（电力电子与电力传动专业论文）中性点非有效接地系统单相接地故障选线新方法研究.pdf

山东大学博士学位论文 对p t 一次中性点实施有效接地，从而产生短路脉冲流经故障线路用于故障线路 的判定。由于周期性产生的短路脉冲的有效值很小，所以p t 容量对短路脉冲的 限制作用大大削弱，从而使得改进后的可控短路选线方案在简化了现场实施过 程、降低了实施造价的同时，获得了与改进前的可控短路选线方案相似的选线准 确性。在改进可控短路选线方案的基础上，提出了基于单个可控硅的p t 开口角 瞬时短接消谐方案，理论和仿真验证了该消谐方法的有效性，从而使得p t 开口 角可控短路选线方案有望真正成为解决中性点非有效接地系统单相接地选线和 铁磁谐振闯题的理想方法。 根据系统识别原理，首次提出了基于增益阻抗理论的故障选线方案。理论分 析、仿真和模拟实验均验证了该方法的有效性。该选线方法理论新颖，物理概念 明确，现场实施简单，为解决中性点非有效接地系统单相接地选线问题提供了值 得借鉴的思路。 模拟实验是检验理论有效性的重要实践手段。由可控短路器、短路脉冲检测 器和简化配电网模型组成的通用模拟实验平台的建立，为验证本文所提出的三种 全新故障选线方案的有效性打下了坚实的基础。而根据本文提出的可控短路选线 方案原理制作出的选线装置样机在电力系统中的挂网运行，也为可控短路选线方 案技术转化成生产力并最终服务于我国电力事业迈出了重要的一步。 关键词：故障选线；中性点非有效接地系统；中性点不接地系统；中性点谐振接 地系统；增益阻抗 i i 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t n o n - e f f e c t i v e l yn e u t r a lg r o u n d e ds y s t e m si sac o m m o np r a c t i c ei nt h ep o w e r d i s t r i b u t i o ns y s t e m so fo u rc o u n t r y , i t ss i n g l e - p h a s et og r o u n df a u l t sr e c e i v e dm a n y s i g h tw h i c hh a p p e ni nh i g hf r e q u e n c y m a n ym e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e dt os o l v et h e p r o b l e ma n ds o m ee q u i p m e n t sd e v e l o p e df r o mt h e mc a l li d e n t i f yt h ef a u l t e dl i n e p r e f e r a b l yi nt h er e l a t i v ep u r es y s t e m so rw h e nt h ef a u l tr e s i s t a n c e sa r en o tg r e a t b u tf o rt h ep e t r o l e u ma n dc o a li n d u s l a yw h i c ht h en e t w o r ka r ep o l l u t e ds e r i o u s l y , o r t h ef a u l tr e s i s t a n c e si sr e l a t i v eg r e a t , i ti sd i f f i c u l tt of i n das a t i s f i e de q u i p m e n tt of i n d t h ef a u l t e dl i n ep r e c i s e l y i nc o m p a r i s o nw i t ht h ee f f e c t i v e l yn e u t r a lg r o u n d e ds y s t e m s ，i nw h i c ht h e s i n g l e - p h a s et og r o u n df a u l t sw i l ll e a dt h es w i t c h i n go u t , t h en o n - e f f e c t i v e l yn e u t r a l g r o u n d e ds y s t e m sd on o tn e e dt os w i t c ho u ti m m e d i a t e l yw h e n t h es i n g l e - p h a s et o g r o u n df a u l t so c c u r i ti sb e n e f i tf o rt h ep o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t y w i t ht h ei n c r e a s i n g a t t e n t i o no nt h ep o w e rq u a l i t y , t h es u p e r i o r i t yb e c o m e sm o r en o t a b l e i ft h ef a u l t e d l i n ec a l l tb es e l e c t e da u t o m a t i c a l l ya n dp r e c i s e l ya f t e rt h ef a u l t so c c u r , t h es u p e r i o r i t y i ne n h a n c i n gt h er e l i a b i l i t yc a l l tb ee m b o d i e ds u f f i c i e n t l y s oi no r d e rt o 础l a l l c et h e r e l i a b i l i t y , i m p r o v et h ep o w e rq u a l i t y , e x e r tt h em v a n t a g eo ft h en o n - e f f e c t i v e l y n e u t r a lg r o u n d e ds y s t e m s ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt of i n dag o o df a u l t e dl i n e i d e n t i f i c a t i o nm e t h o dw h i c hc a nw o r ke f f e c t i v e l yi na l ls i t u a t i o n s i na c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e rw h i c has m a l ls t e a d y - s t a t ef a u l tc u r r e n ti s a v a i l a b l ef o ri d e n t i f i c a t i o ni nn o n - e f f e c t i v e l yg r o u n d e ds y s t e m , t l l i sp a p e rp r o p o s e sa n e wf a u l t e dl i n ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o dn a m e df a u l t e dl i n e i d e n t i f i c a t i o nu s i n g c o n t r o l l a b l e s h o r t - c i r c u i t s n a m e l y w h e nas i n g l e - p h a s et og r o u n do c c u r s ，w e t e m p o r a r i l yc o n v e r t sa l ln o n - e f f e c t i v e l yn e u t r a lg r o u n d e ds y s t e mi n t o ag r o u n d e d s y s t e mt h r o u g hac o n t r o l l e ds h o r t - c i r c u i tb e t 、v e e nt h es y s t e mn e u t r a lp o i n ta n dt h e g r o u n d ，al a r g et r a n s i e n tf a u l tc u r r e n tw i l la p p e a r t h i st r a n s i e n tc u r r e n tw i l lf l o w t h r o u g ht h ef a u l t e dl i n ea n d c a l lb eu s e df o ri d e n f i f i c a t i o mb yc o n t r o l l i n gt h es t r e n g t h o fs h o r t - c i r c u i t , w ec a na c h i e v ec u r r e n ts i g n a l st h a t 狮l a r g ee n o u g ht ob ed e t e c t e dy e t s m a l le n o u g hn o tt oc a l 1 d i s t u r b a n c e st ot h el o a d i nt h ep r o p o s e ds c h e m e ，a m 山东大学博士学位论文 t h y r i s t o ri sp l a c e db e t w e e nt h em a i nt r a n s f o r m e rn e u t r a lp o i n ta n dt h eg r o u n da n d f i r e di nd i f f e r e n tw a y st oa c h i e v et h ea b o v ep r o c e s s t h ed i s t i n c tc h a r a c t e r i s t i c so f t r a n s i e n tc u r r e n ts i g n a l sa n dt h es u b t r a c t i o nm e t h o de n a b l et h ep r o p o s e ds c h e m et o o v e r c o m et h ef o r m e r l yf a u l t e dl i n ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha s p o o ri n t e n t i o no rc h a r a c t e r so fs i n g l eu s e df o rf a u l t e dl i n ei d e n t i f i c a t i o n , w h i c hm a k e t h es i n g l e sd i f f i c u l tt ob ed r o w n r e s u l t so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n a n dl a be x p e r i m e n t sh a v ea l lc o n f o r m e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o d i t h a st h ep o t e n t i a lt 0b eav a l i ds o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo ff a u l t e dl i n ei d e n t i f i c a t i o ni n n o n - e f f e c t i v en e u t r a lg r o u n d i n gs y s t e m s t oo v e r c o m et h ed i f f i c u l t yi ni m p l e m e n t i n gt h ep r o p o s e ds c h e m eo ff a u l t e dl i n e i d e n t i f i c a t i o nb a s e do nc o n t r o l l a b l es h o r t - c i r c u i t s ，a ni m p r o v e ds c h e m ei sd e v e l o p e d w h e nas i n g l e - p h a s et og r o u n df a u l to c c u r st ot h en o n - e f f e c t i v e l yn e u t r a lg r o u n d e d s y s t e m , at h y r i s t o ri su s e dt om a k et h eo p e n - l o o pd e l t ac o i lo fp tc o n t r o l l a b l e s h o r t - c i r c u i t s ，i ti se q u i v a l e n tt oc r e a t eas h o r t - c i r c u i tb e t w e e nt h ep tp r i m a r ys i d e n e u t r a la n dt h eg r o u n d at r a n s i e n tf a u l tc u r r e n tp u l s ef l o w st h r o u g ht h ef a u l t e dl i n et o t h eg r o u n da n dc a nb eu s e dt oi d e n t i f yt h ef a u l t e dl i n e t h er e s t r i c to f p tc a p a c i t yo n t r a n s i e n tf a u l tc u r r e n tp u l s ei sw e a k e n e dg r e a t l yd u et ot h es m a l lr m so ft r a n s i e n t p u l s e i tm a k e st h ei m p r o v e ds c h e m eh a s t h es a m ef a u l t e dl i n ei d e n t i f i c a t i o na c c u r a c y w i t hf o r m e r l ys c h e m e ，m e a n w h i l er e d u c e st h ec o s ta n ds i m p l i f i e st h el o c a li m p l e m e n t m e a n w h i l e ，an e wm e t h o db a s e do nt h ei m p r o v e df a u l t e dl i n ei d e n t i f i c a t i o ns c h e m e i sp r o p o s e dt om i t i g a t et h ep tr e s o n a n c e ，w h i c hi sp r o v e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n t h ei m p r o v e df a u l t e dl i n ei d e n t i f i c a t i o ns c h e m eb a s e do n c o n t r o l l a b l es h o r t - c i r c u i t sh a st h ep o t e n t i a lt ob eai d e a ls o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo f f a u l t e dl i n ei d e n t i f i c a t i o na n dp tr e s o n a l l c ei nn o n - e f f e c t i v en e u t r a lg r o u n d i n g s y s t e m s b a s i n go nt h es y s t e m si d e n t i f i c a t i o nt h e o r y , t h i sp a p e rp r o p o s e san e wf a u l t e d l i n ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o db a s e do ni n c r e m e n t a li m p e d a n c e t h em e t h o di se v a l u a t e d u s i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o na n dl a de x p e r i m e n t s t h i sm e t h o di s i n n o v a t i o na n de a s yt oa c h i e v e ，i t sp h y s i c a lc o n c e p ti sa l s oc l e a r i tp r o v i d e sa n o p t i o n a li d e af o rf a u l t e dl i n ei d e n t i f i c a t i o n i v 山东大学博士学位论文 l a bt e s t si st h ei m p o r t a n tm e t h o dt oc h e c kt h ev a l i do fn e w t h e o r y t h el a bt e s t p l a t f o r mw h i c hi sm a d eu po f c o n t r o l l a b l es h o r t - c i r c u i tc r e a t o r , t r a n s i e n tc u r r e n tp u l s e d e t e 斌o ra n ds i m p l ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kl a yaf o u n d a t i o nf o rp r o v i n gt h ev a l i do f t h e a b o v et h r e en e wf a u l t e dl i n ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o d 功ef a u l t e dl i n ei d e n t i f i c a t i o n e q u i p m e n tb a s e do nt h ei m p r o v e dc o n n o l l a b l es h o r t - c i r c u i th a sb e e nu s e do nt h e d i s t r i b u t i o nn e t w o r k , i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ec o n 缸 o l l a b l es h o r t - c i r c u i t sf a u l t e dl i n e i d e n t i f i c a t i o nt ob ec h a n g e dt op r o d u c t i v i t ya n ds e r v e sf o rp o w e re n t e r p r i s ei nt h e f u t u r e k e y - w o r d s ：f a u l t e dl i n ei d e n t i f i c a t i o n ；n o n - e f f e c t i v e l yn e u t r a lg r o u n d e ds y s t e m s ； u n g r o u n d e ds y s t e m s ；r e s o n a n tg r o u n d e ds y s t e m s ；i n c r e m e n t a li m p e d a n c e v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：未至互 e t 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：爿童豆- 导师签名：篆兰k 日期： 山东大学博士学位论文 第一章绪论 i i 中性点非有效接地系统单相接地故障后的运行特点 电力系统根据其中性点接地方式的不同可以划分为三大类：中性点全接地系统、 中性点有效接地系统和中性点非有效接地系统。而中性点非有效接地系统主要包括中 性点不接地、谐振接地和经高阻接地系统，其中中性点不接地和谐振接地系统被我国 及一些欧洲国家配电网广泛采用们。 在配电网运行过程中时常会发生故障，其中大多数是短路故障，而在所发生的 短路故障中，单相短路接地又占大多划1 1 】。下面我们就先来了解一下中性点非有效接 地系统发生单相接地故障后的运行特点。 a 中性点不接地系统 在正常运行状态下，电网三相对地电压对称，中性点对地电压为零。由于三相对 地等值电容c 相同，故在相电压作用下各相电容电流相等，并超前相应的相电压9 0 0 。 这时，母线零序电压电流均为零。 当发生单相接地时，接地相( 例如a 相) 的对地电容被短接，如图l 一1 a 所示。这时， a 、b 和c 三相对地电压为： u a = 0 o b = 雹b 一琶a = 4 3 e a e j 1 谢 吼= e c t = 4 i e a e j ”矿 中性点对地电压o o 为： u o = e a 流过非故障相b 、c 相的对地电容电流为： i c 8 = j c o c u b i c c = j c o c u c 流过接地点的接地电流l 为： ld = 一i c = i c 8 + i 。c = j a j c u + j a , 1 c u c = - j 3 ( a c e a 1 山东大学博士学位论文 =：=1 j 吼 图1 - 1 中性点不接地系统a 相接地分析 如果网络中有多条出线，则在任一条出线上发生a 相接地，即等于全网络a 相接 地，此时电容电流的分布如图1 2 所示。 l i _ 一 出线：圭圭- 7 ： 、一 l 一出线，圭圭三 一 ii 图i - 2 多条出线中性点不接地系统单相接地时电容电流分布图 流过每条出线保护装置的三倍零序电流分别为： 3 = ，口l + k l = 一j 3 a , c 1 e ai 3 1 2 = j b 2 + i c 2 = 一j 3 c o c 2 e _ 3 1 3 = i a 3 + i b 3 + 七3 = j 3 0 ) ( c 1 + c 2 ) e 4i 总结以上分析可知，当中性点不接地系统发生单相金属性永久接地时： 1 ) 故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高3 倍，中性点电压升高为相电压， 线电压保持对称。向量关系如图1 3 所示。 2 ) 非故障线路保护装置流过的零序电流为该线路本身对地零序电流，其方向是从母线 2 山东大学博士学位论文 流向线路。 3 ) 故障线路保护装置流过的零序电流为所有非故障线路对地电容电流之和，方向是从 线路流向母线。 一屯 i 。c 图1 - 3 中性点不接地系统a 相接地相量图 金属性接地只是一种理想状态，实际永久性单相接地时故障点与大地之间等效存 在一接地电阻胄r ，随着胄，的变化，代表地电位k 点的轨迹( 如图1 3 所示) 是以雪。为 直径的一个圆周。从图1 3 可知，无论r ，如何变化，系统线电压始终保持对称【1 2 】【1 3 1 。 通过上述分析可知，当中性点不接地系统发生单相永久性接地故障时，由于故障 电流很小，三个线电压仍然保持对称，不会破坏系统的稳定运行，所以一般不要求保 护跳闸，允许系统继续运行o 5 2 小时，在此时间内采取措施消除故障即可【h 】【1 5 】。 b 中性点谐振接地系统 根据前面的分析，中性点不接地系统发生单相接地时，在接地点将通过全系统的 对地电容电流。如果此电流较大，在接地点燃起的电弧无法自行熄灭，反复燃起熄灭 的间歇性电弧会引起弧光过电压，破坏非故障相绝缘，进而造成相间短路，使事故扩 大。为了防止这一情况发生，可以通过在中性点接入消弧线圈来减小接地故障后流过 接地点的故障电涮1 2 】。这样当发生单相接地时，在接地点就有一感性分量电流i , i i 过 ( 见图1 - 4 ) ，此感性电流与全系统的总电容电流相互抵消，因而可以有效减小流过接地 点的故障电流，防止事故扩大，甚至还可以自动消除一部分故障。 3 山东大学博士学位论文 图l _ 4 谐振接地系统单相接地时的电流分布 从图1 4 可以看出，在中性点接入消弧线圈后，单相接地时，通过接地点的电流 为电感电流与全系统总电容电流的相量和，即 id = i 。+ i c t ：消弧线圈产生的零序电感电流； 乞：全系统总电容电流。 根据零序等效网络有： i x = u o j e a l , = j u o c o l x z 口= 3 u o ，国( c 1 + c 2 + c 3 ) = 3 u o - ，& _ 巴 玩：母线零序电压 上述利用t 以抵消如的措施称为补偿。由人为的加入l 的补偿程度的不同，可以 分为完全补偿( l = l ：) ，欠补偿( l ，c z ) 三种形式。当采用过补偿形 式时，流过接地点的电流是感性的。当某些线路因检修或因某些原因切除时，系统电 4 山东大学博士学位论文 容电流会减少，因而不可能因出现砒，= i ! 【_ 的串联谐振而产生谐振过电压，故过补 j m z 偿方式被广泛采用1 嗣。 采用消弧线圈接地方式发生单相接地时，线电压对称关系仍未破坏，故能继续运 行，这就提高了供电可靠性。随着馈线的增多，以及电缆的广泛使用，电容电流不断 增大，中性点谐振接地系统在我国配电网中所占比例日益增大【1 2 1 。 需要指出的是，中性点谐振接地系统和中性点不接地系统相比，仅能降低弧光接 地过电压发生的概率，而并不能降低弧光接地过电压的幅值，因此并不能完全杜绝弧 光接地的发生【1 7 。 1 2 实现国内配电网单相接地故障准确选线的必要性 通过上述分析可知，当中性点非有效接地系统发生单相接地时，故障电流较小， 供电仍能保持线电压的对称性，不影响对负荷连续供电，故不必立即跳闸，规程规定 可继续运行o 5 2 小时，这极大提高了供电的可靠性。但是在接地故障初期如果发生 间歇性弧光接地，电网运行状态的瞬间变化会引起间歇性电弧接地过电压，它与电网 振荡回路的相互作用可能引起相与地之间的谐振过电压，这种电压可以达到2 5 - 3 倍 相电压值，进而导致非接地相绝缘击穿，形成相间短路，使事故扩大；当接地发展到 稳定性弧光接地阶段时，在接地点由于电弧产生的大量热量极易将附近的用电设备烧 毁；而当中性点非有效接地系统在永久性接地状态下长时间运行时，升高的非故障相 对地电压不仅加快绝缘老化，容易使故障扩大成两点或多点接地短路，进而危及供电 可靠性，而且容易引起避雷器和p t 击穿从而引起爆炸。据统计我国配电网超过8 0 的故障都是由单相接地直接或间接引起的，因此在规定的时间内及时准确地找到故障 线路予以切除是非常有必要的 1 8 - 2 1 】。 1 3 国内配电网单相接地故障选线方法综述 在国内外，自五十年代末至今已提出了诸多选线方法 2 2 - s 6 】，其中相当一部分也已 开发出了相应的装置并应用于现场，下面就其中有代表性的若干选线方法进行简要阐 述和分析。 基遮登签出蝗选担造在中性点不接地系统中，故障线路零序电流的大小等于所有 5 山东大学博士学位论文 非故障线路的零序电流之和，方向与非故障线路的零序电流方向相反。根据这一原理 发展起来的基波群体比幅比相法及相应设备在国内电网中使用最为普及，但是当线路 较短或是大电阻接地时，零序电流幅值很小，此时零序电流的相位误差也很大，容易 导致选线错误。且对于中性点经消弧线圈接地系统，由于消弧线圈对接地点基波容性 电流的补偿而使得基波群体比幅比相法失效。相应理论可见参考文献 3 4 】。 五2 筮谐遮法鉴于基波群体比幅比相法无法适用于中性点经消弧线圈接地系统，出 现了五次谐波法。但由于五次谐波在电网中的含量比较小，而且不稳定，易受到干扰， 所以实际选线效果并不理想。相应理论可见参考文献 3 5 】。 残流增量法该方法所依据的原理为：对于中性点经消弧线圈接地系统，当发生单 相接地后，调节消弧线圈的档位，通过调挡前后各出线零序电流变化量的大小进行故 障线路的选定。这种方法只针对中性点经消弧线圈接地系统，而且消弧线圈的档位决 定了各出线在调挡前后零序电流的变化量，所以有一定的局限性。相应理论可见参考 文献 3 6 ，基于这一技术的国内专利有1 4 8 2 7 1 7 。 苴坐遗法该方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 生故障的首个半周期，故障线路零序暂态电流与非故障线路零序暂态电流极性相反， 但单相接地故障往往是由于外界因素所造成，所以在多数故障情况下，首半波法所依 据的前提无法成立，如果故障发生在相电压过零值附近，电流的暂态分量值较小，极 易引起误判。相应理论可见参考文献 3 7 】。 小波法近几年兴起的小波分析也被应用于接地选线，通过提取故障后暂态信号中 的特征量以实现故障线路的判定。小波法选线技术的难点在于小波基函数及小波分解 尺度的选择，而且小波分析本身缺乏明确的物理概念，在学术界尚存在一定争论。相 应理论可见参考文献 3 8 4 3 1 。 查功筮量法为了防止谐振将消弧线圈串联一电阻，根据各出线电流中有功分量的 多少来判定接地线路，从而产生了有功分量法。由于消弧线圈所串电阻产生的有功分 量电流较小而难以检测，有人又提出给消弧线圈并上一电阻以达到增大有功电流的目 的。这种改进后的有功分量法虽然使得选线效果有所提高，但电阻的大小选取是个问 题，而且由于阻值无法调整，使得接地电阻较大时无法保证所产生有功电流的强度， 此外仅适用于中性点经消弧线圈接地系统也使该方法具有局限性。相应理论可见参考 文献 4 4 1 。基于这一技术的国内专利有1 5 8 8 7 4 1 ，2 5 2 1 8 1 1 和2 3 8 7 6 5 3 。 6 山东大学博士学位论文 签注厶法该方法的提出是解决中性点非有效接地系统单相接地故障选线问题思 路上的一次飞跃，它抛弃了以往借助故障系统自身产生的诸多信号进行选线的思路， 转而通过外界注入信号以达到选线目的。这种方法对于当前大部分出线只配备两相c t 的国内中性点非有效接地系统同样适用，这是它区别于其它所有选线方法的最大优势。 但由于从p t 二次侧注入稳态信号，受p t 容量的限制，使得注入到一次系统的信号强 度不可能很大，当接地电阻较大时，微弱的注入信号难以被检测到，而且介于n - n + 1 次谐波之间的高频信号易受干扰，此外这种方法实现起来较为复杂，投入也较高，根 据相关产品在现场的使用情况来看并不理想。相应理论可见参考文献 8 0 8 6 1 。基于这 一技术的国内专利有1 0 9 6 8 7 7 。 童剩1 2 垒垒2 垒! 该专利提出在变压器中性点与大地之间接入电感线圈与整流二极 管的串联支路充当信号发生器，发生单相接地后，这一信号发生器将产生零序半波电 感电流，在所有出线检测该电流，最大者即为接地线路。由于增大了单相接地时的短 路电流，使得该方法有着很高的选线准确率，但持续产生的半波信号会对系统的正常 运行造成不利影响，而且该专利也未解决半波信号的检测问题。 综上所述，国内解决中性点非有效接地系统单相接地选线问题的方法大体可分为 两大类：1 ) 利用单相接地后与故障电流相关的某些特性来进行选线 2 2 伪】。2 ) 通过人 为干预产生一信号注入系统，借助这一信号进行故障选线，又可称为注入法1 s o - 8 6 。由 于中性点非有效系统单相接地时故障电流太小，其较弱的稳态特性易受干扰；而较大 的暂态特性受到系统参数的影响和约束，在选线方面具有一定的局限性。为了弥补第 一类选线方法的不足而出现了第二类选线方法即注入法。由完全依赖故障电流自身信 息到人为注入信号以用来选线，这是解决中性点非有效接地系统单相接地选线问题思 想上的转变，但由于当前的各种注入法所注入信号的强度以及特征的局限性，使得当 接地电阻较大时或对于电力污染较严重的负荷所注入信号的检测非常困难。所以，虽 然根据上述众多原理制造出来的选线设备广泛应用于国内配电网系统，对系统污染不 太严重或接地电阻较小情况下的接地选线有着较高的选线准确性，但对系统污染较重 或接地电阻较大情况下的选线问题一直没有很好解决，尤其对煤矿、油田等系统污染 较严重的负荷，拉路法一直作为一种最重要的选线手段。 通过上述分析可知，对于多年来一直困扰我国电力系统配电网的中性点非有效接 地系统故障选线问题，虽然先后提出了众多选线方法，但至今仍没有得到很好解决。 7 山东大学博士学位论文 鉴于国民经济的迅速发展，用户对供电质量的要求日益提高，因此非常有必要寻求一 种更为有效的接地故障选线方案。 1 4 电力电子元器件在电力系统中的广泛应用 电力电子器件实际上是半导体器件，所以也称电力半导体器件。电力电子器件和 其它类别的半导体晶体管的差别，主要体现在工作机理不同、功率等级较大及开关特 性有差异等几个方面。但要注意的是，由于电力电子器件在电路中常常扮演电子开关 器件的角色，所以它只工作在两种状态，即饱和和截止状态，类似于数字电路中的器 件工作状态。当然，其工作时承受的电流比较大，电压比较高。 电力电子技术的发展是和电力电子器件发展紧密相关的。器件的发展是电力电子 技术在当代得到广泛应用的重要因素。 2 0 世纪4 0 年代末美国贝尔实验室发明了晶体管，使电子技术出现了一场革命。 随后，晶体管在许多应用领域开始逐步取代体积大、功耗多的电子管。最初用于电力 领域的半导体器件是整流二极管。但由于整流二极管是不可控元件，很难解决生产实 际中控制电能的问题，故应用受到很大限制。 2 0 世纪5 0 年代末美国通用电气公司研制了第一个晶闸管( s c r ，后称t h y r i s t o r ， 又称可控硅) ，标志着电力电子技术时代的开始。晶闸管是一种导通时刻可控的半导体 二极管，正是由于这个重要特性，使得电能变换与控制比较容易的实现。从此之后， 门极可关断晶闸管( o t o ) 、双向晶闸管( t r a i c ) 、电力双极型晶体管( b j t ) 、电力场效 应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 等新型晶闸管和全控器件相继出 现，并在容量、工作频率等性能指标上得到不断的提高。从2 0 世纪9 0 年代至今，陆 续涌现出各种新型器件。有的是传统器件的改良产品，而比较引人注目的是一种将控 制、保护、驱动电路的功能与功率器件集成在一起的功率模块器件( p i c ) 。由于集成度 高，使得电力电子装置的体积大为缩小，而最重要的是这种器件的综合性能好，所以 它是电力电子技术的发展方向。 随着高压、大电流电力电子器件的迅速发展，电力电子技术在电力系统中得到广 泛应用，这使得利用已有的电力网输送更大容量以及功率潮流灵活可控成为可能。电 网功率因数补偿和谐波抑制是保证电网质量的重要手段。晶闸管投切电抗器( t c r ) 、 晶闸管投切电容器( t s c ) 都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器 8 山东大学博士学位论文 ( s v g ) 、有源电力滤波器( a p f ) 等具有更为优越的补偿性能。此外，电力电子装置还可 用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等。这些装置和补偿装置的应用可进行 电能质量控制，改善电网质量 s 7 1 船】。 1 5 本文主要工作内容及章节安排 本文针对当前国内配电网单相接地故障选线准确率仍不尽理想的现状，先后提出 了三种全新的故障选线方案，大量仿真和模拟实验都验证了这三种选线方法的有效性， 为解决国内中性点非有效接地系统单相接地选线问题做出了有益的贡献。概括起来本 文的工作内容如下： 1 ) 对现有中性点非有效接地系统单相接地故障选线诸多方法进行了分析，在解析了这 些方法优缺点的基础上首次提出了基于可控短路概念的故障选线方案，即通过对系统 中性点实行可控的有效接地，从而将中性点非有效接地系统在短时间内变成中性点有 效接地系统，以产生强度足够大同时又不至于大到影响系统正常运行的短路脉冲用于 故障线路的选定。理论分析、仿真和模拟实验都验证了该选线方法即使在接地电阻较 高状态下仍可保证选线准确性。 2 ) 针对可控短路选线方案需改动系统一次侧结构的缺陷，提出了可控短路选线方案的 改进方案，即通过对母线p t 二次侧开口三角有控制的实行短路，以产生可控的瞬时短 路脉冲用于故障线路的选定。同时，该方法还可以对p t 铁磁谐振实施有效抑制。理 论分析、仿真和模拟实验都验证了该选线方法在充分利用母线p t 而不改变一次设备 的前提下，能够获得同改进前可控短路选线方案相似选线准确性的同时，还可以实现 消谐功能。 3 ) 首次将增益阻抗概念引入故障选线，提出了基于增益阻抗的故障选线方案，即利用 单相接地故障过程中产生的暂态扰动来寻求非故障侧的增益阻抗，借助该阻抗和相应 判据来实现故障线路的判定。理论分析、仿真和模拟实验也都验证了该选线方法的有 效性。 4 ) 制作出了上述三种选线方法的模拟实验平台。该平台主要包括可控短路器、短路脉 冲检测器以及中性点非有效接地系统简化模型。可控短路器硬件主要包括基于单片机 的触发板、控制板以及可控硅，相应控制软件用c 语言编写而成；短路脉冲检测器硬 件主要由数据采集板构成，相应的数据采集程序用l a b v i e w 7 1 编写而成。本文作者借 9 山东大学博士学位论文 助该模拟实验平台针对文中提出的三种故障选线方法进行了模拟实验，其结果均与理 论及仿真结果一致，从而进一步验证了本文所提出的三种全新的故障选线方案的有效 性。 5 ) 可控短路选线方案通过了山东省电业局纵向科研项目审批，获得了样机挂网运行的 机会。制作出的z k - 1 型自适应控流型故障选线装置样机在东营电业局的挂网运行， 为本文的研究成果最终服务于电力行业打下了良好的基础。 本文的具体章节安排如下： 第一章通过介绍国内配电网单相接地后的运行特点及系统接地状态下长期运行的 危害，阐述了故障选线的必要性；通过分析接地选线问题的研究现状，阐述了开展本 课题研究的动机和现实意义。 第二章首次提出了基于可控短路的故障选线方案。在对可控硅的控流作用进行了 解后，结合硬件结构对可控短路器和短路脉冲检测器的工作原理进行了阐述。借助理 论分析和仿真对短路脉冲的特征进行分析了解，最终确立了基于频谱分析的故障线路 判定依据。分析了各种影响选线精度的因素对选线的影响，并给出了可控短路器中降 压变压器型号的确定方法。最终通过模拟实验验证了可控短路选线方案的有效性。 第三章针对第二章中提出的可控短路选线方案需改动系统一次结构的弊端，提出 了基于可控短路选线方案的改进方案一p t 二次开口角可控短路选线方案。通过理论和 仿真分析确立了与改进前可控短路选线方案相同的故障线路判定依据，分析了各种影 响选线精度的因素对选线的影响，对p t 容量对短路脉冲的限制作用进行了分析，并 对可控短路选线方案改进前后的选线效果进行了对比，最终通过模拟实验验证了改进 后选线方案的有效性。在p t 二次开口角可控短路基础上，提出了基于单个可控硅的 p t 二次开口角瞬时短路消谐方案，并通过理论分析和仿真验证了该消谐方法的有效 性。 第四章基于增益阻抗理论，提出了一种全新的故障选线方法。分别基于正序和零 序增益阻抗推导出了相应的故障选线判据，并通过分析和仿真结果最终确立零序增益 阻抗作为故障选线判据。模拟实验验证了该方法的有效性。 第五章讲述了本论文所提出的三种故障选线方法模拟实验平台的建立以及样机的 制作。其中包括可控短路器软硬件制作、短路脉冲检测器的软硬件制作、中性点非有 效接地系统简化系统电路的设计和搭建，以及z k - 1 型自适应控流型故障选线装置样 1 0 山东大学博士学位论文 机的制作。 第六章是本文工作总结和下一步的工作展望。 山东大学博士学位论文 第二章