transient clamping technology, it can achieve independent monitoring of all branch lines. this paper gives a new screening method based on the ratio of current increment at the zero sequence. because the current change ratio of the zero sequence in the fault line is greater than other normal lines, the fault line can be easily detected. the advantage of the method is that it is suitable for all neutral point grounding systems. furthermore, through theoretical analysis and derivation, a multi-algorithm based fuzzy screening system is constructed for the detection of fault lines. a verification example shows that the system can effectively improve the reliability of the result than each individual algorithm does. in this paper, the changes of major electrical parameters in the two-phase grounding case are discussed. it also suggests a negative sequence current detection method to discover the fault in the case of one single-phase ground and another phase with high impedance grounding problem (current leakage). 河北工业大学博士学位论文 iii based on the analysis how temperature is transmitted within time domain, a reference model in time domain is suggested to monitor the electrical contact resistance changes in a power device. this method uses experience data to select the reference model. it only responds to rapid changes in the temperature of the device but is not so sensitive to the slow variations in the environment temperature. this paper has also studied temperature transmission in the frequency domain. a frequency phase expression is deduced to describe the time delay of temperature transmission in the frequency domain. this paper has made further study about using daubechies wavelets method to extract temperature changes from both time and frequency domains. the method shows to be very useful for assessing the internal loss resistance of the electric devices. keywords: condition monitoring, insulation monitoring, small current grounding system 河北工业大学博士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1- -1 1 课题立项背景及意义课题立项背景及意义 随着国民经济的发展，为了追求更高的效益和更低的成本，生产设备正向高速、高负载和高自动化程度的方向发展，对电力的依赖也更为严重。因此由电气设备故障所导致的停电损失程度也大幅增加。目前我国电气设备的故障监测手段还不发达，电器故障发生比较频繁。据相关统计表明，我国每年仅电气设备引起的火灾就有几万起，占火灾总数的年均 26%，是美英等发达国家的 3 倍多，损失高达数十亿元1。 2003 年 8 月 14 日，美国东北部、中西部和加拿大的安大略省发生了一次大停电事故。它造成的巨大损失和影响在世界电力史上是空前的，因此引起了世界各国的高度重视。2005 年 5 月 25 日，莫斯科一座 500 千伏变电站发生爆炸和火灾，引发了莫斯科地区大面积停电，2 万人被滞留在地铁车厢里，1500 人被困电梯内，200 万人没水没电。据估计，受此次停电事故影响的人口达 150 万至 200万，事故给莫斯科市造成至少 10 亿美元损失。由此可见，有效保证供电设备的安全运行是一项非常重要的工作23。 早在 1987 年，国务院颁布的全民所有制工业交通企业设备管理条例中就明确提出“企业应当积极采用先进的设备管理方法和维修技术，采用以设备状态监测为基础的设备维修方法，不断提高设备管理和维修技术现代化”，1996 年国家经贸委的“九五”全国设备管理工作纲要中再次强调要“继续推进企业设备管理现代化，广泛采用先进的设备管理方法和维修技术”。“在采用设备状态监测、故障诊断等技术的基础上，使设备维修方式逐步转向以状态维修为主的维修方式”。在 1987 年新颁布的发电厂检修规程中明确指出“应用诊断技术进行预知检修是设备检修的发展方向”。但由于种种原因，这项工作一直未能系统实施。1996 年 6 月，电力部颁发了加强电网管理的规定，其中第四章“设备技术监督”第十九条提出“在有条件的单位，宜开展在线监测和状态检修工作”。2007年国家电网公司陆续制定发布了国家电网公司输变电设备状态检修试验规程、输变电设备状态评价标准和输变电设备状态检修导则。 纵观国家国家中长期科学和技术发展规划纲要、国家“十一五”科学技术发展规划和863 计划“十一五”发展纲要等相关条例和九五、十五和十一五立项课题等都表明，国家对于电网、电气设备的状态监测、检测及故障诊断技术非常重视。从国际科技发展前沿来看也是全球范围内的研究热点4。 小电流接地系统的状态监测及接地故障研究 2 作为电力配电网的小电流接地系统，担负着生产用电和生活用电的供电任务，其本身的安全性、可靠性，关乎着千家万户的生活质量和社会的方方面面，因此做好小电流接地系统的状态监测研究具有重要的现实意义。 1 1- -2 2 国内外相关领域状态监测的研究发展和现状国内外相关领域状态监测的研究发展和现状 1-2-11-2-1 设备状态监测的由来和存在的问题设备状态监测的由来和存在的问题 对电气设备状态在线监测的需求，主要来源于对设备维修的经济性要求。主要经过三个阶段：(1)在上世纪 40 年代以前，普遍采用的事故后维修（breakdown maintenaince）。缺点是事先没有征兆，无准备，往往事故部件本身可能不大，却会造成较大的损失。(2)以预防性为主的定期维修（time based maintenance）。虽可以较大程度地降低设备故障率，但也带来了过剩维修和过度维修（因设备拆 装 而 缩 短 使 用 寿 命 ） 的 问 题 。 （ 3 ） 从 维 修 经 济 性 考 虑 的 状 态 维 修 （ condition based maintenance）。 状态维修是通过对设备状态长期地实时跟踪，及时地发现故障隐患，以状态异常为维修的实施依据。因此可以有效地避免设备过剩维修和过度维修的问题，其经济效益是显而易见的。因此自上世纪70 年代开始，美国、欧洲、日本等发达国家相继在设备维修中引入了状态维修的理念，这就大大刺激了状态监测技术的发展。 我国也于 20 世纪 80 年代中期，相继开展了设备状态监测的研究工作。主要采用了两种形式：（1）对重大关键设备的监测，采用全套引进并逐步消化吸收的策略；（2）对于一般性设备，国家采取政策鼓励，由企业出资与科研机构联合开发的方式5-14。 由于大部分的电气设备受内部结构限制，其状态量不能直接获得，只能监测工作只能通过间接参量或伴随变化参量来作出判别。而这些间接或伴随参量极易受周围环境因素的影响，很难在这种不可靠的状态监测基础上，实现设备的全面状态维修。因此在我国的电力系统中，目前还是普遍采用定期维修制度。 1-2-21-2-2 目前主要电气设备状态的监测手段目前主要电气设备状态的监测手段 1. 变压器 变压器的在线监测主要手段是溶解气体分析法。油中溶解气体分析(dgoa) 已被证明对于发现油浸变压器内部潜伏性故障,特别是过热性、电弧性、绝缘破坏性故障相当有效和可靠。主要机理是：电弧性放电能使油分解出乙炔、氢及少量的甲烷;局部放电分解出氢和甲烷;变压器油过热分解出氢、甲烷、乙烯、丙烯; 绝缘材料过热还会分解出一氧化碳和二氧化碳。变压器的气体在线监测结构示意如图 1.1 所示。 河北工业大学博士学位论文 3 图 1.1 变压器的气体在线监测结构图15 fig. 1.1 gas on-line monitoring of transformer diagram 异常的诊断通常采用三比值法，变压器故障诊断的判断流程15-20 如图 1.2所示。 图 1.2 变压器故障诊断流程图15 fig. 1.2 transformer fault diagnosis flow diagram 其它监测方式还有:局部放电测量和定位、绕组变形、有载分接开关的触头磨损和电气回路的完整性测量等21。 2. 绝缘类 绝缘类主要监测设备导电线路与导电线路间、导电线路与大地间的容抗与漏阻抗。通过对其介电特性介质角正切值 tan 的分析，可以发现尚处于比较早期发展阶段的缺陷。其描述公式为： tantan2xcxrrcuuiuip （1.1） 其中 p 代表容性负载上的有功功率损耗，cx表示容性负载上的电容量，u 为电压的有效值， 表示工作电流角频率。其参量测量手段主要有：1) 数字式自动平衡电桥。其特点是具有复现性好，稳定性小电流接地系统的状态监测及接地故障研究 4 高，测量速度快等; 2)傅立叶变换法。对监测的信号电压和电流分别进行工频的傅立叶变换，分别取得初相角，而介质损耗角 等于电压初相角加 90 度减去电流初相角。其特点是傅里叶变换可以大大抑制背景噪声。3）过零时间差法。通过直接测量电流、电压过零点的时差来获取介质损耗角 21-29。 可以看出上述算法中均需引入介质漏电流的检测，在电力系统中除了避雷器等少数元件可以获得其介质漏电流量外，其它绝大多数装置或元件都不能在线直接测得其介质漏电流。所以目前全面实现绝缘监测还是一个需要研究的课题。 3. 发电机 目前针对发电机的一些特殊故障也有了对应的监测方法15,30-32。 1) 中性点射频法。 当定子绕组线棒出现导线断股时，将出现间歇性电弧，产生频带很宽的按指数规律变化的高频衰减电流波形，其中一部分传向定子星形绕组的中性点。采用装于中性点上的射频电流互感器及其相应的装置测量。 不少国家已在大型汽轮发电机上安装了固定频率（如 1mhz）的中性点射频在线监测仪。工作正常时，一般测量值在较小的电压范围（微伏级）内，如果超出该范围，即可判断导线断股。 2) 耦合电容法 耦合电容法是在发电机定子绕组的出线端通过一耦合电容与脉冲高度分析器相连，对放电脉冲的时域特性进行分析的一种方法。利用该法可以监测到定子槽部放电和绕组绝缘劣化过程。 3) 高频天线法 研究表明，任何一台好的发电机都有一定的基准电晕放电和基准局部放电，其大小因不同时刻和不同的发电机而异。而危害性放电脉冲，如严重的局部放电、火花放电、电弧放电的脉冲上升时间比基准放电脉冲更短，从而产生频率高得多的电磁波信号（可达到几百兆赫兹甚至达到数千兆赫兹）。通常频率高于 4mhz 的电磁波信号可从绕组的放电处空间辐射出来，而不像较低频段的电磁波信号只能沿绕组传递。对这种辐射信号可以用安装在发电机外壳内或外部的紧靠外壳空隙处的高频天线来监测。 4) 发电机温度监测法: 发电机额定容量通常是由绝缘所能承受的最高允许温度所决定的，在运行中发电机各部分的温度测量是十分重要的。为了监测发电机有效部分的温度，在定子绕组或定子铁心之中常预埋热电偶或电阻式检测计类的测温元件，这些测温元件还可以埋在运行的轴承中监测发热情况。光纤温度传感器已开始用于发电机内部转子温度测量。其基本原理是在转子表面用荧光涂料喷涂成一个环状，这种涂料在紫外线照射时，将随温度而发生荧光，并随时间而衰减，温度越高衰减时间越快。光纤通过定子将紫外线聚焦在转子表面荧光涂料环上，使涂料发射荧光，同时接收光纤将这些带有温度信息的荧光传输到监测系统，即可得到转子表面的温度分布。 4. 开关、断路器 主要可实现的电气特性监测有：控制回路电源、分合闸线圈电压电流、开关触头温度等。 河北工业大学博士学位论文 5 对于大型断路器内部的局部放电监测方法有：a)超生波法。该方法是利用局部放电时分子间剧烈撞击会产生 20250 khz 之间的振动波进行监测。b)超高频监测法。该方法是利用局部放电时会产生持续时间仅为纳秒级的脉冲电流（其等值频率大于 1 ghz）进行监测。 5. 开关柜 其监测手段主要有绝缘和温度监测。在重要的功率接线端子排，母线，电缆槽放置温度传感器。对母线、套管、支柱、电缆绝缘和互感器等加设绝缘监测。 1-2-31-2-3 国内外状态信号诊断和处理技国内外状态信号诊断和处理技术的发展情况术的发展情况 1. 信号处理基础 现场采集到的状态相关参量一般都带有很强的背景噪声，需对噪声采取滤波处理。目前主要有两类数字滤波器： iir（infinite impulse response filter）滤波器，由于其单位冲击响应的衰减时间无限(相对来说比较)长而得名。其特点是，内部带有反馈环，稳定性差。 fir(finite impulse response filter）滤波器，其单位冲击响应会以较快的速度衰减到零。由于内部不带反馈环，所以滤波器工作总是稳定的。 2. 状态信号的诊断技术 对状态信号的诊断技术的需求是由于：现场能够监测到的大部分信号都只是状态的相关参量，而各参量所携带的状态信息很多情况下是重叠的或矛盾的；监测参量往往与状态并不是实时线性的对应关系，甚至两者也无法以数值对应；监测参量通常不能直接地反映装置异常或故障位置。目前应用比较多的有： 模糊诊断 模糊诊断可以解决参量对状态量的信息重叠和非线性。 文献 33运用负压波波动理论与模糊 c-均值聚类算法相结合的混合评估方法，对预处理后的管道运行实时压力波动做定性动态聚类,再利用波动指数定量地对管道运行状态进行评级。实现监测量与状态量的对应。文献 34运用模糊理论来解决原先绝缘监测中只考虑泄漏电流，而无法同时平衡环境温度和湿度对泄露的影响问题。 小波理论 适合于信号不同频段的分解研究，体现信号的时频特性，解读信号中的突变量。 文献 35运用小波理论中的 mra（multi-resolution-analysis）多分辨分析，借助 daubechies(dbn)小波，有效地从噪声背景中提取断路器动触头行程信号的重要状态信息。在保证动触头行程信号处理过程中不失真的前提下,获取到了断路器分合闸时间和速度。 文献 36介绍了一种使用提升模式构造小波的方法,它不依赖 fourier变换,小波基函数不再由某一个函数的平移和伸缩而产生,所有的运算都在时域上进行,可以获得与传统小波变换同样的结果,即实小电流接地系统的状态监测及接地故障研究 6 现信号在不同频带上的分离。并就某炼油厂,重催三机组的风机一号瓦的实时在线监测信号进行了分解尝试。显示了其可实现信号在不同频带上的分离能力。 文献 37对横向裂纹转子升速过程中的状态信号进行小波变换，最后用时频等高图来表示小波变换系数。不仅表示出升速过程中横向振动各振动分量的能量组成情况，而且也显示了各振动分量的变化趋势，完整而直观地展现了整个升速过程，充分地提取了裂纹转子在升速过程中的特征，为实际旋转机械的振动故障诊断提供了依据。 指纹诊断 通过对设备进行测试（监测），并对测得的数据进行处理后，把得到的某种特殊图形与已有样板进行对照，从而判断设备状态的方法，称为指纹诊断。 目前人们已对重大电气设备（如变压器等）的局部放电情况，进行了记录并总结出了一些典型的放电图谱，作为样板。由每次放电的放电量，以及每秒内的放电次数和每次放电发生时工频电压的相位放电数据，绘制出特殊图形，如二维或三维的谱图，即所谓的“指纹”信息。 文献3839使用超高频和甚高频结合监测模式识别技术实现指纹诊断分析绝缘和变压器寿命。 文献 40涉及了指纹诊断和趋势分析在高压变压器绝缘老化诊断方面的情况。 专家系统 专家系统是一类包含着知识和推理的智能计算机程序。一个以规则为基础、以问题求解为中心的专家系统主要包括： 知识库，它是专家系统的核心之一，其主要功能是存储和管理专家系统的知识。包括相关领域的学术著作、教科书中的知识和专家在某领域长期实践中所获得的经验知识等。推理机，它实际上是一组计算机程序。其主要功能是协调控制整个系统，决定如何选用知识库中的有关知识，对用户提供的证据进行推理，以最终作出回答。 综合数据库，它用于存储系统运行过程中所需要的初始数据、证据及推理过程中得到的中间结果等等。他们能反映系统要处理问题的主要状态和特征，是系统操作的对象。在系统运行过程中，综合数据库中的内容是不断改变的，并且它的表示和组合通常与知识库中知识的表示和组织相容或相一致。 解释接口，人机交互程序。 知识获取模块，这是专家系统中能将某专业领域内的事实性知识和领域专家所特有的经验性指示转化为计算机可利用的形式并送入知识库的功能模块。同时也负责知识库中知识的修改、删除和更新，并对知识库的完整性和一致性进行维护。 基于神经网络的专家系统，是在专家系统基础上引入了学习机制。它可以解决在知识获取中的“瓶颈”问题，以适应状态诊断中知识的多样性和设备结构的不断变化。通常监测参量与状态量间存在着大量的非一一对应关系和非线性问题，而并行分布处理为主流的神经网络系统，通过对输入的实际样本学习从而实现非线性映射间的对应关系。 文献41使用专家系统实现配电网的状态维修 cbm。其特点是采用检查清单将配网中的变压器、断路器、保护、通讯、连接动力线、监测量、数值的描述范围、工作人员的技术等级等各种原始资料录入，专家系统围绕容许工作条件、基于技术监察的记录数据和管理制度的允许指标等，进行分数评判。 河北工业大学博士学位论文 7 文献42给出了一个网络 fault diagnosis and control (fdc) system 来帮助用户诊断电力系统的故障。其核心是由网络专家系统，通过知识库和数据库来提供服务。知识库和数据库可以不断从网络获得更新数据。 文献43 建立了一个基于规则的、为同类型维修公司网络服务的状态检修专家系统，用来对多种设备进行状态监控和寿命评估。 文献44利用故障树模型组成专家系统，对开关柜温度、湿度等综合指标进行状态监测。 文献45将由模糊理论判断和神经网络进行知识学习的专家系统运用于风机实时状态监测与故障诊断中。 1 1- -3 3 小电流接地系统小电流接地系统 1-3-11-3-1 小电流接地系统的特点小电流接地系统的特点 电力系统按接地方式可划分为两大类:大电流接地方式(中性点有效接地方式)和小电流接地方式(中性点非有效接地方式)。 世界各国以及地区配电网中性点接地方式都不尽相同，主要是根据自己的运行经验和传统做法来确定的。例如，美国早期的农电供应主要是自发组织的，所以其中压电网以大电流接地方式为主，在227okv 电网中，中性点直接接地方式占 72%。英国电网采用中性点经小电阻接地方式，而对 33kv 以下由架空线路组成的配电网，中性点逐步由直接接地改为消弧线圈接地;电缆组成的配电网，仍采用中性点经小电阻接地方式。日本东京电力公司 66kv 配电网采用中性点经电阻接地或消弧线圈接地;6.6kv电网采用不接地方式。法国电力公司(edf)在 1990 年前后开始对中压电网中性点接地方式进行改造，将运行了 30 多年的大电流接地方式全部改为谐振接地方式。芬兰全国 10kv、20kv 中压电网都采用小电流接地方式，中性点不接地方式和中性点经消弧线圈接地方式各占 80% 和 20%。德国、前苏联等国家也多采用消弧线圈接地或不接地方式46-48。 受前苏联的影响我国在 666kv 中压配电网中，也多采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式。它的最大优点是，当发生单相接地故障时，由于中性点非有效接地，三相线电压基本保持不变，在电路上也不构成直接回路，只会由于系统对地存在电容而形成较小的电流，对负荷供电不会造成太大影响，因此允许电网在单相接地的情况下继续运行 12 小时，以避免供电突然中断对用户的影响。如果电气工作人员能在规定时间内找出故障点并排除故障，电网就可以达到不停电运行，具有很高的供电可靠性。 1-3-21-3-2 小电流接地系统的状态监测概况小电流接地系统的状态监测概况 作为中压配电网，小电流接地系统中通常包含有变压器、断路器、负荷开关、隔离开关、母线、电力电缆、架空线路、电抗器、避雷器、熔断器、互感器等一次设备以及用于监测控制和保护等的二次设备。为了提高供电可靠性，对系统中的关键设备均应实行状态监测。下面就监测参量特点和主要设备状态监测的开展现状归结如下： 小电流接地系统的状态监测及接地故障研究 8 1. 变压器 小电流接地系统中的变压器主要承担 35kv、10kv 变至 6kv、3kv 及 380v 低压配电任务，绝缘要求相对不高，干式变压器占了较大比例，所以某些在线监测手段受限，目前主要可选用的监测方式有温度、铁芯接地电流，出线套管接地电流等。 2. 开关柜 开关柜内一般安装有断路器、隔离开关、负荷开关、绝大部分母线、接线柱及连接端子等。目前这些装置状态监测的主要参量为温度，有的开关配有震动探头可以监视其机械装置工作状态。 3. 配电线路 其主要监测参量为导线的温度和绝缘。目前对电力电缆的在线监测已有一些方法，主要有15,21,49-51： 直流分量法 由于交联聚乙烯电缆中存在着树枝化（水树枝、电树枝）的绝缘缺陷，它们在交流正、负半周表现出不同的电荷注入与中和特性，导致在长时间交流工作电压的反复作用下，水树枝的前端积聚了电量的负电荷，树枝前端所积聚的负电荷逐渐向对方漂移，这种现象称为“整流效应”。由于“整流效应”的作用，流过电缆接地线的交流电流便含有微弱的直流成分，监测出这种直流成分即可进行劣化诊断。其缺点是电流极微弱，有时也不大稳定，微小的干扰电流就会引起很大误差。 直流叠加法 直流叠加法的基本原理是在接地的电压互感器的中性点处加进低压直流电源，使该直流电压与施加在电缆绝缘上的交流电压叠加，从而测量通过电缆绝缘层微弱的直流电流来判断电缆的绝缘情况。该法的缺点是如果电缆为三芯电缆，则不能够区别哪一相线绝缘发生了问题。 在线监测电缆绝缘损耗角 使用电压互感器、电流互感器来获取电源电压的相位和各条线路电流的相位，从而计算出绝缘损耗角。 由于线路安装结构复杂，线间及线地的漏电流很多情况下难以测量（如架空线），所以目前仍为研究热点，也是本文主要要探讨的问题之一。 4. 避雷器 可能的情况下，监测其漏电流。 综观如上所述，温度和绝缘是主要监测参量。但目前对温度监测还仅是利用其实现阈值报警的功能，并未能对其丰富的内涵做进一步的挖掘。而绝缘监测以检测漏电流为主，这种方式会在很多情况下受制于环境，因而无法实现。 河北工业大学博士学位论文 9 1-3-31-3-3 小电流接地系统的接地故障甄别方法研究概况小电流接地系统的接地故障甄别方法研究概况 小电流接地系统的最大特点是允许系统发生单相接地故障后继续运行 12 小时。从防止故障进一步扩大和降低故障高压对绝缘损害的角度考虑，应及时确定故障线路以便加以排除。目前对于单相接地已有多种故障线路甄别方法，但都有一定的适用范围，现就其特点分别探讨如下： 1. 零序电流群体比幅比相法 对于中性点不接地系统，由于故障线路出口零序 ct（电流互感器）检测到的电流与非故障线路出口零序 ct 检测到的电流方向相反，数值等于各非故障线路电流的总和。因此可以用各路零序电流群体比幅比相法来甄别故障线路52-54。 2. 零序电流有功分量或有功功率法 在输电线路中，尤其是当消弧线圈串联或并联非线性电阻时，将产生一定有功电流且不能被消弧线圈补偿。由于零序电流有功分量主要流经故障线路，通过选用零序电压作为参考相，可以取得其有功功率。因此利用这一原理可实现故障线路的甄别。 该方法同样存在着故障信息不够突出，会受 ct 不平衡、线路长短、过渡电阻大小的影响。当三相电容不平衡时也会引起“虚假有功电流分量”，所以其甄别的可靠性也有一定问题 55-58。 3. 残流增量法 单相永久性接地故障时可借助改变消弧线圈补偿度的方式来实现故障线路的甄别。由于消弧线圈的补偿度主要影响流经故障线路的电流，只要选线装置按一定时间控制消弧线圈的补偿度，就可以通过甄别各线路的电流变化最大值来甄别故障线路。该方法优点是选线准确率比较高，适用于可调试的消弧线圈中性点接地系统，已在我国许多城市的中压电网中得到应用。缺点是不适用于中性点不接地系统和消弧线圈不具备自动调谐的系统，本法需要选线装置与消弧线圈自动调谐装置配合，因而应用受限59。 4. 负序电流法 小电流接地故障的负序电流具有与零序电流相同的分布特征，因此也可通过比较各线路负序电流的大小和方向选择故障线路60。根据负序电流最大或直接采用负序电流门槛阈值作为比较判据来选取故障线路。其原理为接地故障产生的负序电流大部分由故障点经故障线路流向电源,非故障线路的负序电流相对很小。 该法的优点是适于配网的远距离监测（从 ftu 获取数据）。缺点是运行线路中也会存在较大的负序电流，而且负序电流的获取远不如零序来得简单、准确，因此负序电流法的实际应用效果并不一定比零序电流的效果好。 5. 五次谐波法 故障点和线路设备等非线性因素会在系统内产生许多工频基波的整次谐波电流，以奇次谐波成份为主。由于消弧线圈是按基波整定的，因而消弧线圈对高次谐波的容性电流补偿作用减弱，如对应五小电流接地系统的状态监测及接地故障研究 10 次谐波时，仅相当于工频时的 1/25。因此在故障条件下，选取五次谐波进行比幅比相算法是适用的。其原理同于中性点不接地时基波的比幅比相算法6162。 优点：原理简单，易于实现。 缺点：接地电流中的谐波分量较小(一般小于 10%)，不利于检测。同时也会受负荷中的五次谐波源、ct 不平衡电流和过渡电阻的影响，甄判准确率不高。 也有将零序电流 3、5、7 等多次谐波分量求和后再根据比幅比相算法进行甄别的。这样虽然能在一定程度上改善单次谐波信号小的缺点，却不能从根本上解决问题。 6. 信号注入法 信号注入法突破了长期以来使用故障产生信号选线的框架，不利用故障产生的信号，而是向系统注入外部信号进行选线。一般从 pt 二次侧故障相直接注入电流信号，其频率取在各次谐波之间，因而避开了被工频电流及其它整次谐波分量干扰的影响。注入电流信号沿接地线路的接地相流动，并经接地点入大地，信号探测装置就安装于每条出线的附近，将探测到的信号进行比幅。由于注入信号主要流经故障线路，所以接地线路具有最大注入电流幅值63-66。 该方法的最大优点在于适用于线路上只安装两相 ct 的系统。缺点是：遇到高阻接地时，注入信号太微弱不易检测;弧光接地时谐波含量丰富，注入信号极易受到干扰；探测器使用的高 q 值窄带滤波器的稳定性不好，容易发生中心频率漂移。 7. 中性点瞬时接地法 由于以往单相接地故障选线可靠性低，国内外也有一些专家提出如果发生永久接地，可以采用中性点瞬时接地的方法。由于这形同单相接地短路故障，所以可以启动保护装置动作，迅速切除故障线路。这种做法的缺点是系统会受到一个较大的冲击，从而降低了相关设备的使用寿命，因此目前并没得到广泛的采用。 8. 首半波法 首半波法甄别原理一般是以当接地故障发生在相电压接近最大值时这一假设。此时由于消弧线圈对高频的感抗作用，各条线路的故障相电容电荷主要通过故障线路和故障点形成放电回路。因而非故障线路上的电流极性与故障线路上的电流极性相反，由此可以选出故障线路。 但是当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，再加上过渡电阻的影响，易引起误判67,68。 9. 小波变换法 小波变换作为一种新的时频分析工具，特别适合于处理暂态和非平稳信号。利用小波(小波包)变换原理，提取单相接地故障时的暂态信号来实现故障选线甄别，是一种目前还处于探讨阶段的新方法。 按照其工作原理划分主要有：方式一，利用小波奇异性检测原理对故障信号进行小波变换，通过比较各条线路小波变换系数模极大值的大小和极性，来进行故障线路甄别；方式二，根据故障后暂态分量能量比较大的特征，利用小波分解在某个尺度上的细节系数或重构后的细节部分，构成一些能量河北工业大学博士学位论文 11 选线方法；方式三，利用故障后的暂态波形，将各馈线零序电流在一定数据窗下进行两两相关分析，求出各条馈线与其他馈线的相关系数，再经排序策略获得按故障可能性大小排列的选线结果序列。 小波分析的优点是：可以实现对故障时复杂多变的暂态和非平稳随机信号进行分析。存在的不足是：在电力系统复杂多变的工作环境下，各种干扰都十分强大，而小波分析方法借助的是对波形奇异点的比较分析，加上有效信号比较弱，往往难以分辨真伪，选线的可靠裕度不大，现场应用的可靠性不是很高；而且小波伸缩所产生的频带重叠问题，也会影响选线的准确性69-83。 对于两相接地故障，如果接地电阻很小，就会启动继电保护装置自动切除故障；而当一相接地，另一相为高阻接地时，因为电流比较小，本身不会启动保护，但对故障线路也应加以甄别。 1 1- -4 4 本文的主要研究内容本文的主要研究内容 本文主要针对小电流接地系统中状态监测的一些特点，通过理论推导、现场数据记录验证、模拟分析和仿真等方法对线路绝缘在线监测的实现、接地故障线路的甄别和电气设备状态的温度解读算法等方面进行了研究。主要研究内容如下： 线路绝缘状态在线监测方法 设计在线路分叉处注入一高频短暂扰动信号，根据电磁场和行波理论，信号在其行进路线上将会受到来自线路垂直平面内介质固有特性的影响这一原理，来实现线路的在线绝缘扫描。通过信号电压的短暂钳位方式，使得各分支线路的监测解耦。 接地故障时故障线路甄别方法 研究各线路零序电流原始记录和仿真模型故障前后各条出线零序电流的变化,寻找故障线路的特征。研究和总结常用故障线路甄别法各自的特点和适用范围，寻找能提高甄别精度的综合甄判方法。 (3)非短路性两相接地故障时故障线路甄别 研究非短路性两相接地故障时故障线路的特点，寻找甄别方法。 (4)接触电阻变化的在线监测法 研究电流、发热与物体热传导间的关系，寻求建立三者间的时域参考模型。 (5)电器装置内部状态变化的内耗电阻监测法 在频域和时频中使用傅立叶变换、小波分解等方法研究负荷电流、温度与装置内耗电阻的关系，确立评估方法。 小电流接地系统的状态监测及接地故障研究 12 第二章第二章 基于基于短暂扰动注入法短暂扰动注入法的的线路线路绝缘绝缘状态在线监测状态在线监测研究研究 2 2- -1 1 引言引言 对电力设备状态进行在线监测，可以最大限度地减低设备故障所造成的损失，缩短设备的维修时间、降低维护成本、延长设备的使用寿命，这已成为越来越多人们的共识。在我国配电网中，单相接地故障的发生机率很高，如果能实现各段输配电线路绝缘状态的在线监测，及时发现隐患，并在适当的时间加以处理，就能有效地避免较大故障损失的发生 5。 由于小电流接地系统的特点是中性点不直接接地，所以零序对地回路交流阻抗比较大，相线对地没有工作负载。因此在各相线与地之间分别加注一定高频的轻微短暂扰动信号，不会对整个电网运行产生很大影响。其相应的工作原理如图 2.1 所示。 以 a 相线路为例，将扰动信号源连接于分叉母线上。控制信号源于特定时刻在极短暂的时间内对线路发出某一特定频率的扰动信号，信号以电压波动的形式在各分支线路上流动，并历经末端的接收器 pi。由于电压波在线路上的移动状态，将受到来自导体周围垂直平面内介质的本质属性和导体电阻的影响84-86。当电压行波通过线路某一绝缘问题区域时，行波的的幅值和相位就会发生相应改变87-92。这些变化最终被安装于末端的接收器 pi拾取。经过加工处理，提取出有用信息，并与历史纪录档案相对比，从而实现问题判断。 p中性点等效阻抗pp扰动信号源线路n线路2线路1np接收器2p接收器1p接收器a相 图 2.1 扰动注入监测法工作原理图 fig.2.1 diagram of online monitoring method by introducing disturbance signal 河北工业大学博士学位论文 13 应当指出连接于分叉母线处的注入源，只要在注入时间内保持较低内阻并保持一短暂时间，就可以实现电压钳位作用，抑制各分支线路反射回来的行波的相互干扰，从而实现各分支线路监测的解耦，以便能区分健康与问题线路。 2 2- -2 2 理论分析与推导理论分析与推导 2-2-12-2-1 传输方程与线元的描述传输方程与线元的描述 根据分布参数理论，流动于相线与地之间的电压和电流波，可以用式（2.1）来描述。其中各参数意义分别为，线路电压 u，线路电流 i，线路由输入口延伸出去的导线长度 x，线路单位距离电阻r，线路单位距离电感 l，线路单位距离对地导纳 g，线路单位距离对地电容 c。 ,tucguxitilrixu (2.1) 将式（2.1）两边同时乘以一个足够小的线路长度增量x，公式左边偏导数与增量的乘积，可以看作是该增量距离上电压与电流的增量，而右边x 与单位参数系数合并，其意义分别代表该段距离上的相应参数值。按此方法整理后得到表达式（2.3）。根据传输线理论，只要x导波波长 g，上述近似即可成立。 ,)()(tixlixrxxutuxcuxgxxi)()( (2.2) ,tucigitiliruxxxx (2.3) 如果用-u=ux-ux+x，-i=ix-i+x表示，则 式（2.3）可以近似等价于一小段电路网络如图 2.2.1或图 2.2.2，通常称其为线元。将图 2.2.1、图 2.2.2 网络中的对地部分参数合并，即可得到 t 型双口对称性线元如图 2.2.3 所示。而一段距离长度为 x的线路，就可以等效为数个线元的串联。 图 2.2.1 图 2.2.2 小电流接地系统的状态监测及接地故障研究 14 图 2.2 线元模型 fig. 2.2 wire element model 2-2-22-2-2 传导导波的波长与波速传导导波的波长与波速 根据电磁波理论，式（2.1）的时域表示法，也可以写为式(2.4)的相量形式。 )()()( ),()()(xucjgdxxdixiljrdxxdu (2.4) 将式（2.4）中的电流项代换掉，就可得式（2.5） 0 )()()(2xucjgljrdxxud (2.5) 这是一个简单的一元二次微分方程，其解形式为 e e )(x2x-1aaxu (2.6) 其中传播常数 j)( cjgljr (2.7) 根据其物理意义，a1e-x和 a2ex可分别看作是沿线路前行的电压波和反行电压波。现在仅考察前行波a1e-x，将 =+j 代入 a1e-x=(a1e-x) e-jx，其中(a1e-x)代表波的幅值衰减变化，e-jx则表示相位的移动。由波长的物理意义知，波长为某一频率的波，沿运动方向移动完成一个 2 相角的距离为一个波长g，即2g，因而波长为 /2g (2.8) 又波长与完成一个波长所传输的时间（周期）之比为波速，即： /tvgp (2.9) 显然运动波在线路上的衰减、波长与波速都与线路参数 r、l、g、c有关。 图 2.2.3 河北工业大学博士学位论文 15 2-2-32-2-3 等效电路等效电路 由于每相线与大地平行架设，因此可以近似把他们看成为均匀平行传输线系统。由于分叉母线上扰动源电压的钳位作用，各辐射分支线路上的电压变化可以独立考虑。借助前面的线元电路原理，将每条支路等效为图 2.3 所示电路网络。为了体现线路元件的双向对称性，这里采用了 t 型线元。 应当指出在小电流接地系统中，负载端是不接地的，因此与大地间没有直接的负荷电流，但终端用电设备的内部导体与大地间存在着杂散电容和漏电导纳，尽管可能很小，但与线路参数相比也不能忽略，应作为网络计算参数的一个单元。 图 2.3 分支线路线元等效电路 fig. 2.3 equivalent element circuit of branch transmission line 图 2.3 中 gj (j=1,2,n)为线路的对地导纳，在这里所表达的意义为线元附近线路中的绝缘情况。正常情况下应该很小。如果绝缘质量下降，则大多体现为对地导纳 gj的增大。 由此等效网络可以看出，如果线路某处线元