（电力系统及其自动化专业论文）基于小波包能量分析的小电流接地故障选线研究.pdf

奎三些奎耋三兰塑圭兰竺鎏兰 a b s tr a c t n e u t r a la n e f f e c t u a lg r o u n d e d s y s t e m a r e w i d e l yu s e di np o w e rd i s t r i b u t i o n n e t w o r ki nc h i n a t h es i n g l e p h a s e t og 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 y i n d i s t r i b u t i o nn e t w o r k d u et ot h es m a l lf a u l tc u r r e n ta n du n o b v i o u sf a u l tf e a t u r e sa f t e r s i n g l ep h a s e t o g r o u n df a u l t ，i te a s i l yl e a d st ot h ew r o n gd e t e c t i o no ft h ef a u l tl i n e e s p e c i a l l yf o rt h ea r cs 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 ，t h er e m n a n t sc u r r e n to ft h e g r o u n d e dp o i n to nf a u l tl i n ei sv e r yt h i n ，a n dt h ep h a s ei ss o m e h o wc h a n g e d ，t h u s ，i t s m o r ed i f f i c u l tt od e t e c tt h ef a u l tl i n ei np e t e r s o n c o i lg r o u n d e ds y s t e m t h ep r o b l e m o ff a u l tl i n ed e t e c t i o nh a sb e e ns t u d i e df o ry e a r si no u rc o u n t r ya n da b r o a d ，h o w e v e r ， i ts t i l lh a sn o tb e e ns o l v e dp e r f e c t l y , w h i c hh a ss e r i o u s l yb l o c k e dt h ed e v e l o p m e n to f r e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l ya n da u t o m a t i o nl e v e ro fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k f i r s t l y ，i nt h i sp a p e r ，t h es t a b l ea n dt r a n s i e n tf e a t u r e so fs i n g l ep h a s e t o g r o u n d f a u l ti na n - e f f e c t u a lg r o u n d e ds y s t e ma r ed e e p l yr e s e a r c h e da n da n a l y z e di nt h e o r y ， a n dc o m b i n ew i t ht h et h e o r yw a v e l e tp a c k e t s ，an e ww a yi s p u t t e df o r w a r df o r d e t e c t i o no ft h ef a u l tl i n eb a s e do nw a v e l e tp a c k e t sa n dt h ec o m p a r eo fe n e r g y f i r s t p a r a l l e l am e d i u mr e s i s t a n c e i n s t a n t l yw i t ht h ea r cs u p p r e s s i o nw h e nt h ef a u l ti s h a p p e n i n gt oi n c r e a s et h et r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c ，a n dt h e no b t a i na l lt h ee n e r g yo f e v e r yl i n eb yi n t e g r a lo p e r a t i o nt op r e p a r a t o r yd e t e c tt h ep o s s i b l el i n e ，i nt h ee n d ，o n t h i s b a s e ，d e c o m p o s ea l l t h et r a n s i e n tz e r os e q u e n c ec u r r e n t si n e v e r yl i n eb y s e p a r a t i o nb a s e do nn i c e rs e p a r a t ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co fw a v e l e tp a c k e t s d e t e c t t h ep o l a r i t ya n ds i z eo fd i f f e r e n t i a lc o e f f i c i e n tf o re v e r yz e r os e q u e n c ec u r r e n t ，w h e n t h el i n ew h i c h sp o l a r i t yi sc o n t r a r yt oo t h e r sa n di t ss i z ei sm a x i m u m ，t h e ni tc a nb e d e t e c t e dt r u l yt h a ti ti st h ef a u l tl i n e t h ee n e r g yi n t e g r a la n dt h er i s i n gw a v e l e tp a c k e t si sc o m b i n e di nac r e a t i v ew a y i nt h i sp a p e r i ti st e s t i f i e db yag r e a td e a lo fe x a m i n a t i o n sw i t hs i m u l a t i o nt h a tt h i sw a yc a n m o r ee f f i c i e n t l yu s et h et r a n s i e n ti n f o r m a t i o ni nt h ep r o c e s so ff a u l t ，i tc a no v e r c o m e t h ef a i l u r ei nt h ei d e n t i f yo ff a u l ti n f o r m a t i o nb e c a u s eo fd i s t u r b e r sa n dm e a s u r e 捕要 e r r o r s ，i tc a ng r e a t l yi n c r e a s er e l i a b i l i t yo ff a u l td e t e c t i o nf o rl i n e ，i t a l s od o e s n t i n f l u e n c e db yt r a n s i e n tr e s i s t a n c ea n dt h ei n i t i a lp h a s eo ff a u l ta n dt h ec o m p e n s a t o r y s i z eo fn e u t r a l ，i tc a ns u r e l ya n du n f a i l i n g l yd e t e c tt h ef a u l tl i n ei ne v e r ys t a t e d i n s t a n c e ，s ot h i sw a yh a sw i d ea p p l i e df o r e g r o u n da n dg o o da p p l i e dw o r t h k e yw o r d s ：w a v e l e tp a c k e t s ：f a u l t1 i n ed e t e c t i o n ：d e t e c t i o no fd i f f e r e n t i a l c o e f f i c i e n t 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所里交的论文是我本人在导 师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含 本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学期间在导师的指导下取得的，论文成果 归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承当一切相关责任，特此声明。 5 l 指导教师签字： 桫哗 论文作者签字：才新说 2 0 0 7 年5 月l o 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 我国6 3 5k v 的配电网中性点普遍采用不接地或经消弧线圈接地方式，属于 中性点非有效接地电网。此种接地电网发生单相接地故障时不形成短路回路，只 是经过线路对地电容形成较小的电流通路，电网电压仍然对称。规程规定，中性 点非直接接地系统发生单相接地故障时由于线电压的对称性及故障电流较小，电 网可以继续运行l 2h 。但中性点非直接接地系统发生单相接地故障时，非故障 相对地电压有不同程度的升高，而且间歇性弧光接地可能引起电弧接地过电压， 对系统绝缘有威胁。同时随着系统线路的增多、增长，电容电流会增大，这些容 易导致单相故障扩大为2 点或多点接地故障。因此应该尽快确定故障线路，尽快排 除故障。由于单相接地电流小，而且不同的小电流接地系统的情况是多变的，这 样就使得故障线路的检测变得困难，虽然经过多年的研究，但是目前还没有一种 完善的选线方法，这样就严重地阻碍了配电网自动化水平的提高和供电可靠性。 因此，寻找更加可靠的故障选线方法，对于我国电力系统的稳定运行和配电网自 动化水平的提高有着重要的意义。 1 2 小电流接地系统故障选线的国内现状 1 2 1 利用稳态电气量特征提供的故障信息构成的选线方法 1 2 1 1 基于基波的选线方法 ( 1 ) 零序电流比幅法 这是利用故障线路零序电流比非故障线路零序电流大的特点来选择故障线路 通过比较同一母线上所有出线的零序电流，幅值最大者为故障线路我国早期的选 广东工业大学工学硕士学位论文 线装置大部分采用这种方法。这种原理在中性点不接地系统中有效，在谐振接地系 统中失效 ( 2 ) 零序功率方向法 在中性点不接地系统中，故障线路零序电流滞后零序电压9 0o ，非故障线路零 序电流超前零序电压9 0o ，也就是说故障线路和非故障线路的零序电流相位上相 差1 8 00 利用这一特点就可以选出接地线路 i j 。2 0 世纪7 0 年代，上海继电器厂和许 昌继电器厂等单位研制生产的z d 系列接地保护装置，就是基于这种方法来发出信 号的。但是这种方法在谐振接地系统中也失效。 ( 3 ) 群体比幅比相法 其原理是先进行比较，选出几个幅值较大的作为候选，再在此基础上进行相 位比较，选出故障方向与其他不同的即为故障线路。 ( 4 ) 零序导纳法 从分析中性点不接地或经消弧线圈接地电网故障前后各线路测量参数的思路 出发，导出了在故障时测得的故障线路零序导纳与实际零序导纳不同、非故障线 路与实际导纳相同的结论，对小电流故障进行接地选线，即：将各线路实际零序导 纳的大小、相位记忆下来，与故障时测得的各线路的零序导纳大小、相位相比较， 导纳大小或相位发生变化的线路即为故障线路：若所有线路都未发生变化，则判为 母线故障。零序导纳法的关键是准确地测量线路的实际零序导纳l “。 ( 5 ) 有功电流法 单相接地故障时，非故障线路的零序测量导纳等于线路自身导纳，而故障线 路零序测量导纳等于电源零序导纳与非故障线路零序导纳之和的负数i 3 j 。因此， 接地保护是通过区分馈线本身非故障时和故障时的测量导纳然后选出接地线路由 我国山西晋能北洋高新技术开发公司研制的r s l 数字线路保护装置，就是基于零序 导纳法的选线装置，并且吸收了同类机型的优点1 4 1 。 ( 6 ) 零序电容电流补偿法 利用系统中出现的零序电压，对每一条出线的零序电流进行补偿，补偿的大 小为本线路的零序电流的大小，方向为线路流向母线。从而使非故障线路的零序 电流为零，而故障线路的零序电流则为所有线路零序电容电流之和或系统经消弧 线圈补偿后的零序电流。因此可以判定，经补偿后零序电流为零或近似为零的线 路为非故障线路。不为零的线路为故障线路。实现该方法的关键在于准确获得各 2 第一苹绪论 条被检测线路所需的零序补偿电流。为保证此计算结果的准确性，提出了三种整 定计算方法。该法易在微机保护中实现，且选线性能基本上不受线路长度和过渡 电阻的影响。 ( 7 ) 相间工频电流变化量法 分析故障前后各相电容电流变化特点，可知：非故障元件的各相电容电感电 流的工频变化量相同，各相之间电容电感电流工频变化量的差值为零；而故障元 件的故障相电容电感电流的工频变化量与非故障相电容电感电流的工频变化量的 差值为电网总电容电流的p 倍。据此，将两相电流的工频变化量的差值与另外一相 电流的工频变化量的大小( 或一个定值) 进行比较即可构成反映中性点非直接接地 时的相间工频变化量保护。此法无须考虑出线元件的对地电容参数来进行整定， 因此其动作灵敏度和可靠性都有较大的提高。 ( 8 ) 有功分量法 在使用自动跟踪消弧电抗器的中性点非直接接地中，非故障线路不与消弧线 圈构成低阻抗回路，而故障线路经接地点与消弧线圈构成低阻抗回路，所以其零 序电流中包含有流过r n 的有功电流( r n 为与消弧线圈串联的非线性电阻) ，显然故 障线路的有功电流明显大于非故障线路的，因此通过检测各线路零序电流中有功 分量的大小，有功功率最大的线路即为接地线路。 1 ，2 1 2 基于谐波的选线方法五次谐波电流法 系统发生单相接地故障时，存在故障电流中的谐波信号以五次谐波为主。由 于消弧线圈是按照基波整定的，因此可以忽略消弧线圈对五次谐波产生的补偿效 果，而且零序电流五次谐波分量在消弧线圈接地系统中有着与中性点不接地系统 中零序电流基波相同的特点。因此可以通过比较故障电流五次谐波分量的方向或 者幅值，就可以解决【5 j 。当系统中存在谐波污染和弧光引起多次连续过渡过程时， 此法失效，在这种情况下，可利用相位重判和小波技术来改善谐波电流接地保护。 由于五次谐波信号微弱以及系统母线t v 和零序t a 误差导致的五次谐波信号的失 真，使得这种传统保护选线方法可靠性不高。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 2 利用暂态电气量特征提供的故障信息构成的选线方法 ( 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问存在着固定 的相位关系。在故障线路上两者的极性相反，而在非故障线路上，则两者的极性 相同，借此可以检出故障线路。此法的特点是对故障反应迅速。经过渡电阻接地， 谐波污染，弧光引起的多过渡过程此法均适用。但在电压过零短路时，暂态过程 不明显，此法不适用。要说明的是此法在环网结构中的选择性问题还有待进一步 研究 ( 2 ) 能量法 将接地后零序电流和电压构成能量函数：s o j ( ，) = j “。( 力乇( 力疵( j 2 l ，2 ，n ) 非故障线路的能量函数总是大于零，消弧线圈的能量函数与非故障线路极性相同 网络上的能量都是通过故障线路传送给非故障线路的，因此故障线路的能量函数 总是小于零，且其绝对值等于其他线路( 包括消弧线圈) 能量函数的总和。通过比 较能量函数的方向和大小可判别接地线路帕1 。此法不受负荷谐波源和暂态过程的 影响，对n e s 其灵敏度更高，在低采样率时s 。，仍具有明确的方向性，易于实现。 但此法分析的依据是线性系统中的叠加定理，而电力系统往往是非线性系统，所 以此法还有待进一步完善。文献 7 据此原理设计出以d s p 为核心的硬件平台，在 消弧线圈系统的选线方面达到一定的效果。 ( 3 ) 小波分析法 利用小波奇异性检测理论对采集到的故障信号进行小波变换，确定模极大值 点，并比较各条线路零序电流模极大值的大小和极性，可以判别出故障线路。用 此法选线不受故障瞬问电压相角以及消弧线圈的影响。利用故障瞬间信息受干扰 影响程度小，而且此算法从机理上也能抑制随机小干扰的影响。将具有时频局部 化特征的“数学显微镜”一一小波变换应用于故障选线，更进一步推动了n u g s 的 故障选线研究。 ( 4 ) p r o n y 算法 p r o n y 算法对于接地故障电流的分析具有很高的准确性，它是一种用指数拟合 4 第一章绪论 模型很有效的频谱分析方法。小电流接地系统发生接地故障时，故障电流暂态分 量的频率、幅值、阻尼和相位等参数与故障特征有清晰的相关性，利用p r o n y 算法 分析高频分量的频率和直流分量的阻尼来实现的故障定位方法是有效和准确的 例。此算法的计算量较大，需要性能较好的微机。 1 2 3 其他方法 有注入法例u 0 i 、注入变频信号法1 、负序电流法最大投影差值法1 1 2 1 、残流增 量法、人工智能法等。其中人工智能方法在电力系统的应用日益广泛，有不少是 应用到故障选线中，包括有神经网络法邮1 n ”，模糊理论法n 5 1 ，b a y e s 法n 6 1 等，但 目前这些方法离实际的应用相距甚远。 1 3 小电流接地系统故障选线的国外现状 国外对接地故障选线的研究各不相同。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，保护原理主要有零序功率方向、首半波和群体 比幅比相法1 1 7 1 t s i 。日本的小电流接地系统中普遍采用不接地和电阻接地方式，所 以选线原理相对简单，采用功率方向继电器和零序过电流保护便可以瞬闻切除故 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做了不少工作。 利用光导纤维研制的架空线和电缆零序电流互感器o z c t 试验获得成功“9 1 。美国由 于历史原因，电网中性点主要采用电阻接地方式，可以利用零序过电流保护瞬间 切除故障线路。德国早在2 0 世纪5 0 年代，就提出利用故障线路暂态零序电压与零 序电流初始极性相反的特点进行接地选线的方法，也就是首半波法啪1 ；而随着谐 振接地的广泛应用，逐渐采用反映故障开始暂态过程的单相接地保护原理，并研 制了便携式接地报警装置。法国和波兰就研制出零序导纳接地保护装置，并已在 国内推广应用忙”。此外，文献 2 3 中还提出了利用p r o n y 方法以提取故障暂态 信号中的信息( 如频率、幅值、相位等) ，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。而挪威的一家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：加拿大一公司研制了 沃尔什函数，以提高计算接地故障电流有效值的速度”。在9 0 年代后，国外逐渐 广东工业大学工学硕士学位论文 将人工神经网络等方法应用到电力系统1 冽m 1 。目前在国外较先进的选线方法 d e s i r 选线法和d d a 选线法口”，并取得了不错的选线效果。这二种方法均需要精密 的仪器对馈线进行长期的检测才能选线，这对于国内的大多数变电站来说是很困 难的，因此这种方法在国内没有推广。 1 4 课题研究背景与意义 我国城乡3 - 3 5 k v 配电网络，大多数是中性点非直接接地系统，因其发生单相 接地故障时，流过接地点的故障电流较小，所以常被称为小电流接地系统。它包 括中性点不接地系统( n u s ) 、中性点经消弧线圈接地系统( n e s ，也称为谐振接地 系统) 及中性点经高阻接地系统( n r s ) 。当中性点非直接接地系统发生单相接地 故障时，不构成短路回路，只是经线路对地电容形成小电流回路，接地故障电流 比负荷电流小得多，特别是中性点经消弧线圈接地系统接地电流更小，而且三相 线电压仍然保持对称关系，不影响对负荷连续供电，规程规定可以继续运行l 一2 小时，而不必立即跳闸。由于配电线路的绝大部分故障为单相接地故障，而且很 多是瞬时性的，因此，小电流接地电网可以极大地提高供电可靠性，这也是采用 中性点非直接接地运行方式的主要优点。但是接地点的出现使得故障相对地电压 大幅降低，非故障相对地电压升高接近线电压，另外随着系统容量的增大，线路 长度的增加，线路对地电容电流将加大，发生单相接地故障时接地点的故障电流 也随之增大，严重时接地点将燃起电弧，引发弧光过电压，从而使非故障相电压 进一步升高，这将对电网的绝缘造成严重威胁，很容易在电网的绝缘薄弱处促发 另一点接地，从而导致两点或多点接地短路。为确保供电的可靠性、防止故障扩 大、避免恶性事故的发生，应及时地找出故障线路，并采取措旌消除故障。因此， 迅速、准确的实现故障选线，对于运行方式多变、结构曰益复杂的配电网的安全、 可靠运行有着极其重要的意义。对中性点非直接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，也开发了很多故障选线装置，但仍然不具备在 电力系统中推广应用的可靠性和准确性。有鉴于此，我们认为仍然有必要对中性 点非直接接地系统单相接地故障选线问题进一步的分析研究，以期找出更有效的 解决方案，这正是论文选题的出发点。 6 1 5 论文的主要工作 论文主要探讨中性点非直接接地系统单相接地的故障选线问题，首先分析小 电流接地系统发生单相接地故障时的零序电流的暂态过渡过程以及其故障特征， 接着分析了在永久性单相接地时瞬时并联电阻的利弊，为单相接地后短时并联电 阻奠定理论基础，然后再在此基础上分析小波包的优越性，更进一步的为本文的 故障选线方法奠定理论基础，最后在以上基础上做大量仿真，验证本论文所提方 法的可行性。 7 ：变三兰查兰三兰堡圭兰竺丝三 第二章小电流接地系统基础理论 2 1 中性点非直接接地电网中单相接地故障的零序电压和零序电 流 在中性点非直接接地电网( 又称小电流接地系统) 中发生单相接地时，由于 故障点的电流很小，而且三相之间的线电压仍然保持对称，对负荷的供电没有影 响，因此，在一般情况下都允许再继续运行l 2 h ，而不必立即跳闸，这也是采用 中性点非直接接地运行的主要优点。但是在单相接地以后，其他两相的对地电压 要升高3 倍。为了防止故障进一步扩大成两点或多点接地短路，就应及时发出信 号，以便运行人员采取措施予以消除。 1 1 中性点不接地电网中单相接地故障的特点 如图2 - 1 所示的最简单的网络接线，在正常运行情况下，三相对地有相同的电 容c n ，在相电压的作用下，每相都有一超前于相电压9 0o 的电容电流流入地中， 而三相电流之和等于零。假设在a 相发生了单相接地，则a 相对地电压变为零，对 地电容被短接，而其他两相的对地电压升高3 倍，对地电容电流也相应增大3 倍，矢量关系如图2 2 所示。在单相接地时，由于三相中的负荷电流和线电压仍然 是对称的，因此，只分析对地关系的变化。 在a 相接地以后，各相对地的电压为 u d = 0 池= 壹。一言a = 万壹删l( 2 - 1 ) 6 c d = 壹。一壹 = ；壹。e ，t 卯。i 故障点k 的零序电压为 u 础= ( u 一d + ，f d + ，c d ) = 一e a ( 2 - 2 ) 兰三主! ：皇鎏堡苎至釜董壁耋兰 i s 圈2 1 简单网络接线示意圈 f i g 2 - 1t h ec i r c u i to fs i n g l en e t w o r k c 在非故障相中流向故障点的电容电流为 1 ，口2 u m j w c 0 【( 2 3 ) l c = u c dj w c o j 其有效值为i s = ，c = 蟊，w c 。，式中【，为相电压的有效值。 此时，从接地点流回的电流为，o = ，s + ，c ，由图2 2 可见，其有效值为 ，。= 3 u 。w c o ，即正常运行时，三相对地电容电流的算术和。 u e c 图2 2a 相接地时的矢量图 f i g 2 - 2t h ev e c t o rf i g u r eo f p h a s e t o - g r o u n d 9 广东工业大学工学硕士学位论文 + ，c i + ，m 月 】 i g - 士= l i 上上一= g 厂、丫 + + i 厂、y ， l 厂y 一、厂y 、 丰车 c 如一 = 二二 + l c u 一 ll _ + ，m 圭丰 ，1 i b g ，c u 工辩二f = 1 二= j 忡 毒，r1r cb a 躅2 3单相接地时，甩三相系统表示的电容电流分布圈 f i g 2 - 3t h ed i s t r i b u t i r 珥o fc u r r e n tf o r s i n g l ep h s e - t o - g r o u n df a u l t 线 路 n 当网络中有发电机( g ) 和多条线路存在时，如图2 - 3 所示，每台发电机和每 条线路对地均有电容存在，设以c 。、c 。、g 。等集中的电容来表示，当线路i ia 相接地后，如果忽略负荷电流和电容电流在线路阻抗上的电压降，则全系统a 相对 地的电压均等于零，因而各元件a 相对地的电容电流也等于零，同时b 相和c 相的对 地电压和电容电流也都升高3 倍，仍可以用( 2 - i ) ( 2 - 3 ) 式来表示，电容电 流分布用“一”来表示。 由图2 - 3 可见，在非故障的线路i 上，a 相电流为零，b 相和c 相中有本身的电容 电流，因此，在线路始端所反应的零序电流为 3 | o l = i + l a l o 第二章小电漉接地系统基础理论 其有效值为 3 1 0 ，= 鲫口倒， ( 2 - 4 ) 即零序电流为线路i 本身的电容电流，电容性无功功率的方向为由母线流向线路。 当电网中有多条线路时，上述结论可适用于每一条非故障的线路。 在发电机g 上，首先有它本身b 相和c 相的对地电容电流，* 和l c g ，但是，由于 它还是产生其他电容电流的电源，因此，从a 相中要流回从故障点流回来的全部电 容电流，而在b 相和c 相中又要分别流出各线路上同名相的对地电容电流，此时从 发电机出线端所反应的零序电流仍为三相电流之和，由图可见，各线路的电容电 流由于从a 相流入后又分别从b 相和c 相流出了，因此，相加后互相抵消，而只剩下 发电机本身的电容电流，故 3 l0 g = ib g + l c c 有效值为3 = 3 u 。政k ，即零序电流为发电机本身的电容电流，其电容性无功功 率的方向是由母线流向发电机，这个特点与非故障线路是一样的。 而发生故障的线路，在b 相和c 相上，与非故障的线路一样，有它本身的电 容电流，m 和l c n ，而不同之处是在接地点要流回全系统b 相和c 相对地电容电流之 和，其值为 1 d = ( ，+ l a ) + ( ! s r t + i c n ) + ( 1 s c + i c o ) 有效值 1 d = 3 u p 烈c o l + c o n + c o g ) = 3 u p 葩o z ( 2 - 5 ) 式中c o ：为全系统每相对地电容的总和。此电流要从a 相流回去，因此，从a 相流 出的电流可表示为i n = 一1 。，这样在线路n 始端所流过的零序电流则为 3 o n = l a n + lb n + i c n = - ( 1 8 1 + l c t + i8 g + lc g 、 其有效值为 3 1 0 n = 3 ，烈c o 一c o n ) ( 2 - 6 ) 由此可见，由故障线路流向母线的零序电流，其数值与全系统非故障元件对地电 容电流之总和( 但不包括故障线路本身) ，其电容性无功功率的方向为由线路流向 母线，与非故障线路上方向相反。 1 l 广东工业大学工学硕士学位论文 o l c o l 丰l ，o i，o g ，o “ 6 。占c o l 】什f 1 n t ，t l o a f o i o n ( b )( b ) 图2 4单相接地时的零序等效鲥络及矢量幽 缸) 等效网络：( 吣矢量翻 f i g 2 - 4t h ez e r o - s e q u e n c en e t w o r ka n dc u r r e n t sv e c t o rf i b r eo fs i n g l ep h 8 $ f r o u | i df a u l t ( a ) t h e2 t o + g e q u e n c en e t w o r k ( b ) t h ec u n e n t sv e c t o rf i g u r e 根据上述分析结果，可以作出单相接地时的零序等效网络，如图2 4 ( a ) 所示， 在接地点有一个零序电压u t o ，而零序电流的回路是通过各个元件的对地电容构 成的，由于送电线路的零序阻抗远小于电容的阻抗，因此可以忽略不计，在中性 点不接地电网中的零序电流，就是各元件的对地电容电流，萁矢量关系如图2 - 4 ( b ) 所示( 图中，；。表示线路n 本身的零序电容电流) ，这与直接接地电网是完全 不同的。 对中性点不接地电网中的单相接地故障，由图2 3 ，可以给出清晰的物理概念， 但是计算比较复杂，使用不方便，而根据该图的分析方法，得出如图2 4 的零序等 效网络以后，对计算零序电流的大小和分布则是十分方便的。总结以上分析的结 果，可以得出如下结论： ( 1 ) 在发生单相接地时，全系统都将出现零序电压。 ( 2 ) 在非故障的元件上有零序电流，其数值等于本身的对地电容电流，电 容性无功功率的实际方向为由母线流向线路。 ( 3 ) 在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之总和， 数值一般比较大，电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线。这些特点和区 别，将是保护方式的依据。 1 2 耋三耋尘皇塞董苎至筌董蝥矍鎏 2 2 中性点经消弧线圈接地电网中单相接地故障的特点 当中性点不接地电网发生单相接地时，在接地点要流过全系统的对地电容电 流，如果此电流比较大，就会在接地点燃起电弧，引起弧光过电压，从而使非故 障相的对地电压进一步升高，使绝缘损坏，形成两点或多点的接地短路，造成停 电事故。为了解决这个问题，通常在中性点接入一个电感线圈，如图2 5 所示，当 单相接地时，在接地点就有一个电感分量的电流通过，此电流和原系统中的电容 电流相抵消，就可以减少流经故障点的电流。 在各级电压网络中，当全系统的电容电流超过下列数值时，即应装设消弧线圈： 对3 6 k v 电网一一3 0 a ；i o k v 电网一一2 0 a 。 在电源的中性点接入了消弧线圈，如图2 5 ( a ) 所示，单相接地的电流分布将 发生重大的变化，当线路n 上a 相接地以后，电容电流的大小和分布与不接消弧 线圈时是一样的，不同之处是在接地点又增加了一个电感分量的电流，c ，因此， 从接地点流回的总电流为 f n = il - b l ( 2 - 7 ) 式中 ，。一一全系统的对地电容电流，可用式2 5 计算； ；。一一消弧线圈的电流，设用l 表示它的电感，则；。：三晕。 j 吐也 e h t - ；。和；。的相位相差1 8 0 。，因此，；。将因消弧线圈的补偿而减小。相似地， 可以作出它的零序等效网络，如图2 5 ( b ) 所示。 广东工业大学工学硕士学位论文 g 厂、v 1 n + + 厂y 一、r y 、上一 = i ： l 厂y 一、丫、 i ；j c ii i 解。 = = = 片i l n ( b ) 雷2 5潲弧线圈接地电网中单相接地时的电漉分布 ( a ) 用i 相系统表示( b ) 零序等效网络 f i g 2 - 5t h ec i r c u i to fs i n g l ep h 辐e - “g r o u n df a o l tf o ra r cs u r o r e s s i o ne o i lg r o o n d e ds y s t e m ( a ) i m p r e s s i o ni nt h r e ep h 拈e ss y s t e z ( b t h ez e r o s e q u e n c en e t w o r k 根据对电容电流补偿程度的不同，消弧线圈可以有完全补偿、欠补偿及过补 偿三种补偿方式。 ( 1 ) 完全补偿就是使，。= ，。，接地点的电流近似为0 ，从消除故障点的电 弧，避免出现弧光过电压的角度来看，这种补偿方式是最好的，但存在严重的缺 点。因为完全补偿时，c o l = ，正是电感l 和三相对地电容3 g 对5 0 h z 交流串 j 优。 联谐振的条件，这样，在正常情况时，如果架空线路三相的对地电容不完全相等， 1 4 第二章小电漉接地系统基础理论 则电源中性点对地之间就产生电压偏移，根据相关电路原理课程的分析，当l 断开 时中性点的电压为 u n =兰! ：! 堡4 兰! ：! 堕墨! ：! 箜： j o j c - i - j c o c 日+ j o j c c 墨! 竺! 墨! ! ! 皇! 鱼 ( 2 8 ) c - f c 口- k c c 式中e - 、e 。、e c 一一三相电源电动势； 压。 c 。、c 。、c c 三相对地电容。 此外。在断路器合闸触头不同时闭合时，也将出现一个数值更大的零序分量电 在上述两种情况下所出现的零序电压，都是串联接于l 和3 c ：之间的，其零序 等效网络如图2 - 6 所示。此电压将在串联谐振的回路中产生很大的电压降落，从而 使电源中性点对地电压严重升高，这是不能允许的，因此在实际上不宜采用这种 方式。 ( 2 ) 欠补偿就是使，：( ，。，补偿后的接地点电流仍然是电容性的。采用这 种方式时，仍然不能避免上述问题的发生，因为当系统运行方式变化时，例如一 个元件被切除或因发生故障而跳闸，则电容电流就将减小，这时可能出现，。和，c z 两个电流相等的情况，将引起过电压，因此，欠补偿的方式一般也不采用。 ( 3 ) 过补偿就是使，) k ，补偿后的残余电流是感性的。采用这种方法不 会发生串联谐振的过电压问题，因此，在实际中获得了广泛的应用。 ，大于，。的程度用过补偿度p 来表示，其关系为 广东工业大学工学硕士学位论文 p ：蚀 i c z 一般选择过补偿度p = 5 i 0 ，而不大于1 0 。 ：= ：= = 。 一 一j l 上 笑一一 习工i - - d ：= ：= 卜 1 一 l 乳。 i 一上j - = 绥 j t l - l - l + + 士一一 d cb 圈2 7 单相接地詈毒电藏的分布 f i g 5 - 7t h ed i s t r b u t l a go ft r l e n tc u r r e n tt a ra i n g t ep h a s e t o g r o u n df a u i t 田2 8 接地故障暂盎电漉波形翻 f i g 2 - 8t h et f 8 in tc u r r e a tg r a p hf o rp h a s e t og r o u n df a u l t ( 2 9 ) 总结以上分析的结果，可以得出如下结论： ( 1 )当采用完全补偿方式时，流经故障线路和非故障线路的零序电流都是 1 6 第二章小电漉接地系统基础理论 本身的电容电流，电容性无功功率的实际方向都是由母线流向线路( 见图2 6 ) ， 因此，在这种情况下，利用稳态零序电流的大小和功率方向都无法判断出哪一条 线路上发生了故障。 ( 2 )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 一样，因此，在这种情况下，首先就无法利用功率方向的差别来判别故障线路， 其次由于过补偿度不大，因此，也很难像中性点不接地电网那样，利用零序电流 大小的不同来找出故障线路。 2 3 单相接地过渡过程的特点 以上所讨论的都是在稳态情况下故障点电容电流的分布。当发生单相接地故 障时，接地电容电流的暂态分量可能较稳态值大很多倍。 在一般情况下，由于电网中绝缘被击穿而引起的接地故障，经常发生在相电 压接近于最大值的瞬间，因此，可以将暂态电容电流看成如下两个电流之和( 见 图2 7 ) 。 由于故障相电压突然降低而引起的放电电流，此电流在图中以卜表示，它通 过母线而流向故障点，放电电流衰减很快，其振荡频率高达数千赫，振荡频率主 要决定于电网中线路的参数( r 和l 的数值) 、故障点的位置以及过渡电阻的数值。 ( 1 )由非故障相电压突然升高而引起的充电电容电流，此电流在图中以一 表示，它要通过电源而形成回路。由于整个流通回路的电感较大，因此，充电电 流衰减较慢，振荡频率也较低( 仅为数百赫) 。故障点暂态电容电流的波形如图2 8 所示。 对于中性点经消弧线圈接地的电网，由于暂态电感电流的最大值应出现在接 地故障发生在相电压经过零值的瞬间，而当故障发生在相电压接近于最大值瞬间 时，f ，= 0 ，因此，暂态电容电流较暂态电感电流大很多，所以在同一电网中，不 论中性点绝缘或是经消弧线圈接地，在相电压接近于最大值时发生故障的瞬间， 其过渡过程是近似相同的。 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 l 图2 _ 9 分析过渡过程的等效网络 f i g 2 - 9t h en e t w o r kf o ra n y l y z i n gt h et r a n s i t i o np r o c e s s i o n 在过渡过程中，接地电容电流分量的估算，可以利用图2 9 的等效网络来进行， 图中表示了网络的分布参数r 、l 并：i j c ，以及消弧线圈的集中电感l 。耋l ，实际上它 不影响电容电流分量的计算，因而可以忽略。决定回路自由振荡衰减的电阻r ，包 括导线的电阻、大地的电阻以及故障点的过渡电阻。 在忽略l 。以后，对暂态电容电流的分析实际上就是一个r 、l 、c 串联回路突然 接通零序电压 ( f ) = u 。c o s c o t 时的过渡过程的分析。此时流经故障点电流的变化形 式主要决定于网络参数r 、l 、c 的关系，当r 2 j 考时，则电流经非周期衰减而趋于稳态值。 对于架空线路，由于l 较大，c 较小，其月 2 考，因此，故障点的电流具有迅 速衰减的形式，根据分析和测量的结果，自由振荡频率一般在3 0 0 1 5 0 0 h z 的范围 内。对于电缆线路，由于l 很小而c 很大，因此，其过渡过程与架空线路相比，所 经历的时间极为短促且具有较高的自由振荡频率，一般在1 5 0 0 3 0 0 0 h z 之间。 现对故障点电流变化的特性分析如下：当开关合闸后，可列出图2 - 9 中电压平 衡方程式 础) = “。饥饥= l 五d + 识饥= l c d 出2 u 。c + r c 警帆 此微分方程的特征方程为 l c p 2 + r c p + 1 ：0 1 8 第二章小电流接地系统基础理论 解出它的根为 = 一瓦r 蘑一去划虿 p 式中万= 三9 1 一一自由分量的衰减系数 厅 g - o n = i 一 ”v l c 一一回路的振频率 当删括时，j c o o ，令= 和，它表示回路自由振荡的角频率，贝| j 只2 = 一j y e a 从数学上知道，此微分方程式的解由自由分量和强制分量两部分构成。自由分量 为 “：= a e 罐s i n ( c a t + g ) - i ：c d u c ：c a e - 6 一万s i n ( c a t + 0 ) + c o c o s ( c o t + 0 ) 出 当忽略r 和l 时，强制分量为 u c = u 。s i n ( c a + 9 0 0 ) f - u 。 s i n a t 故 = “：+ u c = a e 一6s i n ( c o t + 们+ u 。s i n ( a t + 9 0 0 ) f = f ，+ f = c a e 一5 【一8 s i n ( c o t + o ) + o c o s ( o j t + 0 ) 一u 。o k 7 s i n a t 根据初始条件，当合闸瞬间t = 0 时，= o ，i = 0 ，因此，可从下式求出未知数a 和目。 a s i n 0 + u 。= 0 解之可得 c a 一8 s i n 口+ 0 3 c o s o 】= 0 t g o = c ”； s i n 口：堕 a 一急- - - u m 以- 了 代入上式并化简后，即可求出回路电流 1 9 广东工业大学工学硕士学位论文 f = 冼e 。s i n 砒一葩s i n 鲫 实际上由于艿w