（电气工程专业论文）谐振接地系统小电流接地故障选线技术评价体系及分析.pdf

一 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。 论文作者签名：亟! 壁羔日期：! ! 竺至! ! 璺! 垒皇 ，关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 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) 论文作者签名：边! 垒堇导师签名：之幺兰日 期：塑! ! 奎! ! 璺竺里 山东大学硕士学位论文 摘要 小电流接地系统中接地故障选线是一个普遍性的难题，由于在检测原 理、装置设计、工程服务、运行管理等各个环节均存在不完善之处，小电 流接地故障，特别是在经消弧线圈接地( 谐振接地) 系统的可靠检测( 目 前要求主要是故障线路选择) ，在较长时间内被普遍认为是一个世界性的难 题，现场对接地故障选线技术也普遍持怀疑态度。近几年，随着社会对供 电可靠性的要求越来越高，接地故障选线的重要性也日益明显。学术界对 于谐振接地系统故障选线的研究非常活跃，提出了大量新的选线原理。接 地故障实用选线技术也进入了一个快速发展时期，基于不同原理方法的选 线产品不断地涌现。但是由于小电流接地系统系统受电压水平、运行方式、 负荷状态等因素的影响具有十分复杂性，以及单相接地故障的特殊性，一 些原理方法目前尚处于理论研究阶段，技术手段也处于探索中，还不成熟。 从现场实际使用效果来看，即便是投入试验或者使用的相应装置，表现也 是良莠不齐，有些甚至根本达不到实际应用的要求，相当一部分已经被使 用部门退出了运行；然而，这种状况并没有真实地反馈回来，目前，现场 由以前的检测手段缺乏，转而产品供给繁杂。这样由此产生了一个新的问 题，供电部门和生产厂家在研制并推广应用选线装置时，需要基于什么标 准，以及如何评价一个选线技术，本文就此进行了初步分析探讨。 本文主要作了以下几个方面的工作： 1 在查阅大量的文献工作基础上，概括总结了小电流接地系统故障选线 的主要技术手段，介绍了谐波法、有功分量法、注入法、中电阻法、残流 增量法、小扰动法、首半波法、新型暂态法、行波法、综合法等选线方法 的基本原理。 2 根据小电流系统接地故障的特征，分析了影响选线成功与否的主要因 素，提出了小电流接地系统选线技术的评价体系：可靠性、安全性、适用 性、便利性、经济性等。并且在此基础上对各种故障选线原理方法，进行 了分析评价，同时，从现场实际应用的角度，对已有的选线技术的性能应 用状态加以介绍，以期对各种方法有一个综合评价。 3 在对小电流系统建立故障模型，结合实际，介绍了基于新型暂态法原 山东大学硕士学位论文 理基础上的小电流选线装置及其应用中实测得到的各种典型波形，供研究 和使用暂态原理设备的相关人员参考。 关键词：谐振接地系统；小电流接地故障；故障选线；性能分析 t 山东大学硕士学位论文 a b s tr a c t s i n g l ep h a s et og r o u n df a u l ti su n i v e r s a l l yo c c u r r e di nn o n s o l i de a r t h e dn e t w o r k ， d u et os o m ed e f e c t si nd e t e c t i o np r i n c i p l e ，a p p a r a t u sd e s i g n & m a i n t e n a n c ea n d e n g i n e e r i n gs e r v i c ee t c ，i ti sq u i t ed i f f i c u l tt od e t e c tt h ef a u l ta n di d e n t i f yf a u l t yl i n e r e l i a b i l i t yi nw o r l d w i d e t h e r e f o r e ，t h o s em e t h o d so fl i n es e l e c t i o ni sd o u b t e d & c r i t i c i z e d r e c e n t l yy e a r s ，w i t hh i g hr e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l yb e i n gd e m a n d e d ，f a u l t yl i n e s e l e c t i o nh a sb e e np a y e dm o r ea t t e n t i o no b v i o u s l y i n t e l l i g e n c em a k ead e e pa n a l y s i s ，a n d m o r ea n dm o r em e t h o d so fl i n es e l e c t i o nh a v eb e e np u tf o r w a r d ，m e a n w h i l en e w p r o d u c t i o nb a s e do nn e wp r i n c i p l ew a sd e s i g n e da n da p p l i c a t e di nu t i l i t y h o w e v e r , a s g r o u n df a u l ti sm u c hc o m p l i c a t e d ，t h o s ea p p a r a t u sp e r f o r m sd i f f e r e n t ，s o m eo ft h e mc a n n o tm a k es a t i s f i e dt e s tr e s u l t ，e v e ns o m ed o e sn o tw o r ki ns u b s t a t i o na n dh a v et ob e a b a n d o n e d b u tt h i ss i t u a t i o nh a sn o tb e e nf e db a c k t h e r e f o r ean e wp r o b l e mu s e rh a st o f a c e ，t h a ti sh o wt oc h o o s et h er i g h tp r o d u c tf r o mt h e m ，a n dh o wt oc o m m e n to nt h e s e m e t h o d s ，a n dw h a ti st h es t a n d a r d ? t h i sp a p e rd i s c u s sa n da n a l y z ee a c hp r i n c i p l ea n dp u t f o r w a r dt h es t a n d a r d s m a i nc o t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 、b a s e do nc o n s u l tl a r g ea m o u n ta r t i c l e s ，t h i sp a p e rs u m m a r i e st h em a i n l y m e t h o d so ff a u l t yl i n es e l e c t i o ni nn o n - s o l i de a r t h e dn e t w o r k , i n t r o d u c e st h eb a s i c p r i n c i p l e ，s u c ha sh a m o n i cm e t h o d ，a c t i v ec o m p e n e n tm e t h o d ，i n j e c t i n gs i g n a lm e t h o d ， t h es h u n tr e s i s t a n c em e t h o d ，t h er e m n a n tc u r r e n ti n c r e m e n tm e t h o d ，t h es m a l ld i s t u r b a n c e m e t h o d ，t h et r a v e l i n gw a v em e t h o d ，t h ei n i t i a lp o l a r i t ym e t h o d ，t h et r a n s i e n ts i g n a l s m e t h o d ，i n t e g r a t e dm e t h o da n d s oo n 2 、b a s e do nt h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c so f n o n s o l i de a r t h e dn e t w o r ks y s t e m ， a n a l y z e si n d e t a i lt h ec a u s eo fi n f l u e n c eo nf a u l t yl i n es e l e c t i o n ，g i v e sp r e l i m i n a r y c o m m e n ts t a n d a r d ：t h ep e r f o r m a n c eo ft h em e t h o da b o u tr e l i a b i l i t y , s e c u r i t y ， e n c o n o m i c a l ，a p p l i c a b i l i t ya n ds e r v i c e a b i l i t y i no r d e rt om a k er e f e r e n c ef o ru s e rt o c h o o s ee q u i p m e n t 3 、i n t r o d u c e sa nn e we a r t hf a u l td e t e c t i o n ，b a s eo nt h ep r i n c i p l eo ft h et r a n s i e n t s i g n a l sm e t h o da n dr e s u l to fe m t pi nn o n s o l i de a r t h e dn e t w o r k a l s og i v e sv a r i o u s f a u l tt y p ew a v e f o r m sr e c o r d e db yt h ea p p a r a t u s 。 k e y w o r d s ： n o n s o l i de a r t h e dn e t w o r k ；s i g n a lp h a s ee a r t hf a u l t ；f a u l t yl i n e s e l e c t i o n ；p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论l 1 1 课题的背景及意义l 1 2 主要研究内容和特色2 第2 章小电流接地故障特征4 2 1 接地故障的若干分类4 2 2小电流接地故障稳态信号基本特征4 2 2 1中性点不接地零序稳态信号基本特征4 2 2 2谐振接地系统零序稳态信号基本特征5 2 3 小电流接地故障暂态过程分析7 2 3 1 中性点不接地系统暂态信号基本特征8 2 3 2 谐振接地系统暂态信号基本特征。9 2 4 接地点存在过渡电阻时工频特征l l 2 5 关于高阻接地故障l l 第3 章各种选线方法的基本原理1 2 3 1 选线方法分类1 2 3 2 选线基本原理1 2 3 2 1 谐波法o 。l2 3 2 2 有功分量法1 3 3 2 3 注入信号法：。1 3 3 2 4 电流增量法：1 4 3 2 4 1 残流增量法1 4 3 2 4 2 小扰动法。15 3 2 4 3 中电阻法。1 5 3 2 5 首半波法1 6 3 2 。6 行波法1 7 3 2 7 暂态选线基本原理1 7 3 2 8 新型暂态法1 7 3 2 9 小波法。l8 3 2 1 0 零序导纳法1 9 3 2 1lp r o n y 算法1 9 3 2 1 2 最大( is i n 西) 原理2 0 3 2 1 3 综合法2 0 3 2 1 4 其它选线方法2 0 第4 章选线技术的评价体系2 l 4 1 关于安全性。2l 4 2 关于适用性2 2 4 3 关于便利性2 2 山东大学硕士学位论文 4 4 关于经济性2 3 4 5 关于附加功能。2 3 4 6 关于可靠性2 3 4 6 1 所利用信息量的大小。2 3 4 6 2 一些特殊场合和特殊故障2 4 第5 章各种选线方法的评价及分析。2 7 5 1 谐波法。2 7 5 2 有功分量法。2 7 5 3 注入信号法2 7 5 4 残流增量法2 8 5 5 中电阻法2 8 5 6 小扰动法。2 9 5 7 首半波法3 0 5 8 行波法3 0 5 9 小波法3 0 5 1 0 新型暂态法3 l 5 1 l 综合法3 l 5 1 2 消弧绝缘监视法3 2 5 13 基于工频零序电流的选线方法3 2 5 1 4 基于综合自动化系统的选线技术3 3 5 15 故障相瞬时短接法3 3 第6 章仿真及新型选线装置介绍3 5 6 1 仿真模型3 5 6 2 仿真结果3 6 6 3 仿真结论4 0 6 4x j 1 0 0 小电流接地故障检测装置简介4 l 6 4 1x j 10 0 小电流接地故障选线及监测系统简介4 1 6 4 2x j 1 0 0 小电流接地故障检测装置4 2 6 4 3 工作流程4 5 6 4 4 p c 机接口4 6 6 5 x j 1 0 0 小电流接地故障分析系统4 7 6 5 1界面设计4 9 6 5 2数据库管理5 2 6 5 3故障选线算法5 4 6 5 4数据通讯5 5 6 5 5多进程管理5 7 6 6 典型故障波形。5 8 第7 章结束语。6 5 参考文献6 6 墅筻谢一7 2 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 电网的中性点是否接地以及以何种方式接地，是涉及到技术、经济、安全 等多方面因素的综合问题。目前的中性点接地方式总体上分为有效接地和非有 效接地两种形式。其中有效接地方式包括中性点直接接地和经小电抗或小电 阻接地，中性点有效接地的系统习惯上称为大电流接地系统；非有效接地方式 包括中性点不接地、消弧线圈接地( 又称谐振接地) 和经中阻或高阻接地，中 性点非有效接地的系统又称为小电流接地系统。 由于历史原因和具体条件迥异，各国配电网中性点接地方式也不尽相同， 甚至同个国家、同一个地区的同一电压等级的电网也存在多种接地方式并存 的现象。美国、英国以直接接地和小电阻接地为主；德国从3 2 2 0 k v 系统都 采用谐振接地方式；前苏联地区、日本多采用不接地或经消弧线圈接地方式； 法国过去是小电阻接地，近年来逐步朝谐振接地方向发展心q 们。 我国6 - - - 3 5 k v 的大多数配电网均是中性点不直接接地系统( nu gs ) ，即 小电流接地系统，它包括中性点不接地系统( nus ) ，中性点经消弧线圈接地 系统( nes ，也称谐振接地系统) ，中性点经电阻接地系统( nrs ) 。近年来， 随着自动跟踪消弧电抗器的广泛使用，为解决系统在故障瞬间出现的谐振问 题，开始采用消弧线圈与非线性电阻串( 或并) 联以及与避雷器并联的运行方 式。 单相接地对小电流接地系统来说不是故障，接地后系统进入不正常运行状 态。此时，接地相电压降低、非接地相电压升高，但是线电压仍保持对称，接 地电流较小，不影响对负荷的正常供电，故不必立即跳闸，按照我国电力设 备过电压保护设计规程规定，小电流接地系统单相接地后可以继续运行2 小 时，这增加了系统供电的可靠性。这是小电流接地系统最大的优点。为了和习 惯说法一致，本文也将小电流接地系统单相接地称为单相接地故障。小电流接 地系统发生单相接地故障的几率最高。 随着馈线的增多，小电流接地系统单相接地的接地电容电流也在增大，接 地故障如果长时间存在，故障电弧可能烧坏故障点，引起短路故障，造成事故 山东大学硕士学位论文 扩大。对电缆网络，尤其如此。由于非故障线路对地电压升高了i 倍( 稳态) ， 如果伴随有电弧现象则可能使非故障线路的最高暂态电压达到相电压的3 3 5 倍左右阳1 ，增加了对线路绝缘性能的要求，容易发生非故障相对地闪络， 造成两相接地短路，进而损坏设备，破坏系统安全运行，所以必须及时找到故 障线路予以切除。 小电流接地系统持续存在接地故障，特别是间歇性接地故障，引起的电网 过电压，给电力设备绝缘提出了更高的要求，很容易造成电网出现新的接地点， 使事故扩大。 长期以来，人们设计开发了多种保护方法及装置，但实际运行效果均不十 分理想。时至今日，尚有一些变电站仍然采用手工拉路的方法查找故障。以至 近年有专家提议改为小电阻接地方式。但由于小电流接地系统具有供电可靠性 高、对人身设备安全性能好等独特优点，如果能够解决单相接地故障时故障线 路的可靠性选择问题，小电流接地方式仍将是一种比小电阻接地更为理想的模 式。 由于故障电流微弱、接地电弧不稳定等原因，小电流接地系统的单相接地 故障检测比较困难。特别是不稳定电弧严重影响了目前绝大多数基于稳态信息 一 ( 包括故障产生的零序、负序工频和谐波信号以及注入的信号) 保护方法的实 用效果。对采用消弧线圈接地的电网来说，故障线路零序电流甚至会小于非故 障线路，给检测接地故障带来了困难，成为电力系统的一大难题，有人曾形象 的将小电流接地系统单相接地故障比喻为电网的“牛皮藓”。 小电流接地系统单相接地后不会造成供电中断，对于减少故障造成的停电 有着十分重要的意义。如果能够解决小电流接地故障的检测问题，值班人员可 以及时地发现接地线路甚至是故障区段，并采取相应的处理措施，减少甚至避 免接地故障带来的不良影响，使这种接地方式继续为供电部门保证供电可靠性 发挥作用。 1 2 主要研究内容和特色 近几年，社会对供电可靠性的要求越来越高，接地故障选线的重要性也日益明 显。学术界对于谐振接地系统故障选线的研究非常活跃，提出了大量新的选线原理。 接地故障实用选线技术也进入了一个快速发展时期；但是，据调查并不是所有的原 2 山东大学硕士学位论文 理方法，都研制成了相应的装置，相当一部分原理还是处于理论方法的探讨阶段， 有些只做了原理仿真，尚未形成原理样机。即便投入到配电网中，已做过实验的装 置，从现场使用单位反映的情况来看，也是良莠不齐。有些甚至根本达不到实用性。 然而，这种情况并没有真实、及时地反馈回来，近年来，发表的关于小电流接地故 障保护的文章，大都描述其原理方法以及装置效果良好，如果说早在八十年代，还 处于选线装置匮乏的状况，那么，尤其是近些年来，情况完全不同了，大有乱花渐 欲迷人眼之势。什么样的原理方法是有前景和先进的? 什么样的装置是实用和可信 的? 一个客观的评价标准是在必行了，本文参阅了大量的文献，整理归纳了目前业 已存在的各种小电流接地故障的选线原理和方法，重点介绍了几种常见的选线原理， 比如：谐波法、有功分量法、注入信号法、电流增量法、首半波法、行波法、暂态 法、小波法、零序导纳法等等。论述了上述选线方法的基本原理，考虑现场实际的 要求，介绍了以下几个基本的考量因素：可考性，安全性、适用性、便利性、经济 性。其中主要针对可靠性，分析了影响它诸多因素。并在此基础上，对现场中所应 用的几种选线技术及装置的进行了评价及分析，总结出它们各自的优缺点以及应用 状况。以期对各种方法有一个综合评价。最后，结合实例x j - 1 0 0 小电流接地故障 选线装置的介绍，提供实测的波形，以便于对同类原理方法感兴趣的相关人员借鉴 和参考。 3 山东大学硕士学位论文 第2 章小电流接地故障特征 2 1 接地故障的若干分类 按照故障点过渡电阻划分：可分为金属性接地故障，电阻接地故障， 高阻接地故障。按照是否需要人工处理划分：可分为永久接地故障，瞬时 性接地故障。按照故障点稳定性划分：可分为稳定性接地故障，非稳定性 接地故障；其中又分为：弧光接地故障，间歇性接地故障。 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 时的电流、电压的故障特征，有利于在此基础上，对各种选线原理方法的 研究分析。 2 2小电流接地故障稳态信号基本特征 2 2 1中性点不接地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。如 图2 1 所示，线路2 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i 倍，对地电容电流i 2 b 和i 2 c 也相应升高i 倍， 两相电压、电容电流之间的相位差为6 0 。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。 4 山东大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) 2 图2 - 1 中性点不接地电网单相接地故障时零序电流、电压关系 ( a ) 故障示意图( b ) 零序网络图 2 2 2谐振接地系统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 一7 9 ) 规定，在3 lo k v 系统中，若单相接地电容电流超过3 0 a ，或3 5 - 一6 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。 5 山东大学硕士学位论文 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。如图2 - 2 所示，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。 6 ( a ) ( b ) “= 寺l 1 2 图2 - 2 中性点经消弧线圈接地电网单相接地故障时零序电流、电压关系 ( a ) 系统故障示意图( b ) 零序网络图 。- 山东大学硕士学位论文 2 3 小电流接地故障暂态过程分析 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 接地方案后，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。 ， 7 山东大学硕士学位论文 2 3 1 中性点不接地系统暂态信号基本特征 i f l 图2 3 接地故障暂态分析等效电路 c 图2 - 3 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；是线路及电源回路反映在零序回 路中的等值电感；f 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；。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 大值附近。由图2 - 3 的等效电路可计算出故障发生在电压最大值时的电流 为 f ，：u 。钟( 堕p s i nc a 。f s i na i ) ( 2 3 1 ) 其中衰减系数万= 瓦r ，回路自由振荡频率缈。= 去。 现有文献哺1 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。采用中性点不接地方 8 山东大学硕士学位论文 式下，当配网系统中发生单相接地时，健全相电压升高，故障相电压降低， 甚至为了0 ；故障线路暂态电流幅值较大，极性与健全线路相反，同时，故 障线路的零序电流幅值大于健全线路的零序电流的幅值，且极性与健全线 路的相反。如图2 - 4 ，健全线路电流为本线路的电容电流，方向是从母线流 向线路；而故障线路电流为是所有健全线路的电容电流和，方向是从线路 流向母线。健全相的零序电流比其零序电压的的相位超前9 0 。，而故障线 路的零序电流相位比零序电压滞后9 0 。 2 - 4 不接地系统特征图 2 3 2 谐振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 ? 9 山东大学硕士学位论文 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。同样采用建模分析的方法，探求谐振接地系统的暂态信号 基本特征；所不同的是在消弧线圈接地的情况下，线路参数影响因素较多。 一般地认为，采用分步参数模型较为精确。首先需采用相模变换( 即c l a r k e 变换) ，将三相系统变换为没有耦合的模量系统。然后进行一系列地分析推 导，最终得到电气量分布及相频特性。这里推导省略。如图2 5 所示，配 网系统采用通过消弧线圈接地方式，当系统发生单相接地故障时，健全相 电压升高，故障相电压降低，暂态电流各相都较大，故障相的暂态电流会 更大些，且极性与健全线路的极性相反；由于消弧线圈的存在，使得故障 相的电流与没有消弧线圈时明显不同，电流幅值变小，极性也相反。并且 故障线路的零序电流幅值显著变化，甚至可能小于健全线路的零序电流幅 值，而故障线路的零序电流极性与健全线路的零序电流极性相同。零序电 流的相位超前零序电压9 0 。 u a , u b ，u 氏 山东大学硕士学位论文 2 4 接地点存在过渡电阻时工频特征 中性点沿半园轨迹运行，接地相电压不再为 其幅值随过渡电阻增加而增加。 系统零序电压和各出线零序电流则随之减小 各出线零序电流之间的幅值、相位关系保持 各出线零序电流和零序电压的相位关系保持 图2 - 6 中性点位移 b 2 5 关于高阻接地故障 以过渡电阻为划分标准不科学，应以零序电压幅值为标准n ，不同系 统中，同样的故障点过渡电阻对系统的影响是不同的，过渡电阻一定时， 电容电流越大的系统，、零序电压也越低 示例：电容电流为6 0 a 的系统，零序阻抗为1 0 0q 当故障点过渡电阻为oq 时，3 u o 为l o o v 当故障点过渡电阻为1 0 0q 时，3 u o 为7 0 v 当故障点过渡电阻为5 0 0q 时，3 u o 为2 0 v 当故障点过渡电阻为1 kq 时，3 u o 为1 0 v 高阻接地故障的成因： a 、配电线路沿途存在树木，线路某处与树枝接触，因树枝接地的阻抗较大， 一般不会形成明显的接地现象 b 、导线直接落地草坪、水泥地、甚至泥土地 c 、避雷器不完全击穿可能造成高阻接地故障 在中性点直接接地系统，高阻接地故障的检测也是一个难题 山东大学硕士学位论文 第3 章各种选线方法的基本原理 小电流接地故障选线是配电网个的困难的问题，多年来工程技术人员 南 不断地进行着研究，从而涌现出了许多原理方法。由于小电流接地故障的 复杂性，因而产生的选线方法也具有多样性。 3 1 选线方法分类 按照利用信号的稳态分量或者暂态分量，选线方法可分为稳态选线和 暂态选线两大类。谐波法、有功分量法、注入信号法、中电阻法、残流增 量法、小扰动法等属于稳态选线，而首半波法、新型暂态法、小波法、行 波法等属于暂态选线。综合法则二者兼有。 按照所利用信号的来源，选线方法可分为主动式选线和被动式选线两 大类。其中，主动式选线方法需要安装专用一次设备或需要其它一次设备 配合，以改变一次系统运行状态，利用其产生的附加信号或者利用向系统 注入特有信号实现选线；被动式选线方法不需要任何其它设备配合，仅依 靠故障自身产生的信号实现选线。按照该标准，注入信号法、中电阻法、 残流增量法、小扰动法属于主动式选线，而其它方法均属于被动式选线。 其它分类方法：利用零序信号( 又包含稳态零序信号和暂态零序信号) 、 利用相间信号，单一算法、复合算法等。 3 2 选线基本原理 3 2 1 谐波法 由于故障点、消弧线圈、变压器等电气设备的非线性影响，系统中畸 变的电流，引起电压波形的畸变，产生谐波电压。含量比较大的谐波主要 是奇数次谐波钔。三次谐波电流会在变压器三角形一侧产生环流，因此一 般其含量很小，可以忽略不计，系统谐波以五次、七次谐波分量为主。由 于消弧线圈对五次谐波的补偿作用仅相当于工频时1 2 5 ，可以忽略其影响。 并且谐波电流方向原理所使用的高次谐波相对于基波来讲谐波次数越高含 量越少，且易受干。因此，在理论上，故障线路中的五次谐波零序电流应 当最大，且滞后五次谐波零序电压9 0 。；非故障线路中的五次谐波零序电 1 2 山东大学硕士学位论文 流较小，且超前五次谐波零序电压9 0 。，也就是故障线路故障相与非故障 相的五次谐波电流大小不等，方向相反。因此，可以利用该特征进行故障 线路的选择n 屯1 5 1 ，据此可以选择故障线路，称为五次谐波法。利用故障前 后五次谐波变化特征，先由电流变化量的方向判断出接地故障相，再由各 出线回路故障相相比，从而实现故障选线。单相接地故障选线的判据是： ( 1 ) 、对于多出线回路，如果有一相的电流变化量与故障前电流的向量积 为零，则可判断该线路发生单相接地故障，并选出故障相。( 2 ) 、对于各出 线回路的故障相，电流变化量最大的故障相所在的回路，可判定为故障线 路，并发出选线信号。 为进一步提高灵敏度，可将各线路的三、五、七次等谐波分量的平方 求和后进行幅值比较，幅值最大的线路选为故障线路。 3 2 2 有功分量法 由于线路存在对地电导以及消弧线圈存在电阻损耗，故障电流中含有 有功分量。非故障线路和线圈的有功电流方向相同且都经过故障点返回， 因此，故障线路有功分量比非故障线路大且方向相反阳 。根据这一特点， 可选出故障线路。即可利用零序电压与零序电流，计算并比较各线路零序 有功功率的大小与方向来确定故障线路。 为避免零序电压互感器误差的影响，法国电力公司( e d f ) 提出了一种 仅利用零序电流的方法，称为d e s i r 法。故障后从所有出线中的零序电流 中提取基波有功分量，计算出故障点残余有功电流，将所有馈线的零序电 流相加得到一个电流相量厶，它实际上是由接地点返回的消弧线圈电流。 以超前l 且与其垂直的相量作为参考相量，它的方向大致与故障线路零序 电流中有功电流一致，因此，故障线路零序电流在参考相量上的投影极性 为正，且幅值最大；而对非故障线路来说，零序电流有功分量与厶方向相 反，在参考相量上的投影为负，且幅值较小，据此便可选出故障线路。 3 2 3 注入信号法 当系统发生接地故障后，接地相的电压互感器( t v ) 二次输出为零， 处于“闲置 状态。通过该t v 向一次系统反向耦合一电流信号，该信号沿 1 3 山东大学硕士学位论文 母线和故障线路的接地相流动，经故障点和大地返回n 们9 1 ，根据信号寻迹 原理即可确定故障线路和故障点。注入信号的频率取在各次谐波之间，保 证不被工频分量及各次谐波分量干扰。 早期设备需要通过便携式信号探测装置选择故障线路，费时费力且易 受电站强电磁环境干扰。后改为集中采集信号自动选择故障线路，但需要 在每条出线口安装专用信号传感器。 在注入单频信号的基础上，文 1 9 提出了注入变频信号法。根据故障 后中性点电压大小分别选择通过故障相t v 或者消弧线圈t v ，向一次系统注 入两种频率的恒流信号，再根据信号寻迹原理选线。注入变频信号的优点 是，可以利用故障点过渡电阻和线路分布电容在两种频率下的不同特性， 提高抗健全线路分布电容干扰的效果。 3 2 4 电流增量法 残流增量、小扰动、中电阻三种方法既有共性也有个性。其本质均为： 通过一次设备配合改变故障点工频电流的大小，利用各出线电流大小或者 其变化量大小选择故障线路1 。因此，将三种方法归纳为一类，并命名为 电流增量法。三种方法的区别主要在于故障电流变化量的大小及持续时间 不同，因此其效果也不相同。 3 2 4 1 残流增量法 在谐振接地系统中，自动调谐消弧线圈已逐步取代了传统的手动调谐 消弧线圈。接地故障后，自动调谐消弧线圈可处于最佳补偿状态，有利于 故障熄弧心们。 残流增量选线原理利用自动调谐消弧线圈补偿度改变或阻尼电阻投切 前后各出线零序电流的变化选择故障线路。随调谐方式消弧线圈正常时远 离谐振点，故障后迅速调整到最佳补偿位置；预调谐方式消弧线圈正常运 行时联接的阻尼电阻故障后须立即切除。上述方法均可引起线路电流的变 化：对于金属性接地故障，电流的变化仅体现在故障线路中；而对于存在 一定过渡电阻的故障，各条出线零序电流均有变化，但故障线路变化最大。 据此可确定故障线路。 1 4 山东大学硕士学位论文 目前，大多数自动调谐的消弧线圈均可实现残流增量选线。由于消弧 线圈带负荷调谐的制约及对系统安全的考虑，故障点残留电流的改变量较 小，一般在数安培到十安培左右。而根据消弧线圈调谐方式的不同，残流 改变的时间一般在数秒到数分钟不等。 为了避免直接带负荷调谐可能给消弧线圈带来的冲击和损伤，也有通 过在消弧线圈并联或串联选线用电阻或电感的方式实现残流增量。 3 2 4 2 小扰动法 小扰动选线方法是残流增量的一种特殊形式。对于非机械调谐的消弧 线圈，利用电力电子动作速度快的特点实现持续时间很短的残流变化( 一 般为数个工频周波) ，以尽量减小残流增加对系统的影响心。小扰动由快速 消弧线圈造成。其对单相接地故障的处理过程是：当接地故障发生时，首 先调节消弧线圈至谐振点附近补偿，快速消弧线圈进行补偿使瞬时性故障 得到最大限度地恢复；如果接地故障不消失，则