（高电压与绝缘技术专业论文）小电流接地系统单相接地的小波分析及故障选线.pdf

摘麟 小电流接地系统单相接地的小波分析及故障选线 蘩簧 在小电流接地系统中，发生单相接地故障的概率很高。准确地选 出故障线路，确定故障点位置，对及喇 除线路故障，提赢逶 亏可靠 牲，减少停毫损失，具鸯重要意义。德是臻有懑线理论耪装萎在实际 选线中的准确率不高，难以满足当前故障选线和提高供电可靠性的需 要。 铥对枣邀浚接缝系统审懿袭障选线遵嚣，本文了分耩7 瑗卷荟鞫 敝障选线方法的原理和优缺点，分析中性点不攘地系统、巾性点经清 j 瓜线圈接地然统发生单相接地故障脑所出现的衡态和稳态特征，特别 楚对故障暂怒特性驳及鹫态信息妁萃蛙臻方式遴缔深入番翼究，运瘸了计 算冬出线有效频带静方法，跌嚣为磷究故障遮线酌掰算法提 ；了理论 熬础，指出了利用暂态髓进行故障选线的研究方向。 瓤兴的小波理论优平传统的f o u rie r 分析方法，是分亳吁暂态非平 稳继号麓毒力王具。本文深入磺突小波理论，分橱奎渡速线方法静魏 点和尺度选撵的问题，提出了利用黼量观点来进行特征频带的选取， 髓有效地对故障时刻进行定位。故障选线新算法充分利用撼地故障后 冬线路豹暂态零淳毫滚及小渡空溺中魏高频鸯效分量，对审性点经消 弧线匿接地系统进誊亍大爨仿真，证寨该葵法霹l ；l 解决各种单襁接蓬效 隙选线问题，为其实际工程应用提供了理论指肆。 关键词：小电滚接地系统；小渡轮析；故障选线；暂恣信号 a b s t r a c t w a v e l e ta n a l y s l so ns i n g l ep h a s e - t o e a r t h f _ a u l i to fn e u t r a li n d i r e c t l yg r o u n d e d s y s t e ma n df a u hl l n es e l e c t l o n a 8 s t r 众e t i nt h es y s t e mo fn e u t r a l i n d i r e c t l yg r o u n d e ds y s t e m ，t h e r ei sh i g hp r o b a b i l i t yo f 壤es i n 舀e 必a s $ 韵嘈a 拍f a u l l 羚c t e e l i n g 氇e 汹l l i n e 繇娃| h e 弦s i 重主o n 疆妇蕊l a c c u r a t e l yi so fg r e a ts i g n 沁c a n c ei n 矗x i n gt h ef a u l tt i m e 眦i m p r o v i n g t h er e l i a b i l i t y 0 fo p e r a t i o na i l dm i n i m i z i n gt h el o s sc a u s e db yt h ep o w e rc u t h o w e v e lt h e r ei sl o w d e g 瓣eo fa c c u 豫c yw i t ht h ea v 颤i 豳i em e o r yo fl i n es e l e c t i o na n dd e v i c e s 讯r e a l i t y ， f b rw h i c hi ti s 函搽e u l t 幻m e e tt l l en e e do f 蠡u l tl i n es e l e c t i o na n dt h ei m p r o v e m e n to f e l e c t r i c i t ys u p p l yr e l i a b i l i t y i nt h ev i e wo ft 1 1 ef a u l tl i n es e l e c t i o ni nt h en e u t m i i n d i r e c t i y 罂_ o u n d e ds v s t e m ， 壕。氇e s i s 秘蠢y z e s 氆ep 嚣n e i 搦e so fv a r i o 醢sa v 建l a b l em 蔽h o 琏so f 蠡u 建l i n es e l e 商。拜 a n dt h e i rt m i t sa n dr e s t r i c t i o n s a n di ta l s oa n a l y z e st h et r a n s i e n ta n ds l e a d yf e a t u r e s p r e s e n t e da r e rt h e r ea r es i n g l ep h a s e t o e a n hf a u l t s i nt h en e u t m ln o n g r o u n d i n g s y s t 。m sa n dr e s o n a n t 蓼o u n d 硝s y s t e m s t h ea u l h o rm a k e s 箍出o f o u g hs t u d yo nm e f e a t u r e so ft h e 斑u l tt r a n s i e n ta l l dw a y st ou t i l i z et h et 豫n s i e n ti n f b 珊雒i o na n da p p l i e s t h em e t h o do fc a l c u l a t i n ge 行e c tf r e q u e n c yb 1 0 c ko f e a c hi i n e ，w h i c hp m v i d e st h en e w a l g o r i t h mf o rt h ef a u l tl i n es e l e c t i o nf e s e a r c hw i t ht h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dp r o p o s e s 撬ei s s 醒so f t h ea p p l i 龆t i o no f 穗e 瓤璩s i e 越c o m p o n e 越i 建t h e 是珏l ll i l l es 痰e c 主o n 氆a 专 n e e dt ob ef i l n h e rh l v e s t i g a t e d t h en e ww a v e l e tt h e o m 、汕i c hi ss u p e r i o rt ot h et r a d i t i o i l a lm e t h o dw i t ht h e u 矗鹞j st 疑p o w e 盎l 幻o l 蝣鞠a l y z e 盎el 黼s i e n u n s 黼d ys i 辨a l s 。s l u d y 遗g 也e w a v e l e t 证e o r yt h o r o u g h l y ，斑et h e s i sa n a l y z e st h ea d v a n 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c a t i o no f i ti nt h ep r a c t i c a lp r 町e c 括 塞y 搿0 羝d s ：n e u 圭f a li n d i f 。e 癌yg u 菇d e ds y s 耙瞰；w a v e l 痰a n 搽y s i s ；| | a u l tl i n o s e l e c t i o n ：f h u l tt r a n s i e n tc o u r s e l i i 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，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，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享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 签 名：勰日 期：2 q q 鱼生鱼且 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广舀丈学摆有在著捧权法燕定薄滠蠹学霞论文鳇霞蘧衩，箕孛包 括：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；( 2 ) 为 教学帮群臻嗣麓，学校可以将公齐酶学霞论文诈为资糕在黧书键、资 料窒等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内 容。 本人保诞遵守上述蕊定。 ( 保密的论文在解密艏遵守此规定) 作者然黜： g蠲： 垡埋一 导师签名墟 l 2 逝錾星 基 臻；2 坌垒垂雯蹙 第一章绪论 1 1 引言 随着电力系统规模的不断扩大，低压配电网和高压传输网都得到了迅猛的 发展。低压配电网的扩大意味着用户对供电质量的要求越来越高，为了保证电 能持续稳定的送到用户，快速诊断故障线路和确定故障位置成为低压保护的首 要任务，也是提高配电网综合自动化整体水平的一个重要的关键性问题。目前， 我国3 5 k v 及以下电压等级的配电网多数采取中性点不接地或经消弧线圈接地方 式。在这类电网中发生单相接地故障时，接地故障处仅流过线路的电容电流， 它的数值只是几安到二、三十安，因此这类电网被称为小电流接地电网( 小电 流接地系统) 。据电力运行部门的故障统计，小电流接地电网中单相接地故障发 生率最高，约占总数的8 0 。配电网单相接地故障时不形成短路回路，只是经线 路对地电容形成较小电流通路，电网线电压仍然对称，不影响对用户的正常供 电，因此允许电网继续运行卜2 h 。小电流接地方式可显著提高供电可靠性，同 时也具有提高对设备和人身安全性、降低对通讯系统电磁干扰等优点。但长时 间带故障运行，特别是间歇性弧光接地故障时可能引起电弧接地过电压，对电 网绝缘有威胁，容易扩大为相间短路【2 3 j 。因此故障后快速选择故障线路就显得 十分重耍。如果能够解决小电流接地故障的可靠检测问题，及时发现接地线路 甚至是故障区段，并采取相应的处理措施，减少甚至避免接地故障带来的不良 影响，小电流接地方式将是一种理想的模式。 但时至今日，许多变电站仍在用人工拉路的方法查找故障线路，准确、可 靠的实现故障选线是一个至今仍未彻底解决的问题。小波变换为处理非平稳信 号、突变的暂态信号提供了有力的分析工具，将它应用到小电流接地系统单相 接地故障选线中，可以大大提高保护装置的灵敏度和可靠性，就目前提出的小 波选线方法来看，选线保护性能的确有不同程度的提高，但仍需探讨一些新的 方法，这也是本文的主要研究内容。 第一章 绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 由于历史原因和具体条件迥异，各个国家配电网中性点处理方式不尽相同， 甚至同一国家、同一地区的同一电压等级的电网也有不同接地方式并存的现象。 美国、英国以直接接地和小电阻接地为主；德国从3 2 2 0 k v 系统都采用消弧线 圈接地方式。前苏联地区、日本多采用不接地或经消弧线圈接地方式；法国过 去是小电阻接地，近年来逐步朝消弧线圈接地方向发展。 因此国外对小电流接地保护的处理方式各不相同。现俄罗斯采用中性点不接 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。 日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 瞬间切除故障线路。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 面做了不少工作并已将人工神经网络应用于接地保护。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 点经低阻接地的系统，对高阻接地系统，接地时仅有报警功能。法国过去以电阻 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【4 j 和c 3 幻和小波变换 以提取故障暂态信号中的信息( 如频率、幅值、相位) 来区分故障与非故障线路 的保护方案，但还未应用于具体装雹。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。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。 1 2 2 国内研究状况 在我国，七十年代以前一般采用由电磁型电流继电器和功率方向继电器构 成的零序电流保护或零序电流方向保护。因为故障零序电流很小，造成保护装 置动作不灵敏。而另一方面，因c t 误差造成的不平衡电流，使装置的正确动作 率低，误检率和漏检率比较大。实际上许多地方使用的仍是人工方式来检测故 第一章 绪论 障线路，如拉路检查，造成检测时间比较长，大量用户受短时停电的骚扰，而 且误操作也时有发生。八十年代后，电子技术在我国电力工业的控制及保护装 置中被广泛应用，开发和生产了一批基于模拟电子技术和分离元件的单相接地 装置，因模拟电路中滤波、比较等环节的特性不可能做得很精确，所以运行效 果不佳，并未得到广泛应用。 八十年代后期至今，随着计算机技术在社会和工业界的广泛应用，我国已 经先后开发出多种基于单片机技术的单相接地检测保护装置，目前研究的各种 选线方法和选线装置，基本是依据单相接地时产生的稳态零序电流。由于小电 流接地系统单相接地故障时产生的稳态故障电流很小，有时可能接近于零序c t 容许下限值，测量误差比较大：另一方面，由于三相不对称而产生的不平衡电流 在量值上可能与故障零序电流相当，难以彻底清除。而对于经消弧线圈接地电 网，基波成分不再满足选线判据，一般采用五次谐波，而五次谐波量值更小而 且不确定。这些原因导致现有选线装置选线正确率很低，难以满足现场需要。 因此，进一步探索有效的选线方法是十分必要的。由于小电流接地系统在发生 接地故障时，主要发生变化的是电容电流和消弧线圈的电感电流，而且暂态分 量通常要比稳态分量大得多，暂态电流信号能够更充分地显示和刻画故障特征。 目前有人把这种小波包分析工具应用到接地故障选线中，取得了比较不错的效 果，但是应该看到，它们还存在着不足之处。 1 3 小电流接地故障检测现状及评价 小电流接地故障检测的主要任务是选择故障线路。现有故障选线原理，按 照利用信号方式不同可分为主动式与被动式。主动式方法需向电网注入信号， 而被动式方法则利用接地故障产生的电压、电流信号。被动式又可分为利用故 障稳态信息、暂态信息等两类。 1 3 1 利用注入信号的主动式选线方法 ( 1 ) 拉路法 这是在现场常用的方法，该原理是指小电流接地系统发生单相接地故障时， 在电压互感器开口三角形上将会出现零序电压，利用电压继电器，发出接地信 号，由值班人员依次拉合所有馈出线路，直到找到故障线路。该原理的监视装 置要求倒闸操作，不仅造成非故障线路停电，而且不适合无人值守变电站的要 求。 ( 2 ) 注入单频或变频信号法哪4 j 利用单相接地时原边被短接、暂时处于不工作状态的故障相电压互感器 ( t v ) 向接地线路注入一特定电流信号。由于注入信号将沿接地线路经接地点 返回，根据信号寻迹原理即可实现选线并可确定故障点。 该方法在实用中有一定效果。但缺点是：单频法需要额外增加信号注入设 备：注入信号强度受t v 容量限制：接地电阻较大或接地点存在间歇性电弧现象 时，检测效果不佳；不能应用于电缆网络。变频法当接地电阻较小时，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 3 2 利用故障产生信息的被动式选线方法 ( 1 ) 基于故障稳态信息的选线方法【1 】 1 ) 工频零序电流幅值法 该原理是基于故障支路零序电流大于非故障支路零序电流的特点，利用单 相接地短路，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的特征通过零序电流幅值大小比较就 可以找出故障线路。很显然这种方法从理论上只适用于中性点不接地系统，考 虑到线路长短、系统运行方式及过渡电阻大小的影响，且系统中可能存在误判， 适用范围很小。 2 ) 零序电流相对相位原理 该原理是利用故障线路零序电流滞后零序电压9 0 度，非故障线路零序电流 超前零序电压9 0 度的特点来实现的。由于故障线路与非故障线路的零序电流分 别为从线路流向母线和母线流向线路，所以只要比较零序电流方向就可以找出 故障线路。此原理也是只适应于中性点不接地系统，而且受系统运行方式是影 响较大，误判率较高。 3 ) 群体比幅比相原理1 6 8 j 该原理是从多条线路的信号分别提取基波或五次谐波，按选出幅值较大的 几个作为侯选，然后在此基础上进行相位判别，其中方向与其他方向不同的即 为故障线路；如果都相同，则为母线故障。该方法在一定程度上解决了前两种 方法存在的问题，但是同样不能排除过渡电阻大小、系统运行方式的影响，而 4 且消弧线圈的补偿也会使相应关系不再满足。 4 ) 五次谐波法 由于谐波电流方向原理所使用的高次谐波分量较小易受干扰，实际运行中 多使用五次谐波分量法从过渡电阻的非线性可知故障点本身就是一个谐波源金 属性接地是经电阻接地发展而来的且以基波和奇次谐波为主。文献1 9 l 根据谐波在 整个系统内的分稚和保护的要求使用五次谐波分量为宜中性点经消弧线圈接 地系统中消弧线圈是按照基波整定的即有纠* 形粥和5 洲，缮纰，所以可忽略 消弧线圈对五次谐波产生的补偿效果知零序电流五次谐波分量在中性点经消 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，再利 用前述原理如群体比幅比相法即可解决中性点经消弧线圈接地系统的选线问 题。但负荷中的五次谐波源、c t 不平衡电流和过渡电阻大小均会影响选线精 度。将零序电流3 ，5 ，7 等多次谐波分量求和后再根据五次谐波理论进行选线的 改进方法。虽然能一定程度上克服单次谐波信号小的缺点，却不能从根本上解 决问题。 5 ) 零序导纳法 文献“，4 3 1 根据电网正常运行时的零序回路，利用消弧线圈适当的失谐状况 和位移电压的相应改变，可计算出每条出线的对地导纳和导纳系数，将其作为 相应出线的参考值存储起来。故障时相当于电网附加了一个不对称电源，会引 起出线导纳系数的改变。比较每条线路故障前后导纳系数的变化可以确定故障 线路。 该方法灵敏度较高，已在欧洲国家使用，我国也己引进多套装置。但需要 消弧线圈配合使用，不适用中性点不接地或消弧线圈不能自动调协的系统。 上述基于稳态信息选线方法的一个共同特点是，单相接地时故障稳态电流 一般小于3 0 a ，甚至只有几安培。其中有功分量和谐波分量更小，一般不到接地 电流的1 0 。相比于相间短路电流和负荷电流，其幅值非常小，易受变电站强 电磁环境的干扰，当故障点电弧不稳定、特别在间歇性接地故障时，由于没有 稳定的稳态信息，受其影响较大这是所有基于故障稳态信息检测方法面临的主 要问题之一。 ( 2 ) 基于故障暂态信息的选线方法 1 ) 首半波法 文献 12 j 提出在谐振接地系统中，由于故障首半波消弧线圈尚未起作用，因 此不受消弧线圈的影响。利用故障起始后一段时间内故障线路暂态零序电压与 暂态零序电流极性相反，而健全线路相同的原理选择故障线路。 可适用于不接地和经消弧线圈接地系统；可检测不稳定接地故障。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值很小，易引起误判，其 适用范围受到限制。实践证明，用这一原理制成的保护装置工作可靠性较差。 2 ) 能量法 文献【l 驯对系统故障后的全部过程均以能量观点来解释。定义线路零序电压 与零序电流乘积的积分为能量函数，则故障前所有线路为零，故障后故障线路 恒小于零、而健全线路恒大于零，且故障线路能量幅值等于所有健全线路和消 弧线圈之和。该能量函数本质上是瞬时功率( 瞬时有功功率和瞬时无功功率之和 的累积，无功分量的积分为交替变化的周期函数，而有功分量的积分呈发散状。 由于接地电流中有功分量较小，且积分函数易将一些固定误差累积，因此该方 法的实际效果有待观察。 3 ) 基于小波变换的暂态零序电流比较法7 ，l 8j 利用合适的小波和小波基对暂态零序电流进行小波变换，根据故障线路上 暂态零序电流某分量的幅值包络线高于健全线路、且二者极性相反的关系选择 故障线路。文献1 1 4 j 中利用小波分析中的多尺度分析的方法，将故障信号经小波 变换投影到各尺度空间上，再把低频空间成分提取出来，并进行大小和方向的 比较，构成选线判据。文献【l5 j 提出利用故障引起的突变( 奇异) 特征，用小波 奇异性检测原理分析故障奇异状况，达到选线的目的。文献【) 利用小波包的时 频聚焦特性，对配电网发生单相故障后的暂态电气量按照一定的频带宽度分解， 对应于不同的中性点接地方式以频带能量的观点选择适当的频带来实现准确选 线。但多数方法仅仅给出了实现方法和仿真结果，有些算法缺乏理论基础：特 别有些小波尺度的选择及特征量在尺度上的定位缺乏理论根据。 一般而言，故障产生的暂态电流比稳态电流大数倍到数十倍，且不受消弧 线圈影响。因此，利用暂态信号的检测方法具有较高的可靠性和灵敏度。随着 现代微电子技术的发展，可以记录并用复杂的数字算法处理接地故障产生的暂 态信号，使基于暂态信号的检测方法获得了新的生命。另外根据故障选线方法 适用条件及存在的优缺点，利用信息融合【1 9 】、模糊决策伫0 1 、神经网络等理论将 不同检测方法结果综合处理选择故障线路，也取得了不错的效果。 1 4 本论文主要工作 尽管已有数十种故障选线方法提出并应用到现场，但由于实际使用效果均 不理想，相当多的故障还是依靠人工拉路的方法实现故障线路选择。因此，小 电流接地故障可靠检测仍然是一个棘手并急需解决的问题。 本文将对小电流接地系统单相接地选线的问题展开以下研究： 1 分析现有各种故障选线方法的原理和优缺点，分析中性点不接地系统、 中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障后所出现的暂态和稳态特征，特 别是对故障暂态特性以及暂态信息的利用方式进行深入研究，从而为研究故障 选线的新算法提供了理论基础，指出了利用暂态量进行故障选线的研究方向。 2 研究小波理论，为更好地将其应用于小电流接地系统故障选线打下理论 基础。分析现有各种小波选线方法的优点和不足，从而进一步明确研究重点。 3 针对小波分析尺度的选择提出基于能量的方法考虑，使提取的特征频带 能更好地反映故障暂态特征，选择合适的小波函数进行小波分析，能有效地判 断故障时刻，定位好小波分析的数据窗，减少运算量。 4 提出基于暂态分量的故障选线的新算法。新算法针对经消弧线圈接地系 统的特点，充分利用接地故障后各线路的暂态零序电流及小波空间中的高频分 量，经过大量仿真证明本文提出的新算法对于各种小电流接地系统的接地故障 选线能有很高的准确性。 第= 章自e 电网单相接地故障特征分析 第二章配电网单相接地故障特征分析 2 1 引言 我国大多数配电网均采用中性点非有效接地系统，而在配电网中单相接地 故障占线路故障的7 0 一8 0 ，是配电网的主要故障，它对配电网安全、可靠运 行有着重要的意义。当发生单相接地故障时，供电仍能保证线电压的对称性， 且故障电流较小，不影响对负荷连续供电，故不必立即跳闸，规程规定可以继 续运行1 也h 。但随着馈线的增多，电容电流也在增大，长时间运行就易使故障 扩大成两点或多点接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备， 破坏系统安全运行，所以必须及时找到故障线路予以切除。 单相接地时故障稳态电流一般小于3 0 a ，甚至只有几安培。其中有功分量和 谐波分量更小，一般不到接地电流的1 0 。相比于相间短路电流和负荷电流， 其幅值非常小，易受变电站强电磁环境的干扰。因此，现有故障选线方法实际 使用效果均不理想，相当多的故障还是依靠人工拉路的方法实现故障线路选择， 所以必须充分依靠小电流接地故障的暂态分量解决这个棘手的问题。本章将详 细分析小电流接地系统单相接地时的稳态和暂态故障特征，从电压和电流暂态 分量的频率、幅值、相位等参数与故障特性有着清晰的相关性角度入手，指出 利用暂态信号中更为有效的频带作为选线依据。以便以后利用小波分析的理论 并结合能量的观点，选择暂态量中更为有效的频带，解决了小波分析的尺度选 择和频带选取问题。 2 _ 2 中性点接地方式概述 电力系统中性点是否接地及以何种形式接地，是涉及到技术、经济、安全 等多个方面的综合问题。目前处理方式主要有：中性点有效接地电网和中性点 非有效接地电网。其中中性点有效接地电网又称大电流接地系统，包括中性点 直接接地、电抗接地、低阻接地；中性点非有效接地电网即小电流接地系统 ( n u g s ) ，包括中性点经中高阻接地( n r s ) 、中性点经消弧线圈接地即谐振接 地( n r s ) 和中性点不接地系统( n u s ) ，以及由控制装置控制的灵活接地系统 第= 章配电网单相接地故障特征分析 ( 即根据电网运行情况改变系统接地方式或接地元件如线圈、电阻的大小) 。 区分中性点有效接地电网和非有效接地电网的依据是电网单相接地时的健 全相电压。在中性点有效接地电网中避雷器的灭弧电压为o 8 倍额定线电压， 而中性点非有效接地电网中的避雷器灭弧电压为1 1 倍额定线电压，考虑到电网 实网实际工作电压最大可能为额定电压的1 0 5 倍，可以得到电网单相接地时的 健全相电压高于故障前工作相电压o 8 + 3 1 0 5 = 1 3 2 倍时即为中性点非有效接 地电网。 目前，我国配电网多数采用小电流接地系统，其单相故障接地电弧能够自 行熄灭，是一个突出的特点，这应当是进行小电流接地系统范围界定的必要与 充分条件。电力系统正常运行时，不同中性点接地方式是反映不出来的。可是 当系统发生单相接地故障时，非故障相工频电压和单相接地故障电流的大小就 由于中性点接地方式的不同而异【4 ”。对于配电网来说，限制单相接地故障电流 比限制非故障相工频电压的升高更为重要。 2 3 小电流接地系统单相接地故障分析【1 0 2 3 1 小电流不接地系统 小电流接地系统中发生单相接地故障将不会形成大电流回路，故障电流主 要由线路对地电容提供。对于1 0 k v 架空线路来说，每3 0 公里线路产生大约1 安 培的零序电流，电缆线路产生的零序电流稍大一些。这样微弱的故障信号混杂 在上百安培的负荷电流中，使得传统的继电保护装置根本不可能正确反应故障 情况。 不论是架空线路还是地下电缆，各相导线之间以及每相导线与大地之间都 存在着分布电容，一般来说，线路零序电容的大小与线路的长度、导线的半径、 几何均距以及线路与地面的距离等因素有关。在考虑线路充分换位的情况下， 相问电容是相等的，即c 。= c 。= c 。，并且三相的对地电容也是对称的，即 c 。= c 。= c 。因为系统的中性点对地阻抗很大，系统中任一点的零序阻抗都 很大。对零序电流而言，线路或者其他元件的串联阻抗，比线路对地导纳表示 的并联阻抗小得多。因此在小电流接地选线问题的研究中，忽略这些串联阻抗， 主要分析各相对地的电容组成的回路。对于系统中一相发生接地故障的情况如 图2 1 所示。 第= 章配电网单相接地故障特征分析 ! 她骂；鬯。銎 圭；圭圭三 ：一= 【一一 ： i苦 配一圭：圭圭o 一一。 图2 1 中性点不接地系统单相接地 f i g 2 - ls i n g i ep h a s e - t o e a r t hf a u l to fn e u t r a l i n d i r e c t l yg r o u n d e ds y s t e m 在故障前，系统正常运行，三相对地有相同的电容，变压器中性点电压可 以认为等于零。此时各相线路对地电压为相电压，并产生超前于相电压9 0 。的三 相对称电容电流，其和为零，故障后相量图如图2 2 ( 以a 相金属性接地为例) 。 即a 相电位将与大地相位相同，健全相电压则升高到线电压，变压器中性点电 压u 升高到相电压。此时a 相线路对地电容电流将消失，而b 、c 两相线路对 地电容电流将有所增加。三相电容电流的和就不再等于零，每条线路上都出现 了零序电流。其中，故障线路零序容性电流由线路流向母线，非故障线路则由 母线流向线路。当a 相经过阻抗接地时，变压器中性点电压u 升高，但是不能 达到相电压；健全相电压升高，但也不能达到线电压。电容电流的分布与不经 电阻接地时是一样的，只是幅值随着接地电阻的增加而减小。非故障线路的零 序电流超前零序电压为9 0 。；故障线路的零序电流滞后零序电压为9 0 。；故障线 路的零序电流与非故障线路的零序电流相位相差1 8 0 。接地故障处的电流大小等 于所有线路( 包括故障线路和非故障线路) 的接地电容电流的总和，它超前零 序电压为9 0 。 a 正常遥行 ba g 辖j 电 图2 2 中性点不接地系统a 相单相金属接地 f i g 2 - 2a p h a s ef a u l tb ym e t a lo fn e u t r a li n d i r e c t l y0 r o u n d e ds y s t e m 0 第= 章配电网单相接地故障特征分析 2 3 2 中性点经消弧线圈接地系统 在我国，对于3 5 k v 电网，如果单相接地时的接地电流的总和大于1 0 a ， 3 1 0 k v 电网单相接地时的接地电流大于3 0 a ，都需要采用中性点经消弧线圈接 地方式。消弧线圈是一种铁芯带有空气间隙的可调电感线圈，又称彼得生线圈， 它有自动跟踪补偿方式和非自动跟踪补偿方式之分。由于前者具有后者无法比 拟的优点，所以现在基本都采用自动跟踪补偿方式。 电网运行方式改变后，其对地电容电流将随电容参数的改变而相应变化。 为保证在任何运行方式下的残流在规程允许范围内，就必须使用消弧装置产生 的电感电流对电网电容电流作跟踪调整。通常采用位移电压原理，调档、调隙、 调磁计算原理，相位原理和注入电流原理等进行在线监测。 c b c 8 a 图2 3中性点经消弧线圈接地系统 f i g 2 3 n e u t r a lr e s o n a n tg m u n d e ds y s t e m 图2 3 为中性点经消弧线圈接地电网，设该电网有三条出线，其中线路i i i a 相接地故障，下面分析线路i i i 的a 相接地时隋况。 电网各处a 相对地电压u a 为零，电源中性点n 对地电压u ”2 一n ，b 相对 地电压u 一为e 。一止，c 相对地电压讥为巨一e ，线电压= 瓦一毛， = 毛一也，= e 一艺，母线上的零序电压= 一乜，非故障线路i 的 3 厶。= ，川= j 3 嵋，非故障线路i i 的3 ，0 ，。= ，川= ，3 珊c u ，故障线路的接地 电容电流，。，= ，3 u o 倒q i i o 这些电流、电压与电网中性点不接地时完全相同， 所不同的主要有以下几点： ( 1 ) 如果消弧线圈的电感为l ，电流为国三，由于它两端的电压为 第= | 配电网单相接地故障特征分析 u ，= 一乞= ，因此通过它的电流为( 不计消弧线圈的功率损耗) ，：垃：一生：生( 2 1 ) ll l 由于接地电容电流和t 都通过接地故障处，因此按地故障处的电流为 j d = j 瑚 + i 泣n + l 扎i m + il = fj 托+ jl ( 2 2 ) k 超前砜为9 0 。，而滞后为9 0 。，两者相位相反，因此接地故障处 的电流比电网接地电容电流的总和k ：要小，消弧线圈起到了补偿的作用，接 地故障处的电流称为残余电流。 在电网运行中一般采用过补偿方式，使t ，。，过补偿多少以过补偿度p 来表示，它定义为： j i ，一| l n 胪_ 了 补偿度一般为5 1 0 。从式( 3 3 ) 可得 l = ( 1 + p ) k 将式( 3 4 ) 代入( 3 3 ) ，得到 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ld = l i d + l f ? = ij d 一q + p _ l d = 一p i i n ( 2 5 ) 如果p = l o ，那么接地故障处的残余电流只有电网接地电容电流总和的 1 0 ， 比没有消弧线圈补偿的中性点不接地系统要小得多。 ( 2 ) 由于故障线路i i i 的t 。= 一l ，五。+ 丘。= l 。，因此故障线路的3 厶为 3 ，0 儿i = l i i i + 厶l + 1 1 1 = 一厶+ 如i i i = 上+ 如川 ( 2 6 ) 第= 章配电网单相接地故障特征分析 综上所述，小电流经消弧线圈接地系统有下述规律： ( 1 ) 在经消弧线圈接地的电网中发生单相接地故障时，故障相对地电压为 零，非故障相对地电压为电网的线电压，电网出现零序电压，它的大小等于电 网正常工作时的相电压，但电网的线电压仍是三相对称的。 ( 2 ) 消弧线圈两端的电压为零序电压，消弧线圈的电流也通过接地故障处和 故障线路的故障相，但它不通过非故障线路。 ( 3 ) 接地故障处残余电流的大小等于补偿度与电网接地电容电流总和的乘 积，它滞后零序电压为9 0 。：残余电流的数值往往较小。 ( 4 ) 非故障线路的大小等于本线路的接地电容电流；在过补偿的情况下，故 障线路的大小等于残余电流与本线路接地电容电流之和。 ( 5 ) 非故障线路零序电流超前零序电压为9 0 。；在过补偿的情况下，故障线路 的零序电流也超前零序电压为9 0 。：故障线路的零序电流与非故障线路的零序电 流相位致，这一点与中性点不接地系统正好相反，如图3 4 。所以故障选线时 在稳态的情况下难以利用相位之间的关系，选线难度加大，故本文重点分析中 性点经消弧线圈接地系统的单相接地故障时，利用暂态特征选线的方法。 图2 - 4 中性点经消弧线圈接地的故障线路和非故障线路零序电流波形 f i g 2 - 4z e r o s e q u e n c ec u r r e n to ff a u l tl i n ea n dn o n - f a u l tl i n ei nn e u t r a l r e s o n a n tg r o u n d e ds y s t e m 第= | 配电网单相接地故障特征分析 2 4 单相接地故障的暂态分析 以上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其稳态分量大很多倍。在接地电流很小 很难利用这些故障电流的情况下，考虑用暂态分量来选线是很有意义的。而且 这样考虑还有一个重要的原因，那就是小电流接地系统单相接地时，暂态过程 往往不止一个，例如在电缆击穿的过程中，随着绝缘的破坏和电源的过零会出 现多个暂态过程。我们可以将暂态电容电流看成是如下两个电流之和| 2 l 。2 4 】。 1 ) 由于故障相电压突然降低而引起的放电电容电流，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，振荡频率主要决定与电网 中线路的参数、故障点的位程以及过渡电阻的数值。 2 ) 由于非故障相电压突然升高而引起的充电电容电流它主要通过电源而成 回路。由于整个流通回路的电感、电阻较大，因此，充电电流衰减较慢，振荡 频率也较低。 对于中性点经消弧线圈接地的电网，暂态电感电流的最大值应出现在接地 故障发生在相电压过零的瞬间【4 ”。而当故障发生在相电压接近最大值的瞬间， 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 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，其暂态过渡过程 是近似相同的。在过渡过程中，可利用图2 5 来计算接地电容电流。此等效网 络中，r 、c 、l 为网络分布参数，消弧线圈的集中电感k9 ，实际上它不影 响电容电流分量的暂态值，故可略去。 图2 5 小电流接地系统简化等效电路 f i g 2 - 5s i m p l m e de q u i v a l e n tc i r c u i to f n e u t r a li n d i r e c t l yg r o u n d e ds y s t e m 假设故障发生在电压出现峰值时刻，( ，) = c o s f ，其中为工频频率。 当开关闭合后，图2 - 5 中电压平衡方程式为： 第= 章 配电网单相接地故码l 征分析 硼胁一。+ = 上罢砌饥划争m 等饥c z 训 从数学上知道，此微分方程的解由自由分量和强制分量两部分组成，叫路 电流i 可以表达为式( 2 - 8 ) 。式中占：r 2 为自由分量衰减系数；：，j 。i i 否为 回路的共振频率。当r 2 万石时，万，则脚= 国2 。一万2z ，它表示回 路的自由振荡频率 扛叱c e ms t n 卜u 们s ；n 删= 玑们( 等e m s t n ，_ s t n 叫 cz s ， 由于u 。，是稳态情况下的电容电流，又当f = 瓦4 时，s i n f = 1 ，则 i 最大，故可求得过渡过程中首半波的最大电流值 。，c ( 虬s i n 耐 。， 考虑到暂态过程中锋值出现在，- 瓦4 0 时，则，m 。，cz 。 因此，暂态电容电流最大值和稳态值之比，近似等于共振频率与工频频率 之比，它可能较稳态值大几倍到十几倍。 如果故障是发生在相电压瞬时值为零的附近( 例如是由于外界机械的原因 而接地) ，则电容电流的暂态分量很小，但是此时电感电流出现最大值，所以此 时接地的故障电流中也存在着较大的暂态分量，也可以利用其暂态信息实现故 障选线。但是，以上分析只是针对接地点的暂态电流特性，缺乏对于故障线路 和各健全线路各自的暂态特征分析，只分析了暂态过程在时域的特征，所以有 必要对不同频率下各条线路的暂态特征进行分析。 2 5 线路在不同频率下的暂态特性皿5 j 2 5 1 均匀传输线的传输方程和入端阻抗 设均匀传输线长度为l ，根据传输方程。矧，其入端和末端电压电流满足 第= 章配电网单相接地故障特征分析 州，劂勰糊 l t jm ( ，) 乙c ( 脚) j l 厶j “ 舯乙= 争= 唐= 鼯称为均匀传输线路的波毗公式 ( 2 1 0 ) 称为均匀传输线的正向传输方程。 r 、厶分别为单位长度来回两根线的电阻、电感； 瓯、g 分别为单位长度来回两根线之间的电导和分布电容； d 、分别为入端电压电流； 吼、厶分别为末端电压电流； z 2 为末端负荷阻抗z 2 = 晚厶，则入端阻抗可以表示为式( 21 1 ) ，从两 端看到的阻抗仅受负电荷阻抗的影响。即在对端负荷阻抗相同的条件下，两端 的入端阻抗是完全相同的。 五= 等= z c 糍 根据入端阻抗相频特性分析，如图2 6 ，可以看出入端阻抗在频率变化达到 一定值时，交替地呈现感性和容性。由串并联谐振的定义，当发生串联谐振时， 相频特性由容性变为感性；当发生并联谐振时，相频特性由感性跃变为容性。 2 刁 罂 、 o n 2 图2 6标准架空线路入端阻抗相频特性 f i g 2 6 p h a s ea n df r e q u e n c yt r a i to fi m p e d a n c eo fo v e 卜l i n e 第= 章自0 电网单相接地故障特征分析 2 5 2 中性点不接地系统 ( 1 ) 健全线路测量阻抗相频特性 中性点不接地系统设有健全线路k ，从母线处看相当于末端开路的单相 均匀线路，即末端负荷阻抗乙= m 。根据2 5 1 节内容，其按分布参数模型 考虑的零模入端阻抗乙。可以表示为： z 靠= 警c 肪( j 云j 夏= _ 二瓦) 七，( z 一- z ) 该式中，由于配电线路对地电导