（电力系统及其自动化专业论文）配电网谐振接地系统若干技术问题的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配电网谐振接地系统若干技术问题的 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成采，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：至丝1日期：礁生：丝：垒 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：擅导师签名：! 圭坠墨 e t期：堕! ：兰：丝 日期： 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 在我国，6 3 5 k v 电力系统称为配电网，一般直接面向用户进行供电，所以 保障配电网的正常安全运行非常重要。选择中性点接地方式是一个综合性的技术 问题，它与系统的供电可靠性，人身安全，设备安全，绝缘水平，过电压保护， 继电保护，通信干扰及接地装置问题有密切的关系【l l 。中性点经消弧线圈接地方 式由于能够对电网发生单相接地故障时的电容电流进行补偿，并且可以保证供电 的连续性、把故障造成的危害减少到最低，所以在实际中得至4 广泛的应用。本文 针对谐振接地方式存在的问题进行分析，提出对谐振接地系统的优化方案。另外， 精确测量电网对地的电容电流，是保证配电网自动调谐系统可靠工作，降低故障 对人身和设备危害的有效保证，本文选择基于注入信号法的电容电流测量方法进 行研究，从理论上验证了这种方法的适用性，并进行了测量装置的软硬件设计。 1 1 本课题的背景及意义 i 1 i 配电网中性点接地方式概况 电力系统常用的系统中性点接地方式主要分为两种：中性点有效接地和中 性点非有效接地。美国电机工程师协会第3 2 号标准做出了明确的规定：“当在系 统或系统的指定部分的所有各点上，不论运行的情况如何，以及连接的发电机容 量多大，零序电抗对正序电抗之比都不大于3 ，而且零序电阻对正序电抗之比不 大于1 时，该电力系统或系统的一部分可被认为是中性点有效接地的。当电力系 统不是全部有效接地，而在系统的一个指定部分的所有各点上，上述要求得到满 足时，可认为该指定部分是有效接地的”。根据上述标准，当电力系统发生单相 接地故障时，不论变压器的中性点是矗接接地，还是经低电阻或低电抗接地，只 要在指定部分的各点满足零序电抗与正序电抗之比小于或等于3 ( x o ，五3 ) 和 零序电阻与正序电抗之比小于或等于1 ( r ，五1 ) ，该系统便属于有效接地系 统。由此可见，中性点有效接地不仅与系统中变压器中性点直接接地的数量有关， 同时还与其容量占全部变压器总容量的百分值有关。 我国早期的接地技术规程中曾规定，不论电力系统中性点的接地方式 如何，只要单相接地电流或同点两相接地时的入地电流大于5 0 0 a ，则称为大接 地短路电流系统；反之，则称为小接地短路电流系统。国外电力系统中性点接地 方式的划分各有特点。例如，美国与加拿大根据自己的国情规定，单相接地短路 电流值处在三相短路电流的o _ - 2 5 范围内，为小电流接地系统；在2 5 1 0 0 范围内，为大电流接地系统；而接地电流大于1 0 0 并小于1 5 0 时，为非常 华北电力大学硕士学位论文 大电流接地系统。以上这些划分的标准，都存在一定的问题。 在中压范围内，我国和许多国家的电网普遍采用小电流接地方式，其单相故 障接地电流能够自行熄灭，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。而按美、加的划分方法，势必有一部分单相故障接地 电弧不能自行熄灭的系统也被划分到小电流接地系统之中了。其他一些国家也有 类试的划分方法，把单相接地故障电流为数十安和数百安的系统也划分到小电流 接地系统之中，这也是不合理的1 2 j 【j j 。 电力系统的中性点接地方式虽然有多种表现形式，但根据上述原则，基本 上可以划分为两大类：凡是需要断路器遮断单相接地故障者，属于大电流接地方 式；凡是单相接地电弧能够瞬间自行熄灭者，属于小电流接地方式。我国l o k v 配电网具有数量庞大、分布面广的特点，因此中性点接地方式的选择对电网供电 可靠性和安全运行的影响至关重要。在实际中应用较多的有三种，分别为：中性 点不接地、中性点经电阻接地、中性点经消弧线圈接地，各有优缺点。 中性点不接地方式，即是中性点对地绝缘，结构简单，运行方便，不需任 何附加设备，投资省。适用于农村l o k v 架空线路为主的辐射形或树状形的供电 网络。该接地方式在运行中，若发生单相接地故障，其流过故障点电流仅为电网 对地的电容电流，其值很小称为小电流接地系统，需装设绝缘监察装置，以便及 时发现单相接地故障，迅速处理，以免故障发展为两相短路，而造成停电事故。 中性点不接地系统发生单相接地故障时，其接地电流很小，若是瞬时故障，一般 能自动熄弧，非故障相电压升高不大，不会破坏系统的对称性，故可带故障连续 供电2 h ，从而获得排除故障时间，相对地提高了供电的可靠性。中性点不接地 方式因其中性点是绝缘的，电网对地电容中储存的能量没有释放通路。在发生弧 光接地时，电弧的反复熄灭与重燃，也是向电容反复充电过程。由于对地电容中 的能量不能释放，造成电压升高，从而产生弧光接地过电压或谐振过电压，其值 可达很高的倍数，对设备绝缘造成威胁。此外，由于电网存在电容和电感元件， 在一定条件下，因倒闸操作或故障，容易引发线性谐振或铁磁谐振，这时馈线较 短的电网会激发高频谐振，产生较高谐振过电压，导致电压互感器击穿。对馈线 较长的电网却易激发起分频铁磁谐振，在分频谐振时，电压互感器呈较小阻抗， 其通过电流将成倍增加，引起熔丝熔断或电压互感器过热而损坏。 中性点经电阻接地方式，即中性点与大地之间接入一定阻值的电阻。该电 阻与系统对地电容构成并联回路，由于电阻是耗能元件，也是电容电荷释放元件 和谐振的阻压元件，对防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，有一定优越性。 中性点电阻的阻尼作用使单相接地时电容充电的暂态电流受到抑制，基本消除了 间歇性电弧过电压的可能性，也可将其他类型的过电压限制到较低的水平，使发 华北电力大学硕士学位论文 生异地两相接地的可能性减小。同时接地特征明显，能满足继电保护灵敏度的要 求。经低电阻接地时，故障电流增加到数百安培，会引起地电位升高、通信干扰 等问题。经高阻接地电容电流不宜过大，一般不宣大于4 5 安培，所以高阻接 地的局限性较大。每次接地断路器均立即跳开线路，降低供电可靠性( 特别对架 空线网络) ，频繁的分、合闸使断路器及其他相关设备负担重。 相对于中性点不接地系统和经电阻接地系统，谐振接地方式具有一定的优 点，在实际中应用比较广泛，但也存在着一定的问题【4 】【5 】。 1 1 2 中性点谐振接地方式存在的问题 谐振接地方式，即是在中性点和大地之间接入一个电感消弧线圈。当电网 发生单相接地故障时，其接地电流大于3 0 a ，产生的电弧往往不能自熄，造成弧 光接地过电压概率增大，不利于电网安全运行 6 1 。为此，利用消弧线圈的电感电 流对接地电容电流进行补偿，使通过故障点的电流减小到能自行熄弧范围。通过 对消弧线圈无载分接开关的操作，使之能在一定范围内达到过补偿运行，从而达 到减小接地电流。这可使电网持续运行一段时间，相对地提高了供电可靠性。该 接地方式因电网发生单相接地的故障是随机的，造成单相接地保护装置动作情况 复杂，寻找发现故障点比较难。消弧线圈装置采用无载分接开关，靠人工凭经验 操作比较难实现过补偿。消弧线圈本身是感性元件，与对地电容构成谐振回路， 在一定条件下能发生谐振过电压。消弧线圈能使单相接地电流得到补偿而变小， 这对实现继电保护比较困难【n 。 通过分析目前中压配电网接地方式的特点，可以看出谐振接地方式由于在 发生单相接地故障后，可以补偿电容电流，减少故障对设备和人身的伤害，所以 这种接地方式在实际中得到广泛的应用。同时也可以看出，谐振接地方式在对故 障的检测和抑制配电网过电压等方面仍存在不足【g 1 0 】。本文第二、三章就是通过 改进谐振接地方式，构造一种灵活的柔性接地方式，使其结合谐振接地和电阻接 地方式的优点，解决各自存在的问题。 1 1 3 电容电流测量技术的发展及存在的问题 电容电流测量的方法有很多种，在较早时期，测量电容电流一般采用单相金 属接地法，就是将配网线路人为地进行单相接地试验，然后通过电流互感器直接 测量入地的电容电流【l 】。这种方法测量的准确性很高，但需要的操作及安全措意缸 非常繁杂，而且有可能危及非接地相绝缘薄弱处的绝缘造成两相异地短路，很不 安全。整个试验工作对试验人员和配网系统的安全均构成威胁，试验的危险性很 大。对于有电源中性点的配电系统，如3 5 k v 系统，一般采用中性点外加电容法 华北电力大学硕士学位论文 来测量电容电流。系统正常运行时中性点的电压很低，因此这种方法相对于单相 金属接地法更安全、简便。还可以通过增大外接电容量来提高测量的准确度，因 而被普遍采用。总体上说，这些测量方法都存在着以下缺点 n - 1 6 ： 测量时仍然与一次侧打交道，人员与设备安全得不到保障。对于有电源中 性点的3 5 k v 系统所采用的“中性点外加电容法”，虽然正常运行时中性点的电压 很低，但如果在测量时系统发生单相接地故障，中性点的电压就会上升为危险的 相电压( 高达2 0 k v ) ，外加测量电容也就带上2 0 k v 高压，这样有可能会引起测 量电容器爆炸，危及试验人员的安全。特别对于无电源中性点的l o k v 系统，测 量只能采用在线路上分相外接电容的方法，这时，测量人员和操作人员的安全更 得不到保障； 由于要涉及一次设备，操作繁琐，同时也存在误操作的危险。准备工作耗 时长，测量工作效率低，工作效率非常低。 鉴于以上缺点，目前在现场中使用比较多的方法是位移电压曲线法、三点法 和阻抗三角法等。这些方法都是利用配电网的三相对地不平衡在中性点产生的不 平衡电压来测量出系统的对地容抗。 但是随着城市建设的快速发展，城市电网越来越多地采用电缆线路，使电网 的电容电流大大增加。据统计，配电网的短路故障很多是由于线路单相接地电流 无法自行熄灭引起的，当单相接地电流大于规程所规定的“l o k v 和3 5 k v 系统电 容电流分别大于3 0 a 和i o a ”时，将产生一种不稳定的间歇性接地电弧，引起幅 值较高的弧光接地过电压。弧光过电压持续时间长、影响面积大，对电网中绝缘 较差的设备和线路上的绝缘弱点，可能导致绝缘击穿，使故障扩大。此外，由于 中性点的不稳定，电网单相接地容易引发电磁谐振而导致电压互感器烧毁和高压 熔丝熔断等事故，给电网的安全可靠运行带来了极大的危害。同时，由于电缆线 路的三相不平衡性大大降低，位移电压很难准确测量，以往利用网络的不平衡性， 测量系统电容电流的方法已经不再适应l i ”。 因此，目前对于基于注入信号法的电容电流测量技术的研究越来越受到人们 的重视，可以肯定的是在不久的将来会得到广泛推广l l s 】。信号注入法的原理是 从微机测控器不断向电网发送出异频信号，同时接收来自电网的反馈信号，根据 相应等值电路及算法，即可计算得到电网的对地电容电流值。注入信号原理尤其 适用于电网不对称度小的系统。它具有在线检测电网电容电流值，不改变消弧线 圈的匝数或者气隙，不受电网中性点信号影响，测试方便，精确度高，稳定性好， 适应性广和抗干扰能力强等一系列优点【1 9 】【2 0 】。本文的第四章主要是对各种基于 注入信号测量电容电流的方法进行分析，总结其各自的优缺点，并明确了基于扫 频原理的测量方法的优越性。第五章重点进行了扫频法测量装置的软硬件及应用 4 华北电力大学硕士学位论文 设计。 1 2 本论文所作的主要工作 本文所作的工作主要包括以下五个方面： ( 1 ) 对目前配电网中性点接地方式进行分析，在比较各种接地方式优缺点的基 础上，以谐振接地方式为基础，提出了合理的中性点柔性接地方案； ( 2 ) 建立了配电网的a t p e m t p 仿真模型，对中性点柔性接地方案进行了大量数 字仿真。结合仿真结果，对该接地方式下的单相接地故障检测、抑制过电压的效 果进行了分析论证，完善了这种新型接地方式的构成和工作原理； ( 3 ) 对基于注入信号的配电网对地电容电流测量新方法进行详细分析，完善了 扫频测量实用技术； ( 4 ) 进行了扫频法电容电流测量装置的软硬件设计，完成了硬件框图、变频信 号源、工频5 0 h z 有源陷波电路和软件框图的设计： ( 5 ) 对新型电容电流测量装置在消弧线圈自动调谐系统以及配电网单相接地故 障检测中的应用进行了具体设计。 华北电力大学硕士学位论文 第二章新型接地方式下单相接地故障的检测 本章选择中性点谐振接地方式这一研究方向，提出一种新型中性点柔性接 地技术。以l o k v 配电网为例，首先分析了发生单相接地故障的稳态过程及其特 点。在此基础上，建立了e m t p a t p 仿真模型对目前配电网传统的接地方式进行 仿真计算，说明了这些传统的中性点接地方式在对故障的检测、故障定位及故障 选线上存在的不足和缺点。随后，对本文提出的新型柔性接地方式进行了详细的 理论分析和仿真计算，计算结果表明这种新型接地方式能够很好的对单相接地故 障进行检测，与传统的中性点接地方式相比具有明显的优点。 2 1中性点柔性接地技术的提出及研究现状 2 1 1 问题的提出 在实际情况中，以中性点不接地和消弧线圈接地方式为代表的非有效接地 方式，在供电可靠性，人身安全和电磁兼容性等方面占有优势，但存在过电压水 平高、难以实现接地故障检测等不足，中性点经电阻接地有利于限制过电压水平， 接地故障易于检测，但低电阻接地方式下故障电流大，人身设备安全和电磁兼容 性不好，系统发生单相接地故障后，特别是瞬时性故障时，会产生很高暂态过电 压，而消弧线圈对这个暂态过电压是没有抑制作用的【l 】【3 】。 所以需要考虑，在原有的消弧线圈上加一些串并电阻，在瞬时性故障刚发 生的瞬间投入电阻接地，抑制暂态过电压，过渡到稳态时再使消弧线圈接地进行 补偿，最终目的是通过对目前的消弧线圈谐振接地系统进行优化，设计出一种更 灵活的接地系统满足实际的需要【2 l 】。本文选择中性点接地方式这一研究方向， 力求寻找一种途径，汲取经消弧线圈接地方式的优点，即单相接地残余电流小、 可持续供电，以及中性点经电阻接地方式，弥补经消弧线圈接地或经电阻接地单 一运行方式的不足，使其有利于瞬时故障媳弧，限制甚至消除发生间歇性电弧接 地及其他谐振过电压的可能性。 2 ，1 2 中性点柔性接地技术的研究现状 通过对比较具有代表性的中性点接地方式的分析，可以了解到目前配电网 中性点接地方式需要进行一定的优化，既中性点柔性接地技术( 又称中性点灵活 接地技术) 。一般情况下，是在谐振接地方式的基础上，在原有的消弧线圈上加 一些串并电阻，提高抑制暂态过电压的能力，并且可以有利于故障的检测。因为 并联电阻能够更好的抑制过电压，并且在发生单相接地故障后可以提供对故障检 6 华北电力大学硕士学位论文 测有利的有功电流信息，所以目前对中性点柔性接地技术的研究，通常是考虑在 消弧线圈上加并联电阻。所不同的是，并联电阻的阻值大小和个数仍然存在争论。 图2 一l 为其中一种中性点柔性接地构成图【2 2 】。其工作原理为：电网正常 运行时，消弧线圈和1 2 0 0 f l 接地电阻( 由2 个6 0 0 q 电阻串联组成) 并联，消弧 线圈预调至最佳补偿状态；当发生瞬时性单相接地故障时，消弧线圈直接补偿， 使故障电流小于一定值，并联的1 2 0 0 q 接地电阻可以抑制瞬时故障引起的过电 压，从而使系统继续正常运行而不停止供电的同时降低线路设备受过电压的冲 k r 正 图2 - 1 中性点柔性接地构成图1 击；当发生永久性单相接地故障时，将接地电阻1 2 0 0 9 l 改为6 0 0 1 l ，抑制间歇性 弧光接地过电压，并为故障选线提供特征明显的零序有功电流，从而对过渡电阻 小于3 0 0 0 欧姆的单相接地故障进行选线。另外，接地电阻的接入，可有效区分 虚幻接地与高过渡电阻接地。 图2 - 2 中性点柔性接地构成图2 根据过电压理论，串联电阻的作用是使电感中的磁能和电容中的电能在相互 转换的过程中不断被消耗，显然它愈大愈好；并联电阻的作用是直接消耗掉l ( 或 c ) 中的能量使之不能全部传送到c ( 或l ) 中去，因此它愈小愈好。上述的接地 方式中，6 0 0 f 1 的并联电阻对抑制间歇性弧光接地过电压的效果并不明显，由于 7 # d 乒 薛 华北电力大学硕士学位论文 并联电阻在故障中与消弧线圈的并联关系，因此其数值本应该尽量的小。图2 - 2 为另一种灵活接地方式的构成图。 r 1 为长并电阻，大小为3 0 q ，目的是为了限制过电压，当系统正常运行时 投入消弧线圈和长并电阻，当发生单相接地故障后，消弧线圈立即进行补偿感性 电流，防止故障点电弧重燃；如果发生的是永久性故障，在灭弧后立即投入r 2 ( 选线电阻) ，大小为6 0 0 c 1 进行故障选线和定位。这种改进后的配电网谐振接 地系统结合了消弧线圈接地和低电阻接地方式的各自优点，既提高了供电可靠 性，限制了过电压的危害，又能更好的进行永久性故障后的故障检测。但是这种 接地方式，在发生单相接地后，电阻的投切控制比较复杂，另外由于长并电阻阻 值较小，与继电保护的配合比较困难。 2 1 3 新型中性点接地方式的构成及工作原理 本文提出了新型中性点经消弧线圈并联电阻的接地技术，这种接地方式结合 了消弧线圈接地和电阻接地两种方式的优点，并且减少了并联电阻的个数，简化 了接地方式的控制策略。图2 - 3 为这种新型接地方式的构成原理图。 n - l 图2 - 3 新型柔性接地方式的构成原理图 这种接地方式主要由自动调谐消弧线圈、投切电阻和控制器组成，其中，n 为系统中性点；l 为消弧线圈，用于补偿电网电容电流；r 为并联电阻，用于抑 制过电压和故障选线；c t 和p t 分别测量相关的电流电压信号。电网正常运行时， 控制器实时测量系统中性点电压，并调节消弧线圈到合适的档位。当故障发生时， 先不投入电阻r ，使消弧线圈可以充分发挥对电网的补偿作用，经一定延时后投 入并联电阻r ，抑制过电压。如果发生的是瞬时性故障，当控制器检测到零序电 压消失后，立即退出并联电阻；如果零序电压持续存在，利用电阻提供的阻性电 流进行故障的检测。需要指出的是，由于配电网发生单相接地故障出现的弧光过 电压是周期性反复出现，在系统泄漏电阻较大的情况下，这个过电压会持续性对 电网安全构成危害，因此讨论并联电阻对其的抑制作用，主要侧重于稳态情况， 华北电力大学硕士学位论文 所以并联电阻的投入时间可以有一定的延时。本章主要分析发生单相接地故障 后，新型接地方式对故障的检测作用。 2 2 配电网的单相接地故障 2 2 1配电网单相接地电流的稳态计算 如图2 - 4 所示，当开关k 1 打开时，配电网为中性点不接地方式；当开关 k l 闭合时，为谐振接地方式。首先，来分析中性点不接地方式时，发生单相接 地故障时的情况。 图2 - 4 配电网单相接地故障 b c a b c 在中性点不接地系统中，接地故障电流总是通过电源变压器的假想接地中 性点接地，从而给单相接地故障电流提供回来的通路。对不接地系统而言，通常 这个单相接地故障电流仅有几十安培，其值远小于正常负荷电流，故一般不会对 线路、电缆或其他设备造成破坏。但是，该电流的持续时间不宣过长，也需要单 相接地选线保护或自动切除故障线路。图中的每一回馈出线路用一组独立的集中 对地电容( e l 或c 2 ) 做模拟分布电容值。因此，系统中任何一点的零序阻抗为 无穷大。对零序电流而言，线路或其他元件的串联阻抗，比以线路对地导纳表示 的并联阻抗小得多，因此可忽略不计。此时接地故障电流由各相对地的电容构成 的回路决定。 配电网输电线路较短，线径较小，相间电容与对地电容之比为0 2 0 3 3 ， 可忽略线路相间电容，只考虑线路对地电容。正常绝缘的架空线路阻尼率( 系统 电导与电纳的比值) 不超过3 5 ，电缆线路不超过2 4 ，对应线路泄露电导的 有功电流约为电容电流的2 ，因此可忽略线路对地电导。对于中性点非有效接 地系统，单相接地故障时线电压保持对称，每相的负荷电流不变，故忽略负荷电 华北电力大学硕士学位论文 流，按线路空载分析由于线路阻抗比对地阻抗3 c 0 小得多，故可略去比不计， 在做出以上的简化处理后，根据戴维南定理，其单相接地电流可按下式计算： l 2 丢芏1 。面j 3 0 k 7 0 协。， 4 j 3 c o c o 哦2 壶( 嘞) 。丽- 1 一 ( 2 - 2 ) 式中，f 单相接地电流，a5 玑故障前的相电压，v ； 岛故障点的过渡电阻，q ； 碥中性点电压，v ； 从以上分析可以看出，配电网中性点不接地系统发生单相接地故障后，故 障点的电流只流经故障线路和对地电容组成的回路，而且故障电流由系统对地电 容电流组成，一般只有几十安培的大小，故对于接地保护的故障选线和故障定位 有一定的困难。 当图2 - 4 的开关k 闭合后，系统变为谐振接地方式。此时，发生单相接地 故障后，故障点电容电流将被由消弧线圈提供的感性电流进行补偿，在发生金属 性接地故障过渡到稳态后，故障点的残流大小为： j 5 = ( j 3 e c o 一冬) u o 国l(2-3) = i 【她+ j 国 式中：砜为中性点位移电压；丘为电网的电容电流；d 为补偿电网的阻尼率；u 为补偿电网或消弧线圈的脱谐度。从分析可见谐振接地系统中，被补偿后接地 残流数值上比较小，非常不利于接地保护的判别和故障的检测。 虽然目前针对于的以谐振接地方式为主的配电网的故障选线进行了大量的 研究，提出了很多的选线方法，但总体上，目前的配电网的故障选线的准确率仍 然较低。 2 2 2 故障选线技术的研究现状及存在的问题 故障选线的方法最早的有绝缘监视原理构成的监视母线零序电压的保护，但 由于此方法需要现场运行人员进行复杂的倒阐操作，而且还造成非故障相线路停 电，所以这种方法已经被淘汰掉口4 1 。 目前的选线大都通过检测线路的稳态量和暂态量来构成选线方法。其中以稳 l o 华北电力大学硕士学位论文 态量构成的保护方案在实际中已经得到了广泛的应用。其中实际中运用比较多的 有群体比幅比相法、零序电流保护法、五次谐波保护法、零序电流有功法及负序 电流选线法。其中，比较典型的基于稳态量选线方法的原理和特点如下1 2 5 】。 2 7 1 ： 1 、谐波方向型保护原理基于这原理的单相接地选线装置目前广泛的应 用在中性点接地系统和中性点谐振接地系统中。对于中性点直接接地系统中，其 保护针对于基波零序分量：对于中性点谐振接地系统中，其原理是基于谐波分量 ( 主要为五次谐波) 。保护的工作原理是：当检测到大于整定值的零序电压后， 立即启动采样，对数据进行快速傅立叶变换，并按基波或谐波排队，取零序电流 幅值最大的前3 个进行比较相位，若某零序电流与另外两个电流方向相反，则判 定该线路接地，否则，为母线接地。由该保护原理构成的选线装置，不受运行方 式、接地电阻等外界因素的影响，动作可靠性较高。 2 、零序电流法由前面的稳态分析可知道，当小电流接地系统发生单相接 地故障时，故障相的零序电流明显比非故障相的零序电流幅值大，而且在中性点 不接地方式中，故障相零序电流与非故障相电流的方向相反。零序电流法就是依 此原理构成的，可以分为零序电流比幅法和零序功率方向法。但是此方法，受系 统运行方式影响较大。当系统中，非故障线路远长于故障线路时，比幅法可能失 效；而当系统为中性点谐振接地时，在处于过补偿方式下，故障线路零序功率方 向与非故障线路方向一直，此时，功率方向法失效。所以，单纯依靠基波分量的 零序电流法在实际中已经逐渐被淘汰。 3 、负序电流选线法基于负序电流的故障选线的基本原理是：在发生单相 接地故障后，故障相和非故障相流过的负序电流的大小不同而进行故障判据的。 接地故障产生的负序电流大部分由故障点经故障线路、变压器电源流回大地，经 各线路及其对地电容流回的负序电流相对很少，据此可通过比较线路负序电流幅 值选线。但是由于单相接地故障的复合序网是串联在一起的三个序网，所以从故 障点流入系统的负序电流和零序电流是相同的。因此在中性点非直接接地系统中 利用负序稳态电流进行故障选线，仍需面对电流幅值过小而导致的测量误差，以 及由次产生的误判问题。而且故障若发生在轻载长线的始端，则负序电流的分布 假设不能成立，因此比较负序电流幅值的选线也将失效。所以，负序电流选线在 实际中并没有得到广泛的应用。 4 、有功电流法利用消弧线圈接地方式时，在发生单相接地故障后由消弧 线圈的阻尼电阻提供的阻性电流进行故障选线。因为有功电流只流经故障线路， 非故障线路中没有有功电流，因此可以选出故障线路。但是这种方法只适用于谐 振接地方式，对于其他小电流接地方式的配电网不能应用，而且这种选线方法的 准确性较低。 华北电力大学硕士学位论文 接地电网选线困难的主要原因是：单相接地时故障电流为线路对地电容电流， 数值非常小，这一小电流又叠加在较大的负荷电流之上，现有的电流互感器很难 准确地检出；现场的各种电磁干扰相对很大，加上零序回路对高次谐波及各种暂 态量的放大作用，使得检出的敌障成分信嗓比非常低：单相接地故障状况复杂，要 求选线系统具有很强的适应性：特别是对于消弧线圈接地电网，常用的选线方法 是提取电网中的5 次谐波作为选线依据，结果更不可靠。 随着目前国内中压电网的日益复杂化，对小电流接地系统发生单相接地后迅 速判断出故障线路，提出了较高要求。而且，故障后瞬时跳闸的要求也越来越迫 切。综合上述情况，目前实际中运用的零序电流幅值法和功率方向法都不能满足 要求。而基于暂态分量的选线方法由于其具有的众多优点，必然成为人们研究的 热点。现在对于利用暂态分量进行选线要迫切解决以下问题： 线路发生单相接地故障大多是发生幅值附近，此时的暂态量比较丰富，对 于故障选线有利。但在理论研究中必须考虑若电压在过零时刻附近发生故障时如 何有效的获得暂态分量； 目前对于暂态量的分析中，普遍都采取了小波分析，但是更精确的数学模 型和简单可靠的选线判据一直没有出现。有的研究成果在分析暂态电流时采用了 集中参数线路型，结论是否有可信性还要值得商榷。有的研究成果判据过于复杂， 在实际推广中困难较大； 目前的研究成果大多是在理想情况得到，实际中还要考虑到各种运行方式 以及c t 的影响，这方面还有待做大量的仿真实验来论证； 目前的选线原理，不管是在实际得到应用的，还是处于理论研究的，都各 有优缺点，所以迫切需要把各种方法融合在一起。比如，利用模糊原理对各种选 线原理进行智能融合，利用各种算法的互补性，扩大能够选线的范围，从而提高 选线的可靠性。 虽然目前还没有一种能适应各种运行方式的小电流故障选线的技术，但随着 人们对接地故障机理的更深入的了解，和各种技术手段的日趋成熟，可靠准确的 在小电流系统中进行选线将为时不远。本文提出的配电网新型中性点接地方式可 以很好的解决小电流故障选线这一难题。 2 3 新型接地方式下单相接地故障的分析 2 3 1 单相接地故障检测分析 图2 - 4 中k 1 和k 2 同时闭合时，中性点接地方式变为消弧线圈并联电阻接地 1 2 华北电力大学硕士学位论文 方式，既本文提出的中性点柔性接地方式。在实际中，随着系统运行方式、电网 对地容抗的变换，并联电阻值的大小应该是可以控制改变的。按照本文提出的柔 性接地技术的控制策略，在发生瞬时性单相接地故障时，并联电阻主要起抑制暂 态过电压的作用，而接地故障变为永久性故障时，才依靠并联电阻提供的阻性电 流进行故障的检测。所以，本章对消弧线圈并联电阻接地方式在发生单相接地故 障后对故障检测的分析研究，只针对于永久性接地故障。 忽略线路的泄漏电导，单相接地故障时电网的等效电路图如图2 - 5 所示。3 c 为电网电容，j 。为流经电容的电流；l 为消弧线圈，凡为流经l 的电流；r 为并 联电阻，一为流经并联电阻r 的电流；尺。为故障时过渡电阻；e 为系统故障 相等效电势。 假设图2 - 4 中某条馈线的a 胡发生永久性接地故障，并且经过渡电阻墨接 赢赢一砥e a 焉历1 rj e o l 。 南 一 一一一e a + 等+ 取( s 们瓦1 ) q 钔 零序电压打。的降低使得故障点残余电流中的零序电流的无功分量呈减小趋 势，而有功分量呈增加趋势，使零序电流总体上呈增大趋势，表达式为： 厶= j 一十j z + j c = 嗉+ 去埘o , c ) 6 。 ：( ! + ，3 6 0 2 c l - 1 ) 舀。 。喷+ 7 t ) 矾 ( 2 5 ) b tiuilj_： 一 - 华北电力大学硕士学位论文 非故障线路的零序电流仍为原线路的电容电流，相位超前于零序电压9 0 。， 其表达式为： 3 10 2 = ，a 2 + b 2 + i c 2 = j a , c 。：( “b 以 协s ， = 3 j a , c 铊u o 单相接地故障情况下，中性点并联电阻产生的阻性电流主要流经中性点至故 障线路接地点电源侧的部分线路。故障线路始端与故障点之间增加了由并联电阻 r 产生的有功电流，其相位与零序电压相差1 8 0 。，过补偿时故障线路无功电流为 感性，超前于零序电压9 0 ，因此零序电流与零序电压之间的相位差大于9 0 。而小 于1 8 0 。 2 3 2 故障选线的判据 在配电网发生单相接地故障后，线路可以继续运行一段时间，但是电网中可 能出现的过电压对系统正常运行危害很大，而且单相接地故障可能发展为相间故 障，因此，在发生故障后迅速检测出故障线路是必要的。中性点不接地方式和经 消弧线圈接地方式在发生单相接地故障后，因为接地点故障电流较小，不利于对 故障线路进行检测。对于中性点经消弧线圈并联电阻接地方式，在发生单相接地 故障后，并联电阻会在接地点负荷侧到中性点之间的回路中提供一个较大的有功 电流，通过测量这个电流就可以迅速检测到故障线路。 在单相接地故障情况下，因为故障线路流过的有功电流增量比非故障线路的 有功增量明显较大，通过电流互感器检测到每条线路的零序电流，以有功电流增 量最大作为故障线路判别依据，可以可靠的选出故障线路。传统的中性点接地方 式下，发生单相接地故障后，在故障电流中有功增量一般很小，进行故障选线的 可靠性低，而消弧线圈并联电阻接地方式在发生单相接地故障后，由于故障线路 的有功电流增量明显增大，能可靠选出故障线路，因此具有明显的优势。 2 4 仿真模型的建立及计算结果分析 为了更深入的研究配电网在传统中性点接地方式下发生单相接地故障后电 气特征，本文建立了仿真模型，采用电磁暂态计算程序a t p e m t p ，并以消弧线 圈接地系统为代表，进行了一定的仿真研究。图2 - 6 为仿真模型结构图。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 6l o k y 谐振接地系统仿真模型结构图 仿真模型线路采用分布参数模块，设有5 条出线，其中3 条为电缆线路，2 条为架空线路。3 条电缆线路长度均为l o k m ，2 条架空线路长度均为2 0 k i n ，总 的电容电流约为4 4 a 。 图2 7 为l o k v 谐振接地系统在发生单相接地故障后的故障波形图，从图中 ( 1 ) 稳态接地电流 ( 3 ) 消弧线圈补偿电流 ( 2 ) 暂态接地电流 ( 4 ) 故障相电压 图2 - 7 谐振接地系统单相接地故障波形图 华北电力大学硕士学位论文 波形可以看出，发生单相接地故障进入稳态后，故障点接地电流数值较小，通过 消弧线圈的补偿，接地电流进一步减少，给故障的选线带来困难。 本文又通过e m t p a t p 软件，对消弧线圈并联电阻接地方式对故障检测进行 了仿真研究，仿真模型在图2 - 6 所示的谐振接地方式模型的基础上，增加了并联 电阻，本文分别对并联电阻取不同大小时，值为1 0 0 q 、2 0 0 0 和5 0 0 q 时，电网 处于不同脱谐度时，线路l 5 发生单相金属性接地和经过渡电阻r g 接地故障进行 了仿真。图2 - 8 为并联电阻取2 0 0q ，电网脱谐度为5 时，发生单相接地故障时 的故障点电流波形。 ( 1 ) 金属性接地故障( 2 ) 过渡电阻接地故障 图2 - 8 并联电阻r - - 2 0 0o 时故障点电流波形 由波形可以看出，当在发生故障后，投入并联电阻可以在故障点产生一个稳 定的阻性电流。为了确定合适的并联电阻，本文分别对不同并联电阻下，对不同 脱谐度的配电网进行研究，故障线路有功零序电流计算结果见表2 1 ，r 为并联 电阻、r g 为过渡电阻值、v 为脱谐度。 表2 - 1 不同脱谐度下单相接地故障电流 1 6 华北电力大学硕士学位论文 为了与非故障线路进行比较，对在不同并联电阻值大小时、脱谐度为5 ， 发生单相金属接地故障时，非故障线路的零序有功电流进行了仿真计算，具体结 果见表2 - 2 。 表2 2 非故障线路零序有功电流 从表2 一l 、表2 2 中可以看出，当发生单相接地故障后，投入的并联电阻可 以在故障线路产生一个较为明显的有功电流，并且流过故障相的有功电流明显比 非故障相的零序有功电流大。为了研究在不同电网电容电流下，并联电阻接地方 式对故障选线的可靠性，本文分别建立了电容电流为3 0 a 、6 0 a 和t o o h 的仿真模 型，计算电网在不同脱谐度下发生金属性单相接地故障时的故障电流，具体仿真 计算结果见表2 3 ，i c 为电容电流、v 为脱谐度、r 为并联电阻。 表2 - 3 不同电容电流下接地故障电流 仿真计算说明，本文提出的消弧线圈并联电阻接地方式对不同网架结构的 配电网，在发生不同形式的接地故障后都能提供一个幅值明显的故障电流信息， 而且方向由故障点流向中性点，与零序电压方向相反。非故障相线路的零序有功 电流增量都在毫安级，因此选线的判据可以定为：当发生单相接地故障后，有功 零序电流最大，且方向与零序电压相反的线路为故障线路。具体并联电阻值的选 择，本文结合第三章的内容进行分析。 华北电力大学硕士学位论文 第三章新型接地方式抑制弧光过电压的作用 电力系统中的电容、电感均为储能元件，当操作或故障使其工作状态发生 变化时，将有过渡过程产生。在过渡过程中，由于电源继续供给能量，而且存储 在电感中的磁能会在某一瞬间转变为以静电场能量的形式存储于系统的电容之 中，所以可产生数倍于电源电压的暂态过电压。配电网具有分布广、设备多、绝 缘水平低的特点，易因过电压造成绝缘事故。运行经验表明，配电网的过电压事 故约占整个电力系统过电压事故的7 0 一8 0 ，严重地威胁着安全供电【2 8 1 眇】。 间歇性电弧接地过电压( 弧光接地过电压) 是配电网中典型的操作过电压。 这种过电压幅值高、持续时间长，对设备绝缘和氧化锌避雷器的安全运行威胁较 大。目前，限制这种过电压的主要措施仍是电网中性点经消弧线圈接地。由于电 网运行方式的多交，如何正确调谐消弧线圈；如何降低电网不对称电压，降低消 弧线圈的脱谐度，提高动作成功率：以及如何限制因弧光接地过电压而导致相间 闪络等方面，都还在探讨之中。 3 1间歇性弧光过电压的产生 当电网发生单相接地时，接地电流，。会随着电网总长度的增加而增大，在 j 。为数安至数百安的范围内，都能产生电弧接地过电压。这是因为接地电流每 一次通过零点时，电弧都要有一个暂时性熄灭，当恢复电压超过恢复强度时又将 再一次发生对地击穿。当j 。为数百安培时，电弧暂时性熄灭约为工频半个周期， 伴随着每次的再度击穿，都会引起电网中电磁能的强烈振荡，使非故障相，系统 中性点甚至故障相产生过渡过程过电压。 由于产生间歇性电弧的具体情况不同，如电弧部位介质不同；外界气象条 件不同，实际的过电压发展过程是极为复杂的。因此，理论分析只不过是对这些 极其复杂并具有统计性的燃弧过程迸行理想化后作的解释。在实际电网发生间歇 性电弧接地时，熄弧和重燃过程是极复杂的。另外，尚应考虑线路相间电容的影 响、绝缘子串泄漏残留电荷的影响以及网络损耗电阻对过渡过程振荡的衰减作用 等。间歇性电弧接地过电压幅值并不太高，对于现代的中性点不接地电网中的正 常设备，因为它们具有较大的绝缘裕度，是能承受这种过电压的。但因这种过电 压持续时间长，过电压遍及全网，对电网中的一些绝缘弱点有较大的威胁，在一 定程度上影响电网的安全运行。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 3 2 消弧线圈对弧光过电压的作用 发生接地故障时，系统中能量的积累是产生严重弧光接地过电压的重要原 因，中性点电压反映了这种能量积累1 2 9 1 。由于电路的过电压可近似认为是由稳态 值和振荡幅值两部分组成，理论分析表明发生单相接地后的暂态过程，非故障相 的过电压是由稳态电压和故障相的恢复电压u h ( t ) 决定，故障相恢复电压可由公 式( 3 - 1 ) 得到，p ( f ) 为原故障相电源电压。 u ( f ) = e ( f ) + “。( f ) ( 3 1 ) 图3 1 为单相接地故障的等效电路图，3 c 为电网对地总电容；l 为消弧线圈 电感；r 为并联电阻，e 为故障点等 效电势。当单相接地电流过零时， 电弧熄灭，相当于图中断路器k 断 开，于是点2 的电位以编变化，其 变化规律也就是补偿网络中性点电 位的变化规律。设电源电压的最 大值为巩，随时间的变化可写 成： 图3 - 1单相接地故障的等效电路图 u o ( t ) = 一u e 一。c o s ( c 0 0 t + 咖 熄弧后，原故障相的电源电压为： p o ) = c o s ( c o t + c p ) 因此，故障相对地的恢复电压为： e ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 蚝( f ) = e ( t ) + u o ( t ) = 乩lc o s ( c o t + 9 , ) 一e - s t c o s ( c o o t + 矿) i ( 3 4 ) 上式中，j 为等值电路的衰减系数，大小为1 6 r c ；谚为在电流过零时的 相角，接近于零；为电源角频率，为电路自振角频率，一般补偿网络中的v 很小，所以： c o o = 脚1 - - v c o o - - v 2 ) ( 3 - 5 ) 对于一般的配电网络，线路对地总电容大小基本上在2 0 f 左右。在中性点 为消弧线圈接地方式时，如果是全补偿网络，y = 0 ，则故障相的恢复电压仅仅 由于泄露损耗作用使公式( 3 4 ) 衰减项减小，故障相对地电压才能恢复到相电 压。图3 - 2 所示为消弧线圈接地方式时，发生单相接地故障后的电压波形图。 1 9 - 一 tfui- 一 - 华北电力大学硕士学位论文 q 1 酽2 0 | 0 印1 如1 加1 印1 柚 o q 1 0 42 0 椰 6 0 叩1 2 01 柚 1 瑚。 图3 - 2 中性点经消弧线圈接地方式下电压波形 图3 - 2 中，为原故障相电源电压p o ) 的波形；为补偿网络中性点电压 的波形；为故障相的恢复电压蚝( f ) 的波形。从图中可以看出，消弧线圈和对 地电容形成的振荡电压在熄弧后恰好与故障相电源电压相位差了1 8 0 。，因而大大 抵消了电源电压的作用，从而降低了恢复电压的速率，有利于接地电孤的熄灭。 但是，由于零序残余电荷的衰减速度较慢，中性点电压下降速度也较慢，故障相 恢复电压有时会更大。所以，消弧线圈的存在，虽然可以降低恢复电压的上升速 度，减少弧光过电压出现的概率，但并不能从根本上抑制弧光过电压。 消弧线圈能补偿单相接地电流、减缓弧道恢复电压上升速度，促使接地电 弧自行熄灭。正确运用消弧线圈，可大大减小出现高嘱值间歇电弧接地过电压的 概率。但不能认为消弧线圈能消除间歇电弧接地过电压，在某些情况下，消弧线 圈的存在，甚至可使弧光接地过电压升高。因有消弧线圈的作用，熄弧后原弧道 恢复电压上升速度减慢，增长了去游离时间，有可能在恢复电压最大这一最不利 时刻才发生重燃，使过电压增大。 3 3 新型接地方式抑制过电压的研究 3 3 。1并联电阻对弧光过电压的抑制 所谓间歇性电弧系指接地电弧的熄灭并随之重燃的多次重复现象，每次熄 弧将伴随相对地电容上的电荷积累并产生较大的过电压。单相弧光接地过电压是 引起故障最多的一种过电压，占因内部过电压引起故障总数的3 4 - 8 0 ，且持续 时间长，作用于电网所有元件。 根据不同的去游离速度，接地电弧可能在几个高频周期之后熄灭，也可能 在工频电流过零时熄灭。对于电力系统间歇性电弧过电压的经典理论研究中有两 种假设： 2 0 华北电力大学硕士学位论文 假设电弧在高频振荡电流过零时熄灭，故障相电压达到最大时电弧重燃， 则电弧在每个工频半周熄灭一次重燃一次： 假设工频电流过零时电弧熄灭，在过半个工频周期电弧重新点燃，则过 电压每周期出现一次，在第二个周期时出现最大值。 若使电弧在点燃熄灭过程中积累的多余电荷，在从电弧熄灭到重燃前的一 段时间内通过中性点接地电阻r 得到释放，过电压就能降低。若不考虑消弧线圈 的补偿作用，按照中性点电阻接地方式进行分析： 线路电容向接地电阻r 放电时遵循e 4 的放电规律，6 = 1 t 。按第一种假 设，电弧在每个工频半周熄灭一次重燃一次，? 为衰减时间常数，t = 3 c r 。若 按阻性电流，。与电容电流相等设计，则r = 1 3 a , c ，t = 1 m = l 2 x f 。当t 为 半个工频周期，er = e - z = o 0 4 3 。可见，半个周期内，积累电荷已基本泄漏完， 只要并联电阻值不大于系统对地容抗大小，就可以有效地抑制弧光接地过电压。 以上只是电阻接地方式时，接地电阻对弧光过电压的抑制效果。对于本文 提出的柔性接地方式，必须考虑消弧线圈的补偿作用。假设系统消弧线圈处于完 全补偿状态，既m = 1 3 0 , , c 时，线路电容向并联电阻r 放电时的衰减时间常数 t = 6