（电力系统及其自动化专业论文）基于暂态特征的小电流接地系统单相接地选线研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a o t n e u t r a li n d i r e c t l yg r o u n d e ds y s t e m ，i n c l u d i n gn e u t r a ln o n g r o u n d e ds y s t e m a n dp e t e r s e n c o i lg r o u n d e ds y s t e m ，a r ew i d e l yu s e di nm vd i s t r i b u t i o n p o w e r s y s t e mi nc h i n a t h es i n g l e - p h a s e t o g r o u n df a u l th a p p e n sm o s tf r e q u e n t l yi n d i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h e r ei sn os h o r tc i r c u i tl o o pw h e n s i n g l e - p h a s e f a u l to c c u r s ， s ot h es m a l lc u r r e n tj u s tf o l l o w si n t oc a p a c i t yg r o u n d d u et ot h es m a l lf a u l t c u r r e n t , u n o b v i o u sf a u l tf e a t u r e s ，t h ec o m p l e xf a u l tc i r c u m s t a n c e sa n dt h ev a r i o u s s y s t e mr u nm o d e ，t h ep r o b l e mo ff a u l tl i n ed e t e c t i o nh a s h tb es e t t l e d s o m e l i m i t a t i o n sa l s oe x i s ti nf a u l tl i n ed e t e c t i n gm e t h o d su s e di np r a c t i c e f o rt h es a k eo fl e a r n i n gm o r ee f f i c i e n tw a yt od e t e c tf a u l tl i n e ，s t a b l ea n d t r a n s i e n tf j a n i r e so fs i n g l e - p h a s e - t o g r o u n df a u l ti nn e u t r a li n d i r e c t l yg r o u n d e d s y s t e m a r e d e e p l ya n a l y z e d i nt h i s p a p e r t h e r ea r em a n yh i 曲f r e q u e n c y c o m p o n e n tf e a t u r e si nt r a n s i e n tf a u l tz e r os e q u e n c ec u r r e n t s ，a n dt h e yc o u l db e u s e dt od e t e c tf a u l tl i n e t h i sp a p e rp u tf o r w a r dan o v e lf a u l tl i n ed e t e c t i o nm e t h o db a s e do np r o n y a l g o r i t h m p m n ya l g o r i t h mi sam e t h o di nw h i c has e to fl i n e a rc o m b i n a t i o no f e x p o n e n t i a lc o m p o n e n t sw e r eu s e dt of i tt h eu n i f o r m l y s p a c e ds a m p l i n gd a t a ，s o t h ea m p l i t u d e ，p h a s e ，d a m p i n g ，a n df r e q u e n c yo ft h es i g n a lc a nb ea n a l y z e d t h e m e t h o du s e st h ep r o n ym e t h o dt oa n a l y z ea n dt r a n s f o r mt h ef a u l tz e r os e q u e n t c u r r e n t p r o n ya l g o r i t h mc o u l db ea d o p t e dt oa b s t r a c tt h ei n f o r m a t i o na b o u tt h e h a r m o n i cc o m p o n e n to ff a u l tz e r os e q u e n c ec u r r e n tb yf i tt oas e to f e x p o n e n t i a l c o m p o n e n t s i t c a na b s t r a c tt h eh a r m o n i c c o m p o n e n t s o fz e r oc u r r e n t s s e l f - a d a p t i n g t h e nt h ef a u l tl i n ec o u l db ed e t e c t e db yc o m p a r i n gt h ea m p l i t u d e a n dp h a s eo ft h e m t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e dm e t h o dc a nd e t e c tt h ef a u l tl i n er e l i a b l ya n de x a c t l y t h ea b r u p tc h a n g ea n dt h et r a n s i e n tf e a t u r e so fz e r oc u r r e n t sa r eu s e f i l l i n f o r m a t i o nf o rl i n ed e t e c t i o n i nt h i s p a p e r , t h em o r p h o l o g i c a lf i l t e r i n go f m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g yw a su s e dt of i l t e rt h ez e r o s e q u e n c ec u r r e n t t h e 堕堕窒塑杰兰堕主堡窭皇兰篁堡塞蔓! ! ! 里 s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dc a ne n h a n c et h e a b r u p tc h a n g ea n d t r a n s i e n tf e a t u r e sa n dw e a k e nt h es t a b l ef e a t u r e t h ef a u l tf e a t u r e so f z e r os e q u e n t c u r r e n t sa r em o r eo b v i o u sa f t e rf i l t e r i n g ，s oi ti sb e n e f i c i a lt of a u l tl i n ed e t e c t i o n k e yw o r d s ：n e u t r a li n d i r e c t l yg r o u n d e ds y s t e m ； s i n g l ep h a s ef a u l tl i n ed e t e c f i o mt r a n s i e n tf e a t u r e ；p r o n ym e t h o d m o r p h o l o g i c a lf i l t e r i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 电能是现代社会应用最广泛的二次能源。从1 8 3 1 年法拉第发现电磁感应 定律，到1 8 7 5 年巴黎北火车站发电厂的建立，从伦敦最早的交流电力系统， 到当今世界上最庞大最复杂的电力系统，电力系统的规模越来越大，复杂性 越来越高，自动化程度越来越高，与社会生产和人民生活关系越来越密不可 分。随着社会的进步，对电能的依赖性越来越高，为确保社会生产生活的正 常运行，对电力系统可靠性和电能质量的要求也越来越高。 电力系统是生产、输送、分配、消费电能的各种用电设备组成的统一整 体。电能由发电厂发出后，通过各级变电所经高压输电网送到电力用户侧， 然后经配电网供给用户。一般来说，1 i o k v 及以上电压等级网络属于输电网， 6 6 6 k v 电压等级属于配电网。在我国，为保证供电的可靠性，配电嘲一般采 用中性点不接地或者中性点经消弧线圈接地的工作方式，因其发生接地故障 时，流过接地点的电流小，一般称之为小电流接地系统，或者称为中性点非 有效接地电网】。 当小电流接地电9 嘲发生单相接地故障时，不形成短路回路，只是经线路 对地电容形成小电流通路，接地点故障电流小，三相线电压仍然对称，不影 响对负荷的正常供电，因而不必立即跳闸，规程规定可以继续运行1 2 小时。 由于配电网的绝大部分故障为单相接地故障，所以小电流接地系统的这种运 行方式可以极大地提高供电的可靠性。但此时非故障相对地电压将会有不同 程度的提高，特别是当金属性接地时非故障相对地电压升至原来电压的3 倍，而且间歇性弧光接地可能引起电弧接地过电压，很容易在电网的绝缘薄 弱处发生另一点对地击穿，导致两相或三相短路故障的发生，会造成设备的 损坏，扩大了接地故障的范围和严重程度，极大地影响着配电网供电的安全 性。因此，当系统发生单相接地故障时，一般要求继电保护能有选择性的发 出信号，表明有单相接地的发生并且选出故障线路和确定接地点的位置，以 便于进一步采取措施。此外，尽快找到故障线路，排除故障对于配电网综合 自动化水平的提高有重要的意义i j 】。 小电流接地电网单相接地故障时由于故障电流小，故障特征不明显，因 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 而提高了供电可靠性，但也正是由于这一特点，加上故障情况复杂，系统运 行方式多样等原因，有时给选出故障线路带来很大困难。为此，国内外的科 研工作者对小电流接地系统发生单相接地故障时的故障机理及选线判据做了 大量的研究，提出了很多选线方法。这些方法的研究和工程应用，对于推动 选线技术的发展产生了积极的意义和深远的影响。但从目前小电流接地选线 装置的运行来看，选线正确率低，很多地区选线装置退出率达到9 0 以上， 这充分说明了故障选线问题的复杂性【4 j 。 1 2 小电流接地方式 在电力网络中，电力系统的中性点接地方式指的是变压器星型绕组中性 点与大地的电气连接方式。这一方式对于系统运行、绝缘、继电保护等各方 面都有着决定性的影响，不同电压等级的电网决定着不同的中性点接地方式 1 , 2 , 5 - 1 0 。由于对各种电压等级电网的运行指标的要求目益提高，中性点接地方 式的正确选择及其在不同条件下的实施就具有越来越重要的实际意义，是电 力系统实现安全与经济运行的技术基础。在选定方案的决策过程中，应结合 系统的现状和发展规划进行技术经济比较。 电力系统按中性点接地方式可划分为两大类：大电流接地方式系统和小 电流接地方式系统。大电流接地方式包括中性点直接接地和中性点经低阻接 地，又称为中性点有效接地系统；小电流接地方式包括中性点不接地、中性 点经消弧线圈接地和中性点经高阻接地，又称为中性点非有效接地系统。 对于1 1 0 k v 及以上的高压和超高压电力系统，绝缘费用在设备总价格中 占相当大比重，因而必须考虑限制工频电压升高和瞬时过电压。所以一般采 用中性点有效接地方式即大电流按地方式，而采用其它措施提高供电可靠性。 对于1 1 0 k v 以下的中压电力系统，设备的绝缘受经济因素的制约作用相 对较小，降低绝缘水平成为一个相对次要的因素，主要矛盾则转化为单相接 地故障电流的危害性，包括供电可靠性，人身设备的安全性，以及对通信的 干扰等问题。此时小电流接地方式显示出其优点，所以中压配电网接地方式 的选择一般采用小电流接地方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 _ 2 1 中性点不接地方式 在这样的系统中，变压器中性点悬空，与大地完全没有电气连接。当这 种系统发生单相接地故障时，通过线路对地电容构成故障回路。流经接地点 的电流主要是电容电流，接地电流的大小取决于变电所出线的类型和长度， 由于没有任何感性电流的补偿，接地电流有可能会较大，特别是出线较多， 线路长度较长，或者包含大量电缆线路( 电缆要比同样长度架空线的电容电 流大2 5 倍5 0 倍) 的变电所，接地的容性电流会达到几十安培甚至上百安培， 给系统的安全带来隐患。这种接地方式主要应用在变电站出线以架空线为主、 对运行的可靠性要求较高而系统的对地电容较小的系统中。 中性点不接地方式的优缺点是： 1 ) 供电可靠性较高。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。 2 ) 人身及设备的安全性较好。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。 3 ) 电网对地电容中储存的能量没有释放通路，易产生弧光接地过电压。 4 ) 在一定条件下，因倒闸操作或故障，易引发线性谐振或铁磁谐振。 1 2 2 中陛点经消弧线圈接地方式 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，必须采用中性点经消 弧线圈接地的方式运行。消弧线圈是具有一定容量的单相电感线圈，一般是 一个带铁芯的扼流线圈，外形类似变压器，它接在变压器的中性点与大地之 间，构成另个回路，使接地点接地相电流中增加了一个感性电流分量，它 和流过接地点的容性电流分量相抵消，大大减小了接地点的电流，使电弧易 于自行熄灭，不易重燃，从而限制了单相电弧接地过电压，提高了供电可靠 性。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，因此，这种接地方式得到了广泛的应用。 该种接地方式的优缺点是： 1 ) 在系统发生单相接地故障时，流过接地点的电流较小，一般允许电网 带故障继续运行l 2 小时。 2 ) 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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 3 ) 由于接地点残流很小，且消弧线圈处于过补偿状态，接地线路和非接 地线路流过的零序电流方向相同，无法利用零序电流方向检测出故障线路。 1 2 3 小电流接地方式的性能 ( 1 ) 可提高系统供电可靠性 电力系统的运行经验表明，单相接地故障绝大多数是瞬时性电弧接地故 障( 对于架空线路约占单相接地故障的9 0 ，电缆线路约占3 0 以上) ，小 电流接地方式电网大部分接地电弧瞬间可以自行熄灭，能把供电可靠性提高 到一个相当高的水平上，也就是说对于电弧接地故障，基本上可以不需要继 电保护和断路器动作，在系统和用户几乎无感觉的情况下，接地电弧自动熄 灭，保证系统连续供电。对于永久性单相接地故障，可以允许电网在一段时 间内带故障运行。 ( 2 ) 有利于人身安全 小电流接地电网由于接地电流小，很多故障不能维持，瞬间即可自行消 除。对于永久性单相接地故障因接地点电流小，接触电压和跨步电压均很低， 一般没有危险。 大电流接地系统发生单相接地故障时，在断路器跳闸之前，由于接地故 障电流很大，在故障点和接地点附近可能形成危险的跨步电压和接触电压， 若线路故障后要求能够迅速跳闸。 ( 3 ) 有利于设备安全 小电流接地方式可以减少对一次设备频繁的短路电流冲击，减少断路器 和继电保护的动作次数，降低保护误动、拒动的概率以及运行人员的误操作 概率，减轻设备的运行维护与检修工作量等。对电网和电力设备可起到不同 程度的保护作用。 ( 4 ) 存在过电压的不利影响【l i 】 中性点不接地系统电流互感器与线路容易产生铁磁谐振，谐振过电压叮 能达到3 5 倍左右，但由于中压配电网的绝缘配合中，起主要作用的是大气 过电压与避雷器的保护水平，所以降低操作过电压水平对降低系统的绝缘水 平影响不大。 综合上述分析，中性点采用小电流接地方式仍是一种典型的有竞争力的 接地方式，不会被大电流接地方式取代。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 国内外研究现状 国外对小电流接地保护的处理方式备不相同。前苏联采用中性点不接地 方式和经消弧线圈接地方式，其保护原理从过流、无功方向发展到了群体比 幅。口本采用高阻抗接地方式和不接地方式，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实现选线；电阻接地系 统采用零序过电流保护瞬间切除故障线路。德国多使用中性点经消弧线圈按 地系统，井于上世纪3 0 年代就提出了反映接地故障开始时暂态过程的单相接 地保护原理。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。 加拿大公司研制的微机式接地故障继电器也采用了零序过电流的保护原 理，其软件算法部分采用了沃尔什函数，以提高计算接地故障电流有效值的 速度n “。上世纪9 0 年代初，国外己将人工神经网络应用于保护并有文献提到 应用专家系统方法。 存我国，单相接地保护原理研究始于上世纪五 _ 年代，提出了多种选线 方法，并开发出了相应装置 4 , j 3 4 6 1 。已经提出的选线方法均以零序电压来启动 保护或选线装置，根据是否利用故障电流把它们分成两类，第一类：如比幅 法、比相法、群体比幅比相法、首半波法、谐波电流方向法、五次谐波分量 法、有功分量法、能量法、还有近年出现的负序分量法、应用小波分析、最 大( ，s i n 舻) 原理、模糊推理或模式识剐柬实现故障选线的多种方法；第 二类：如拉线法、注入信号踪法。随着选线理论的发展，各种选线装置也 相继问世，上世纪5 0 年代末我国就利用接地故障暂态过程研制成功了选线装 置，8 0 年代中期又研制成功了微机接地选线装置，到目前为止，基于上述不 同选线理论已经先后推出了几代产品。本世纪以来。选线技术的研究集中在 利用不同的故障信息和对故障信息的处理方法t 。 1 4 现有选线算法分析 传统的选线方法是通过装设在母线上的零序电压互感器来检测是否发生 单相接地故障，若有接地故障，则靠值班人员逐条出线顺序拉闸停电来确定 故障线路，然后转移负荷，退出故障线路，这种方法虽然可保证正确性，但 故障线路，然后转移负荷，退出故障线路，这种方法虽然可保证正确性，但 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 国内外研究现状 国外对小电流接地保护的处理方式各不相同。前苏联采用中性点不接地 方式和经消弧线圈接地方式，其保护原理从过流、无功方向发展到了群体比 幅。日本采用高阻抗接地方式和不接地方式，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实现选线；电阻接地系 统采用零序过电流保护瞬间切除故障线路。德国多使用中性点经消弧线圈接 地系统，并于上世纪3 0 年代就提出了反映接地故障开始时暂态过程的单相接 地保护原理。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了零序过电流的保护原 理，其软件算法部分采用了沃尔什函数，以提高计算接地故障电流有效值的 速度p 2 。上世纪9 0 年代初，国外已将人工神经网络应用于保护并有文献提到 应用专家系统方法。 在我国，单相接地保护原理研究始于上世纪五十年代，提出了多种选线 方法，并开发出了相应装置1 4 j ”j 。已经提出的选线方法均以零序电压来启动 保护或选线装置，根据是否利用故障电流把它们分成两类，第一类：如比幅 法、比相法、群体比幅比相法、首半波法、谐波电流方向法、五次谐波分量 法、有功分量法、能量法、还有近年出现的负序分量法、应用小波分析、最 大( s i n 驴) 原理、模糊推理或模式识别来实现故障选线的多种方法；第 二类：如拉线法、注入信号跟踪法。随着选线理论的发展，各种选线装置也 相继问世，上世纪5 0 年代末我国就利用接地故障暂态过程研制成功了选线装 置，8 0 年代中期又研制成功了微机接地选线装置，到目前为止，基于上述不 同选线理论已经先后推出了几代产品。本世纪以来，选线技术的研究集中在 利用不同的故障信息和对故障信息的处理方法上。 1 4 现有选线算法分析 传统的选线方法是通过装设在母线上的零序电压互感器来检测是否发生 单相接地故障，若有接地故障，则靠值班人员逐条出线顺序拉闸停电来确定 故障线路，然后转移负荷，退出故障线路，这种方法虽然可保证正确性，但 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 速度慢且对供电可靠性极为不利。后续提出的多种故障选线原理，按照所用 电气量，可分为利用注入信号和故障信号两类。其中利用故障信号的方法又 可分为利用故障信号稳态量和暂态量两类。从另一个角度进行分类，可以把 选线方法分为利用零序电流分量的选线技术和不利用零序电流分量的选线技 术 1 5 - 1 8 。 1 4 1 利用零序分量的选线技术 现有的选线技术绝大部分是利用零序电流分量进行选线，主要有：零序 电流比幅法、比相法、群体比幅比相法、五次谐波法、有功分量法、能量函 数法、零序导纳法、电流突变量法、首半波法、小波法。其中，首半波法、 电流突变量法和小波法利用暂态信号，而其余方法利用稳态信号。需要说明 的是，零序分量严格说来只能针对稳态信号，本文所说的零序暂态信号表示 的是三相暂态信号之和。 ( 1 ) 零序电流比幅算法 这种方法适用于中性点不接地系统。当中性点不接地系统发生单相接地 故障时，流过故障线路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，因而故障线路上的零序电流最大，通过零序电流幅值大小的比较就 可以找出故障线路。在具体实现上，通常采用“绝对整定值”原理，即利用 零序电流j 。与某一整定值，：做比较，整定值：一般大于系统内任何一条出线 的电容电流值，如果厶小于整定值t ，极化继电器不动作：如果。大于整定 值，则极化继电器动作，信号显示该回路的编号，选线完成。 这种方法在理论上是不完备的，因为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。在这种情况下，当这条线路发生接地 故障时，就会出现拒动的情况。这种方式为单- - ：n 据方式，不能排除电流互 感器不平衡的影响，它受系统运行方式、线路长短、过渡电阻大小等许多情 况的影响，从而导致误选、多选或漏选，不能满足系统运行多变的情况。 ( 2 ) 基波群体比幅比相澍1 蛇1 基波群体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他线路 不同，则其为故障线路；如果所有零序电流同相位，则为母线故障。该方法 还引入零序电压作为参考正方向。理论分析和实践证明，零序电压幅值大， 波形稳定，因而以其作为参考正方向，保证了参考正方向的稳定性。这种方 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 法突破了原有的传统的保护原理，充分利用了故障信息之间的联系，将孤立 的故障信息进行融合比较，大大提高了选线的正确性。该方法是中性点不接 地系统的常用选线方法，被大多数选线装置所采用。但是当线路较短或者经 大电阻接地时，零序电流幅值很小，噪声及零漂干扰严重，如果不采用有效 的滤波手段，零序电流的幅值和相位误差将很大，导致选线错误。这种方法 对于中性点经消弧线圈接地系统也无能为力。 ( 3 ) 无功功率方法 无功功率方法也是比较传统的方法，在欧洲应用较为广泛。这种方法是 通过计算各条线路的容性无功功率来判断是哪条线路发生了故障。这种方法 也是利用了容性电流的幅值与方向，所以从本质上讲，无功功率法和比幅比 相方法同出一辙，两者的优缺点是一致的。 ( 4 ) 五次谐波分量法【1 9 】 对于中性点经消弧线圈接地系统，基波零序电流的比幅比相法由于消弧 线圈的补偿作用而失效。必须寻找其它的选线方法，五次谐波分量算法的提 出在一定程度上解决了中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障的选线问 题。电力系统由于变压器、线路等设备的非线性影响，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 定程度的增加。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，零序电流五次谐波分量在中性点经消弧线圈接地系统中有着 与中性点不接地系统中零序电流基波分量相同的特点，再利用比幅比相原理 即可解决中性点经消弧线圈接地系统的选线问题。但是五次谐波的含量占基 波的比例很小，且考虑到负荷中的五次谐波源、电流互感器的不平衡电流和 过渡电阻的大小，都会在一定程度上影响选线的准确性。 ( 5 ) 有功分量法、能量函数法阮玎l 及零序导纳法口4 3 5 】 对于中性点经消弧线圈接地系统，消弧线圈不能补偿零序电流有功分量， 当发生单相接地故障时，提取各条线路的零序有功分量。非故障线路的零序 有功分量方向是由母线流向线路，大小等于线路本身的有功损耗电流值：故 障线路的零序有功分量方向是由线路流向母线，大小等于非故障线路的零序 有功分量和消弧线圈的零序有功分量之和。当母线故障时，所有线路的零序 有功分量都等于线路本身的有功损耗电流值，方向是由母线流向线路。利用 各条线路零序有功分量的相对大小和相位关系就可以确定故障线路或者母线 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 故障。 从原理上可见，有功分量方法有效地克服了消弧线圈补偿带来的影响： 并且，在消弧线圈存在的情况下，故障线路的零序有功分量的大小比中性点 不接地时更大，故障特征更明显，更利于选线。 但是，由j 二线路的有功损耗相对较小，因此有功分量算法的故障信息同 样不够突出；受c t 不平衡、线路长短、过渡电阻大小的影响也较大。并且， 由于三相电容不平衡引起的“虚假有功电流分量”对有功分量算法的影响也 较大。 能量函数法通过计算能量函数e = ( t ) 厶( 七) 的值来体现有功分量的 t 大小和方向，实际上是对有功分量进行累加。 零序导纳法定义零序测量导纳为零序电流与零序电压之比，通过分析各 条线路零序测量导纳在导纳相量平面上的分布确定故障线路，该方法实质上 是用线路零序测量导纳来描述零序电流的有功分量。这3 种方法通过不同的 方式对零序电流有功分量进行描述，因此本质上是一样的。 利用零序电流有功分量选线可以利用幅值较大的零序基波电流，这是一 个优点。但不足之处在于如果线路及消弧线圈的电阻低，则零序电流的有功 分量较小，容易造成误选：此外，对于利用三相电流互感器并联获得零序电 流的系统，该方法受三相电流互感器不平衡的影响较大。 ( 6 ) 电流增量法州 目前，手动调谐的消弧线圈己经逐步被自动调谐消弧线圈所取代，自动 调谐消弧线圈能够跟踪系统对地电容以调整其大小，正常情况下消弧线圈处 于过补偿1 5 的状态，发生接地后自动调谐到全补偿状态，减小接地电流。 电流增量法利用调谐前后的零序电流变化进行选线，首先将调谐前后的零序 电流折算到一个电压，然后比较各条线路的零序电流变化量，变化量最大的 就是故障线路。 ( 7 ) 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，故障线路零序暂态电流与正常线路零序暂态电 流极性相反。但当电流的暂态分量值很小时，易引起极性误判。 ( 8 ) 小波法1 2 6 - 3 2 1 针对稳态时故障信息不明显的问题，人们提出利用有较大突变的暂态信 息作为故障信号的选线算法。这其中主要采用的是小波分析，故称为小波算 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 法。小波分析是一种现代信号处理理论与方法，它能有效地分析变化规律不 确定和不稳定的随机信号，能够从信号中提取到局部化的有用成分。小波变 换具有时频聚焦特性，对于非平稳信号具有比傅里叶变换更好的分析效果。 小波法利用小波变换提取故障暂态信号的特征量进行故障选线。选用合 适的小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后，得到故障线路上暂 态零序电流特征分量的幅值高于非故障线路，且其特征分量的极性也与非故 障线路相反的关系，从而实现选线。由于小电流接地电网单相接地故障等值 电路是一个容性通路，故障的突然作用在电路中产生的暂态电流通常很大： 特别是发生弧光接地故障或间歇性接地故障的情况下，暂态电流含量更丰富， 持续时间更长。 小波选线方法的优点是：对中性点不接地和中性点经消弧线圈接地的电 网都适用；特别适应于故障状态复杂、故障波形杂乱的情况，与稳态量选线 方法形成优势互补。 小波法选线技术的难点在于小波基函数及小波分解尺度的选择。另外， 由于暂态信号受过渡电阻、故障时刻等多种因素的影响，暂态信号呈随机性、 局部性和非平稳性的特点，有可能出现暂态过程不明显的情况，如果接地电 阻过大，暂态电流的高频分量过小，易发生误选。在这种情况下小波算法就 要和其它方法联合使用。 ( 9 ) 暂态信号与稳态信号选线技术的比较 虽然零序暂态信号的幅值比稳态信号大，信噪比高，但是通过对大量现 场故障录波数据分析发现，利用零序暂态信号的首半波法和小波法的应用效 果并不理想。其原因在于，目前的选线装置都是利用零序电压越限启动选线 程序，而很多故障都是渐进过程，故障的最初暂态过程发生一段时间后零序 电压才越限，这时记录的波形已不满足暂态信号选线的前提。另外，只进行 1 次选线存在误选的可能性。 目前，大多数选线装置采用了利用稳态数据进行选线的方法，效果要优 于其他方法。利用稳态数据选线的最大优点在于能够充分利用故障持续过程 中的所有故障信息进行连续选线，例如故障发生后每隔l s 重复选线，即使发 生少数几次误选，但仍可以保证故障线路的选中率最高。利用稳态数据的缺 点在于有用信号的含量可能很低，导致信噪比过低而发生误选。针对这一缺 点有2 种改进途径：一种是设计更好的硬件结构进行滤波滤除噪声；另一种 是利用软件的方法通过各种滤波算法( b u a e r w o r t h 滤波、自适应滤波等) 进 行消噪处理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 传统观点认为，接地故障发生后先经过暂态过渡过程( 1 个或2 个周期) ， 然后进入稳态。但是根据现场录波数据分析，暂态过程和稳态过程并不是按 照时间严格区分。例如对于经常发生的电弧接地，故障发生相当长时间后波 形依然表现为连续的暂态振荡过程，此时应用小波法进行选线，其效果明显 好于群体比幅比相法和五次谐波法。 1 4 2 不利用零序分量的选线技术 除了利用零序分量的选线方法，很多专家提出了不利用零序分量的选线 方法，包括负序电流法和“s ”信号注人法。 ( 1 ) 负序电流法 3 3 , 3 4 单相接地后，故障点产生负序及零序电流，零序电流以所有线路为回路， 而负序电流仅以故障线路为回路，因此文献【3 4 】提出利用负序电流判断故障线 路。但是负序电流受负荷不平衡影响很大，而配电网的不平衡度通常很高， 所以负序电流法容易发生误判。目前，尚没有利用负序电流选线的实际产品 投人使用。 ( 2 ) 信号注入法m 1 信号注入法突破了长期以来使用故障产生信号选线的框架，不利用故障 产生的信号，而是向系统注入外部信号进行选线。一般从电压互感器二次侧 注入电流信号，其频率取在各次谐波之问，从而保证不被工频分量及高次谐 波分量干扰。注人电流信号沿接地线路的接地相流动，并经接地点入地，用 信号探测装置对每一条出线进行探测，探测到注入信号的线路即故障线路。 利用该方法的选线装置已大量投入运行，但效果并不理想，这是因为该方法 的缺点在于：注入信号的功率不够大，变换到高压侧的注入信号非常微弱， 很难准确测量；经高阻接地时，注人信号微弱而不易检测：弧光接地时谐波 含量丰富，注人信号极易受到干扰。 1 5 尚需解决的问题 对小电流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。但是因为配电网系统的运行睛况复杂多变，以及对单相接地故障过程机 理缺乏全面深入的研究，根据这些故障选线原理制造的选线装置还不能适应 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 各种系统运行情况，误判、漏判时有发生，一些问题急待解决： ( 1 ) 小电流接地系统中线路单相接地后跳闸的要求日益迫切，目前利用 稳态量的选线原理难于满足跳闸的选择性要求，必须研究新的选择性更好、 可靠性更高的选线原理； ( 2 ) 对小电流接地系统单相接地故障暂态过程的研究还有待于进一步深 入，只有得到了具有普遍意义的故障暂态特征，才能有的放矢地应用小波分 析或其它信号处理手段，得到更好地故障选线方法； ( 3 ) 对于配电网运行中各种状态下的故障情况还有待于做大量的专门的 研究与仿真，以及动模实验和现场测试，使得选线方法可以适用各种情况； ( 4 ) 利用信息技术、计算技术和信号处理技术来提取故障信息中利于选 线的部分，从而实现选线技术的突破。 1 6 本文的主要工作 本文针对小电流接地系统单相接地故障选线这一问题进行深入的研究， 主要作了以下几方面的工作： ( 1 ) 在广泛阅读文献资料的基础上，对现有故障选线方法进行了总结和 归纳； ( 2 ) 小电流接地系统发生单相接地时的故障特征是实现选线的基础，本 文对中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统单相接地的故障特征进 行了分析，重点分析了故障暂态电流特征以及暂态零序电流的分布规律； ( 3 ) 提出采用p r o n y 分析算法来提取故障零序电流的暂态特征，从而实 现正确选线： ( 4 ) 建立了小电流接地系统的仿真模型，仿真单相接地故障，并对所提 出的基于p r o n y 算法的选线方法进行了验证： ( 5 ) 提出采用形态滤波技术对小电流接地系统零序电流波形进行滤波处 理，从而实现对零序电流的故障突变特征和暂态分量的提取，并进行了仿真 验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第2 章小电流接地系统单相接地分析 对小电流接地选线的研究，一方面要从选线方法着手，利用有效的选线 算法和实现选线的软硬件条件，从而充分准确地利用故障信息，从故障中准 确、充分地提取故障信息是实现故障选线的前提；另一方面，单相接地故障 情况复杂，对于接地机理的认识还有待于进一步提高。本章对中性点不接地 系统和中性点经消弧线圈接地系统单相接地的故障进行了分析，得到单相接 地故障时的稳态特征和暂态特征，为进行正确的选线奠定了理论基础。 2 1 小电流接地系统单相接地稳态过程分析 2 1 1 中性点不接地系统 中性点不接地电网网络接线如图2 1 所示，图中a 相发生接地故障。在 正常运行情况下，各相对地电压是对称的，中性点对地电压为零，电网中无 零序电压。若不考虑三相对地电容的不平衡，认为其值近似相等，则在各相 电压作用下，每相都有一超前于相电压9 0 。的电容电流流入地中，而三相电 流之和等于零，如图22 ( a ) 所示。假设在a 相发生了单相接地，此时相当 于该相对地电容并联接入故障电阻r ，这时三相对地电流通路的对称性遭到 破坏，由于中性点悬空，单相接地后中性点电位将发生偏移导致其它两相对 地电压升高l l j 。 n l ii 上j - l l t 一。 j 善罩n * ： 一】m j 上上i 上l k 。 霉& 。、 一】日l 觚j 1 虱1 上 cba上| 图2 - 1中性点不接地电网单相故障模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 i o a ) 正常运行b ) 单相接地 图2 - 2正常和故障情况下三相电压和电容电流相量图 当r ，一o 时，相当于单相金属接地，该相对地电压将降为零，中性点电 压将上升为相电压，这时其它两相对地电压上升为线电压。a 相线路对地电 容电流消失，b 、c 两相线路对地电容电流将有所增加。如图2 2 ( b ) 所示， 此时三相电容电流的和不再等于零。 当r ，为无穷大时，相当于故障点和大地问没有电气连接，所以系统属 于正常运行。 当0 厶，故图26 中的和上可以不予考虑。这样，利用l o ， r ，c 组成的串联回路和作用于其上的零序正弦电压，便可确定暂态的电 容电流f f 。 r t + 厶等+ 石1f f c 出= s i n ( 出f + p ) ( 2 5 ) f 当r o 2 、f 鲁时，回路电流的暂态过程具有周期性的振荡及衰减特性； 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 当e o 2 、詈时，回路电流具有非周期性的振荡衰减特性，并逐渐趋于稳定。 对于架空线路上较大，而c 较小，同时故障点的接地电阻般较小，弧道电 阻又常可忽略不计，一般都满足r 2 4 2 7 c ，则暂念过程与前大不相 同，此时的暂态电流为t 。，2 瓦u 国。e - 。s i n 0 f2 j ：u i o ，因暂态过程非常短暂， 以致电源电压的变化对故障点暂态电容电流的影响，可以忽略不计。当 r oz2 4 曰c ，自由振荡分量近似地等于2 厶u o f p 4 2 i l c c 厶据。，此时， 自由振荡分量达到最大值的时间r = 1 ，j = 2 l 。r ，由此可得最大值为 t 。= 。1 7 7 等，c 。因实测自振频率的上限为3 0 0 。h z ，故其比值比m “仍有 可能汰引70 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 实测结果表明，自由振荡频率一般在3 0 0 15 0 0 h z 的范围内。电缆线路 的电感远较架空线路为小，而对地电容却较后者大许多倍，其过渡过程与架 空线路相比，所经历的时问较为短促且具有较高的自由振荡频率，一般 1 5 0 0 3 0 0 0 h z 之间。 综合来说，电网的结构、大小和运行方式不同时，会引起暂态过程的改 变。中压网的自振频率的变化范围一般为3 0 0 3 0 0 0 h z 。线路越长时，自振频 率越低，暂态电容电流的自由振荡分量的幅值也会降低，同时，自由振荡的 持续时间一般也会减少至半个工频周波左右。因为电网的自振频率一般较高， 而且衰减较快，所以，最大电流幅值存在的时间就相当短暂。 2 2 3 暂态电感电流 根据非线性电路的基本理论，暂态过程中的铁，1 5 , 磁通与铁心不饱和时的 方程式相同，由图2 - 6 可得： m s i n ( 斛炉忱+ 彤警( 2 - 7 ) 式中，为消弧线圈相应分接头的线圈匝数； 既为消弧线圈铁心中的磁 通。接地故障开始前，消弧线圈中没有电流通过，：0 ，并且t ：_ w ， 得： 三 弘= 弘【c o s 妒p 屯- c o s ( c o t + 妒) 】 ( 2 - 8 ) 式中，吒为回路的时间常数。 根据上式，考虑l 。= 导和t = k + k ，得暂态电感电流t 的表达式为： l 上 t = t 。 c o s q ，e 1 - c o s ( c o t + 妒) 】 ( 2 9 ) 式中，j 。，为电感电流幅值。 2 2 4 暂态接地电流 暂态接地电流由暂态电容电流和暂态电感电流叠加而成，故其特性随着 两者的具体情况而定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 - _ ，一 z d 2 i c + f 2 1 ， ( ，一i l 。) c o s ( 国t + 妒) + t h ( ： s i n p s i n ，- - c o s 妒c o s 厂f 扣r c + i l 。c o s 妒e ( 2l o ) 式中，第一项为接地电流稳态分量，其余为接地电流的暂态分量。 电力系统中，暂态电容电流的幅值一般远大于暂态电感电流，暂态电容 电流衰减的比暂态电感电流要快。不论电网的中性点是不接地还是经消弧线 圈接地，暂态接地电流的幅值和频率主要由暂态电容电流决定，其幅值同时 和初相角有关。 由以上分析可知，小电流接地系统单相接地故障的暂态过程，受中性点 接地方式的影响较小，中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统具有 相似的性质。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 第3 章基于p r o n y 算法的选线方法 3 1 引言 小电流接地系统单相接地故障的暂态过程是一个复杂的动态过程通过 前面的分析可以得出，故障零序电流可以看成是由不同频率、不同幅值、不 同初始相位的按指数衰减的正弦函数的组合，本文利用p r o n y 算法分析出故 障零序电流信号中对于选线的有用特征，从而达到选线的目的。 传统的信号分析方法如傅立叶算法、短时傅立叶算法、各种滤波算法等， 可以提取信号的频谱，方便在频域进行分析和比较，但是基本只能分析稳定 信号，对暂态信号无能为力。小波分析具有很好的时频聚焦性和良好的变焦 特性，可以对信号进行精细分析，特别是对暂态突变信号或微弱信号的变化 敏感，在电力系统中具有广泛的应用前景。 p r o n y 分析方法的提出已经有两百多年的历史，但应用于电力系统分析却 是随