（电力系统及其自动化专业论文）基于能量法小电流接地保护的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 1 引言 绪论 电力系统常见的中性点运行方式有三种，即不接地，经消弧线圈或电阻接地和 直接接地。所n d , 电流接地系统，又称非直接接地系统，是指前两种情况。 一般以系统的零序电抗x o 和正序电抗x 的比值了2 f o x 。的大小来划分中性点 y ， 属直接接地或非直接接地，从过电压防护的观点来要求，非直接接地系统的二席 “- 1 i 小于3 。 在我国2 2 0 k v 及以上电压等级的电网均为中性点直接接地系统。 1 1 0 k v 电嘲绝大部分为直接接地系统，但个别雷电活动较强的i f i 岳，斤陵地区， 亦有经消弧消弧线接地的。 6 0 k v 及以下电网均为非直接接地系统，其中1 0 k v 及电刚电刚当单相接地电 流i ? 小于3 0 a 和2 0 k v 及以上电捌i ! ? 大于1 0 a 时都需消弧线圈接地，- 6 则不能 熄灭电弧。 对于大电流接地系统中发生单相接地时，由有选择的灵敏的电流保护予以l 刀 除，在此4 i 予研究。本文研究的是小电流单相接地保护。 由于小电流接地系统中发生单相接地时，故障点的电流很小，而且相与相之间 的线电压仍保持对称，不影响对负荷的供电，冈此在一般情况下允许再运行1 2 h ， 而4 i 必立即跳闸，这也是小电流接地系统的主要优点。但是在发生单相接地后，非 故障相对地电压将升高，为了防止故障进一步扩大成两点或多点按地故障，一般要 求能有选择性地发出接地信号，以便运行人员能准确无误地采取措施对故障予以消 除。然而，在小电流接地系统发生单相接地时，由于其接地电流小，以及对于1 i 同 的结构和参数的小电流接地系统，发生单相接地时的高次谐波电流特征也1 i 尽相 同，故难以实现有选择的、灵敏的接地保护。 日前反应稳态基波零序方向的装置有z d 一4 。由零序电压启动发出系统接地信 号，运行人员转动切换开关，当切换到故障线路上时，零序方向元件发出系统接地 信号。装置有晶体管组成，需配置较高的冷轧硅钢片f l 2 型电流互感器。装置的电 路简单，多年运行表明运行可靠。z d 4 只适于中性点不接地系统。且当单相接地 时，若3 u 。低于4 0 v 时，装置将不能正常工作。大型工矿企业的6 k v 供电母线， 往往有多台电动机及相应的电缆出线，正常电容电流较大。当此电容电流1 i 大于 3 0 a ，对应系统等效对地分布电容约9 微法，当r ，等于1 1 0 欧姆3 u 。为4 0 v 。当 电容或r 。，再增大时3 u 。降到4 0 v 以下，即加在z d 4 上的输入电压小于正常允许 浙江大学硕士学位论文 1 引言 绪论 电力系统常见的中性点运行方式有三种，即不接地，经消弧线圈或电阻接地和 直接接地。所n d , 电流接地系统，又称非直接接地系统，是指前两种情况。 一般以系统的零序电抗x o 和正序电抗x 的比值了2 f o x 。的大小来划分中性点 y ， 属直接接地或非直接接地，从过电压防护的观点来要求，非直接接地系统的二席 “- 1 i 小于3 。 在我国2 2 0 k v 及以上电压等级的电网均为中性点直接接地系统。 1 1 0 k v 电嘲绝大部分为直接接地系统，但个别雷电活动较强的i f i 岳，斤陵地区， 亦有经消弧消弧线接地的。 6 0 k v 及以下电网均为非直接接地系统，其中1 0 k v 及电刚电刚当单相接地电 流i ? 小于3 0 a 和2 0 k v 及以上电捌i ! ? 大于1 0 a 时都需消弧线圈接地，- 6 则不能 熄灭电弧。 对于大电流接地系统中发生单相接地时，由有选择的灵敏的电流保护予以l 刀 除，在此4 i 予研究。本文研究的是小电流单相接地保护。 由于小电流接地系统中发生单相接地时，故障点的电流很小，而且相与相之间 的线电压仍保持对称，不影响对负荷的供电，冈此在一般情况下允许再运行1 2 h ， 而4 i 必立即跳闸，这也是小电流接地系统的主要优点。但是在发生单相接地后，非 故障相对地电压将升高，为了防止故障进一步扩大成两点或多点按地故障，一般要 求能有选择性地发出接地信号，以便运行人员能准确无误地采取措施对故障予以消 除。然而，在小电流接地系统发生单相接地时，由于其接地电流小，以及对于1 i 同 的结构和参数的小电流接地系统，发生单相接地时的高次谐波电流特征也1 i 尽相 同，故难以实现有选择的、灵敏的接地保护。 日前反应稳态基波零序方向的装置有z d 一4 。由零序电压启动发出系统接地信 号，运行人员转动切换开关，当切换到故障线路上时，零序方向元件发出系统接地 信号。装置有晶体管组成，需配置较高的冷轧硅钢片f l 2 型电流互感器。装置的电 路简单，多年运行表明运行可靠。z d 4 只适于中性点不接地系统。且当单相接地 时，若3 u 。低于4 0 v 时，装置将不能正常工作。大型工矿企业的6 k v 供电母线， 往往有多台电动机及相应的电缆出线，正常电容电流较大。当此电容电流1 i 大于 3 0 a ，对应系统等效对地分布电容约9 微法，当r ，等于1 1 0 欧姆3 u 。为4 0 v 。当 电容或r 。，再增大时3 u 。降到4 0 v 以下，即加在z d 4 上的输入电压小于正常允许 塑坚查兰堡主兰生堡墨 许工作电压，可见装置无法正常工作。它不适于6 k v 母线上有多台高压电动机的 用户和中性点经消弧线圈接地系统。 反应五次谐波的接地保护，从原理上讲可适于中性点不接地和经消弧线圈接 地的网络，z d 5 和z d 一6 型均为晶体管式稳态五次谐波零序方向保护，前者只保 护单回线，后者只保护1 0 条线路。该装置在调试方向元件动作角时有困难。 还有一种利用五次谐波电流来工作的保护装置，人工定期操作启动按钮，步 进选线器选择各条线路，装置线路简单，一般指示正确。如果同时有几条线路指 示为接地故障，可用装置中微安表鉴别故障线路。 m l h 型装置是反应零序谐波电流方向来工作的，用i n t e lm c s 5 1 单片机作为 核心元件构成的微机型接地保护装置。一般指示正确，故障信息显示较为直观， 能保护2 8 条线路，两个电压等级，性能较为完善。但是，由于系统中谐波分量受 多种因素影响，本身是不定的。因此，该装置也只适于一定结构和参数的系统， 所以用户反应褒贬不一。 在小电流接地系统中发生单相接地故障进行选线，国内外经过多年的研究， 提出了较多的方法但归纳起来，不外乎以下三种方法： a 故障时外加控制措施改变故障量的方法。 b 利用故障时稳态分量的方法。 c 利用故障时暂态分量的方法。 兹将几种用代表性的装置列表如下 基本原理应用范围形式优点缺点 “s 注入法”任何小电流t y 一0 1故障特征明因p t 特性 通过p t 副边注接地系统。t y 0 2显，适用范限制，特征 外 入高频信号微机保围广。电流较小， 加 1 量，电流探测护型。硬件条件要 控 器只有在故障求较高，造 制 线路出口检测价较高。 措 出的该信号电 施 流最大。 法 当发生永久接在日本应用故障特征明接地点人为 地故障后，投较多，适于显选线准确增加一个有 入按地电阻，消弧线圈接功电流，需 2 是故障电流增地网络。要增加一次 大到4 0 设备投资 5 0 a ，供选择故 障线路 稳基波零序功率3 3 5 k v中z d 一4 d 简单、可靠不适于经消 态方向性点不接地 晶体管对灵敏角要弧线圈接地 分 3 系统和中性 型 求低。系统，要运 量 点经高阻接行人员手动 法 地系统。 切换。 浙江大学硕上学位论文 利用比较故障辐射网和 z d 一6原理可靠，调试较复杂 线路和非故障环网均可 对零序滤过频率变化时 线路五次谐波使用。 器要求较低灵敏度降 稳 5 零序电流方向 灵敏度高，低。 态 相反的原理，对继电器灵 分 用半导体正弦敏角要求较 量 型方向继电器 低。 加以区别。 法 利用比较故障较大的辐一根母线简单对零序不适于环网 线路和非故障射网络，装一套切滤过器要求矛较，j 、的辐 线路五次谐波且任一出换使用。较低。射网，消弧 6 零序电流的大线的电容线圈的饱和 ，j 、。电流的大将影响五次 小不可超谐波电流的 过系统总大小。 电容电流 的1 4 1 3 。 用故障线路和辐射网络m h 一1原理可靠灵对不同的系 非故障线路五和环形网华北电力敏度较高面统结构效果 次谐波电流方络均可使学院研板显示直不一一样，原 7 向和零序功率用。制。观。理单一化， 的方向，用适应性差， m c s 一5 1 单片人机对话不 机构成微机型灵活，无远 保护装置。程通信和功 能扩展的功 能扩展的余 地。 利用接地时产辐射型网d l 一5 2 0简单能反应误动作较 生的过渡电流络。继电器改瞬时性故 多。 8 的幅值动作与制，加一障。 暂 继电器。 个自保持 态 线圈。 分 利用接地时零辐射网和z d 一3 c灵敏度高能有动作死区 目 序暂态电流的环形网络许昌继电 反应瞬时性当接地时电 里 首半波的方均可使用器厂生 故障。压瞬时值接 法 9 向。 近零时，装 置不会动 作。在操作 时和i 司歇性 故障时会误 功。 浙江大学硕士学位论文 鉴于上述原冈，目前选线装置，准确率刁i 高，这样1 i 仅增加了运行人员的操作， 而且延误事故处理时间，并且有可能造成事故扩大，降低了用户用电可靠性。再者， 随着计算机在电力系统的应用日益普及，变电站综合自动化开发成功，无人值班变 电站的兴建等也对小电流接地的有选择检测提出更高的要求，迫切需要一种高灵敏 性、高可靠性的自动检测接地装置来处理这种接地故障，以提高系统运行可靠性。 2 本论文的主要工作 通过对现有的小电流接地榆测装置的现场调查，表明：现有的小电流选线装置 在原理上，反应特征量单一化，从应用效果上看，可靠性较差。特别对于消弧线圈 接地系统故障选线，没有一个较理想的方法。基于这些原因，借助于现代技术和微 处理机方面的发展，本文提出了一种基于能量法反应多特征量，特别对于消弧线圈 接地系统具有较高灵敏度的新型选线方案。 让州了任何电力系统线性网络经非线性弧光阻抗故障时彳i 影响能量函数的方 句性。 发现了消弧线圈接地系统的容性冲击电流与感性非周期电流的关系，从而使能 量法选线与功率方向选线结合起来。 提出了克服数据采集通道相角误差，提高能量法灵敏度的方法。使选线准确率 大为提高。 探索了小电流接地系统的单相故障测距与短路测距新算法，完善了选线装置的 功能。 开发了在8 0 c 1 9 6 单片机上运行的汇编选线软件，同时滤波器的设计，数据采 集通道元件的特性分析及测试进行较深入的研究。 完成了样机的研制工作，对装置进行了静态模拟实验结果表明，该装置的正确 动作率达1 0 0 ，各项指标均高于目前国内现有的同类产品。 浙江大学硕士学位论文 鉴于上述原冈，目前选线装置，准确率刁i 高，这样1 i 仅增加了运行人员的操作， 而且延误事故处理时间，并且有可能造成事故扩大，降低了用户用电可靠性。再者， 随着计算机在电力系统的应用日益普及，变电站综合自动化开发成功，无人值班变 电站的兴建等也对小电流接地的有选择检测提出更高的要求，迫切需要一种高灵敏 性、高可靠性的自动检测接地装置来处理这种接地故障，以提高系统运行可靠性。 2 本论文的主要工作 通过对现有的小电流接地榆测装置的现场调查，表明：现有的小电流选线装置 在原理上，反应特征量单一化，从应用效果上看，可靠性较差。特别对于消弧线圈 接地系统故障选线，没有一个较理想的方法。基于这些原因，借助于现代技术和微 处理机方面的发展，本文提出了一种基于能量法反应多特征量，特别对于消弧线圈 接地系统具有较高灵敏度的新型选线方案。 让州了任何电力系统线性网络经非线性弧光阻抗故障时彳i 影响能量函数的方 句性。 发现了消弧线圈接地系统的容性冲击电流与感性非周期电流的关系，从而使能 量法选线与功率方向选线结合起来。 提出了克服数据采集通道相角误差，提高能量法灵敏度的方法。使选线准确率 大为提高。 探索了小电流接地系统的单相故障测距与短路测距新算法，完善了选线装置的 功能。 开发了在8 0 c 1 9 6 单片机上运行的汇编选线软件，同时滤波器的设计，数据采 集通道元件的特性分析及测试进行较深入的研究。 完成了样机的研制工作，对装置进行了静态模拟实验结果表明，该装置的正确 动作率达1 0 0 ，各项指标均高于目前国内现有的同类产品。 塑坚盔兰堡圭兰堡垒塞 第一章暂态能量方向保护原理及特性分析 本章对介绍暂态能量法的一般性原理和对它的特性进行了分析。暂态能量 法，对于任何故障类型都能正确的方向判别，而且非线性弧光阻抗不影响方向 判别。能量函数所用的故障电流电压是包含所有频率的故障信息，而微机保护 用的是数字量，所以必须经过滤波，才能为微机保护所使用。滤波后的电流电 压若要能量函数保持方向性，必须遵守它的滤波原则。 1 1 暂态能量方向保护原理 能量方向保护原理成立条件：任意的线性电力系统网络，短路阻抗可以是非 线性的。 1 1 l 系统的金属性 故障模型 如图1 3 所示，系 统a 相发生故障时 根据叠加原理故障 后系统( 图1 ) 可 分解成正常系统和 故障分量系统。图 2 是被分解的正常 分量系统，图3 是 被分解的故障分量 系统。其中 “2 d 2 u l 口，a m ，a n 是有源线性网络， p m ，p n 是无源线性 网络。u 。是故障前 的故障点稳态a 相 对地电压。 图4 6 分别是 三相短路，两相短路 两相接地短路被分解 的故障分量网络。 - _ _ u a 【a ml。i 。b 二： a n il 1 0 r i l a a a m a n b c () t a ( 田2 ) 单相故障的正常分量累 lp m i 2 b tr p n l 1 2 c lr l ( 图4 ) 三相短路接地时的故障分量网络 塑坚盔兰堡圭兰堡垒塞 第一章暂态能量方向保护原理及特性分析 本章对介绍暂态能量法的一般性原理和对它的特性进行了分析。暂态能量 法，对于任何故障类型都能正确的方向判别，而且非线性弧光阻抗不影响方向 判别。能量函数所用的故障电流电压是包含所有频率的故障信息，而微机保护 用的是数字量，所以必须经过滤波，才能为微机保护所使用。滤波后的电流电 压若要能量函数保持方向性，必须遵守它的滤波原则。 1 1 暂态能量方向保护原理 能量方向保护原理成立条件：任意的线性电力系统网络，短路阻抗可以是非 线性的。 1 1 l 系统的金属性 故障模型 如图1 3 所示，系 统a 相发生故障时 根据叠加原理故障 后系统( 图1 ) 可 分解成正常系统和 故障分量系统。图 2 是被分解的正常 分量系统，图3 是 被分解的故障分量 系统。其中 “2 d 2 u l 口，a m ，a n 是有源线性网络， p m ，p n 是无源线性 网络。u 。是故障前 的故障点稳态a 相 对地电压。 图4 6 分别是 三相短路，两相短路 两相接地短路被分解 的故障分量网络。 - _ _ u a 【a ml。i 。b 二： a n il 1 0 r i l a a a m a n b c () t a ( 田2 ) 单相故障的正常分量累 lp m i 2 b tr p n l 1 2 c lr l ( 图4 ) 三相短路接地时的故障分量网络 塑望茎堂堕兰垡堡皇一 图4 中等效电源 是稳态量，是发 生故障前的故障 点处的对地稳态 电压的相反值， 即u 2 口= - - t l l u 2 2 一u 1 u 2c2 一u 1 f 。 同样图5 ，图6 的等效电源亦 是稳态量， ( 图5 ) 两相短路叫的故障分量删络 ( 图6 ) 两相短路接地时的故障分量网络 1 12 故障分量网络能量函数的抽取 我们知道任意电力系统暂态过程具有凡巾s i n ( c o t + ) 的基本形式。珊= 0 时为按指数衰减的非周期分量。当国0 时为振荡衰减的周期性暂态分量。由 系统电感引起的非周期性暂态分量称为基本非周期性暂念分量：由串连补偿电 容引起的振荡频率低于工频周期性暂态分量，称为低频分量；由输电线路分布 电容引起的振荡频率高于工频地暂态分量称为高频分量：以及并联电抗器引起 非周期性暂态分量称为附加非周期性分量等。如图3 6 所示各种短路故障的故 障分量网络，因为p m ，p n 是零初始状态，所以暂态过程的各种分量就是在整个 网络的唯一的等效电源作用下产生的。整个网络的能量都来自等效电源，系统 网络从等效电源吸收能量及与之交换能量正是以电流和电压的各种暂态形式表 现出来，所以能量函数的抽取时，电流和电压的各种暂态分量都是有机组成部 分。 下面以单相接地故障为例说明之。设t = o 时发生故障，故障前系统稳定运行。 如图3 所示单相接地故障分量等效网络。整个网络的唯一电源就是加在故障处 a 相对地电压源u ：。p m 初始能量为零的无源网络，它的能量来自于u 。，而p m 与外界能量交换唯一通路是故障处的p m 侧三相线路。设s ( t ) 为p m 网络所储存 能量，则 s ( t ) 2 s 。( t ) + s6 ( t ) + s 。( t ) 塑坚叁兰堡主堂堡堡兰 f ， 其中s 。( t ) = “：。+ i 2 d t ，sb ( t ) = + i 2 , d t ，s 2h + i 2 , d t 0 00 据叠加定理 “j i i 二i _ i i l 1 i 二j61“：1。2i!。iiiij) m z ， = lu 一 1 d ，2 = 一l ，。= 1 。一 j 其中u u 。，u ( ，i 。，i 。，i 。为故障时故障测量处对地二相电压与线路电流。 “u t l 。，i i i ，。为测量处的没有发生故障时的稳态电压与电流。这 些量在发生故障后不能测量的，只能从稳态周期量中推导出来 u ( t ) 2 u m 。( 一t ) ( t ) 2 ij ( t t ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 详细情况见参考文献 1 。图三的参考方向下s ( t ) o ，据s ( t ) 或者能量的二次积分 的正负来判断故障区域，请见参考文献 j 】 1 2 暂态能量的特性分析 1 2 1 经非线性弧光阻抗 故障时能量函数有效性 经非线性弧光阻抗故障时 系统刚络亦可分解为正常 非故障嘲络和故障分量网 络，如图7 9 所示，以 单相接地故障为例说明 之。 图7 中，故障点电 弧以非线性电阻来模拟。 该网络除了非线性弧光阻 抗外全部是线性元件。 短路过程中接地阻抗电压 t l 。是一个含有各种暂态 分量的量。根据替代定 理可以用一个电动势等于 ai l q 1 6 b lla r l l rll 图7 ) 纶电弧单相接地敞障后网络 am * !l an 图8 ) 单相接地非故障分星网络 _ _ 一“一a i pm 。2 6 fb pn i 2 c lr u 。电压源代替非线性弧光阻抗的作用， 图9 单相接地故障分目网络 塑坚叁兰堡主堂堡堡兰 f ， 其中s 。( t ) = “：。+ i 2 d t ，sb ( t ) = + i 2 , d t ，s 2h + i 2 , d t 0 00 据叠加定理 “j i i 二i _ i i l 1 i 二j61“：1。2i!。iiiij) m z ， = lu 一 1 d ，2 = 一l ，。= 1 。一 j 其中u u 。，u ( ，i 。，i 。，i 。为故障时故障测量处对地二相电压与线路电流。 “u t l 。，i i i ，。为测量处的没有发生故障时的稳态电压与电流。这 些量在发生故障后不能测量的，只能从稳态周期量中推导出来 u ( t ) 2 u m 。( 一t ) ( t ) 2 ij ( t t ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 详细情况见参考文献 1 。图三的参考方向下s ( t ) o ，据s ( t ) 或者能量的二次积分 的正负来判断故障区域，请见参考文献 j 】 1 2 暂态能量的特性分析 1 2 1 经非线性弧光阻抗 故障时能量函数有效性 经非线性弧光阻抗故障时 系统刚络亦可分解为正常 非故障嘲络和故障分量网 络，如图7 9 所示，以 单相接地故障为例说明 之。 图7 中，故障点电 弧以非线性电阻来模拟。 该网络除了非线性弧光阻 抗外全部是线性元件。 短路过程中接地阻抗电压 t l 。是一个含有各种暂态 分量的量。根据替代定 理可以用一个电动势等于 ai l q 1 6 b lla r l l rll 图7 ) 纶电弧单相接地敞障后网络 am * !l an 图8 ) 单相接地非故障分星网络 _ _ 一“一a i pm 。2 6 fb pn i 2 c lr u 。电压源代替非线性弧光阻抗的作用， 图9 单相接地故障分目网络 浙江大学硕士学位论文 而不影响原来网络的电流电压特性。经电压源替代后，整个网络变成一个故 障点附加一个电压源的线性网络，满足叠加定理的条件。据叠加定理图7 网 络可分解成稳态的非故障网络和与故障分量网络，如图8 、9 所示。u 。为非故 障网络a 相对地电压，图9 为故障分量等效网络u ，。= 一u 。它与单相不经阻 抗接地故障分量网络区别是前者的等效电源是含有暂态分量，而后者的的等 效电源是稳态量。只是等效电源形式不同，其它条件是相同的，能量函数仍 然有效。对于发生三相，两相，两相接地的经非线性阻抗短路故障，它们的 故障分量等效网络与不经阻抗对应的短路故障形式是相似的，如图4 ，5 ，6 ， 只是在各自对应的非线性阻抗处用等效电压源代替，电压源的电动势是实际 短路过程中各自非线性阻抗的电压值，能量函数仍然有效。 对于非全相运行的纵向故障，与横向故障分析方法是一样的，等效电源用 纵向的电流源代替，故障分量等效网络的能量函数仍然有效的。 综合以上分析，各种 纵向故障，横向故障及 同一故障点的复杂故障 的故障分量等效网络， 可以用一个等效网络表 示出来，如图1 0 所示。 i2 。，i2 ，i2 。为纵向非 全相故障时故障分量 等效网络的等效电流源。 哪相故障，哪相电流源 ( 图10 ) 各羊呻一类型故障的故障分量等效嘲络 存在，而非故障相的电流源用短接线代替。对于横向短路故障，反应相i b j 故障 用电压源1 1 ：。u ：。u ：。表示，应接地故障用等效电压源，u ：。，u ：。，u ：。代替。 这六个等效电压源，发生哪类故障哪个电压源存在，而非故障类型的电压源则 断开。若故障点不经阻抗的故障则等效电源是稳态量，否则为暂态量。任何复 杂故障都可用该图描述，只是各种电源的不同组合，及接入的时刻不同。 1 2 2 弧光阻抗e m t p 仿真计算 图1 1 为仿真一次系统模型。以小电流接地系统为例，母线上三回馈线参数选用分布参 数，路。正序参数为，r + = o 0 9 5 欧姆公里，l + = 0 2 5 8 m h 公里，c + = o 2 5 9 u f 公罩。 零序参数：r o = 0 9 5 公里l 0 = i 0 3 6 m h 公，c o = o 1 9 4 u f 公里，变压器变比 1 1 0 k v 3 8 5 ，每回线路长度为3 0 k m 。光电阻采用克西和麦也尔电弧动态简化 浙江大学硕士学位论文 模型，电弧r 。1 0 q ，a 4 0 0 u s 时间内平均1 0 段。 详细请看参考资料【6 】。 消弧线圈取百分之五 过补偿。如图1 1 ，f 处 发生故障，以母线电压 与回路1 ，2 的电流能量 函数为s l ( t ) ，s 2 ( t ) 故障点 f 对于线路1 为正向故障 对于线路2 为反向故障。 s l ( t ) 0 而s 2 ( t ) 0 从而 区分开故障方向。 图l l 阱r p 仿真的一次系统图 e m t p 仿真采样频率 2 5 0 0 0 h z 。0 0 6 s 发生经弧光电阻两相短路接地。o 0 6 1s 发生弧光电阻的断相如 图1 2 ，1 3 所示，因故障线路的电流参考方向相反所以图1 2 能量函数小于零， 图1 3 为非故障线路能量函数大于等于零，验证了非线性弧光阻抗不影响能量函 数的方向判别。 一一一一一、 jh - 1 x 1 旷 1 0 厂_ r 一r 一1 i i 9 7 、， i i。i 。 i ，2 i 建 、一， 。 ii 】 1 1 f 7 0 孟二盂i i 蔷二二i 忑。卜i _ 面一3 0 0 磊 5 0 0 6 0 0 7 0 0e 0 0 钟。，。o o 图1 2 图1 3 1 2 3 暂态能量法中电流电压滤波原则 f，l l 。m ；5 4 d f l l l d 浙江大学硕士学位论文 如图( 1 4 ) 所示，为一线性网络发生故障时的故障分量等效网络。p m 为零 初始网络。故障等效电源在a n 网络中，a n 除等效电源以外亦为零初始网络， 设等效电源为u 。，u 。，i 。详情请看【1 2 1 】节。a ，b ，c 处为p t ，c t 装设处， 微机保护中处理的电流电压量是数字量，为了满足采样定理和其它特性要求对 电流电压量进行先滤波后采样。如图( 1 4 ) 所示，p m 网络时零初始网络，通过 p t , c t 的三相电流电压可以计算p m 网络暂态能量函数s 。，( r ) s 。，( ，) = 札( f ) f l 。( t ) d t + 几( r ) f 1 6 ( t ) d t + “l c ( ，) f l 。( t ) d t 0 0 - 5 ) 00 0 如果将三相电流电压分别经过六个滤波器滤波，那么滤波器满足什么条件才能 使所得到的能量函数亦是能量形式? 当滤波器的转移函数是相等时，所得到的 能量函数亦是能量形式。下面以u 。，i 。为例证明之。 由叠加定理可知：零初始网络在 u a ，u b ，i c 电源作用下， 图 x 1 一 ) 4 i靠而。 图( 15 ) u 1 。( s ) 2 h l ( s ) u 。( s ) + h 2 ( s ) “6 ( s ) + h 3 ( s ) f 。( s ) ( 1 6 ) ( 1 - 7 ) ，( s ) h 。( j ) 为运算形式的转移函数。设u 。( s ) ，i 。( s ) 的滤波器转移函数为 h 。( s ) ，( s ) ，则滤波后的电流电压 “】。( s ) 2h l ( j ) “。( j ) h 。( s ) + h 2 ( j ) “ ( j ) h 。( s ) + 日3 ( j ) ( j ) h 。( s ) f 】。( s ) = h 4 ( s ) ( s ) h ，( s ) + 5 ( s ) “6 ( 5 ) h ，( s ) + 日6 ( j ) f 。( s ) h 。( j ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) 从( 1 - 8 ) ，( 1 - 9 ) 式可以看出滤波后的电流电压等效于传递函数不变情况 浙江大学硕士学位论文 下给各个等效电源滤波。当h 。( s ) = ，( s ) 时，滤波后的电流的电源等效各分量 与电压的电源等效各分量才能相等，而滤波前的网络结构与滤波后的网络结构 相同，仅仅等效电源发生变化，“。( s ) ，f ，。( s ) 。确定的能量函数仍然具有能量形 式。同理，u l a ，u l b ，u l c ，i l a ，i l b , i l c 各个滤波器传递函数必须相等，否则滤波后的 电流电压不能相当于滤波前的网络结构下仅仅不同的电源数值下产生的。对于 滤波器传递函数相同时的仿真见图( 1 5 ) e m t p 仿真计算。该仿真选用的系统模 型及参数与上一节仿真相同，选用三阶b u t t e r w o r t h 滤波器，截止频率为2 8 0 h z ， 图( 1 5 ) 为故障线路经过滤波后的能量函数，其值小于等于零，保持滤波前的 方向性。 浙江火学硕士学位论文 第二章暂态能量法小电流系统接地选线的特性分析 暂态能量法不仅可以作为大电流接地系统的方向元件，还可以作为小电流 接地系统的选线元件。本章首先介绍能量法选线的原理及特点，然后阐述小电 流接地系统发生单相接地故障时的特征，着重阐述消弧线圈接地系统的故障特 征：即有非周期分量，又有容性冲击电流，利用该特征可以分别用能量法与基 波功率方向进行选线。 2 1 暂态能量法选线原理及特点 l 暂态能量法选线原理 利用暂态能量的方向性进行故障判别可以用两种模型提取暂态能量函 数，其一，是故障分量等效网络，该网络结构由这样的元件组成：正常电 源为零情况下，在故障处等效电源作用下，暂态分量所能流经的所有元件。 另一种模型是暂态零序分量等效网络，据模变换技术【见参考资料1 】， 该网络是存在的。它是在故障分量等效网络基础上建立起来的，它只是故 ( 2 1 ) 故障分最等效网络( 2 2 ) 暂态零序等效电路 z 3 z 2 z 1 障分量等效网络中，暂态的零序量所能流经的元件所组成。只有在故障时 有零序量时，能量函数才有效。由此可以得出零序网络能量函数小于故障 分量网络的能量函数。上一章图( 1 1 ) 网络结构分解的两种模型如图( 2 1 ) ，( 2 2 ) 这是本章所用到的模型。 选线方法如下，如图( 2 1 ) z 1 线路发生故障，由母线处测得的“( ，) ，i ，( ，) 计算的能量函数 5 r ，( f ) = f “( ，) f 。( t ) d t ，与之关联的电路元件有变压器线路2 ， 3 ，因是零初始时刻，所以关连的元件能量全部经过测量处。故障线路电 浙江火学硕士学位论文 第二章暂态能量法小电流系统接地选线的特性分析 暂态能量法不仅可以作为大电流接地系统的方向元件，还可以作为小电流 接地系统的选线元件。本章首先介绍能量法选线的原理及特点，然后阐述小电 流接地系统发生单相接地故障时的特征，着重阐述消弧线圈接地系统的故障特 征：即有非周期分量，又有容性冲击电流，利用该特征可以分别用能量法与基 波功率方向进行选线。 2 1 暂态能量法选线原理及特点 l 暂态能量法选线原理 利用暂态能量的方向性进行故障判别可以用两种模型提取暂态能量函 数，其一，是故障分量等效网络，该网络结构由这样的元件组成：正常电 源为零情况下，在故障处等效电源作用下，暂态分量所能流经的所有元件。 另一种模型是暂态零序分量等效网络，据模变换技术【见参考资料1 】， 该网络是存在的。它是在故障分量等效网络基础上建立起来的，它只是故 ( 2 1 ) 故障分最等效网络( 2 2 ) 暂态零序等效电路 z 3 z 2 z 1 障分量等效网络中，暂态的零序量所能流经的元件所组成。只有在故障时 有零序量时，能量函数才有效。由此可以得出零序网络能量函数小于故障 分量网络的能量函数。上一章图( 1 1 ) 网络结构分解的两种模型如图( 2 1 ) ，( 2 2 ) 这是本章所用到的模型。 选线方法如下，如图( 2 1 ) z 1 线路发生故障，由母线处测得的“( ，) ，i ，( ，) 计算的能量函数 5 r ，( f ) = f “( ，) f 。( t ) d t ，与之关联的电路元件有变压器线路2 ， 3 ，因是零初始时刻，所以关连的元件能量全部经过测量处。故障线路电 浙江大学碗士学位论文 流参考方向以流出关联元件为正所以s ( f ) - 0 。非故障线路比如线路2 能量函数s ：( f ) = f “( f ) f ：( t ) d t ，与之关联的电路元件z 2 ，电流参考方向以 流入为正，所以，( ，) 0 。这就是故障线路与非故障线路区分标准。同理 零序分量等效网络选线原理也是与此相似，只是电流电压用的是零序量。 2 能量法小电流接地选线的特点 用能量法进行小电流接地系统选线，是一种全新的方法，突破了传统的选 线原理，具有很高的选线准确率。该选线方法仍然利用故障时的故障信息量， 不增加次设备投资，具有较低的造价。下面就能量法选线的特点分别进行i 兑 明。 1 能量法选线适于中性点经消弧线圈接地的系统。 消弧线圈系统选线是个难点，由于消弧线圈的补偿作用零序电流故障线路 的地基波零序电流的大小和方向及功率方向很难判断。而能量法非常适于消弧 线圈接地系统选线，故障线路能量函数不仅能够正确选线而且能量函数比中性 点非消弧线圈接地的小电流接地系统能量函数大，因为故障时能量函数初始充 电能量有一部分能量在消弧线圈与线路电容之间相交换。 2 非线性弧光阻抗不影响选线的正确性。 在电力系统网络发生故障时，电弧特性是很复杂的，它直接影响保护判据 的准确性。据第一章分析可知非线性弧光阻抗只影响故障分量网络的等效电源， 不影响能量函数初始时刻的充放能量，所以不影响能量函数的方向性。 3 能量法可用故障信号频率范围比较灵活。 从原理上讲，故障信号的所有频域范围能量函数的方向新都是成立的。只 要遵守能量法的滤波原则，可以利用任意频域段的能量函数，而方向仍然正确。 传统的选线方法如五次谐波法、电流冲击首半波法等，所用的信号频率比较单 一，一旦受系统运行方式和故障状态影响，特征信号变弱势影响判据的准确性。 而能量法可以利用非周期量，非整次谐波量，工频量，高频量等，表现出较大 的适应性。 4 能量法有较好的抗干扰特性。 因能量函数随时间的变化的值是波动的，某些点的值很小甚至接近于零。 如果以能量函数作判据，判断反向的点刚好是很小值的点，有干扰作用很可能 误判方向。为了提高判据的灵敏度，增强抗干扰能力，采用能量函数的再次积 分作为判据，该判据函数是从零点出发的单调曲线，如果有较大的干扰，判据 曲线虽然可能不单调，只要保持故障开始后两个周波的方向性即可表现出较好 的抗干扰性。 5 能量法的其它特点。 因用零序量作为信号量，在故障分量提取时误差很小、因此频率偏差、故 障后的谐振、及较大的故障电阻情况下，能量的方向判断具有较高的准确率。 浙江大学硕士学位论文 2 2 单相接地时的稳态过程分析 2 2 1 稳态电压特征 1 电压特征 在中性点非直接接地线性对称系统中，正常运行状态时中性点对地电 压u 。= 0 ，各相对地电压分别为各相的相电压u 。，此时电网没有零序电 压。单相接地时，全系统都出现零序电压u 。2u 。，假设a 相接地，a 相 对地电压为零，非接地相电压为3u 。非金属性接地时，0 u 。u 。， u d u m ，2 u 。d 3u 2 电容电流特征 如图( 2 - 3 ) 所示f 线路发生单相接地时的简化的暂态的零序等效网络。 ( 2 一：t ) 电流接地系统的零序等敬电路 卜1 卜1 卜_ j 线圈接地系统。线路序号为k 的零序电流，0 女等于该线路对地等效电容电 流，相位超前于零序电压u o 9 0 。 ，0 2 jc o c u o k = 2 ，3 ，n ；i f ( 1 ) 因为架空线路对地电容约o 0 0 4 0 0 0 6 , u f k m ，而且3 5 k v 以下架空线路 绝大多数在几公里到十几公里之间，虽然电缆线路电容值很大，但是线路 长度很短，所以厶女很小。厶，等于所有非接地线路中性点电流之和，h - 向相反 为点阻若阻性电地，电为弧 性地，电中经接统为则消 加中接抗为为点阻系若感经 塑望查兰塑主兰篁丝兰 ( i o 女+ j 0 1 ) ( 2 ) 当中性点不接地时，为中性点不接地电网，1 0 12 0 ，l o f 呈感性l o f 落后于u n 9 0 。当z 0 1 若为电感则为经消弧线圈接地系统。一般消弧线圈 采用过补偿。过补偿度5 1 0 但是在实际电网运行时，系统参数随着环 境条件变化，全补偿欠补偿都可能发生。经补偿后1 0 ，很小。当z 0 1 为电 阻时，因为电阻的作用l o f 超前于u o 2 7 0 。3 6 0 。之间 2 3 单相接地时的暂态过程分析 当小电流接地系统发生单相接地时，由前一章知线性网络发生单相接地 时，由叠加定理可分解出故障分量等效网络，该网络在故障处对地等效电 源作用下，产生了丰富的暂态电压电流分量，这些暂态非工频分量包括： a 、由故障电压突变引起的频率为数丁赫兹的高频分量，这些高电压突变 量行波在输电线上的传播和反射形成。 b 、频率为数百赫兹的高频分量。这些高频分量是由整个系统等效电 感和等效分布电容之间引起的暂态振荡分量。 c ，由于线路电感电流不能突变而引起的衰减的非周期分量。 d 、对于有消弧线圈的线路及电压互感器一次线圈与线路分布电容会 产生低频分量。 1 中性点不接地电网暂态特性 目前我国中性点不接地电刚适用范围如下，当单相接地电流小于3 0 a 时；如要求发电机能带内部单相接地故障运行，接地电流小于5 a 。2 0 6 0 k v 电网当单相接地电流小于l0 a 。该类型电网单相接地时，使健全相产 生高频振荡电压，并使振荡回路电流突升，它会远远超过金属性接地时的 稳态电流。中性点不接地电网发生间歇性电弧概率是很大的，有资料表明， 在电网全部接地故障中约6 0 属于这种性质。所谓间歇性电弧系指接地电 弧的熄灭并随之重燃的多次重复现象，每次燃弧将伴随相对地电容上的电 荷积累并产生较大的过电压。这种过电压持续时f 司长影响面大，对绝缘弱 点威胁较大。长时间发展成两相短路。 2 中性点经电阻接地的电网暂态特性 中性点电阻取值范围从不同角度考虑差别很大，可归纳三种取值原 则。 第一种限制间歇电弧过电压的高阻值。电弧接地时，在电弧点燃熄灭 过程中系统积累多余电荷，使振荡加剧，从而产生很高过电压。若能使这 塑望查兰塑主兰篁丝兰 ( i o 女+ j 0 1 ) ( 2 ) 当中性点不接地时，为中性点不接地电网，1 0 12 0 ，l o f 呈感性l o f 落后于u n 9 0 。当z 0 1 若为电感则为经消弧线圈接地系统。一般消弧线圈 采用过补偿。过补偿度5 1 0 但是在实际电网运行时，系统参数随着环 境条件变化，全补偿欠补偿都可能发生。经补偿后1 0 ，很小。当z 0 1 为电 阻时，因为电阻的作用l o f 超前于u o 2 7 0 。3 6 0 。之间 2 3 单相接地时的暂态过程分析 当小电流接地系统发生单相接地时，由前一章知线性网络发生单相接地 时，由叠加定理可分解出故障分量等效网络，该网络在故障处对地等效电 源作用下，产生了丰富的暂态电压电流分量，这些暂态非工频分量包括： a 、由故障电压突变引起的频率为数丁赫兹的高频分量，这些高电压突变 量行波在输电线上的传播和反射形成。 b 、频率为数百赫兹的高频分量。这些高频分量是由整个系统等效电 感和等效分布电容之间引起的暂态振荡分量。 c ，由于线路电感电流不能突变而引起的衰减的非周期分量。 d 、对于有消弧线圈的线路及电压互感器一次线圈与线路分布电容会 产生低频分量。 1 中性点不接地电网暂态特性 目前我国中性点不接地电刚适用范围如下，当单相接地电流小于3 0 a 时；如要求发电机能带内部单相接地故障运行，接地电流小于5 a 。2 0 6 0 k v 电网当单相接地电流小于l0 a 。该类型电网单相接地时，使健全相产 生高频振荡电压，并使振荡回路电流突升，它会远远超过金属性接地时的 稳态电流。中性点不接地电网发生间歇性电弧概率是很大的，有资料表明， 在电网全部接地故障中约6 0 属于这种性质。所谓间歇性电弧系指接地电 弧的熄灭并随之重燃的多次重复现象，每次燃弧将伴随相对地电容上的电 荷积累并产生较大的过电压。这种过电压持续时f 司长影响面大，对绝缘弱 点威胁较大。长时间发展成两相短路。 2 中性点经电阻接地的电网暂态特性 中性点电阻取值范围从不同角度考虑差别很大，可归纳三种取值原 则。 第一种限制间歇电弧过电压的高阻值。电弧接地时，在电弧点燃熄灭 过程中系统积累多余电荷，使振荡加剧，从而产生很高过电压。若能使这 塑望查兰堡主兰垡堡茎 些电荷在从电弧熄灭到重燃的一段时f q 内通过中性a 电阻r 。泄漏掉，过电 压就能降低，r n d 、过电压也越低，但当 r 。_ ( 1 2 ) 五1 石时( c 为线 路对地总电容) 过电压就一i 超过2 1 倍相电压了。因为线路电容3 c 向r 。放 电遵循p 丁- t 放电规律，当电阻满足r 。= 五1 西时，t 2 3 尺。c 2 丽l 。当t 为半 个周期时间时，线路电容上的电荷由i 降至e ，= e ”= o 0 4 3 。这说明电荷 基本已泄漏光，因而不会产生振荡很高过电压。电阻中的电流是( o ，4 1 ) 倍电容电流。 第二种情况r 选取原则是使其单相接地电流略小于二相短路电流。这 种接线方式所用电阻值很小，接地电流很大，已不属于小电流接地系统。 第二种情况从限制对通信线路1 扰角度选择尺 ，r 。取值介于两者之i q 。 3 中性点经消弧线圈接她的电网特性 当经消弧线圈接地的电网发生单相接地后，暂态分量电流随之产生。 其中感性分量与容性分量不仅不会相互补偿，而且很大。基频分量相且补 偿，又可使恢复电压速度变慢，保证了电弧的熄灭又避免发生蕈燃。特别 采用消弧线圈自动调谐，更有效地限制了弧光接地过电压。 因为消弧线圈的存在，使消弧线圈回路产生非周期分量，它的大小与 接地时刻电压相角有关。因消弧线圈电感很大，从故障分量等效刚络，如 图( 2 1 ) 所示，得出简化的等效电路图( 2 4 ) ，其中l 、r 为消弧线圈 的等效电感和电阻，r l 、l 1 、c 为暂态零序电流所流经的回路的等效电阻、 电感和电容。i ，流经回路为消弧线圈回路，e ( t ) 为故障前的a 相对地电压的 负数，是t 频稳态量设为u s i n ( c o t + 0 ) l ( t ) 。i ，流经的回路为线路及其对地的 电容模型，由于整个系统对地的电容c 很小，与i 1 线路的r 1 ，c o l ，相比容抗很大，电压e ( t ) 几 全部加在等效电容上。由i ，= c 垡鲣幽! 知，当t ：0 时刻， 讲 e ( o ) 0 ，i ：( 0 ) 为冲击响应所以接地时的电 压初相角0 。或18 0 。时