（电力系统及其自动化专业论文）输电线路高阻接地故障检测研究.pdf

a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t w h e nt h et r a n s m i s s i o nl i n eo c c u r e dh i 曲r e s i s t a n c ee a r t hf a u l t ，i tw i l la f f e c tt h e n o r m a lo p e r a t i o no ft h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m u s u a l l y , s i n g l ep h a s eg r o u n d i n gf a u l tc a nc a u s e b o t hh i g hp h a s ec u r r e n ta n dz e r o se q u e n c ec u r r e n t p r o p e rc o n v e n t i o n a lg r o u n d i n g p r o t e c t i o n s e tc a na c tr e l i a b l ya n dc u to f ff a u l t h o w e v e r , t h ec u r r e n tl e v e l so fh i g h i m p e d a n c ef a u l to c c u r e di nt h ed i s t r i b u t i o nf e e d e ra r eu s u a l l yl o w e rt h a nt h el e v e lo fa d i r e c ts h o r tc i r c u i tc u r r e n tf a u l t s i n c et h ev o l t a g ed r o p sd o w nv e r yl i t t l ea n dt h ev o l t a g e a m o n gt h r e ep h a s e sk e e p ss y m m e t r i c , t h i sf a u l ti n c r e a s e st h ed i f f i c u l t yo ft h ec h e c ko nt h i s f a u l t f a c t sh a v ep r o v e dt h a tt h ed e t e c t i o no fh i g hi m p e d a n c ec a l ln o to n l yu s eo n ef a u l t s i g n a l t od e t e r m i n et h e f a u l t ，i t s h o u l dc o n s i d e r ea l lt h e v o l t a g ea n d c u r r e n t c h a n g e s f i r s t ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r das c h e m eo fd e t e c t i o nh i g hi m p e d a n c ef a u l ti nt h e t r a n s m i s s i o nl i n eb a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k t h i sm e t h o dc a l ls o l v et h ep r o b l e m o fd e t e c t i o nh i g hi m p e d a n c ef a u l t w h e nh i g hi m p e d a n c ef a u l th a so c c u r r e d ，t h ev o l t a g e a n dt h ec u r r e n to ft h es y s t e mw i l lh a v eh i g h f r e q u e n c yc o m p o n e n t s w em a yu s et h e s e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef a i l u r et or e s e a r c ht h eh i g hi m p e d a n c ef a u l t o nt h eo t h e rh a n d ， h i g h f r e q u e n c yc o m p o n e n t sa l s oa p p e a ri no t h e rc a s e s ，s u c ha so p e n i n ga n dc l o s i n go f c a p a c i t o r , t r a n s f o r m e rt a ps w i t c h t h ea r t i c l eu s et h ew a v e l e ta n a l y s i st od e t e c tt h ef a u l t s i g n a l ，t h e no b t a i n e ds t a n d a r dd e v i a t i o nf r o mt h es e r i e so p e r a t i o no ft h ed w ta n a l y s i s ，i n w h i c ht h ec u r r e n t sa n dv o l t a g e sa r em e a s u r e di nt h ed i s t r i b u t i o nf e e d e r , t h e np u tt h e s t a n d a r dd e v i a t i o n i ni n t ot h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k st oi d e n t i f yf a i l u r et os o l v et h eh i f i nt h et r a n s m i s s i o nl i n e l o t s o fm a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t so fh i fw i t hd i f f e r e n tf a u l tr e s i s t a n c ea n d d i f f e r e n tk i n d so fn o r m a ls w i t c h i n ge v e n t ss h o wt h a tt h et w om e t h o d sh a v ep e r f e c t p e r f o r m a n c e e s p a t i a l l yt h ew n n c a nd e t e c th i fw i t ht h eh i g hr e l i a b i l i t y k e yw o r d ：s i n g l ep h a s eh i g hi m p e d a n c ef a u l t ，t r a n s i e n tp r o t e c t i o n ，w a v e l e tt r a n s f o r m ， m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i s ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，w a v e l e tn e u r a l n e t w o r k l i 图表目录硕士论文 图表目录 图2 1 单电源组成的电力系统8 图2 2 单相经过渡电阻接地8 图2 3 单相接地暂态电流等值电路1 1 图3 1s 信号的分解结构式2 0 图3 2 输电线路高阻接地故障a 相故障电流2 2 图3 3a 相电流小波5 尺度分解2 2 图3 4 故障初始相角对小波变换的影响2 4 图3 5 故障位置对小波变换波形影响2 5 图3 6 不同接地阻值对小波变换波形影响2 7 图3 7 高阻故障和电容器投切电压电流比较2 8 图3 8 加载电容时a 相电流变化情况2 8 图4 1b p 网络模型结构图3 0 图4 2b p 算法的程序框图3 3 图4 3 神经网络传递函数3 8 图4 4 高压输电线高阻及接地故障仿真模型4 0 图4 5 人工神经网络训练曲线4 3 图5 1 小波神经网络结构图4 7 图5 2 高阻接地故障检测小波神经网络结构图4 8 图5 3 多尺度分解各频段范围图4 9 图5 4 输电线高阻接地逻辑动作图5 1 图5 5 人工神经网络学习曲线5 3 表4 1 故障输出编码表4 1 表4 2b p 神经网络的训练数据4 l 表4 3 人工神经网络训练结果4 4 表5 1 人工神经网络电压电流故障标准偏差系数5 l 表5 2 人工神经网络输出结果与目标向量5 4 v i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 盗磊口伊忙钿7 么日 硕士论文输电线路高阻接地故障检测研究 1 绪论 1 1 输电线路高阻接地保护研究现状 1 1 1 高阻接地故障的特点 高压输电线路导线在高阻抗表面( 如沥青路，碎石路，沙砾，树木) 短路，或 者由于绝缘子闪络、雷击等原因，发生的输电线路放电以及通过对周围树枝、毛竹与 地短接造成的故障称之为高阻接地故障。 在高压输电线路中，一旦发生事故不仅会降低电网供电的可靠性，而且还会严重 影响电网的安全稳定运行，造成重大损失。根据各种故障的统计分析，在短路故障中， 单相接地故障的次数几乎占所有故障类型的9 0 左右，并且从故障录波分析中发现， 在相间故障中，相当一部分是由单相接地发展而来。若途经山区地貌的输电线路较多， 则会经常发生因线路对周围树枝、毛竹放电以及烧山火焰对线路放电造成单相高阻接 地故障【l 】。单相接地短路时将产生很大的故障相电流和零序电流，相应的接地保护装 置将可靠动作将故障切除。发生单相高阻接地故障时电压减小幅度不大，三相线间电 压依然几乎对称，同时故障电流一般比较小，电流突变也很小，有时呈缓慢上升的变 化趋势，从而增加了高阻接地检测的难度。在线路发生此故障后，常常由于故障监测 不得力，使得系统长时间带故障运行，可能导致相间绝缘击穿，转化为相间故障，使 故障范围扩大【z j 。 文献 3 】对高阻接地故障进行了总结，指出经高阻抗发生的高阻接地故障会影响 输配电系统正常运行。高阻接地故障的电流水平通常低于直接短路的故障电流水平， 不易用传统的过电流保护方法检测出来。对火焰接地来说，由于空气游离的缘故，接 地阻抗变化很大，使现有保护反复启动、恢复，可能会导致相邻线路、设备的保护越 级跳闸，使电力系统出现更严重的故障。在对用户停电时发生高阻故障会造成火灾、 人身触电等严重后果【4 】。 高压输电系统中性点是直接接地的，不论发生何种类型的故障，故障形态都应该 与系统正常运行时不同，对于高阻接地故障来讲，集中表现在故障后，线路中会产生 高频分量。此外电流回路接触不可靠，常常伴有电弧发生，也会产生明显的高频分量。 但是线路中是否出现高频电流分量，并不能判定线路发生高阻接地故障【5 1 。高阻接地 所产生的故障信息提取远较其他保护方案复杂，亟待解决和完善的问题很多，因此高 阻接地保护仍是应用新技术的一个重要领域【6 1 。 1 1 2 高阻接地保护技术指标 d l 4 0 0 9 1 继电保护和安全自动装置技术规程要求中性点直接接地的超高压电 1 l 绪论硕士论文 力网：2 2 0 k v 线路接地电阻不大于1 0 0 q ，3 3 0 5 0 0 k v 线路接地电阻不大于3 0 0 f 1 ， 后备保护应能可靠地、有选择地切除故障【7 】。d l t 5 5 9 - 9 4 2 2 0 5 0 0 k v 电网继电保 护装置运行整定规程对继电保护灵敏度的规定是：接地故障保护最末一段，应以适 应下述短路点接地电阻值的接地故障为整定条件：2 2 0 k v 线路1 0 0 q ；3 3 0 k v 线路 15 0 q ；5 0 0 k v 线路3 0 0 f 2 。当线路末端发生高电阻接地故障时，允许由两侧线路继电 保护装置纵向动作切除故障【8 】。以上均只提出在发生高电阻接地故障时，由后备保护 动作切除故障。靠线路保护中零序电流等后备保护动作，动作时间长，且常常使系统 内保护失去配合越级跳闸，造成电网事故扩大。从现代电网的发展程度来看，以上两 部规程的相应技术指标应修订和补充并适当提高高阻接地保护的技术指标：如2 2 0 k v 线路接地电阻大于1 5 0 q ，5 0 0 k v 线路接地电阻大于4 0 0 q ，高阻保护动作时间为 4 0 - 1 0 0 m s ( 其中4 0 m s 是考虑超高压输电线路电容电流的过程) 。 1 1 3 国内外对高阻接地保护的研究 目前，在1 1 0 l 及其以上线路一般采用阶段式距离及零序电流保护，2 2 0 k v 及 以上电压等级的线路采用断路器失灵保护和纵联保护，这些保护在整定时都是躲过系 统最大负荷电流，以及系统不平衡电流，将整定值定在高于出现这些情况的程度之上 9 1 。1 9 9 8 年6 月至2 0 0 1 年1 2 月，在国家电力设备及仪表质量检验测试中心，继电保 护及安全自动装置质检站进行了微机保护模拟经高阻接地故障的动模试验，总体上微 机保护对高阻接地故障的反应能力不够【lo 】。 传统的检测高阻故障方法是降低相问过电流保护的定值。这种做法往往无法将 高阻故障电流和正常的负荷电流区别开来【l 。另一种办法是减小接地电流保护的定 值，以期检测出故障接地电流，但这种方法同样因不平衡负荷电流造成的零序分量与 高阻故障电流难以区分而无法付诸实现。于是人们又提出了由零序电流分量与正序电 流分量之比构成继电器的动作量，以期检测出高阻接地故障【1 2 1 。还有人考虑到线路的 负荷电流的变化率较小，而故障电流( 包括高阻故障电流) 的变化率大，利用变化率 不同的性质来区分高阻故障与负荷电流。但是，遗憾的是有些高阻故障对电流变化几 乎没有影响，使得这种基于变化率的方法也失效【l 习。 目前的各种保护方案中，除线路差动保护外几乎都不能够为上述几种高阻接地 故障提供可靠有效的保护i l4 。电流保护虽然可以反映中性点接地电网的单相接地短 路，但其灵敏度或保护区受系统运行方式变化的影响较大，时限也较长，因此大多采 用专用的接地保护。为了使保护灵敏度不受或少受系统运行方式的影响，距离保护得 到了一些应用，文献 1 5 】提出了一种能反应高阻接地故障的微机距离保护算法解 方程算法。该算法使得保护的拒动区大为减少，承受过渡电阻的能力显著提高，但该 算法计算量大，判别方法可能导致在某些情况下误选具有较大值的假根作为实际故障 2 硕上论文 输电线路高阻接地故障检测研究 测距值，引起保护误动，因此在保护装置中应用有一定难度。高频保护具有不反映外 部短路故障、无延时地快速切除故障线路的优点，但它在实现上比较复杂，而且对高 阻接地故障也不能很好地反映。多年的实践表明，较简单的接地短路保护仍是反映零 序电流、零序电压和零序功率的保护，它们具有简单、可靠、受系统运行方式变化影 响小、不受三相对称的系统振荡和短时过负荷的影响等优点，但在实际应用中，其保 护效果受中性点的接地数目和分布影响较大，且当线路很短或运行方式变化很大时， 也会出现灵敏度不够的情况。而在有自耦变压器的系统中，由于零序电流在两级电压 系统中流动，使得零序电流保护整定配合有困难，增大了三段零序电流保护的延时【1 6 】。 文献【1 7 提出了一种利用相电流突变量构成分相式突变量差动保护，利用两端零序电 流构成零序差动后备保护方案，提高了差动保护的灵敏度，减少了经过渡电阻接地故 障时穿越性负荷电流的影响。该方案虽能有限解决高阻接地保护问题，但由于条件的 约束，其应用广度、范围也受到很大的限制。文献 1 8 描述了几种不同原理保护在 2 2 0 k v 线路经过渡电阻单相接地故障时的异常动作行为，通过分析表明，这些保护装 置在单相高阻接地故障时均会产生异常动作，严重影响了保护装置动作的可靠性。文 献 1 9 1 也表明单相高阻接地故障会引起保护装置误动作，延迟了故障切除的时间。文 献 2 0 】中提出了一种基于概率分析的故障选线新方法，利用数据采集系统采集到的零 序电压和各线路零序电流的变化，进行各线路故障概率计算，在最大故障概率条件下 进行故障定位。 目前，除有特殊措施的距离保护( 日本三菱m d t - f 距离保护) 能够做到两侧 动作跳故障相外，对高阻接地故障距离保护选相跳闸及对故障位置的判别比较困难， 有的保护能够选相跳闸的电阻范围很小，只有当距离元件动作时才能选相跳闸，一旦 测量阻抗超出距离元件的动作区域，就只能拒跳，从而造成保护误动或拒动。纵差保 护基本能够做到两侧动作跳故障相。但从实际运行数据分析看，目前的微机线路保护 常用的方向高频保护，对于高阻接地故障保护还存在灵敏度不够的问题 2 1 1 。 综上所述，线路高阻接地保护仍然存在一些技术难点，利用工频量来实现的保 护装置对此类故障在灵敏度上有明显的不足。为了有效地解决单相高阻接地故障，寻 找一种新的保护原理就成为必然。 人们已经意识到，仅检测高阻故障的某一个参数是无法检测出所有的高阻故障 的。研究高阻接地保护，开发出技术先进、质量过硬的保护产品具有一定现实意义【2 2 1 。 1 2 高阻接地保护的设计思想 文献 2 3 】提到高阻接地故障时保护动作不灵敏的最主要原因是反映高阻接地故 障的故障量不明显，且高压输电线路发生故障后，线路终端的可测信息受系统运行方 式、故障点位置、过渡电阻等随机因素的影响，整个故障模式空间一般来讲是非线性 3 l 绪论硕士论文 的。目前高阻接地保护所用的解析方法存在不足，规范化的特征矢量极大地限制系统 对可获取信息的利用率，使保护启动和选相存在困难，从而影响了保护装置的性能。 高压输电系统故障后基频分量变化突出，可以用该基频分量作为高阻接地保护 的故障信息。但是，故障电气量是一个随机过程，故障引起的暂态具有非平稳性，信 号功率谱中暂态功率谱与基频功率谱相比是很小的，当电压过零点时故障暂态分量更 小。输电线路发生故障后，由于线路保护元件动作，不可能获得稳态故障电流，提取 基频分量必然存在一定的误差【2 4 】。此次研究是通过在故障量信号的最优化检测方面找 到突破口，从可测故障信息中准确提取反映故障模式的特征向量。因此，在高阻接地 故障中，可对其高频分量进行研究，获取相关数据进行处理，减少干扰因素影响，得 到能够反映故障模式的特征向量。 1 2 1 人工神经网络在电力系统中的应用 人工神经网络( a n na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 是一门崭新的边沿交叉学科，它 的理论研究可以追溯到2 0 世纪4 0 年代，与计算机的研究几乎同时。人工神经网络是 模拟大脑复杂、完美的信息处理的能力。实际上神经网络并没有完全反应大脑的功能， 只是对生物神经网络进行了某种抽象、简化和模拟。神经网络的信息处理通过神经元 的相互作用来实现，只是与信息的存储表现为网络原件互连分布式的物理联系【2 5 1 。 人工神经网络是一种非线性映射的方法，如果利用基于人工神经网络模式识别 技术实现超高压输电线路保护，通过对被保护的线路电压、电流的特征值进行学习， 能自适应地识别输电线路在各种运行方式和故障条件下的故障方向及故障相别，在整 个时域上都具有准确的识别能力。只要样本充分考虑了各种情况，就可以做到正确判 别故障【2 6 1 。对于由输电线路故障电压、电流的基频分量，以及反映于接地故障类型的 零序电流来形成类型识别的特征向量，可采用组合神经网络来实现故障模式识别。 1 2 2 小波变换在电力系统故障检测中的应用 在电网发生故障的类型中，接地故障最多，因此，近几十年来电网的接地故障广 受关注。系统接地时会出现故障暂态分量，传统的信号分析方法如f f t 、卡尔曼滤波、 最小差法和有限脉冲响应滤波法等，使用时都有局限性。实践表明，故障初期接地点 常常伴随很大的接地电阻，各次谐波电流分量很小，用传统的方法会影响选线装置的 灵敏度，不能满足工程的要求。因此，必须寻求合适的信号处理方法来分析非平稳的 奇异性信号，这种处理方法必须有很强的处理微弱信号的能力。文献 2 7 3 3 把小波分 析引入电网接地故障检测中。e m t p 仿真结果表明，当发生接地故障时，不论是线路 侧故障还是母线侧故障，小波分析的方法都能准确地加以区分，这种方法受过渡电阻 影响较小，能够改善高阻接地时的继电保护装置的动作性能。利用小波分析能够检测 突变、奇异信号的原理，在系统发生故障的瞬间可用它检测出突变的电流信号或电压 4 硕士论文输电线路高阻接地故障检测研究 信号。文献 3 4 探讨了在微机保护中应用小波分析原理启动保护算法的方法，在这方 面尚有许多工作要做。 文献 3 5 提n d , 波变换相比于继电保护常用的傅里叶变换，在时域和频域均有很 高的分辨率，可以自动调节时一频窗，具有良好的时域和频域的局部化性能，达到聚 焦于信号任意特定细节的目的，可用于检测高阻接地故障时的故障特征、制定保护装 置的动作判据。在实践中小波函数的应用要注意构造频域行为良好的小波函数，要求 窗口能量集中，分频严格的小波，避免出现混叠现象【3 6 4 1 1 。 从现有文献资料看，有学者已经开始在做高阻接地故障检测这一方面的研究， 但只是单独地运用a n n 或是小波分析中的一种方法，没有综合利用两者的优势【4 2 】。 在装置开发上多考虑为故障测距及保护的选相元件，在做法上有一定的局限性。各种 仿真数据中模拟过渡电阻5 0 0 k v 3 0 0 f 2 及以上的很少，大多只有5 0 0 k v 1 5 0 f 1 的数据。 本次研究要提高高阻接地保护的可靠性指标，综合利用小波原理和神经网络法的优 势，寻求高阻接地故障检测的新方法。 1 2 3 电力系统暂态量保护简介 目前在电力系统中广泛应用的是基于工频分量变化特征的保护方案，整套保护 的动作时间不够快。利用故障暂态分量构成线路的保护可以更大限度地缩短保护时 间。同时，故障产生的高频暂态信息内包含了关于故障类型，故障方向，位置及持续 时间等大量的信息。因此，相对于双端量保护在信号传输中受到干扰以及传输技术的 影响的缺点，单端保护利用单端暂态量构成的保护不依赖通信设备和通道，保护装置 的构成简单，易于维护和调试，可靠性更高。因此，研究基于单端暂态电气量的各种 保护原理具有重要意义【4 3 书】。电力暂态信号的小波分析结果中含有更多、更显著的系 统参数和系统动态变化信息，这些信息对我们控制电网或总结运行经验都是非常重要 的，这也是本次研究中的重点。 总的说来，电力暂态量将在电能质量分析、谐波分析、暂态信号分类与识别、 故障测距、故障暂态录波等方面得到应用，同时能为单端量( 无通道) 暂态保护判据的 建立奠定基础 4 5 1 。 输电线路途经山区较多时，高阻单相接地故障时常发生，目前的微机保护对高 阻接地故障的反应能力普遍不强，不能可靠保护线路的安全。针对目前高阻接地保护 检测信号微弱的情况，提出利用小波变换检测高阻接地故障的特征值，解决以往高阻 保护动作灵敏度低的问题，采用神经网络方法来综合识别输电线路发生故障时的故障 方向和故障相别。 1 3 文章所要完成的工作 5 1 绪论硕士论文 本文的研究对象是高压输电线路单相高阻接地故障，研究工具为小波分析和人 工神经网络，研究的主要内容为： 1 ) 研究单相高阻接地故障的特点，分析了国内外在对高阻接地故障检测研究中 的成果和不足； 2 ) 建立高压输电线路发生单相高阻接地故障的网络模型，分析高阻接地故障后 各电量特点，研究系统经高阻接地故障后产生的暂态分量，得到暂态分量的频率分布 情况； 3 ) 建立输电线路高阻接地故障模型，研究高阻接地故障后电压、电流波形的变 化特点，选取最佳母小波进行小波分析，得到电压、电流信号的小波变换特征； 4 ) 研究人工神经网络在高阻接地故障中的应用，分析该实现方法的优点和不足； 5 ) 研究小波神经网络在高阻接地故障中的应用，对输电线路发生高阻故障进行 检测，对经高阻接地故障、一般的电容切换以及正常运行情况进行分析，得到网络输 入样本和测试样本，验证检测方法的可靠性； 6 ) 对两种实现高阻接地检测的方法进行比较，分析两者之间存在的差异。 6 硕士论文输电线路高阻接地故障检测研究 2 高压输电线高阻接地故障的网络分析 2 1 电力系统中性点运行方式介绍 在我国早期的接地技术规程中曾规定，不论电力系统中性点的接地方式如何， 只要单相接地电流或同点两相接地时的入地电流大于5 0 0 a ，则称为大接地短路电流系 统；反之，则称为小接地短路电流系统。由于此项规定不太合理，所以在后来修订为 s d j 8 7 9 电力设备接地技术规程时，已经将此说法取消m 】。 电力系统中性点接地方式有很多种表现形式，但是基本上可以划分为两大类：凡是 需要断路器遮断单相接地故障的，属于大电流接地方式；凡是单相接地电弧能够瞬间自 行熄灭，属于小电流接地方式。 在大电流接地系统方式中，主要有： 1 ) 中性点有效接地方式； 2 ) 中性点全接地方式，即非常有效接地方式； 3 ) 中性点经低电抗、中电阻、低电阻接地方式等。 在小电流接地系统中，主要有： 1 ) 中性点谐振( 经消弧线圈) 接地方式； 2 ) 中性点不接地方式： 3 ) 中性点经高阻抗接地方式等。 中性点直接接地，即系统接地无需额外的设备，因此是最经济的一种接地方式，在 我国高压、超高压网络中得到广泛的应用。由于直接接地系统中限流阻抗小，故一旦发 生单相接地会产生巨大的接地故障电流，在故障元件中造成的后果是严重的，并可能导 致故障范围的扩大，甚至危及运行人员的安全。次接地故障后可能需要大范围费时的 维修。但另一方面，继电保护容易实现，采用快速动作的断路器能使大接地电流产生的 不利影响降到一定限值。 直接接地系统由于中性点电位被稳定钳制在地电位，从而有效限制了相对地的电势 值，最大长期工作电压为运行相电压。直接接地系统可使因间歇性接地故障而产生的暂 态过电压等大为降低，可比中性点不接地系统约小3 0 左右。所以这种方式主要适用于 1 1 0 k v 及以上系统。 2 2 高压输电线路单相接地故障分析 当系统发生单相接地故障时，系统因中性点接地方式的不同，便会对系统故障相和 非故障相工频电压、电流产生不同影响，此外在模型等效分析上也会有所区分。 7 2i 罱压输电线商阻接地故障的网络分析 硕士论文 图2 1 单电源组成的电力系统 电力系统是由发电机、升压降压变压器和输电线路等诸多元件组成。在分析单相接 地故障的实际问题时，完全可以利用由三大基本元件构成的电力系统简化等值接线图来 表示。图2 1 为一单电源组成的电力系统，设图2 1 在k 点发生了a 相接地故障。其中 r g 为单相接地过渡电阻。 a b c 图2 2 单相经过渡电阻接地 ( a ) a 相经过渡电阻l 沁接地：( b ) 复合序网 图2 2 ( b ) 为a 相接地故障时的复合序网图，从复合序网图上可以看到，过渡电阻 的存在不影响原来系统的各序网络，计及过渡电阻r g 后，可得： 饿= 恐= 讹= 夏了乏 其故障电流为： 础= 础+ 忽+ 讹= 乏了夏 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 由式( 2 2 ) 可以看出，当接地电阻r g 增大时，故障电流便会减小，当r g = 0 时，即k 点为金属性短路故障，有础= 础删，此时短路电流最大。当r g = 时，在这种情况下， 就是系统正常运行状态，a 相不接地。当r g 从o 变化时，础就为从o 发生 数值变化。 8 硕十论文输电线路高阻接地故障检测研究 故障k 点的短路电压为： 弘础即可 = 如一。鹣瓦 泣3 ) 从式2 3 可以看出，随着接地电阻的增高，故障点的电压会增大a 当r g = o 时，砭= o ； 当r g = o o 时，为系统正常运行情况。当r 9 3 肛变化时，e m o 的值为从0 色哦变化。 故障点的非故障相电压为： 掣= 口2 戡 + 口应竺：+ 或：= 口2 露 - ( a 2z l z + z 2 z + z 0 ) 勰蛔“1“2“o材 - 厶二”厶7 ，l - ：应一 圣苫二叠 应 ( 2 4 ) 阳 互+ z 2 z + z 0 + 3 毽 “ 同理司得 应( 1 ) ：口2 应( 1 ：+ 口应( 1 ) + 应( 1 ) ：应 一玉兰堕一应 ( 2 5 ) 心“1削2“。酊 z l z + 乙+ z j 艺+ 3 毽 d 从上述分析可以得到，若是系统发生过渡电阻较大的情况下，线路的电压、电流变 化将不再明显。 2 3 高压输电线路单相接地故障暂态过程分析 在电感元件组成的电力系统中发生短路时，短路的暂态过程中将出现随时间衰减的 非周期自由分量。输电线路不仅有电感，线与线之间、线与地之间有电容，而且这些参 数是沿线路均匀分布的。在短路的暂态过程中，有无穷多个不同频率的、随时间衰减的 周期性自由分量。由于它们的频率都高于工频，故简称高频分量。传统的继电保护技术 都是把这些暂态量作为有害干扰滤除掉。近年来，随着电力系统的发展，为保证电网的 暂态稳定性，系统对发生故障时继电保护的快速性、可靠性提出了更高的要求。为适应 这个需求，研究人员开始考虑利用电力系统故障过程中的信息进行继电保护新原理设计 及其工程应用的可行性研究。 在有串联补偿电容器的线路上短路的暂态过程中将出现频率低于工频的随时间衰减 的周期性自由分量( 简称低频分量) 。若是存在并联电抗器时还要产生一个衰减很慢的 非周期性分量1 4 。 9 2 高抹输电线高阻接地故障的网络分析硕士论文 2 3 1 故障线路直流分量 高压远距离输电线路上短路电流的暂态分量有直流分量、高频分量和低频分量，可 以表示为： = a s i n ( c o t + 孽o ) e r ( 2 6 ) 式中，a 表示振幅；表示振荡频率：矽表示初始相角；t 表示衰减时间常数。 当c a ) = 0 时为按指数曲线衰减的非周期性自由分量( 简称直流分量) ；当国0 时则为 振荡衰减的周期性自由分量。 在短路的暂态过程中，各分量是同时出现的，相互之间是有影响的。 假设电源电动势为： p = bs i n ( c o t + 秒) ( 2 7 ) 则短路电流i 应满足下列关系： 三罢+ ，f = s i n ( c o t + 口) ( 2 8 ) d t m 。 此微分方程的特解，即短路电流稳态分量为： f = i ms i n ( c o t + d ( 2 9 ) 式中，i 。= 赤为短路电流稳态分量的幅值；驴= 秒一t g - l 等为短路电流稳态分 量的初始相角。解此微分方程的通解可以得到短路电流的暂态分量为： ，= a e 五( 2 1 0 ) 式中，a 表示直流分量的幅值，由短路的起始条件决定；r l 表示直流分量的衰减时间 常数墨= 兰。 如果短路前系统是空载的，则在t = 0 时，= f + f ”= 0 将式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) 代入 可得： a = 一i 。s i n 伊 ( 2 1 1 ) 系统中的短路电流为： 三 i = f + f i = i ms i n ( c o t + 0 ) - i ms i n 呼a e 五 ( 2 1 2 ) 可见直流分量的出现满足t = - 0 时电感电流不突变的要求。直流分量的大小与短路发生 时刻短路电流稳态分量的初相角有关。在伊= 0 ( 0 = 9 0 0 ) 时直流分量为零，在 9 = + 9 0 。( 9 = o o ) 时最大。 1 0 硕士论文 输电线路高阻接地故障检测研究 直流分量在任何电网中基本都有的，只是衰减的时间常数是不同的。在低压电网中 直流分量衰减的快。随着电压升高，输电线路的阻抗角增大，衰减时间常数也增加。 2 3 2 电容暂态电流 高压远距离输电线路的分布电容对短路电流的暂态过程产生很大的影响。中性点直 接接地的高压电网发生单相接地故障的瞬间，流过故障点的暂态接地电流的高频部分 主要是由暂态电容电流构成。单相接地暂态电流等值电路图如图2 3 所示，对暂态电容 电流的分析实际上凡、l 0 、c 就是串联回路突然接通零序电压( f ) = s i n ( c o t + 伊) 时 的过渡过程分析。图中c 表示电网中的三相对地电容；k 为三相线路和电源变压器等 在零序回路中的等值电感；为零序回路中的等值电阻，应为接地电路沿途的总电阻 值，包括导线的电阻、大地的电阻以及故障点的过渡电阻：u o 为零序电源电压。 l 0 c 图2 3 单相援地暂态电流等值电路 根据上图可以写出下面的微分方程式： r 之+ 厶鲁+ 吉f 之出奴s i n ( 国r + 缈) ( 2 1 3 ) 得到该微分方程的特征方程的根为： m = 去去一c 等2 = - 8 + j 哆 q - 4 ) 式中，哆为暂态自由振荡分量的角频率；万= i 12 去，为自由振荡分量的衰减系数， 其中的为回路的时间常数。 当r 2 鲁时，回路电流的暂态过程具有周期性的振荡及衰减特性；当r 2 鲁 时，回路电流的暂态过程具有非周期性的振荡衰减特性，并逐渐趋于稳定状态。 通常架空线路的波阻抗为2 5 0 m 5 0 0 0 ，当故障点的接地电阻较小，忽略弧道申阳， 2 高压输电线高阻接地故障的网络分析 硕士论文 一般都满足r 。) ( 3 1 ) 等效的频域表示为： 暇( 啪) = 丢e 抛矿( 删p 脚衍 ( 3 2 ) 式中：x ( 缈) ，缈( 缈) 分别是x ( t ) ，( f ) 的傅立叶变换。 小波变换提出了变化的时间窗，当需要精确的低频信息时，采用长的时间窗，当 需要精确的高频信息时，采用短的时间窗嘞1 。 3 1 2 几种常用的小波 1 ) h a a r 小波 a h a a r 于1 9 9 0 年提出一种正交函数系，定义如下： f 1 0 _ x _ l 2 = - 1 1 2 x 1( 3 3 ) 1 0 其它 这是一种最简单的正交小波，即 p o。 l o ) 妙( x 一，z ) 出= 0 玎= 1 ，2 ， ( 3 4 ) 2 ) d a u b e e h i e s ( d b n ) 小波 该小波是d a u b e e h i e s 从两尺度方程系数 玩) 出发设计出来的离散正交小波。一 般简写为d b n ，n 是小波的阶数。小波沙和尺度函数域中的支撑区为2 n 一1 。缈的消 失矩为n 。除n = 1 # b ( h a a r 小波) ，d b n 不具对称性( 即非线性相位) ；d b n 没有显式 表达式( 除n = 1 外) 。但 吃) 的传递函数的模的平方有显式表达式。假设 一l 尸( 少) = 掣- l + k y ，其中，掣- 1 “为二项式的系数，则有 ，z 。( 国) 1 2 = ( c o s 2 詈) 吼n 2c 2 0 - ) 式中，聊。( 国) = 去h k e 2 n - 1 砘。 1 zk = o 1 4 ( 3 5 ) d a u b e c h i e s 小波具有以下特点： a ) 在时域上是有限支撑的，即( t ) 长度有限，而且其高阶原点j t p ( t ) d t = o ， 硕士论文 输电线路高阻接地故障检测研究 p = 0 - n ：n 值越大，y ( t ) 得长度就越长； b ) 在频域上缈( 国) 在= 0 处有n 阶零点： c ) 妙( t ) 和它的整数位移正交归一，即i 缈( t ) 沙( t - k ) d t = 瓯； d ) 小波函数y ( t ) 可以由“尺度函数 矽( t ) 求出来。尺度函数矽( d 为低通函数，长 度有限，支撑域在t = o ( 2 n 1 ) 的范围内。 3 ) c o i f l e t ( e o i f n ) 小波系 c o i f l e t 函数也是由d a u b e c h i e s 构造的一个小波函数，它具有e o i f n ( n = 1 ，2 ，3 ， 4 ，5 ) 这一系列，c o i f l e t 具有比d b n 更好的对称性。从支撑长度的角度看，c o i f n 具 有和d b 3 n 及s y m 3 n 相同的支撑长度；从消失矩的数目来看，c o i f n 具有和d b 2 n 及 s y m 2 n 相同的消失矩数目。 4 ) s y m l e t s a ( s y m n ) 小波系 s y m l e t s 函数系是由d a u b e c h i e s 提出的近似对称的小波函数，它是对d b 函数的 一种改进。s y m l e t s 函数系通常表示为s y m n ( n _ 2 ，3 ，8 ) 的形式。 5 ) m o r l e t ( m o r l ) 小波 m o r l e t 函数定义为缈( 功= c e o 坨c o s 5 x ，它的尺度函数不存在，且不具有正交性。 6 ) m e x i c a nh a t ( m e x h ) 小波 m e x i c a nh a t 函数为 y ( x ) = 万- 1 h ( 1 - - x 2 ) p 。砷2 ( 3 6 ) v j 它是g a u s s 函数的二阶导数，因为它像墨西哥帽的截面，所以有时称这个函数为 墨西哥帽函数。墨西哥帽函数在时间域与频率域都有很好的局部化，并且满足： i u ( x ) d x = 0 ( 3 7 ) 由于它的尺度函数不存在，所以不具有正交性。 7 ) m e y e r 函数 m e y e r 小波函数和尺度函数妒都是在频率域中进行定义的，是具有紧支撑的正 交小波。 ( 国) = ( 2 万) - 1 2e j a ，2s i n 呼v ( 31 历1 _ 1 ) ) ( 2 矿1 佗州三v ( 丢阱1 ) ) o 了2 7 i 缈i 了4 7 了4 7 i 舭i8 3 , r ( 3 8 ) 附等，警】 3 基于小波变换的电力系统故障分析硕士论文 其中，v ( a ) 为构造m e y e r 小波的辅助函数，且有： 舶，= f 鼍争自十坳 3 2 连续小波变换与离散小波变换 悱等 2 n - 万4 n - ( 3 9 ) 33 等 3 2 1 连续小坡燹抉 定义：设y ( f ) r ( 尺) ，其傅立叶变换为汐( 万) ，当汐( 缈) 满足允许条件( 完全重构 条件或恒等分辨条件) ： q = 姘砌锄 b 时，我们称( f ) 为一个基本小波或母小波。将母函数沙( f ) 经伸缩和平移后得： 嘣归南沙( 了t - b ) 口，6 足孵。 ( 3 1 1 ) 称其为一个小波序列。其中a 为伸缩因子，b 为平移因子。对于任意的函数厂( f ) r 俾) 的连续小波变换为 哆( 口沏= = i 口l - l 他p ( r 渺( 等陟 ( 3 1 2 ) 其重构公式( 逆变换) 为： 厂( ，) = 百1 e 事( 口，6 ) y ( 学胁如 ( 3 1 3 ) 、一w “ 由于基小波y ( f ) 生成的小波虬j ( f ) 在小波变换中对被分析的信号起着观测窗的作用， 所以( f ) 还应该满足一般函数的约束条件 ) i 巩 ( 3 “) 故汐( 国) 是一个连续函数。这意味着，为了满足完全重构条件式，痧( 国) 在原点必须等 于0 ，即 汐( o ) = 广9 ( t ) d t = 0 ( 3 1 5 ) 1 6 硕士论文 输电线路高阻接地故障检测研究 为了使信号重构的实现在数值上是稳定的，处理完全重构条件外，还要求小波 y ( f ) 的傅立叶变化满足下面的稳定性条件： 彳畛( 2 一缈) 1 2 曰 ( 3 1 6 ) 式中：0 a b 。； 4 ) 自相似性：对应不同尺度参数a 和不同平移参数b 的连续小波变换之间是自 相似的； 5 ) 冗余性：连续小波变换中存在信息表述的冗余度。 小波变换的冗余性事实上也是自相似性的直接反映，它主要表现在以下两个方 面t 1 ) 由连续小波变