（电力电子与电力传动专业论文）配电网单相接地故障选线方法的研究.pdf

摘要 a b s t r a c t i t i sv e r yi m p o r t a n tt oc h o o s eap r o p e re a r t hm e t h o dt oac e r t a i nl e v e lp o w e r s y s t e m b yn o w , t h e r ea r ef o u rm e t h o d so fe a r t h ：n e u t r a lp o i n tu n e a r t h , u e u t r a lp o i n t d i r e c t l ye a r t h , n e u t r a lp o i n te a r t hw i t hr e s i s t a n c e ，n e u t r a le a r t hw i t ha na r cs u p p r e s s i o n c o i l n e u t r a lu n g r o u n d e ds y s t e ma n de a r t h e ds y s t e mw i t l la l la r cs u p p r e s s i o nc o i la l e w i d e l yu s e di no u rm i d d l ea n dl o wv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h es i n g l e - p h a s et o g r o u n df a u l tw i l lh a p p e nm o s tf r e q u e n t l yi nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s e l e c t i n gt h ef a u l t y l i n ea s s o o na sp o s s i b l ew i l lh a v et h ev i t a ls i g n i f i c a n c et oc l l s u t et h es y s t e m a t i cn o r m a l o p e r a t i o n i nt h ec o u r s eo f d e e p l ys t u d y i n go f p h a s e - t o - g r o u n df a u l tt r a n s i e n tc o n d i t i o n s , w e k n o w ：s e r i e sr e s o n a n c ep r o c e s sa n dp a r a l l e l 阳s o n a n c cp r o c e s se x i s ti n l i n e i f r e $ o n a n c eh a p p e n e d 。t h er e s i s t a n c e sc h a r a c t e ro fd e t e c t e dp o i n tf o rt h ef a u l tl i n ei s c o m p l e x s o m e t i m e si ti se l e c t r i cc a p a c i t yn a t u r e ，s o m e t i m e si ti si n d u c t a n c en a t u r e i t i sa f f e c t e db yt h en u m b e ro f f e e d e r , t h el e n g t ho f e a c hl i n e ，a n ds oo n s ot h er e l a t i o no f t h ez e r os e q u e n c ec u r r e n tb e t w e e nf a u l tl i n ea n dn o r m a ll i n ei sc o m p l e x b a s e do nt h et h e o r yr e s e a r c ha n dc o m p a r e da n a l y s i s ，a c c o r d i n gt ot h ef a v o r a b l e f r o p e r t yo fw a v e l e tp a c k e t ，t h i sp a p e ra d v a n c e dt oe l i m i n a t et h eb a n do fr e s o n r n c e p r o c e s sa n dt od e c o m p o s et r a n s i e n tz e r os e q u e n c ec u r r e n to c c u r r e di nf a u l tl i n eo na p r o p e rb a n d w i d t h , s oa st oo b t a i nz e r os e q u e n c ec u 玎喇i nd i f f e r e n tf r e q u e n c yr a n g e t h e n , t oc o n f i r mt h eb a n d w i d t h 诵t ht h em o s to b v i o u sf a u l ts i g n a t u r eb a s e do nt h ev i e w o fm a x i m u me n e r g y w i t ht h er e f e r e n c et ot h ep r i n c i p l e ：t h e r ea 把s o m ed i f f e r e n c e so f t h ep o l a r i t yo f w a n s i e m c a p a c i t i v ec u r r e n tb e t w e e nf a u l t yl i n ea n dn o r m a ll i n e w h e na u l i n e sh a v et h es a m ec h a r a c t e r i s t i cb a n d w i d t h , t h ef a u l t yf e e d e rc 姐b ea c h i e v e db y c o m p a r i n gt h ep o l a r i t yt h a tt h ew a v e l e tp a c k e td e c o m p o s et r a n s i e n tz e r os e q u e n c e c u r r e n to nt h i sc h a r a c t e r i s t i cb a n d w h e nt h ec h a r a c t e r i s t i cb a n d w i d t hi si n c o n s i s t e n tf o r a l ll i n e s t h ef a u l t - l i n ec a nb ef o u n do u t b yt h i sw a y ：t os e l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i cb a n df o r e a c hl i n ei nt u r n , c o n t r a s ts c o p ea n d p o l a r i t yo f z e r os e q u e n c ec u r r e n tf o re a c hl i n e si n t h i sc h a r a c t e r i s t i c b a n d w i d t h , t h e nt h ec o n c l u s i o nc a l lb eo b t a i n e db ys y n t h e t i z i n gt h e f o r e g o i n gc o m p a r i n gr e s u l t b u t , i ft h eb r e a k d o w no c c u r $ n e a r b yp h a s ev o l t a g ez e r o ， t h et r a n s i t i o n p r o c e s si sn o to b v i o u s ，t h e nn e e d st or e c o n s t r u c tz e r o s e q u e n c ec u r r e n t f o re a c hl i n eo nt h el o wf r e q u e n c yb a n d , r e a l i z e st h el i n es e l e c t i o nb yr e c o n s t r u c t i o n 摘要 s i g n a l l o t so f s i m u l a t i o n ss h o w ：t h em e t h o do f f a u l t yf e e d e ri sg i v e nb yt h i sp a p e ri sl e s s a f f e c t e db yt h ep o s i t i o no ff a u l t ，t h et i m eo ff a u l ta n dt r a n s i t i o nr e s i s t a n c ea n ds oo i l t h eh i g h e rs e c u r i t ya n di n t e r f e r e n c ek i l l i n gf e a t u r ea r ca c h i e v e d i ti ss u i t a b l et on e u t r a l e a r t hw i m8 1 1a r cs u p p r e s s i o nc o i la n dn e u t r a lt m g r o u n d c ds y s t e m t h em e t h o dh a s i m p o r t a n tt h e o r ys i g n i f i c a n c ea n dc e r t a i n p r a e t i e a lv a l u e f i g u r e4 0 r e f e r e n c e5 6 k e y w o r d s ：l o wc u r r e a te a r t h e ds y s t e m , w a v e l e tp a c k e ta n a l y s i s ，a n g l e - f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c s , s i u g l e - p h a s e - t o - g r m m df a u l t , t r a n s i e n ts i g n a l s c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t m 7 7 3 - 儿i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徵堡王盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意j 学位论文作者签名： 互! ! ：蠹 日期：2 生年j 月- 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徼堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徼翌王太堂学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权安徽理工大学 可以将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，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：j ，j 管灸签字日期：2 刀年占月，7 日 导师签名：阍 签字日期：。7 年占月7 日 ， 引言 引言 电力系统是由生产、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。在我囡，配电网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 流接地系统或者中性点非有效接地电网。 配电网容易发生单相对地短路故障。小电流接地系统在发生单相对地短路故 障时，由于大地与中性点之间没有直接电气连接或串接了电抗器，因此短路电流 很小，保护装置不需要动作跳闸，从而提高了系统运行的可靠性。尤其在瞬时故 障条件下，短路点可以自行灭弧恢复绝缘，这对于减少用户短时停电次数具有积 极意义。但是，系统发生间歇性弧光接地或者单相永久接地故障对电网设备的绝 缘产生破坏作用。因此，虽然规程规定单相接地后系统可以带故障运行l 2 小时， 但是多数供电部门都要求在3 0 分钟内切除故障线路。 长期以来，国内外电力领域的专家学者对小电流接地系统单相接地故障选线 问题进行了大量的研究。以往选线采用的检测原理大多基于故障时产生的稳态信 号但是由于稳态信号比较微弱，受外界因素及运行方式影响大，致使在实际的 工程应用中难以提取出有效的故障信号尤其在发生电弧接地故障时，非故障线 路与故障线路零序测量电流在某些条件下稳态工频电流几乎为零，某些条件下是 稳态工频电流和暂态电流的叠加。由此可见，单纯基于稳态分析的选线方法准确 率受到限制。而且，配电网络故障条件复杂多变，如系统中性点补偿度、各条出 线长度、故障点位置、过渡电阻大小、短路点电弧的发展等，这些条件的组合， 使得在一种故障情况下工作良好的装置，在另一种情况下可能失效。因此，小电 流接地系统单相接地保护看似简单易行，但实践证明是十分复杂的，这也是一些 国家不采用中性点非有效接地方式的主要原因之一。但毕竟小电流接地系统有着 得天独厚的优越性，并在我国及其它国家被广泛采用，探索一种故障判别准确率 高的计算方法成为当务之急。 小电流接地系统发生单相接地故障时，由于系统对地电容与故障点之间的充 放电，将产生振幅比稳态基频大许多倍的高频暂态分量，此过程包含有丰富的故 障信息。当系统发生电弧接地故障时，每起弧一次均有暂态分量出现且其零序高 频衰减电流幅值很大，容易被测量。随着小波理论在电力系统中的广泛应用与信 安徽理r 大学硕十论文 号处理技术的发展，使得基于暂态信号的检测方法成为研究的热点 2 1 绪论 1 1 国内外研究状况 1 1 1 国内外发展状况回顾 1 绪论 在原苏联，小电流接地系统获得了广泛应用，并对其保护原理和装置的研究 给予了很大的重视，研制了几代装置，在供电和煤炭行业中得到了应用，保护原 理也从过流、无功方向，发展到群体比幅；装置由电磁式继电器、晶体管发展到 模拟集成电路和数字电路，而微机构成的装置则较少“一。 在日本，小电流接地系统在供电、钢铁、化工用电中应用较为普遍，小电流 接地系统多是中性点不接地系统和中性点经高电阻接地系统，因此，选线原理较 为简单，采用了基波无功方向继电器近年来，在如何获取零序电流信号以及接 地点分区段方面投入了不少力量，利用光导纤维研制的架空线和电缆零序互感器 0 z c t 试验获得成功“。 在欧洲和美国，小电流接地系统中单相接地保护被认为难于实现，且引起的 过电压严重，因此他们宁愿在供电网架结构上多投资以保证供电可靠性，也不采 用此种接地方式，但是近年来i e e e 的专题报告中也认为应当加强小电流接地系统 的保护研究“，。 德国多使用中性点经消弧线圈接地系统，并于3 0 年代就提出了反映故障暂态 过程的单相接地保护原理，研制了便携式接地报警装置阿；而挪威一公司则利用 测量空间电场和磁场的相位，反应零序电压和零序电流的相位，研制了悬挂式接 地指示器，分段悬挂在线路和分叉点上。 上世纪9 0 年代以来，随着法国、波兰等欧洲国家逐濒将中压电网由中性点经 低阻接地方式改为谐振接地方式，国外多家电力公司对小电流接地保护装置进行 了深入研究和现场实验。如法国电力公司( e d f ) 应用有功电流法开发出d e s i r 保护 装置；波兰某电力公司应用零序导纳法研制了导纳接地保护装置。这些保护装置 已在国内推广应用，到1 9 9 6 年为止，已有多套投入中压电网运行”。 1 1 2 国内研究现状 国内对于小电流接地系统单相接保护原理和装置的研究自1 9 5 8 年以来从未 间断，保护方案从零序电流过流保护到无功方向保护，从基波方案发展到五次谐 波方案，从步进式继电器到微机群体比幅比相以及近期出现的注入法和人工智能 3 一 安徽理工大学硕士论文 方法等。 随着选线理论的发展，各种选线装置也相继问世。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。7 0 年代后期，上海继电器厂和许昌继电器 厂等单位研制生产了反跃中性点不接地系统零序功率方向的z v - 4 型保护装置和 反映经消弧线圈接地系统五次谐波零序功率方向的z d 一5 ，z d 一6 ，z i ) - 7 型保护装 置。8 0 年代中期，我国又研制成功了微机型小电流接地系统单相接地选线装置。 近几年来，随着选线理论和微机技术的不断发展，又出现了一批新的选线装置， 如基于“s 注入法”的选线装置、残流增量法微机选线装置等。 目前人们意识到单一的选线方法无法满足实际需要，因此选线装置的研究都 趋向于综合选线方法，即利用各种选线方法的优点，如暂态、稳态、谐波等综合 分析方法来提高选线精度。虽然小电流接地选线装置已经历了多次的更新换代， 选线算法不断改进，但在实际应用中效果都不甚理想，所以此问题还有待于进一 步研究 1 2 各种选线原理的分析 现有的选线方法有稳态分量法、暂态分量法、注入信号法、综合法等方法。 其中基于稳态分量的选线方法包括零序电流比幅法、零序电流比相法、群体比幅 比相法、五次谐波分量法、有功分量法，能量函数法、最大a ( i s i n 办原理等方法； 基于暂态分量的选线方法包括零序暂态电流法、首半波法、小波法、暂态能量法； 基于注入法的选线方法包括s 注入法、注入变频信号法等方法；综合法包括模糊 神经网络法、基于小波包变换的模糊神经网络法、模式识别和多层前溃神经网络 法、证据理论法、粗糙集理论法等方法。 1 2 1 基于稳态分量的选线方法 ( 1 ) 零序电流比幅法 当中性点不接地系统发生单相接地故障时。流过故障线路的稳态零序电流在 数值上等于所有非故障线路对地电容电流之和。故障线路上的零序电流最大，通 过零序电流幅值大小比较就可以找出故障线路。在以往实现上，采用。绝对整定 值”原理，利用零序电流i 。与整定值i ：做比较，整定值i ：一般大于系统内任何一 条出线的电容电流值，如果i 。小于整定值i ：，极化继电器不动作：如果i 大予整 定值i ：。极化继电器动作，信号显示该回路的编号，选线完成。但是由于系统可 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，当这条线路发生 一4 - l 绪论 接地故障时，就会出线拒动的情况现在使用较多的是群体比幅法，应用微机技 术采集并比较接地母线所有出线上的零序电流，将幅值最大的线路选为故障线路， 由于不需设定门槛值，群体比幅法提高了检测可靠性和灵敏度，但是在母线故障 时会出现误判断，并且一旦故障点出线间歇性拉弧现象，没有一个稳定的接地电 流，也会导致选线失败。对于谐振接地系统来说，由于谐振接地系统中消弧线圈 补偿电流的存在，往往使故障线路电流幅值小于非故障线路，因此零序电流比幅 法不适用于谐振接地系统。 ( 2 ) 零序电流比相法 当中性点不接地系统发生单相接地故障时，流经故障线路的稳态零序电流的 方向是从线路流向母线；流经非故障线路的稳态零序电流的方向是从母线流向线 路。通过比较零序电流的方向就可以找出故障线路这种方法在故障点离互感器 较近、线路很短、高阻接地等情况发生时，测量到的零序电压和零序电流较小， 相位判别较困难，可靠性低对于间歇性接地故障来说，零序电流畸变严重，难 以计算相位，容易出线误判。对于谐振接地系统来说，因为在过补偿或完全补偿 状态下。故障线路的零序电流方向于非故障线路相同，因此零序电流比相法不适 用于谐振接地系统。 ( 3 ) 群体比幅比相法 这种方法多用于中性点不接地系统，使用幅值大、波形稳定的零序电压作为 参考正方向，监视零序开口电压，当零序开口电压大于电压闭锁设定值时，启动 采样，进行快速傅立叶分解，按基波或五次谐波排队，取幅值较大的前三个零序 电流进行比相，如果其中某个与其它两个相位相反，则为故障线，否则为母线故 障嘲选择幅值较大的零序电流迸行相位的比较，在一定程度上避免了系统因受 过渡电阻大小及电流互感器不平衡等因素影响面导致的选线错误。但是当线路较 短或者遇到故障点经过高阻接地等情况发生时，零序电流较小，其相位误差将很 大，可能导致选线错误。 ( 4 ) 五次谐波法 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 的补偿作用丽失效。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 - 5 - 安徽理工大学硕士论文 电容对五次谐波所呈现的容抗却是基波的1 5 ，因此消弧线圈对五次谐波的补偿 作用很小，可以忽略其影响。因此，故障线路的五次谐波零序电流幅值比非故障 线路大且方向相反，由此可以选择故障线路呻1 。为了进一步提高灵敏度，可将各 线路的3 ，5 。7 次等谐波分量的平方求和后进行幅值比较，幅值最大的线路选为 故障线路。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 准确性多次谐波平方和法虽然能在一定程度上克服单次谐波信号小的缺点，但 并不能从根本上解决问题。 ( 5 ) 有功分量法 由于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，由于线路的有功 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为了提高灵敏度，有的装置采用瞬时在消弧 线圈上并联接地电阻来加大故障电流的有功分量，这种做法带来的问题是接地电 流增大，加大对故障点绝缘的破坏，很可能导致事故扩大，对电缆线路来说，这 一问题尤为严重。 ( 6 ) 能量函数法 当中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，由于消弧线圈的补偿作 用，故障线路的零序电流方向和非故障线路的方向相同，不易选线。，但是由于电 感和电容只是存储能量，在整数倍工颏周期内能量差为零，只有线路的电阻和对 地导纳才消耗能量，零序电流中的阻性分量与补偿无关，可得零序能量函数判据： 定义中性点电压u 与线路的零序电流i 。乘积的积分为该线路的零序能量函数。根 据零序电流的参考方向和零序阻性电流的特点，可得故障线路的能量为负，非故 障线路的能量为正，且故障线路的能量绝对值最大“” 以中性点电压u 与线路的零序电流i 。乘积的积分为该线路的零序能量函数 6 - l 绪论 没有反映出故障相电压的变化情况。当发生金属性接地故障时，故障相电压降为 零，中性点电压上升到相电压，此时零序能量函数法有较高的分辨率；但是当接 地电阻很大时，故障相电压下降不多，中性点电压幅值较小，线路零序电流也很 小，此时零序能量函数法不能很好的判别故障线路。改进的零序能量函数法采用 中性点电压与故障相电压的差替代中性点电压来求零序能量函数，以能量曲线的 斜率来判断故障线路，如果各条线路的能量曲线斜率符号相同则无故障或者发生 母线接地故障，此时如果中性点电压幅值超过相电压的1 5 则为母线接地故障； 如果有线路能量曲线斜率与其它线路的能量曲线斜率符号不同，那么该线路为故 障线路“”零序能量函数法和改进的零序能量函数法都没有考虑到测量误差和电 流互感器不对称引起的零序不平衡电流，选线正确率受到限制。 ( 7 ) 最大a ( 1 s i n 们原理 最大a ( i s i n 劝原理 1 4 是：把所有线路故障前、后的零序电流都投影到故障 线路零序电流方向上，计算出各线路故障前、后的投影值之差，然后找出差值的 最大值，即最大a ( i s m 力。显然，当差值的最大值大于零时，对应的线路为故障 线路。这种方法的本质是寻求最大零序无功功率突变量的代数值，从理论上基本 消除了c t 不平衡的影响，但也有两个缺陷：计算过程中需选取一个中间参考正弦 信号。如果该信号出现问题，如发生p t 断线、交流电源失压等，将造成该算法失 效；此外，这种算法在计算过程中需求出有关向量的相位关系，计算量很大 1 2 2 基于暂态分量的选线方法 ( 1 ) 零序暂态电流法 对于放射形结构的电网，暂态零序电流与零序电压的首半波之间存在着固定 的相位关系。在故障线路上两者的极性相反，在非故障线路上两者的极性相同， 由此可以检测出故障线路“”。这种方法可用于经过渡电阻接地、弧光接地等情况。 但在电压过零短路时，暂态过程不明显，此法不适用。 ( 2 ) 首半波法 当故障发生在相电压接近于最大值瞬间时。暂态电容电流比暂态电感电流大 很多，所以说故障初期，电感电流和电容电流是不能相互补偿的，其暂态接地电 流的特征主要是由暂态电容电流的特征所决定零序电流和零序电压首半波之间 也存在着固定相位关系，对于放射性结构的电网而言，故障线路两个零序量极性 相同，在非故障线路上两者极性相反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 7 安徽理工大学硕士论文 流与正常线路零序暂态电流极性相反“”但当单相接地故障发生在电源电压过零 时，电流的暂态分量值很小时，易引起极性误判。 ( 3 ) 小波法 小波变换是一种信号的时间一频率分析方法，是一种窗口大小固定不变但形 状可以改变，时间窗口和频率窗口都可以改变的时频局部化分析方法。小波交换 的极大值检测法是多尺度边缘检测，多尺度边缘检测是在不同尺度上先对信号进 行平滑，再由光滑信号的一阶导数检测信号突变点。由小波变换的极大值检测法 可知，当信号出现突变时，其小波变换后的系数具有模极大值，而且极性与信号 的突变方向相同。应用小波变换对采集到的故障信号进行数据处理，求得各线路 上零序电流的小波变换模极大值特征、选择合适的小波系数阈值，如果某线路l i 上零序电流的小波模极值大于其它线路上零序电流的小波模极值，并且同一时刻 线路l i 上零序电流的小波模极值极性与其它线路相反，可判断l i 为故障线路； 如果各线路上零序电流的小波模极值极性都相同，则为母线故障“”小电流接地 屯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。 ( 4 ) 暂态能量法 为了有效减小测量误差和电流互感器不对称等因素的影响，定义每条线路的 零序暂态能量增量为单相接地故障前后的中性点电压和线路零序电流的差值乘积 在一个工频周期内的积分。监视中性点电压发现单相接地故障发生后，分别计算 各条线路的暂态能量增量。如果某一条线路的暂态能量增量为负数，并且绝对值 最大，则这条线路为故障线路；如果所有线路的暂态能量增量均为正，则判断为 母线故障“”由于暂态过程持续时间较短，实现起来对硬件的要求较高。 1 2 3 基于注入信号的选线方法 ( 1 ) s 注入法 s 注入法选线原理不利用单相接地故障产生的信号。而是向系统注入外部信 号进行选线通常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间， 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 8 1 绪论 号的线路即故障线路“”s 注入法利用处于不工作状态的接地相电压互感器注入 信号，不增加次设备，不影响系统运行。但是注入信号法也存在着一些问题： 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 高阻按地对。注入信号微弱面不易检测；弧光接鲍时谐波含量丰富，注入信号极 易受到干扰。 ( 2 ) 注入变频信号法 注入变频信号法根据故障后位移电压大小的不同，选择向消弧线圈电压互感 器副边注入谐振频率恒流信号还是向故障相电压互感器副边注入谐振频率恒流信 号，如莱位移电压较低，则从消弧线圈电压互感器注入谐振频率恒流信号，如果 位移电压较高。则从故障相电压互感器注入谐振频率恒流信号。监视各条出线上 注入信号产生的零序电流功角、阻尼率的变换，比较各条出线阻尼率的大小，再 根据线路受潮及绝缘老化等因素得出选线判据。但是当接地电阻不太大时，信 号电流大部分都经故障线路流通，导致非故障线路上阻尼率误差较大 1 2 4 综合法 ( 1 ) 模糊神经网络法 模糊神经网络具有模糊信息处理能力，文献 2 1 采用相对成熟的零序电流群 体比幅比相法和能量函数法的结合，对其作算法上的改进并取得样本，通过模糊 神经网络中的极大一极小神经网络进行训练，利用多层训练的收敛结果作为选线 的判据。这种方法对电网结构和系统运行方式没有依赖性，而且比较特征量明显， 选线准确率高。 ( 2 ) 基于小波包变换的模糊神经网络法 文献 2 2 利用小波包分解教薄暂态信号，将信号分解成不同频带约信号，根 据这些频带信号激励模糊神经网络，利用经过接地后零序电流训练的模糊神经网 络来判别接地线路。这种方法不受负荷谐波、暂态过程、故障点过渡电阻等因素 的影响。 ( 3 ) 模式识别和多层前溃神经网络法 文献 2 3 2 4 提出用统计模式识别中基于最小错误的贝时斯决策方法和入工 神经网络方法进行选线这种方法将故障后各线路零序电流看作某类故障的一个 模式，通过人工神经网络的训练与学习来判断故障模式，实现故障选线。 ( 4 ) 证据理论法 采用多重故障信息融合选线，利用单相接地故障在电网中表现出的多方面的 9 安徽理工大学硕士论文 特征，构造多个选线判据，对多判据提供的故障信息进行融合，得到准确的选线 结果。文献 2 5 对故障量进行特征提取，并按一定的算法进行计算，最终给出各 条线路可能是故障线路的支持程度，即故障测度，选线结果由证据理论对这些判 据提供的故障信息进行综合与决策而得出 ( 5 ) 粗糙集理论法 文献 2 6 提出应用粗糙集理论对故障样本集进行数据挖掘和知识发现，确定 各种选线方法的有效域。这种方法以决策表为主要工具，对故障样本数据的信号 特征进行离散化处理，对冗余信息进行知识简约，最终获得故障信号特征与选线 方法之间的决策规则；对于不协调决策规则通过概率的表达形式进行有效处理。 粗糙集理论能准确得到各种选线方法的有效域，为选线方法的智能融合奠定了良 好的基础。 1 3 论文的主要工作 针对目前小电流接地系统故障选线装置普遍存在的缺陷和需要解决的问题， 本课题对小电流接地系统单相接地故障选线方法进行研究。目的是为选线装置地 研制提供理论依据和技术支持 本文研究配电网发生单相接地时，如何确定故障线路配电网发生单相接地 故障时，由于系统对地电容与故障点之间的充放电，将产生振幅比稳态基频大许 多倍的高频暂态分量，此过程包含有丰富的故障信息。小波变换能对信号不同的 频域成分采用逐步精细的采样步长，聚焦到信号的任意细节，特别适合分析奇异 信号。近年来，小波由于其时频窗口的灵活性在电力系统故障信号处理中得到广 泛应用研利用小波分析配电网发生单相接地时产生的暂态突交信号，能弥补 基于稳态信号选线原理的不足，更好的解决小电流接地系统单相接地故障选线问 题。 本文主要研究内容包括： ( 1 ) 在了解国内外配电网故障选线研究工作的基础上，对各种方法存在的问题 进行了探讨，为本文提出新的选线方法奠定了必要和可靠的研究依据 ( 2 ) 在分析小电流接地系统发生单相接地故障时的暂态和稳态过程电气量特 征的基础上，利用m a t l a bs i m u l i n k 建立小电流接地系统单相接地故障的模型， 研究系统在不同运行方式下发生单相接地故障时零序电流的特征； ( 3 ) 提出剔除线路谐振状态的频带，利用小波包良好的分频特性，以适当带宽 对故障后线路的暂态零序电流进行分解，得到其在不同频带下的输出。然后，按 1 0 i 绪论 照能量最大的观点确定线路故障特征最明显的频带。根据故障线路暂态电容电流 的极性与非故障线路不同的原理，当各条线路特征频段一致时，通过比较各线路 暂态零序电流在该频段下小波包分解结果的极性来实现故障选线；当各条线路特 征频段不一致时，依次选取各线路的特征频段，比较各线路零序电流在此频带下 模极值的大小和极性，最后综合各频带的比较结果来实现故障选线。此方法针对 各线路故障奇异量频率分布的不同情况，在有效频带内自适应地选择故障特征最 明显的频带进行分析和比较，因而能够更加有效的利用故障奇异信息i 解决了奇 异量选线判据中频带选择盲目性问题，提高了奇异量故障选线的准确性。 ( 4 ) 如果故障发生在相电压过零点附近，暂态过程不明显，则在低频段下对各 线路的零序电流进行小波重构，通过比较重构后的信号来实现选线。 ( 5 ) 通过选择不同故障时刻、过渡电阻、故障点进行仿真，结果表明该方法受 故障点位置、过渡电阻等因素影响较小，具有可靠性高、抗干扰能力强的特点， 适用于中性点不接地和经消弧线圈接地的配电网，具有重要的理论意义和一定的 实用价值。 安徽理f ：人学硕十论文 2 小电流接地系统单相接地故障过程分析 2 1 小电流接地系统单相接地故障时的稳态过程枷 在对小电流系统进行故障分析前，为了突出主要问题并简化分析，提出合理 的假设； 丘，此时易中不仅含有有功分量，同时含有容性无 功电流分量，其值较前明显增大，其相位超前于玩。 ( 3 ) 芦补偿v = o ，丘z 厶，故图9 中的也与工可以不考虑，这样，利用l o ，c ，组成的串联 回路和作用于其上的零序电源电压“。，便可确定暂态的电容电流毛 根据函9 ，不难写出下面的微分方程式 r t + 厶鲁+ l i i c d ，= ( ，s i n ( a x + 力( 2 - 1 8 ) 斤一 当风 2 、詈时回路电流的暂态过程具周期性的振档衰减特性：当 一1 9 安徽理工大学硕士论文 民2 j 詈时，回路电流则具有非周期性的振荡衰减特性，并逐渐趋于稳定状态 因为通常架空线路的波阻抗为2 5 0 5 0 0o ，同时，故障点的接地电阻一般较 厅一 小，弧光电阻又常可忽略不计，一般都满足焉 2 、专；条件，所以，电容电流具 有周期性的衰减振荡特性，其自由振荡频率一般为3 0 0 1 5 0 0 h z ，电缆线路的电 感远较架空线路小，面对地电容却较后者大许多倍，但一般电缆线路仍满足 r 岛 吮。关于 的具体数值，可根据所用消弧线圈的磁化曲线确定，根 据实测结果，乃= 2 5 4 ，所以首个半波的最小自感系数k 为： 上= 工争= ( o 5 0 s ) l ( 2 3 5 ) 消弧线圈的铁心在饱和状态下，其电感电流中便会有暂态电流分量，进而加 剧了饱和程度，使电感量进一步下降，因而时间常数也随之减小，如此便加速直 流分量衰减。利用由式( 2 3 1 ) 求出的磁通随时间的变化曲线，再从磁化特性曲线 上查出与该磁通对应的电流值，便可求出电感电流的变化过程。 运行中的补偿电网，在正常情况下存在一定的位移度 。 1 5 ) ， 即：虮( o ) 0 ，当儿( 0 ) 的方向与暂态过程的虮同相时，会使吮，九同时增大， 假设= 1 0 ，则坑- 2 0 5 ，t l = 5 6 ，若材。大于上述值，则，l 数值有所增加，根 据实测结果，九的最大值曾达9 5 此外，由于消弧线圈铁心的饱和，电感电流中不可避免地会有一定的高次谐 波分量，其值随铁心饱和程度的不同而定。若其伏安特性曲线在1 1 5 u 。以下保持 2 3 安徽理：c ，k 譬硕士论文 线性关系，则补偿电流中的高次谐波分量可以忽略不计。理论分析实测结果表明， 电感电流暂态过程的长短与接地瞬问的电压相角、铁心的饱和程度有关。若伊* 0 ， 则电感电流的直流分量较大时问常数较小，大约在一个工频周波之内便可衰减 完毕。若p * z 1 2 则暂态直流分量较小，时间常数较大，一般为2 3 周波，有时 可持续3 5 周波，而且其频率和工频相同。这同样说明，自动消弧线圈的晌应 时间越短越好 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，其特性随两者的具 体情况而定。从上面的分析可知，虽然两者的厂c 与九相差不大，但频率却差别悬 殊，故两者不可能互相补偿所以，工频状态下残流、失谐度和合谐度等概念， 在分析暂态a 题时均不能应用。在暂态过程的初始阶段，暂态接地电流的特性主 要由暂态电容电流的特性所决定。为了平衡暂态电感电流中的直漉分量。于是暂 态接地电流中便产生了与之大小相等、方向相反的直流分量，它虽然不会改变接 地电流的首半波的极性，但对幅值却能带来明显的影响。 关于暂态接地电流屯的数学表达式，可由式( 2 1 9 ) ，( 2 - 3 0 ) 推导出来，其值 为： i 口= i c + f = ( j 抽一j i 。) 疽瑶+ t p ) + 。， 一上 一上 ，c 。( 兰 s i n 妒s i nt o t c o sc o o st o t ) er c + i 上一c a d s9 e ( 2 - - 3 6 ) l 工， 式( 2 3 6 ) 中的第一项为接地电流稳态分量，等于稳态电容电流和稳态电感电 流的幅值之差；其余为按地电流的暂态分量，其值等于电容电流的暂态自由分量 与电感电流的暂态直流分最之和。 综合以上分析可知，当单相接地故障发生后，在故障点便有衰减很快的暂态 电容电流和衰减较慢的暂态电感电流流过在谐振接地方式下，暂态接地电流的 幅值和频率均主要由暂态电容电流所确定，其幅值同时和初始相角有关 至于暂态电流中的电感电流，其直流分量的初始值与初始相角、铁心的饱和 程度同时有关。暂态电感电流的频率与工频相等，持续时间一股可达2 3 个工频 周波。为了平衡该直流分量，接地电流中也伴随产生大小相等、方向相反的直流 分量，它只增大暂态按地电流的幅值。如果因某种原因而电弧不能很快熄灭。则 需待直流分量衰减完毕后进入工频状态在这一状态下，当工频电流过零时，接 地电弧依然有机会自行熄灭 2 4 2 小电流接地系统单相接地故障过程分折 另外，小电流接地系统中的其它两种接地方式：中性点不接地和中性点经电阻 接地。单相接地故障时的暂态过程相对上面介绍的谐振接地系统简单。与上面谐 振接地系统的分析类似，可以得到如图1 0 和图1 l 所示的另两种接地方式下，单 相接地时暂态等值回路。从匿中，我们可以看到，对于中性点不接地方式，仅相 当于将图9 中的r ，工回路开路；对于中性点经电阻接地方式，相当于将图9 中的r ，工回路的阻抗值改成接地电阻值。因此两种接地方式的分析较谐振接地 简单，并可以以上面的分析为基础。这里不再赘述了。 国1 1 中性点经电阻接地系统暂杰等效电路 f i g 1 1t h ee q u i v a l e n tc i r c u i t o f n r s 通过以上分析，得出故障暂态分析的结论： ( 1 ) 当单相接地故障发生后，不论中性点不接地系统还是中性点经消弧线圈接 地系统，故障初期的暂态电流的幅值和频率主要由暂态电容电流所确定，其幅值 和初始耜角有关。当故障发生在相电压接近予最大值的瞬间时，电容电流有最大 值，当故障发生在相电压瞬时值为零的附近，电容电流的暂态分量相对很小 ( 2 ) 线路故障时，所有非故障线路的零序电流方向相同，均由母线流向线路： 而故障线路的零序电流方向相反，即由线路流向母线，且故障线路的暂态零序电 流的幅值较非故障线路大：母线故障时，所有线路的零序电流的极性都相同，即 2 5 安徽理工大学硕士论文 各线路零序电流都从母线流向线路：暂态电流的数值较稳态值大很多，且持续时 间短 2 3 暂态电流相频特性分析及s f b 的选取删 2 3 1 暂态电流相频特性分析 对于共有n 条线路的系统，假设其中第i 条线路发生单相接地故障，线路模 型取分布参数模型，建立零序网络模型如图1 2 所示。图中，r ，厶，c o 分别为 线路单位长度零序电阻、电感、电容；d j 为第，条线路的检测点；l 为消弧线圈 电感；砜为故障点虚拟电源在零序网络上的压降；开关s 的