（电力系统及其自动化专业论文）小电流单相接地故障综合选线方法的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 小电流接地系统单相接地故障选线问题是一个研究多年的老问题，但 现场运行的结果表明，装置的选线效果不是十分理想，这说明小电流接地 故障选线问题并没有得到完全解决。以往选线装置采用的是单一故障选线 方法，只针对部分故障信息进行处理，选线的可靠性不高。本论文从改善 软件算法出发，引入暂态算法等新的判据，通过隶属函数构造成多种判据 参与选线，进行智能融合，把保护智能化的思想引入小电流故障选线中来。 各种算例验证表明该算法对金属性接地、经电阻接地、经电弧接地、母线 接地等各种故障类型均准确有效。 关键词：小电流接地，故障选线，暂态算法，信息融合 a b s t r a c t f a u l td e t e c t i o nf o rt h en o n e f f e c t i v ee a r t h i n gs y s t e mi sal o n g - s t a n d i n g p r o b l e mi nt h eo p e r a t i o no fi n e f f e c t i v e l yg r o u n d e dd i s t r i b u t i o ns y s t e m s b u t t h es p o tr e c o r d ss h o wt h a tt h ee f f e c ti s d i s a p p o i n t i n g t h ep r o b l e mi s n t s o l v e dc o m p l e t e l y t r a d i t i o n a ls i n g l ef a u l t - d e t e c t i o nm e t h o du s i n go n l ys o m e p a n so ff a u l ti n f o r m a t i o nh a sp o o rr e l i a b i l i t y t h ep a p e ri sb a s e do na m e n d i n g t h es o f t w a r ea r i t h m e t i c ，a n di n t r o d u c e san o v e lt r a n s i e n ta r i t h m e t i c ，a n d i n t e g r a t e s a l lf a u l td e t e c t i o nm e t h o db ym e m b e r s h i pf u n c t i o n t h ei d e ao f i n t e l l e c t u a l i z e d r e l a y i si n t r o d u c e di nf a u l tf e e d e rd e t e c t i o nf o rt h e n o n e f f e c t i v e l yg r o u n d e ds y s t e m t h e t e s t so fr o u t i n e ss h o wt h a tt h i s a r i t h m e t i ci sg o o df o ra l lk i n d so fs i n g l ef a u l t ，s u c ha sm e t a l l i cg r o u n df a u l t ， r e s i s t i v eg r o u n df a u l t ，e l e c t r i ca r ct og r o u n df a u l t g u os u m e i ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f r e nj i a n w e n 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 e ds y s t e m ，f a u l tl i n es e l e c t i o n ， t r a n s i e n ta r i t h m e t i c ，m e m b e r s h i pf u n c t i o n 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文小电流单相接地故障综合选线 方法的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 学或其他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。 学位论文作者签名：牲日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的意义 第一章绪论 电力系统中性点接地方式可划分为两大类t 大电流接地方式和小电流接地方 式。在大电流接地方式中，主要有：中性点直接接地方式、中性点经低电阻、低电 抗或中电阻接地方式；在小电流接地方式中，主要有：中性点经消弧线圈接地方式、 中性点不接地方式和中性点经高电阻接地方式等。电力系统中性点接地方式是一个 系统工程问题，选择哪一种接地方式，必须充分考虑地区特点、电网结构、供电可 靠性、继电保护技术要求、电气设备的绝缘水平、过电压水平、人身安全、对通讯 的影响以及运行经验、历史因素等，通过技术经济比较，加以确定。 我国配电网中，6 6 k v 和3 5 k v 电网主要采用中性点经消弧线圈接地方式， 3 k v l o k v 电网则以中性点不接地方式为主，个别地区如上海以及北京、广州等的 部分城市电网采用小电阻接地方式。小电流接地系统的故障绝大多数是单相对地短 路故障。 小电流接地系统在发生单相对地短路故障时，由于大地与中性点之间没有直接 电气连接或串接了电抗器，因此短路电流很小，保护装置不需要立刻动作跳闸，从 而提高了系统运行的可靠性。尤其在瞬时故障条件下，短路点可以自行灭弧恢复绝 缘，不需要运行人员采取什么措施，这对于减少用户短时停电次数具有积极意义但 是随之而来的问题是：如果故障是永久性的，系统仅仅允许在故障情况下继续运行 1 2 个小时，此时运行人员必须尽快查明短路线路和短路点，以便采取相应对策解 除故障，恢复系统正常运行。这就提出了小电流接地系统的单相接地故障选线问题。 在中性点直接接地系统中，一旦某条出线发生单相接地短路故障，就会产生很大的 零序故障电流，从而启动保护装置动作跳闸。小电流接地系统的优点是接地故障零 序电流小，然而在判断故障线路时，这恰恰成了一个非常不利的因素，微弱的零序 电流往往混杂在各式各样的干扰信号中间。长期以来，人们针对这个问题做了大量 的研究，基于不同的原理，提出了许多解决方案，有的已经开发出选线装置并在实 际工作中取得了一定的应用。但是从现场使用情况来看，这些方法的选线效果并不 十分理想，普遍存在着误选、漏选的情况。其主要原因在于：( 1 ) 小电流接地系统零 序阻抗大，并受故障接地过渡阻抗的影响，故障电流小，故障线路与非故障线路的 区别不明显；( 2 ) 受各种干扰因素的影响，故障选线装置测量到的故障特征量( 如零 序电流、零序功率方向等) 具有很大的模糊性和不确定性。通常这些干扰的影响程 度与故障检测的手段有关，同一干扰信号对不同的故障检测手段的影响相差较大， 所以没有哪种单一选线方法能够保证对所有故障类型都有效。( 3 ) 新提出的方法，如 1 华北电力大学硕士学位论文 基于小波变化的选线方法和利用暂态信息的选线方法，都有其各自的适用范围。因 此，我们认为有必要对小电流接地系统单相接地故障选线的各种算法进行进一步的 分析研究，确定各种算法的有效区域，利用各种算法的互补性，扩大能够正确选线 的故障范围，提高选线结果的可靠性。这正是本课题选题的出发点和目的所在。 1 2 国内外研究现状 世界各国的配电网中性点在5 0 年代前后，大都采用不接地或经消弧线圈接地 方式；到6 0 年代后，有的采用直接接地和低电阻接地方式，有的采用经消弧线圈 接地方式【1 , 2 , 3 j 。对于故障选线的研究，在前苏联，小电流接地系统得到了广泛应用， 并对其保护原理和装置的研究给予了很大的重视，发表了多篇论文，研制了几代装 置，在供电和煤炭行业中得到了应用，保护原理从过流、无功方向发展到了群体比 幅；装置由电磁式继电器、晶体管发展到模拟集成电路和数字电路，而微机构成的 装置较少。日本在供电、钢铁、化工用电中普遍采用中性点不接地或经电阻接地系 统，所以选线原理简单，采用基波无功方向方法，近年来，在如何获取零序电流信 号以及接地点分区段方面投入了不少力量，利用光导纤维研制的架空线和电缆零序 互感器o z c t 试验获得成功。德国多使用谐振接地系统，并于3 0 年代就提出了反映 故障开始暂态过程的单相接地保护原理，研制了便携式接地报警装置。法国在使用 中性点经电阻接地系统几十年后，现在正以谐振接地系统取代中性点经电阻接地系 统，同时开发出了高新技术产品零序导纳接地保护。而挪威一家公司则利用测量空 间电场和磁场的相位，反映零序电压和零序电流的相位，研制了悬挂式接地指示器 【4 矧。9 0 年代初，国外已将人工神经网络原理应用于单相接地保护，并有文献提到 应用专家系统方法，随着小波分析的出现和发展，国外有文献提及利用小波分析良 好的时频局部性，分析故障暂态电流的高频分量的方法【7 1 。 我国从1 9 5 8 年起，就一直对小电流接地系统单相接地故障的选线问题进行研 究，提出了多种选线方法【8 d3 1 ，并开发出了相应的装置。5 0 年代我国有根据首半波 极性研制成功的接地保护装置和利用零序电流五次谐波研制成功的接地选线定位 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 的接地信号装置，如反映中性点不接地系统零序功率方向的z d - 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 d 一5 ，z d 一6 ，z d 一7 型保护。有些运 行部门还采用反映零序电流增大的零序电流保护来选线。8 0 年代中期，我国又研制 成功了微机型小电流接地系统单相接地选线装置，近几年来，随着微机在电力系统 应用的推广，相继又出现了一些微机型接地选线装置和适合微机实现的选线理论。 其中由南京自动化研究院研制的微机小电流接地系统单相接地选线装置，其主要原 理是比较线路零序电流五次谐波的大小和方向；华北电力大学利用零序电流的五次 2 华北电力火学硕士学位论文 谐波比相原理研制的m l 9 8 型小电流接地系统单相接地微机选线装置等等【1 4 , 15 】。另 外，信号注入式接地选线、定位保护利用对外加诊断信号的寻踪实现选线、定位， 已在电力系统中获得较为广泛的应用。 为提高选线的正确率国内研究人员不断进行探索，有文献从信息融合的思路出 发，提出充分利用多方面的故障信息【1 6 09 1 ，探索多种选线方法使之相互融合来提高 故障选择判断能力，并提出一种应用d - s 证据理论实现的多重故障特征融合选线方 法。在证据理论的应用中，将多信息综合选线问题转化为证据推理问题，使选线结 果最大程度得到各个故障信息的共同支持，同时抑止了受到干扰的不良数据的影 响。然而这种综合选线方法运用于现场并不实用，不能解决配电网高阻故障选线困 难等根本问题，仅对选线的可靠性做出了改善。 1 3 本文研究的主要内容 本文共分为四个部分。 第一部分：( 第二章) 先分别深入研究三种不同类型的系统( n u s 、n e s 和n r s ) 单相接地时各物理量的变化特征，并详细分析了现有的各种选线原理及其优缺点。 没有任何单一算法可以适应于所有的故障情况，需利用各种算法的互补性，扩大能 够正确选线的故障范围，提高选线结果的可靠性。 第二部分：( 第三章和第四章) 首先针对三种系统分别选出三种具有较好互补 性的选线原理；根据上一章所介绍的选线原理分别建立相应的具体选线判据，利用 模糊理论建立故障测度隶属函数和判据权系数隶属函数，然后对各判据的判断结果 进行信息融合；并通过复杂算例验证该算法的有效性。 第三部分：( 第五章) 选线装置的硬件部分与软件部分设计。 第四部分：( 第六章) 对全文的主要结论进行了归纳，并对今后的发展提出了 作者的看法。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章小电流接地系统及其选线算法的分析 小电流接地系统发生单相接地故障时的情况比较复杂，各物理量的变化与系统 中性点接地方式、接地点位置、接地电阻值、燃弧和熄弧情况等因素都有关系。不 过接地故障发生后总是先引起各相电压的变化，然后导致各相电流发生变化。 各相电流在故障发生后会包含暂态分量、高次谐波分量和基波分量这三种物理 量。其中暂态电流中含有电容电流和电感电流分量，高次谐波电流中主要为五次谐 波分量，基波电流包含有功电流和无功电流分量，而基波电流同时又可以分为零序、 负序和正序分量等1 2 1 。这些物理量都可以作为选线的依据，我们称其为故障特征量。 由此可以看出对小电流接地系统单相接地故障情况的研究应该首先分析故障 发生后各相电压和电流的变化情况，然后分别研究各选线原理所关注的故障特征 量，找出这些故障特征量与各相电压电流的关系，从而对各种选线原理做出评价和 选择。 2 2 小电流接地系统不同接地方式的比较f 2 , 2 0 , 2 1 】 2 2 1 中性点不接地( n u s ) 中性点不接地系统，实现起来简单，不需要在中性点接任何装置。发生单相接 地故障时，其接地电流很小，而且不会破坏系统的对称性，故一般允许其带故障继 续运行1 2 小时。由于单相接地时故障点电流很小，跨步电压和接触电压都较低， 使人身伤亡显著降低，邻近通信线路干扰较小。但它存在较严重的缺点： 1 ) 发生间歇电弧接地时，会产生高幅值过电压； 2 ) 在单相接地的暂态过程中，会产生较大的过电流。 中性点不接地系统发生单相接地时的特点为： 1 ) 中性点不接地系统发生单相接地后，故障相对地电压为零，非故障相对地电 压为电网线电压。整个系统将出现零序电压，零序电压由零上升至电网正常工作时 的相电压，电网中各处的零序电压基本相等，线电压仍然保持对称； 2 ) 故障线路和非故障线路上均会出现零序电流，非故障线路的零序电流数值上 等于本线路对地电容电流，方向由母线流向线路，故障线路的零序电流数值上等于 所有非故障线路的零序电流之和，方向由线路流向母线； 4 华北电力大学硕士学位论文 3 ) 所有非故障线路的零序电流的相位相同，超前于零序电压9 0 度；故障线路 零序电流的相位滞后零序电压9 0 度；即故障线路零序电流与非故障线路零序电流 相位相差1 8 0 度。 中性点不接地电网中单相接地的电流为电容电流，对于规模不大的3 - 3 5 k v 电 网，该电流只有几个安培，单相接地实际并不影响向用户供电，因为线电压三角形 没有改变，从减少跳闸次数保证连续供电来看，采用中性点不接地方式是合理的。 2 2 2 中性点经消弧线圈接地( n e s ) 对于出线较多，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，这时应采用中性点经消弧线圈接 地的方式运行。消弧线圈是一个装设于配电网中性点的可调电感线圈，当发生单相 接地时，可形成与接地电流大小接近但方向相反的感性电流以补偿容性电流，从而 使接地处的电流变得很小或接近于零。 中性点经消弧线圈接地故障时，整个系统也出现数值为电网正常运行时的相电 压的零序电压，并且故障线路和非故障线路上均会出现零序电流，非故障线路的零 序电流在数值上等于自身线路对地电容电流，方向由母线流向线路，故障线路的零 序电流数值上等于所有非故障线路的零序电流与电感电流之和，方向不定，视补偿 电流大小而定，如果线路零序电流谐波分量方向均流向母线，则为母线接地。由于 接地点残流很小，故很难检测出故障线路。 中性点经消弧线圈接地的系统，其消弧线圈通常安装于各枢纽变电所内，接在 零序电抗小、零序漏磁通小的变压器中性点上或接地变压器中性点上且消弧线圈处 于过补偿状态，使得故障时电弧重燃的次数大为减少，从而使高幅值的过电压出现 的概率减小。 2 2 3 中性点经电阻接地( n r s l 中性点经电阻接地分为高电阻接地、中电阻接地、低电阻接地三种方式。中性 点电阻的值，从不同角度考虑差别很大，可归纳为三种取值原则：( 1 ) 限制间歇电 弧接地过电压；( 2 ) 限制单相接地电流使其小于三相短路电流；( 3 ) 限制通信干扰。 此种接地方式的优缺点是： 1 ) 可以降低单相接地时非故障相的过电压以及抑制弧光接地过电压，对设备绝 缘等级要求较低，其耐压水平可以按相电压来选择： 2 ) 接地时，由于流过故障线路的电流较大，可以比较容易地检出故障线路； 3 ) 有利于消除谐振过电压和断线过电压，避免使单相接地发展为相间故障； 5 华北电力大学硕士学位论文 4 ) 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，降低了供电可靠性。 2 3 小电流接地系统单相接地故障分析 以一条母线带n 条出线的一个简单配网系统为例，如图2 - 1 所示。图中当s 1 、 s 2 均断开时为中性点不接地系统，当仅有s l 闭合时为谐振接地系统，当仅有s 2 闭合时为中性点经电阻接地系统。 假设编号为f 的线路发生单相接地故障，接地相为c 相。则在不同大小的接地 电阻情况下，c 相电压将有不同程度的减小，在金属性接地时减至最小值( 零伏) ； a 、b 相电压将有不同程度的增大，在金属性接地时增至最大值( 正常相电压的三倍) 。 因此母线上零序电压互感器( p t ) 一次侧开口三角处将检测出零序电压u 。，在金 属性接地时达到最大值( 等于相电压) 。图2 - 2 所示为各电压向量的变化情况。 对于三种中性点接地方式不同的系统，上述电压向量的变化情况是相同的。但 由于中性点接地方式的不同，改变了电流回路，因此各线路电流变化情况会有所不 同，下面分别对n u s 、n f , s 和n r s 进行讨论。 线路l 电网 图2 - 1 电网简化示意图 6 线圈 华北电力大学硕士学位论文 2 3 1 n u s 图2 - 2 电压向量图 同时断开图2 1 中的开关s 1 和s 2 ，得到一个中性点不接地系统。该系统在第 f 号线路发生c 相接地故障时，电网中的电容电流的分布状况如图2 - 3 所示。( 图中 已略去影响故障发生后暂态过程的线路电感和电阻。) 对于第i 号线路( 非故障线路) 来说，其三相电容电流分别为： i t = ju i lc oc l8 l = ju j bc oc t lc t ：0 ( 2 - 1 ) 式中：i r 、jb ，、ic 1 分别为第i 号线路a 、b 、c 三相的对地电容电流； 以、以分 别故障时a 、b 两相的电压向量( 见图2 2 ) ；c o ( 等于2 z ：f ) 为电网的角频率；c f 为 第i 号线路的单相对地电容值( 近似认为三相对称) 。 因此第i 号线路的零序电流为： 3 z o f = ( i a i + i s i + i c e ) = j 3 u c o c _ f ( 2 2 ) 式中：3 i o ，为第i 号线路的零序电流：3 u o 为中性点的零序电压。 华北电力大学硕士学位论文 o abc 线路1 一 | = 。 上 t f 一j _ i 线路fi 二 i 一 一上 + r 1 ，一一 f ”1 r 一_ 一一 = 7 h 一卜一 i 二 ： i = j fmi i 一一 线路n上二一一- l 一一一一- jf l _ +l +l l l_。上 i l 一 i t； ii 图2 - 3n u s 单相接地时的电流分布图 由式( 2 2 ) 可知，第i 条线路的零序电流值等于该线路三相对地电容电流的向 量和，相位超前于零序电压u 0 9 0 0 ，方向是从母线流向线路。 对于第f 号线路( 故障线路) ，其三相的电容电流值分别为： ia f = j u ：i t oc ， ib l - j u t bmc f j c ，= - jo 。缈c 。 ( i = i 以，i f ) ( 2 - 3 ) 同样利用式( 2 - 2 ) 的方法可以求得第f 条线路的零序电流值为： 3 。厂= ( j + j 砂+ j 叮) = 一3 j 。f ( f = l n ，icf ) ( 2 - 4 ) f 由式( 2 4 ) 可知，第f 号线路的零序电流等于其它所有非故障线路零序电流的 向量和，方向是从线路流向母线。 因此可以得出n u s 在发生单相接地时的零序等效电路，如图2 - 4 所示。以零序 电压向量为参考的各条线路零序电流向量相位关系如图2 5 所示。其中e o 表示由 华北电力人学硕士学位论文 故障产生的等效零序电压源，r 表示接地点的等效电阻。 2 3 2 n e s 0 伪 = r 图2 - 4n u s 单相接地时的零序等效电路 ，。 ，仇 l j l i 啦 “ l r r ， 图2 - 5n u s 单相接地时的零序电流向量相位关系图 断开图2 1 中的开关s 2 ，同时闭合s l ，得到一个谐振接地系统。该系统在第f 号线路发生c 相接地故障时，电网中电容电流的分布状况如图2 6 所示。 与n u s 一样，对于第i 号线路( 非故障线路) 来说，其三相电容电流仍然如式 ( 2 - 1 ) 所示。因此第i 号线路的零序电流仍然如式( 2 2 ) 所示，其相位同样超前于零 序电压d 。9 0 0 ，方向是从母线流向线路。 但对于第f 号线路( 故障线路) ，由于受到中性点消弧线圈上补偿电流的影响， 9 华北电力大学硕士学位论文 其c 相电流值变为： i c f - - - p 。嘻e “) c 鸭州，5 ， 式中：i t = u o j c o l ( l 为消弧线圈等效电感值) ，表示消弧线圈的补偿电流向量。 因此可以求得第f 线路的零序电流值为： 3 毛厂= ( + 可+ j g ) = 一( 3 e ，l 仇+ 工) ( f = 1 刀，f 厂) ( 2 6 ) 由式( 2 - - 6 ) 可知，第f 号线路的零序电流等于其它所有非故障线路零序电流以及 中性点消弧线圈上补偿电流的向量和，方向由消弧线圈的补偿度决定：当消弧 abc 线路1 图2 - 6n e s 单相接地时的电流分布图 线圈工作在过补偿状态时，该零序电流方向和其它线路一样是从母线流向线路；当 消弧线圈工作在欠补偿状态时，该零序电流方向和其它线路相反，是从线路流向母 线。而一般情况下消弧线圈设置的工作区域都是在过补偿状态下的。 因此可以得出n e s 在发生单相接地时的零序等效电路，如图2 7 所示。以零序 i o 华北电力大学硕士学位论文 电压向量为参考的各条线路零序电流向量相位关系如图2 8 所示，其中( a ) 、( b ) 分别表示补偿状态和欠补偿状态下的情况。 2 3 3 n r s - - i f v i i , ，o l，们 l i 旺 j i q f i 1 r il r l i 啦 j “ r 1，o ， il r ( a ) 过补偿状态( b ) 欠补偿状态 图2 - 8n e s 单相接地时的零序电流向量相位关系图 断开图2 一l 中的开关s 1 ，同时闭合s 2 ，得到一个中性点经电阻接地系统。该 系统在第f 号线路发生c 相接地故障时，电网中电容电流的分布状况如图2 - 9 所示。 华北电力大学硕士学位论文 r abc 线路1 一- - p 1 = 一丁 工 i l 线路f e - i j -l + rrr r 丫1 - _i ”i ， 1 11 i 2 l l 一 tk = ，；_iii i i 7 l - 一7 一 1f 0 。 线路n一一上- 一一一一i l + l + i 一 上 1 i 。 l 一 l 一 t l i i t 一j 【i l _i i ii i 上 一 图2 - 9n r s 单相接地时电流分布图 与n u s 和n e s 一样，对于第i 号线路( 非故障线路) 来说，其三相电容电流仍 然如式( 2 1 ) 所示。因此第i 号线路的零序电流仍然如式( 2 2 ) 所示，其相位 同样超前于零序电压u 0 9 0 u ，方向是从母线流向线路。 但对于第f 号线路( 故障线路) ，由于受到中性点接地电阻上流过的电流影响， 其c 相电流值变为： ，c f - - i i 3 u oc o 窆i = lq “) c 吲， 7 ， ， 式中：i r = u o r ( r 为中性点接地电阻) 。 因此可以求得第f 条线路的零序电流值为： 3 厶，= ( ，+ 矽+ ，( y ) = 一l3 o f + 尺l f = l n ，i f ) ( 2 - 8 ) 由式( 2 8 ) 可知，第f 号线路的零序电流等于其它所有非故障线路零序电流以 及中性点接地电阻上流过电流的向量和，方向是从线路流向母线。 因此可以得出n r s 在发生单相接地时的零序等效电路，如图2 - 1 0 所示。以零 序电压向量为参考的各条线路零序电流向量相位关系如图2 - 1 1 所示。 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 1 0n r s 单相接地时的零序等效电路 图2 - 1 1n r s 单相接地时的零序电流向量相位关系 2 4 小电流接地系统选线方法的分析与评述 在此主要对目前比较流行的选线方法做一讨论，为提出本文所采用的选线方案 提供参考。 2 4 1 不受接地方式限制的选线方法 1 ) 突变量检测法 小电流系统在发生单相接地故障时存在一个明显的暂态过程，这一部分暂态信 1 3 华北电力大学硕士学位论文 息属于突变量。形态学算子的突变量检测实际上是一种峰谷检测，由于形态学中的 开运算是对信号的一种非扩张性运算，而闭运算是一种扩张性运算，原始信号减去 对其开运算的结果，便可得到峰值点出的标记点1 2 纠，形态学中这种运算称为t o p h a t 算子。同理，原始信号减去对其闭运算的结果，可以得到波谷处的标记点，这种运 算称为b o t t o m h a t 算子。 z 殆( 厅) 一厂( 刀) 一( 厂0 6 ) ( 门)( 2 9 ) 曰 ( 刀) 一，( 以) 一( 厂6 ) ( 力) ( 2 1 0 ) 实际应用中，为了同时检测峰值点和波谷点，可以将上述两个算子结合起来， 构成峰谷检测器。其定义如式( 2 - 1 1 ) 所示： 口憎( 刀) 一t h ( ，1 ) + b h ( n ) 一2 f ( n ) 一( ，o b ) ( n ) - ( f 6 ) ( 丹) ( 2 1 1 ) 小电流接地系统发生单相故障后，故障线路的暂态分量最大且与非故障线路突 变方向相反。利用d e 仍) 可以对故障后的信息进行突变量检测，确定突变的方向和 强度，然后判断出故障线路。 突变量检测法基于数学形态学滤波思想进行突变量检测，由于算法本身只涉及到 加减和取极值运算，因此计算量小，精度高，且该方法不受中性点接地方式的影响。 突变量是对故障后的暂态信息进行分析与信息提取，所以当发生大电阻接地故障时暂 态信息量不明显，访方法失效。 2 ) 零序导纳法f 2 3 】 该方法利用故障线路的零序导纳在接地时变化的原理，实现选线。不论是中性 点不接地系统还是中性点谐振接地系统，故障期间测得的非故障线路零序导纳为该 线路的实际导纳；测得的故障线路的零序导纳则与其实际零序导纳不同，其大小和 方向发生了变化。利用此特点，将各线路实际零序导纳的大小、相位记忆下来，与 故障时测得的各线路的零序导纳大小、相位相比较，导纳大小或相位发生变化的线 路即为故障线路；若所有线路未发生变化，则判为母线故障。 故障前后各线路的零序导纳用相同的硬件通道获得，自动地减小电压互感器 t v 、电流互感器t a 误差的影响，选线原理具有较高的灵敏性和可靠性。该方法的 缺点：零序导纳继电器区分界限的选择依赖于各条线路分别为故障和非故障情况下 的测量导纳值，而这些值只有在每条线路分别发生故障时才能测量到。 2 4 2 中性点不接地方式下的选线方法 在中性点不接地系统的选线方法中，有些方法也适用于其它接地方式，但其主 1 4 华北电力大学硕士学位论文 要应用是在中性点不接地系统中。中性点不接地系统的选线方法目前发展的比较成 熟，学术界对它的研究主要集中在故障信息的获取上。 1 ) 拉路选线法【2 4 l 这是一种最原始的方法。本方法是采用逐条线路拉线断电的办法，通过监视中 性点零序电压的有无来判断某条线路是否为故障线路，即将某一线路断电后，若中 性点位移电压减至正常则该线路即为故障线路。这种断线检查的方法虽然可以保证 很高的正确性，但因需逐一将各回线路停电而影响较多的用户正常用电，严重影响 着供电可靠性，人员操作劳动量大，且速度慢，不符合电力系统自动化的发展趋势。 后来这一方法发展为采用手工拉闸配以自动重合闸技术寻找接地线路与接地点，仍 会造成非故障线路的短暂( 重合闸时间) 停电。随着自动化技术的发展，大多数小 电流接地系统已经放弃了这种手工操作的方法，而是采用了自动选线装置，自动选 线装置能够在选线的同时避免非故障线路的停电，符合用户对供电可靠性的要求。 2 ) 零序电流幅值法1 2 5 】 这是早期的自动选线方法，在最初的中性点不接地系统中这一方法得到广泛应 用。这一方法是根据中性点不接地系统中故障线路的零序电流等于其他正常线路电 容电流之和这一规律提出的。通过在各回线加装零序电流互感器，检测所有回线的 零序电流，比较零序电流幅值的大小，即可确定零序电流最大的线路为故障线路。 此法简单易行，基本上能满足选线的准确性。但是在系统某条线路过长，电容电流 大于其他各线路电容电流之和的情况下，无法保证正确选线：当接地电阻较大时， 各条线路的零序电流趋于一致，选线困难。 3 ) 零序电流方向法1 2 6 j 这一方法是根据中性点不接地系统中故障线路零序电流的方向与非故障线路 零序电流的方向相反这一规律提出来的。理论上，故障电路的零序电流与其他非故 障线路电流的方向相差9 0 。，利用零序电流的相角差可以实现选线。这一方法可以 避免幅值法的不足，但在接地电阻较大的情况下，相位误差很大，选线精度不能保 证。在谐振接地系统中，由于消弧线圈补偿方式的影响，不再满足方向性条件，本 方法不再适用。但在零序电流方向的基础上，衍生出许多其他的解决方案，例如5 次谐波法、有功分量法。 4 ) 基波群体比幅比相法【2 7 l 这一方法是比较著名的。其原理是先对各条回线的零序电流进行大小比较，选 出3 条幅值较大的线路作为候选，之后对选出的3 条幅值最大线路零序电流进行比 相，若某电流与其它两电流反相，则判该电流对应线路为故障线路；若3 者均同相， 华北电力大学硕士学位论文 则判为母线故障。零序电流比幅比相法是目前应用最为广泛的一种方法，在不接地 系统中，这种方法的应用效果较好，但是在线路较短以及过渡电阻阻值较高的时候， 零序电流很小，相位误差很大，很难保证选线精度。对于谐振接地的系统，由于消 弧线圈在实际运行时补偿度一般不大、补偿方式不定，很难利用零序电流的大小、 方向不同来找出故障线路。 5 ) 无功功率法【2 8 】 对于n u s ，由于故障线路的零序电流有效值最大且相位与其它线路相反，因此 故障线路的零序无功功率值的绝对值应该最大，且为正，非故障线路零序无功功率 值的绝对值较小，且为负。 在实际的n u s 发生单相接地故障时，由于各条线路电导损耗以及接地点电弧有 功损耗的影响，非故障线路的零序电流将会落在第一象限，而故障线路的零序电流 将会对应落在第三象限，偏离y 轴的q 角一般在1 5 。以内，通过判断各线路零序无 功功率值的大小和正负就可以选出故障线路。 2 4 3 谐振接地方式下的选线方法 1 ) 5 次谐波法【2 6 , 2 9 l 考虑到系统正常运行时存在一定的谐波，其中3 倍次谐波电流相位一致，流经 变压器三相绕组或被削弱或相互抵消。余下的各次谐波中5 次谐波含量最大。发生 单相接地故障时，零序回路中在故障点处存在非线性过渡电阻，因而导致零序电流 含有大量奇次谐波成分，5 次谐波分量有一定程度的增加。在中性点谐振接地系统 中，消弧线圈主要补偿的是零序基波电流，其感抗按照工频整定，大致等于系统总 对地容抗，而由于消弧线圈对5 次谐波感抗是基波的5 倍，系统对地电容总容抗却 变为基波的i 5 ，所以消弧线圈远远不能补偿系统中的5 次谐波电流。因而在谐振 接地系统中，可以近似为故障线路的5 次谐波电流大小等于所有非故障线路的5 次 谐波电流之和，方向与非故障线路的电流方向相反。通过对零序5 次谐波电流作幅 值或相位比较，可以实现故障选线。 5 次谐波法的严重不足是选线灵敏度与电网电能质量有关，因为系统中5 次谐 波幅值易受过渡电阻和发电机、变压器、负荷及其他非线性特性元件的影响，在电 能质量好的环境中，5 次谐波含量较低，即便是在电能质量差的环境中，故障电流 中5 次谐波的含量一般也仅占基波的1 0 左右，在经较大过渡电阻接地的情况下数 值会更小，很难满足选线灵敏度要求，所以5 次谐波法在如今对电能质量要求越来 越高的形势下的应用受到很大的局限。另外，由于系统中5 次谐波波动较大，使选 线装置的参数很难整定。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 有功分量法【3 0 】 这种方法是基于消弧线圈只能补偿故障点的容性无功电流而不能补偿有功电 流这一特点提出来的。一般来说，在谐振接地系统中，当发生单相接地时，同正常 线路相比，故障线路中零序电流所含有功分量较大。这一有功分量主要来自消弧线 圈本身的电阻损耗和接地点电弧的有功功率损耗。根据有功分量的分布特点，选线 装置可以采集系统中性点位移电压和各回线的零序电流，进行分析处理，有功分量 最大者即为接地线路。这种方法与零序电压、零序电流的极性无关，一般故障线与 非故障线有功分量大小差别较大。但是它受电网结构影响较大，当电网出线较少， 各线路零序阻抗差异较大时，不能保证正确性；有功分量也存在幅值太小的问题， 而且受零序电流互感器不平衡电流影响很大。 3 ) 残流增量法【2 l 残流增量法基本原理是，在系统发生单相接地后，通过装设于各回线的零序电 流互感器采集各线路的零序电流，然后改变消弧线圈脱谐度，再采集各线路的零序 电流，然后求出各线路在消弧线圈调档前后零序电流的变化量，其中最大者即为接 地线路，因为它等于改变消弧线圈脱谐度前后电感电流的改变值，而其他线路基本 不变。这种选线方法原理简单，不受系统电压和频率波动的影响，判据采用相对值， 即零序电流的增量，与零序电流互感器的极性无关，也避免了零序电流互感器和测 量回路误差及背景干扰等因素的影响，提高了灵敏度及可靠性。但这种方法是以损 失一些自动跟踪补偿消弧线圈的功能为代价的。通常认为增大脱谐度易使接地电弧 重燃，减小脱谐度容易引起谐振过电压；不能在消弧线圈补偿的时候同时选线；在 高阻接地或线路较少的时候，各回线的零序电流都将发生很大变化，并且故障线路 零序电流变化量不能保证最大，在原理上存在不足；只能配合特定的自动跟踪补偿 消弧线圈工作，不能用于其它场所。本文将对这一方法进行理论上的深入探讨，并 提出改进的选线方法。 4 ) 注入信号法1 3 1 l 目前实际应用的主要是“s 注入法 ，此方法不利用小电流接地系统在单相接地 故障时产生的故障信号，而是利用单相接地时原边被短接暂时处于不工作状态的接 地相的电压互感器，人为向系统注入一个特殊信号电流( 例如2 2 0 h z 的电流) ，用 寻迹原理跟踪该信号的通路来实现接地故障选线。当系统发生单相接地时，注入信 号电流仅在接地线路的接地相中流动，并经接地点流入地。利用一种只反映注入信 号而不反映工频及其谐波成分的信号探测器，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。这种方法不需增加一次设备，不会对运行设备产生不 良影响；注入信号具有不同于系统中任何一种固有信号的特征，对它的检测不受系 1 7 华北电力大学硕士学位论文 统运行情况的影响：注入信号电流仅在接地线路的接地相流通，不影响系统的其它 部位。注入法的缺陷在于注入信号的强度受电压互感器的容量限制，不能达到很大； 接地电阻较大时线路上分布电容会对注入的信号分流，给选线带来很大干扰；弧光 接地时谐波含量丰富，注入的信号在线路中将不连续且会破坏信号特征；在现场高、 低温恶劣运行环境下工作点容易漂移，导致收不到该电流信号；该法还易受现场强 电磁场干扰；再者传感器接收的是空间信号，故障和非故障线信号差异并不很大， 有时不能保证选线准确性。 5 ) 增量函数法1 3 2 】 文献 3 2 提出了一种通过构造零序电流增量函数，扩展残流增量法的选线方 法。根据该方法，构造函数在所有非故障线路中均为o ，在故障线路中不为0 。其 构造函数的实质是将发生接地故障前后的各回线对地电抗值分别相减，故障线路由 于接地后附加了接地电阻，使增量函数不为0 ；而非故障线路对地参数未发生变化， 增量函数恒为0 。这一方法除了采用各回线的稳态零序电流作为故障信号来源，还 采用了中性点位移电压，精度较其它方法有所提高。 6 ) 暂态分量法【3 3 - 3 6 】 暂态分量法是一类方法的总称。它既适合于中性点不接地系统也适用于谐振接 地系统，目前其主要应用以谐振接地系统为主。它主要分为暂态分量幅值、暂态分 量方向等方法。暂态分量幅值法是根据故障线路暂态分量幅值等于非故障线路之 和，即故障线路幅值大于非故障线路原理进行选线。暂态分量方向法根据故障线路 暂态分量方向与非故障线路相反的原理工作，基本过程与暂态分量幅值法相同，也 可以同时使用暂态分量的幅值和方向信息。近年来引入的小波分析方法，为许多基 于暂态分量的选线方法注入了新的活力，使得基于暂态分量的方法日益受到广泛关 注。但目前使用暂态分量有着较大的不足：金属性接地时暂态分量只在接地后的首 半波出现，不会重现，不易捕捉；故障信息容易受暂态信号的干扰；暂态信号频率 较高，受技术条件限制，对暂态信号进行实时检测比较困难；目前选线装置都是利 用零序电压越限来启动选线程序，很多故障都是渐进过程，故障最初暂态过程发生 一段时间后零序电压才越限，此时记录的波形已经不满足暂态信号选线的前提。当 前，采用暂态分量法的选线装置大部分停留在理论分析和试验阶段，投入使用的产 品很少。 2 4 4 中性点经电阻接地方式下的选线方法 对于n r s ，可以选用零序有功功率法、零序电流基波比幅法、零序电流基波比 相法等选线原理。详见n u s 和n e s 对应选线原理的叙述。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章多判据信息融合选线方法设计 通过上一章的分析可知，各种选线原理针对的故障特征量各不相同，因此在实 际选线中可能会由于某些故障特征量的信号微弱或差异不显著而造成某些选线原 理不能得出正确结果。因此为了最大限度地提高选线准确率，应该在保证满足选线 时限要求的情况下，尽量多地选用有互补性的选线原理来综合选线。下面分别为 n u s 、n e s 和n r s 选出三种使用效果较好且彼此间互补性较好的选线原理。 3 2 选线原理选择 3 2 1 中性点不接地方式下选线原理选择 对于n u s ，选用零序无功功率法、零序电流比幅法、零序电流比相法这三种选 线原理。 1 、零序无功功率法：由以上分析可知，该选线原理对于n u s 选线准确率较高， 因此选择作为第一种选线原理； 2 、零序电流基波比幅法：由于零序无功功率法只是抽取了各条线路零序电流 中的无功部分进行比较，在某些情况下可能会受到相位测量的影响。而零序电流基 波比幅法则会充分利用“故障时故障线路零序电流等于其它所有线路零序电流的向 量和 这一原理，而且其中的相位判断只要能显示为容性或者感性即可，误差容忍 度很大。因此选择零序电流比幅法作为第二种选线原理，与零序无功功率法配合可 以实现对零序电流幅值信息的充分利用； 3 、零序电流比相法：前面两种选线原理在判断时都是以零序电流量的幅值为 侧重点，兼顾了其相位反映出来的容性或者感性的性质，但均没有充分利用零序电 流的相位信息，这样有可能会同时出现误判。例如，在同一母线的各条出线长度相 差比较悬殊的情况下，短线路上发生单相接地故障时，长线路上的零序电流相对故 障线路来说零序电流也比较大，在实际测量中其有效值甚至可能大于故障线路的 值，此时仅仅通过简单判断各线路零序电流容性或者感性的性质，就有可能出现误 判了。因此选择零序电流比相法作为第三种选线原理，与前两种方法配合可以实现 对零序电流幅值和相位信息的充分利用。 3 2 2 谐振接地方式下选线原理选择 对于n e s ，选用突变量检测法、零序有功功率法、零序导纳法这三种选线原理。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 l 、突变量检测法：该方法去噪与选线相结合，抗干扰强，计算精度受采样 频率影响较小，计算量小，精度高，因此选择作为第一种选线原理； 2 、零序有功功率法：由于n e s 中消弧线圈自身电阻及串并联电阻的影响，使 得零序有功功率法具有较高的灵敏度，因此选择作为第二种选线原理； 3 、零序导纳法：该方法利用中性点不接地系统或中性点谐振接地系统发生单 相接地时，测得的故障线路零序导纳大小和相位发生变化的原理进行故障选线，根 据各线路实际零序导纳设定整定值，选线更加灵敏和可靠，作为第三种选线原理。 3 2 3 中性点经电阻接地方式下选线原理选择 对于n r s ，选用零序有功功率法、零