（电力系统及其自动化专业论文）基于agent的小接地电流系统单相接地故障选线.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t 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 mi sw i d e l yu s e di np o w e rd i s t r i b u t i o n s y s t e mb e l o w6 6 k vi nc h i n a t h en 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 mh a sm a n y m e r i t s f i r s to fa l l ，a si t sf a u l tc u r r e n ti ss m a l l ，t h es y s t e mw o u l dn o ti n c u rs h o r t c 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 f u r t h e r , i tb r i n g sn oh a r mt op e o p l eo r e l e c t r i ce q u i p m e n t s ，n o rh a sa n ye f f e c to nt h ec a p a b i l i t yo ft h ee l e c t r i c i t yn e t w o r ka s t h el i n ev o l t a g er e m a i n ss t a b l e h o w e v e r , t h en 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 m e a s i l yg i v e sr i s et ow r o n gd e t e c t i o no ft h ef a u l tl i n ed u et ot h es m a l lf a u l tc u r r e n ta n d u n o b v i o u sf a u l tf e a m r e si nc a s eo fs i n g l ep h a s e t o g r o u n df a u l t e s p e c i a l l yf o rt h e a 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 ，a st h er e s i d u a lc u r r e n to ft h eg r o u n d e dp o i n t o nf a u l tl i n ei ss m a l la n dt h ep h a s ev a r i e s ，t h ed e t e c t i o no ft h ef a u l tl i n ei n a 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 mi sm o r ed i f f i c u l tt oa c h i e v e r e g a r d i n gt h ed i f f i c u l tp r o b l e m ss t a t e da b o v e ，t h et h e s i st h o r o u g h l yr e s e a r c h e d a n da n a l y z e dt 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 e - p h a s e - - t o - - g r o u n df a u l ti n n e u t r a ln o n - e f f e c t i v e l ye a r t h e ds y s t e mi nt h e o r y t h et h e s i sa n a l y z e dt h ei n a d e q u a c y o ft h ee x i s t i n gf a u l tl i n es e l e c t i o na n dc l a r i f i e dt h ec r i t e r i ao ff a u l tl i n ed e t e c t i o n w h i c ha r em a i n l yb a s e do nw a v e l e t 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 e e s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fm u l t i - a g e n ts y s t e mi ss e tf o r t h , w h i c hc a nd i v i d ea g e n t so f t h e s y s t e mb yt h e i r l e v e l sa n df u n c t i o n s m a sa r b i t r a t i o ni s p r o p o s e di n c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fv a r i o u sf a u l tl i n ed e t e c t i o nm e t h o d s f i n a l l y , t h et h e s i s i n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h em a s - b a s e df a u l tl i n ed e t e c t i o na n dd i s c u s s e d h o wt oa c h i e v em a s s y s t e mu s i n guc o s 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 gn 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 ，f a u l t l i n ed e t e c t i o n , a g e n t ，uc o s 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：鼬础 。硎孑年多月( 日 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。 虢触 啦月g e t 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 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。 小接地电流系统的优点是当其发生单相接地故障时，其故障电流很小，不 形成短路回路，对电力设备、通信和人身危害小，并且三相间的线电压基本保 持不变，不影响对负载供电，因此，电力系统安全运行规程规定可继续运行1 2 h ， 而不必跳闸i l 训。 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，一般都采用大接地电流的接地方式【1 , 2 , 6 】。 对于6 6 k v 及以下配电网及大型工矿企业的供电系统，属于小接地电流系统，并 以采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式居多。如上所述小接地电流 系统的优点是单相接地电流较小，单相接地不形成短路回路，并可继续运行1 2 h 。 但是，电网长时间带接地故障运行极容易引发相继的电气故障：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，造成两相接地故 障。所以，当故障发生以后，应尽快确定故障线路并予以切除，并且，是选择 性的切除。也就是说当电网的某一线路发生接地故障时，接地保护装置仅使开 第l 章绪论 关切除或发出信号指示接地故障所在线路，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 国内外技术现状 1 2 1 基本状况 在原苏联，电网中性点不接地方式得到广泛应用，其保护原理也从过流、 无功方向发展到了群体比幅；日本在供电、钢铁、化工用电中普遍采用中性点 不接地或经电阻接地，因此选线原理也比较简单，采用基波无功方向原理；德 国多使用经消弧线圈接地，并于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；法国在使用中性点经电阻接地几十年后，现在正以经消 弧线圈取代之，同时开发出了高新技术产品零序导纳接地保护：芬兰传统 的测量相位角的物理模拟接地保护，已为近年研制的测量有功电流的新型数字 式接地保护所取代；在瑞典的中压谐振接地电网中，有的方向过电流接地保护 是利用残流中的暂态分量和中性点位移电压的极性构成的；在美国，中性点不 接地系统单相接地保护被认为难于实现且引起的过电压严重，他们宁愿在供电 网架结构上多投资以保证供电可靠性，也不采用中性点不接地系统，但是，近 年来i e e e 的专题报告中也认为应当加强中性点不接地系统的保护研究。9 0 年代 初，己有将人工神经网络原理应用于接地保护装置并有文献报道应用专家系统 方法，可望使其选择性更加完掣” 7 】。 国内从2 0 世纪5 0 年代就开始了对接地( 漏电) 保护原理和装置的研究。 但2 0 世纪7 0 年代前，我国基本上采用“拉闸试停”的原始方法，7 0 年代后，先 后推出了几代产品，如许继的z d 系列产品，北京自动化设备厂的x j d 系列， 沈阳继电器厂的b l d 系列，山东大学的b f 型接地选线装置、t y 型接地选线与 定位保护装置，华北电力大学研制的m l 系列微机选线装置等。 1 2 2 小接地电流系统单相接地故障选线方法综述 随着微机保护在电力系统继电保护领域的广泛应用，在解决小接地电流系 2 第l 章绪论 统单相接地选线保护的选择性问题上，有了较好的解决，但在实际使用中还存 在一定的缺陷，因此吸引了现场科技人员和众多研究者的关注，并相继提出了 不少新的检测原理和方法，出现了“百花齐放 的局面。以下扼要地介绍目前 国内外常用的小电流接地故障选线原理和算法【3 1 6 1 。 a ) 零序电流比幅法 中性点不接地系统单相接地短路时，流过故障元件的零序电流在数值上等 于所有非故障元件对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，所以只 要通过零序电流幅值大小比较即可得到故障线路。但该方法不能排除c t 不平衡 的影响，受线路长短、系统运行方式及过渡电阻大小的影响，且系统中可能存 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，可见此法在理论上 就是不完备的。对于中性点经消弧线圈接地系统，由于消弧线圈提供的电感电 流补偿了电网对地的电容电流，使流过故障线路的零序电流大大减小，此时很 难用零序电流保护原理来获得保护的选择性。由于种种缺点，零序电流比幅法 目前己较少使用。 b ) 零序功率方向法 中性点不接地系统中故障线路与非故障线路的零序电流分别从线路流向母 线和从母线流向线路，即故障线路零序电流滞后零序电压9 0 0 ，非故障线路零序 电流超前零序电压9 0 0 ，所以只需比较零序电流方向就可找出故障线路。但是它 受c t 不平衡电流、过渡电阻大小、系统运行方式的影响，易误判。并对中性点 经消弧线圈接地的系统失效。 c ) 群体比幅比相法 其原理是先进行各条线路的i o 比较，选出几个幅值较大的作为候选线路， 然后在此基础上进行相位比较，选出方向与其他不同的，即为故障线路。该方 法在一定程度上解决了前两种方法存在的问题，但同样不能排除c ，r 不平衡电流 及过渡电阻大小的影响。 d ) 谐波分量法 针对基波比幅法中故障线路上i o 不一定最大和比相法对消弧线圈接地系统 失效的问题，提出了谐波电流方向原理。电网中的电气信号是以基波及奇次谐 3 第l 章绪论 波为主，而没有或仅有很小比例的偶次谐波。对于中性点不接地系统，非故障 线路的m 次谐波零序电流相位超前m 次谐波零序电压，特点与基波下相同。而 对于中性点经电阻接地系统，依然存在故障线路m 次谐波零序电流滞后m 次谐 波零序电压，不过当m 增大时，谐波电容电流有所放大，滞后角度减少趋于9 0 0 。 对于中性点经消弧线圈接地系统，消弧线圈l 是的作用是对基波而言，当m 增 大，谐波电感电流减少，谐波电容电流增大，使得零序谐波电流的特点与中性 点不接地系统的相同，满足故障线路m 次谐波零序电流滞后m 次谐波零序电压 9 0 0 的关系。实际测量结果表明，谐波中5 次、7 次含量较大，但由于5 次或7 次等谐波含量相对基波而言要小得多，易受干扰，精度不易受保证，受c t 和过 渡电阻影响选线精度。 e ) 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。故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，以及过渡电阻的影响，易引起方向误判。 i ) 零序电流有功分量法 由于中性点电阻产生的有功电流只流过故障线路，与非故障线路无关，只 要以零序电压作为参考向量，将此有功电流取出，送入后级处理电路，即可十 分方便地实现选择性接地保护。也可将零序电流与零序电压构成零序功率，通 过判断零序有功功率的大小和方向实现选择性接地保护，此即所谓的零序有功 功率方向保护原理。这种方法可以使用基波分量，利于选线，但c t 不平衡电流 的影响依然存在。 g ) d e s i r 选线法 静态d e s i r 。当小接地电流系统发生单相接地故障时，首先从所有馈线中 4 第1 章绪论 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。此时故障馈线的接地电流的投影作比较，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。 h ) 小波法 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正弦信号作为基 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。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。 1 2 3 接地故障选线装置现状及微机保护趋势 9 0 年代后期到现在，随着电子技术的进步以及一些新的数学工具的出现， 接地选线装置在硬件、软件两方面做了很多改进。硬件方面出现了以工控机和 单片机为代表的接地选线装置，特别是以单片机为控制核心的选线装置以其成 本低、系统集成度高，迅速占领国内小电流接地选线装置的市场。特别是高速 数字信号处理器d s p 的出现，克服了单片机侧重于控制，难以完成复杂算法的 弊端。 利用单片机在控制和人机交互方面的特长，发挥d s p 处理复杂选线算法的 优点，可以在较大程度上提高装置的灵敏性和可靠性，更能满足配网对选线装 置的组网和人机交互功能的更高要求。 微机继电保护技术未来趋势是向计算机化、网络化、智能化及保护、控制、 测量和数据通信一体化发展。 电力系统对机电保护及其自动装置的要求不断提高，除了装置本身的基本 5 第1 章绪论 功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间、快速的数据处理能 力、强大的通信能力，具有与其他继电保护及其自动装置和调度联网共享信息 和网络资源的能力。 为了保证系统的安全稳定运行，这就要求各个继电保护及其自动装置共享 全系统的运行和故障信息数据，各个继电保护及其自动装置在分析这些信息和 数据的基础上协调动作，确保系统的安全稳定运行。实现这种功能的基本条件 是将全系统继电保护及其自动装置用计算机网络连接起来，即实现继电保护及 其自动装置的网络化。 在实现继电保护及其自动装置的计算机化和网络化的条件下，继电保护及 其自动装置可以从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将自 身获得的信息和数据传送给网络控制中心或任何终端。这样每个继电保护及其 自动装置不但可以完成自身的基本功能，而且在无故障正常运行情况下完成测 量、控制、数据通信功能，即可实现保护、控制、测量、数据通信一体化。 1 3 本文的背景和意义 对于小接地电流系统单相接地故障选线，供电部门一直在寻找解决的方法， 虽然单相接地故障选线装置已经历了多次的更新换代，选线算法不断改进，其 选线的准确性也在不断提高，但均存在误判率较高的问题，使某些供电部门不 得不使用拉路法确定故障线路。因而，小电流接地系统的单相接地故障选线己 成为电力部门急需解决的难题，也是国内外科研院所研究的热点课题。 上述介绍的保护原理与方法只采用了单一的故障量来实现选线，并且由于 受到中性点接地方式、单相接地故障时过渡电阻的大小、c t 的精度和外界干扰 等影响，从目前各种方法在使用场合都存在缺陷，仅仅依靠一种原理来实现1 0 0 的选线精确度是不可能的【1 7 , 1 8 】。为了最大限度地利用故障特征和现有的选线原 理，根据系统的运行工作情况将各种保护原理有机地结合起来，扬长避短，从 而提高接地保护装置动作的准确性和可靠性，并能适用于各种形式的小接地电 流系统。 1 4 本文主要研究内容 6 第1 章绪论 本文主要研究了小接地电流系统单相接地故障选线保护的原理与判据，并 开发一套选线精度高、适应面广的小接地电流系统单相接地故障选线装置及其 软件系统。 本文内容主要分为以下几个部分： ( 1 ) 建立小接地电流系统单相接地故障模型，并从对其稳态故障及暂态故障 特征进行数学推导，并用m a t l a b s i m u l i n k 进行仿真分析。 ( 2 ) 深入分析基于暂态、稳态故障特征的接地选线原理。在前人的基础上， 采用小波分析来分析暂态故障特征，对模极大值及其极大值点极性判据进行改 进。 ( 3 ) 提出用m a s 多a g e n t 系统构建小接地电流系统单相接地故障选线 装置，并利用有效域的方法对多个选线原理进行综合，同时研究其综合系数( 可 靠度) 的计算方法。 ( 4 ) 利用a r m + d s p 的双微处理器结构设计接地故障选线装置，并介绍各模 块功能及设计要点。 ( 5 ) 介绍嵌入式操作系统g c o s 的特点，提出如何用i - t c o s 实现m a s 系统， 并通过任务的方式实现各a g e n t 与介绍其软件编写方式。 7 第2 章小接地电流系统的单相接地故障分析 第2 章小接地电流系统的单相接地故障分析 电力系统中性点的接地方式，是指在电力变压器中性点与大地的电气连接 情况，它对于系统运行、绝缘、继电保护等各方面都有着决定性的影响。如前 所述，三相运行的电力系统中性点可以有多种接地方式。本章介绍了小接地电 流系统的接地方式划分，分析了不同接地方式的原理与特点，及其单相接地故 障的特征，为后续选线判据提供理论依据。 2 1 中性点接地方式分析 2 1 1 中性点不接地方式 中性点不接地方式是最简单的实现方式，在电源中性点与大地之间没有任 何的电气连接。当其中一相发生接地故障后，其线电压仍然保持平衡，故障点 不会产生大的短路电流，允许系统短时间带故障运行。这对于减少用户停电时 间，提高供电可靠性是非常有意义的。 a ) 正常状态 如图2 1 所示的最简单的网络接线，在正常运行情况下，忽略对地电阻，三 相对地电容为q 、g 、c c 。 图2 1 中性点不接地系统图 在正常状态下，电源的相电压岛、岛、丘一般为对称的，即 8 第2 章小接地电流系统的单相接地故障分析 e = e 8 = e c = u ( 2 1 ) 毋+ + 臣= o ( 2 2 ) 式中，以电源相电压值。 另外，三相对地电容值一般是相等的，即 g = g = c c = c o( 2 3 ) 三相电网就相当于接上了对地电容为c 0 的对称负载，负载的中性点为地。 因此中性点不接地系统实际上并不是与地完全没有联系，可以视为经电网对地 绝缘参数接地的接地系统。 在电源电压的作用下，每相对地电容中都将流过电流l 、厶、l ，在上述 电源与对地参数对称的情况下，它们亦为对称的，即 l = i 8 = l cq 舢 l + 厶+ l = o ( 2 5 ) 如图2 1 ，三相对地电压为上述三个电流在对地参数上产生的压降，假设分 别为叽、，有 卧i a 去i 吼= 厶志 ( 2 6 ) 唔i c 去 可见，当各相对地参数相等的情况下即q = g = c c = c o ，电网各相的对地 电压是相等的，也是对称的。对于变压器中性点，其对地电压玩= o 。显然此时 系统零序电压和零序电流为零。 ”故障状态 假设在a 相发生了单相接地，如图2 2 ，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为原来的；倍，对地电容电流也相应地增 大；倍，矢量关系如图2 3 所示。 9 第2 章小接地电流系统的单相接地故障分析 图2 2 中性点不接地系统单相接地 图2 3a 相接地时的矢量图 a 相接地后，各相对地电压为 = 0 d b = 宅8 一宅t = 4 r 3 e a e 邓钳 寸c = 宅c 一意。= 囊琶t e j l 珊 故电网零序电压为 1 u o = ( + + ) = 一日 j 非故障相中，对地电容流过的电流为 i3 = u8 j c 8 k = u d o j c c 在q = q = q = c o 情况下，其有效值为i b = 七= 3 虬国c o ， 源相电压有效值。 此时，从接地点流回的电流为 ie = i 3 + i c = 3 e a c o c o 1 0 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中q 为电 ( 2 1 0 ) 第2 章小接地电流系统的单相接地故障分析 其有效值为 le = 3 u , 改, c o 也就是电网正常运行时三相对地电容电流之和。 2 1 2 中性点经电阻接地方式 ( 2 1 1 ) 中性点经电阻接地的定义如f ：电力系统中性点通过一电阻接地，其单相 接地故障时的电阻电流被限制到等于或略大于系统总电容充电电流值，即 厶l + 厶+ 丘= 3 乞，如图2 4 所示。图中吼为中性点接地电阻，一般取 凡i ，l 、l 、l 为三相对地电容电流，为故障点电流，如为中性点 j 缈【一。 接地电阻电流。 图2 4 中性点经电阻接地系统图 如图2 5 所示，忽略对地绝缘电阻，假设三相对地电容相等，对故障点e 与 地之间开路作戴维宁定理等效，开路电压邑，等效电阻为 r n | i 上j r 曰c a | l 瓦1 “面1 州两1 图2 5a 相接地故障点等效图 1 1 第2 章小接地电流系统的单相接地故障分析 又 r nr 亍 如丽1 2 再( 3 1 0 c 磊o ) 2 一再3 颤。磊c o ( 2 1 2 ) 丽1 萼1 ：。 ( 2 。3 ) 。崛户卜南 2 一 则可知当氐2 瓦磊1时，氐丽1 的等效电阻值有极大值。 i 。- ( 石1 邶缈g 卜4 ， 【o o = 一直 当r = 1 3 国c 0 时，j e = ( 3 垃) ( 7 0 + j 3 t d c o ) e a ，即毛= 3 巩= 3 砘故障电流 2 1 3 中性点经消弧线圈接地方式 中性点不接地电网中发生单相接地时，1 主i ( 2 1 1 ) 可知，在接地点要流过全系 统对地电容电流，如果此电流比较大，就会在接地点燃起电弧，引起弧光接地 过电压，从而使非故障相的对地电压进一步升高。而中性点经电阻接地系统虽 然可以抑制电弧接地时的系统过电压，但故障电流同样增加，使得故障点热效 应增加，电气设备的铁心和绝缘过热，同样是引发多相短路的隐患。 因此为了解决这个问题，通常在中性点接入一个电感线圈，如图2 6 所示， 这样一来当单相接地时，在接地点就有了一个电感分量的电流流过，此电流和 系统中的对地电容电流相抵消，就可以减少流经故障点的电流，大大减少高幅 值电弧接地过电压发生的机率，因此称之为消弧线圈。 1 2 第2 章小接地电流系统的单相接地故障分析 图2 6 中性点经消弧线圈接地系统图 当采用了消弧线圈后，单相接地时电流的分布将发生重大的变化。图2 6 为 中性点经消弧线圈接地系统，a 相发生单相接地，为消弧线圈电感，忽略对地 电阻，三相对地电容为q 、g 、c c ，在c a = q = g = c o 情况下，同2 1 2 小 节中对故障点电流的计算方法有： 丘= ( 击邶缈c o 户= 丘如 ( 2 1 5 ) 式中丘2 ，缈i _ l _ e 一2 一j 壶t ，为消弧线圈的电感电流；i c z = j 3 红, c o l ，为系统 三相对地电容电流。 由于丘和丘之间相位理想情况下相差1 8 0 。，因此丘将因消弧线圈的补偿而 减少，特别是在i l = 厶的情况下，丘几乎是零，或在考虑系统对地绝缘电阻的 情况下为很小的有功电流。这样，单相接地电弧将不能维持，不会导致系统的 高幅值过电压。根据对电容电流补偿程度的不同，消弧线圈可分为全补偿、欠 补偿及过补偿三种补偿方式。 ( 口)( 6 )( c ) 图2 7 消弧线圈三种补偿方式( a ) 全补偿( b ) 欠补偿( c ) 过补偿 1 3 第2 章小接地电流系统的单相接地故障分析 ( a ) 全补偿就是使，= 厶甲，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，但是从其他方面看， 则又存在有严重的缺点。因为完全补偿时，1 3 缈c o = 缈三，正是电感和系统三 相对地电容3 c o 对工频交流串联谐振的条件。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，则电源中性点对地之间就产生电压偏移。在正 常状态，对两端作戴维宁等效，有 u o = e , j o c a + f , a j 缈c b 土& 弘呸一幺幺盈g + c c j o , c , 十j c b + j r 力c cc + c b + c c ( 2 1 6 ) 式中 q 、g 、g 三相对地电容； 邑、岛、丘三相电源电势。 此外，在断路器三相触头不同时合闸时，也将短时出现一个数值较大的零 序电压。 在上述两种情况下所出现的零序电压，都是串联在三和3 c o 之间，其零序等 效网络如图2 8 。此电压将在串联谐振回路中产生很大的电压降，从而使电源中 性点对地电压严重升高，这是不允许的，因此在实际中不宜采用这种方式。 砜 3 c o 图2 8 产生串联谐振的零序等效网络 ( b ) 欠补偿就是使，： 厶f ，补偿后的残余电流是感性的，如图2 7 ( c ) 。采用 这种方法不可能发生串联谐振的过电压问题，因此在实际中得到广泛的应用。 ，大于r 的程度通常用过补偿度p 来表示 2 1 ，其关系式为 1 4 第2 章小接地电流系统的单相接地故障分析 p = 2 二垒 ( 2 1 7 ) j c 一般过补偿度p = 5 1 0 ，而不大于1 0 。 通过前面所述，总结出小接地电流系统的特点如下： ( a ) 由于中性点非有效接地，当系统发生单相接地故障时，故障点不会产生 大的短路电流，因此允许系统短时间带故障运行； ( b ) 当系统带故障运行时，非故障相对地电压将上升，容易引发各种过电压， 危及系统绝缘。 2 2 小接地电流系统单相接地故障稳态分析 2 2 1 中性点不接地系统 中性点不接地系统发生单相接地时，网络中各线路对地电容电流将通过接 地故障点流回电网，并通过电源变压器形成回路。如图2 9 所示网络，设三相对 地电容相等，并用集中参数c o ，、g ，和c o 肌表示，线路i i i 的a 相发生接地，忽 略电网对地绝缘电阻。 当a 相接地时，如果忽略负荷电流和对地电容电流在线路上产生的压降， 全系统a 相的对地电压均为零，因而各条线路a 相对地电容电流也为零，同时 b 相和c 相的对地电压升高3 倍。系统对地电容电流在图2 9 中用“一 表示。 由图2 9 可见，在非故障线路i 和i i 上，a 相电流为零，b 相和c 相中流有 本身的电容电流、乇、和乞，因此，在线路始端的零序电流为 髀5 7 + i c ,( 2 1 8 ) ：3 i o h = i b + l c n 根据式( 2 9 ) ，有 娅乱。议一up a c o t e j j 3 c o c o i p j l 9 ) 3 i o = u 8 j t o c o + u c j c o = 一e a j 3 c o c o 1 5 第2 章小接地电流系统的单相接地故障分析 _ + l t =：= c ， ll 而尾一毒1 f1r r 意艺- + l l 厨南自 上一= c o 口 t 一 ji ， 上 一 j - + 7 _ 1 = = e 一 夕i f f f f 干2 = 士 ii c 占l i n e i c 曰l i n ei i c bl i n el i l j | 图2 9 中性点不接地系统单相接地时系统对地电容电流分布图 其有效值为 髀。3 崛， ( 2 2 0 ) 1 3 1 0 ，= 3 u o c o j ， 、 即零序电流为线路i 和i i 本身的电容电流，电容性无功功率的方向为母线 流向线路。 现在再来看发生故障的线路i i i ，在b 相和c 相上，与非故障线路一样，流 有它本身的电容电流和k ，而不同之处是在接地点要流回全系统b 相和c 相对地电容电流之总和，其值为 厶= ( + i c , ) + ( ，叫+ z c 口) + ( ，脚+ z 伽) ( 2 2 1 ) 其有效值为 厶= 3 虬缈( c o ，+ c o 盯+ g ) = 3 u , o , c o ( 2 2 2 ) 其中c o 为全系统对地电容的总和。此电流要从a 相流回去，因此 i a 皿= 一i s( 2 2 3 ) 线路i i i 的零序电流为 1 6 第2 章小接地电流系统的单相接地故障分析 3 z o | i l = i 枷+ ib l q + i c 【l i = 一u 8 l + i c i + i8 l e + i c 、= - 3 u o ( + l q 、t 2 2 4 ) 其有效值为 3 1 0 , = 3 u , o , ( c o ，+ c o 口) ( 2 2 5 ) 由此可见，故障线路流向母线的零序电流，其数值等于全系统非故障线路对地 电容电流之和( 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，恰好与非故障线路方向相反。 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 1 0 ( a ) 所示， 在接地点有一个零序电压吼。( 吼。= 一邑) ，而零序电流的回路是通过各线路的 对地电容构成回路，由于输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，就是线路的对地电容电流，分别 为厶，和厶口，故障线路零序电流厶，其矢量关系如图2 1 0 c o ) 所示 u e o = 一e kl 譬i o 砸= 一( i o l ( a )( b ) 图2 1 0 中性点不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 + z o 口) 对中性点不接地系统中的单相接地故障，利用图2 9 的分析，可以给出清晰 的物理概念，但是计算比较复杂，使用不太方便，而根据该图的分析方法，得 出如图2 1 0 所示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。总结以上的分析结果，可以得出以下结论： ( 1 ) 在发生单相接地时，全系统出现零序电压。 ( 2 ) 在非故障线路上有零序电流，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，或者说超前零序电压9 0 0 。 1 7 第2 章小接地电流系统的单相接地故障分析 ( 3 ) 在故障线路上，零序电流为全系统非故障线路对地电容电流之和，数值 一般较大，电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线，或者说滞后零序电 压9 0 0 ，与非故障线路相反。 这些特点和区别，将是故障选线的重要依据。 2 2 2 中性点经电阻接地系统 - + 1 w 1 r 上 一= = c o ， + + t 一 it 而岛 一l c 。七， ! -+-+_+1 而岛 l | 赢e 卜荨4 - - - - ：, 4 1 一 工一= g 口 t 一 l i 凡一l c m ， j _ | ” 一一 = + _ 4 - - - - - - 一乡? 工一= c o 盯 ff f f y 一ji - - 一i = + + + c 口l i n ei c 口l i n ei i a c 口l i n e 图2 1 1 中性点经电阻接地系统单相接地电流分布 在图2 9 的基础上加上中性点接地电阻如图2 1 1 ，设中性点点阻为r n ，同 中性点不接地系统的分析方法，结合2 1 2 小节中式( 2 1 4 ) 可得到 3 i n l = j 3 t o c o de q 3 4 l = j 3 c o c o e a 气= 等 q 2 6 3 l o r e = 一( 3 o , + 3 i o u + k ) 1 8 第2 章小接地电流系统的单相接地故障分析 则接地时零序等效网络及矢量图如下图2 1 2 。 3 u e o = 一e ir n l ； 3 ，o ， 一3 ( o ，+ o h 弋 厶口) l i n e 川 3 i n c o ) 图2 1 2 中性点经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 可见，非故障线路中零序电流跟中性点不接地系统一样，仍超前零序电压 晚。( 吼。= 一屯) 9 0 。但故障线路始端零序电流3 厶脚比中性点不接地系统增 加了由于中性点电阻而产生的有功分量一，其方向与零序电压相反，从而使 3 i o 滞后系统零序电压眈。的角度大于9 0 。 2 2 3 中性点经消弧线圈( 并电阻) 接地系统 1 9 第2 章小接地电流系统的单相接地故障分析 一+ i a -+lm t 上 一= = c o ， + + + t 一 ii 南艮一i c h 七， 1 _ + _ ，1 而毛 + i i n 而日 专= | 三 工 一三 ：= c t 口 工 一 _ + k 古1 fj 。l 哪 k 一一 = 一4 1 - - - - e ：二夕1 。牛= = = c o 腰 1 f ff il 士 + c b l i n el 彳 c bl i n e 川 彳 图2 1 3 中性点经消弧线圈( 并电阻) 电阻接地系统单相接地电流分布 先考虑经消弧线圈接地，设消弧线圈电感为，工作在过补偿方式，发生单 相接地时零序等效网络及矢量图如图2 1 4 所示。 ( a ) 2 0 l i n el l i n ei i l i n e 川 lenl c 口 第2 章小接地电流系统的单相接地故障分析 o = 一e a 3 3 i l 一3 ( 1 0 ，+ 一il 3 i ( b ) 图2 1 4 中性点经消弧线圈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，根据图2 1 4 及2 1 3 小节中式( 2 1 5 ) 可得各线 路始端零序电流表达式 3 i o i = j 3 a j c o pe q 3 1 0 口= j 3 a t c o ，o ( 2 2 7 ) 诚砸一弋舯c o r 邶c o + 静矿删。t + 3 “。 可见非故障线路和中性点不接地系统及中性点经电阻接地系统都相同，超 前零序电压以。( 眈。- - - m 色) 9 0 。故障线路由于消弧线圈产生的电感性电流丘， 其零序电流厶册在厶 3 0 ，+ 3 i o 口的情况下，将超前以o9 0 。 对于中性点经消弧线圈并电阻接地的情况，如图2 1 3 ，消弧线圈电感为， 中性点电阻为鼬，发生单相接地时零序等效网络及矢量关系如图2 1 5 所示。 ( a ) 2 1 第2 章小接地电流系统的单相接地故障分析 l o e o = 一宅t 一i l3 i o 。_ | o l - 3 ( i o ，+ r 。 j 气， 一，一 厶口) 图2 1 5 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，由图2 1 5 可得各线路始端零序电流表达式为 3 1 0 i = j 3 a ，c o i ue q 3 1 0 j 【r = j 3 c o c o ，o ( 2 2 8 ) 3 i o - - - m ( 脚c o ，+ 伽c o ，+ 面1 + 寺- - ( 3 厶t + 3 + 丘+ k ) 可见，非故障线路零序电流情况与前几种中性点接地方式的情况完全相同， 超前故障时零序电压以。( 以。= 一邑) 9 0 。故障线路由于消弧线圈与中性点电 阻器多了两个分量丘及气，在过补偿的情况下，满足l 3 1 0 ，+ 3 1 0 口，这时故障 线零序电流厶，超前以。大于9 0 。 2 2 4 故障稳态分析结论 本节分析可知，中性点非有效接地系统在单相接地时：1 ) 系统出现零序电压。 2 ) 非故障线路出现零序电流，为本身对地电容电流，超前零序电压9 0 。3 ) 故障 线路始端零序电流为非故障线路对地电容电流之和外加上中性点接地元件上的 电流。 特别对于中性点经消弧线圈接地系统，由于消弧线圈补偿程度的不确定性， 故障线路始端零序电流大小和方向就有不确定的因素。实际中采用的过补偿方 2 2 第2 章小接地电流系统的单相接地故障分析 式，使故障线路和非故障线路的基波零序电流的方向相同，而且消弧线圈工作 在靠近谐振点的地方，对于图2 1 3 和图2 1 4 的模型来说，就是l 略大于 3 i o ，+ 3 i o ，所以故障线路的零序电流往往比较小，比幅法就不能运用。而五次 谐波法虽然可以解决，但往往由于其分量比较小，受到互感器等因素影响，效 果并不理想。 2 3 小接地电流系统单相接地故障暂态分析 上一节讨论的均是在稳态情况下网络的电流分布。实际上，发生单相接地 时，线路的对地电容电流的暂态分量往往比稳态值要大得多，故障电压的故障 电流暂态过程持续的时间很短，但却包含有丰富的特征量。对于如中性点经消 弧线圈接地系统，在利用稳态故障特征难