（电力系统及其自动化专业论文）小电流接地故障暂态能量选线法.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ea r et h r e eg r o u n d i n gm o d e si nt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k ：n o n - g r o u n d e d 。n e u t r a l g r o u n d i n gv i ar e s i s t a n c ea n da r cs u p p r e s s i o nc o i l i nt h en o n g r o u n d e dn e t w o r k t h ez e r o - s e q u e n c ec u r r e n to ff a u l t1i n ee q u a l st ot h e c a p a c i t i v ec u r r e n to fn o n f a u l tl i n e s ：i nn e t w o r ko fn e u t r a lp o i n tg r o u n d i n gt h r o u g ht h e p e t e r s e n - c o il t h ez e r o - s e q u e n c ec u r r e n to ff a u l t1 i n ee q u a l st ot h ec a p a c i t i r ec u r r e n t o fn o n - f a u l t1i n e sa d d i n gt h ec u r r e n tt h r o u g ht h ep e t e r s e n - c o i l ：i nn e t w o r ko fn e u t r a l p o i n tg r o u n d i n gv i s at h er e s i s t a n c e ，t h ez e r o s e q u e n c ec u r r e n to ff a u l tl i n ee q u a l st o t h ec a p a c i t i v ec u r r e n to fn o n - f a u l t1 i n e sa d d i n gt h ec u r r e n tt h r o t i g ht h e r e s i s t a n c e ： t h ev i r t u eo ft h es m a l lc u r r e n tn e t w o r ki st h a tt h eg r o u n d i n gc u r r e n ti ss m a l lc a u s e o ft h e1 i t t l ec a p a c i t a n c ei nt h en e t w o r k 。w h i c hm a k e st h ef a u l td e t e c t i o nm u c hd i f f i c u l t a tt h es a m et i m et h es m a l lc u r r e n tm i x e sw i t ha 1 1k i n d so fd i s t u r b a n c e s w h i c hm a k e st h e q u e s t i o nb e c a u s em o r ed i f f i c u l t t h i sp a p e rb a s e do nt h ep r i n c i p l e ：w h e nf a u l th a p p e n s ，t h en e t w o r kc a nb ed i v i d e d i n t ot w on e t w o r k s ：t h en o r m a ln e t w o r ka n df a u l tn e t w o r k i nt h en e t w o r kz e r o e n e r g y p r o v i d e db yt h ef a u l tn e t w o r ka n dt h e r ei sn oz e r o e n e r g yi nt h en o r m a ln e t w o r k t h u s t h ez e r o - e n e r g yo f f a u l t1 i n ei sn e g a t i r ea n dl a r g e rt h a nt h a to f t h en o n - f a u l t1 i n e i ft h ef a u l tl i n ei ss h o r ta n dt h eo t h e r sa r el o n g ，w h i c hm a k e st h ez e r o - e n e r g yo fl i n e s i m i l a r ，b u tt h es i g no fz e r o e n e r g yi sn o ts i m i l a r s ow ec a nd e t e c tt h ef a u l tl i n eb a s e o nt h es i g no fz e r o - e n e r g y o t i i e nb a s e do nt h em o d e lo fa t p ，al o t so fs i m u l a t i o n sa r ed o n et op r o v et h a tt h ee f f e c t o fa r i t h m e t i c a tt h es a m et i m e t h eu n - b a l a u c en e t w o r ka n df a u l tt h r o u g hb i gr e s i s t a n c e a r es i m u l a t e d ，w h i c hc o u l dn o tb es o i v e di nt h en o r m a la r i t h m e t i c t h er e s u l tp r o v e st h a t a r i t h m e t i ci sg o o dt of i n dt h ef a u l tl i n e t h e nt h ep a p e rd i s c u s s e st h er e q u i r e m e n to f s o f t w a r e 。h a r d w a r e 。a n ds o m e t h i n gt h a ts h e u l db em e n t i o n e d b e c a u s et h ef a u l td e t e c t i o ni sad i f f i c u l tq u e s t i o n ，w h i c hh a v eb e e ns t u d i e df o ra l o n gt i m e b u tt h e r ei sn oag o o da r i t h m e t i ca sf a r a tl a s tt h ep a p e rg i v e st h ec o n c l u s i o n a n dp r o s p e c t k e y w o r d s ：t r a n s i e n te n e r g ya r i t h m e t i c ；f a u l ts e l e c t i o n ；s i n g l e p h a s e t o g r o u n df a u l t f a u l ts i m u l a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：幽盘生z 日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名幺斗屿导师签名；魂 日期：丝蛐 第一章绪论 1 i 研究的背景 第一章绪论 我国城乡3 - 1 0 k v 配电网络，大多数是中性点非直接接地系统，因其发生单相接地故障时。流 过接地点的故障电流较小，所以常被称为小电流接地系统。它包括中性点不接地系统( 哪s ) 、中性 点经消弧线圈接地系统( n e s 。也称为谐振接地系统) 及中性点经电阻接地系统( n l i s ) 。当中性点非 直接接地系统发生单相接地故障时，不构成短路刚路，只是经线路对地电容形成小电流回路，接 地故障电流一般比较小，特别是中性点经消弧线圈接地系统接地电流更小，但是此时三相线电压 仍然保持对称关系。不影响对负荷连续供电，规程规定可以继续运行i 一2 4 , 时，而不必立即跳闸。 由于配电线路的绝大部分故障为单相接地故障，而且很多是瞬时性的。因此，小电流接地电 网可以极大地提高供电可靠性，这也是采用中性点非直接接地运行方式的主要优点但是发生单 相接地故障时，故障相对地电压大幅降低。非故障相对地电压升高接近线电压，另外随着系统容 量的增大，线路长度的增加，线路对地电容电流将加大，发生单相接地故障时接地点故障电流也 随之增大。严重时接地点将燃起电弧，引发弧光过电压。从而使非故障相电压进一步升高，这将 对电网的绝缘造成严重威胁，很容易在电刚的绝缘薄弱处形成另一点接地，从而导致两点或多点 接地短路。 近几年，由于单相接地事故，电厂、二次变电站和大型厂矿企业的低压供配电系统中发生了 电缆爆炸，烧毁p r ，甚至烧毁母线。造成电厂机组停运，工艺流程中断等恶性事故，对安全生产造 成巨大的影响“”。例如：2 0 0 3 年4 月1 7 日江南热电厂发出1 0 k v 母线a 相接地信号，紧接着( 大约几 秒种) 热电厂1 2 5 # 电容、避雷器( y 3 w - 1 0 3 1 5 ) 柜发生爆炸，相关线路速断或过流保护跳闸：2 0 0 2 年1 1 月2 0 日白山电r 红石电站6 6 k v 系统发生c 相单相接地，造成红石站4 台机组停运；2 0 0 1 年3 月2 0 日，某热电厂l o k v 母线绝缘监测装置发出“l o k v 系统接地”信号，同时发电机零序电流保护发出 报警信号，紧接着l # 发电机差动保护跳闸。后经检查，2 # 发电机定子绕组a 相绝缘被击穿后造成a 相绕组对定子铁；笛接地，定子接地点硅钢片被局部熔化。所以一旦发生了单相接地故障，应当尽 快的找到故障点以便及时排除故障，避免过大的损失。 为确保供电的可靠性、防止故障扩大、避免恶性事故的发生，应及时地找出故障线路，从而 采取措施消除故障。因此，迅速、准确的实现故障选线，对于运行方式多变、结构日益复杂的配 电网的安全、可靠运行有着极其重要的意义。 对接地系统单相接地故障选线原理的研究，多年来取得了很多成果，也开发了很多故障选线 装置，但仍然不能够较好的解决故障选线问题。对此，中国电机工程学会自动化专委会认为“目 前尚无准确可靠的微机选线装置能动作于跳闸，冈而希望科研单位、大专院校、厂商攻关解决” 有鉴于此，我们认为仍然有必要对中性点非直接接地系统单相接地故障选线问题进行进一步的分 析研究，以便找出更有效的解决方案。 i 2 国内外研究现状 国外对小电流接地系统的研究方向和处理方式各不相同。在前苏联，在小电流接地系统中主 要采用中性点小接地方式和经消弧线圈接地方式。日本的小电流接地系统中高阻抗和不接地方式 均有采用，以电阻接地方式居多，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 阻接地系统则采用零序过电流保护，瞬间切除故障线路。近年来，在如何获取零序电流信号以及 接地点分区段方面作了不少研究工作，并已将人工神经网络应用于接地保护。 美国由于历史原因，电喇中性点主要采用电阻接地方式，也利用零序过电流保护瞬问切除故 东南大学硕士学位论文 障线路。但是，故障跳闸仪用于中性点经过低电阻接地系统，对高阻接地系统接地时仅有报警功 能。 在法国，配电网以低电阻接地方式居多，采用零序过电流原理实现接地故障保护。随着城市 电缆线路的不断投入电容电流迅速增大，已经开始采用自动调谐消弧线圈来补偿电容电流。为 解决此类系统的接地选线问题，提出了利用p r o n y 方法和小波变换以提取故障暂态信号中的信息 ( 如频率、幅值、相侥) ，以区分故障线路与非故障线路的保护方案。 5 0 年代我国根据首半波极性研制成功的接地保护装置，7 0 年代后期，上海继电器厂和许昌继 电器厂等单位研制生产了一批有选择性的接地装置，如反映中性点不接地系统零序功率方向的 z i ) - 4 型保护和反映经消弧线圈接地系统五次谐波零序功率方向的z i ) - 5 型，z d - 6 ，z 1 ) - 7 型保护。广东 某公司研制成功了t y - m l l 9 6 h 微机小电流接地选线装置。到目前为止，众多大专院校、研究院、生 产厂家都致力于这一方面的研究，提出了不少新思路与新方法。但是，实际的效果并不理想，所 以有必要进一步进行研究”。 中性点非直接接地系统发生单相接地故障时，整个系统都将出现零序电压，母线f r r 二次开口 三角形绕组的电压为三倍的零序电压，测鼍此处的电压即可在系统中构成绝缘监视装置，对故障 选线发出启动信号。按照选线所用电气量，可将各种选线方法分为三大类：1 、基于稳态量的选线 方法。2 、基于暂态量选线方法。3 ，利用其他的选线方法，比如注入法。在故障的时候通过母线 的p t 向系统里面注入信号“。 1 3 电网发展和技术发展带来的挑战和机会 随着经济和社会的发展。对电力供应的依赖加强，也不断提高，电网也随之发展和变化。具 体表现为：电网的扩大，负荷密度增加。 ( 1 ) 在城市中，配电走廊的经济代价越来越高，配电网络向地下发展，而电缆线路与应用逐步 推广。电缆线路的故障模式也与架空线路不同，架空线主要是由异物引起的，故障自动消失的可 能性较大，故障点电阻较小，而电缆线路的故障主要是由绝缘失效引起的，自动消失的可能性很 小，故障点接地电阻较大，且由于电缆各相线路集中铺设，电弧的重燃引起事故的可能性较大， 要求较快的切除故障线路。 ( 2 ) 在农村电刚中，架空线最终会被绝缘导线取代，绝缘导线的故障模式与电缆线路的类似。 ( 3 ) 负荷的种类发生了变化，主要表现在非线性负荷的增多，电力电子技术的应用，小容量变 压器的虑用，导致配电网谐波含量大大的增加。 ( 4 ) 随着电力供应市场化，电网如何经济有效地运行具有越来越重要的意义，为了准确计量电 量的供应，3 相c t 的应用越来越多，各种测最仪器的精度也越来越高。 ( 5 ) 目前我国进行的城乡电嘲改造完成，为电嘲检测和控制装置的研究和使用提供了一个大舞 台。 随着科学技术的发展，为了保障网络的安全运行，越来越多的技术被用在故障检测和判断上 面。 ( 1 ) 现代电子技术和自动控制技术的发展。为电网检测和控制装置的研究提供了坚实的物质基 础，如交流采样技术成熟、r t u 的精度越来越高，控制系统所能得到的数据越来越多、数据的可靠 性和准确性也大幅度提高。 ( 2 变电站综合自动化的提出和推广应用，利用信息和网络技术改变了电网监控设备各自为 政，重复建设的格局，也提供了监控设备以往不能或者很难得到的数据，以及电嘲的运行方式和负 荷情况。 ( 3 ) 数据处理技术的发展，为从测量的数据里面提取更多、更准确的信息提供了平台，如小波 技术的应用。 2 第一章绪论 1 4 本文主要工作 论文主要探讨配网发生单相接地的故障选线问题，首先研究和分析了不同接地方式以及他们 在故障时的特征，然后对不同的选线方法进行了分析，提出了利用暂态能量方法进行选线，并利 用a t p 搭建模型，进行了大量的仿真验证。 论文的主要工作如下： 第一章论述故障选线的背景和研究现状。分析了故障选线的研究背景，指出虽然低压配电网 在单相接地的情况下可以运行两个小时，但是故障一直存在会危险系统安全运行和设备安全，经 过多年的研究，选线的问题一直没有得到很好的解决，需要进一步的研究，最后分析了国内外的研 究现状。 第二章对低压配电网的中性点接地方式进行了分析。并对不同的接地方式在接地故障时特征 进行了分析，同时对我国现有的选线方式进行了综述，指出了他们的缺点和不足，因而需要找到一 种更好的选线方法。 第三章对单相接地故障过程进行深入研究，分析了在故障时候各相电压的情况。并绘制了相 量图，论述了在单相接地时，电压最低相并不一定是故障相，从分析中找到了故障相电压的特征。 确定好故障相后，分析了零序电压、零序电流、故障相电压的相位关系，为暂态能量选线方法做 好了基础。 第四章对单相接地故障的零序能量进行了分析，根据叠加原理分析了系统在单相接地故障时 零序能量特点，根据零序电压和零序电流的相位关系，利用电压移位的方法来构造暂态能鼍，从 而根据各条线路的能量进行选线，并在原来能量法基础上面对电压进行了变化，采用了零序电压 和故障电压的组合作为暂态能量的电压部分。 第五章使用a t p 暂态仿真软件建立了模型，对算法进行了验证。结果表明，对于目前采用的三 种接地方式。该方法都能够正确的进行选线。从接地故障算法结果可以看出，由于采用了暂态能 量方法，会使得数值较大，可以很清楚看到能量的正负，从而改变了故障电流较小，不易判断的 缺点。 3 东南大学硕士学位论文 第二章配电网接地方式和选线方法综述 为了对小电流接地系统的特点以及发生单相接地故障后电气量有清楚的认识，需要对低压配 电网的接地方式有个清楚的概念。本章主要讨论电力系统低压配电网的接地方式，并分析不同接 地方式的优缺点，对目前配电网接地方式在故障后的特点傲了分析，为故障选线提供了参考同 时在本章里面也分析了目前故障选线判据的优缺点以及应用的范围。 2 1 中性点接地方式分析 为了能够找到一个较好的选线方案。需要对配电网的中性点接地方式做出详细分析，不同中 性点接地方式在发生放障时的特征是不一样，因而首先要对配电嘲的中性点接地方式做下论述 2 1 1 接地方式的分类 低压配电网中性点接地方式有：不接地，经电阻接地，经消弧线圈接地”1 。 一中性点不接地方式 中性点不接地是指：电网中性点与大地之间没有电气连接，这种接地方式实现起来比较简单， 不需要在中性点连接任何装置。不接地运行方式的优点是：供电可靠性高。接地电流小，有利于 电气设备和系统稳定，零序电流小，而在发生单相接地故障时允许在一定时间内继续运行，而不 需要立即停电。可保证供电的连续性。但是另一方面不接地方式存在严重的缺陷，当系统带故障 运行时，非故障相对地电压将上升很高，在金属性接地情况下可能达到1 7 倍额定相电压，容易引 起各种过电压。从而危及系统绝缘，甚至发生相间击穿，从而导致事故扩大”“。 k 1 士= ：主，主， _ i 一 一 t l lw “主，主：? 。l 一 | ji1 6 即 - - _ 仟 ，j k _ ， c 主：主，主，c 圈2 i 低压配电网的中性点接地方式 目前我国采用中性点不接地运行方式的具体要求： ( 1 ) 3 - l o k 7 ，电网中单相接地电流小于3 0 a 时；如要求发电机能够带单相接地故障运行，则与 发电机有电气连接的3 一l o k v 电嗍的接地电流小于5 a 。 ( 2 ) 2 0 6 0 k v 电网中单相接地电流小于i o a 时，采用此接地方式运行时，要求变电站出线以架 空线路为主。 二中性点经过电阻接地方式 中性点经电阻接地方式是指：在变压器中性点接入一个阻值合适的电阻，它与系统对地电容 构成并联刚路。当系统发生接地故障时，系统对地就有了通路，同时电阻对系统的谐振起到阻尼 作用，这种接地方式在国外有较多应用”“” 中性点经电阻接地的电嘲优点： 4 第二章配电嘲接地方式和选线方法综述 ( 1 ) 基本上消除了产生间歇电弧过电压的可能性，由于健全相电压降低。发生异地两相接地 的可能性也随之减少。 ( 2 ) 单相接地时，电容充电暂态过电流受到抑制。 ( 3 ) 能预防谐振过电压的产生，但是接地电阻必须能够将电弧熄灭到重燃前将系统中积累的 多余电荷泄露掉，这样的电阻制作困难，同时电阻阻值的大小影响接地电流的大小，可能增加跨 步电压对人身安全的威胁。 在低压配电网里面中性点经过电阻接地一般有三种方式：经过高电阻接地、经过低电阻接地、 经过中电阻接地“”。 三中性点经过消弧线圈接地方式 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，此时宜采用中性点经消弧线圈接地的方式。消弧线圈是具有一 定容景的单相电感线圈，一般是一个带铁芯的扼流线圈，外形类似变压器。变压器的中性点与大 地之间接入消弧线圈后，故障情况下感性电流补偿了线路的电容电流，使流过故障点的电流值大 大减小，电弧易于熄灭，接地电弧不能重燃，从而把单相电弧接地过电压限制在2 3 3 2 倍额定 相电压下，所以越来越多的电网采用经消弧线圈接地的运行方式，减小故障电流，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“。 根据消弧线圈的电感电流对系统接地电容电流的补偿程度，可分为欠补偿、全补偿和过补偿 ( 1 ) 全补偿使1 ，= i ，即： 二= m l( 2 1 ) 3 w c 接地电流为零，称为全补偿。从消弧效果方面看，全补偿效果最好，但是若采用全补偿正 常运行时，因电删三相对地电容并不完全相等或断路器操作时三相触头不能同时闭合，致使未发 生接地故障时，中性点对地出现一定电压( 不对称电压) ，从而导致出现串联谐振过电压，危及电 网绝缘，所以一般不采用全补偿。 ( 2 ) 欠补偿使i ， i ，即； 1 二 越 ( 2 2 ) 3 w c 接地点尚有未补偿完的电容性电流，称为欠补偿，此方式亦较少采用，因为在欠补偿运行时， 若切除部分线路或系统频率降低或线路一相断线等情况下，均可能使系统接近或达到全补偿，以 致出现串联谐振过电压。 ( 3 ) 过补偿使l i ，r p ： l 二一 l ( 2 3 ) 3 吐c 接地点有多余的电感性电流称为过补偿，它可避免出现谐振过电压，因而被广泛采用，但是 过补偿小能过度。传统的消弧线圈有同定式和手动调匝式消弧线圈，不能始终运行在最佳档位， 其补偿作用得不到充分发挥，已很难适应电网要求，取而代之的是能跟踪电网电容电流的自动调节 装置。自动跟踪补偿装置利用微机技术进行实时测量电喇中的电流，来控制调节消弧线圈电抗值， 以达到最佳补偿状态。自动跟踪补偿装置分为两种模式：调式补偿方式和随动式补偿方式 2 1 2 各种接地方式的应用情况和故障特征 5 东南人学硕上学位论文 电网中性点接地方式并不是一成不变的，以世界各国的电网来说，早期l o k v 以下电嘲既用过 中性点不接地方式，也用过中性点寅接接地方式，对3 5 k v 及以下电嘲从2 0 年代到现在，广泛采 用中性点经消弧线嘲接地方式。德国曾为中性点经消弧线圈接地方式的发源地，但在5 0 6 0 年代， 前联邦德国还有其它一些国家却不再采用中性点经消弧线圈接地方式，另一方面美国和英国部分 电喇，一直) j 惯采用有效接地方式，中性点经小电阻接地可以快速切断故障，这与这些电嗍的供 电可靠性较高有关。前苏联主要采用中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式，日本小电流接地 系统中高阻抗和不接地方式均有采用，但电阻接地方式居多，法国过去以低电阻接地方式居多， 随着城市电缆线路的不断投入，电容电流迅速增大，已开始采用经消弧线圈接地方式“7 。 中性点不同接地方式在发生单相接地故障的时候，暂态电流和稳态电流是不同的，因而需要 对各自的特点进行论述，从而为选线做好准备。 一中性点不接地系统故障零序稳态信号基本特征： 设系统三相对称、参数对称，则正常运行时，电网三相电压、电流也对称，不存在零序分量。 单相金属性接地故障时，接地相电压为零，对地电容被短接。两个健全相( 非故障相) 对地电压升 高1 7 倍，对地电容电流也相应升高1 7 倍，两相电压、及两相电容电流之间的相位差均为6 0 0 因此。电网将出现零序电压，幅值等于电网正常运行时单相对地电压。在健全线路上，零序电流 幅值等于正常运行时单相对地电容电流，方向从母线指向线路：而故障线路上，由于同一母线各条 出线的对地电容电流都要经过接地点返回电源，零序电流幅值等于所有健全线路零序电流之和( 即 大于任一条健全线路零序电流) ，方向从线路指向母线。当接地点存在一定过渡电阻时，接地相电 压不再为零。其幅值随过渡电阻增加而增加，相应的系统零序电压和各条出线零序电流则随之减 小，但它们之间的相位关系不变。 u i c c l b 图2 2 正常运行时图2 3 单相接地运行时 二中性点经消弧线圈接地系统故障零序稳态信号基本特征 运行实践证明。接地电流较大时，会在故障点造成持续性电弧接地。为消除电弧可能带来的 危害。我国电力设备过电压保护设计技术规程规定，在3 1 0 k 7 系统中接地电容电流超过3 0 a , 1 0 k v 及以上系统中超过i o a ，其系统中性点应采取消弧线嘲接地方式。对消弧线嘲接地系统，正常时中 性点电压为零，消弧线圈不起作用。 单相接地故障时，三相及零序电压变化与不接地系统类似。中性点电压升高在消弧线圈中产 生的感性电流与线路零序电容电流极性相反，可减小故障点接地电流，使故障电弧在电流过零时 易于熄灭。如果故障点绝缘恢复速度大于故障相电压恢复速度，电网将恢复正常运行。在过补偿 方式下，故障线路的零序电流幅值很小，甚至出现小于健全线路，方向与健全线路也相同的现象。 三中性点经过电阻接地系统故障零序稳态信号基本特征 单相接地故障时，三相及零序电压变化与不接地系统类似。中性点电压升高在电阻中产生的 6 第二章配电网接地方式和选线方法综述 阻性电流。与线路的电容电流褶番加构成了故障电流。这样流过故障线路的电流就包含了阻性电 流，而非故障线路的阻性电流就比较小。 四中性点小接地系统故障暂态信号基本特征 对故障暂态过程进行详尽、准确的分析较为困难一般均根据系统简化模型得出一些初步结 论。文 2 1 ) 提出，故障瞬间零序电压和零序电流在故障线路中反极性，而健全线路中同极性。 文 2 2 和文 2 3 均提出：不接地系统暂态电容电流由故障相电压突然下降引起的对地分布电 容放电过程和健全相电压升高引起的对地电容充电过程组成。其中。放电电流振荡频率较高( 一般 在数千赫兹) 、衰减较快：充电电流振荡频率较低( 一般仅为数百赫兹) ，衰减较慢。文 2 3 】特别提 出健全相充电电流占整个暂态电流主要成分 文【2 2 和文 2 4 中均给出了由等效电感、电容、电阻组成的串联回路计算的暂态零序电流表 达形式，二者所得结论相同。即暂态零序电流由工频强制分量和自由振荡分量组成，自由振荡频 率一般为几百到几千赫兹，从理论上证明了暂态电流最大值与未经补偿的工频稳态电流之比近似 等于暂态信号频率与工频频率之比，即暂态电流幅值比稳态值大数倍甚至大到数十倍。 五中性点经消弧线圈接地系统故障暂态信号基本特征 文 2 2 】中提出，由于暂态电感电流的最大值应出现在接地故障发生在相电压经过零值瞬间， 而当故障发生在相电压接近于最大值瞬间时，暂态电感电流约等于零。因此，暂态电容电流较暂 态电感电流大很多，在同一电网中，不论中性点不接地还是经消弧线圈接地方式，在相电压接近 最大值时发生故障，其过渡过程是近似相同的，并指出在暂态过程的初始阶段，暂态接地电流特 性主要由暂态电容电流所确定：暂态电感电流中的直流分量虽不会改变接地电流首半波的极性，但 对幅值影响较大。 2 2 选线的方法综述 尽管已有数十种故障选线方法提出并应用到现场，但由于实际使用效果均不理想，相当多的 故障还是依靠人工拉路方法实现故障线路的选择。因此，小电流接地故障可靠检测仍然是一个棘 手并急需解决的问题。究其原因，小电流接地故障检测主要存在以下困难和问题。 一信号( 特别是故障稳态电流) 微弱 单相接地时故障稳态电流一般小于几十安培，甚至只有几安培。其中有功分量和谐波分量更 小，一般不到接地电流的1 0 。相对于相闯短路电流和负荷电流，其幅值非常小，易受变电站强电 磁环境的干扰。这是所有基于故障稳态信息检测方法面临的主要问题之一。 二不稳定故障电弧的影响 单相接地故障中，绝大多数为瞬时性接地或间歇性接地，其故障点普遍为电弧接地。即使对 于金属性永久接地故障，根据实测，间歇性电弧接地持续时间可达0 2 - 2 s 频率可达3 0 0 3 0 0 0 h z ： 稳定电弧接地持续时间可达2 - 1 0 s ，最后故障点被烧熔成金属性接地，即所谓永久性故障接地。因 此，弧光接地在单相接地故障中较为普遍，弧光接地故障的发展机理较为复杂，一般的理论认为 电弧在接地电流过零时可能熄灭，而在电压接近峰值时可能重燃。弧隙电阻也随电舔和电流非线 性变化，因此，弧光接地故障大多是不稳定的，对于弧光接地、特别是问歇性电弧接地，由于故 障点不稳定，没有一个稳定的接地电流( 包括注入的电流) 信号，使得基于稳态信息的检测方法失 去了理论基础。虽然有些产品在模拟试验时的效果均尚可，但由于模拟试验大多采用人工接地方 法，线路导体与大地发生金属性接触，与实际运行中的绝缘击穿现象并不完全相同，因此，这些 产品在实用中的效果就不如试验中那么理想。 三对故障( 特别是暂态) 信号特征缺乏深入研究 近年，国内外学者将许多新兴数学分析工具如小波分析、p r o n y 方法、神经网络、信息融合、 模糊理论、w a l s h 函数等引入到小电流接地故障检测中。这些工具的引入，可以更准确、可靠、灵 7 东南大学硕上学位论文 敏地提取故障特征，一定程度上提高了检测准确率和可靠性。 但如果过于依赖数学分析工具( t 具至上) 。而忽视了故障特征本身的分析，对问题的解决无 异于舍本求末。由于故障稳态特征较为简单、分析相对透彻，而故障暂态特性较为复杂、目前掌 握的还远远不够，因此，对故障暂态特性以及暂态信息的利用进行深入研究是十分必要的。 2 2 1 基于稳态电流的方法 一零序电流比幅法 i 、l l j $ ( 图2 1 中k 1 k 2 ，k 3 断开) 单相接地短路时，流过故障元件的零序电流在数值上等于所有 非故障线路对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，所以只要通过零序电流幅值大小比 较就可以找出故障线路。但这种方法不能排除c t ( 电流互感器) 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“。 需指出，该方法有两种变形，在实际中都有使用，分别以线路上的l o 与其它线路上的l o 之和进 行比较，其中相等的那条线路是故障线路。可得出如下选线判据： j i o j i = i i o i i 。川，z ，曲 c z t ， 使( 2 4 ) 式成立的出线为故障线路，若对所有出线( 2 4 ) 式均不成立，则为可以判断为母线故 障。由于系统的故障零序电流一般很小，同时又受到系统的不平衡负荷和c t 的不平衡因素的影响， 所以在实际中使用起来很难能够实现精确的选线。 另一种变形，分别预先计算出每条馈线对地电容大小，单相接地时，比较测得的，o 是否与本 线路的电容电流大小相等，不相等的即为故障线路，若都相等则为母线故障。 i o 产3 脚c o i e ( 2 5 ) 其中： c m 是线路对地电容je a 是电源电势? i = l ，2 ，一，n 但是由于系统的电容不易测量，同时这种方法受到系统的不平衡负荷的影响较大，如果系统 里面，某相负荷不对称，会产生零序电流，而此时的零序电流与系统的电容参数不存在任何的关 系，这样必然会影响到选线的结果，同样该种方法也受到c t 不半衡因素的影响。 二零序电流相对相位法 n t i s 中故障线路与非故障线路的零序电流，分别为从线路流向母线和从母线流向线路，所以只 要比较零序电流方向就可找出故障线路。此法在故障点离互感器较远且线路很短时。零序电压、电 流均较小，会产生“时针效应”，相位判断困难。且受c t 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，并对n e s 失效“。 三群体零序电流法 其原理是先进行，o 比较，选出几个幅值较大的作为候选( 希望通过选大来避免。时针效应”， 但实际上不能完全避免) ，然后在此基础上进行相位比较，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”仍可能存在考虑到单一群体比较方案存在死区，故还需提出几个互补方 8 第二章配电网接地方式和选线方法综述 案来解决，文献【2 8 】提出了3 c 方案( 3 个i 。、1 个u o ) ，但在1 0 较小时，电流相位误差会很大而误 动的。 四基于稳态的零序电压和零序电流误差分析 在实际中线路零序电流是由h 、b 、c 三相3 只c t 二次侧中线取得的，而每只c t 技术上允许有一 定的误差。这样。装置就感受到了c t 的不平衡电流0 i b p 。将故障线路，非故障线路上c t 的不平衡电 流分别记为( ，却，和，却。f 最劣的情况是：当系统不大，3 u 1 0 ，f 较小，以至u a , p ，n 堪与 3 u f o f 相抗衡时，若u 却，f 与3 u i o ，f 反相。而u 却。与3 u 1 0 ，n 同相，就有可能出现 3 u r n ，n ( = 3 u i o ，n + u 1 b p ，n ) 与3 u d ，f ( 2 3 u i o ，f + u i 却，f ) 同相，r 3 u 耵，n 大于 3 ( ，。f 的情况，圈2 4 就是最劣情形之一。显然，此时无论以3 u m ，n 及3 u m ，f 的大小还是方向 作为判据，均将导致错误结论。因此，u 却。n ，u 却，f 对3 u ，o f 、3 u m ，n 的影响是不能不 考虑的 l _ 3 3 厶 ：= 望 3 矗， 一3 局， l 一； 毛 ，“， 3 “ 图2 4 基于稳态电流选线法的误差分析 五利用故障信号稳态基波分量 该种方法大量用于中性点不接地系统的故障选线，其主要依据是：故障线路的零序基波电流 在大小和方向上与非故障线路的差别。在此基础上发展了一些利用有功、无功功率方向作为判据 的方法。其原理在于每次接地故障均会导致有功、无功功率向故障点的方向流动，故障发生后结 合零序电压，测量流向各条线路的电流，并依照测量的结果计算u i c o s ( q o ) 或u i s i n ( 咖做出方向 判断。但是正如我们已经看到的，在中性点经消弧线圈接地的系统中，由于消弧线圈感性电流的补 偿作用，故障线路零序基波电流的大小和方向都发生了很大改变，完全不能用于选线了。 还有利用稳态能量方法选线该方法，根据故障后系统零序能最的流动转化而来，它可以适用 于中性点经消弧线圈接地的电网，但在不平衡电嗍中效果并不理想。 六利用谐波分景谐波 之所以可以利用谐波，主要在于消弧线圈的补偿，仅仅是针对零序基波电流的，其总容量主 要依据电网的总电容电流来确定，因此消弧线圈的电抗l 满足： 1 x = w n l = k 、；r 一 ( 2 6 ) 。 一 嘞乞c t 其中c i 是各条出线的零序对地电容补偿系数k 接近于l ，对于过补偿则略小于l 。但是对于n 9 东南大学硕士学位沧文 次谐波在一定的中性点谐波电压下，电容的容抗将减小至基波情况的n 分之一。而消弧线嘲的电 抗则要增加为基波情况的n 倍。可见对于谐波电流，消弧线圈的阻抗，要比全部分布电容的阻抗 大得多，从而不会对零序谐波电流的大小和方向有多大影响。谐波电流可以用来作为选线判据的 另一个原因：它在故障电流中所占的比例较高。电力系统谐波主要来自变压器发电机等电磁感应 设备，以及各种负荷的非线性特性“4 “。 在系统正常运行状态下，各相电压中总含有或多或少的谐波分量。但是由于负荷性质一般为 感性的，其阻抗随着频率的增加而变大，所以在负荷电流中谐波含最很小。当系统发生单相接地 故障时情况就不同了，这时故障电流主要是相电压对线路与大地之间分布电容的放电电流。而电 容的容抗会随频率的增加而减小，因此谐波电流在故障电流中的含量就很可观。在电力系统中含 量比较大的谐波主要是奇数次谐波，且随者谐波频率的增加含置越来越少，三次谐波电流会在变 压器三角形一侧形成环流。因此一般认为其含量很小，选线判据主要采用五次谐波。不过系统中 的谐波含量往往并不是确定的。而是受实际运行情况、设备性能等因素的影响，随着电力电子器 件在系统中的使用，谐波的含量进一步的增加了，所以把谐波作为判断故障的依据，就存在着可 靠性的问题，此种方法受c t 不平衡电流或负荷中n 次谐波分量的影响，且谐波次数越高其相对误差 越大。选线精度越低。 七以负序分量判断的方法 上面方法所用的信号都是零序电流，对电缆线路一般通过零序电流互感器获得，对架空线路， 则通常利用三相电流互感器二次侧并联输出。即：3 0 。+ i b + i 。) = i o ，如果改换一下思路，直接 从三相电流中寻找选线的依据，也有可能取得良好的效果：以负序分量作为判断标准的思路是非 常新颖的。原理在于单相接地故障中故障线路的负序电流与零序电流相等，而在变压器处，负序 阻抗远远小于零序阻抗，从而导致其值较大。 因此与零序电流的分布不同，只有极少量的负序电流，会分流到其它健全线路上，从而在故 障线路和非故障线路之间产生了较大的区别。以负序电流分量作为选线依据要比零序分量更容易 做出正确判断。这个方法的前提是：能够足够精确地测量到负序电流，而这并不是那么容易的事， 采用传统的负序电流滤过器很难满足要求，因为负序分景很微弱，很容易淹没在不平衡电流中。 如果通过采样三相电流再算出负序分量，通过采样点计算或进行傅利叶变换，则存在采样精度和 采样率的问题，另外在经过补偿的系统中负序电流的分布也发生了变化”“。 2 2 2 基于暂态电流的方法 利用故障信号的稳态分最的选线方法，普遍存在着电气最幅值偏小的缺陷。在系统发生单相 接地故障时，存在着一个明显的暂态过程，电气量中含有大量丰富的高频分量和直流分量。其中 电流罱通常较大，尤其是接地电容电流的暂态分量，往往比其稳态分量大几倍到几十倍，容易测 量，而消弧线圈对暂态量中丰富的高频信号相当于开路。所以中性点不接地系统和经消弧线圈接 地系统的暂态过程是基本相同的。随着技术手段的发展，暂态电气量的采集精度和计算速度提高， 利用故障暂态景进行选线成为可能。 一利用特殊频段的方法进行选线 利用暂态法进行故障选线建立在高精度配电网暂态模犁基础上，在故障分景零模网络中，每 条出线均采用分布参数建立模型。对单相接地故障零模刚络进行相频特性分析可知，对于多分支， 多混合线路的配电网络，末端开路时，混合线路、树形线路与均匀线路的相频特性变化总体趋势 是一致的，因此可将所有线路均设为简单的均匀传输线。此方法根据线路的相频特性定义了特征 频段( s f bs e l e c t e df r e q u e n c yb a n d ) 在特征频段( s f b ) 内容性电流和无功功率存在如下分布规 律： 1 0 第二章配电时接地方式和选线方法综述 ( 1 ) 当系统有两条以上出线时。故障线路零模电流( 零模无功功率) 幅值大于任何一条健全线 路：仅有两条出线时，故障线路幅值等于健全线路：母线接地时该规律不再成立。 ( 2 ) 故障线路中零模电流( 零模无功功率) 从线路流向母线：而健全线路中从母线流向线路：母 线接地时，所有线路中均从母线流向线路。对应的故障线路电流与健全线路极性相反，母线接地 时所有线路电流极性相同。与中性点不接地系统相比，除故障线路零模电流和零模无功功率幅值 不再等于健全线路之和外，其它分布规律均相同。因此，可以和中性点不接地系统使用相同的检测 方法。可以看出，通过特征频段( s f b ) 的定义，消除了中性点接地方式对选线检测的影响“。 二首半波选线原理 单相接地故障暂态电流中包含由故障相电压骤减引起的放电电容电流，以及由非故障相电压 骤增引起的充电电容电流，在相电压峰值出现前后发生接地故障时。故障相电容电荷通过故障相 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振荡特性，在这种故障情况下的电流 首半波中暂态电流的最大值远大于稳态电流。而零序电流和电压的相位在非故障线路相同。在故 障线路则存在1 8 0 0 的相差。因此基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设。利用故障 线路暂态零序电流和电压首半波的幅值和方向与正常情况不同的特点，可实现选线。但是故障不 一定在相电压峰值出现前后的瞬间里发生，当在相电压过零前后发生时，其首半波电流暂态分量 就会很小，再加上接地电阻的影响。则容易引起误判。 三利用小波理论分析暂态景选线原理 小电流接地系统单相接地故障发生后，故障电流由接地点经各线路对地电容或中性点消弧线 圈构成接地叫路。其中突变的故障暂态信号含有大量的高频分量，但不同频率的暂态分量分布却 不相同。有的与稳态分量相同，自接地点进入各线路，经过对地电容和消弧线嘲返回。有的则只 存在于个别线路上。确定酊者的分布或者利用| i i 者的特征便可获得有效的选线信号，其关键在于 确定这类信