（电力系统及其自动化专业论文）小电流接地系统故障定位关键技术的研究.pdf

原创性声明 iylltll111790llllll l l l l l l l l t l l l l l i猁illl 1 1 1 1 1 1 2 y 1 7 9 0 0 1 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：垒燃 日期：训o 、噜t 晦 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电 子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：墓缸返导师签名： 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i ii 第一章前言1 1 1 课题的研究背景及意义1 1 2 小电流接地系统单相接地故障选线技术现状2 1 2 1 稳态选线法2 1 2 2 暂态选线法6 1 2 3 不利用故障电流的选线方法6 1 3 小电流接地系统单相接地故障定位技术研究现状7 1 4 小结9 1 5 本文的主要工作1 0 第二章基于注入信号法的自动定位原理以及应用：1 1 2 1 “s 注入法”的定位原理一1 1 2 2 “s 注入法”的自动定位系统1 2 2 2 1 自动定位系统的基本构成1 3 2 2 2 主机系统的基本构成1 3 2 2 3 分机部分的基本构成1 4 2 3 软件编程2 0 2 3 1s t m 3 2 的软件开发环境2 0 2 3 2 软件程序流程图2 1 2 4 本章小结2 2 第三章信号探测器安放位置的分析2 3 3 1 工频磁场二维计算方法2 3 3 2 架空线路下方磁场分析2 4 3 2 1 “三角形”架构线路下方的磁场分析2 4 3 2 2 “三角形”架构线路下方装置最佳安放位置小结2 8 3 2 3 “水平”架构线路下方磁场分析2 9 3 3 本章小结3 2 山东大学硕士学位论文 第四章架空线路下方电磁场仿真分析3 3 4 1 电磁场问题的有限元求解方法3 3 4 1 1 麦克斯韦方程组3 3 4 1 2 有限元方法概述3 3 4 1 3 有限元方法基本原理3 4 4 2a n s o f tm a x w e i | 2 d 3 d 软件简介及使用步骤3 5 4 2 1a n s o f tm a x w e | i2 d 3 d 软件简介3 5 4 2 2m a x w e i i2 d 3 d 软件使用步骤3 6 4 3 架空线路用m a x w e i i2 d 3 d 软件进行仿真3 7 4 3 1 小电流接地系统仿真建模3 7 4 3 2m a x w e i i2 d 软件中搭建仿真模型及仿真图形结果3 7 4 4 仿真结果拓展应用：4 1 4 5 本章小结4 2 第五章新型互感器的研究4 3 5 1 测量模型及测量原理分析4 3 5 2 仿真分析4 5 5 3 利用电场测量电压的传感器j 4 9 5 4 本章小结5 2 第6 章结论与展望5 3 参考文献5 4 致谢5 8 攻读学位期间发表的论文5 9 山东大学硕士学位论文 摘要 我国中低压电网一般采用中性点不接地或经消弧线圈接地的小电流接地系 统接线方式。这种运行方式具有供电可靠性高的优点。小电流接地系统发生单相 接地故障时，不形成短路回路，没有量值很大的短路电流，且三相线间电压依然 为对称电压，不影响负载的正常工作，可以继续运行一段时间。但是在发生单相 接地故障后，非接地相对地的电压会升高，而且断续性电弧接地时还会产生弧光 过电压，长期运行可能会损坏其绝缘，引发严重的相间故障。所以，当系统出现 单相接地故障后，应该立即设法排除故障，找出故障线路和故障点。在进行必要 的负荷转移后，尽快将接地设备从系统中切除。 目前对配电线路单相接地故障定位方法的研究中，s 注入法是解决小电流接 地系统发生单相接地故障选线定位的比较成熟而有效的办法。注入信号具有较强 的适应性，已在各种不同的配电系统中获得广泛的应用，取得了较好的应用效果。 但是，s 注入法需要运行人员手持定位探测器人工巡线定位，自动化程度低，定 位时间长，不能适应配电网自动化的需要。 因此，本文基于注入法原理研制一种自动定位装置，通过在架空线路沿线杆 塔下方安放一种检测装置，并与上位机保持实时通信。在配电系统发生单相接地 故障时，故障系统被注入特殊频率信号，沿线各检测装置检测注入信号，利用通 信手段将各探测器检测结果传送到变电站主机，由定位主机根据配电线路的拓扑 结构和不同地点的检测结果，自动判别出单相接地故障区段。 本文设计了检测装置的结构组成和控制程序。综合考虑装置的低功耗，高性 能，强抗干扰性等要求，选用s t m 3 2 单片机作为微控制器。无线通信采用g p r s 通信与短距离无线通信相结合的形式，既可以降低固定成本又可以保证可靠性。 电源模块采用太阳能电池作为其主要电源供应途径，解决了配电网户外没有电源 供应的问题，为装置实时在线工作提供保障。 本文对检测器的安放位置进行了详细的分析。通过对架空线路下方电磁场的 分布特点分析，得到注入信号以及线路本身电流信号磁场的衰减特性，找出检测 器的最佳安放位置，从而能够更大的减轻干扰，更好的提取出注入信号。在电磁 场理论基础上，利用空心线圈传感器的探测技术，提出一种测量三相电流电压的 山东大学硕士学位论文 新技术，即在线路下方取三个测量点，分别测量这三个位置的水平方向磁感应强 度和垂直方向的电场强度，利用静态场分析的相关公式，可以由测量值推导出线 路中的电流电压值。本文通过仿真验证了该方法的可行性。 关键词：小电流接地系统故障定位注入信号探测器电磁场仿真 - i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t n e u t r a lp o i n tn o n - e f f e c t i v e l yg r o u n d e ds y s t e mo rn e u t r a lp o i n te a r t h e dv i a f i r e - s u p p r e s s i o nc o i li sw i l d l ya d o p t e db y m e d i u m - v o l t a g ep o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k i no u rc o u n t r y i th a st h ev i r t u eo fp r o v i n gp o w e rs u p p l y sr e l i a b i l i t y w h e n s i n g l e p h a s et oe a r t hf a u l to c c u r si nan o n - s o l i d l ye a r t h e dn e t w o r k ，t h ef a u l tc u r r e n ti s s m a l la n dt h et h r e ep h a s el i n et ol i n ev o l t a g e sa r es t i l ls y m m e t r i cs i n c en os h o r t c i r c u i t l o o pi sf o r m e d ，t h el o a dc a nk e e po nr u n n i n gf o rap e r i o do ft i m e b u tw h e nt h ef a u l t h a p p e n e d ，t h e n o n - f a u l t e d p h a s ev o l t a g ew o u l di n c r e a s e a n di n t e r m i t t e n ta r c g r o u n d i n gw o u l dl e a da r co v e rv o l t a g e ，a n dt h ei n s u l a t i o nw o u l db ed a m a g e di nl o n g t i m er u n n i n g ，t h e r e f o r et h es y s t e mr e s u l ti nm o r es e r i o u sp h a s e - t o - p h a s ev o l t a g e s o s i n g l e p h a s et oe a r t hf a u l ts h o u l db ed e t e c t e da n dr e m o v e di m m e d i a t e l y t h ef a u l t d e v i c es h o u l db er e m o v e da ss o o na sp o s s i b l ea f t e rt h en e c e s s a r yl o a dt r a n s f e r r i n g n o w a d a y s ，s - i n j e c t i o nm e t h o di st h em o s tu s e f u lm e t h o dt ol o c a t ef a u l tp o i n t m a n yt h e o r i e sb a s e do ni n j e c t i o nm e t h o dh a v eo b t a i n e dw e l le f f e c ta n dm a n yr e l a y s b a s e do ni n j e c t i o nm e t h o dh a v eb e e nu s e di nm a n yd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s b u t s - i n j e c t i o nm e t h o ds t i l ln e e d sm u c hm a n p o w e rt of i n dt h ef a u l tl i n e m o r e o v e r , w i t i l t h ei n c r e a s i n gp o w e rs y s t e ma n dt h eh i g hd e m a n dt ot h eq u a n t i t yo fe l e c t r i c i t yp o w e r , r i g h ta n df a s tl o c a t i o no ff a u l tp o i n tm e t h o dn e e db ed e v e l o p e d i nt h i sp a p e r , s - i n j e c t i o nt h e o r yi su s e di i lt h ea u t o l o c a t i o ns y s t e m s ，a p p l y i n g g p r sw i t ht h ec o m b i n a t i o no fs h o r t d i s t a n c ew i r e l e s sm e t h o df o rc o m m u n i c a t i o n f r o mt h ep e r - t r a i tt ot h eu p c o m p u t e r e a c hu n i tw a sp l a c e di nt h eb o t t o mo ft o w e rt o c o l l e c tt h e2 2 0 h zi n j e c t e ds i g n a l sa n dt r a n s m i tt h e mt ot h eu p c o m p n t e rw h i c hc a n d e t e r m i n et h ef a u l tl i n ea n dl o c a t et h es p e c i f i cf a u l tp o i n t t h i sp a p e rd e s i g n st h e s t r u c t u r eo ft h ed e t e c t i o nd e v i c ea n dc o n t r o lp r o c e d u r e s w es e l e c ts t m 3 2m c ua sa m i c r o c o n t r o l l e rb e c a u s eo fi t sl o w - p o w e r , h i g hp e r f o r m a n c e ，s t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n su s eg p r sa n ds h o r t d i s t a n c ew i r e l e s si nt h ef o r mo f c o m b i n a t i o nt or e d u c et h ef i x e dc o s t sa n dg u a r a n t e er e l i a b i l i t y t h es o l a r - e n e r g y b a t t e r yi sp r o p o s e dt ob et h em a i ne n e r g yf o rt h eo u t d o o rp e r - u n i t ，e s p e c i a l l yf o rt h e i i i 山东大学硕士学位论文 e v e r l a s t i n go n l i n e t h i sp a p e ra n a l y z e di nd e t a i lo ft h el o c a t i o no ft h ed e t e c t o rt ob ep l a c e d o nt h e b a s i so fa n a l y z i n ge l e c t r o m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h eb o t t o mo ft h eo v e r h e a dl i n e ， w ec a n g e tt h ec u r r e n ts i g n a la r e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a g n e t i cf i e l da n df i n d t h eb e s tp o s i t i o nf o rt h ed e t e c t o rt oe x t r a c tt h ei n j e c t e ds i g n a l b a s i n go nt h eu s eo fh o l l o wc o i l s e n s o rd e t e c t i o n t e c h n o l o g y , t h i sp a p e r p r e s e n t e dan e wt e c h n o l o g yt om e a s u r ec u r r e n ta n dv o l t a g e c h o o s et h r e ep o i n t s b e l o wt h el i n et om e a s u r et h eh o r i z o n t a lm a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t ya n dv e r t i c a l e l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h t h ec u r r e n ta n dv o l t a g ev a l u e so fl i n ec a nb ed e d u c e df r o mt h e m e a s u r e dv a l u e sa b o v e s i m u l a t i o n sv e r i f i e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d k e yw o r d s ：n o n s o l i d l ye a r t h e dn e t w o r k ；a u t o - l o c a t i o n ；i n j e c t e ds i g n a l ； d e t e c t o r ； e l e c t r o m a g n e t i cf i e l ds i m u l a t i o n ； i v 山东大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景及意义 第一章前言 电力系统中性点接地方式是一个综合性的技术问题，它与系统的供电可靠 性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通信干扰及接地 装置等问题有密切的关系，是电力系统实现安全与经济运行的技术基础。电力系 统常用的中性点接地方式主要有以下几种：直接接地、经电抗接地、经低阻接地、 经高阻接地、经消弧线圈接地、不接地。前三种称为大电流接地系统，后三种称 为小电流接地系统。对于1 1 0 k v 以上的电网我们主要考虑系统的绝缘问题，所 以采用中性点直接接地系统。对于6 6 k v 及以下的网络，考虑供电可靠性和人们 日益提高的供电要求，大多采用中性点不接地或经消弧线圈接地两种方式u j 。 在这种状况下，各国家从不同的角度出发采取了不同的接地方式。美国、英 国等均采用直接接地或经小电阻接地方式，前苏联、日本、德国等采用不接地或 经消弧线圈接地方式。法国电力公司在1 9 9 0 年前后开始对中压电网中性点接地 方式进行改造，将运行了3 0 多年的有效接地方式全部改为谐振接地方式。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，上海、北京、广州等部分城市电网采用小电阻 接地方式【2 1 3 1 。 配电网分支众多、结构复杂，线路发生单相接地故障概率很高，尤其是架空 线路。随着经济的发展，用户对供电可靠性的要求不断提高，也就要求供电系统 能实现快速准确的故障定位。然而配电网一般采用小电流接地方式，发生单相接 地故障时，接地电流比较小，输电网中成熟的故障定位方法不能直接应用于配电 网，选出故障线路和确定故障点都非常困难。 长期以来，国内外继电保护工作者对小电流接地系统单相接地故障选线、定 位进行了不懈地研究与探索。对选线问题，提出了基于不同故障特征的多种选线 原理，并且研制出了相应的选线装置，在电力系统中发挥了相应作用。但实际运 行效果并不十分理想。据现场不完全统计，目前的选线装置选线准确率在6 0 左右，以至于有些现场人员仍用传统的顺序拉闸法查找故障线路【4 】【5 1 6 1 。对于定 山东大学硕士学位论文 位问题，国内外专家根据单相接地故障特征提出了多种定位算法，但真正应用于 实际的并不多，基于注入法的单相接地故障定位是目前用于实际电力系统效果较 好的方法之一。现有基于注入法的定位保护虽能较准确地定位，但需人工手动定 位，还不能适应配电网自动化的需要，有待进一步完善。随着配电网自动化的发 展，一些基于配电网自动化的故障区段定位和隔离方法随之出现【7 】【8 】【9 】，国外已 有算法成功应用于现场。 随着社会的发展，对供电质量的要求越来越高，小电流接地方式无疑具有独 特的优点。如果能够解决小电流接地故障的可靠检测问题，及时发现接地故障线 路，找到故障点，并采取相应的处理措施，减少甚至避免接地故障带来的不良影 响，小电流接地方式将是一种理想的模式【l0 1 。因此，进一步研究中低压配电网 的单相接地故障检测方法，研究出一种准确可靠的装置来录取并分析小电流接地 系统的故障信息，尽快检出单相接地故障线路并找出故障点采取相应的处理措 施，将危害减到最低，具有很强的理论和实际意义。 1 2 小电流接地系统单相接地故障选线技术现状 现有小电流接地系统保护选线原理，按照采用信号的不同可分为：利用接地 故障电流的稳态分量( 包括工频分量和谐波分量) 法、利用接地故障暂态过程中 所产生的暂态量的选线法、行波选线法和不利用故障电流的拉路法、注入信号寻 迹等方法【l o 】。 1 2 1 稳态选线法 稳态工频分量法利用了故障后产生的零序电流、零序电压的工频分量。它产 生的较早也较完善，但目前都存在着致命的缺陷。具体又可分为利用零序电流幅 值、零序电流有功分量、零序电流方向等方法。 1 零序电流比幅法【l l 】【1 2 】 利用中性点不接地系统故障线路工频零序电流幅值比健全线路大的特点，选 择零序电流幅值最大的线路为故障线路。也可将故障后线路零序电流与自身对地 电容电流作幅值比较，变化最大的线路为故障线路。该方法的缺点是受c t 不平 衡电流、出线多少、线路长短、系统运行方式及过渡电阻大小的影响较大，当某 2 山东大学硕士学位论文 一线路远远长于其它线路，即其分布电容与系统总的分布电容相差不大时，或接 地点过渡电阻较大时，装置可能拒动。另外，该方法也不适用于谐振接地电网。 2 零序电流相对相位法【1 1 1 【1 2 】 利用了不接地系统中故障线路零序电流与非故障线路零序电流方向相反的 特点选择故障线路。零序电流方向判据简单易行与幅值法相比，方向法有较高的 检测灵敏度，但这种方法在线路较短时，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 死区的影响，并且不适用于消弧线圈的过补偿运行方式。 3 群体比幅比相法【1 3 】 采用相对比较的方法，首先找出电流幅值最大的3 条线路，再对3 个电流比 较相位，电流相位相反的线路为故障线路。该方法的缺点是当线路较短或者经大 电阻接地时，零序电流幅值很小，此时零序电流的相位误差将很大，导致选线错 误，不能应用于经消弧线圈接地的系统。 4 最大有功分量法和有功分量方向法【1 4 】 利用线路、消弧线圈等对地存在电导的特点，提取故障电流中的有功分量， 故障线路中的有功电流分量最大且由线路流向母线。该原理仅适用于经消弧线圈 接地系统，在接地电流中的有功分量较小时，不利于检测，仍受系统不平衡的影 响。 5 五次谐波法【1 5 】【1 6 】 当小电流接地系统中发生单相接地故障时，随之也产生高次谐波。其中，主 要为5 次谐波分量，消弧线圈对五次谐波的补偿作用仅相当于基波1 2 5 。它在电 网中的分布，与中性点不接地系统的基波零序电流分布情况相同。因此理论上用 五次谐波法也能选出故障线路。 基于该原理研制的选线装置已投入实际应用，但是由于系统本身存在谐波 源，以及在负荷不对称，特别是当系统发生相间短路或三相短路时，由于测量回 路的元件饱和而产生大量的5 次谐波，势必使得基于谐波分量比较法的选线判据 失败。因此实际中应用5 次谐波分量进行故障选线的装置效果不是很理想。 6 残流增量法【1 7 】 在电网发生单相永久接地故障的情况下，若改变消弧线圈的失谐度，则只有 山东大学硕士学位论文 故障线路中的零序电流( 及故障点的残余电流) 会随之增大。因此对失谐度变化 前后各条馈线的零序电流进行实时采集、同步记录和集中处理，然后通过对比找 出残余电流明显变化的馈线，便可判断为发生永久接地故障的线路。但是消弧线 圈的失谐度变化不大时，故障线路中的零序电流变化也不是很明显，使得这种方 法的误差较大，且易受过渡电阻的影响。 7 零序导纳法【1 8 】 在电网正常运行状态下利用中性点的位移电压，实时计算各条线路对地导纳 或导纳系数，并存储起来作为参考量，当电网发生单相接地故障时，重新计算对 地导纳系数，比较故障前后导纳系数的变化，检出故障线路。 该方法灵敏度较高，已在欧洲国家使用，主要用来检测高阻接地故障。零序 导纳法需要复杂的信号处理技术和灵敏、精确的测量变送通道做保障。否则，将 得不到可靠的基波电流相量，方法将失去价值。 8 负序电流法【1 9 】 基波负序电流分量的特点：接地故障产生的负序电流大部分由故障点经故障 线路流向电源，非故障线路的负序电流相对很小；故障线路负序电流与故障相电 压方向相同，非故障线路负序电流与故障相电压方向相反。据此特点可选出故障 线路。 因为单相接地故障产生的负序电流和零序电流幅值相等，所以负序故障电流 也非常小。而负荷的不对称会产生一定的负序电流。从强背景信号中提取同频率 的负序故障信号，难度非常大。所以负序电流法几乎没有实用性。 9 能量法【2 0 】 对系统故障后的全部过程均用能量的观点来解释。把线路的零序电压与零序 电流乘积的积分定义为能量函数，则故障前所有线路的能量为零；故障后故障线 路的能量恒小于零，健全线路的能量恒大于零，且故障线路的能量等于所有健全 线路和消弧线圈的能量之和。 该能量函数实际上是瞬时功率( 包括有功和无功) 的累积，有功分量的积分 呈发散状，无功分量的积分为交替变化的周期函数，积分函数易将一些固定误差 累积。该方法的实用效果有待观察。 当系统发生不稳定性故障，如瞬时性接地故障、间歇性接地故障等，由于没 4 山东大学硕士学位论文 有稳定的稳态信息，上述基于稳态信息的选线方法受其影响较大。 lo 最大i s i n q o 或( i s i 叩) 法【2 l 】 2 2 】 将各条线路故障后零序电流在零序电压垂直方向上进行投影，根据所得分量 ( 零序电流无功分量) 幅值最大者进行选线，称为i s i n q ) 法。如果设系统在正常 工作时负荷电流不会突变，求得故障前后投影分量之差进行比幅选线，称为 a ( i s i n ( p ) 法。最大i s i n ( p 原理实际上是一种最大故障电流突变原理，本质上是寻找 最大零序无功功率突变量的代数值。其最大的优点是可以克服不平衡电流的影 响，减少了误判的可能性，灵敏度高、适用范围广。但缺点也显而易见，受线路 结构、运行方式影响，需要参考信号，计算量过大。为减少计算量，还有人提出 了快速算法。但是，由于故障的出现是随机的，所以数据必须连续存储，以确保 故障前后零序电流的差值，即各条线路需要长期连续的监测才能实现选线，这对 国内的很多变电站来说是很难做到的，因此这种方法的推广有一定的困难。 1 1 d e s i r 选线法【2 3 】 2 4 】【2 5 】 d e s i r 接地保护是以所有线路的零序电流的变化量作为输入数据，而且不 需要任何的零序电压测量装置和传感器( 传统的电流互感器就可) 。该方法首先 从所有线路中抽取零序电流的基波有功分量，算出所有故障线路零序电流的有功 分量和。并选取该向量和的垂直线作为参考轴，将所有线路的零序电流向此轴上 投影，就会发现故障线路的接地电流投影与各非故障线路的零序电流和的投影大 小相等，方向相反，据此便可检出故障线路。这种根据零序电流变化实现对故障 检测的系统不仅有较高的灵敏性，而且迅速。但是，这种方法和利用零序电流有 功分量选线方法类似仍然无法避免有功分量在残余电流中含量较小和消弧线圈 串联或并联电阻而带来的影响。 1 2 d d a 法【2 5 】 利用中性点对地电压的增量、零序电流的增量、相对地电压和对地导纳。确 定故障相后，利用下式计算每条出线的过渡电阻r f , c a l c , i 2 面：彘对非 故障线路，计算出的过渡电阻为无穷大；对故障线路，计算出的为实际过渡电阻 的估算值。 该方法利用过渡电阻选择故障线路，有较强的抗过渡电阻能力，可以克服过 山东大学硕士学位论文 渡电阻较大时各种判据失效的缺点。但相对地导纳在消弧线圈接地系统中用注入 变频信号方式确定，不具有通用性。 1 2 2 暂态选线法 1 首半波法【2 6 】【2 7 】 利用故障起始后一段时间内故障线路暂态零序电流与暂态零序电压极性相 反，而健全线路极性相同的原理选择故障线路。 适用于中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统；可检测不稳定接地故障。 但极性关系成立时间较短，且受线路参数、故障初始相角影响。 2 基于小波变换的暂态零序电流分析【2 8 】- 【3 7 】 利用合适的小波、小波基或小波包对暂态零序电流进行小波分析，根据故障 瞬间产生的零序突变量确定模极大值从而选出故障线路；或根据某尺度下故障线 路的暂态电流某分量幅值最大选出故障线路；或根据故障线路上暂态零序电流某 分量的幅值包络线高于健全相且二者极性相反关系选出故障线路等多种算法。 单相接地时，故障电压和电流的暂态过程持续时间短但含有丰富的特征量， 其值较稳态时大数倍甚至数十倍，并且基于故障暂态信号的检测方法灵敏度高且 不易受消弧线圈的影响，理论上讲，利用暂态信息的选线方法具有较高的可靠性 和灵敏度。但信息的频率高且存在的时间有限，对硬件和算法的可靠性要求较高。 3 暂态能量法【3 8 】 暂态能量法是对系统故障后的全部过程均以能量的观点来解释的选线方法。 定义s o j ( t ) = f u ( t ) i o j ( c ) d 。( j = 1 ，2 ，3 ) 和s 。= r u 。( t ) i 。( r ) d 。分别为线路和消弧线 圈的零序能量函数，考虑到电流的参考方向，非故障线路的能量函数总是大予零， 故障线路的能量函数总是小于零，并且其绝对值等于其它线路( 包括消弧线圈) 的能量总和，根据能量函数的上述特征可以构成选线方法但这种方法的性能与 采样率和采用的积分器有关。 1 2 3 不利用故障电流的选线方法 6 不利用故障电流的选线方法主要有拉路法、注入信号法、注入变频信号法。 1 拉路法 山东大学硕士学位论文 所谓拉路法就是值班人员发现有一相母线的电压降低后，人工利用断路器逐 个拉开配电线路，如是故障线路则母线电压恢复。这种无选择性的故障选线方法 是传统方法而且目前依然还在使用。该方法由于无选择性拉闸，缩短了非故障线 路断路器的使用寿命，增加了对线路绝缘性能的要求，容易损坏设备，破坏系统 安全运行，此外还造成非故障线的计划外停电，降低了供电可靠性。 2 注入变频信号法【3 9 】 对“s 注入法”高阻接地时存在的问题，文献 3 9 提出的注入变频信号法可 较好的解决。其原理是根据故障后位移电压的大小，选择通过消弧线圈电压互感 器或是故障相电压互感器注入不同频率的恒流信号。监视各条出线上注入信号产 生的零序电流功角、阻尼率的变化，比较各出线阻尼率的大小来确定故障线。缺 点是接地电阻较小时，非故障线的计算误差较大。 3 注入信号法【4 0 】 在发生单相接地故障后，通过三相电压互感器( t v ) 的中性点向接地线路 中注入特定频率的电流信号，注入信号会沿着故障线路经接地点注入大地，用信 号探测器检测每条线路，有注入信号流过的电路为故障线路。 该方法特点是不受消弧线圈影响，不要求装设零序电流互感器( t a ) ，并且 适用于只装设两相c t 的线路，不受系统运行情况的影响。注入信号法虽然比稳 态选线正确率提高很多，但对高阻接地故障和间歇性接地故障，该方法易产生误 判。 1 3 小电流接地系统单相接地故障定位技术研究现状 目前对配电线路单相接地故障定位方法的研究主要可概括为三类6 5 】： 第一类是以在线路端点处测量以确定故障距离为目的的故障分析法，主要包 括阻抗法测距和行波法测距两种方法。 ( 1 ) 阻抗法【4 1 1 1 4 2 4 3 】 阻抗法的故障测距原理是假定线路为均匀线，计算出的故障回路阻抗或电抗 与测量点到故障点的距离成正比，根据故障时刻测量到的电压，电流量计算出故 障回路的阻抗，从而求出故障距离。 阻抗测距法简单经济，但是受限于系统建模、参数简化、分量提取等环节， 7 山东大学硕士学位论文 势必产生原理性误差。阻抗法多在国外的文章中探讨，国外配电系统大多为中性 点直接接地方式，故其关于配电系统的研究成果只能起到参考作用。 ( 2 ) 行波法【删 根据行波理论，线路发生故障后，都会产生向线路两端传播的行波信号，利 用在线路测量端捕捉到的暂态行波信号可以实现各种类型短路故障的测距。行波 法是通过测量故障产生的行波在故障点及母线之间往返一趟的时间或利用故障 行波到达线路两端的时间差来计算故障距离。 行波法测距应用在输电网中获得了良好的效果，但在配电系统中，由于配电 网结构复杂，线路分支处、混合线路接头处和负荷处均为波阻抗的不连续点，行 波在波阻抗不连续点的反射和折射造成线路一端测得的行波波形特别复杂，很难 正确识别故障点的反射波，因而造成测距困难。 第二类以在故障发生后通过向系统注入信号实现寻迹的信号注入法。该方法 主要包括端口故障诊断法、加信传递函数法、s 注入法等。 ( 1 ) 端1 2 1 故障诊断法【4 5 】 4 6 】 该方法将模拟电路故障诊断理论应用于分布参数传输网的故障诊断，提出利 用单相接地故障后的电流和电压的特点进行测距和定位，从端口方程出发，通过 施加正弦信号，以比较传输网可测端口故障前后测试信号的变化量为根据，实现 自动在线定位故障分支。端口故障诊断法的优点是故障诊断测量工作量小，适用 于较大网络的故障诊断，缺点是分支上的故障点位置只能归结为主支与分支的联 接点，确切故障距离无法确定，且采用线路两侧信息，需要数据通信，实用性不 强。 ( 2 ) 加信传递函数法【4 7 】 该方法基于频谱分析的原理和线路的分布参数模型，从线路首端施加方波激 励信号源，在首端测量时域的零序电压和电流数据，由此得到频域的传递函数， 根据各分支端口传递函数频谱的频率、相位和波形特征实现接地故障定位。 传递函数法在中性点不接地系统中应用具有测距结果不受负载参数变化影 响的优点。但由于其取地模网络作为故障定位信息依据，不能解决只存在线模分 量的相间短路故障的定位问题。其在理论上可行，但在实用化方面还存在不少困 难和限制，尚未得到推广应用。 8 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) s 注入法【4 8 】 s 注入法是利用故障时暂时闲置的电压互感器注入交流信号电流，通过检测 故障线路中注入信号的路径和特征来实现故障测距和定位。在发生单相接地故障 后，通过电压互感器向接地线路注入特定频率的电流信号，注入信号会沿着故障 线路经接地点流入大地，用信号寻迹原理即可实现故障选线并实现故障定位。 s 注入法最大的优点在于其灵活性，适合于各种结构和接线方式的配电系 统。其缺点在于：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 和定位带来干扰；注入信号的强度受t v 容量限制；如果接地点存在间歇性电弧 现象，注入的信号在线路中将不连续，给检测带来困难。目前基于s 注入法的故 障定位方案主要采用人工巡线，由操作人员手持信号探测器，沿故障线路查找接 地点。该方法寻找故障点花费时间较长，有可能在此期间引发系统的第2 点接地， 造成线路自动跳闸。 第三类是利用户外故障探测器检测故障点前后故障信息的不同，以此来确定 故障区段的户外故障点探测法。 户外故障点探测法就是在配电线路的主要节点加装故障探测器，将探测信息 汇总分析，得到故障所在区段。发生单相接地故障后，利用接地点前后零序电流 所产生的磁场大小区别来确定故障点。由于零序电流与电网的分布电容大小及接 地方式有关，此方法探测精度不高。国外对此已有研究和应用，如挪威分段悬挂 在线路和分叉点上的悬挂式接地故障指示器等，其投资较大，不利于大面积推广。 此外，根据故障点前向支路、后向支路和非故障支路的零序电压、零序电流的特 点，通过测量空间电场和磁场的5 次谐波并分析其幅值和相位关系，也可以判断 小电流接地系统单相接地故障点。但5 次谐波幅值很小，不易检测，如何提高检 测装置的灵敏度和抗干扰能力，是其推广应用的关键。 综上所述，对于配电网单相接地故障定位问题，目前还没有理想的方法应用 于实际，这同配电网自动化水平不相适应，还需进一步探索实用方法。 1 4 小结 通过以上介绍可以看出，小电流接地系统单相接地故障选线技术己取得了一 定的成果，但故障定位技术不像故障选线一样得到广泛研究。尽管投入了大量的 9 山东大学硕士学位论文 人力和物力对小电流接地系统的单相接地故障定位问题进行分析和研究，但至今 没有得到较好的解决。基于注入信号原理的配电网单相接地故障定位方法是目前 实用性最强、效果最好的方法之一，它解决了困扰电力系统几十年的两相c t 架 - 空馈线的单相选线问题，多年的运行情况证实它具有优良的接地选线和接地点定 位功能。 但基于该原理的故障定位仍需人工手动定位，与配网自动化不适应。因此本 文在山东大学研制的t y - 0 3 新型选线装置的使用基础上，对基于注入信号原理的 单相接地故障自动定位原理和方案进行了深入分析，采用新型低成本高性能单片 机作为微控制器，设计实现沿线杆塔安装的自动定位装置。结合输电线路下方的 磁场分布特点，对装置的具体安放位置进行深入的分析并提出参考。 1 5 本文的主要工作 本论文在总结现有故障选线及定位方法的基础上，基于注入信号法，设计开 发一种自动化程度高的小电流接地故障定位的装置。本文的主要研究工作如下： ( 1 ) 在注入信号法的基础上，对小电流接地系统单相接地故障定位方法进 行研究。利用网络拓扑结构图，通过在沿线杆塔上安装自动定位装置对信号进行 检测，结合无线通信技术，实现故障区段的自动定位。 ( 2 ) 作者研发组研发了小电流自动定位装置。硬件部分用s t m 3 2 单片机作 为微控制器，并结合传感器、无线通信、太阳能电池板等模块来实现，详细介绍 了s t m 3 2 的优良特性。软件部分在i a r 编程环境下具体实现，包括数据采集， 数据处理及分析、串口通信等部分。 ( 3 ) 分析了架空线路下方的磁场分布特点，通过对注入信号以及线路本身 电流信号磁场的对比分析，找出检测器的最佳安放位置，从而能够更大的减轻干 扰，更好的提取出注入信号。 ( 4 ) 在磁场分析基础上，提出一种新的方法，只利用故障前后线路本身的 信号产生的磁场变化检测出该区段是否是故障区段，为故障的识别多增加了判 据，使定位精度进一步提高。 ( 5 ) 在电磁场理论基础上，利用非接触式传感器的探测技术，提出一种测 量三相电流电压的新技术并进行仿真验证。 1 0 山东大学硕士学位论文 第二章基于注入信号法的自动定位原理以及应用 2 1 “s 注入法”的定位原理 “s 注入法 选线定位原理是通过注入系统信号的通路来实现，即通过母线 p t 向接地线的接地相注入信号电流，其基波频率处于工频n 次谐波与n + 1 次谐 波之间，然后利用专用的信号电流探测器查找故障线路和故障点【4 9 1 。 l l l 2 l m a b c _ 一一_ 一一一- _ - 一 一一一一飞k l 图2 l “s 注入法”故障定位原理不恿图 如图2 - 1 所示：正常运行时，三相电压均为正常相电压且对称，零序电压为 0 ，t v 二次电压分别为= = = 5 7 7 v ，= 0 v ，主机不输出信号电 流。当发生单相接地故障时( 以a 相接地为例) ，= 0 v ， = = = 1 0 0 v 。主机根据p t 二次电压的变化，自动判断为a 相接地， 并向a n 输出信号电流，如图中虚线所示。由于a 相t v 一次绕组处于短接状 态，二次绕组中的注入信号电流必然会感应到一次侧，即注入信号电流只在该接 地相中流通，其回路如图2 1 中虚线所示。 由图2 1 可以看出，注入的信号电流仅在变电站与接地点之间的一段线路中 山东大学硕士学位论文 流通，越过接地点后，注入信号将不再存在，在变电站与接地点之间存在分支的 情况下，注入信号也不会流入无接地故障的分支中。利用这一特点，通过检测设 备沿线查找此特殊信号，即可以查找出接地点的确切位置，实现故障定位。 2 2 “s 注入法”的自动定位系统 当前对配电系统单相接地故障进行定位主要依靠人工进行。当发生接地故 障，选出故障线路