（电力系统及其自动化专业论文）新型小电流接地选线装置信号处理算法的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 我国大多数配电网均采用中性点不直接接地系统，即小电流接地系统。发生单 相接地时，按照规程规定可继续运行1 2 小时。但随着电力系统规模的不断扩大， 单相接地时间过长容易引发其它故障，破坏系统安全运行，所以必须及时找到故障 线路予以切除。 针对小电流接地系统的特点，目前国内提出了多种选线方法。每种方法都有其 有效域，也就是说每一种方法都有其适用的范围，这就不能满足电力系统的安全需 求。所以本文提出了一种全新而有效的中性点非有效接地系统单相接地选线方法， 称为可控短路选线方案。这种方法可以有效克服现在选线方法的缺点，并且不受小 电流系统单相接地短路时信号比较弱的限制，是一种理想的选线方法。 本方案将系统中性点经降压变压器和可控硅接地。故障发生后，控制可控硅的 触发角产生短路电流信号，通过在出线处对该信号的检测以实现故障线路的判定。 这一方法有如下三大优势： 1 、故障电流幅值可控，这能使故障电流信号在不同接地电阻的情况下仍能保持 足够大的强度以被检测。 2 、故障电流产生时间可控，这使得故障电流信号的出现具有预见性，容易被信 号检测器扑捉。 3 、故障电流特征可控，这使得故障电流信号有别于其它干扰信号使选线定位准 确度大大提高。 这是一种全新而有效的解决小电流接地系统单相接地故障选线的方法，它的特 点之一就是故障电流信号的幅值，时间及特征都可以控制和调节直到被检测到为 止。此方法可以解决多年来一致困扰我国电力系统的小电流接地故障选线率低的难 题，对电能质量的改善和供电可靠性的提高都有着重大的意义。 在本文中，针对这种新型的小电流系统单相接地选线方法，我们将进行以下几 个方面的研究： 1 、分析新型小电流接地选线装置的工作原理。 山东大学硕士学位论文 2 、使用m 棚a b 软件中的s i n i u l i n k 为平台建立新型小电流接地选线装置的三相 仿真模型，检验新型小电流接地选线装置在不同接地电阻尼和触发角度6 下 的工作情况。 3 、进行新型小电流接地选线装置信号处理算法的研究，寻找一种能够有效地将 故障线路和非故障线路区分开的选线方法。 4 、使用虚拟仪器实现新型小电流接地选线装置的信号检测装置，这其中包括使 用数据采集卡实现其硬件，使用i 丑b v m w 软件编写其软件。 根据本文的新型中性点非有效接地系统单相接地选线原理已经制作出样机并正 在对其进行应用性研究，即先在动模实验室进行动模实验，然后将采集的数据放到 微机里进行分析，再将设备拿到现场进行现场实验，同时对数据进行在线分析。 关键词：小电流接地系统单相接地；小电流接地选线；故障线路检测； 可控短路； 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t ho u r u n t r y ，m 肌yd i s t r i b u t i 锄n e t w o r ba d o p ti n c 航c t i v cg r o u n d i n go fp o w c f s y s t c mn e t o r kn e d i s t 曲u t i s y s t e m s 啪c o n t i 加et oo p e m t ef o ra b o u t 彻et ot w o h o u 墙w h e ns i i l 出ep h a s e t 0 g r o u n df a u l t b u t 弱t h ee n l a r g e m e n to ft h ep o w e fs y s t 锄，i f t h es i n 尊ep h a s e - t 0 - g r o u n df a u l tp c f s i s t sf o ra1 g 细e ，o t h c rf a u l t sw o u l d 仪飘a n dt h e s a f eo p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t c mw o u l db cb r e a l 【t h e 缸u l t e dl i l i es h o u l db cf o 岫d 孤dc l l t a w a y 劬m t h e p o w e r s y s t e ma t 彻c c a tp 坨n t ，m 柚ys e l c c t i o nm e t h o d sh a v eb na d v 卸c c di na l l u s i o nt ot h ec h a m c t c r o ft h ei l l e 恤c 咖eg r o u n d i i l go fp 0 啊盯s y s t e m m o r k e v e r ym e t h o dh 勰i 协6 e 坩，柚d t h i s 啪t f l l l 脚l t h es a f cd e m 柚do f t h c p o w 盯s y s t e m s o i n m y p a p c r la d v 知c c dan e w l i n es e l e c d m e t h o d t h i sn e wl i n cs e l e c 吐o nm e n l o di se n t “l e dc o n t r o l l e d s h o n 一l c c t 岫m 如“t 1 l i sl j l i cm c 恤o d 啪n q u 盯t h cs h o r t c 0 恤i n g so fp t e s 皿t l e c t i o n s 柚dt h ew e a ks i g n a l so ft h es i n 酎ep h a t 0 - g r o u n df a u l t y s 0t h i sl i l l es e l e c t 沁n m e t h o d i sa p e r f 融m e t h o d t h i sl i n e l c c t i m e t h o dm a k e st l l e s e c o n d a r yw e n d i n go fs u p p l y s i d e t m s f 0 瑚e rg r o u n d e dt h o u g h 仃a n s f 0 椭e f 柚dag b t t h eg b tw o u l db cc o n t r o l l e dt o 朋g e n d e rac l i 玎c n ts i 弘a l ，a l i dt h i sc u e n ts i 铲a lw o u l db cc h e c k e dt of i n dt h ef a u l t e d l 妇1 1 h i sm e t h o d h a st h r e ea d v a l l t a g e s ： 1 、t h ev a i u eo ft h ea l l f i e n tc a nb ec 衄t r o l l e d t h i sm a k e st h ec l l n e n tc a nb ed h e c - 汜d w h 蛐t h eg f o u n dr e s i s t a n c ei sd i 虢r e n t 2 、t h et i n l eo f t h ec l l n _ c tc 锄b ec o n t r o l l e d ，t h i sm a k e st h ea p p c a r 卸o f t h ec u r r e n t nb e 如l r e c a s t e da n dc h e c k e de a s i c f 3 、t 1 l ec h 盯a c t e ro ft h ec u 玎c n t 啪b ec o n t r o l l e d t h i sm a k e st h ec u e n tb ed i f i e n t 丘d mo t h e rs i g n a l s t 1 i i sn e wl i i l e l e c t i o nm e t h o dh 弱ac h a f a c t e r t h i sc h a r a c t e ri st h a tt h ev a l u e 、t i n l e 卸dc h a r a c t e ro ft h ec 呲ms i 印a lc a nb e n t r o l l e d 柚da d j u s t e d 岫坷t h ec 哪衄ts i 印a l h 弱b e e nc h e c k e d 1 1 l i sn e wl i i i es e l e c t i m e t h o d nd i s s o l v ct h ep u z z l ew h i c hh 弱 p u z z i e do u rp 0 啊e rs y s t e mm a n yy e a f sa i i dc 卸b o o s t t h ep o w e rq u 柚t i t y 卸dt h es c c l l r i t y o ft h es u p p l yo fp o w e l 3 山东大学硕士学位论文 l nm y p a p c r t ot h i sn e w l i l l es e l e c t i o nm e t h o dw e 、o u l dt a l 【es 伽e a n a l y s i s ： 1 、a n a l y s i st h e 的r k i n gp r i n c i p l eo ft h en e wl i n es e l e c t i o nm e t l l o d 2 、b u i l dt h ef 0 埘u l a t i o nm o d e lo ft h r c cp h 髂ew i t hs i m l l i i n i 【i i l 舰蚴t oc h e c k t h eg o i l i go ft h en e wl i n e l c c t i o nm e t h o di l id i 任e r c n tg r o u n dr c s i s t a n c c 尼柚d 缸锄g l e 6 3 、s t l i d yt h es i g n a ld i s p o s i i l ga r i t l i m e t i co f t l i en e wl i n es e l c c t i o nm e t h o d 肌ds e 砌 am e t h o dw h i c h 啪缸血鲥s ht h cf a l i l t e dl i n e 柚dt h ed e f 如l t e dl i l l e 4 、u s ed u 咖yi n s t r u m e n tt oa c c o m p l i s ht h es i g n a lc h e c k i n go ft h en e w l i n e l 硎m e t h o d 1 nt l i i ss e d i o n ，d a q p a da c c 伽p l i s h e si t sh a r d w a r e a n dl 丑b v wa c o o m p l i s h 伪i t ss o f t w a r e t h em a c h i n eh a sb e e n 眦d ea c c o r d i n gt ot h en e wl i n es e l c c t i o nm e t l l o da n dt h i s m a c h i n ei ss t t i d y i l i gm e a 璐t h a tw eu t i i i sm a c h i n ei i il a b o 髓t o r y 柚d 柚a l y s i st h ed a t ai l i c o m p u t e r 丘嘲锄dt h e nu t 1 1 i sm a c h i n ei nf i e l da n d 柚a l y s i st h cd a t ao n l i n c k e yw o r d ：s i n 酉ep h a t o g u n df 卸l ti ni n e 鲰t i v e 孕o u n d i l i go fp o w 盯s y s t e m n e t w o r k ；u n es e l 硎o n i ni n e f f e d v e 掣d u n d i n go fp ( ，w 盯s y s t c mn e t w o r k ；t h ec h e c ko f t h ef a u l t c dl i l l e ；c o n t r o l l e ds h o r td f c u i t ； 4 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 我国大多数配电网均采用中性点不直接接地系统，即小电流接地系统。由于发 生单相接地时，供电仍能保持线电压的对称性，且故障电流较小，不影响对负荷连 续供电，故不必立即跳闸，规程规定可继续运行1 2 小时。但随着馈线的增多，以 及电缆的广泛使用，电容电流不断增大，单相接地后长时间运行就易使故障扩大成 两点或多点接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统 安全运行，所以必须及时找到故障线路予以切除。 现在大多采用微机式接地检测装置或带接地检测功能的微机式线路保护选出接 地线路，发出信号，由运行人员采取措施( 如转移负荷) 后再切除故障回路，可以 保证正常回路供电的连续性。 1 。2 小电流系统单相接地的特点 为了分析的方便，分别画出了三相系统单相接地线路和a 相接地时的向量图 4口c 上 毋n 上 l 岛兴 = 士工 i 累 二一 上 j - 上上主 牟 丰7 ：上圭么 图1 1 三相系统单相接地线路图 5 山东大学硕士学位论文 图1 2a 相接地时的向量图 从图1 1 三相系统单相接地线路图我们可以清楚地看到单相接地时的三相系统 的线路分布情况。而从图1 2 a 相接地时的向量图我们可以看到：a 相发生接地故障 前各相电压为相电压，中性点电压为零。a 相发生接地故障后，此时a 相电压为零， b 相和c 相电压上升为线电压，中性点电压上升为相电压，并且中性点电压为a 相 电压的相反数，即u 一一幺 6 占c ， r 士； = 士c ，_ 卜喜士毒 一丰 ” 牟c m”： ，上圭 图1 3a 相接地时，三相系统电容电流分布图 山东大学硕士学位论文 从图1 3 a 相接地时三相系统电容电流分布图中我们可以很清楚地看到：a 相发 生接地故障时，线路所有的零序电流均从故障线路故障相流回。这也是那些基于零 序电流法进行小电流系统单相接地选线的重要依据。 下面我们就来详细分析一下小电流系统单相接地时有何不同于正常运行状态， 这将为我们的选线工作提供极大的帮助。埘“1 分析小电流系统单相接地时的运行状态，其不同于正常运行状态的信息主要有 以下两点：一是故障线路流过的零序电流是全系统的电容电流减去自身的电容电流， 而非故障线路流过的零序电流仅仅是该线路的电容电流；二是故障线路的零序电流 是从线路流向母线，而非故障线路的零序电流是从母线流向线路，两者方向相反， 或者说两者反相。从小电流系统单相接地时与正常运行时状态信息的不同看，故障 线路的判定似乎非常容易，然而事实并非如此，其原因主要有以下四点： 1 ) 、电流信号太小一 小电流系统单相接地时产生的零序电流是系统电容电流，其大小与系统规模大 小和线路类型( 电缆或架空线) 有关，数值甚小，经中性点接入消弧线圈补偿后，其 数值更小，且消弧线圈的补偿状态( 过补偿、欠补偿、完全补偿) 不同，接地基波电 容电流的特点与无消弧线圈补偿时相反或相同，对于有消弧线圈的小电流系统采用5 次谐波电流或零序电流有功功率方向检测，而5 次谐波电流比零序电流又 要小2 0 5 0 倍。 2 ) 、干扰大、信噪比小 小电流系统中的干扰主要包括两方面：一是在变电站和发电厂的小电流系统单 相接地保护装置的装设地点，电磁干扰大：二是由于负荷电流不平衡造成的零序电流 和谐波电流较大，特别是当系统较小，对地电容电流较小时，接地回路的零序电流 和谐波电流甚至小于非接地回路的对应电流。 3 ) 、随机因案影响的不确定 我国配电网一般都是小电流系统，其运行方式改变频繁，造成变电站出线的长 度和数量频繁改变，其电容电流和谐波电流也频繁改变：此外，母线电压水平的高低， 负荷电流的大小总在不断地变化：故障点的接地电阻不确定等等。这些都造成了零序 故障电容电流和零序谐波电流的不稳定。 7 山东大学硕士学位论文 4 ) 、 电容电流波形的不稳定 小电流系统的单相接地故障，常常是间歇性的不稳定弧光接地，因而电容电流 波形不稳定，对应的谐波电流大小随时在变化。嘲 1 3 国内外研究现状 国外对接地保护的处理方式各不相同。前苏联的小电流接地系统采用中性点不 接地方式和经消弧线圈接地方式，主要采用零序功率方向和首半波原理。 日本的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。 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，电网中性点主要采用电阻接地方式，也利用零序过电流保 护瞬间切除故障线路。但是，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。 法国过去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，故已开始采用自动调谐的消弧线 圈以补偿电容电流。为解决此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、相位) ，以区分故障与非故障线 路的保护方案，但还未应用于具体装置。 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的方法，研制了 一种悬挂式接地故障指示器，分段悬挂在线路和分叉点上；加拿大一公司研制的微 机式接地故障继电器，也采用零序过电流的保护原理，其软件算法部分利用了沃尔 什函数，以提高计算接地故障电流有效值的速度。 国内从5 0 年代就开始了对接地保护原理和装置的研究，并相继推出了几代产 品。目前国内的选线装置主要基于零序电流原理、零序功率方向原理、首半波原理， 谐波电流方向原理和“信号注入法”原理。在选线方案上，除常规的绝对定值保护 方案外，还有群体比幅比相方案，最大i s i n 由或( i s i n 由) 方案。 8 山东大学硕士学位论文 1 4 现有接地选线方法原理分析 针对小电流接地系统的特点，目前国内提出了多种选线方法。目前电力系统中 投运的选线装置采用的方法主要有零序电流绝对值整定原理、基波零序电流比幅比 相法、五次谐波法、有功分量法、消弧线圈旁加并联电阻、首半波法、小波法，残 流增量法，“s ”注入法等，每一种方法都有它的有效域。其中，首半波法、小波法 利用暂态信号，而其它方法利用稳态信号。刚州 下面我们就分别详细地介绍一下各种方法的原理。 1 ) 、零序电流绝对值整定原理 利用每一条线路上零序电流的绝对值与一整定值进行比较完成选线。它易受系 统运行方式、线路长短等许多情况的影响而导致误选、多选，漏选，且在中性点接 消弧线圈的情况下无法实现准确选线。 1 2 ) 、基波零序电流比幅比相法 基波零序电流比幅比相法的原理是先进行零序电流比较，选出几个幅值较大的 作为候选，然后在此基础上进行相位比较，如果某条线路方向与其它线路不同，则 其为故障线路。这种方法通过比较各条出线零序电流大小和方向实现选线，采用“相 对原理”、“双重判据”，其选线准确率大大提高。这也是现在大多数选线装置所 采用的方法。但是这种方法当线路较短或者经大电阻接地时，零序电流幅值较小， 此时零序电流的相位误差将很大，导致选线错误。在线路长短相差悬殊且出线较少 的情况下极易造成误判。此外，这种方法对安装接线质量要求较高，零序电流互感 器的误差对其影响较大。这样各条出线的零序电流互感器型号与连接方式必须一致， 且其精度要较高。这种方法的最大缺点是不适应于中性点经消弧线圈接地的系统。 3 ) 、五次谐波法 电力系统由于变压器、线路设备等的非线性影响，线路电流中存在着谐波分量， 其中五次谐波含量最大，发生单相接地故障时，谐波分量还会有一定程度增加。对 于中性点经消弧线圈接地的系统，消弧线圈对五次谐波所呈现的感抗是基波的5 倍， 而线路分布电容对五次谐波所呈现的容抗却是基波的1 5 ，因此消弧线圈基本上不能 补偿五次谐波的电容电流。所以在消弧线圈接地系统中，对于五次谐波分量，依然 9 山东大学硕士学位论文 可以近似认为，故障线路的电流大小等于所有非故障线路的电流之和，方向与非故 障线路的电流方向相反。五次谐波法的一个严重不足是故障电流中五次谐波含量仅 占基波的1 0 9 6 左右，在经过渡电阻接地的情况下数值就会更小，易造成误判。 4 ) 、有功分量法 有功法的原理是线路、消弧线圈都存在对地电导，所以故障电流中含有有功分 量，且故障线路的有功分量比非故障线路大而方向相反，据此检测故障线路。m 哪 由于线路有对地电导及消弧线圈存在电阻损耗，故障电流中含有有功分量。非 故障线路和消弧线圈的有功电流方向相同且都经过故障点返回，因此利用故障线路 有功分量比非故障线路大且方向相反的特点，可选出故障线路。有功法的优点是在 中性点经消弧线圈接地的系统中可以利用零序电流基波分量中的有功分量( 故障回 路比非故障回路的有功分量大一个数量级) 。有功法的缺点是故障电流中有功分量 很小，易受零序电流过滤器中不平衡电流等因素的影响。此外，有功分量与接地点 的过渡电阻的大小有关，过渡电阻越大，则有功分量越小，故该方法对于判别高阻 接地比较困难。此法需要采集零序电压和零序电流，这就增加了成本和误判的可能。 5 ) 、消弧线圈旁加并联电阻 当发生单相接地后，若为瞬时故障，消弧线圈可以立即对电容电流进行补偿， 将残流控制在安全范围内。若是永久性故障，投入并联电阻，通过有功电流的变化 来进行选线。只要r 取得合适，就可以使流过故障点的有功电流分量达到足够大，从 而使流过该故障线路的零序电流明显增大以区别于其他非故障线路，由此即可检出 该故障线路。 因为要考虑安全，不能使接地点地电流很大，这样系统背景噪声和不平衡电流便 成为制约此法的主要因素。另外，这种方法也具有如同基波零序电流比幅比相法同 样的缺点。当然优点便是可以将各条线路的零序电流调大，其中故障线路零序电流 增量最大。 6 ) 、首半波法 首半波法的原理基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设。发生接 地后的第1 个半周期，故障线零序暂态电流与正常线路零序暂态电流极性相反。 首半波法的缺点是：1 、暂态故障电流的首半波自由分量的大小与故障瞬间的初 山东大学硕士学位论文 始电压的大小和相位有关。当初始电压在零附近时，自由分量会很小，会造成装置 据动。2 、过渡电阻的大小同样也会影响首半波自由分量的大小，使判线困难。3 、 极性关系成立的时间非常短，检测可靠性不高。 7 ) 、小波法 小波法利用暂态分量信息作为选线的依据，故障线路暂态电流数值上大于非故 障线路暂态电流，且与非故障线路暂态电流方向相反，依此进行选线。 小波法的缺点是暂态分量只在接地后的首半波出现，无法重现，而且受过渡电 阻的影响较大。 8 ) 、残流增量法 残流增量法是现在中性点经消弧线圈接地系统选用最多的方法，这种方法在中 性点经消弧线圈接地系统中有较高的选线准确性，其原理如下： 在系统发生单相接地后，采集各线路的零序电流，然后控制消弧线圈改变一档， 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，因为它等于消弧线圈调档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明了，判据不是绝对值，而是相对值，即 零序电流的增量，避免了测量回路误差及背景干扰( 其实能不能消除背景干扰还是个 需要讨论的问题，因为如果消弧线圈调档的话，相当于系统运行方式的改变，系统 运行方式变了的话，那么各种干扰也会发生改变，那么这个电流变化量中便有干扰 的存在，有干扰便会对选线产生影响) 等因素的影响，提高了灵敏度和可靠性。 这种方法的缺点便是消弧线圈的改变量是有限的，不能随意改变，这样零序电 流的增加量很小，由于随机干扰的存在，此改变量很难检测。 另外，残流增量的大小与接地点的过渡电阻大小有关。过渡电阻越大，则残留增量 越小，因此它对于高阻接地的判别还是比较困难的。 9 ) 、“s ”注入法 “s ”注入法选线原理是小电流接地系统单相接地选线问题的一个突破，它没 有利用小电流接地系统单相接地的故障量，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p t ，人为向系统注入一个特殊信号电流，用寻迹原理即通 过检测、跟踪该信号电流的通路来实现接地故障选线。“2 埘 山东大学硕士学位论文 “s ”注入法的优点如下： a 、通过接地时暂时处于空闲的接地相p 1 r 注入信号，无需增加任何一次设备， 不会对运行设备产生任何不良影响；不需要零序c t ，可以避开c t 精度的影响。 b 、注入信号具有不同于系统中任何一种固有信号的特征，对它的检测不受系统 运行情况影响；注入的信号电流仅在接地线路接地相流通，不会流向系统其它部位； c 、既适用于中性点不接地系统，也适用于中性点经消弧线圈接地系统。 d 、采用“s ”注入法原理制成的装置接线简单。 “s ”注入法的缺点如下： a 、由于各线路信号探测器的灵敏度并不一致，将会给正确选线带来困难。 b 、有的线路负荷电流中接近信号频率或反向制动频率的成分较多，易造成探测 器误动或拒动，负荷电流大时干扰更为严重，甚至无法正常工作。 c 、探头的安装位置比较敏感，探头安装位置不合适会影响判线的准确性。 d 、在电缆线路与架空线路并存的系统中，在出线长短差距较大的系统中，这种 方法极易造成误判，此外接地电阻也是制约本方法的一个主要因素。 1 5 本文主要工作 通过上一节小电流接地系统单相接地选线的分析可以看出：每种方法都有其有 效域，也就是说每一种方法都有其适用的范围，某种方法在这种情况下的使用效果 较好，在另一种情况下可能根本无法使用。所以本文提出了一种全新而有效的中性 点非有效接地系统单相接地选线方法及设备，称为可控短路选线方案。这种方法可 以有效克服现在选线方法的缺点，并且不受小电流系统单相接地短路时信号比较弱 的限制，是一种理想的选线方法。 在本文中，针对这种新型的小电流系统单相接地选线方法，我们将进行以下几 个方面的研究： 1 、分析新型小电流接地选线装置的工作原理。 2 、使用m a = n a b 软件中的s i n l u l i n k 为平台建立新型小电流接地选线装置的三 相仿真模型，检验新型小电流接地选线装置在不同接地电阻r 羽触发角度6 山东大学硕士学位论文 下的工作情况。 3 、进行新型小电流接地选线装置信号处理算法的研究，寻找一种能够有效地将 故障线路和非故障线路区分开的选线方法。 4 、使用虚拟仪器实现新型小电流接地选线装置的信号检测装置，这其中包括使 用数据采集卡实现其硬件，使用【丑b v m w 软件编写其软件。 山东大学硕士学位论文 第二章新型小电流接地选线装置分析 2 1 新型小电流接地选线装置工作原理分析 对于中性点不接地系统，当其发生单相接地时，由于接地电流较小，使得接地 线路的判定比较困难，如果在发生单相接地状况下使变压器中性点接地，就有可能 在接地线路接地相中产生比较大的电流以利于我们进行故障选线，但又考虑到不能 让这一电流太大以至于超出了保护设定的限值，所以这一电流最好是可控的，基于 这一想法，我们提出了一种全新的解决接地选线问题的方法，即对于中性点不接地 系统，将变压器的中性点经一个可控硅接地，系统正常运行时，可控硅断开，当发 生单相接地后，我们通过控制可控硅的触发角度使其短时间内导通，产生一个脉冲 电流信号，通过各条出线分流。在每条线路接地相的出线端检测这一信号，最大者 即为接地线路。考虑到如果信号太弱有可能被干扰所淹没，我们使可控硅的触发角 从零开始逐渐增大，直到在出线端能够检测到该信号为止。删哳1 新型小电流接地选线装置工作原理如下图2 1 所示： 配电网 1 4 图2 1 新型小电流接地选线装置工作原理图 山东大学硕士学位论文 2 2 新型小电流接地选线装置的优点 通过对新型小电流接地选线装置工作原理的介绍，可发现本文所提出的新型小 电流接地选线方法有如下优点： 1 、由于接地电阻碍远小于线路的对地电容c ，所以流过接地点的短路脉冲电 流比流过线路对地电容的短路脉冲电流要大的多，这种差异比单相接地故障 后每条出线间零序电流幅值上的差异要明显。 2 、由于可控硅的触发时间t 由程序控制，所以对信号的检测具有预见性，不会 像一些暂态法那样因信号扑捉不及时导致选线错误。 3 、由于可控硅的触发角6 可控，从而决定了所产生的脉冲电流信号幅值的可控， 所以即使在接地电阻较大的情况下，仍能保持被检测信号的强度。 4 、由于可控硅的触发时间t 可控，所以我们能够生成特征更加明显的信号以易 于检测，不会因背景的干扰而影响选线的准确性。 本选线装置可以在中性点非有效接地系统发生单相接地故障后，及时而准确的 进行故障选线，避免了故障进一步扩大的可能性，对电能质量的改善和供电可靠性 的提高都有着重大的意义。 2 3 短路脉冲电流分析 从下图2 2 新型小电流接地选线装置短路脉冲电流分布图中我们可以发现：晶 闸管在导通期间会在中性点与地之间形成一个短路脉冲电流，随着触发角度6 的变 化，这个短路脉冲电流的幅值和形状等特征也随着变化。这个短路脉冲电流会沿着 母线向各条线路分流，由于故障线路与非故障线路在结构和参数上的不同，短路脉 冲电流在故障线路与非故障线路上的分流是不同的。正是这种不同成为我们将故障 线路与非故障线路区分开的依据。下面我们就分别分析晶闸管导通期间在中性点与 地之间形成的短路脉冲电流的特征以及这个短路脉冲在故障线路与非故障线路问的 分配情况。 山东大学硕士学位论文 abc r 船圯l 抽。? 丕堕鱼煎， 图2 2 新型小电流接地选线装置短路脉冲电流分布图 2 3 中性点短路脉冲电流分析 在进行中性点短路脉冲电流的分析前，我们要先分析出中性点短路脉冲电流所在的 电路。 我们假设某条线路的a 相接地，那么 图2 2 中性点短路脉冲电流分析电路 +莎i一 山东大学硕士学位论文 在图2 2 中性点短路脉冲电流分析电路中妇为故障线路故障相的电感，b 为 降压变压器的电感，b 咖，为流过晶闸管的短路脉冲电流，昀为故障时a 相的电压， k 为中性点电压。在这里晶闸管两端的电压在晶闸管未导通期间为玖。 我们可以从图2 3 中性点短路脉冲电流分析图中很清晰地看到：当触发角度为 6 的晶闸管导通时，中性点电压变为零，在中性点与地之间会产生一个短路脉冲电 流。这个短路脉冲电流的左边是在晶闸管导通期间产生的，而其右边是在晶闸管关 断后产生的，两边是对称的。下面我们就来求解流过晶闸管的短路脉冲电流b 岫。 图2 3 中性点短路脉冲电流分析图 在这里a 相电压圪( f ) - 2 u 。s i n ( 耐+ 日) ，在式中巩为电力系统相电压额定 值。 在这里为了分析的方便，我们做以下假设： n 呜+ 口i ( 2 七+ 1 ) 万一6 ( 2 1 ) 在上式( 2 1 ) 中，6 为晶闸管触发角度。 有了上面的假设，根据图2 2 我们便可以推导出流过晶闸管的短路脉冲电流 ，w 跏r 的表达式。 圪( f ) = ( k + 。) 等 1 7 些丕莶兰堡主兰堡笙圣 由上式便可以得到晶闸管短路脉冲电流场岍一的表达式： h 一粕i n ( 一州刎 一焉 酬峨叫一( 耐训】 - ：i 丢 s ( ( 2 七+ ) 万一6 ) 一。s ( 耐+ 口) 】 - i 己兰丽【一c o s ( 一c o s ( 甜+ ( 2 2 ) 由图2 2 中性点短路脉冲电流分析电路可以看出：晶闸管短路脉冲电流b ，硫。， 在玖改变符号时取得最大值。 由式( 2 1 ) 可以得出当耐+ 口一( 丝+ 1 ) 石时，晶闸管短路脉冲电流奶 一取 得最大值。即： - 黝访( 一州折) - 二i i s ( n 赡+ 口) 一c o s ( 耐+ 口) 】 一= r 兰兰弩2 了【c o s ( ( z 七+ - ) 万一6 ) 一c o s ( ( 放+ t ) 石) 】 - 器【1 】 ( 2 s ) 这样由式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 我们便可以得到晶闸管短路脉冲电流，聊m ，的形 特和斯信设烙柏井们棒下凄的仆圻辊世船女的古何 2 3 2 中性点短路脉冲电流的分流 在上一节中我们分析了晶闸管短路脉冲电流j 刀m 一，接下来我们就将分析晶闸 管短路脉冲电流，珊h 一在各条线路上的分流情况。 山东大学硕士学位论文 我们知道，当电力系统发生单相接地短路故障时，接地相与非故障相在结构上是 不同的。具体的不同如下图2 4 所示。正是由于这种不同，使得晶闸管短路脉冲电 流b 砸：在各条线路各相上的分流是不同的，同样也正是由于这种不同为我们提供 了将故障线路与非故障线路区分开来的依据。下面我们就来分析晶闸管短路脉冲电 流啊州。在故障线路与非故障线路上的分流。 下图2 4 为故障线路故障相与非故障相的电路图，其中图( a ) 为故障线路故障相的 电路图，而图( b ) 非故障相的电路图。有了这两个电路图。我们便可以进行晶闸管 短路脉冲电流b 。在故障线路与非故障线路上分流的分析。 下面我们就来分析求解晶闸管短路脉冲电流j 砌啪，在故障线路与非故障线路上 的分流情况，也就是我们要通过图( a ) 故障线路故障相的电路图和图( b ) 非故障相的 电路图来求取晶闸管短路脉冲电流b ih 。在故障线路与非故障线路上的分流公式， 然后通过对公式进行分析来分析故障线路故障相与非故障线路故障相的短路脉冲电 流的不同之处，而这也将成为我们将故障线路与非故障线路区分开来的依据。 ( a ) 故障线路( b ) 非故障线路 c 图2 4 故障线路故障相与非故障相的电路图 设在中性点对地电压极性由正到负过零之前以6 角度触发可控硅导通，则图中： u - y s i n ( “+ 石一d ) ，其中中性点对地电压为：y s i n ( “+ 石一6 ) 对于故障线路： i 扣。加d 一f = = = = = 三= 言= 亨【s i n ( n f + 万一6 一吼) 一p vs i i l ( d + b ) 】 、( 几+ r ，) 2 + 也 1 9 山东大学硕士学位论文 对于非故障线路： - 。面者霸陋栅小蚴叫叫厨咖 4 和 其中： 瓦一础s ，z c 一( c ) 。1 岛一t a n - 1 k 吐_ ( 凡+ r ，) 】，一2 - t a n 1 【( n 也s 一( n c ) 1 ) 凡】 彳一血 + 蚴，丑l 与砌c o s + 哟+ f ：咖 + 蚴一尘掣s i i i 礼 q 半 鼍加压一白2 这样我们便分别得到了晶闸管短路脉冲电流岛州一在故障线路与非故障线路上 的分流公式，下面我们就分别对这两个公式进行分析。 f- 丽焉霄陋n ( 叭加扎叫飞砸删 i - 。再老虿褂加扣咿厨咖卸咖。1 和 我们注意到：在m 与k 的数学表达式中由于有关系比墨所以 - 7 焉2 i i 手亏_ 7 吾亍i 零2 而，也就是说删的幅值远远大于 ( b + r ，) 2 + 邑2r 2 + ( j 。一x c ) 2 。一一一 | 嗍。加d 的幅值。我们还可以发现：在f ，删捌中p 吖的系数为常数，而在k 删中e 一珂 的系数为以仃为角频率的正弦函数，这就说明了帕删的变化要比f 细删的变化快 得多。 在上面我们通过对i 扫出d 与删的数学表达式的分析得出了捌与屯咖。删 的特点，为了更加直观的反映出f 向。删与毛咖。删的特点及其相互关系，图2 5 利用 m 棚a b 软件中的s i i l m u l i l i k 仿真程序做出了晶闸管短路脉冲电流，西。锄，与故障线 路故障相短路脉冲电流f ，埘“甜以及非故障相短路脉冲电流乙向删的相瓦关系。 山东大学硕士学位论文 图2 5 中性点短路脉冲电流电流分流情况为接地电阻r g 为5 0 0 q ，触发角度6 为 1 0 度时的仿真图形。 图2 5 中性点短路脉冲电流电流分流情况 从上图2 5 中性点短路脉冲电流电流分流情况中可以很清楚地看到：中性点短 路脉冲电流主要流向故障线路故障相，而在非故障相路故障相和其它相的分流很小。 故障线路故障相短路脉冲电流与非故障相路故障相在幅值和频率上相差很大，也就 是说他们在形状上大不相同，这也为我们进行故障选线提供了方便。 山东大学硕士学位论文 第三章新型小电流接地选线装置的m a t l a b 仿真 3 1 新型小电流接地选线装置三相仿真模型的建立 在上一章中，我们详细介绍了新型小电流接地选线装置的构成和工作原理，但 这只是理论上的分析，为了验证其实际使用效果就必然要进行仿真，仿真也是在进 行动模实验前必须进行的。 在此我们的仿真平台选为m 棚a b 软件的s i 螂l i l l k 仿真程序，这主要是因为 m 棚a b 软件强大的数学运算功能。 要进行仿真就要建立仿真模型，仿真模型的建立要坚持真实、合理的原则，即 仿真模型必须要能够真实地反映实际系统。于是为了进行新型小电流接地选线装置 的仿真试验。我们就必须要建立新型小电流接地选线装置的三相仿真模型。新型小 电流接地选线装置的三相仿真模型的建立必须要依据实际的1 0 k v 小电流系统进 行。下面我们就来建立新型小电流接地选线装置的三相仿真模型。 系统负荷 i 。： abc 月胁l ，沁：己删 ： = 图3 11 0 k v 小电流接地系统分布图( 中性点经晶闸管接地) 山东大学硕士学位论文 上图3 1 为中性点经晶闸管接地的1 0 l ( v 小电流接地系统分布图。这是真实的 系统分布情况，我们的新型小电流接地选线装置的三相仿真模型便可以以此为蓝本 进行建立 从图3 1 可以看到，我们要进行仿真的参数主要有以下几个：系统电源的仿真、 系统阻抗的防真、线路参数的仿真、负荷的仿真。下面我们就具体来分析这几个参 数： l 、系统电源的仿真：在这里我们以电压源来仿真系统中的发电机，我们定义 邑= 压b 跏( 们) 、赢= 拒赫( 埘j 2 口。) 、忘= 孤协( 州+ j 2 d 。) ，其中u 为1 0 k v 电力线路的额定相电压。 在本文所设计的仿真电力系统当中，有幺- 8 1 6 5 盯y 、毛- 8 1 6 5 二1 2 0 。y 、 k = 8 1 6 5 厶2 旷y 7 2 、系统阻抗的仿真：系统电抗i 篇。 在本文中，有系统电抗置嗍。生雩生。在本系统中，因为为1 。k v 线路，所 以系统的线电压即为l o k v ，而系统的短路容量s 根据规定可选为3 0 m v a ，有了系 统线电压和短路容量，我们便可以求出系统电抗石。有了系统电抗j 。我们便 可以根据公式一。兰孑求出系统电感b 。，在上式中为系统基波角频率。在 这里我们求出的系统电感k 。o 0 1 0 6 h 。 3 、线路参数的仿真：在这里我们将仿真l o k m 输电线路，电力系统的线路参数 主要有线路电阻民。、线路电感。、接地电容c o 。在这里我们作如下假设： j 一o 4 5 n 、上- 1 1 7 1 0 4 乡厶、c o - & 9 1 0 9 勿乙，这样我们假设我们的输 电线路长度为1 0 k m ，于是我们便可以得到长度为1 0 l ( i l l 的输电线路的参数为： 喝ki4 5 q 、e 一1 1 7 1 0 _ 2 月、c ：_ 9 1 0 8 ，。 4 、负荷的仿真：1 0 k v 线路，每条线路输送能力为0 2 2 m w ，取1 2 m w ，设负 山东大学硕士学位论文 荷为z b d 一尽捌+ j 瓦州。另外，在此我们去负荷的功率因数为o 8 ，有功功率的表 达式如下式所示： p 面c o s 驴。善c o s 妒 ( 3 1 ) 厶 在上式中，【，为线电压。 这样，通过式( 3 1 ) ，我们便可以求出负荷z 埘- j k d + j 瓦删一6 6 7 q ，于是 我们便可以得到- 5 3 3 q 、上细一0 1 ”日。 经过上面的分析我们便可以得到建立新型小电流接地选线装置的三相仿真模型 所需要的全部参数，于是接下来我们便可以利用m 棚a b 软件中的s i m u l i n k 中的 s i n l p o w e f s v s t 锄s 组件建立新型小电流接地选线装置的三相仿真模型。新型小电流 接地选线装置的三相仿真模型如下图3 2 所示。 图3 2新型小电流接地选线装置的三相仿真模型( 以m 枷a b 软件的 s i m u l i n k 为平台) 山东大学硕士学位论文 3 2 新型小电流接地选线装置三相仿真模型的分析 在上一节中，我们建立了新型小电流接地选线装置的三相仿真模型，接下来我 们就来利用这个模型来对新型小电流接地选线装置进行分析。 在前面已经说了，我们要利用中性点短路脉冲电流在故障线路和非故障线路上 分流的不同进行选线，那么在新型小电流接地选线装置的三相仿真模型中我们就要 将这几个量仿真出来，包括在不同条件下的变化情况。 在新型小电流接地选线装置的三相仿真模型中我们可以得到各种各样的仿真 量，那么下来就来分析一下在新型小电流接地选线装置的三相仿真模型中我们必须 要进行分析的量，以及改变这些量的条件。 在新型小电流接地选线装置的三相仿真模型中我们必须要进行分析的量有：中 性点电压、中性点短路脉冲电流、故障线路故障相故障前和故障后的电流和非故障 线路故障相故障前和故障后的电流、故障线路故障