（电力系统及其自动化专业论文）10kv配电网故障判断方案研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t f a u l tl o c a t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki so n eo ft h e i m p o r t a n t a s p e c t so f d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n w h e nf a u l to fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k h a p p e n s ，d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ni s a b l et ol o c a t ef a u l t a c c o r d i n gt o r e a l t i m ed a t ao fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s a f e o p e r a t i o n o f r a i l w a y a u t o m a t i c b l o c k i n g t r a n s m i s s i o nl i n e s p r o v i d e ss a f e g u a r d f o rr a i l t r a n s p o r t ，p r o d u c t i o n ，p i c k i n gu ps p e e de x t e n s i v e l ya n dd e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y s oi ti so b v i o u st h a tr e s e a r c ho ff a u l td e t e c t i o n f o rr a i l w a ya u t o m a t i cb l o c k i n gt r a n s m i s s i o n sl i n e sh a si m p o r t a n tu s e v a l u e t h i sp a p e rb a s e do n r a i l w a ya u t o m a t i cb l o c k i n gt r a n s m i s s i o n l i n e ss t u d i e ss c h e m eo ff a u l td e t e c t i o n f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y s e sm e t h o do ff a i l u r et e s t i n gf o rd i s t r i b u t i o n n e t w o r k a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lp r o j e c ti t e mo fp u g u a n gl i n eo f r a i l w a yd i s t r i b u t i o n ，t h e n ，t h i sp a p e ra n y l y s e s a l lk i n d so ff a u l to f r a i l w a y a u t o m a t i c b l o c k i n g t r a n s m i s s i o nl i n e si n t h e o r y ，a n dg a i n s c h a r a c t e r sw h e nf a u l th a p p e n sw h i c h p r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rf a u l t d e t e c t i o ns c h e m eo fr a i l w a ya u t o m a t i cb l o c k i n gt r a n s m i s s i o nl i n e s i n o r d e rt oe x a m i n et h ec o r r e c t n e s so fa n a l y s i si nt h e o r ya n du n d e r s t a n d t h ec h a r a t e r so fa 1 1k i n d so ff a u l tf u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e s r a i l w a ya u r o r a a t i cb l o c k i n gt r a n s m i s s i o nl i n e ss i m u l a t i o nm o d e lw i t h s i m p o w e r s y s t e m s b l o c k s e ti nm a t l a b s i m u l i n k t h i s p a p e r s i m u l a t e sa l lk i n d so ff a u l t sw i t ht h i sm o d e l t h es i m u l a t i n gr e s u l t s s h o wt h a ti ti si d e n t i c a lt ot h ea n a l y z i n gr e s u l t si nt h e o r y s e c o n d ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r df a u l td e t e c t i o na l g o r i t h mo f m a i n s t a t i o nw i t hf o r e n a m e da n a l y s i si nt h e o r y t h i sp a p e rm a k e su s eo ff a u l t d e t e c t i o na l g o r i t h mo fm a i ns t a t i o na n dd a t ao ft h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n o fp u g u a n gl i n eo fr a i l w a yd i s t r i b u t i o nt or e a l i z et h ea l g o r i t h ma n d f a u l td e t e c t i o nw i t hv c + + 6 0 ， k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ；r a i l w a y a u t o m a t i cb l o c k i n gt r a n s m i s s i o nl i n e s ；d y n a m i cs i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 配电网直接面向电力企业最终客户，并直接服务于广大用户。它覆盖着城 市的每个角落，并通过低压配电网延伸到千家万户，承担着向城市中小用电客 户的供电功能。据有关统计【2 】，城市的9 9 ，9 7 的用电客户数都是通过城市中 低压配电网接入的，占城市的售电量7 5 之多。但是这样重要的电网，由于 在其长期发展的过程中没得到应有的重视，与输电网相比自动化水平低，形成 发展相对滞后的局面，主要表现在：停电次数多，停电时间长，供电质量达不 到与日俱增的要求。 随着配电网的重要性与其自动化程度落后的局面的矛盾加深，社会和业界 也逐步重视配电网自动化的建设。在国内，尤其近几年来，在政策支持下，我 国配电自动化发展较快。 配电自动化定义分广义和狭义两种。广义上，是指利用现代先进的电子技 术、计算机网络和通信技术，实现对配电网正常运行时的控制、检测和故障时 的快速处理( 故障检测，故障定位、隔离和非故障区的恢复供电) ，以及配电的 生产管理、设备管理的自动化，即s c a d a d m s 系统。狭义上，是指配电网故 障的自动化处理，即包括故障检测、故障定位。故障隔离和非故障区的供电恢 复几个过程，也称馈线自动化。配电馈线自动化，它可以大大提高配电网供电 可靠性，提高供电质量，降低劳动强度和充分利用现有设备的资源，能为用户 带来可观的效益。实践证明，实施配电自动化可以大大提高配电系统的可靠性 和安全性，提高供电质量，同时提高供电企业的经济效益和社会效益。 1 。2 配电自动化系统 配电系统是电力系统中直接面向用户的部分。配电系统由配电设备( 包括 馈线、降压变压器、断路器、各种开关在内) 、继电保护、自动装置、测量和 计量仪表以及通信和控制设备组成。就我国而言，配电网指的是1 t o k v 及以 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 下电压等级的电网，通常称1 1 0 k v 、3 5 k v 为高压配电网，l o k v 为中压配电网， o 4 k v 为低压配电网。本文所研究的为l o k v 中压配电网( 以下如不作说明，讨 论的均为1 0 k v 配电网1 。 1 2 1 配电网络及其特点 通常把电力系统中二次降压变电所低压侧直接或降压后向用户供电的网 络，称为配电网络( d i s t r i b u t i o n n e t w o r k ) 。它由架空线路、电缆配电线路、配 电所、柱上降压变压器和直接接入用户的设备所构成。配电网络的结构大体可 分为辐射状、树状和环状。如图l 一1 所示。 柚 绀 图l l 配电网结构图 ( a ) 辐射网；( b ) 树状网；( c ) 环状网 配电网络具有以下特点： f 1 ) 深入城市中心和居民密集点； ( 2 ) 传输功率和距离一般不大； ( 3 ) 供电容量、用户性质、供电质量和可靠性要求千差万别，各不相同。 我国1 0 k v 配电网还有一个显著特征，就是中性点不接地，在发生单相接 地时，仍允许供电一段时间。这一特点使得我国的配电自动化系统，必须结合 我国配电网的实际情况，逐步加以改进。 1 2 2 配电自动化系统的概念 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，对电力需求愈 来愈大，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，用户对供电质量和供电可靠 性要求越来越高。传统的技术和管理手段已无法适应新的形势，配电自动化就 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 是为了这目的而提出来的。 通常把从变电、配电到用电过程的监视、控制和管理的综合自动化系统， 称为配电管理系统( d f s t r i b u t o nm a n a g e m e n ts y s t e m ，简称d m s ) 3 】a 其内容包 括配电网数据采集和监控( s c a d a ，包括配网进线监视、配电变电站自动化、 馈线自动化和配变巡检及低压无功补偿) 、地理信息系统、网络分析和优化、 工作管理系统、需方管理包括负荷监控及管理和远方抄表及计费自动化和调度 员培训模拟系统几个部分。 配电自动化系统( d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，简称d a s ) 是一种可以 使配电企业在远方以实时方式监视、协调和操作配电设备的自动化系统。其内 容包括配电网数据采集和监视( s c a d a ) 、配电地理信息系统( g i s l 和需方管理 ( d s m ) 几个部分。配电自动化系统和配电管理系统的涵盖关系如表1 一l 所示。 表1 1 配电自动化系统和配电管理系统的涵盖关系 r 迸线监视 l1 0 k v 开闭所、变电站自动化 厂配电s c a d a 系统弋馈线自动化 i【变压器巡检与无功补偿 厂配电自动化 = g z i q d 定值 i b 基波 = g z i q d 定值 i c 基波 = g z i q d 定值 式中g z i q d 定值为三相短路故障电流定值。 i a 基波，i b 基波，i c 基波三项同时成立时，启动故障判断。 f t u 根据采集到的开关站数据，检测开关是否流过故障电流来判断故障 的类型。 二、两相短路的故障检测 图2 2 两相短路示意图 如图2 2 所示，b 、c 两相在b 、c 两点发生两相短路。 故障点的边界条件：，。= o ，i b = 一i o , u b = u 。 利用对称分量法表示，则： ，o = f ，。+ i b + ，c ) 3 = 0 其启动条件为： i a 基波 = g z i q d 定值 i b 基波 = g z i q d 定值 i c 基波 = g z i q d 定值 式中：g z i c l d 定值为两相短路的故障电流定值。 如果i a 基波，i b 基波，i c 基波有两项同时满足条件启动故障判断。 2 4 2 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 三、两相接地的故障检测 故障点的边界条件：i 。= 0 ，u b = u 。= 0 2 - 6 而且b 、c 相对地电容被短接，则从故障点流回的电容电流为a 相对地 电容电流，即： io = j u 。2 - 7 其启动条件为； 图2 3 两相接地短路示意图 i a 基波 = g z i q d 定值 i b 基波 = g z i q d 定值 i c 基波 = g z i q d 定值 u 0 基波 = g z u o q d 定值 式中：g z i q d 定值为两相接地的故障电流定值；g z u o q d 为两相接地的零 序故障电压定值。 如果i a 基波，i b 基波，i c 基波有两项同时满足条件，并且u 0 基波满足 条件启动故障判断。 2 3 小电流接地方式分析 本文研究的铁路配电系统针对中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统 所以这里对小电流接地方式作以下分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 2 。3 ，1 中- 陛点不接地方式 这是最简单的电网接地方式。在这样的系统中，变压器星型绕组中性点 悬空，与大地完全没有电气连接。当这种系统发生单相接地故障时，依靠线路 对地电容构成故障回路，流经接地点的电流主要是电容电流，接地电流的大小 取决于变电所出线的类型和长度。由于没有任何感性电流的补偿，接地电流有 可能会较大，特别是出线较多，线路长度较长，或者包含大量电缆线路( 电缆 要比同样长度架空线的电容电流大2 5 倍5 0 倍【2 5 1 ) 的变电所，接地的容性电流 会达到几十安培甚至上百安培，给系统的安全带来隐患，所以此种接地方式主 要应用在变电站出线以架空线为主、单相接地故障大多是可恢复的绝缘故障、 对运行的可靠性要求较高，而系统的对地电容较小的系统中。现有未经改造的 铁路1 0 k v 自闭贯通线多为这类中性点不接地系统。 2 3 2 经消弧线圈接地方式 对出线较多，线路长度较长，或者包含大量电缆线路的系统，当其电容电 流超过一定数值时，单相接地故障时电弧不易熄灭必须采用中性点经消弧线 圈接地的方式运行。消弧线圈是具有一定容量的单相电感线圈，一般是一个带 铁芯的扼流线圈，外形类似变压器。它接在变压器的中性点与大地之间，构成 另一个回路，使接地点接地相电流中增加了一个感性电流分量，它流过接地点 的容性电流分量相抵消，大大减小了接地点的电流，使电弧易于自行熄灭，接 地电弧不能重燃，从而将单相电弧接地过电压限制在2 3 3 2 倍额定相电压 弘“，提高了供电可靠性。同时，采用消弧线圈接地的系统还可以有效地防止 电压互感器的铁磁谐振过电压。因此，这种接地方式得到了广泛的应用。 2 3 3 小电流接地方式的性能 这里从几个方面对小电流接地方式的性能做一下评价。 一、可提高系统供电可靠性 电力系统的运行经验表明，单相接地故障绝大多数是瞬时性电弧接地故障 ( 对于架空线路约占单相接地故障的9 0 ：电缆线路约占3 0 以j 2 ) ，采用小电 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 流接地方式可使大部分接地电弧瞬间自行熄灭，能把供电可靠性提高到一个相 当高的水平上。也就是说对于电弧接地故障，基本上可以不需要继电保护和断 路器动作，在系统和用户几乎无感觉的情况下，接地电弧自动熄灭，保证系统 连续供电。另外对于永久性单相接地故障，可以允许电网在一段时间内带故障 运行。 大电流接地方式则不同，不论单相接地故障是瞬时眭的，还是永久性的， 都会自动切除故障线路。所以大电流接地系统必须增大备用容量以保证供电连 续性，而全容量备用需要增加大量投资，这对我国广大的城市和农村电网是不 现实的。 二、有利于人身安全 小电流接地电网由于接地电流小，很多故障不能维持，瞬间即可自行消 除，大大减少了触电概率。对于永久性单相接地故障，因接地点电流小，接触 电压和跨步电压均很低，一般没有危险。大电流接地系统发生单相接地故 障时，在断路器跳闸之前，由于接地故障电流很大，在故障点和接地点附近可 能形成危险的跨步电压和接触电压。若线路故障后能够迅速跳闸，则可减少触 电概率。但一些高阻接地情况，线路不能瞬间跳闸。 三、有利于设备安全 小电流接地方式可以减少对一次设备频繁的短路电流冲击、减少断路器 的遮断次数和继电保护的动作次数降低与误动、拒动概率以及运行人员的误操 作概率，减轻设备的运行维护与检修工作量等等，对电网和电力设备可起到不 同程度的保护作用。 四、存在过电压的不利影响2 ” 中性点不接地系统p t 与线路容易产生铁磁谐振，谐振过电压可能达到 3 5 倍左右。但由于中压配电网的绝缘配合中，起控制作用的是大气过电压与 避雷器的保护水平，所以降低操作过电压水平对降低系统的绝缘水平影响不 大。 综合上述分析，中性点采用小电流接地方式仍是一种典型的、有竞争力 的接地方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 2 4 单相接地故障机理分析 前面提到，对于小电流接地系统，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，准确找出故障线路成了一个技 术难题。通过对小电流接地系统的单相接地故障机理分析，我们发现虽然接地 电流数值上很小，但各线路电容电流的分布具有一定的规律性，所以通过这种 可循的规律性就可以依据一定的选线原理确定出故障线路。由于本文的研究是 针对中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统，所以下面首先针对这两种系统 分别分析一下小电流接地系统发生单相接地的故障机理。 2 4 1 中性点不接地系统 中性点不接地系统在正常运行时，各相对地电压是对称的，中性点对地电 压为零，电网中无零序电压。由于三相对地电容c o 相同，在各相电压作用下 各相电容电流相等并超前于相应电压9 0 0 ，见图2 - 4 图 当系统发生 位关系见图2 5 ， 图2 5 不接地系统发生单相接地故障时三相电压、电流相位关系 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 w + 申； 。# 宰；+ 1 宁 ：- - - h h 一 m 善量董 ，事，牛 ：-i 字 裂t 至一 - 串，l 唣善誊垡七；， t 一直l 图2 - 6 不接地系统发生单相接地故障电容电流分布 由图分析可得出下列结论： ( 1 ) 中性点不接地电网中发生单相接地后，中性点电压u 。上升为相压电 ( 一e a ) ，a 、b 、c 三相对地电压为： u a = 0 0 。：圭。一主。：压壶。讪o u 。= e 。一e b = 3 e 。e j ”o 2 - 8 2 9 2 1 0 故障相( a 相) 对地电压为零：非故障相( b 、c 相) 对地电压比正常相电压高 3 倍即电网线电压。但线电压仍然保持对称。 ( 2 ) 根据对称分量法分析，电网出现零序电压： u o = ( 1 u 。+ u b + u c ) 3 = 一e a 2 1 1 即等于电网正常工作时的相电压。 ( 3 ) 故障线路与非故障线路出现零序电流：非故障线路3 ，。等于线路接地电 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 容电流；故障线路3 毛等于所有非故障线路3 矗之和。 ( 4 ) 非故障线路零序电流超前零序电压9 0 0 ；故障线路零序电流滞后零序电 压9 0 0 ，即故障线路与非故障线路零序电流相位相差1 8 0 0 。 当系统发生非金属性接地故障时，设有过渡电阻r ，这时等值电路见图 2 7 。其特点为：各线路零序电压、电流的大小均受到r ，的影响，当r ，2 0 时 零序电压最大，等于电网正常工作时的相电压：故障线路与非故障线路的零序 电压与零序电流相位关系不受r ，的大小的影响，仍与无过渡电阻时相同【2 8 1 。 主筐日 图2 7 中性点不接地系统单相接地故障零序等值电路图 2 4 2 中性点经消弧线圈接地系统 中性点经消弧线圈接地系统在正常运行时的状态与中性点不接地系统在 正常运行时完全相同，各相对地电压是对称的，中性点对地电压为零，电网中 无零序电压。 当中性点经消弧线圈接地系统出现单相接地故障时，设a 相发生接地故 障，各相电压、电流相位关系见图2 - 8 ，电容电流分布见图2 - 9 。 亘里至堕盔兰塑圭塑塞塞兰堡迨皇塑! ! 夏 图2 - 8 消弧线圈接地系统单相接地故障各相电压、电流相位关系 对于图2 - 8 和图2 - 9 ，电压分析及各线路的电容电流分析基本同不接地系 统，系统电容电流总和为： i f 。= iet + ic ”+ i ( 茁 2 1 2 并超前电压9 0 0 。 由于消弧线圈可认为是纯电感，故电感电流为i 。，并滞后电压9 0 0 ，所以， 按地处的接地电流为： i d 2i ic 。 2 1 3 因i 。与i c 。a 在相位上相差1 8 0 。，故迭加后，i 。在数值上就比小i c 。些， 有利减小接地点的电流，消除接地故障。 继续分析有如下结论： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 图2 - 9 经消弧线圈接地系统单相接地故障电容电流分布 ( 1 ) 有消弧线圈系统发生单相接地故障时，消弧线圈两端电压为零序电压： 消弧线圈的电流通过故障点和故障线路故障相，不通过非故障线路。 ( 2 ) 故障线路及非故障线路均通过零序电流。非故障线路3 i o 等于线路接地 电容电流，不受消弧线圈的影响：故障线路零序电流的大小受到消弧线圈的影 响，等于所有非故障线路3 i o 之和与消弧线圈补偿电流的差。 ( 3 ) 非故障线路零序电流超前零序电压9 0 ，不受消弧线圈的影响：故障线 路零序电流与零序电压的相位关系受消弧线圈的影响，当系统采用过补偿方法 时，故障线路零序电流超前零序电压9 0 0 ，即故障线路与非故障线路零序电流 方向相同。 当消弧线圈接地系统发生经过渡电阻单相接地故障时，等值电路见图 2 1 0 ，其中c 1 ，c 2 - 一c n 为各线路单相对地等值电容，l 是消弧线圈电感，r ， 是接地过渡电阻。 匿南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 一 图2 1 0 消弧线圈接地系统发生经过渡电阻单相接地故障时零序等值电路 与不接地系统的分析相同，零序电压和零序电流大小均受过渡电阻的影 响，当r ，= o 时零序电压最大，等于电网正常工作时的相电压：但故障线路与 非故障线路零序电压与零序电流相位关系仍与过渡电阻无关。 2 5 小电流系统单相接地故障的检测 2 5 1 单相接地检测的启动元件 谐振状态和单相接地状态都可能导致中性点位移和电压升高。经消弧线圈 补偿电网正常运行时中性点位移电压u 。的大小为【2 3 1 ： 驴捣 2 _ 1 4 式中k 电网的不对称度； u 一补偿电网脱谐度； d 补偿电网的阻尼率 u m 相电压 通常架空线路的不对称度k ，为1 5 1 1 5 ，阻尼率d 约为3 5 ， 取k 。= 1 1 5 ，d = 3 ，u = 一1 0 时 u = o 1 1 u 2 - 1 5 式中取补偿度为1 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 v ；1 一二：一1 0 2 - 1 6 2 f c o 根据实际的经验和测量结果，零序p t 开口电压通常为零，即使存在不 平衡电压，也不会超过5 v 。单相金属性接地，开口电压接近l o o v ：经电阻接 地，则应在3 0 v i o o v 之间，所以单相接地故障和由于不对称所造成的零序电 压数值上是不同的，当装置检测到零序电压超过3 0 v 就启动单相接地故障判断 程序。 2 5 2 中性点不接地系统单相接地 中性点不接地系统电网正常运行时三相电压为v 。，v 。，矿。，三相基本平衡 三相电流l + ，a + ，。一o 。假设电网空载运行，由于配电线路中各相对地的泄 漏电导可忽略不计，配电系统如图2 一l l 所示。 图2 - 1 1 中性点不接地系统单相接地 当a 相经过渡电阻见接地时，各相对地导纳为： 匕；丢七j 们。 k ；t = j 。 式中c 。为各相对地总电容 那么中性点位移电压 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 d “= _ j 以。旷n + 矿a + 哟+ 丢曲佃3 甜。+ 击】、tl 2 1 7 一志矿。 把上式写成有效值形式为： u w = f = = = 兰= 鼍u 。 2 - 1 8 4 1 + ( 3 n c o r f ) 2 其中u m 为相电压有效值 电网正常运行时，r ，一。0 ，u 。一= 0 ，当电网发生金属性接地时，r ，= o ， u 。其向量图见2 - 1 2 所示。当a 相经某一过渡电阻r ，接地，且电网的运行 方式一定( c 。一定) 时，中性点的位移电压按式2 1 7 变化，可以证明u “的变 ii 化轨迹是以扩。i 为直径的右半圆。 ll 从向量图可以看出，接地相对地电压不一定是最低的，当接地发生在d “点 以上时，吒。，当接地正好发生在点时，p 乙，圪一= k 一。不管 a 相在哪里发生接地，c 相最高。 当发生单相接地时，有以下特点： ( 1 ) 电压保持对称。 ( 2 ) 各相对地电压发生变化，电压最高相的下一相为接地相。 ( 3 ) 非接地线路首端的零序电流，其数值等于该线路的对地电容电流，电 容性的无功功率方向由母线指向线路。 ( 4 ) 接地线路首端零序电流等于所有非接地相线路零序电流之和，电容性 无功功率的方向由线路指向母线。 所以只需根据基波零序电压、电流夹角就能确定故障是发生在电源侧还是 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 图2 1 2 各相对地电压向量图 线路侧。根据图2 一l l 可知，当故障发生在f 1 处时，故障在负荷开关s 1 后面，故障检测装置检测到零序电流是流向电源侧，故障f 1 发生在s 2 的前面， 故障检测装置检测到的零序电流是流向线路侧的。所以故障段的两端的装置所 检测到的零序电流的方向是不一样的，由此可以确定故障段。 2 5 3 中性点经消弧线圈接地系统的单相接地 中性点经消弧线圈接地的系统发生单相接地时，配电系统如图2 1 3 所示。 图2 - 1 3 中性点经消弧线圈接地系统单相接地 同理可推导出中性点位移的电压为： 矗。三一痧。 2 1 9 1 + j ( 孔o c 。一吉) r ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 式中l 一为消弧线圈的电感。 在电力系统运行中，一般采用过补偿的运行方式，有3 虻。一1 “c0 ，分析 li 式2 一1 9 ，u “的变化轨迹是以旷。l 为直径的左半圆，如图2 - 1 4 所示，分 ii 析各相对地电压，电压最高相的上一相为接地相，与中性点不接地系统刚好相 反。 设，r 为消弧线圈的补偿电流，j c 为全系统的对地电容电流，则补偿后接 地点的残余电流为f 。；j ，+ ，c 。在实际中采用过补偿方式，一般选择过补偿 度p = 5 1 0 。流经接地线路的感性电流将大于本身的电容电流，其零序电 流方向由电源流向线路，无法判断故障是否发生在故障检测装置的前面还是后 面。通过分析可知，电压电流高次谐波补偿度要比基波小得多，可用高次偕波 进行分析，电流中含有大量三次、五次、七次谐波。但是，由于三次谐波本身 具有零序特性，因此不能用它来作为单相接地故障零序电压与零序电流相位关 系的判断。其次，由于七次谐波含量较五次谐波小得多。所以，我们可以用五 次谐波零序来判断小电流系统单相接地故障。 五次谐波占电网电压2 4 ，消弧线圈的整定是按补偿基彼电容电流来 考虑的，故有： 1 耐 以。 显然对于五次谐波有 矿 图2 1 4 经消弧线圈单相接地电压向量图 2 2 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 上 5 耐2 - 2 1 5 0 7 0 设五次谐波电压为v 5 ，则流过接地线路的五次谐波总电容电流为： i c 5 = v 5 j s a , c o 流过接地线路五次谐波电感电流为： i t = - v d j 5 c o l 取补偿度p = 1 0 ，且消弧线圈未饱和，则有 2 2 2 2 2 3 孕：_ 5 a , c o 2 5 c o c o 2 3 e l _ 1 1 ) 22411 j f三“ w c o、c o 。 5 补偿后的五次谐波电流： i e st i l + i c 5 一一i 七v 5 5 w c a、= 3 ( o l “j = v 5 ( 5 a x 7 0 o 2 2 们o ) ；4 7 8 v sw c o 五次谐波的电容电流远远不能被补偿，此时的特点与不接消弧线圈接地电 网相似。所以中性点经消弧线圈接地系统只需根据五次谐波零序电压、电流夹 角就能确定故障是发生在装置的前面还是后面。根据图2 一1 3 可知，f 1 处发生 故障时，故障在负荷开关s 1 后面，故障检测装置检测到五次谐波零序电流是 流向电源侧的，故障f l 发生在s 2 的前面，故障检测装置检测到的五次谐波零 序电流是电源流向线路的。所以故障段的两端的装置所检测到的五次谐波零序 电流的方向是不一样的，因此可以确定故障段。 2 6 现有单相接地检测方法综述 目前电力系统中投运的接地检测方法主要有群体比幅比相法、五次谐波 法、有功法、小波法等。 一、群体比幅比相法 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 群体比幅比相法是最早被提出的选线方法，它的基本原理是：在中性点不 接地系统中，故障线路零序电流的大小等于所有非故障线路的零序电流之和， 方向与非故障线路的零序电流方向相反，依据这个特点可检测故障线路。群体 比幅比相法是目前应用最为广泛的种方法1 3 0 1 ，在不接地系统中，这种方法的 应用效果较好，但是在消弧线圈接地系统中由于消弧线圈的补偿作用，选线法 则会失效。 二、五次谐波法 电力系统由于变压器、线路设备的非线形影响，线路电流中存在着谐波分 量，其中五次谐波含量最大，发生单相接地故障时，谐波分量还会有一定程度 增加。对于中性点经消弧线圈接地的系统，消弧线圈对五次谐波所呈现的感抗 是基波的5 倍，而线路分布电容对五次谐波所呈现的容抗却是基波的1 5 ，因 此消弧线圈基本上不能补偿五次谐波的电容电流。所以在消弧线圈接地系统 中，对于五次谐波分量，依然可以近似看成故障线路的电流大小等于所有非故 障线路的电流之和，方向与非故障线路的电流方向相反。 五次谐波法解决了中性点经消弧线圈系统的故障选线问题，它的一个不足 是故障电流中五次谐波含量仅占基波的1 0 左右1 2 ”，在经过渡电阻接地的情况 下数值就会更小，易造成误判。 三、有功法 有功法的原理是由于线路、消弧线圈都存在对地电导，所以故障电流中含 有有功分量，且故障线路的有功分量比非故障线路大而方向相反，据此检测故 障线路。 有功法的缺点是故障电流中有功分量也f a d , ，易受零序电流过滤器中不平 衡电流等因素的影响【3 0 】。 四、小波法 小波方法是9 0 年代后期发展起来的一种新的选线方法。小波方法的理论 依据是：由于电网中绝缘被击穿而引起的接地故障，经常发生在相电压接近于 最大值的瞬间，因此，可以将故障后的暂态容性电流看成是以下两个电流之和： 其一是由于故障相电压突然降低而引起的放电电容电流，它通过母线及其它非 故障线路流向故障点，放电电流衰减很快，其振荡频率主要取决于线路参数、 故障点的位置以及过渡电容的大小，通常高达数千赫兹：其二是由于非故障相 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 电压突然升高而引起的充电电容电流，它要通过电源或变压器形成回路，由于 整个回路的电感比较大，因此充电电流衰减的较慢，振荡频率也比较低。 由此可见，由于线路分布电容的充放电，在各条线路中引起高频振荡，其 振荡频率与线路的r l c 参数密切相关，而与系统的消弧线圈补偿关系不大。非 故障线路中暂态电流的大小和频率主要取决于本线路的参数，故障线路中暂态 电流则是其它各线路电流之和：在变化方向上，非故障线路暂态电流与故障线 路暂态电流的变化相反。依据这两点就可以作为故障线路判断的标准。暂态电 流的大小取决于接地瞬间故障相电压的瞬时值【3 ”，其衰减主要由接地电阻决 定。 小波法的缺点是暂态过程持续时间较短，而且无法重现，一般情况下一个 周波之后就衰减到很小的值，因此必须能够捕获暂态信息并做出正确判断。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 第3 章1 0 k v 铁路自闭贯通线路的故障分析 3 1 1 0 k v 自闭贯通电网的现状及特点 3 1 1 概述 自闭贯通电网就是专门为铁路自动闭塞信号装置、驼峰信号等i 级负荷提 供电源。1 0 k v 自闭贯通线路是指对自动闭塞区段信号设备供电的专用电力线 路。一般设在铁路车站的1 0 k v 配电所或3 5 1 0 k v 变电所的1 0 k v 母线经调压 器供电，其接线原理图如图3 1 所示。 i ， 图3 - 11 0 k v 自闭贯通电网原理接线图 该接线形式有两种运行方式：( 1 ) 断路器d l l 、d i a - 闭合，经调压器t 向 1 0 k v 自闭母线供电，为主运行方式。( 2 ) 断路器d l 2 和d l 3 闭合，直接向1 0 k v 自闭母线供电，为各用方式。正常运行情况下采用方式( 1 ) 供电，只有当调压 器或相关设备故障或检修时，采用方式( 2 ) 供电。 向铁路沿线的自动闭塞信号装置供电的1 0 k v 变电所馈出线的供电距离一 般条件下宜为4 0 - - - 6 0 k i n 。因此，当1 0 k v 自闭贯通线路或向该线路供电的配电 所( 或变电所1 一旦发生故障时，打乱铁路正常运输计划。严重时，会造成难以 估计的巨大经济损失。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 3 1 2 1 0 k y 自闭贯通电网的现状 目前，我国对铁路l o k v 自闭贯通供电线路的故障检测缺乏有效的方法， 特别是单相接地故障的检测，普遍采用在1 0 k v 母线处通过监视系统零序电压 是否超过整定值，然后通过选线装置来判断故障线路，并给出报警信号提醒值 班人员，但是无法提供具体故障区段。 3 1 3 1 0 k y 自闭贯通电网的特点 由于保证运输安全是铁路的重要任务。在我国，铁路l o k v 自闭、贯通线 路给铁路信号电源供电，为了实现安全可靠、经济合理的供电网络，铁路自闭 贯通配电网( 系统结构图如图3 2 所示) 在系统构成和功能上有一些区别于电 力系统配电网的特点，主要有： ( 1 ) 供电线路长。l o k v 自闭电网的供电臂一般为4 0 6 0 k m ，有的地方供 电臂长达7 0 8 0 k m 。 ( 2 ) 供电点多，供电负荷小。因为l o k v 自闭贯通电网是专门为自动闭塞信 号装置供电，l o k v 自闭贯通线路经过的车站都有接入点，而且信号负荷很小。 ( 3 ) 运行环境差、维护困难。因为有的l o k v 自闭贯通线路受到外界因素影 响，采用电缆引出，而电缆埋在地下，受地质、气候影响较大。同时，日常维 护也较困难。 ( 4 ) 电压等级低，变( 配) 电所结构单一。自动闭塞信号装置属于终端负荷， 直接面向最终用户，所以铁路自闭贯通线的供电系统中绝大多数为l o k v 配电 所和3 5 k v 变电所。由于功能要求、应用范围基本相同，所以该供电系统中的 变( 配) 电所构成基本相同，功能配置变化不大。 ( 4 ) 系统接线形式简单。自闭贯通供电系统的接线是一个沿铁路敷设的单 一辐射网，各变( 配) 电所沿线基本均匀分布且互相连接，构成手拉手供电方式。 连接线有两种：一是自闭线，为主运行方式；二是贯通线，为备用方式。 ( 5 ) 供电可靠性要求高。铁路自闭贯通供电系统虽然电压等级低，接线方 式简单但对供电可靠性的要求却很高。 在应用配电自动化技术之前，铁路供电系统已经采取了多种方法来保证供 电的可靠性，如通过采用双电源供电和安装备用电源自投装置来保证电源的供 电可靠性，在相邻配对所的贯通线路保护装置增加失压自投保护功能等。然而 亘亘窭道查兰塑主堡窒皇堂焦笙塞蔓! ! 堕 目前所装设的老式保护当线路发生故障，特别是单相接地故障时难以判断故障 发生区段，使故障排除时间长，影响自动闭塞信号正常运行。 】晶 图3 2l o k v 自闭贯通配电网系统结构图 3 21o k v 自闭贯通线路的短路故障分析 l o k v 自闭贯通电网根据故障性质分为两大类：一类是相间短路；另一类 是单相接地。 3 2 。1 自闭贯通电网相问短路故障分析 铁路自闭贯通电网短路故障主要包括三相接地短路、三相相间短路、两相 接地短路、两相相间短路等。如图3 3 所示，各开关站安装有互感器，短路故 障发生时，通过安装在开关站的互感器故障点之前的开关站可以显著检测到过 流信息、故障点之后的开关站无过流信息，由此可以检测故障发生的区间。另 外，故障类型、故障相的不同也可以显著判别。 一、两相短路 假设b 、c 相在开关站2 与3 之间发生两相短路，如图3 - 3 ( a ) 所示。 故障点的边界条件：，。；o ，。= 一i o , u 。= u 。 3 - 1 利用对称分量法表示，则： 且岳也 麟 鲨一 艇 堕生 脚 逍 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 i o = f ，。+ i b + j 。) 3 = 0 f ie c 1 以门d di ；ld 臼i c 3 4 臼i 3翻艘i “ 3 - 3 ( a ) 鑫阔爨通电网两鞠短路示意图 因此系统无零序电流，向量图如图3 - 3 ( b ) 所示 图3 - 3 ( b ) b 、c 两棚短路向量图 3 - 2 在l o k v 鲁闭贯通电瓣各开关站装浚逛滚互慧器，瘸来瀵鳖该链浆电流， 根据图3 - 3 ( a ) 可以得出如下结论： ( 1 ) 故障帽间电压降低，故障相有短路电流，整个系统无零序电流和零序 电压。 ( 2 ) 馥障区段前端( 靠近电源侧，戳下同) 故障籀蠢分段处都流过幅值稳溺韵 短路电流。 ( 3 ) 故障区段后端( 近离电源侧，以下同) 故障相各分段处都来流过短路电 浚。 二、黼相接地 假设线路b 、c 相在2 、3 开关站阅发生b 、c 鼹点接地短路，如图3 4 ( a ) 所示，岛，疡，及为电源缳相相电压。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 故障点的边界条件：1 。= o ，u a = u 。= 0 3 - 3 而且b 、c 相对地电容被短接，则从故障点流回的电容电流为a 相对地 电容电流，即： ，o = j o j c u 。 u 。为故障点处的a 相相电压 3 - 4 图3 - 4 ( a ) b 、