（电力系统及其自动化专业论文）基于故障录波分析的选择性接地保护研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hs i n g l e p h a s et og r o u n df a u l th a p p e n i n gi nn o n - e f f e c t i v e l ye a r t h e dn e u t r a l s y s t e m ，z e r o 。s e q u e n c ec u r r e n tt h a ti sc a p a c i t a n c ec u r r e n to c c u r si nt h en e t w o r k s ， w h i c hv a l u ed e p e n d so ns y s t e ms c a l ea sw e l la sc i r c u i t t y p e s t h ev a l u eo f z e r o s e q u e n c ec u r r e n ti ss m a l l ，e s p e c i a l l yi na r c - s u p p r e s s i o nc o i lg r o u n d e ds y s t e m b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n t c o m p e n s a t i o no fa r c s u p p r e s s i o nc o i l ，t h ev a l u eo f z e r o s e q u e n c ec u r r e n ti sc h a n g i n ga ta n ym o m e n t t h a tm u l t i p l i e st h ed i 伍c u l t i e st o d e t e c tt h ef a u l tl i n e w i ms o m ea d v a n t a g e ss u c ha si t sf a u l tc u r r e n ti s s m a l l t h e s y s t e mw o u l dn o ti n c u rs h o r tc i r c u i td e s p i t es i n g l e p h a s e - t o - g r o u n df a u l t ，h a sn o e f f e c to nt h e p o w e rs u p p l y a st h el i n e - t o - l i n e v o l t a g er e m a i n ss t a b l e ，t h e n o n - e f f e c t i v e l ye a r t h e dn e u t r a ls y s t e mc o u l dr e m a i ni no p e r a t i o nf o ras h o r tt i m ew i t h s i n g l e - p h a s et og r o u n df a u l ta n di sw i d e l yu s e d h o w e v e rt h er e s e n tg r o u n df a u l t p r o t e c t i o n sc o u l d n ts a t i s f yo u rr e q u i r e m e n t ，i ti sc r i t i c a lp r o b l e mt od e t e c tf a u l tl i n e e x a c t l ys od e e p l yr e s e a r c ho nf a u l tl i n ed e t e c t i o ni sas i g n i f i c a t i o nw o r k t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t a b l ea n dt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c so fz e r o s e q u e n c e c u r r e n ta n dv o l t a g ei nn o n - e f f e c t i v e l ye a r t h e dn e u t r a ls y s t e mw i t hs i n g l e - p h a s et o g r o u n df a u l ti nt h e o r y as i m u l a t i o no fn o n e f f e c t i v e l ye a r t h e dn e u t r a ls y s t e mu s i n g p s c a d e m t d ci sb u i l th e r e i tg i v e sam o d i f i e dm e t h o do ff a u l tl i n ed e t e c t i o nu s i n g z e r o 。s e q u e n c ea c t i v ep o w e ra n dw a v e l e ta n a l y s i s b yr e c o r d i n gt h ef a u l tw a v e f o r mo f z e r o 。s e q u e n c ev o l t a g ea n dc u r r e n t , u s i n gw a v e f o r l nc o e m c i e n tt oc a l c u l a t et h e a b e r r a t i o na n dc h o o s et h ee f f e c t i v ed o m a i no f s t e a d y - s t a t ea n dt r a n s i e n t s t a t e p r i n c i p l e ，t h i sm e t h o dw i t hf a u l tw a v er e c o r d i n gr a i s e st h ec o r r e c t n e s so ff a u l tl i n e d e t e c t i o n i na d d i t i o n , af a u l tl i n ed e t e c t i o nd e v i c eb a s e do na r m + d s pi ss e tu p ， w h i c hv e r i f i e st h er e l i a b i l i t ya n dc o r r e c t n e s so ft h em e t h o du s i n gi nf a u l tl i n e d e t e c t i o 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 i n g n e t w o r k ，s i n g l e p h a s e t o g r o u n df a u l t ， w a v e l e ta n a l y s i s ，w a v e f o r mc o e f f i c i e n t ，f a u l tw a v e r e c o r d i n ga n da n a l y z i n g i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：乏i 毛超 坐望二三 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： p 钞叼年 l ， | i 萼絮 月日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 供配电系统的中性点接地方式，是指电力系统星形接法电力设备的中性点与 大地之间的连接方式，一直是电气工作者十分关注的课题之一，它涉及电网的安 全运行、供电可靠性、过电压和绝缘配合、继电保护以及接地设计等诸多因素， 而且对通信和电子设备的电磁干扰、人身安全等方面有重要影响。 电力系统常用的系统接地方式有多种：中性点直接接地、中性点不接地、中 性点经消弧线圈接地、中性点经电阻接地【l 】。在电气安全名词术语 g b t 4 7 7 6 1 9 8 4 标准中，将上述四种中性点接地方式归纳为两类： ( 1 ) 中性点有效接地系统( s y s t e mw i t he f f e c t i v e l ye a r t h e dn e u t r a l ) ：中性点直接 接地或经一低值电阻接地。此类系统也可称为大接地电流系统。 ( 2 ) 中性点非有效接地系统( s y s t e mw i t hn o n e f f e c t i v e l ye a r t h e dn e u t r a l ) ：中性 点不接地或经高值阻抗接地或经消弧线圈接地。此类系统也可称为小接地电流系 统，大量文献亦称之小电流接地系统。 对于供配电系统中性点究竟采用何种接地方式才是最佳，这历来是个有争议 的问题。中性点接地方式的确定是一个系统工程，不同地区、不同电网、不同发 展阶段和不同的受电对象，考虑的侧重点不同。目前各种中性点接地方式在不同 的国家都有应用，每个国家和一个国家地区之间采用的接地方式亦不尽相同，具 体的选择涉及电网的各种运行情况、供电可靠性要求、故障时的过电压、人身安 全、对通信的干扰、对继电保护的技术要求及设备投资等，主要是根据各自的运 行经验和传统做法来确定的。 在我国，对于1 1 0 k v 及以上电网，一般都采用中性点有效接地的接地方式。 对于6 6 k v 及以下配电网及大型工矿企业的供电系统，则属于中性点非有效接地 系统，并以采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式居岁2 1 。不同接地方 式的主要性能特点可以通过以下几个方面进行对比和评价： ( 1 ) 供电可靠性。在非有效接地电网中，单相接地故障电流是数值很小的电 容电流，或经消弧线圈补偿后的残流，对电网的危害较小，因此不需要保护装鼍 立即跳开故障线路。瞬时性单相接地故障能够迅速自动消除，接地电弧自动熄灭， 即使发生持久性接地故障，也不需立即断开线路，运行人员能有较充裕的时间来 处理故障保证供电的不间断，因此非有效接地方式能极大地提高供电可靠性。对 于有效接地方式，不论单相接地故障是瞬时性还是持久性的，都必须立即自动切 第1 章绪论 除故障线路。 ( 2 ) 设备安全性。非有效接地方式可减少对一次设备频繁的短路电流冲击、 减少断路器的遮断次数和继电保护的动作次数与误动、拒动概率，降低线路绝缘 子的损坏率，减轻设备的运行维护与检修工作量。有效接地对电网和电力设备的 保护作用较小。 ( 3 ) 人身安全。理论分析和运行经验表明，有效接地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，对人身造成触电危害较大。非有效接地电网瞬间接地 故障大都可自行消除，持久接地故障接地点电流较小，接触电压和跨步电压均很 低，一般没有危险。 ( 4 ) 电磁兼容性。有效接地系统单相接地故障对通信系统的影响是磁耦合瞬 时危险性影响，非有效接地系统单相接地故障对通信系统的影响是电耦合、长时 间危险性影响。从电磁兼容角度看，非有效接地方式更有利。 ( 5 ) 对系统过电压的影响。根据运行统计，非有效接地方式更容易产生内部 过电压，其中中性点不接地系统电压互感器与线路容易产生铁磁谐振，谐振过电 压最高，而有效接地方式对系统过电压的影响较小。 如上所述非有效接地系统的优点是单相接地故障电流较小，单相接地不形成 短路回路，并可继续运行1 2 小时。但是，电网长时间带接地故障运行极容易引 发相继的电气事故：此时的故障相对地电压降为0 ( 金属性接地短路) ，健全相 对地电压升高为线电压，即为原来的3 倍。若长期运行，将使健全相绝缘薄弱 处发生对地击穿，造成两相接地事故。所以，当事故发生以后，应尽快确定故障 线路并予以选择性的切除，保证非接地线路的正常供电。这样有利于非故障线路 和设备继续运行，缩小停电范围，对保证电网安全、可靠运行和提高劳动生产率 显然极为有利。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 国外对非有效接地系统故障保护的处理方式各不相同。美国电网中性点主要 采用电阻接地方式，利用零序过电流保护瞬间切除故障线路，但故障跳闸仅用于 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。r 本采用高阻 抗接地方式和不接地方式，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，电阻接地系统采用零序过电流保护瞬i 日j 切除故障 2 第1 章绪论 线路。前苏联采用中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式，保护主要采用零序 功率方向原理和首半波原理。法国过去以低电阻接地方式居多，利用零序过电流 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 开始采用自动调谐的消弧线圈以补偿电容电流，并为解决此种系统的接地选线问 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。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。上世纪9 0 年代，国外有将人工神经网络及专家系统方 法应用于保护的文献。近年来一些国家在如何获取零序电流信号及接地点分区段 方面作了不少工作并己将人工神经网络应用于接地保护【3 2 9 1 。 我国配电网和大型工矿企业的供电系统大都采用中性点不接地或经消弧线 圈接地的运行方式，近年来一些城市电网改用电阻接地运行方式。矿井6 1 0 k v 电网过去一直采用中性点不接地方式，随井下供电线路的加长，电容电流增大。 近年来消弧线圈在矿井电网中得到了推广应用并主要采用消弧线圈并串电阻的 接地方式。单相接地保护原理研究始于1 9 5 8 年，保护方案从零序电流过流到无 功方向保护，从基波方案发展到五次谐波方案，从步进式继电器到群体比幅比相， 以及首半波方案，从单一的稳态原理发展到多判据融合选线原理，先后推出了几 代产品，并在现场得到成功应用。 1 2 2 非有效接地系统单相接地故障选线方法综述 科技工作者在过去的几十年中提出了一些针对非有效接地系统单相接地选 线的原理和算法，其中比较成熟的有零序电流比幅法、零序功率方向法、谐波电 流方向法、5 次谐波法以及群体比幅比相法等等【4 5 ，7 】。但是在实际应用中这些方 法都有或多或少的应用瓶颈，因而国内外对选线原理和算法的研究还在继续。以 下扼要地介绍目前国内外应用较多的小电流接地故障选线原理和算法。 ( 1 ) 智能型比幅比相法 智能型比幅比相方法的基本原理是，比较母线的零序电压和所有线路零序电 流的幅值和相位，故障线路零序电流相位应滞后零序电压9 0 度，并与正常线路 零序电流反相，若所有线路零序电流同相，则为母线故障。传统比幅比相方法在 信号处理、抗干扰和有效域方面存在一定的缺陷。智能型的比幅比相方法采用 b u t t e r w o r t h 数字滤波器，对信号进行有效的数字滤波处理，提取出更可靠的信号 3 第1 章绪论 成分，提高选线正确性。 ( 2 ) 谐波选线法 谐波选线方法的基本原理是，如果线路零序电流中含有丰富的谐波成分，则 比较所有线路零序电流谐波分量的相位。故障线路零序电流相位应与正常线路零 序电流反相，若所有线路零序电流同相，则为母线故障。谐波选线方法采用有效 的数字滤波手段，提取出能量最高的谐波频带范围，避免了提取单一谐波频率而 导致的误差。 ( 3 ) 零序能量选线法 小电流接地系统发生单相接地后，故障线路的零序电流的有功分量与正常线 路极性相反，可以用这个特点进行选线。由于有功分量的含量较小，所以装置采 用零序电流与零序电压的乘积，即零序能量来度量零序电流的有功分量，零序能 量最大的线路就是故障线路【l 】。 ( 4 ) 小波法 小波选线方法利用单相接地故障产生的暂态电流和谐波电流作为选线判断 的依据。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 接地故障情况下，暂态电流含量更丰富，持续时间更长。暂态电流满足在故障线 路上的数值等于在非故障线路上数值之和且方向相反的关系，可以用来选线。 小波变换利用时间有限且频带也有限的小波函数代替稳态j 下弦信号作为基 函数对暂态信号进行分解，可很好地反映暂态信号包含的频率成分随时间变化的 特点。小波法的基本思路是利用小波变换提取各线路零序电流在某一尺度下的模 值，通过比较模值的大小与极性可选出接地故障线路【8 】。小波选线方法的优点是， 该方法对中性点不接地和中性点经消弧线圈接地的电网都适用；该方法特别适应 于故障状况复杂、故障波形杂乱的情况，与稳态量选线方法形成优势互补。但是 小波变换选线也存在尚未解决的问题：一方面小波变换对微变量过于敏感，抗干 扰能力不太强，易误判或漏判；另一方面，故障点经过渡电阻接地时，该方法的 灵敏度会随过渡电阻的增大而减少。 ( 5 ) 首半波法 首半波原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设，此时故 障相电容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，该电流不经过消弧线圈，所以暂态电感电流的最大值相应于接地故障 4 第1 章绪论 发生在相电压经过零瞬间，而故障发生在相电压接近于最大值瞬间时，暂态电感 电流为零。此时的暂态电容电流比暂态电感电流大得多，不论是中性点不接地系 统还是中性点经消弧线圈接地系统，故障发生瞬间的暂态过程近似相同。因此利 用故障线路暂态零序电流和电压首半波的幅值和方向均与正常情况不同的特点， 即可实现选线。但故障发生在相电压过零值附近时，首半波电流的暂态分量很小， 加上过渡电阻的影响，易引起方向误判。 ( 6 ) 样本建模选线法 样本建模选线方法又称特征指纹选线方法。在选线装置运行过程中，当发现 某些极其特殊类型的故障样本，用正规的选线方法很难做出可靠的选线判断时， 则提取这类故障样本的个性特征( 即指纹特征) ，并将该次故障的指纹特征及故 障信息保存下来，作为一个参考样本。当再一次出现类似的故障时，通过与保存 过的样本指纹特征进行匹配，就可以推断出新故障样本的故障线路。该方法需要 不断地收集和充实样本库，才可以处理各类特殊样本的选线问题。 ( 7 ) d e s i r 选线法 静态d e s i r 。当非有效接地系统发生单相接地故障时，首先从所有馈线中 抽取零序电流的基波有功分量i r e s ，算出故障点的残余有功电流i r e f 并选取该向 量和的垂直线作为参考轴，再对所有馈线的基波零序电流在轴上的投影进行比 较，相位相反且数值最大者为故障馈线。 动态d e s i r 。其原理与静态d e s i r 基本相同，只是用单相接地故障发生时 零序电流的变化量代替原来的零序电流。它具有较高的灵敏度。但是由于故障是 随机出现的，所以必须连续存储信号。由于需要长期连续的监测，在国内没有推 广。 ( 8 ) 有效域法 对于不同的故障信号特征，各种选线方法都有一定的适用条件。当适用条件 满足时，该选线方法选线结果就正确，否则，选线结果可能出现错误。一般称选 线方法能够可靠选线的适用条件为该方法的充分条件，满足充分条件的故障区 域，称为该选线方法的有效域。装置对每一种选线方法都界定了有效域。当故障 落在某方法的有效域内时，该方法对该故障的选线结果一定是f 确的，否则给这 种方法的选线结果乘以一个系数w ( 0 w 3 ( 1 0 i + k ) 的情况下，也将超前零序电压9 0 。 在中性点经消弧线圈并电阻接地系统中，消弧线圈电感为，中性点电阻为 凰，发生单相接地时零序等效网络及矢量关系如图2 1 2 所示。 1 8 第2 章供配电系统单相接地故障分析 一 如c 0 1 上l c k 丰l 乇 j r 一一一 4 - - - j ，j 劓c 。j u o = 一只 一丘 3 i 0 2 3 i o i - - 3 ( 一1 1 ， 1r 一，- 2 b 3 厶，+ k ) 一 ( 协 图2 1 2 中性点经消弧线圈并电阻接地系统单相接地零序等效网络及矢量图 ( a ) 等效网络( b ) 矢量图 仍规定母线到线路为正方向，可得各线路始端零序电流表达式为 3 1 0 i = j 3 c o c o l u o = 一j 3 0 c 0 1 只 3 1 0 2 = j 3 c o c 0 2 u o = 一j 3 0 c 0 2 e ( 2 2 2 ) 3 厶，_ - ( 伽c o 川3 崛z + 上j c o l + 击) 玩- ( 3 厶1 + 3 乇+ t + _ ) 由此可见，非故障线路零序电流情况与前述中性点接地方式的情况完全相 同，故障时超前零序电压9 0 0 。故障线路的零序电流比中性点不接地系统增加了 两个分量，即：由中性点电阻器产生的有功电流分量一，。，其方向与零序电压方 向相反；由消弧线圈电感产生的感性电流分量一j ，在过补偿的情况下，满足 ， 3 1 0 + 3 1 0 2 ，这时故障线零序电流超前零序电压的角度大于9 0 0 。 通过上述分析可以得到这样的结论：当采用过补偿方式时，流经故障线路的 零序电流将大于本身的电容电流，而电容性无功功率的实际方向仍然是由母线流 向线路，和非故障线路的方向样，因此在这种情况下，也就无法利用功率方向 1 9 第2 章供配电系统单相接地故障分析 的差别来判定故障线路，其次由于实际电网中过补偿度不大，因此也难以像中性 点不接地电网那样，利用零序电流大小来判定故障线路。 2 2 3 中性点经电阻接地系统 中性点经电阻接地系统如图2 1 3 所示，与中性点不接地系统相比增加了一 个由中性点电阻器凰产生的有功电流分量一，其计算公式为 l r n2 u o | r n = 一e a | r n q 2 3 ) 与中性点不接地系统的分析方法相同，仍规定电流从母线指向线路为正方 向，结合式( 2 1 2 ) 口- - 得到各线路始端所反映的零序电流表达式为 3 1 0 l