（电气工程专业论文）基于零序暂态功率方向的消弧线圈接地系统故障选线装置的研究.pdf

重庆大学工程硕士学位论文 中文摘要 摘要 在我国3 6 6 k v 配电网中，广泛采用小接地电流系统，而此系统发生最多的是单 相接地故障，所以如何快速准确地检测出故障线路一直是电力系统继电保护的重要 研究课题。本文回顾了国内外小接地电流系统单相接地故障选线方法发展的历史， 对现有的各种选线原理和方案做了系统的归纳，提出了尚需解决的问题。 本论文研究的基于零序暂态方向的接地选线方法，在理论上克服了以往单相接 地保护不能检测故障瞬间零序电流的相位变化的不足，使用了一种新的算法来检测 故障瞬间零序电流的相位变化，不受零序电流大小、线路补偿情况、谐波强弱等影 响，具有较高的理论和实用价值。 此设计原理不仅实用于架空线路，而且实用于电缆线路，在原理和硬件设备上 与以往的单相接地选线保护原理和装置相比有很大的优点，而且装置成本不高，算 法原理也不复杂，处理运算能力强，实时性好。 论文研究的重点是开展了基于零序暂态方向的接地选线装置的物理模拟实验 研究，搭建了实验的物理模拟系统，就消弧线圈的不同补偿方式对接地选线装置的 影响进行了研究，就故障接地点的不同和故障发生时刻相电压初始相位的不同对接 地选线装置的行为进行了研究，通过对基于零序暂态方向的接地选线装置的研究， 论文得出了一些实验结论，这些实验结论如下： 1 、不管是采用完全补偿、欠补偿或者过补偿，故障线路的零序电流与非故障线 路的零序电流在故障时刻有明显的反相特征。通过瞬时相位的求取，就可获取这一 反相特征，即可选择故障接地线路。 2 、在故障时刻，无论故障相电压的相位处在何种初始状态下，都有零序电流反 向的特征。 3 、从实验结果看，故障发生时的补偿度与故障点有关。这在工程实际中是需 要注意的。 关键词：小电流接地系统、单相接地故障、故障选线、零序暂态方向 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t n e t w o r k sw i t hu n g r o u n d e dn e u t r a la r ew i d e l yu s e di np o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m w i t h3 - 6 k vv o l t a g ei nc h i n a ，a n dt h es i n g l ep h a s et oe a r t hf a u l th a p p e n sm o s t f r e q u e n t l yi nd i s t r i b u t i o n ，t h u sh o w t od e t e c tt h ef a u l tl i n eq u i c k l ya n da c c u r a t e l yi sa n i m p o r t a n ts u b j e c ti ne l e c t r i cp o w e rs y s t e mp r o t e c t i v er e l a y i n g f i r s t l y ，t h i sd i s s e r t a t i o nr e v i e w st h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo ft h em e t h o d so ff a u l t l i n es e l e c t i o no fs i n g l ep h a s et oe a r t hf a u l ti nn e t w o r k sw i t hu n g r o u n d e dn e u t r a li nt h e w o r l d ，a n ds u m m a r i z e sa l lt h ee x i s t i n gt h e o r i e so nt h ef a u l tl i n es e l e c t i o ns y s t e m a t i c a l l y t h e n ，c o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c a ln e t w o r ka r c h i t e c t u r eo fp o w e ru t i l i t yo fc h o n g q i n g d o w n t o w n t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e sf a u l tl i n es e l e c t i o nf o rs i n g l ep h a s et oe a r t hf a u l tb a s e do n z e r o - s e q u e n c et r a n s i e n tp o w e rd i r e c t i o ni np o w e rn e t w o r kw i t hu n g r o u n d e an o v e l m e t h o db a s e do nz e r o s e q u e n c et r a n s i e n td i r e c t i o na r ep r e s e n t e d ，w h i c ha r eu s e da st h e c r i t e r i at od e t e c ts i n g l ep h a s et oe a r t hf a u l t n e wp r i n c i p l ef o rf e e d e rg r o u n d i n gf a u l t p r o t e c t i o nb a s e do nz e r o s e q u e n c et r a n s i e n td i r e c t i o ni m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo f t r a d i t i o n a lg r o u n d i n gf a u l tr e l a y si nd i f f i c u l ti m p l e m e n t a t i o na n dp o o rr e l i a b i l i t y s i m u l a t i o nr e s u l t s ，w h i c ha r eo b t a i n e du n d e rh i g h s p e e ds a m p l i n gc i r c u i ta n d h i 曲- p e r f o r m a n c ed s po p e r a t i o nc o n t r o l l e r , s h o wt h a tt h i sp r o t e c t i o ns c h e m ei sc o r r e c t ， e f f e c t i v ea n dr o b u s t 。 t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o nc a nb ea c h i e v e d ： ( 1 ) n om a t t e rw h a tk i n do f c o m p e n s a t i o nt y p e ，s u c h a so v e ro ru n d e r c o m p e n s a t i o n ，z e r o - s e q u e n c et r a n s i e n t c u r r e n to ff a u l t l i n eh a v ea d i s t i n g u i s h i n gc h a n g ew i t ht h a to fn o n - f a u l tl i n ea tf a i l u r et i m e ( 2 ) a tt h et i m eo ff a i l u r e ，n om a t t e rw h a tk i n do fs t a r ts t a t eo fv o l t a g ep h a s e ， t h ez e r o s e q u e n c et r a n s i e n tc u r r e n th a st h ec h a r a c t e r i s t i co fi n v e r s ep h a s e ( 3 ) f r o mt h ev i e wo fs i m u l a t i o nr e s u l t s ，i ts h o u l db ew o r t ht op a ym o r e a t t e n t i o nt h a tt h ec o m p e n s a t i o nt y p eh a ss o m e t h i n gt od ow i t hf a i l u r e l o c a t i o n k e yw o r d ：n e t w o r k sw i t hu n g r o u n d e dn e u t r a l ，s i n g l ep h a s et oe a r t hf a u l t ，f a u l tl i n e s e l e c t i o n ，z e r o s e q u e n c et r a n s i e n td i r e c t i o n i i 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 前言 我国3 、6 、1 0 、3 5 、6 6 k v 系统绝大多数是小电流接地系统，即中性点不直接 接地系统。对于中性点不直接接地系统，如果单相接地电流大于一定值( 3 1 0 k v 系统中，单相接地电流大于3 0 a ；2 0 k v 及以上系统中，单相接地电流大于1 0 a ) ， 则中性点须经消弧线圈、电阻等元件接地。因而，中性点不直接接地系统f n u g s l ， 可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 ) 矛i 中性点经电阻 接地系统( n r s ) 。当系统发生单相接地时，接地电容电流比负载电流小得多，且系 统线电压仍保持不变，故可不中断供电( 国家规程规定允许暂时运行2 h ) 。但非故障 相的电压升为线电压，经常性长时间运行有可能导致绝缘破坏，因而需要实现故障 线的可靠选择，以便切除接地故障线。 现有的小电流接地选线装置的选线正确率仅为2 0 至3 0 。很多供电部门仍 在使用拉线法确定故障出线，这与电力系统提高供电可靠性的要求与呼声背道而 驰。这一问题正成为改善电能质量、提高供电可靠性的主要困难之一。 1 2 国内外研究进展情况 在原苏联，n u g s 得到了广泛应用，其保护原理从过流、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n u s 或n r s ，所以选线原理 简单，可采用基波无功方向方法。德国多使用n e s ，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n r s 几十年后，现在正以 n e s 取代n r s ，同时开发出了高新技术产品零序导纳接地保护。9 0 年代初，国外 已将人工神经网络原理应用于保护并有文献提到应用专家系统方法。在我国，从 1 9 5 8 年起就一直对此问题进行研究，提出了多种选线方法，并开发出了相应的装置。 已经提出的选线方法均以零序电压来启动保护或选线装置。选线方法可分成两类， 第一类，比幅法、l p , h 法、群体比幅比相法、首半波法、谐波电流方向法、五次谐 ，r、 波分量法、有功分量法、能量法、还有近年出现的应用小波分析、最大呲m r 原理、 模糊推理或模式识别来实现故障选线的多种方法；第二类，如拉线法、注入信号跟 踪法。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，8 0 年代中期我国又研制成功了微机接地选线装 罨，最近又增添了残流增量法微机接地选线装置，到目前为止，基于上述不同选线 理论已经先后推出了几代产品。但在实际应用中的效果并不十分理想，所以此问题 还有必要进一步研究f 1 4 ，7 1 。 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 目前小电流接地系统保护主要有以下几种： 系统接地绝缘监视装置 绝缘监视装置是利用零序电压的有无来实现对不接地系统的监视。将变电所母 线电压互感器( 三相五柱式) 其中一个绕组接成星形，利用电压表监视各相对地电 压，另一绕组接成开e l - - - 角形，接入过电压继电器，反应接地故障时出现的零序电 压。当发生单相接地故障时，开口三角形出现零序电压，过电压继电器动作，发出 接地信号。该保护只能实现监测出接地故障，并能通过三只电压表判别出接地的相 别，但不能判别出是哪条线路的接地。要想判断故障线路，必须经拉线路试验，必 将增加了对用户的停电次数。且若发生两条线路以上接地故障时，将更难- n 另j j 。装 置可能会因电压互感器的铁磁谐振、熔断器的接触不良、直流的接地、回路的接触 不良而误发或拒发接地信号。 零序电流保护 零序电流保护是利用故障线路的零序电流比非故障线路零序电流大的特点来 实现选择性的保护，如d d 1 1 接地电流继电器和南自厂的r c s 9 5 5 系列保护。该 保护一般安装在零序电流互感器的线路上，且出线较多的电网中更能保证它的灵敏 度和选择性。但由于零序电流互感器的误差，线路接线复杂，单相接地电容的大小、 装置的误差、定值的误差、电缆的导电外皮等的漏电流等影响，发生单相接地故障 线路零序电流二次反映不一定比非故障线路大，易发生误判断、误动。 零序功率保护 零序功率方向保护是利用非故障线路与故障线路的零序电流相差1 8 0 。来实 现有选择性的保护。如传统的零序功率方向继电器，无人值守综自所应用的如南瑞 d s a l l 3 、1 1 9 系列零序功率方向保护。零序功率方向保护没有死区，但对零序电 压零序电流回路接线等要求比较高，对系统中有消弧线圈的需用五次谐波功率原 理。 小电流接地选线综合装置 随着电力科技的发展，近年来小电流接地电力系统逐步应用了独立的小接地电 流选线装置。将小电流系统所有出线引入装置进行接地判断及选线，如m l x 系列。 m l x 系列选线装置的原理是用电流( 消弧线圈接地采用五次谐波) 方向判断线路， 选电流最大的三条线路在进行方向比较，从而解决了零序电流较小、各种装置l h 误差、测量误差、电力电缆潜流、消弧线圈、电容充放电过程等影响，能正确判别 或切除故障线路。 目前已有的单相接地选线装鼹的选线正确率都很低或者不理想，不能满足电力 系统安全性、经济性和自动化无人值守变电站发展方向的要求。 国内目前小电流接地选线装置容易误判的三个主要原因是： 重庆大学工程硕士学位论文l 绪论 许多装置采用的判据存在缺陷： 许多装置硬件设计，软件算法存在缺陷，影响装置的准确性； 许多装置研发时突出性能和测量速度，极少考虑送变电过程对装置的影响以 及现场的具体情况。 特别是中性点经消弧线圈接地方式，根据规程要求消弧线圈必须处于过补 偿状态，接地线路和非接地线路流过的零序电流方向相同，故零序过流、零序方向 保护无法检测出已接地的故障线路。 目前，由于诸多方法实现上的原因，很多投运的接地选线装置运行效果都不甚 理想，因此寻找一种较理想的新方法来实现消弧线圈接地系统的接地选线装置具 有明显的现实性和实用性。一旦基于零序暂态功率方向的消弧线圈接地系统接地 选线装置研制试验成功，将提高电力配网系统的运行可靠性水平，使系统更加经 济运行，同时也可以推动电力系统更快地朝着无人值守和综合自动化的方向发展。 1 3 论文的主要工作 本论文结合重庆市城区电网的实际情况，就消弧线圈接地系统的接地选线方法 进行了研究，特别是对基于零序暂态功率方向的选线方法进行了研究。在接地选线 方法研究的基础上，论文讨论了基于零序暂态功率方向的接地选线装置的实现方 法。在实现基于零序暂态功率方向的接地选线装置的基础上，论文重点开展了接地 选线装置的物理模拟实验研究，搭建了实验的物理模拟系统，就消弧线圈的不同补 偿方式对接地选线装置的影响进行了研究，就故障接地点的不同和故障发生时刻相 电压初始相位的不同对接地选线装置的行为进行了研究，通过对基于零序暂态功率 方向的接地选线装置的研究，论文得出了一些实验结论。 重庆大学工程硕士学位论文2 各种故障选线原理分析 2 各种故障选线原理分析 2 1 前言 目前的小电流接地系统单相接地保护有着各种不同的故障选线方法，从选线原 理上主要可以分为：稳态分量法、暂态分量法、谐波分量法、接地选线和消弧线圈 自动补偿一体化的选线方法、s 注入信号法等。 2 2 稳态分量法 稳态分量法的主要依据是故障线路零序电流的基波量( 或5 次谐波量) 比非故障 线路大。其相位落后零序电压如，与非故障线路相反。目前国内的一些微机选线装 置以此为依据，但此类装置选线效果不够理想。主要原因如下： 由于系统三相所带负荷不平衡及c t 精度等因素的影响，正常情况下，线路 上也存在一定数量的不平衡电流。尤其对于无法装设零序c t 的三相架空出线系统， 其零序电流取自三相c r 星形接线方式中在中线上所流过的电流，因为三相c t 很难做到参数完全对称，中线上必然有不平衡电流。线路上的不平衡电流是影响正 确选线的重要因素，它可能淹没故障时线路上的电容电流。当系统的出线条数较少 或较短时，接地线路的电容电流与非接地线路的电容电流差别可能不够明显。如果 接地线路上的不平衡电流较大且与其零序电流方向相反，而不接地线路上的不平衡 电流与其零序电流方向相反，很容易出现误选。 对于中性点经消弧线圈接地的系统，零序电流的基波量不能做为判据，只能 选用5 次谐波量。系统所带负荷能产生谐波量时：系统发生经过渡电阻接地时叫、 电流接地系统发生单相接地时，零序电流中5 次谐波量一般为百分之几至百分之十 ，l ，易产生误选。 对于绝缘子电路，树枝接地等故障，接地经常是间歇性发生，此时测得零序 电流稳定值不可靠。 稳态分量法可分为零序电流比幅法，零序电流相对相位法，以及群体比幅比相 法。 1 ) 零序电流比幅法 零序电流比幅法利用的是流过故障元件的零序电流在数值上等于所有非故障元 件的对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，所以只要通过比较零序电 流幅值大小就可以找出故障线路。但这种方法不能排除t a 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 流大于其它所有线路电容电流之和的情况，装置易发生误动，不适用于经消弧线圈 接地的系统。 重庆大学工程硕士学位论文 2 各种故障选线原理分析 n u s ( 图1 中k1 、k2 断开) 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d , l t 较就可以找出故障线路。但这种方法不能排除c t ( 电流 互感器) 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。需指出，该方法有两种变形，在实际中都有使用，但均针对特 定条件。分别以线路上的，。与其它线路上的，。之和进行比较，其中相等的那条 线路是故障线路。根据图2 ( k1 开) 可得出如下选线判据： 1三 l i “i = ：l ( f = 1 ，2 ，棚)( 2 1 ) 。1 f j 艰j 。 使( 1 ) 式成立的出线j 为故障线路，若对所有出线( 1 ) 式均不成立，则为母线故障。 另一种变形，分别预先计算出每条馈线对地电容大小，单相接地时，比较测得的，。 是否与本线路的电容电流大小相等，不相等的即为故障线路，若都相等则为母线故障。 一 ii e 簇 一 一觋l l - 1 c t ； l ，y 、一、j 篇烹 _ 斗 汗 一髓p 删； ，押，井节 _ _ _ i 、；i，一蛾- 卜 电昧电娩静前+ + 一* 一电霉电滢付拓 一种 孳韫序世遵舒帮 图2 1 小接地睦流系统单相接地 f i g u r e2 1s i n g l ep h a s et oe a r t hf a u l ti n p o w e rn e t w o r kw i t hu n g r o u n d e dn e u t r a l 2 ) 零序电流相对相位法 零序电流相对相位法是利用故障线路零序电流与非故障线路零序电流流动方 向相反的特点，分别从线路流向母线或由母线流向线路，就可以找出故障线路。 但这种方法在线路较短，零序电压、零序电流值较小时，相位判断困难，不能适 用于谐振接地时完全补偿、过补偿运行方式。n u s 中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从母线流向线路，所以只要比较零序电流方向就 重庆大学工程硕十学位论文 2 各种故障选线原理分析 可找出故障线路。此法在故障点离互感器较远且线路很短时，零序电压、电流均 较小，会产生“时针效应”，相位判断困难。且受c t 不平衡电流、过渡电阻大小、 继电器工作电压死区及系统运行方式的影响，易误判，并对n e s 失效。 3 ) 群体比幅【t 相法 所渭群体比幅，是指按照系统中，任意一条线路发生单相接地时，接地线路 中的基波( 中性点不接地系统和中性点经电阻接地系统) 或五次谐波( 中性点经消弧 线圈接地系统1 零序电流等于同一电压母线上的所有非接地线路的基波或五次谐 波零序电流之和，因而它大于任意一条非接地线路中的零序电流这一特点，将接 于同一电压，母线上的所有线路视为一个群体，系统接地时，该群体中的所有线 路同叫参与零序电流幅值的相对比较，零序电流最大的线路即被确定为接地线路。 群体比幅比相法是综合利用零序电流比幅法和零序电流相对相位法，先进行 零序电流比较，选出几个较大的作为候选，然后在此基础上进行相位比较，选出 方向与其它不同的，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t a4 i 平衡及过渡电阻人小的影响，以及相位判断的死区， 仍不适用于经消弧线圈接地的小电流系统。其原理是先进行1 。比较，选出几个i 陌 值较大的作为候选( 希望通过选大柬避免“时针效应”，但实际上不能完全避免) ， 然后存此基础上进行相位比较，选出方向与其它不同的，即为故障线路。浚方法 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 t 不平锎电流及 过渡电阻大小的影响，“时针效应”仍可能存在。考虑到单一群体比较方案存在死 区，故还需提出几个互补方案来解决。 2 3 暂态分量法 在一般情况下，由于电网中绝缘被击穿引起的接地故障，经常发生在电压接 近于最大值瞬间，因此，可以将暂态电容电流看成是由于故障相电压突然降低而 引起的放电电容电流与突然升高而引起的充电电容电流之和。对于中性点经消弧 线圈接地的系统，当故障发生在相电压接近于晟大值瞬间时，消弧线圈上的暂态 电感屯流近似为零，因此，暂态电容电流较暂态电感电流大很多，所咀在同 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 的瞬闻，其过渡过程是近似相同的。 理论分析可咀证明，在过渡过程中，故障线路零序电流暂态最大值在接地后l 4 周波出现，它可能较稳态电容电流人几倍到几十倍，故障线路零序电流暂态最 大值远大于非故障线路零序电流暂态最大值，且其首半波与电压同方向，以上即 是零序电流暂态分量选线法的选线依据。 是零序电流暂态分量选线法的选线依据。 重庆大学工程硕士学位论文 2 各种故障选线原理分析 对于发生在相电压瞬时值为零附近的接地故障，则电容电流暂态分量值很小， 此时零序电流暂态分量选线法不能够选出故障线路。 暂态分量法可分为首半波法和基于小波分析法。 首半波法 首半波法是采用接地暂态过程中零序电流和零序电压首半波的幅值大小及方 向均与正常情况不同的原理构成，这种原理的前提是认为电力系统大多数的单相 接地故障发生在相电压接近最大值这一瞬间。当相电压接近最大值时若发生接地 故障，则故障相电容电荷通过故障线路向故障点放电，此时哲态零序电流首半波 最大，但事实上发生在相电压最大值瞬间的绝缘击穿事故不多，而由外因引起的 单相接地故障则较多g 对这些故障，采用首半波原理的接地保护装置恰恰不能反 映。进一步分析表明，该原理不能反映相电压较低时的接地故障，且易受系统运 行方式及接地过渡电阻的影响，同时存在工作死区。首半波法是基于接地发生在 相电压接近最大瞬间这一假设，此时故障相电容电荷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电感电 流大得多。利用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。但这种方法存在前提条件是故障需发生在相电压接 近最大值瞬间，在电压过零点附近接地时失效，并且其方向性只能维持极短的时 间，抗干扰能力差，不利于在具体工程中实施。 基于小波分析法 基于小波分析法是利用小波分析可对信号进行精确分析，特别是对暂态突变 信号和微弱信号的变化比较敏感，能可靠地提取出故障特征。小波变换是把一个 信号分析成不同尺度和位置的小波之和，利用合适的小波和小波基对暂态零序电 流的特征分量进行小波变换后，易看出故障线路上暂态零序电流特征分量的幅值 包络线高于非故障线路，且其特征分量的相位也与非故障线路相反，这样就构造 出利用暂态信号进行接地选线的判据。但电力系统的实际运行是复杂多变的，需 综合分析母线零序电压和各出线零序电流的小波变换参数，才有助于对故障线路 的准确选线判断。 单相接地时，故障电压和电流的暂态过程持续时间短并含有丰富的特征量， 而稳态时数值较小，因此在接地故障检测中选用一种适合分析其暂态分量的新理 论，将有利于故障选线。小波分析可对信号进行精确分析，特别是对暂态突变信 号和微弱信号的变化较敏感，能可靠地提取出故障特征。根据小波变换的模极大 值理论可知，出现故障和噪声会导致信号奇异，而小波变换的模极大值点对应着 重庆大学工程硕士学位论文2 各种故障选线原理分析 采样数据的奇异点，由于噪声的模极大值随着尺度的增加而衰减，所以经过适当 的尺度分解后，即可忽略噪声影响得到较理想的暂态短路信号。小波变换是把一 个信号分解成不同尺度和位置的小波之和，利用合适的小波和小波基对暂态零序 电流的特征分量进行小波变换后，易看出故障线路上暂态零序电流特征分量的幅 值包络线高于非故障线路的，且其特征分量的相位也与非故障线路相反，这样就 能构造出利用暂态信号的选线判据。但电力系统的实际运行是复杂多变的，可能 出现暂态分量小于稳态分量的情况，这时就应对母线零序电压和各出线零序电流 进行基波的小波系数提取，然后类似地构造选线判据。 对于小电流接地系统，故障分量由接地故障点经各条线路对地电容构成回路。 由于线路分布电感、电容的存在，在故障暂态分量中含有多种频率成分。其中较 高频带成分是线路局部参数作用产生的，这些成分可能在正常线路与故障线路之 间形成回路，也可能在几条正常线路之间形成回路，具有不确定性，不能用做选 线依据。较低频带成分是系统各条线路与故障点形成的整个故障回路中参数作用 产生的，这些成分是由正常线路经故障线路及线地电容形成通路。因此，低频带 故障暂态分量在故障线路上的强度要大于在非故障线路上的强度而且方向相反， 据此可作为选线依据。 2 4 谐波分量法 谐波分量法分为5 次谐波大小和方向法、各次谐波平方和等方法。 5 次谐波大小和方向法 针对基波比幅法中故障线路上的j 。不一定最大和比相法对n e s 失效的问题，提 出了谐波电流方向原理。n e s ( 图2 1 中k1 ，k3 合，k 2 开) 单相接地的零序网 等效电路见图2 1 ( k1 合) ，临界谐振状态时有： 三 ，o m + ：o * + j 1 一0 ( 2 2 ) 疗矗 其中： ，。是第j 条线路的k 次零序谐波电流，。为流经母线消弧线圈的k 次零序谐波电流， ，。是故障条线路的k 次零序谐波电流，i = 1 ，2 ，n ；j = 1 ， 2 ，n 。随着谐波次数的增加，感抗增大而容抗减小，总能找到一个m 使非故 障线路对m 次谐波电流呈容性，从而故障线路与非故障线路的m 次谐波电流方 向相反。此法受c t 不平衡电流或负荷中m 次谐波分量的影响，且谐波次数越高 其相对误差越大，选线精度越低。 当单相接地故障时，由于故障点、线路设备的非线性影响，在故障电流中存 在着谐波信号，其中以5 次谐波为主，在采用消弧线圈接地的系统中，五次谐波 电流的成分比基波零序电流的成分大很多。经消弧线圈接地系统的消弧线圈是按 重庆大学工程硕士学位论文 2 各种故障选线原理分析 照基波计算的，消弧线圈相当于处于开路状态。可忽略消弧线圈对5 次谐波产生 的补偿效果。再利用5 次谐波电容电流的群体比幅比相法，就可以解决经消弧线 圈接地系统的选线问题。但故障电流中5 次谐波含量较小( ，j 、于故障电流1 0 ) ，受 t a 不平衡电流和过渡电阻的影响，而且负荷中也可能存在5 次谐波源，不能保证 正确的方向，选线的准确度也不是很稳定。 各次谐波平方和法 各次谐波平方和法是将3 、5 、7 等谐波分量求和，再根据谐波理论进行选线。 虽然能在一定程度上克服单次谐波信号小的缺点，但不能从根本上解决问题。小 波分析是一种9 0 年代新发展起来的信号分析工具，其在时间、频率两个空间都具 有表征信号局部特性的能力，因此利用它来分析非平稳信号比传统的f o u r i e r 变换 要有效。应用小波包提取线路零序电流中的五次谐波含量，然后应用模式识别中 的信号比较方法对故障线路进行辩识。 基于最大，s i n 毋原理选线方法 为消除c t 不平衡电流的影响，文献【9 提出最大，s i n 庐原理：考虑到n u g s 正常运行时，负荷在短时间内不会有较大突变，可通过一中间参考正弦信号，使 各线路故障前的零序电流对故障母线在故障后的u 0 亦能找出相位关系，由此再把 所有线路故障前、后的零序电流都投影到1 0 j ( 故障线路的零序电流) 的理论方向上 ( 见图2 2 ) 。然后计算出各线路故障前、后的投影值之差，找出差值最大的10 ， 即最大的，s i n 咖。若10 0 ，则线路k 为故障线路，否则为母线故障。此法的 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：首先，计算过程中需取一参考信号，若该信号出问题， 将造成该算法失效：其次，该算法在计算过程中需求出有关相量的相位关系，计算 量太大。文献【1 0 】提出最大，s i n 庐原理的快速算法，达到了减小计算量，省去使 用参考信号的目的。 该原理实际上是一种最大故障电流突变量原理，能完全克服c t 误差引起的 不平衡电流的影响，减少了误判的可能性，灵敏度高、适用范围广，是现有判别 方法中较成功、有效的一种方法。但其算法有两个缺陷：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，将造成该算法失效；该算法在计算过 程中需求出有关相量的相位关系，计算量很大。这使得最大，s i n 庐原理在实现过 程中很难保证具有较高的可靠性和实时性。 重庆大学工程硕士学位论文 2 各种故障选线原理分析 q 如， n 暴尊， 一 图2 2 单相接地时零序电压，电流的相置 f i g u r e2 2v e c t o r so fz e r o s e q u e n c ev o l t a g e a n dc u r r e n to fs i r i 百ep h a s et oe a r t hf a u l t 2 5 接地选线和消弧线圈自动补偿一体化的选线方法 为降低单相接地电容电流过大造成的各种危害，在配电网的中性点装设消弧线 圈，消弧线圈的电感电流补偿了单相接地电容电流，却使以群体比幅比相法的接地 选线装置丧失了选线作用。近几年，虽然有针对中性点消弧线圈接地而发展的选线 装置，但由于采集单相接地信号很困难，在实用中误判率较高。采用微机控制和动 态改变接地电感，可解决补偿和选线的矛盾。在系统发生单相接地时，微机控制器 先根据检测到的零序电压和零序电流的大小及方向，确认为单相接地时，使消弧线 圈感抗很大远离全补偿，感性电流很小，对单相接地电容电流影响很小，对选线没 有影响，待装置确认了单相接地故障线路并记忆保存后，装置再进行自动补偿，使 脱谐度不超过5 。 2 6s 注入信号法 “注入法”不利用小电流接地系统单相接地的故障量，而是利用单相接地时原 边被短接暂时处于不工作状态的接地相四人为地向系统注入一个特殊信号电流，用 寻迹原理，即通过检测，跟踪该信号的通路来实现接地故障选线。当系统发生单相 接地时，注入信号电流仅在接地线路接地相中流动，并经接地点入地。利用一种只 反映注入信号而不反映工频及其谐波成分的信号电流探测器，对注入电流进行寻踪， 重庆大学工程硕士学位论文2 各种故障选线原理分析 就可实现单相接地故障选线与接地点定位。其主要特点有：毋需增加任何一次设 备，不会对运行设备产生任何不良影响；注入信号具有不同于系统中任何一种固 有信号的特征，对它的检测不受系统运行情况的影响；注入信号电流仅在接地线 路接地相中流通，不会影响系统的其他部位。 为解决“s 注入法”在高阻接地时存在误判的问题，文献【6 】提t 丑 9 3 z - k 变频信号 法。其原理是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频率为7 0 h z 的恒流信号， 然后监视各出线上注入信号产生的零序电流功角、阻尼率的变化，比较各出线阻尼 率的大小，再计及线路受潮及绝缘老化等因素，可得选线判据。但当接地电阻较小 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。 用于3 5 k v 、1 0 k v 、6 k v 供电系统中发生单相接地故障时，确定故障线路及故障 点的自动保护装置，突破了传统的零序电流原理，以“s 注入法”新理论为基础，用 集成电路实现，由主机和信号探测器组成。当电网发生单相接地故障时，自动向接 地线路接地相注入特殊信号电流，由探测器在开关柜后测量确定故障线路，沿接地 线路进行测量，还可以找到接地点的确切位置。 对只装设两相c t 的架空出线难于得到零序电流，须用新方法：首先定出故障的 相别，然后向接地相注入信号电流，其频率f 0 可取在各次谐波之间，使其不反应工 频分量及高次谐波。故障时接地相的pt 副边处于被短路的状态，由副边感应来的 信号电流沿接地线路的接地相流动并经接地点入地。用信号电流探测器在开关柜后 对每一条出线进行探测，探测到注入信号的线路即故障线路。该方法利用处于不工 作状态的接地相p t 注入信号，不增加一次设备，不影响系统运行。但经高阻接地 时，发信机工作可能不满足要求而产生误判。 对s 注入法高阻接地时存在的问题，文献【2 2 】提出的注入变频信号法可较好地解 决。其原理是考虑故障后位移电压大小的不同，而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频率为7 0 i - i z 的恒流信号， 然后监视各出线上注入信号产生的零序电流工角、阻尼率的变化，比较各出线阻尼 率的大小，再计及线路受潮及绝缘老化等因素可得出选线判据。但当接地电阻较小 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。 2 7 小结 以上这些单相接地选线原理和保护装置，或是故障判据上的存在缺陷，或者是 受各种因素影响，最终导致这些装置的选线准确率不能令人满意，甚至根本不能投 入使用。我们的这次设计，基于的原理是检测故障瞬间的零序暂念电流相位和稳态 的零序电流相位，与以往的暂态零序电流法或稳态零序电流法的区别在于： 重庆大学工程硕士学位论文 2 各种故障选线原理分析 上述的方法只检测一方面的参数，或者是零序电流的暂态值，或者是零序电 流稳态值；而我们希望不仅检测暂态的零序电流，而且也检测零序电流稳态值，是 将这两种参数进行对比作为单相接地的判据，可靠性和准确率将得到了提高。 上述各方法不能得到故障瞬间的零序电流相位，这也是以前选线方法所面临 的一个难题，对于这个难题，论文研究的选线方法能有所解决，在判据上也得到了 优化。 1 2 重庆大学工程硕士学位论文3 基于零序暂态功率方向的接地选线装置的研究 3 基于零序暂态功率方向的接地选线装置的研究 3 1 零序暂态功率方向接地选线装置的理论原理 在我国3 - 6 6 k v 配电网中，广泛采用中性点不直接接地系统f w j o s ) ，即小接地 电流系统，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 ) 和中 性点经电阻接地系统( n r s ) 。其中n u g s 发生单相接地故障的几率最高。 3 1 1n u s 单相接地故障时的零序暂态功率方向 对于中性点不直接接地的三相系统，当各相负荷不平衡时，中性点即产生位移。 以n u s 为例，中性点电压为： ，e 。匕+ e 6 k + e 。e un 2 _ _ - 一 ” 匕+ k + 而负荷基本上是平衡的，故中性点的位移电压只与系统的对地电容有关。 ，j e 。( y o + 口2 k + r ) 一un 2 r _ 一” l + k + 匕 对变量硗求偏导数，有： o u ou 。 a 匕y 同理： a d 。时。a 口。d 。 a ke ya ky 总之： a u o【厂 b y 】， 其中：d 。为相电压 上式的有限“增量”形式为：一舀。= 轰。矿 改写上式为： 划。2 降小一心， ；孥“ o 。 轧珂。( - 告) 其中： 重庆大学工程硕士学位论文3 基于零序暂态功率方向的接地选线装置的研究 ，。= u 。y 即为系统总的电容电流。 可见系统总的电容电流就是3 倍的单相电容电流，这个电流在正常工况下没有 意义，而在出现单相接地故障时，就可用来估计故障点零序电流。当系统电容电流 大于1 0 a 后，将带来一系列危害，必须装设消弧线圈。 特点： 发生单相接地时，全系统都将出现零序电压； 在非故障元件上有零序电流，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； 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 般较大，电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线。 显然，故障线路和非故障线路的故障时刻的零序暂态功率方向是相反的，并且 随着暂态的完成，其零序功率方向也是相反的，因此故障选线判据非常简单。 3 1 2n e s 单相接地故障的零序暂态功率方向 由于n u s 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。为此，通常在中性点接入一 个电感线圈。这样当单相接地时，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销，就可以减少流经故障点的电流。因此，称其为消弧 线圈。 但是，消弧线圈的电感电流补偿了单相接地电容电流，却使选线装置失去了选 线作用。 特点： 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。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。 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，也很难象n u $ 那样利用零序电流大小的不同来找出故障线路。 对零序电流的高次谐波而言，故障线路和非故障线路电流的方向仍然相反， 即仍可作为选线判据。 这是因为暂态分量分为基波和谐波，且满足线性关系。消弧线圈是按照基波整 定的，而谐波次数越高( 频率越高) ，消弧线圈阻抗越大，越接近n u $ ，故判据成立。 暂态基波零序电流仍然在一段时间内体现出故障线路和非故障线路的零序功 率方向相反的特点，即故障线路仍然有一个功率倒相的过程，求解电路时会体现出 重庆大学工程硕士学位论文3 基于零序暂态功率方向的接地选线装置的研究 倒相特性。 n e s 单相接地故障时的简化( 简化在于近似地将三相等效为一相) 零序等值电路 为： 0 显然由此列写的微分方程将是全响应，而不是零状态响应，这是不容置疑的。 正是由于电容有初始态，电流才将呈现倒相特性。单纯二阶电路的零状态响应，其 电流在全过程中都不会呈现倒相特性。 由上图可列写出拉氏方程并计算得接地和线路电流的拉氏表达式为： 郴卜鲁竺箦豺擎 【 r cl c j r ，n c 。u 。( s i n d ) s 2 + ( o j c o s a ) s 2 l p 卜百f j i 习i 五 【 r cl c j 倒相应该理解为动态f 即暂态时1 的感性电流到容性电流的变化。因为暂态时首 先电容和接地点零序电压源都对消弧线圈充电，所以故障线路的零序电流是感性电 流，之后消弧线圈开始起作用，故障线路的零序电流也就开始逐渐变为容性电流。 这一变化过程就是故障线路零序电流的倒相过程。 由此看出，在故障时刻故障线路和非故障线路的零序暂态功率方向是相反的， 随着时间的增加，其零序功率方向趋于相同，因此故障选线判据变得困难。 3 2 零序暂态功率方向的仿真结果 我们利用m a t l a b 进行了数字仿真。 其参数为：电缆3 t 1 8 5 o 4 p f ，电阻【0 2 8 8 60 3 4 5 o h m s k m ，电感【0 4 e 一3 0 6 e 3 h k m ，电容- 5 6 6 0 e - 95 2 6 0 e 一9 f m ，频率5 0 h z ，长度1 0 k m m a t l a b 仿真的接线图如下： 0 舢l妒上：飞丁心： i，聊 丁f： 广i、yjjllllll一