（电力电子与电力传动专业论文）交流浮地电网对地绝缘故障相判别方法的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= ；= = = ；= = = = = = = = 2 = = = ；= = 一一 1 绪论 1 1 电力系统中性点接地方式概论。8 1 电力系统的中性点接地方式是个综合性的技术问题。它与系统供电的可靠 性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通信干扰( 电磁环 境) 及接地装置等问题有密切的关系。 在发展初期，电力系统的容量较小，当时人们认为工频电压升高是绝缘故障 的主要原因，即使相电压短时间升高至3 倍，也会威胁安全运行。由于对过电流 的一系列危害作用估计不足，同时对电力设备耐受频繁过电流冲击的能力估计过 高，所以，电力设备的中性点最初都采用直接接地方式运行。 随着电力系统的扩大，单相接地故障的增多，线路断路器经常跳闸，造成频 繁的停电事故。于是，使将上述的直接接地方式改为不接地方式运行。 尔后由于工业发展较快，使电力传输容量增大，距离延长，电压等级逐渐 升高，电力系统的延伸范围不断扩大。在这种情况下发生单相接地故障时，接地 电容电流在故障点形成的电弧不能自行熄灭，同时，问歇电弧产生的过电压往往 又使事故扩大，显著地降低了电力系统运行的可靠性。 为了解决系统中出现的这些问题，当时世界上两个工业比较发达的国家分别 采取了不同的解决途径。德国为了避免对通信线路的干扰和保障铁路信号的j f 确 动作采用了中性点经消弧线圈的接地方式，自动消除瞬间的单相接地故障；美 国采用了中性点直接接地和经低电阻，低电抗等接地方式，并配合快速继电保护 和开关装置，瞬间跳开故障线路、这两种具有代表性的解决办法对后来世界上 许多国家的电力系统中性点接地方式的发展产生了很大的影响9 。 近几十年来，在飞速发展的社会生产力的推动下，已经形成了遍硇i 世界各地 的强大电力系统。当今世界上已经有了从低压、中压、高压到超高压、特高压等 多种电压等级的电力系统。在不断深化的理论研究和日益丰富的运行经验的基础 上，人们对中性点的各种不同接地方式有了更好的掌握，并进行了创造性的应用， 使当今电力系统的建设发展和安全经济运行均达到了很高水平。 1 2 浮地电网系统绝缘故障概述 我国舰船所采用的浮地电网供 l 王系统属于巾性点刁i 接系统，即中性点刈“地 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= ；= = = ；= = = = = = = = 2 = = = ；= = 一一 1 绪论 1 1 电力系统中性点接地方式概论。8 1 电力系统的中性点接地方式是个综合性的技术问题。它与系统供电的可靠 性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通信干扰( 电磁环 境) 及接地装置等问题有密切的关系。 在发展初期，电力系统的容量较小，当时人们认为工频电压升高是绝缘故障 的主要原因，即使相电压短时间升高至3 倍，也会威胁安全运行。由于对过电流 的一系列危害作用估计不足，同时对电力设备耐受频繁过电流冲击的能力估计过 高，所以，电力设备的中性点最初都采用直接接地方式运行。 随着电力系统的扩大，单相接地故障的增多，线路断路器经常跳闸，造成频 繁的停电事故。于是，使将上述的直接接地方式改为不接地方式运行。 尔后由于工业发展较快，使电力传输容量增大，距离延长，电压等级逐渐 升高，电力系统的延伸范围不断扩大。在这种情况下发生单相接地故障时，接地 电容电流在故障点形成的电弧不能自行熄灭，同时，问歇电弧产生的过电压往往 又使事故扩大，显著地降低了电力系统运行的可靠性。 为了解决系统中出现的这些问题，当时世界上两个工业比较发达的国家分别 采取了不同的解决途径。德国为了避免对通信线路的干扰和保障铁路信号的j f 确 动作采用了中性点经消弧线圈的接地方式，自动消除瞬间的单相接地故障；美 国采用了中性点直接接地和经低电阻，低电抗等接地方式，并配合快速继电保护 和开关装置，瞬间跳开故障线路、这两种具有代表性的解决办法对后来世界上 许多国家的电力系统中性点接地方式的发展产生了很大的影响9 。 近几十年来，在飞速发展的社会生产力的推动下，已经形成了遍硇i 世界各地 的强大电力系统。当今世界上已经有了从低压、中压、高压到超高压、特高压等 多种电压等级的电力系统。在不断深化的理论研究和日益丰富的运行经验的基础 上，人们对中性点的各种不同接地方式有了更好的掌握，并进行了创造性的应用， 使当今电力系统的建设发展和安全经济运行均达到了很高水平。 1 2 浮地电网系统绝缘故障概述 我国舰船所采用的浮地电网供 l 王系统属于巾性点刁i 接系统，即中性点刈“地 华中科技大学硕士学位论文 绝缘系统，其优点为当一相( 线) 对地短路时不会出现短路跳闸而导致供电中断， 同时对人员的人身安全也有保证，即使触及一根线也不会发生触电事故“。 以实际运行中的舰船电力系统为例，电网与船体( 地) 之间存在分确j 电容， 各种设备还接有一些用于减少干扰的去耦电容，因而电网并非是理想的对“地” 绝缘系统，这时，如果电网绝缘较差甚至发生单相接地故障，将产生较大的漏电 流或接地故障电流，但其电流数值不足以使保护电器动作，所以故障长期存在， 并导致以下后果。 ( i ) 引起局部发热，使绝缘损坏加剧，可能产生电弧，甚至引起火灾。 ( 2 ) 故障进一步扩大，甚至两根线对“地”绝缘均极差时，便可能出现两相短 路，造成跳闸断电。 因此绝缘问题是影响舰船电力系统安全性与可靠性、人身与舰船安全性的一 个十分重要的问题。电网的绝缘状态对于舰船电力系统的安全运行具有十分重要 的意义“】【。 1 3 国内外电力系统绝缘监测技术的发展 国内外对电力系统绝缘故障监测开展了大量的研究工作，并取得了一定的成 果，许多绝缘在线监测方法及装置已在电力系统中得到了应用。国外对电力系统 状态监测与故障诊断技术的研究始于6 0 年代，各个发达国家都很重视。但到了 7 0 8 0 年代，随着传感、计算机、光纤等高新技术的发展与应用，在线诊断技术爿 真正得到迅速发展。我国高等院校和电力部门科研院所都相继丌展了这方面的研 究m m 。 由于状态监测和故障诊断技术的难度，无论国内还是国外，除个别项目以外， 大多还很不成熟，仍处于研究发展阶段。以下对中性点不接地交流电网绝缘故障 监测方法的国内外研究现状及存在的问题进行分析和讨论。按现有的绝缘装置工 作原理大致可以分为以下三类。 1 ) 三电压法m 1 华中科技大学硕士学位论文 绝缘系统，其优点为当一相( 线) 对地短路时不会出现短路跳闸而导致供电中断， 同时对人员的人身安全也有保证，即使触及一根线也不会发生触电事故“。 以实际运行中的舰船电力系统为例，电网与船体( 地) 之间存在分确j 电容， 各种设备还接有一些用于减少干扰的去耦电容，因而电网并非是理想的对“地” 绝缘系统，这时，如果电网绝缘较差甚至发生单相接地故障，将产生较大的漏电 流或接地故障电流，但其电流数值不足以使保护电器动作，所以故障长期存在， 并导致以下后果。 ( i ) 引起局部发热，使绝缘损坏加剧，可能产生电弧，甚至引起火灾。 ( 2 ) 故障进一步扩大，甚至两根线对“地”绝缘均极差时，便可能出现两相短 路，造成跳闸断电。 因此绝缘问题是影响舰船电力系统安全性与可靠性、人身与舰船安全性的一 个十分重要的问题。电网的绝缘状态对于舰船电力系统的安全运行具有十分重要 的意义“】【。 1 3 国内外电力系统绝缘监测技术的发展 国内外对电力系统绝缘故障监测开展了大量的研究工作，并取得了一定的成 果，许多绝缘在线监测方法及装置已在电力系统中得到了应用。国外对电力系统 状态监测与故障诊断技术的研究始于6 0 年代，各个发达国家都很重视。但到了 7 0 8 0 年代，随着传感、计算机、光纤等高新技术的发展与应用，在线诊断技术爿 真正得到迅速发展。我国高等院校和电力部门科研院所都相继丌展了这方面的研 究m m 。 由于状态监测和故障诊断技术的难度，无论国内还是国外，除个别项目以外， 大多还很不成熟，仍处于研究发展阶段。以下对中性点不接地交流电网绝缘故障 监测方法的国内外研究现状及存在的问题进行分析和讨论。按现有的绝缘装置工 作原理大致可以分为以下三类。 1 ) 三电压法m 1 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = 2 = = ；= = 一一- o 图1 1中性点不接地系统绝缘电阻电路图 如图1 1 所示为电网中性线不接地系统存在绝缘电阻时的电路图。 该系统中性点位移电压可用下式表示： 吣哗群 ， 式中：d 。、d 幻、d 。为系统各相对地电压； 匕、k 、e 为各相对地导纳。 在电网绝缘正常的情况下由于各相对地的泄漏电导比对地电容的导纳小得 多，在进行分析时泄漏电导可以忽略不计，并可认为三相对地电容相等。当a 相 绝缘电阻如降低时，各相对地的导纳为： 艺2 玄巾c ( 1 2 ) e = i = _ ，脚c 叱一蒜菰 ( 】3 ) 可以将( i 3 ) 式变为： 叱= u “+ j 3 c o c r , , u , , a ( 1 4 ) 分析( 1 4 ) 式可知，咒发生变化，矢量始端的轨迹是以故障相相电压矢 量吒为直径的位于其顺时针方向一侧的半圆上，如图1 2 所示。各相对地电压均 发生变化，并存在一定关系。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 图1 2 单相接地故障中性点电压偏移轨迹 三电压法就是利用各相对地的电压差别来判断故障的发生。 2 ) 信号寻迹法 信号寻迹法就是在被测电网中注入信号，而后通过对信号的跟踪测量柬判别 电网的绝缘情况。信号寻迹法根据注入信号的不同可分为直流信号法、单频法、 双频法“。 ( 1 ) 直流信号法 其原理如图1 3 所示，图中风为限流电阻。在三相交流电网中投入商流信号， 电网直流电流也随之变化，利用此来判断电网总的绝缘情况。 根据直流注入原理实现的绝缘监测装置已被应用于浮地绝缘故障支路定位 中，其原理简单，且不受电网接地电容的影响。但该方法技术上实现较难，欲对 漏电流的直流分量感应，需采用霍耳器件，而由此带来的每个传感器的电源支持 问题、舰船恶劣电磁环境的干扰问题、传感器间的偏差校正问题等使直流注入原 理难以在舰船环境中应用。 t = 图1 3 直流信号法绝缘测量原理示意图 ( 2 ) 单频法 其原理图如图1 4 所示，在交流电网中注入一个低频信号，将传感器套在地 线( 支路) 上跟踪测量所加的低频信号，当某一支路绝缘降低时该支路低频信号 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= # = = = = 2 = = = 2 = = = = = = = = = = 一 引起的电流变大，依次来判断各个支路的绝缘情况。但是它所能检测的接地电阻 受电网系统的分布电容的制约。 图1 4 单频法绝缘测量原理示意图图1 5 双频法绝缘测量原理示意图 ( 3 ) 双频法 如图1 5 所示，在交流电网中注入两个不同频率的低频信号，若滤去工频的 干扰，如图1 6 所示则有： f i ：等咿z f , c f 2 = i t l s 2 + ，2 口f z c u , z 式中r 为支路的绝缘电阻； c 为支路等效的分布电容； 五、五为所加的低频信号频率 ( 1 5 ) ( 1 6 ) 图1 6 双频法原理图u s i 、u s 2 为所加低频信号的电压； i 、i 2 为由低频信号产生的支路的漏电流。 由式( 1 5 ) 和( 1 6 ) 可以得到绝缘电阻和分布电容值如下： 肛测精赫蜞机2 鲁， ， 以2 ，2 ”2 2 m 一，2 2 ，“2 h 。 z 1厅_i一1 i 刁露1 薏一嚣 “港 双频法原理应用在交流电网中时，对注入的频率有严格的要求：注入的频率 从电网工频中提取，工频是注入频率的整数倍，以减少注入电网的不同于工频的 频率；频率既要低，又要有利于传感器感应；两个频率比要尽可能大；注入频率 要易于提取。出于双频编码法原理的不足，和工频信号频率的波动以及波形畸变 对测量精度都会有影响。在装置的使用中，不得不对实际应用的条件采取了限制 措施，如减小分布电容，或降低支路定位启动条件，即在电网对地电阻下降到较 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ；= ；= = = = = = = = = = = l = = = = = = = = 一= 低时，才启动故障支路定位功能。 3 ) 零序电流法” 系统正常运行或发生相间短路时，不会出现零序电流和零序电压，因此当发 生单相、两相或三相不对称对地绝缘破坏时，可以通过零序电流或电压来判断电 网的绝缘电阻。在三相三线制系统中都装设零序保护。这种方法的准确性取决于 线路的分布电容，通常在陆地电力系统高压输电网络中采用，而在独立电力系统， 由于输电线路较短，分布电容不确定，此法用得较少。 以上所述的各种测量原理都有一定的优点，同时也存在一些缺点，具体的说 要达到电网绝缘的在线监测和故障的自动定位仍有一定的困难。目前，国外绝缘 监测装置大量采用根据专家经验编成的专家系统，有时即使从传感器传来的信息 还不足以确定出现异常的位置及原因，专家系统也可列出应检查的清单，当按此 步骤再输入由巡视人员得到的进步信息，系统就有可能做出精确的判断。 1 4 本文的主要工作 以上的方法体现了绝缘故障监测不断发展的各个阶段，如前所述，各个方法 都或多或少的给电网系统本身施加了影响，这对需要独立运行的系统本身是不利 的，本文的研究方向就是试图找到一种方法，对电网系统的不施加外部信号，而 是通过电网系统发生绝缘故障时本身的信号量来定位绝缘故障。 本文的研究内容主要包括： 1 ) 研究了交流浮地电网发生绝缘故障时运行状态，利用了故障时中性点电压发 生位移的理论，对交流浮地电网系统大地和中性点间电压进行深入的分析， 推导获得了三相三线制交流供电网络大地与中性点问电压的数学模型。 2 ) 详细分柝了交流浮地电网发生单相故障和两相故障时大地与中性点削电压的 变化规律，提出了通过检测该电压来判别绝缘故障相的方法。上述电压的数 学模型、故障相判别方法得到了仿真和实验的验证。 3 ) 设计并制作了交流浮地电网系统在线绝缘监测的硬件电路和软件程序。 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ；= ；= = = = = = = = = = = l = = = = = = = = 一= 低时，才启动故障支路定位功能。 3 ) 零序电流法” 系统正常运行或发生相间短路时，不会出现零序电流和零序电压，因此当发 生单相、两相或三相不对称对地绝缘破坏时，可以通过零序电流或电压来判断电 网的绝缘电阻。在三相三线制系统中都装设零序保护。这种方法的准确性取决于 线路的分布电容，通常在陆地电力系统高压输电网络中采用，而在独立电力系统， 由于输电线路较短，分布电容不确定，此法用得较少。 以上所述的各种测量原理都有一定的优点，同时也存在一些缺点，具体的说 要达到电网绝缘的在线监测和故障的自动定位仍有一定的困难。目前，国外绝缘 监测装置大量采用根据专家经验编成的专家系统，有时即使从传感器传来的信息 还不足以确定出现异常的位置及原因，专家系统也可列出应检查的清单，当按此 步骤再输入由巡视人员得到的进步信息，系统就有可能做出精确的判断。 1 4 本文的主要工作 以上的方法体现了绝缘故障监测不断发展的各个阶段，如前所述，各个方法 都或多或少的给电网系统本身施加了影响，这对需要独立运行的系统本身是不利 的，本文的研究方向就是试图找到一种方法，对电网系统的不施加外部信号，而 是通过电网系统发生绝缘故障时本身的信号量来定位绝缘故障。 本文的研究内容主要包括： 1 ) 研究了交流浮地电网发生绝缘故障时运行状态，利用了故障时中性点电压发 生位移的理论，对交流浮地电网系统大地和中性点间电压进行深入的分析， 推导获得了三相三线制交流供电网络大地与中性点问电压的数学模型。 2 ) 详细分柝了交流浮地电网发生单相故障和两相故障时大地与中性点削电压的 变化规律，提出了通过检测该电压来判别绝缘故障相的方法。上述电压的数 学模型、故障相判别方法得到了仿真和实验的验证。 3 ) 设计并制作了交流浮地电网系统在线绝缘监测的硬件电路和软件程序。 6 华中科技大学硕士学位论文 ； = = = = = ；= = 目= = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = 一一 2 交流浮地电网系统理想状态绝缘监测方法研究 交流电网的三相对地分布电容使得电网并非是理性的对“地”系统，从而造 成绝缘故障电流增大，使得故障后果更加严重。但是在分析交流浮地电网的绝缘 故障时，可以先将问题简化，暂不考虑分布电容的影响。本章通过建立交流浮地 电网理想情况下发生绝缘故障时的数学模型，提出了一种利用大地和电网中性点 间电压“来判断发生绝缘故障的故障相的方法，并通过s a b e r 仿真验证了该判 别方法的可行性。 2 1 简单交流浮地电网系统 2 1 1 荤支路交流电网蛳w 电压数学模型m 叫” 电网系统简化图见图2 1 所示。 n 图2 ，l 单支路交流电网简化图 图中，屯，r 。为电网各相对地绝缘电阻： “。为大地与中性点间的电压，实际中需要专门的测量仪表或装置测量 这个电压。要注意的是。并不是第一章中的中性点位移电压( 中性点 对地的电压) 。 矗，为测量装置内阻，磁要足够大以保证中性点对地绝缘。 为了简化分析，先将交流网络各相对地存在绝缘电阻时做如下假设： 1 ) 考虑各相对地的绝缘电阻，不考虑各相对地的分布电容： 2 ) 电机产生的交流电网电源为三相对称电源，即： 华中科技大学硕士学位论文 ； = = = = = ；= = 目= = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = 一一 2 交流浮地电网系统理想状态绝缘监测方法研究 交流电网的三相对地分布电容使得电网并非是理性的对“地”系统，从而造 成绝缘故障电流增大，使得故障后果更加严重。但是在分析交流浮地电网的绝缘 故障时，可以先将问题简化，暂不考虑分布电容的影响。本章通过建立交流浮地 电网理想情况下发生绝缘故障时的数学模型，提出了一种利用大地和电网中性点 间电压“来判断发生绝缘故障的故障相的方法，并通过s a b e r 仿真验证了该判 别方法的可行性。 2 1 简单交流浮地电网系统 2 1 1 荤支路交流电网蛳w 电压数学模型m 叫” 电网系统简化图见图2 1 所示。 n 图2 ，l 单支路交流电网简化图 图中，屯，r 。为电网各相对地绝缘电阻： “。为大地与中性点间的电压，实际中需要专门的测量仪表或装置测量 这个电压。要注意的是。并不是第一章中的中性点位移电压( 中性点 对地的电压) 。 矗，为测量装置内阻，磁要足够大以保证中性点对地绝缘。 为了简化分析，先将交流网络各相对地存在绝缘电阻时做如下假设： 1 ) 考虑各相对地的绝缘电阻，不考虑各相对地的分布电容： 2 ) 电机产生的交流电网电源为三相对称电源，即： 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = ；= = = = = ；= = ；= = = = = = = = 一一 鲥= e m 口饥c ，争 心一c 一圭+ ，争 出图2 1 根据叠加原理可以得到： = 而崭河搬 + 丝 。塾! 坠 r 船+ r z l l r 龃i t r 船r z + r 甜| | r 好 + 西尚ri i 河i 瓶r ，砭 亿” r d c + zr nr z + r “r d b 。 = 爿- f - 腰 其中u 。为：w 的有效值，卢为向量d l 与电源向量e a 的相角。用复平面 内的矢量图能清楚地说明各电压向量间的关系。 图2 2 交流浮地电网系统电压向量图 因为主要是鉴别发生故障的相，所以电压0 _ 的相角p 是需要重点讨论的参 数，下面就几种典型故障情况分别加以分析。 2 1 2 系统单相对地绝缘电阻降低 1 ) a 相绝缘电阻降低时有砌，= m 华中科技大学硕士学位论文 = = = 2 = = = = = = = = = = = ；= = = = = 2 一 n 图2 3a 相绝缘降低时电网简化图 如图3 所示得： 。最心 ：o ( 1 + j o ) q 2 ( 1 + f 得：= 0 。，即d 胪矢量与a 相电源电压矢量方向一致。此时系统对地的绝缘电阻r 就是发生绝缘故障的a 相对地电阻8 。 其他两相绝缘电阻分别降低时的分析方法类似与此，此处不再重复，下面直 接给出结论： 2 ) b 相对地绝缘降低时r d d , r d c = m 者卜三一，争 汜。， 心 得：一1 2 0 。，即0 w 矢量与b 相电源电压矢量方向一致。 3 ) c 相对地绝缘降低时矗删，r 拈= 2 盎卜三+ ，争 弦t ， 心 得：f l = 1 2 0 。，即0 胪矢量与c 相电源电压矢量方向一致。 2 1 3 系统两相绝缘电阻降低 1 ) 系统a 、b 两相对地绝缘电阻降低时，c 相绝缘良好( r d c = o o ) ，代入( 2 1 ) 式化简得： 9 华中科技大学硕士学位论文 = ；= z ；= = = = = = ；= = = = 2 = = = = ；2 = = ：； 姐l 办 1 上2 监+ 坠+ 1 r z + 弘 、，3 2 坠。r a n 。1 r “r z ( 2 5 ) 根据这个算式，r 幽，r 柏各选用q 个绝缘电阻值编制程序计算出0 t 的掘 角m 1 ，计算结果见表2 ，1 。其中e = 2 2 0 以恐= l m q 。从表中我们可以得出以下规 律： ( 1 ) 若如= = r x 时，不论两者的大小，恒为一6 0 。， 酰r - ) m n - 击哇一，- 历y 】 表2 1a 、b 相绝缘电阻不同时的3 ( 单位：度) 义 2 k5 k8 k1 5 k2 0 k5 0 1 (1 0 0 k5 0 0 kl m 2 k一6 0- 9 6 61 0 6 1一1 1 2 9一1 1 4 8一1 1 81 1 91 1 9 8一1 1 9 9 5 k一2 3 4- 6 0- 8 1 81 0 0 9一1 0 6 1一1 1 4 81 1 7 5一儿9 51 1 9 7 8 k一1 3 9- 3 8 2- 6 08 7 8- 9 6 61 1 1 4一1 1 5 91 1 9 21 1 9 6 1 5 k一7 1一1 9 13 2 z一6 0一7 3 91 0 3一1 1 2一t 1 8 5一u 9 3 2 0 ks 2- 1 3 92 3 44 6 16 09 6 61 0 9 11 1 81 1 9 5 0 k一25 28 6一1 72 3 4- 6 09 0一“4 81 1 7 5 1 0 0 k一12 54 1- 8一1 0 9- 3 0- 6 01 0 9 11 1 4 8 5 0 0 k- 0 2一o 5 一o 91 5- 25 2 1 0 96 0- 9 0 1 mo 10 ，20 40 7一l一2 55 23 0- 6 0 ( 2 ) 若r , u ，由表可见在( 一1 2 0 。，6 0 。) 之间，极限情况为屹为无穷 大( 仅b 相绝缘电阻降低) 时，一1 2 0 。 ( 3 ) 若 k ，则在( 6 0 ”，1 2 0 ”) 之问，极限情况为r a a 为无穷火( 仪c ( 3 ) 若屯 尺，则在( 1 2 0 。，1 8 0 “) 之问，极限情况为为无穷大( 仅c 相绝缘电阻降低) 时，口= 1 2 0 ”。 ( 3 ) 若 尺，则在( 1 2 0 。，1 8 0 “) 之问，极限情况为为无穷大( 仅c 相绝缘电阻降低) 时，口= 1 2 0 ”。 ( 3 ) 若 卢 6 0 。时a 相绝缘电阻低于c 相绝缘电阻，o ” 1 2 0 。时c 相绝缘电阻低于b 相绝缘 电阻，一1 8 0 。 一1 2 0 。时b 相绝缘电阻低于 相绝缘电阻， - 6 0 。 口 0 0 时a 相绝缘电阻低于b 相绝缘电阻。 华中科技大学硕士学位论文 3 考虑分布电容的交流浮地电网对地绝缘故障分析 上一章提出了理想情况下( 不含分布电容) 的电网的绝缘故障相判别方法， 实际上交流浮地电网对地分布电容不可忽略，其容抗较小，流过分布电容的电流 可能比流过接地电阻的电流大很多“，按照上章的方法无法判断故障相。本章 详细分析了。电压向量在考虑分布电容的交流电网内发生绝缘故障时的变化特 征，总结了含分布电容的交流浮地电网发生绝缘故障的规律。 3 1 含分布电容的交流浮地电网系统 基本假设 n 图3 1 含分布电容的交流浮地电网简化图 1 ) 电网电源为三相对称电源， 。 鲥= e 小班卟丢- ，争e 弘咖( 一丢+ ，争e 2 ) 每相对地存在分布电容，且c l = c 2 = c 3 = c ，则电网总电容为3 c ，总容抗 为x c 2 丽1 其他参数同第二章。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 3 2 系统单相绝缘电阻降低m 5 ，一w 假设仅发生a 相绝缘故障时，b 、c 两相对地的绝缘状况良好( r a n = 欺，：m ) 。 姐担- - + j c o c + 笔( - - - j - - ) x j o o c + ( - 垒+ j - - ) x j c o c 31吃屯。 ( ) “f r d a + 一i + j 3 c o c r d a d r t 所以 一d a 0 所以 从上式可以得到， 分析可得： o n i t = e 币丽i 面 3 2 ) fp = 一a r c t a n 3 a ，c r “ t 2 丽丽e 丽 _ 3 1 ) c - - 0 时，= o 。，。= e ，这与第二章只考虑绝缘电阻的情况一致。 c _ 时，卢一9 0 。，u m 寸0 a 2 ) 屯= 0 时，3 0 0 j w = e 屯oo o ，_ 一9 0 。，u w - - 9 0 。 由卢、u 。都是单调函数，所以当发生a 相单相故障时，0 。的相位变化区 间为( 一9 0 。，0 0 ) 。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一= ! 由( 3 3 ) 式可得： 志 n ， 这说明发生单相故障时d 。有效值和相位之间也有固定的关系，即与电网系 统的分布电容和绝缘电阻的乘积无关。 根据( 3 1 ) 式，用m a t l a b 数学工具”，计算出故障时d 。电压矢量的相位 和有效值，如图3 2 所示。如从0 到1 0 0 k q 取值。由于目前舰船电网系统的分巾 图3 2 屹、吼。相位与有效值变化曲线 图3 2 实线表示有效值，用有效值与e 的比值表示；虚线表示相位，用弧度 值表示。该图表示了三种电容情况下，吼。相位与有效值随a 相绝缘电阻变化的 情况。相位与有效值都是绝缘电阻的减函数，且电容越大，相位与有效值变化得 越快计算的结果与理论近似的分析结果一致，当a 相故障时，吼。相位变化区 间为 一9 0 。，0 。 ，有效值变化范围为0 e 。 故障电阻c 卸1 口f c = 1 f c = 1 0uf ( 单位：o ) 相位有效值相位有效值相位 有效值 5 0 0 2 72 2 0- o 2 72 1 9 9 9 7 6- 2 6 9 82 1 9 7 5 6 l 5 0o 2 72 1 9 9 9 7 6- 2 6 9 82 1 9 7 5 6 12 5 2 3 1 61 9 9 0 1 1 0 00 5 42 1 9 9 9- 5 3 8 4 12 1 9 0 2 9 44 3 3 0 3 8 1 6 0 1 5 0 02 6 9 82 1 9 7 5 6 1- 2 5 2 31 61 9 9 0 1 0 2。7 8 0 1 9 14 5 6 6 8 5 l k5 3 8 4 l2 1 9 0 2 9 4- 4 3 3 0 3 8 1 6 0 1 - 8 3 9 4 3 42 3 2 1 2 4 华中科技大学硕士学位论文 续表3 1 2 k1 0 6 7 4 72 1 6 1 9 2 8，6 2 0 5 3 31 0 3 1 0 38 6 9 6 3 21 l6 5 5 5 k2 5 2 3 1 61 9 9 0 1 0 27 8 0 1 9 24 5 6 6 8 58 8 7 8 4 34 6 6 7 5 l o k4 3 3 0 3 8 1 6 0 1 8 3 9 4 3 4 2 3 2 1 2 4 8 9 3 9 2 1 2 3 3 4 1 2 0 k6 2 0 5 3 31 0 3 1 0 38 6 9 6 3 21 1 6 5 58 9 6 9 61 1 6 7 l 5 0 k7 8 0 1 9 24 5 6 6 8 58 8 7 8 4 34 6 6 7 9- 8 9 8 7 8 4 0 4 6 6 9 表3 1 为具体计算的数据，在实际电力系统的运行【 t ，当绝缘电阻小于5 0 t q 时，我们认为发生绝缘故障。从表中可知，尽管有不同分布电容的存在，但是只 要系统分布电容和单相故障时绝缘电阻乘积相同，计算所得的d 。就有相同的相 位和有效值。 使用m a t l a b 数学工具根据( 3 1 ) 式计算三种电容情况下驴。电压矢量的相 图3 3 吼。相位与有效值随c r 。变化曲线 在( 3 1 ) 式中的c 分别取了0 1 f ，1 f ，l o f ，a 相绝缘电阻从0 到5 0 k d 变化，发现相位曲线和有效值曲线分别完全重合，尽管不同的分布电容，只要c r , u 相同，d 。相位和有效值也相同。 当仅发生b 相绝缘故障时，a 、c 两相对地的绝缘状况良好( r , u = 如= o o ) ， 可以完全按a 相单相故障的方法进行分析，大地与中性点间电压可表示为： “一竺i ：堂；犁壁。， 二一+ 二+ ，3 t o c r 7r d r 1 9 华中科技大学硕士学位论文 ：e筹1,1x3, r zr m 、 ：e未袅rz 。 删 r 卢= 等一觚量 所以j 如e 卜2 恧而丽 将( 3 6 ) 式与( 3 3 ) 式比较，发现只要把换成屯， 部分与 相故障的相位表达式一样。而有效值则是完全一样。 仅b 相发生绝缘故障时吼。电压矢量的变化规律： 1 ) b 相单相故障时，无论绝缘电阻、分布电容大小如何， ( 3 6 ) 相位表达式的后半 因此可以直接得出 驴。相位的变化范 当仅发生c 相绝缘故障时( 如= = 。) ，也完全可以按a 、b 相单相故障的 一竺型筹兰基竺 二+ 二_ + ，3 0 ) c ：喜髦 c 。z ， = e 嚣1 x 3 , 华中科技大学硕士学位论文 p 了2 r 一希 所以 j 如 ( 3 8 ) 卜u - c 却z + e 萧孬 得出c 相单独故障时吼。电压矢量的变化规律： 1 ) c 相单相绝缘故障时，无论绝缘电阻、分布电容的大小如何，驴。相位变化 范围为( 3 0 。，1 2 0 。) ； 2 ) c 相单相故障驴的有效值随绝缘电阻的增加而减小。 综上所述，当系统发生a 、b 、c 单相故障时，r s r , , 。电压矢量的相位只会分别在 三个区域内，并且各个单相故障的相位区域不重合，如图3 3 所示阴影区域。这 样，如果知道电网系统只发生的单相故障，那么就可以很方便地根据d 。相位来 判断是哪相故障，判别法如下： p 2 7 0 。，3 6 0 。 a 相单相故障 口 1 5 0 。，2 4 0 。 b 相单相故障 p 3 0 。，1 2 0 。 c 相单相故障 单相接地是中性点不接地电网的常 见故障，能占到总故障率的7 0 以上， 因此以上判别方法能够迅速而准确地定 位发生故障的相。前提是知道系统发生 的是单相故障。 图3 3 a 、b 、c 单相故障时u n 。相位图 华中科技大学硕士学位论文 = = = i = = = = = = ；= = = = _ = = ；= = = = = = = 一 3 3 系统两相绝缘电阻降低m ， 凸h 水玑反，土jh t 日蚁p 单椅管馒系现削万耐r 见, o h 夏尔。 假设a 、c 两相绝缘降低，而b 相正常的情况( b 。：c o ) ， 一坦笔磐 吃如。 ( 3 9 ) =e嚣1 1 x 3 3 3 1 相为量低绝缘电阻所在相 设最f 氐相绝缘电阻为m ，此时有屯地 ，设扣去 贝l j 0 ，并 且仍然可以认为触 r x ，有： 华中科技大学硕士学位论文 u 。2 1 + j - 3 c o c r x ( 3 1 1 ) 这与a 相单相故障时的表达式完全一样，则a 、c 两相同时故障时，c 相比a 相绝缘极高时的相位、有效值与绝缘最低相电阻和电网系统分布电容的乘积有关， 根据前面对单相故障的分析，可知此时0 。的相位在( - 9 0 。，0 。) 。 2 ) k = - i ，即8 = 8 “= r x 时，a 、c 两相绝缘同等降低，则有： h 拿 + 2 百2 赢 2 ( 3 1 2 ) 所以 三蔫 k 处于0 到1 之间的值时很难直接由( 3 1 0 ) 式进行数学上的分析。使用m a t l a b 数学工具编制程序在复数域内计算，可以绘出d 。电压矢量的相位和有效值与k 的关系曲线，和单相分析法类似，选取绝缘最低相几个典型电阻值以及分布电容 值，这样通过图表分析巩。的变化规律。如图3 3 所示。 华中科技大学硕士学位论文 嚣 1 1 ： ”心一：i 图3 4 ( ：r ，。相位与有效值 目f l 3 4 中以惫为横坐标。从图可知，a 相故障低子c 相时相位的变化范围为 描期啪旧伪m c5ttll| 华中科技大学硕士学位论文 ( 一9 0 。，6 0 。) ，与近似分析的结果一致。 由图3 4 推出两个规律： 1 ) 同样等级最低绝缘电阻( r x ) 一定时，有效值随另一相绝缘电阻的增大( k 减 小) 而增大，有效值是k 的单调减函数；而相位随另一相绝缘电阻的增大( k 减 小) 而减小，即相位是参数t 的单调增函数，可以推出触一定时，a 相低于c 相时相位随k 在( o ，1 ) 之间的取值而变化。k = o 时与a 相单相故障且绝缘电 阻为瓜的情况一致。 2 ) k = r , u 月。为定值时，有效值随最低绝缘电阻r x 的增大而减小，相位也随r x 的增大而减小。此时相位随m 在( o ，m ) 之问的取值而变化。 该规律不受分布电容c 的影响。 时有= m 屯，设七= 卺，则。 r x 有： ! + ，塑 u n n 怒 ( 3 1 5 ) 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ；一 这与c 相单相故障时的表达式完全一样，则a 、c 两相同时故障时，a 相比c 相绝缘极高时，相位、有效值与绝缘最低相电阻和电网系统分布电容的乘积有关， 根据前面对c 相单相故障的分析，可知此时【：r 。，的相位在( 3 0 0 ，1 2 0 0 ) 。 ( 2 ) k = l 时，与3 3 1 节两相绝缘电阻相等的分析完全一样，所以此时口。，的相 位在( 一3 0 。，6 0 。) 之间变化。 根据( 3 1 4 ) 式作出c 相低于a 相时吼。的相位和有效值变化曲线，如图3 5 所示，横坐标为鲁a 1 c = 0 1 f 耋1 帕 ：1 多1 ： 量加 6 0一 m ： 华中科技大学硕士学位论文 砉1 蚰 ：l ；1 0 0 ； 量 翌一 一 1 k 。一 知 图3 5d 。电压相位与有效值 从图3 5 可以看出，c 相故障低于a 相时相位的变化范围为( 一3 0 。，1 2 0 。) ，对 图分析可发现： 1 ) 同样等级最低绝缘电阻( r x ) 一定时，有效值随另一相绝缘电阻的增大( 减 小) 而增大，而相位随另一相绝缘电阻的增大( k 减小) 而增大，即有效值和 相位都是参数k 的单调减函数，可以推出凰一定时，c 相低于a 相时相位随k 在 ( o ，1 ) 之间的取值而变化。七= o 时与c 相单相故障时绝缘电阻为般的情况 一致。 2 ) k = 屯为定值时，有效值随最低绝缘电阻触的增大而减小，相位也随服 的增大而减小。此时相位随触在( o ，o 。) 之间的取值而变化。 综上所述，通过对a 、c 两相发生绝缘故障的全面分析，可以得到故障时的相 位区间为( - 9 0 。，1 2 0 。) 。下面对a 、b 两相和b 、c 两相绝缘故障稍做分析，分析 可以完全按照a 、c 两相绝缘故障的方法。 a 、b 两相故障时，r ，= o o 发生a 、8 两相同时故障时的有效值变化规律同 、c 两相同时故障的情况 而相位的变化规律为： 1 ) 当a 相绝缘低于b 相时，相位为( - 1 5 0 。，0 0 ) ，即( 2 1 0 。，3 6 0 。) ： 2 ) 当b 相绝缘低于a 相时，相位为( 1 5 0 。，3 0 0 。) ； 故a 、b 同时故障的区域为( 1 5 0 。，3 6 0 。) 。 b 、c 两相故障时，屯= m 同样此处直接给出结论： 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 当b 相绝缘低于c 相时，相位为( 9 0 。，2 4 0 ”) ； 2 ) 当c 相绝缘低于b 相时，相位为( 3 f f ，1 8 0 。) ： 故b 、c 两相同时故障的区域为( 3 0 。，2 4 0 。) 。 本章通过对考虑分布电容的交流浮地电网发生单相绝缘故障，两相绝缘故障 的情况进行逐一分析，总结出大地和中性点问电压相位和有效值的变化规律，这 样有利于我们发现绝缘故障定位的方法。 华中科技大学硕士学位论文 4 交流浮地电网绝缘故障相判别方法推导 前一章对交流浮地电网发生绝缘故障的情况进行了详细的分析，并得到了各 种故障时特征信号。的有效值和相位变化规律。本章利用了这些规律，提出用 。有效值和相位结合来判断考虑分布电容的交流浮i c o n 绝缘故障相的方法。 4 1 仅用相位判断的局限 在第二章已经得出了通过“。电压的相位就能定位理想情况下( c = o ) 交流 浮地电网单相和两相绝缘故障相的方法；在第三章中分析考虑分碲电容的情况下， 如果系统只发生了单相故障，也可以根据。的相位来定位单相故障相。关键就 是每种故障在这些前提下，“。相位变化区域不重合。 在第三章通过对两相故障的分析可以知道：与a 相绝缘故障有关的相位变化 范围为( 0 。，1 2 0 。) u ( 1 5 0 。，3 6 0 。) ，b 相绝缘故障有关的相位变化范围为( 3 0 。， 3 6 0 。) ，与c 相绝缘故障有关的相位区域为( 2 7 0 。，3 6 0 。) u ( o 。，2 4 0 。) 。由此可以 看出三种情况的两相故障相位的分布区间存在重合的区域。在 0 。，3 6 0 。) 作出故障 相位区域划分图，如图4 1 所示。 图中点线表示a 、c 两相故障相位区域，实线表示a 、b 两相故障相位区域， 虚线表示b 、c 两相故障相位区域。从该图可以很清楚地看出区域内可能存在的故 障类别。 根据图4 1 ，以3 0 。为单位，将故障相位区域划分成1 2 份，详细分类如下： ( 0 。，3 0 。) a 、c 两相故障； ( 3 0 。，6 0 。) c 单相故障，b 、c 相故障c 低，h 、c 两相故障； ( 6 0 。，9 0 。) c 单相故障，b 、c 相故障c 低，a 、c 相故障c 低寸c 相低 ( 9 0 。，1 2 0 。) c 单相故障，a 、c 相故障c 低，b 、c 两相故障 ( 1 2 0 。，1 5 0 0 ) b 、c 两相故障 ( 1 5 0 。，1 8 0 。) b 单相故障，b 、c 两相故障，a 、b 相故障b 低 ( 1 8 0 。，2 1 0 。) b 单相故障，b 、c 相故障b 低，a 、b 相故障b 低丰b 相低 ( 2 1 0 。，2 4 0 。) b 单相故障，b 、c 相故障b 低，a 、b 两相故障 ( 2 4 0 。，2 7 0 。) a 、b 两相故障 ( 2 7 0 。，3 0 0 。) a 单相故障，a 、b 两相故障， 、c 相故障 低 ( 3 0 0 。，3 3 0 。) a 单相故障，a 、b 相故障a 低，a 、c 相故障a 低寸a 相故障 华中科技大学硕士学位论文 4 交流浮地电网绝缘故障相判别方法推导 前一章对交流浮地电网发生绝缘故障的情况进行了详细的分析，并得到了各 种故障时特征信号。的有效值和相位变化规律。本章利用了这些规律，提出用 。有效值和相位结合来判断考虑分布电容的交流浮i c o n 绝缘故障相的方法。 4 1 仅用相位判断的局限 在第二章已经得出了通过“。电压的相位就能定位理想情况下( c = o ) 交流 浮地电网单相和两相绝缘故障相的方法；在第三章中分析考虑分碲电容的情况下， 如果系统只发生了单相故障，也可以根据。的相位来定位单相故障相。关键就 是每种故障在这些前提下，“。相位变化区域不重合。 在第三章通过对两相故障的分析可以知道：与a 相绝缘故障有关的相位变化 范围为( 0 。，1 2 0 。) u ( 1 5 0 。，3 6 0 。) ，b 相绝缘故障有关的相位变化范围为( 3