（电气工程专业论文）贵阳花溪变电站配网选线保护的研究.pdf

重庆大学工程硕士学位论文 中文摘要 摘要 贵阳花溪变电站的配电网采用的是小电流接地方式，这种接地方式在单相接 地故障时由于故障电流不明显，对选择故障线路造成很大的困难，如何寻找一种 方法能够尽快查找出故障线路，对提高供电可靠性和连续供电将有很好的作用。 长期以来，研究人员提出了许多方案，也有许多应用装置投入实际运行，但就同 前应用情况来看，效果不是很理想，是多年来一直未能很好解决的一个难题。 论文针对花溪变电站自动化规划的需要，在总结归纳已有选线原理和方案的 基础上，认真分析了已有方案存在的缺陷，提出了需要解决的问题。在详细分析 了小电流接地系统发生单相接地故障时暂态特征的基础上，提出应用具有良好的 时频局部化特性的小波变换提取故障暂态信息实现故障选线的方法。小电流接地 系统发生单相接地时。接地电容电流的暂态分量往往比其稳态值大几倍到几十倍， 采用能对突变的、微弱的非平稳故障信号进行精确处理的小波分析理论的选线算 法进行选线，可以很好的解决传统选线方法准确率低的问题。论文对各种故障情 况进行了深入研究，根据分析结果，在此基础上，论文提出了基于小波分析的小 电流接地选线装置的硬件和软件系统设计，提出了硬件设计中应该满足的技术要 求。按照实际应用需要，论文提出利用工控机系统作为该选线装鼍的硬件平台， 该方案可以节省硬件开发时间，很好的满足了暂态算法对硬件的特殊要求。为防 止在电流过零点附近发生的接地故障时的暂态量太小，论文提出利用电流增量进 行故障选线。弥补了单一选线方法的不足，可以满足实际应用中的需要。理论分 析及大量仿真实验证明，论文提出的选线方法准确、可靠，具有很好的选线效果。 在提高选线装置可靠性、准确性过程中提出了一些工程技术处理手段，使用了模 块化设计的程序编制思路，为程序的调试、链接、修改提供了便利，使得软件结 构清晰、简捷、流程合理。该装置实现了实时检测、故障选线、故障录波、故障 报警等诸多功能，实验表明本装置具有很好的应用价值，可以满足花溪变电站选 线保护的需要。 关键词：配电网，小电流接地系统，故障选线，小波变换 堡盎查堂旦壁堡主兰垡丝苎茎苎塑鐾 a b s t r a c t t h el o wc u r r e n tg r o u n d i n gm o d eo ft h en e u t r a lp o i mi nt h ep o w e rd i s t r i b u t i o n n e t w o r ki s a d o p t e di nh u a q io fg u i y a n g ，w h i c hh a sa l o to fa d v a n t a g e s h o w e v e r , t h e f a u l tc h a r a c t e r i s t i c sa r en o to b v i o u sw i t ht h i sk i n do fg r o u n d i n gm o d ew h e nt h e s i n g l e - p h a s eg r o u n d i n gf a u l th a p p e n s ，a sar e s u l tt h es e l e c t i o no ft h ef a u l t yl i n ei sv e r y d i f f i c u l t i fw ec a nf i n do u taw a yt os e l e c tt h ef a u l t yl i n ea sq u i c k l ya sp o s s i b l e ，i tw i l l d oal o to fg o o di nt h er e l i a b i l i t ya n dc o n t i n u a n c e so ft h ep o w e rs u p p l y d u r i n gt h e s e y e a r s ，r e s e a r c h e r sp u tf o r w a r dl o t so fs c h e m e s ，a n dm a n yt y p e so fe q u i p m e n t sw e r e a p p l i e di nt h eo p e r a t i o nt o o b u tt h ee f f e c ti sn o ts og o o df r o mt h ea p p l y i n gs i t u a t i o na t p r e s e n t ；i ti sad i f f i c u l tp r o b l e mt h a th a sn o tb e e ns o l v e di nr e c e n ty e a r s t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ep r i n c i p l e so ft h ee x i s t e df a u l t yl i n es e l e c t i o nm e t h o d s a n ds c h e m e s ，b a s e so nt h e m ，t h ep a p e ra n a l y z e st h el i m i t a t i o no f t h ee x i t e ds c h e m e sa n d b r i n g sf o r w a r ds o m eq u e s t i o n sn e e dt ob e s o l v e d t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h et r a n s i e n t c h a r a c t e rw h e nt h es i n g l e - p h a s eg r o u n d i n gf a u l th a p p e n si nt h el o wc u r r e n tg r o u n d i n g s y s t e m ，a d v a n c e saf a u l t yl i n es e l e c t i o nm e t h o db yu s i n go fw a v e l e tt r a n s f o r mt h a th a s n i c et i m e f r e q u e n c yl o c a lc h a r a c t e r i s t i ct op i c k - u pt r a n s i e n ti n f o r m a t i o n w h e nt h e s i n g l e - p h a s eg r o u n d i n gf a u l th a p p e n s ，t h et r a n s i e n tc o m p o n e n to ft h ec u r r e n to ft h e g r o u n d i n gc u r r e n tt r a n s f o r m e r i ss e v e r a lt od e c a d e st i m e st oi t s s t e a d yv a l u e t h e w a v e l e ta n a l y s i st h e o r yi sa b l et op r o c e s st h em u t a t i o n a l ，w e a k ，n o n s t a t i o n a r yf a u l t y s i g n a l s ；b yu s i n gt h i sa l g o r i t h m ，t h eq u e s t i o no ft h el o wa c c u r a c yo ft r a d i t i o n a ll i n e s e l e c t i o nm e t h o d sc a l lb es o l v e d a l lk i n d so ff a u l ts i t u a t i o n sa r ea n a l y z e di nt h ep a p e r , a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t s ，t h ep a p e rp r e s e n t ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h e l o wc u r r e n tg r o u n d i n gf a u l t yl i n es e l e c t i o ne q u i p m e n t ，p u t sf o r w a r ds o m et e c h n i q u e r e q u i r e m e n t so f t h eh a r d w a r ed e s i g n a c c o r d i n gt ot h ea p p l y i n ge x p e c t a t i o n si np r a c t i c e t h i sp a p e rd e c i d e st ou s ei n d u s t r i a lc o m p u t e ra st h eh a r d w a r ep l a t f o r mf o rt h i s l i n e s e l e c t i o nd e v i c e b yu s i n gh i ss c h e m ew ec a ns a v ed e v e l o p i n gt i m ea n dm a i n l yf o c u so n t h ea l g o r i t h mr e s e a r c ha n dq u e s t i o n sw em a yh a v et of a c ei nt h ea p p l i c a t i o n w h e n g r o u n d i n gf a u l th a p p e n sa tt h et i m ew h e nc u r r e n ti sz e r o ，t h et r a n s i e n tv a l u ei st o os m a l l i no r d e rt op r e v e n ti t ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt h ec u r r e n ti n c r e m e n tm e t h o dt os e l e c t f a u l t yl i n e i tc o v e r st h es h o r t a g eo fs i n g l el i n es e l e c t i o nw a y sa n ds a t i s f i e st h en e e di n t h ep r a c t i c ea p p l i c a t i o n t h e o r ya n a l y s i sa n dl o t so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sp r o v et h a t t h em e t h o dp r e s e n t si nt h ep a p e ri sa c c u r a t e ，r e l i a b l ea n do fn i c ee f f e c t i no r d e rt o i i 煎庆人学工程硕士学位论文英文摘要 i m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n dp r e c i s i o no f t h ed e v i c e ，t h ep a p e rp r e s e n t ss o m ee n g i n e e r i n g p r o c e s s i n gm e t h o d sa n du s e sm o d u l a rp r o g r a m m i n gi d e a i tp r o v i d e sa d v a n t a g e sf o rt h e p r o g r a m m i n gd e b u g g i n g ，l i n k i n g ，t r a n s p l a n t i n ga n du p d a t i n g ，a s ar e s u l tt h es t r u c t u r eo f t h es o f t w a r ei sc l e a r , c o m p a c ta n dl o g i c a l t h ed e v i c er e a l i z e sm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha s t h er e a l - t i m ed e t e c t i o n ，f a u l t yl i n es e l e c t i o n ，f a u l t yr e c o r d i n ga n df a u l ta l a r ma n ds oo u 、 i tc a nm e e tt h es p e c i f i c a t i o n si nt h ep r a c t i c eo p e r a t i o n t h ed e v i c ea s s e m b l e sb a s i n go n t h ei n d u s t r i a lc o m p u t e r , i ts a t i s f i e st h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t so ft h et r a n s i e n ta l g o r i t h m t ot h eh a r d w a r e ，t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h i sd e v i c ei so f g r e a ta p p l y i n gv a l u e k e y w o r d ：p o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，l o wc u r r e n tg r o u n d i n gs y s t e m ，f a u l t yl i n e s e l e c t i o n ，w a v e l e tt r a n s f o r m 重庆大学工程硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 国内外电力系统的中性点接地方式主要有直接接地、电抗接地、低阻接地、高 阻接地、谐振接地( 又称消弧线圈接地) 和不接地等几种。其中，前三种称为大电流 接地系统，后三种称为小电流接地系统。 大电流接地系统的特点是：( 1 ) 当发生单相接地故障时，由于采用中性点有效 接地方式，存在短路回路，所以接地相电流很大。( 2 ) 为了防止损坏设备，必须迅 速切除接地相甚至三相，因而供电可靠性低；( 3 ) 由于故障时不会发生非接地相对 地电压升高的问题，对于系统的绝缘性能要求也相应降低。 小电流接地系统的特点是：( 1 ) 由于中性点非有效接地，当系统发生单相短路接 地时，故障点不会产生大的短路电流，因而系统容许短时间带故障运行：( 2 ) 当系 统带故障运行时，非故障相对地电压将升高，容易引起各种过电压，危及系统绝缘， 严重时会导致单相瞬时性接地故障发展成单相永久接地故障或两相故障。 对于l l o k v 以上的高压、超高压和特高压电力系统，绝缘费用在设备总价中占 相当大比重，必须考虑限制工频电压升高和瞬时过电压，所以一般采用中性点有效 接地方式，而对于l o o k v 以下的中低压电力系统接地故障电流成为系统故障需要解 决的主要问题，所以中低压网一般都采用小电流接地方式。那么究竟采用那种接地 方式? 由于历史原因和具体条件迥异，各个国家的处理方式不尽相同。美国、英国以 直接接地和小电阻接地为主；德国般都采用谐振接地方式；前苏联、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。对于我国1 0 - - 6 6 k v 系统中性点，逐步改造为采用不接地或经消弧线圈接地两种 方式。在8 0 年代中后期，有些城市和地区配电网的中性点采用了经低电阻接地方式， 近年来各种不同形式的自动跟踪补偿的消弧线圈开始在配电系统中运行。 1 i 实践表明，单相接地故障是配电网的主要故障形式，据初步估计约占系统故障 的7 0 以上。单相接地电流过大，造成故障处绝缘严重破坏，常常发展为两相或三 相短路，引发停电事故，严重影响了配电网的安全运行，给国家造成大量的经济损 失，因此研究小电流接地系统单相接地故障的保护具有很强的实用意义。 我国7 0 年代开始研制专用接地选线保护装置，但由于国家以前对配电网不太重 视，投资较少，使配电线路所能采集到的信息量非常少，只能采用重合器和分段器 相互配合的方式实现故障区段的自动隔离和恢复供电。随着国家投资力度的增加和 对供电质量要求的提高，这种配合方式已不能满足要求，加之配电网结构复杂，运行 方式多变，使配电网的故障选线受到更多的限制，现有的一些故障选线保护因此都 重庆人学工程硕士学位论文 绪论 存在着一定的不足之处。 随着系统容量的增长，馈线增多，尤其是电缆线路的大量使用，导致系统电容 电流增大，长时间运行可能会发展成两相短路，也易诱发持续时间长、影响面广的 间歇电弧过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行。所以，如果能准确、可靠地 进行接地故障保护选线，及时找到故障线路和发现绝缘隐患并将其予以排除，从技 术上保证电网的安全运行，提高供电可靠性就显得尤为重要【2 i 。 综上所述，如能根据配电网故障特点，建立较完善的电路模型，利用微机的灵 敏度高、计算速度快和分析判断能力强的特点，通过采集、计算，实现配电网接地 故障的保护，将具有重要的学术意义和实际应用价值。 1 2 当前主要故障选线方法 1 2 1 实时在线的故障选线方法净” 1 ) 零序电流比幅法 中性点不接地系统单相接地短路时，只要通过零序电流幅值大小比较就可以找 出故障线路，实现保护。但这种方法不能排除c t 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。 2 ) 零序电流相对相位法 中性点不接地系统中只要比较io 方向就可找出故障线路。但在故障点离互感器 较远且线路很短时，u o 、io 均较小，会产生“时针效应”，相位判断困难。且受c i 不平衡电流、过渡电阻大小、继电器工作电压死区及系统运行方式的影响，易误判， 对谐振接地系统失效。 3 ) 群体比幅比相法 将所有出线的零序电流排队，对幅值较大的出线迸行相位比较，选出方向与其 它不同的，即为故障线路。该方法在一定程度上解决了前两种方法存在的问题，但 同样不能排除c t 不平衡电流及过渡电阻大小的影响，“时针效应”仍可能存在。 4 ) 五次谐波分量法 经消弧线圈接地的系统中，消弧线圈是按照基波整定的，即有u l 。1 “，c ，因 此5 l 远大于1 5 c ，可忽略消弧线圈对五次谐波产生的补偿效果，从而零序电 流五次谐波分量在谐振接地系统中有着与中性点不接地系统中零序电流基波相同的 特点，所以可以利用前述原理( 如群体比幅、比相法等) ，即可解决谐振接地系统的 选线问题。但负荷中的五次谐波源、c t 不平衡电流和过渡电阻大小，均会影响选 线精度。 5 1 首半波法 2 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 当故障发生在相电压接近于最大值的瞬间时，暂态电容电流比暂态电感电流大 得多。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。但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。 6 ) 基于最大( i s i n 巾) 原理的选线方法【1 7 1 通过一个中间参考正弦信号，使各线路故障前的i o 对故障母线在故障后的u 。 亦能找出相位关系，由此再把所有线路故障前、后的i o 都投影到故障线路的i 。的理 论方向上。 然后计算出各线路故障前、后的投影值之差中最大的一个，若i 。 o ，则线 路k 为故障线路，否则为母线故障。此法的本质是寻求最大零序无功功率突变量的 代数值，从理论上基本消除了c t 不平衡的影响，但也有两个缺陷：1 ) 若参考信号 出问题，将造成算法失效；2 ) 需求出有关相量的相位关系，计算量太大。 7 ) 模糊推理、模式识别已应用于故障选线的方法引： 在对零序高次谐波电流群体比幅比相的微机选线保护中，应用模糊推理对其比 相方案进行完善，实质就是根据群体比较法，将多种方案综合考虑，按模糊决策组台 来确定故障线路。若将故障后各线路零序电流看成某类故障的一个模式，通过神经网 络对样本训练与学习来判断此故障模式所属类别来选线，就是典型的模式识别问题。 8 ) 基于负序电流的选线保护方法： 短路时，负序电流在系统中的分布与零序电流相似，且故障线路上的负序电流 大小、方向均与非故障线路上的不同，据此给出选线判据。但负序电流受系统不对 称度和负荷特性的影响较大，这必然导致该方法在实际应用中的困难。 9 ) 基于小波分析的故障选线保护方法 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。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，就能构造出利用暂态信号的选线 削据。 目前依据小波原理实现的单相接地故障选线保护的装置较少，考虑到在利用小 重庆大学程硕七学位沦文 绪论 波算法实现的接地选线保护的方法中，影响其动作性能方面涉及小波的选择、采样 精度和频率的控制、噪声的抑制、选线保护的配合等，不同的小波选线保护有不同 的特点，有必要进一步分析、研究这种选线保护。 1 2 2 信号注入和手动选线方法”1 1 ) 拉线法 拉线法的原理就是指小电流接地系统发生单相接地故障时在电压互感器开口三 角形上将会出现零序电压，利用电压继电器，发出接地信号，值班人员依次拉合所 有馈出线，接地信号消失时，即可以知道接地线路。 2 ) 注入变频信号法 其原理是： a ) 系统正常运行时，由消弧线圈电压互感器注入信号，测量系统谐振频率，计算 电容电流。测量过程中，无需调节消弧线圈，无需变换一次系统参数，无需求解方程。 测量方法简单、直接，已成功地应用于消弧线圈自动调整系统。 b ) 高阻接地故障时，中性点位移电压变化小。采用向零序电压互感器注入谐振 频率信号、测量零序信号电压、计算接地电阻，辨识高阻接地故障，可实现高灵敏度发 电机定子接地保护，且不受系统运行的影响。 c ) 故障选线时，比较位移电压与故障相电压的大小，如位移电压较低，则从消弧 线圈电压互感器注入谐振频率恒流信号，反之，则从故障相电压互感器注入监视各出 线零序信号功角、阻尼率，进行故障选线。其具有选线精度高，抗高阻接地能力强。目 易与馈线保护结合为一体，置于开关柜上，实现就地保护与控制。 1 3 花溪变电站概况 1 1 0 k v 花溪变位于贵州省著名风景名胜花溪区，为花溪地区供电，花溪公园、 国宾馆等重要用户均由该站供电，因此，该站在贵阳市南供电局配电网中的地位十 分重要。 花溪变由两条1 1 0 k v 线路提供电源，分别是1 0 2 南花凉线和1 0 3 南花线，1 1 0 k v 采用内桥接线；有两台主变( 无载调压) ，容量为2 3 1 5 m v a ；3 5 k v 为单母分段接 线，出线共6 回：1 0 k v 为单母分段接线，出线共1 2 回；1 0 k v 电容器2 组，1 0 v 所用 变压器2 台，所用变无高压断路器。 由于花溪变的重要性，贵阳市南供电局拟对该站进行综合自动化改造，实现“四 遥”功能，逐步实现少人值班无人值守，为此，必须对该站的小电流接地检测系统 进行同步改造，以自动监测选线保护代替人工拉合断路器进行接地选线，提高选线 的准确率，降低劳动强度，提高供电可靠性。 鉴于目前所使用的小电流接地选线装置的准确率较低，一般仅为5 0 左右，对 4 露庆人学【稃硕士学位论文 绪沦 f 重要变电站花溪变，这种成功率是不能接受的，为此，需要研制新型选线保 护装置。 目前，花溪变1 0 k v 线路有1 2 条，其中3 条为用户专线，分别为0 2 4 溪矿线、0 2 2 溪三线、0 0 6 溪红线，由用户自行维护，其余9 条线路为公用线路，由贵阳市南供电 局维护，线路的基本情况如下表： 表1 1 花溪变l o k v 出线情况表 1 矗b l e l 1 序号线路名称 运行编号线路长度( 公里)其中电缆长度( 公里) l 溪天线0 0 22 4 6 9 60 0 2 6 2溪万线0 0 34 2 90 0 2 2 3溪电线 0 0 4 2 7 5 4 o 0 2 1 4溪镇南线 0 0 51 4 9 9 41 8 5溪塘线 0 2 l1 8 7 2 30 0 2 6 6溪青线0 2 31 7 0 7 9 0 0 3 1 7溪铁线 0 2 55 0 8溪泥线0 2 62 5 9溪镇北线 0 2 7 1 9 8 9 1 1 8 1 4 论文的主要内容 论述了电力系统中性点接地方式的种类和发展情况，介绍了各种小电流接地 方式的优缺点，分析了小电流接地系统单相接地故障的机理，介绍了现有故障选线 保护的选线原理以及它们存在的问题。 结合近几年国内外小波分析理论及其在电力系统暂态信号分析领域的研究 成果和文献，系统地研究了利用小波分析的时频局部化特性、信噪分离技术和信号 特征提取等实用技术对故障暂态信号进行处理，提出应用小波变换处理故障暂态信 息实现小电流接地系统故障选线保护，论文中对不同的小波进行了比较，选定了适 合迸行单相接地选线保护的小波。提出了实现小波选线保护需要满足的技术指标， 包括采样频率、采样的同步控制、采样精度、噪声抑制、算法配合等。 在理论分析的基础上，按照小波选线保护的技术要求，详细论述了利用工控 机研制新型小电流接地选线保护装置的整体设计方案和具体内容，针对变电站特殊 的电磁场环境，研究了微机装置的软件、硬件的抗干扰问题，并提出了改善装置可 靠性问题的若干措施。 完成了花溪变电站配网选线保护装雹的研制。 重庆人学上程硕士学位论文 2 小电流接地系统单相接地故障特征分析 2 小电流接地系统单相接地故障特征分析 2 1 引言 在配电网巾，广泛采用中性点不接地或经消弧线圈接地( 谐振接地) 的运行方式， 即小电流接地系统。采用小电流接地方式可提高供电可靠性，所以被很多国家配电系 统采用。但由于小电流接地电网单相接地时故障电流非常小，加之配电网结构复杂， 运行方式多变，使配电网的故障选线受到很多的限制，这就给故障选线傈护造成困 难，采用常规继电保护装置根本无法检出故障线路。 对于保护来说，进行充分的故障分析是设计和实现保护的必要条件。因此，首 先需要进行的是小电流接地系统的故障分析，以便发现故障特征。 22 小电流接地系统单相接地时的暂态过程。6 “”1 目前所提出的故障选线方法大部分都是以故障后稳态零序电流的分布特征进行 设汁的，为了比较当前故障逸线方法的优劣，在此基础上刃日咀改进和完善，研究更 加可靠、有效的选线方法，在此，对小电流接地系统单相接地故障电流特性加以简 单的分析。小电流接地系统单相接地时电流分布如图2 1 所示。这里主要针对在我 国比较普遍的小电流接地系统，即不接地系统和经消弧线圈接地系统展开讨论，当 开关k 打开时对应中性点不接地系统；k 闭合时对应经消弧线圈接地系统。 开关k 扣开时对应中性点不接地系统；k 闭合时利应经消弧线圈接地系统。 一，i 撇 上i j _ 矗l 二乒! 工毒 三：i 一 l 一+ 孑窍，工t z 一一电感电浣分布一斗卜电容电流分布一草席电流分布 图2 1 小电流接地系统单相接地 f i g 2 l s i n g l e p h a s e - t o e a r t hf a u l tf o rs m a l lc t l l x e n tg r o u n d i n gp o w e rs y s t e m 6 重庆人学j 二程硕士学位论文2 小电流接地系统单相接地故障特征分析 2 小电流接地系统单相接地故障特征分析 2 1 引言 在配电网中，广泛采用中性点不接地或经消弧线圈接地( 谐振接地) 的运行方式， 目l j l j , 电流接地系统。采用小电流接地方式可提高供电可靠性，所以被很多国家配电系 统采用。但由于小电流接地电网单相接地时故障电流非常小，加之配电网结构复杂， 运行方式多变，使配电网的故障选线受到很多的限制，这就给故障选线保护造成困 难，采用常规继电保护装置根本无法检出故障线路。 对于保护来说，进行充分的故障分析是设计和实现保护的必要条件。因此，首 先需要进行的是小电流接地系统的故障分析，以便发现故障特征。 2 2 小电流接地系统单相接地时的暂态过程d 6 。钆5 2 3 目前所提出的故障选线方法大部分都是以故障后稳态零序电流的分布特征进行 设计的，为了比较当前故障选线方法的优劣，在此基础上加以改进和完善，研究更 加可靠、有效的选线方法，在此，对小电流接地系统单相接地故障电流特性加以简 单的分析。小电流接地系统单相接地时电流分布如图2 1 所示。这里主要针对在我 国比较普遍的小电流接地系统，即不接地系统和经消弧线圈接地系统展开讨论，当 开关k 打开时对应中性点不接地系统；k 闭合时对应经消弧线圈接地系统。 - j 姒 ll 一 姒 如 一+ 电感电流分布呻斗卜电容电流分布叶零席屯流分布 图2 1 小电流接地系统单相接地 f i g 2 1 s i n g l e p h a s e 。t o e a r t hf a u l tf o rs m a l lc u l t e n tg r o u n d i n gp o w e rs y s t e m 6 重庆大学工程硕士学位论文2 小电流接地系统单相接地故障特征分析 小电流接地系统发生单相接地故障时，全系统都将出现与接地相接地静电压反 向的零序电压，故障线路的零序电流为非故障线路的零序电流之和。已有的选线方 法大多根据这一特征进行设计。 对于小电流接地系统，故障分量由接地故障点经各条线路对地电容构成回路。 由于线路分布电感、电容的存在，在故障暂态分量中含有多种频率成分。对于中性 点不接地电网，故障点会有衰减很快的暂态电容电流流过，对于谐振接地电网，还 含有衰减很慢的暂态电感电流。故障电压和电流的暂态过程含有丰富的故障信息， 只要能够获得过渡过程中的特征量，即可望提高选线精度。 在暂态过程中，可以利用图2 2 所示的等效网络对电容电流分量进行估算。 j 图2 2 分析过渡过程的等效网络 f i g 2 2e q u i v a l e n tn e t w o r kf o rt r a n s i e n tp r o c e s s 图2 2 中表示了网络的分布参数r 、三、c ，以及消弧线圈的集中电感上，在分 析电容电流的暂态特性时，因其自由震荡频率般较高，考虑到l ， l ，因此， 实际上，f ，和坛不影响电容电流分量的计算，因而可以忽略。决定回路自由振荡衰减 的电阻r ，包括导线的电阻、大地的电阻以及故障点的过渡电阻。 在忽略t 和三。以后，对暂态电容电流的分析实际上就是一个r 、l 、c 串联回路 突然接通“( r ) = 0 。c o s 0 2 时的过渡过程的分析。此时流经故障点电流的变化形式主 要决定于网络参数r 、l 、c 的关系。 设磊 z 则 当r z 。时，电 流经非周期衰减而趋于稳态值。 通常架空线路的波阻抗为2 5 0 5 0 0 q ，同时，故障点的接地电阻一般较小，弧 道电阻又常可忽略不计，一般都满足r z 。的条件，因此，故障点的电流具有周期 性的振荡形式，根据分析和测量的结果，自由振荡频率一般在3 0 0 1 5 0 0 h z 的范围 内。对于电缆线路，很小而c 很大，因此，其过渡过程与架空线路相比，所经历的 时间极为短促且具有较高的自由振荡频率，一般在1 5 0 0 3 0 0 0 h z 之间。线路越长 重庆人学工挥硕十学位论文2 小电流接地系统单相接地故障特征分析 时，自振频率越低，暂态电容电流的自由振荡分量的幅值也会降低。 在后面将对暂态故障电容电流和电感电流变化的特性分别进行分析。 2 2 1 暂态电容电流 在分析电容电流的暂态分量时，因其自由振荡频率般较高，消弧线圈的作用 可以忽略。所以，其暂态过程中的特点与中性点不接地系统基本相同。 可以将暂念电容电流看成是以下两个电流之和： 1 ) 由于故障相电压突然降低而引起的放电电容电流，它通过母线而流向故障 点，放电电流衰减很快，其振荡频率高达数千赫兹，振荡频率主要决定于电网中线 路的参数( r 和l 的数值) 、故障点的位置以及过渡电阻的数值。 2 ) 由非故障相电压突然升高而引起的充电电容电流，由于整个流通回路的电感 较大，因此，充电电流衰减较慢，振荡频率也较低，仅数百赫兹。 当开关合闸后，有下列方程式： 甄+ 三譬+ 三( i d t = ms i n ( c o t + 妒) ( 2 1 ) i ，是暂态电容电流，它是有暂态自由振荡分量。和稳态工频分8 二c 。两部分组 成：u 。是相电压的幅值；p 是相电压的初相角。利用产o 时奄。+ f 。= 0 这一初始 条件和，。= 。( o c 的关系，经过拉氏变换等运算得： ：t 。+ t 。：。i f 竺s i n 矿s i n t o t c o s 9 c 。s c o t j p 一女+ c o s ( c o r 十妒l ( 2 2 ) n o j 其中珊，为暂态自由振荡分量的角频率；j 一1 砉，为自由振荡分量的衰减 乇 z l 系数，其中一、为回路的时间常数。若系统的运行方式不变，则，为一常数，自由振 荡的速度随f ( ，的增大而减缓。由2 2 式可以知道自由振荡分量t 。；中含有正弦和余弦 两个因子，故理论上说在相角为任意值时，均会产生自由振荡分量。当p = o 时其值 最小，当口= 万2 时其值最大。此时，当故障相电压峰值接地时，电容电流自由振 荡分量的振幅出现最大值f c 。一，时间为f = 0 4 ( 0 = 2 z r a ) ，为自由振荡的周期) 其值为： ，毒 f c y 。一= ，l e “。 ( 2 3 ) c c ， 由2 3 式可知，暂态自由振荡电流分量的最大值f c 。与暂态自由振荡分量的角频率 鲫，和工频角频率琊之比成正比。即最大电流和稳态电流之比，近似等于共振频率与 工频频率之比，它可能较稳态值大几倍到几十倍。 当故障相电压在零值( 妒= o ) 接地时，暂态自由振荡电流的幅值最小，并在 扭巧2 时出现，该自由振荡电流分量的最小值f c 。为： 重庆人学二程硕士学位论文2 小电流接地系统单相接地故障特征分析 i c 。= i c m e “ ( 2 4 ) 由2 4 式可知此时暂态电容电流的自由振荡分量，恰好与工频电容电流的幅值相 等，因此，若在舻= o 时发生单相接地故障，就不会产生暂态电容电流分量。电网的 结构。大小和运行方式不同时，会引起暂态过程的改变。配电网的自振频率范围一 般在3 0 0 - - 3 0 0 0 h z 。线路越长时，自振频率越低，暂态电容电流的自由振荡分量的 幅值也会降低，同时，自由振荡的持续时间一般也会减少至半个工频周期左右，因 为电网的自振频率一般较高，而且衰减较快，所以最大电流存在时间就十分短暂。 2 2 2 暂态电感电流 根据非线性电路的基本理论，暂态过程中的铁芯磁通与铁芯不饱和时的方程式 相同，因此只要求出暂态过程中消弧线圈的铁芯磁通表达式，消弧线圈的电感电流 便迎刃而解。根据等效电路图不难写出下列方程式： u s i n ( c o t + 妒) ：_ f + w d 矿- ( 25 ) c 1 式中：形为消弧线圈相应分接头的线圈匝数；t f ，为消弧线圈铁芯中的磁通。 因为在补偿电流的工作范围消弧线圈的磁化曲线工作在线性范围，故 t = 善凯，并且假设三相的对地电容彼此相等，故在接地故障开始之前，消弧线圈 l 中没有电流通过，即y ，为零，利用这一初始条件，同时将i ，之值代入上式，便可得 到磁通v ，的方程式： 厅。 l = 甲。罢刍 c o “伊+ 掌弦i i c o s ( c o t + 妒+ 孝) 】 ( 2 6 ) 二 r ， 式中：匕= 兰等为稳定状态时的磁通；善= t g g l ，为补偿电流的相角； mm ：= 疙+ ( 越) 2 为消弧线圈阻抗，吒为电感回路的时间常数。 因为_ 础故可取z “c o l ，z0 。考虑到也= + 匕上式可简化为 吵l = 匕l o o s e “一c o s ( 珊+ 妒) ( 2 7 ) r ， 又由于i l = i 。+ f ，| 。和，m = 二粤，便可写出暂态电感电流的表达式： “m t = ，l 。 c o s q , e 一“一c o s ( 珊t + 9 ) 1( 2 8 ) 线圈中的磁通和电感电流均是由暂态的直流分量和稳态的交流分量组成的，而 暂态过程的振荡角频率与电源的角频率相等，且其幅值与接地瞬间电源电压的相角 有关，当妒- - - - 0 时，其值最大；当妒= x 2 时，其值最小。若在妒= o 时发生单相接 地故障，经过半个工频周波或f = t 2 = x c o 后，磁通和电感电流均达到最大值，两 者分别为： 9 重庆大学工程硕士学位论文2 小电流接地系统单相接地故障特征分析 妒l = 匕( 1 + p “) 、 、z ，yj 生口 f 。= ，h ( 1 + p “) 通过上面的分析我们发现电感电流主要由直流分量和稳态的交流分量组成，当 我们考虑消弧线圈的铁芯饱和时，电感电流中不可避免的会有一定的高次谐波分量， 其值随铁芯的饱和程度的不同而变换，理论分析和实测结果表面，电感电流暂态过 程的长短与接地瞬间的电压相角、铁芯的饱和程度同时有关。若p = 0 ，则电感电流 的直流分量较大，时间常数较小，大约在一个工频周波之内便可衰减完毕。若口= z 2 ，则暂态直流分量较小，时问常数增大，一般在2 - - 3 周波，有时可持续3 5 周 波，而且其频率和工频相同。 2 2 3 暂态接地电流 暂态接地电流由暂态电容电流和暂态电感电流叠加组成，其特性随二者的具体 情况而定，通过上述分析可以知道暂态过程的初始阶段，暂态接地电流的特性主要 由暂态电容电流的特性所确定，为了平衡暂态电感电流中的直流分量，于是在暂态 接地电流中便产生了与之大小相等，方向相反的直流分量，它虽不会改变接地电流 的首半波的极性，但对幅值会带来明显的影响。 关于暂态接地电流屯的表达式可由上式导出，其值为： 岱 一二 i f = i c ：+ f = ( ，( 抽一，l 。) c o s ( t + 妒) + ，c ( 1 s i n 妒s i n 垃矿一c o s 妒c o s ，) e 叶 倒 ( 2 1 0 1 + ，mc o s i n e “ 式2 1 0 中的第一项为接地电流稳态分量，等于稳态电容电流和稳态电感电流之 差，其余为接地电流的暂态分量，其值等于电容电流的暂态自由振荡分量与电感电 流暂态直流之和。通过上式说明暂态分量中电容电流分量和电感电流分量两种的幅 值不仅不能相互抵消，而且甚至可能彼此叠加，使得暂态电流幅值明显增大。 此外当输电线路发生故障时，在故障分量叠加电压的作用下，将产生由故障向 线路两端传播的行波。州 设变电站母线上接有l 卜l 2 、l 3 3 条架空线及电缆线路l 4 ，还接有p t 、电容器、 避雷器等设备。l l 发生单相接地故障时，故障点f 产生的行波如图3 3 所示。 其中i 2 、i 3 、i 4 分别为线路l 2 、l 3 、l 4 的电流折射波，i 1 3 为i 1 1 在节点a 的反 射波。则：l 。2 如+ 岛+ _ + + 3 。 综合以上理论分析，并结合相关文献，将小电流接地系统单相接地故障特征 总结如下： 重庆人学丁程硕士学位论文2 小电流接地系统单相接地故障特征分析 1 ) 当单相接地故障发生后，在故障点便会有衰减很快的暂态电容电流和衰减很 慢的暂态电感电流通过。不论电网的中性点为谐振接地或不接地方式，发生故障的 瞬间，其过渡过程是近似相同的。在暂态过程的初始阶段，暂态接地电流的幅值和 频率特性主要由暂念电容电流的特性所确定。暂态接地电流的幅值和频率主要由暂 态电容电流所确定，其幅值与初相角有关。暂态电容电流的幅值虽然很大，可是持 续时间很短，约为o 5 1 0 个工频周波，暂态自由振荡电流分量的最大值i c 。与暂 态自由振荡分量的角频率掰，和工频角频率之比成正比，它可能较稳态值大几倍到 几十倍。 2 ) 暂态电感电流均是由直流分量和稳态的交流分量组成，其直流分量的初始值 与初始角、铁：蓉的饱和程度同时有关，暂态电感电流的频率与工频相同，持续时间 一般在2 3 个工频周期，为了平衡这一直流分量，接地电流中也伴随着大小相等方 向相反的直流分量。 3 ) 故