（电力系统及其自动化专业论文）基于数学形态学的小电流接地选线研究.pdf

f 。 喜 _ 澎 f ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e r t h er e s e a r c ho ff a ul tl in ed e t e c t i o no f 、 n o n - - e f f e c t i v e l yg r o u n d i n gn e t w o r kb a s e do n m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y c a n d i d a t e ：y u eq i n g y u s t u d e n tn u m b e r ：0 7 2 0 0 8 0 0 2 2 s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo f e l e c t r o n i c sa n d i n t o r m a t i o ne n g i n e e r i n l g 一一 d i s c i p l i n e ：e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f m ul o n g h u a j a n 2 0 1 0 |_ji；，“j 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 e 学位论文作者签名：彳两l 知f 口年吾月盥日 】=，“o|o，； ：，_。：， 。：，tj 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：j 礴也 a l o 年；月2 日 同济人学硕十学位论文摘要 摘要 在我国，3 - 6 6 k v 的电力系统大多采用小电流接地方式。其优点是当其发生 单相接地故障时，其故障电流很小，不形成短路回路，对电力设备、通信和人身 危害小，并且电网线电压基本保持不变，不影响对负载供电。因此，电力系统安 全运行规程规定可继续运行l 2 h ，而不必跳闸。由于小电流接地系统接地电流 小，单相接地故障的检测比较困难。现有的故障选线原理虽然很多，但结果都不 是十分满意，因此对小电流接地系统选线原理还需要进一步的研究和探讨。 本文首先从理论上分析了不同接地方式的小电流接地系统单相接地故障特 点，通过p s c 觥m ，r d c 仿真软件建立了小电流接地系统模型，仿真分析了故 障时零序电压和零序电流的暂态、稳态特点，同时分析了其频域特征，并在时域 和频域中分析比较了故障点位置、接地过渡电阻对中性点不接地系统及中性点经 消弧线圈接地系统故障特征的影响；其次分析了多种现有的接地保护原理，重点 分析了基于暂态故障特征的选线保护原理，并研究了改进的基于模极大值判极性 接地选线算法，通过仿真验证了其正确性和实用性；详细介绍了数学形态学基本 理论及多种形态学算子，提出了基于数学形态学t o p b o r o m 算子暂态选线新方 法，通过仿真验证了该方法适应于各种中性点接地方式的系统，同时还验证了该 方法对接地时间及过渡电阻的适应性；最后，在仿真验证的基础上，结合实际硬 件装置的要求，对基于数学形态学原理的暂态选线装置进行了硬件设计，并介绍 了软件设计思想。 关键词：小接地电流系统，接地故障，故障选线，数学形态学 t o n g j iu n i v e r s i t ym a s t e ra b s t r a c t a b s t r a c t i no u rc o u n t r y , p o w e rs y s t e m sw i t h3 - 6 6 k va l m o s tu s et h en o n - e f f e c t i v e l y e a r t h e dn e u t r a lf o r m t h en o n - e f f e c t i v e l ye a r t h e dn e u t r a ls y s t e mh a sm a n ym e r i t s f i r s to fa l l ，a si t sf a u l tc u r r e n ti ss m a l l ，t h es y s t e mw o u l dn o ti n c u rs h o r tc i r c u i t d e s p i t es i n g l e p h a s e - t o - g r o u n df a u l t f u r t h e r , i tb r i n g sn oh a r mt op e o p l eo re l e c t r i c e q u i p m e n t s ，n o rh a sa n ye f f e c to nt h ec a p a b i l i t yo ft h ee l e c t r i c i t yn e t w o r ka st h el i n e v o l t a g er e m a i n ss t a b l e s ot h en e t w o r kc o u l dc o n t i n u ew o r k i n gf o r1 - 2h o u r sw i t h o u t t r i p p i n go p e r a t i o n h o w e v e r , t h en o n - e f f e c t i v e l ye a r t h e dn e u t r a ls y s t e me a s i l yg i v e s r i s et ow r o n gd e t e c t i o no ft h ef a u l tl i n ed u et ot h es m a l lf a u l tc u r r e n t n o w a d a y s , t h e r e t i t l em a n yf a u l tl i n ed e t e c t i o nm e t h o d s ，b u tt h e ya r en o tu pt om u c h s oi ti sn e c e s s a r y t 0d 0f u r t h e rr e s e a r c ho ff a u l tl i n ed e t e c t i o nm e t h o d t h et h e s i st h o r o u g h l yr e s e a r c h e sa n da n a l y z e st h es t a b l ea n dt r a n s i e n tf e a t u r e s o fs i n g l e - p h a s e - t o - g r o u n df a u l ti nn e u t r a ln o n e f f e c t i v e l ye a r t h e ds y s t e mi nt h e o r y t h es i m u l a t i o nm o d e li sb u i l tu pu s i n gp s c a d e m t d cs o f t w a r e ，a n a l y z i n gt h e s t a b l ea n dt r a n s i e n tf e a t u r e so fz e r os e q u e n c ev o l t a g ea n dc u r r e n ti nf a u l tp e r i o d a n d i ta l s oa n a l y z e st h ef e a t u r e si nf r e q u e n c yd o m a i n a l s ot h ei n f l u e n c eo ff a u l tl o c a t i o n a n dt r a n s i t i o nr e s i s t o ri so b t a i n e db ys i m u l a t i o ni nt i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n t h e n t h et h e s i sa n a l y z e st h ee x i s t i n gf a u l tl i n es e l e c t i o nm e t h o d sa n ds p e c i a l l ye x p l a i n st h e f a u l tl i n es e l e c t i o nm e t h o db a s e do nt r a n s i e n tf e a t u r e s f a u l tl i n ed e t e c t i o nb a s e do n m o d u l u sm a x i m u md e t e r m i n i n gp o l a r i t yu s e di no u rl a b o r a t o r yi sp r e s e n t e dh e r e w h o s ec o r r e c t n e s sa n dp r a c t i c a b i l i t yi sv e r i f i e db ys i m u l a t i o n t h i st h e s i sa l s od o e s s o m er e s e a r c ho nm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y , i n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r ya n ds o m e m o r p h o l o g yo p e r a t o r si nd e t a i l i tp r o p o s e st h et r a n s i e n tf a u l tl i n ed e t e c t i o nb a s eo n t o p b o t t o mm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g yo p e r a t o rt h a ti sv e r i f i e db ys i m u l a t i o n t h e a p p l i c a b i l i t yt of a u l tt i m ea n dt r a n s i t i o nr e s i s t o ri sa l s ov e r i f i e db ys i m u l a t i o n a tl a s t ， t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ef a u l tl i n ed e t e c t i o nd e v i c eb a s e do n m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g yi sp u t sf o r w a r d k e yw o r d s ：n o n e f f e c t i v e l yg r o u n d i n gn e t w o r k ，g r o u n df a u l t ，f a u l tl i n ed e t e c t i o n ， m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y 1 1 同济人学硕十学位论文目录 目录 第1 章引言j1 1 1 引言j 1 1 2 国内外研究现状及发展趋势3 1 2 1 基本概况4 1 2 2 小电流接地系统单相接地故障选线方法简述4 1 2 3 接地故障选线原理现状及发展趋势8 1 3 本文的研究背景和意义9 1 4 本文的主要研究内容9 第2 章小电流接地系统单相接地故障分析1 1 2 1 中性点接地方式分析1 l 2 1 1 中性点不接地方式1 l 2 1 2 中性点经电阻接地方式1 47 甄 2 1 3 中性点经销弧线圈接地方式( 谐振接地) 1 5 2 2 单相接地故障分析1 8 2 2 1 稳态分析1 8 。 2 2 1 1 中性点不接地系统1 8 2 2 1 2 中性点经电阻接地系统2 1 2 2 1 3 中性点经消弧线圈接地系统( 谐振接地系统) 2 3 2 2 1 4 故障稳态分析结论2 5 ” 2 2 2 暂态分析2 6 2 2 2 1 暂态电流的等效模型2 6 2 2 2 2 暂态电容电流2 7 2 2 2 3 暂态电感电流2 8 2 2 2 4 接地点暂态故障电流2 8 2 2 2 5 故障暂态分析结论2 9 2 3 小电流接地系统单相接地故障仿真及分析一2 9 2 3 1 仿真工具介绍3 0 2 3 1 1p s c a d e m t d c 功能介绍3 0 2 3 1 2p s c a d e m t d c 工作界面介绍3 1 2 3 2 仿真模型建立3 2 2 3 3 单相接地故障仿真分析3 3 2 3 3 1 中性点不接地系统3 3 2 3 3 2 消弧线圈接地系统3 5 2 3 4 故障点位置的影响与分析3 8 同济人学硕t 学位论文基丁数学形态学的电流接地选线研究 2 3 4 1 中性点不接地系统3 8 2 3 4 2 消弧线圈接地系统3 9 2 3 4 3 两种系统的分析与比较4 1 2 3 5 过渡电阻的影响与分析4 1 2 3 5 1 中性点不接地系统4 1 2 3 5 2 消弧线圈接地系统4 4 2 3 5 3 两种系统的分析与比较4 5 2 4 本章小结4 6 第3 章小电流接地系统接地选线保护原理4 7 3 1 基于稳态故障特征的接地选线保护原理4 7 3 1 1 零序电流保护原理4 7 3 1 2 零序功率方向保护原理4 8 3 1 3 谐波电流方向保护原理4 8 3 1 4 零序电流有功分量方向保护原理5 1 3 2 基于暂态故障特征的接地选线保护原理5 2 3 2 1 小波变换5 2 3 2 1 1 连续小波变换5 2 3 2 1 2 离散小波变换5 3 3 2 1 3 二进小波变换5 3 3 2 2 模极大值及奇异性检测理论5 4 3 3 基于模极大值判极性的接地选线方法5 4 3 3 1 基于模极大值判极性的接地选线判据5 4 3 3 1 1 小波函数的选择5 4 3 3 1 2 特征尺度的选择5 5 3 3 2 选线判据5 6 3 3 2 1 模极大值5 6 3 3 2 2 模极大值点极性5 7 3 3 3 仿真验证5 8 3 4 本章小结6 5 第4 章基于数学形态学的小电流接地系统接地故障选线6 6 4 1 基本理论：6 6 4 1 1 二值形态学6 6 4 1 2 灰度形态学6 9 4 1 3 其他形态算法7 1 4 1 3 1 开一闭运算和闭一开运算7 1 4 1 3 2 形态梯度7 1 4 2 数学形态谱7 l 4 2 1 多刻度形态谱7 1 i l 同济人学硕十学位论文目录 4 2 2 形态谱定义7 2 4 3 扩展的数学形态学算子应用7 2 4 3 1 边缘检测7 2 4 3 2 组合滤波7 3 4 3 3 峰谷检测7 3 4 4 结构元素的选取7 3 4 5 基于t o p - b o t t o m 算子的接地故障暂态选线新方法7 4 4 5 1 基于数学形态学算子的故障暂态选线算法7 4 4 5 2 仿真模型7 5 4 5 3 基于数学形态学算子的故障暂态选线算法仿真验证7 6 4 5 3 1 中性点不接地系统7 6 4 5 3 2 中性点经消弧线圈接地系统及中性点经高阻接地系统7 8 4 5 4 接地时间的影响与分析7 9 4 5 4 1 峰值点接地7 9 4 5 4 2 过零点接地8 0 4 5 5 接地过渡电阻的影响与分析8 0 4 5 5 1 过渡电阻5 k q 与1 0 k q 峰值点接地8 0 4 5 5 2 过渡电阻5 k q 与1 0 k q 过零点接地8 l 4 6 本章小结8 2 第5 章基于数学形态学的小电流接地选线装置设计：8 3 5 1 系统功能概述8 3 5 2 系统硬件原理框图8 3 5 3 主板8 4 5 3 1s t m 3 2 f 1 0 3 z e t 6 处理器8 4 5 3 2 电源供电方案8 5 5 3 3 存储8 6 5 3 4a d c 8 7 5 4 信号采集及预处理8 8 5 4 1 电压信号的采集8 8 5 4 2 电流信号的采集8 9 5 5 通信8 9 5 6 液晶屏及键盘9 l 5 7 系统软件设计9 l 5 8 本章小结9 2 第6 章结论与展望i 9 3 6 1 结论9 3 6 2 展望9 3 致谢9 5 i i i 同济人学硕 ：! 学位论文基丁数学形态学的电流接地选线研究 参考文献9 6 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果9 9 i v 第l 章引言 1 1 引言 第1 章引言 电力系统中性点接地方式是指电力系统中的发电机和变压器的中性点与地 的连接方式。电力系统常用的系统接地方式有：中性点直接接地、中性点不接地、 中性点经消弧线圈接地( 谐振接地) 、中性点经电阻接地。其中，中性点经电阻 接地方式，按接地电流大小又分为高阻接地和低阻接地。 我国g b t 4 7 7 6 1 9 8 4 电气安全名词术语标准中，将上述四种中性点接地 方式归纳为两大类n ，： ( 1 ) 中性点有效接地系统( s y s t e mw i t he f f e c t i v e l ye a r t h e dn e u t r a l ) ： 中性点直接接地或经一低值阻抗接地系统，此系统也可称为大接地电流系统。 该系统运行中若发生单相接地故障时，就形成单相接地短路，线路上将流过 很大的短路电流，使线路保护装置迅速动作，断路器跳闸切除故障。大电流接地 系统在发生单相接地故障时，中性点电位仍为零，非故障相对地电压基本不变， 这是它的最大优点。因此在这种系统中的输电设备绝缘水平只需按电网的相电压 考虑，较为经济( 我国1 l o k v 及以上电网较多采用该方式) 。此外，该系统单相 接地故障时，不会产生间歇性电弧引起的过电压，不会因此而导致设备损坏。大 接地电流系统不装设绝缘监察装置。 中性点直接接地系统缺点也很多，首先是发生单相接地故障时，不允许电网 继续运行，防止短路电流造成较大的损失，因此可靠性不如小接地电流系统。其 次中性点直接接地系统在运行中若发生单相接地故障时，其接地点还会产生较大 的跨步电压与接触电压。此时，若工作人员误登杆或误碰带电导体，容易发生触 电伤害事故。对此需要加强安全教育和正确配置继电保护及严格的安全措施，以 避免事故。第三，中性点直接接地系统单相接地故障时产生的接地电流较大，对 通讯系统的干扰影响也大，特别是当电力线路与通讯线路平行走向时，由于耦合 产生感应电压，对通讯造成干扰。 ( 2 ) 中性点非有效接地系统( s y s t e mw i t hn o n e f f e c t i v e l ye a r t h e d n e u t r a l ) ：中性点不接地，或经高值阻抗接地，或谐振接地的系统。此类系统也 可称为小接地电流系统( 也俗称为小电流接地系统) 。 ( 一) 中性点不接地系统 中性点不接地系统，即是中性点对地绝缘。这种接地方式结构简单，运行方 便，不需任何附加设备，投资经济。适用于l o k v 架空线路为主的辐射形或树状 i 司济人学硕十j ! ；乏位论文基丁数! 学形态学的电流接地选线研究 形的供电网络。中性点不接地系统优点在于发生单相接地故障时，由于接地电流 很小，若是瞬时故障，一般能自动熄弧，非故障相电压升高不大，不会破坏系统 的对称性，根据安规规定，系统发生单相接地故障后可允许继续运行不超过两小 时，从而获得排除故障时间，相对地提高了供电的可靠性。中性点不接地方式缺 点在于因其中性点是绝缘的，电网对地电容中储存的能量没有释放通路。在发生 弧光接地时，电弧的反复熄火与重燃，也是向电容反复充电过程。由于对地电容 中的能量不能释放，造成电压升高，从而产生弧光接地过电压或谐振过电压，其 值可达较高的倍数，对设备绝缘造成威胁。 ( 二) 中性点经消弧线圈接地 中性点经消弧线圈接地系统，即是将中性点通过一个电感接地。自从1 9 1 6 年发明了消弧线圈至今，中性点经消弧线圈接地系统已有8 0 多年的历史。中性 点经消弧线圈接地的优点在于其能迅速补偿中性点不接地系统单相接地时产生 的电容电流，减少弧光接地过电压的产生。虽然中性点不接地系统具有发生单相 接地故障仍可以继续供电的突出优点，但也存在产生间歇性电弧接地而导致过电 压的危险。当接地电流大于3 0 a 时，产生的电弧往往不能自熄，造成弧光接地过 电压概率增大，不利于电网安全运行。而消弧线圈是一个具有铁芯的可调电感， 当电网发生接地故障时，接地电流通过消弧线圈时呈电感电流，对接地电容电流 进行补偿，使通过故障点的电流减小到能自行熄弧范围。而当电流过零而电弧熄 火后，消弧线圈尚可减少故障相电压的恢复速度，从而减少了电弧重燃的可能， 有利于单相接地故障的消除，相对地提高了供电可靠性。 中性点经消弧线圈接地系统的缺点主要在于零序保护无法检出接地的故障 线路。当系统发生接地时，由于接地点残流很小，且根据规程要求消弧线圈必须 处于过补偿状态，接地线路和非接地线路流过的零序电流方向相同，故零序过流、 零序方向保护无法检测出已接地的故障线路。其次，消弧线圈本身是感性元件， 与对地电容构成谐振回路，在一定条件下能发生谐振过电压。第三、中性点经消 弧线圈接地仅能降低弧光接地过电压的概率，还是不能彻底消除弧光接地过电 压，也不能降低弧光接地过电压的幅值。 ( 三) 中性点经电阻接地 中性点经电阻接地系统，即是中性点与大地之间接入一定电阻值的电阻。该 电阻与系统对地电容构成并联回路，由于电阻是耗能元件，也是电容电荷释放元 件和谐振的阻压元件，对防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压。有一定优越 性。另外采用电阻接地方式的变电所当发生单相金属性接地故障后，健全相电压 上升至系统线电压，接地点电流值由系统电容电流的大小和中性点电阻值共同决 定。在发生非金属性接地故障时，受接地点电阻的影响，流过接地点和中性点的 2 第l 章引言 电流比金属性接地时有显著降低，同时，健全相电压上升也显著降低。由此可见， 采用中电阻接地方式能在单相接地故障时产生限流降压作用，对设备绝缘等级要 求相对较低。 中性点经电阻接地系统的缺点在于接地点的电流较大，当零序保护动作不及 时或拒动时，将使接地点及附近的绝缘受到更大的危害，导致相间故障发生。此 外对低阻接地系统当发生单相接地故障时，无论是永久性的还是非永久性的，均 作用于跳闸，使线路的跳闸次数大大增加，影响了用户的正常供电，使其供电的 可靠性下降。 小接地电流系统的优点是当其发生单相接地故障时，其故障电流很小，不形 成短路回路，对电力设备、通信和人身危害小，并且三相间的线电压基本保持不 变，不影响对负载供电，因此，电力系统安全运行规程规定可继续运行1 2 h ， 而不必跳闸。 电力系统中性点究竟采取何种接地方式才是最佳，这历来是个有争议的问 题。电力系统中性点接地方式是为保证系统正常工作及在系统出现故障时，能够 迅速排除事故，使得供电系统能够继续运行的一种有效措施。 各种中性点接地方式在不同的国家都有应用，每个国家和一个国家地区之间 采用的接地方式亦不尽相同，具体的选择涉及电网的各种运行情况、供电可靠性 要求、故障时的过电压、人身安全、对通信的干扰、对继电保护的技术要求及设 备投资等，主要是根据各自的运行经验和传统做法来确定的。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 系统都采用消弧线圈接地方式；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 来逐步向消弧线圈接地方向发展。 在我国，对于l l o k v 及以上电网，一般都采用大接地电流的接地方式n _ 一。 对于6 6 k v 及以下配电网及大型工矿企业的供电系统，属于小接地电流系统，并 以采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式居多。如上所述，小接地电流 系统的优点是单相接地电流较小，单相接地不形成短路回路，并可继续运行l 2 h 。 但是，电网长时间带接地故障运行极容易引发相继的电气事故。所以，当事故发 生以后，应尽快确定故障线路并予以切除，并且，是选择性的切除。也就是说当 电网的某一线路发生接地故障时，接地保护装置仅使开关切除或发出信号指示接 地故障所在线路，保证非接地线路的正常供电。这样有利于非故障线路和设备继 续运行，缩小停电范围，对保证电网安全、可靠运行和提高劳动生产率显然极为 有利。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 同济人学硕十学何论文基丁数学形态学的电流接地选线研究 1 2 1 基本概况 国外对小电流接地保护处理方式各不相同。前苏联电网中性点不接地方式得 到广泛应用，采用中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式，保护主要采用零序 功率方向原理和首半波原理，同时发展到了群体比幅；日本采用高阻抗接地方式 和不接地方式，但电阻接地方式居多，其选线原理较为简单，不接地系统主要采 用功率方向继电器，电阻接地系统采用零序过电流保护瞬间切除故障线路。德国 多使用经消弧线圈接地，并于3 0 年代就提出了反映接地故障开始时暂态过程的 单相接地保护原理。法国过去以电阻接方式居多，利用零序过电流原理实现接地 故障保护，城市电缆线路不断投入，电容电流迅速增大，在使用中性点经电阻接 地几十年后，已开始采用自动调谐消弧线圈以补偿电容电流，并为解决此种系统 接地选线问题，提出了利用p r o n y 方法【4 】和小波变换以提取故障暂态信号中信息 ( 如频率、幅值、相位) 以区分故障与非故障线路保护方案，同时开发出了高新 技术产品零序导纳接地保护；芬兰传统的测量相位角的物理模拟接地保护， 已为近年研制的测量有功电流的新型数字式接地保护所取代；在瑞典的中压谐振 接地电网中，有的方向过电流接地保护是利用残流中的暂态分量和中性点位移电 压的极性构成的；挪威一公司采用测量零序电压与零序电流空间电场和磁场相位 方法，研制了一种悬挂式接故障指示器，分段悬挂线路和分叉点上。加拿大一公 司研制微机式接地故障继电器也采用了零序过电流保护原理，其软件算法部分采 用了沃尔什函数，以提高计算接地故障电流有效值速度。在美国，中性点不接地 系统单相接地保护被认为难于实现且引起的过电压严重，他们宁愿在供电网架结 构上多投资以保证供电可靠性，也不采用中性点不接地系统。但是，近年来i e e e 的专题报告中也认为应当加强中性点不接地系统的保护研究，因此近年来一些国 家在如何获取零序电流信号及接地点分区段方面作了不少工作，9 0 年代初，己 有将人工神经网络原理应用于接地保护装置并有文献报道应用专家系统方法，可 望使其选择性更加完善【5 卅。近年来美国电网中性点主要采用电阻接地方式，利 用零序过电流保护瞬间切除故障线路，但故障跳闸仅用于中性点经低阻接地系 统，对高阻接地系统，接地时仅有报警功能。 国内从2 0 世纪5 0 年代就开始了对接地( 漏电) 保护原理和装置的研究。但 2 0 世纪7 0 年代前，我国基本上采用“拉闸试停”的原始方法，7 0 年代后，先后 推出了几代产品。 1 2 2 小电流接地系统单相接地故障选线方法简述 由于小电流接地系统的广泛地应用，对小电流接地系统的单相故障选线方法 4 第l 章引言 的研究从未中断过，并吸引了众多学者和科研工作者的注意力，从基于稳态信息 的选线方法到基于暂态信息的选线方法，以下简要介绍目前国内外的小电流接地 故障选线方法和原理晦1 9 1 。 ( 一) 故障时外加控制措施改变故障量的方法 1 ) “注入法 原理 它不利用小电流接地系统单相接故障量，而是人为地向系统注入一个特殊频 率的信号，利用单相接地时接地相p t 原边处于被短接状态，用寻迹原理即检测、 跟踪该信号通路来实现接地故障选线。当系统发生单相接地时，注入信号电流仅 在故障线路接地相中流动，并经接地点流入大地。利用一种只反映注入信号而不 反映工频及其谐波成分信号电流探测器，对注入电流进行寻踪，就可实现单相接 地故障选线与接地点定位。主要难点是：( 1 ) 注入信号不够大时，变换到高压侧 的注入信号非常微弱，接收灵敏度低；( 2 ) 故障电阻较大情况下，故障线路与非 故障线路的信号差异不明显；( 3 ) 对于3 5 k v 以上线路，注入信号困难，可靠性差。 ( 二) 利用故障时稳态分量的方法 1 ) 零序电流比幅法 发生单相接地故障时，流过故障线路的零序电流在数值上等于所有非故障元 件对地电容电流之和。即故障线路上的零序电流最大。零序电流幅值比较法就是 利用故障线路零序电流幅值比非故障线路大的特点来选择故障线路。 该方法有两种变形，在实际中都有使用，但都针对特定条件。一种变形是分 别以线路上的零序电流与其它线路上的零序电流之和进行比较其中相等的那条 线路就是故障线路，如果对所有出线都不成立，则为母线故障。另一种变形，分 别预先计算出每条馈线对地电容大小，发生单相接地故障时，比较测得的零序电 流是否与本线路电容电流大小相等，不相等的即为故障线路，如果都相等则为母 线故障。 但是零序电流幅值比较法也有局限。这个方法不能排除电流互感器不平衡的 影响，以及线路长短、系统运行方式及过渡电阻大小的影响。由于电网中消弧线 圈补偿电流的存在，往往使故障线路电流幅值小于非故障线路，另外一个影响可 靠性的因素是故障点电弧不稳定现象，没有稳定的接地电流，可能造成选线失败。 由于种种缺点，零序电流比幅法目前已较少使用。 2 ) 零序功率方向法 中性点非接地系统中故障线路与非故障线路的零序电流分别从线路流向母 线和从母线流向线路，即故障线路零序电流滞后零序电压9 0 。，非故障线路零序 电流超前零序电压9 0 。，所以只需比较零序电流方向就可找出故障线路。但是它 受c t 不平衡电流、过渡电阻大小、系统运行方式的影响，易误判。并对中性点 5 同济人学硕十学位论文基丁数。学形态学的电流接地选线研究 经消弧线圈接地的系统失效。 3 ) 群体比幅比相法 这种方法为多重判据方法，即使用两种以上的判据综合判断。此方法采用幅 值法与相位法相结合的原理，进行各条线路的零序电流比较，选出几个幅值较大 的作为候选线路，然后在此基础上进行相位比较，选出方向与其他不同的，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，但仍然避免不了 受到c t 不平衡电流和过渡电阻大小的影响。 4 ) 谐波分量法 在经消弧线圈接地系统中，由于基波零序电容电流得到有效补偿，使得基于 基波零序电气量比较的选线方法失效，于是基于高次谐波特征的选线方法被提了 出来。 电网中的电气信号是以基波及奇次谐波为主，而没有或仅有很小比例的偶次 谐波。对于中性点不接地系统，非故障线路的m 次谐波零序电流相位超前m 次谐 波零序电压，特点与基波下相同。而对于中性点经电阻接地系统，依然存在故障 线路m 次谐波零序电流滞后m 次谐波零序电压关系，不过当m 增大时，谐波电容 电流有所放大，滞后角度减少。对于中性点经消弧线圈接地系统，消弧线圈l 的 作用是对基波电流整定的，当m 增大，谐波电感电流减少，谐波电容电流增大， 使得零序谐波电流的特点与中性点不接地系统的相同，满足故障线路m 次谐波零 序电流滞后m 次谐波零序电压9 0 。的关系。实际测量结果表明，谐波中5 次、7 次含量较大，但由于5 次或7 次等谐波含量相对基波而言要小得多，易受干扰， 精度不易受保证，受c t 和过渡电阻影响选线精度。将零序电流5 、7 次等谐波分 量求和后再根据谐波分量法进行选线，虽然能在一定程度上克服单次谐波信号小 的缺点，但不能从根本上解决问题。 5 ) 零序电流有功分量法 由于中性点电阻产生的有功电流只流过故障线路，与非故障线路无关，只要 以零序电压作为参考向量，将此有功电流取出，送入后级处理电路，即可十分方 便地实现选择性接地保护。也可将零序电流与零序电压构成零序功率，通过判断 零序有功功率的大小和方向实现选择性接地保护，此即所谓的零序有功功率方向 保护原理。这种方法可以使用基波分量，利于选线，但c t 不平衡电流的影响依 然存在。 ( 三) 利用故障时暂态分量的方法 1 ) 首半波法 首半波原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设，此时故 障相电容通过故障相线路向故障点放电，故障线路分布电容和分布电感具有衰减 6 第1 章引言 振荡特性，该电流不经过消弧线圈，所以暂态电感电流的最大值相应于接地故障 发生在相电压经过零瞬间，而故障发生在相电压接近于最大值瞬间时，暂态电感 电流为零。此时的暂态电容电流比暂态电感电流大得多，不论是中性点不接地系 统还是中性点经消弧线圈接地系统，故障发生瞬间的暂态过程近似相同。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很小，以 及过渡电阻的影响，易引起方向误判。 2 ) 小波法 利用小波分析良好的时频局部性，对零序暂态高频电流分量进行小波分解， 利用故障线路上小波分解系数与非故障线路极性相反的特性进行选线。因为消弧 线圈对于暂态高频分量相当于开路，所以这种方法不仅适用于中性点经消弧线圈 接地系统，而且还适用于中性点不接地系统，并且由于所提取出来的信号是一个 频段上的信号，而不像在五次谐波无功功率法中那样，仅用单一频率的故障信号， 当系统中这一频率的信号含量较少时，将会影响装置选线的可靠性。因此与五次 谐波无功功率法相比，这种方法的灵敏度和可靠性更高一些，抗干扰能力也要强 一些。 小波变换利用时间有限且频带也有限的小波函数代替稳态正弦信号作为基 函数对暂态信号进行分解，可很好地反映暂态信号包含的频率成分随时间变化的 特点。小波法的基本思路是利用小波变换提取各线路零序电流在某一尺度下的模 值，通过比较模值的大小与极性可选出接地故障线路n 。小波选线方法的优点是， 该方法对中性点不接地和中性点经消弧线圈接地的电网都适用；该方法特别适应 于故障状况复杂、故障波形杂乱的情况，与稳态量选线方法形成优势互补。但是 小波变换选线也存在尚未解决的问题：( 1 ) 小波变换对微变量过于敏感，抗干扰 能力不太强，易误判或漏判；( 2 ) 故障点经过渡电阻接地时，该方法的灵敏度会 随过渡电阻的增大而减少。( 3 ) 在信号处理上，相对于稳态算法，需要采集更多 的采样点，以便准确选定特征频带；对采样数据进行大量逐层提取与分离，乘法 运算量十分巨大；突变信号持续时间短，而微处理器( m c u ) 构成的嵌入式系统完 成小波运算所需时间长。 ( 四) 其他方法 1 ) d e s i r 选线法 静态d e s i r 。当非有效接地系统发生单相接地故障时，首先从所有馈线中抽 取零序电流的基波有功分量i r e s ，算出故障点的残余有功电流i r e f 并选取该向 量和的垂直线作为参考轴，再对所有馈线的基波零序电流在轴上的投影进行比 较，相位相反且数值最大者为故障馈线。 7 同济人学硕十学位论文基丁- 数学形态学的电流接地选线研究 动态d e s i r 。其原理与静态d e s i r 基本相同，只是用单相接地故障发生时零 序电流的变化量代替原来的零序电流。它具有较高的灵敏度。但是由于故障是随 机出现的，所以必须连续存储信号。由于需要长期连续的监测，在国内没有推广。 2 ) 神经网络 已有的接地选线方法选线准确率各不相同，单一方法的效果不是很理想，但 它们之间有一定的互补性一种基于神经网络的综合智能方法为切实提高选线准 确率提供了新思路。这种综合智能方法的原理是采用已有的多种接地保护原理和 方法，利用神经网络动态修改它们的权值，来保证选线的准确性 1 2 3 接地故障选线原理现状及发展趋势 尽管已有多种新的选线方法和原理应用于接地故障选线，且根据一些原理制 成了装置并投入使用，但从实际运行情况来看，并没有哪一种方法具有绝对的优 势，各种原理的自动选线装置均有误动、拒动现象发生。这说明人们对小电流接 地系统的故障特征并没有完全认识掌握，还有待于更进一步深入地探索研究，寻 找到更有效的保护判据，并开发出具有更高灵敏度和可靠性的保护装置。 随着计算机技术的发展、新型电子器件的问世以及新的数学分析工具的应 用，相信人们必将通过仿真及各种实验更清晰地认识小电流接地系统的故障特 征，必将会有更有效的选线原理算法的应用。 另外，微机继电保护技术未来趋势是向计算机化、网络化、智能化及保护、 控制、测量和数据通信一体化发展。 电力系统对继电保护及其自动装置的要求不断提高，除了装置本身的基本功 能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间、快速的数据处理能力、 强大的通信能力，具有与其他继电保护及其自动装置和调度联网共享信息和网络 资源的能力。 为了保证系统的安全稳定运行，这就要求各个继电保护及其自动装置共享全 系统的运行和故障信息数据，各个继电保护及其自动装置在分析这些信息和数据 的基础上协调动作，确保系统的安全稳定运行。实现这种功能的基本条件是将全 系统继电保护及其自动装置用计算机网络连接起来，即实现继电保护及其自动装 置的网络化。 在实现继电保护及其自动装置的计算机化和网络化的条件下，