（通信与信息系统专业论文）配电网单相接地故障定位脉冲法的研究与实现.pdf

， l习 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配电网单相接地故障定位脉冲法的研 究与实现，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果，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：垄盥垒e t期：塑坦：兰：竺 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：逊 e t期：竺丝：兰丝 导师签名：烈狲 e t期：塑鱼：兰：丝 l 4门州噌，鼍1，矗i 一11 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文提出了一种基于脉冲信号注入法的配电网单相接地故障定位方法。该方法 不受系统运行方式、拓扑结构、中性点接地方式以及故障随机因素等影响，且信号 注入点选择灵活，脉冲宽度、周期可调。利用探测器在线路主要分支处检测就可以 确定故障分支，在故障分支用二分法继续检测即可快速定位故障点。设备简单，便 于现场人员操作，提高了定位效率。文章给出了脉冲信号源的软、硬件设计方案， 采用c 8 0 5 1 f 3 1 0 单片机实现高压脉冲信号发生器，并基于电磁感应原理设计了信号 探测器。经过理论分析及实验室模拟实验，证明了该方法的正确性，也说明该方法在配 电网单相接地故障定位中是实际可行的。 关键词：配电网，故障定位，单相接地，脉冲信号注入法 a b s t r a c t am e t h o do ff a u l tl o c a t i o nb a s e do np u l s es i g n a li n je c t i o nh a sb e e np r o m o t e di nt h i s p a p e r , w h i c hi sn o to n l yi n d e p e n d e n to ft h ef o l l o w i n gf a c t o r s ，s u c ha ss y s t e mo p e r a t i n g m o d e ，t o p o l o g y , n e u t r a lg r o u n d i n ga n dr a n d o mf a u l t ，b u ta l s ot h es i t eo fs i g n a li n j e c t i o n ， t h ew i d t ha n dp e r i o do f p u l s ea r ef l e x i b l ea n da d j u s t a b l e t h ef a u l tb r a n c hi sd e t e r m i n e d v i ad e t e c t i n gi ne a c hb r a n c hw i t hd e t e c t o r , o nt h eb a s i so fd i f f e r e n ta l a r mi n d i c a t o rw h i c h b r a n c hi si nt h ef a u l tp a t ha n dt h ef a u l tp o i n td i r e c t i o na r ek n o w n , d e t e c t i n ga l o n gt h e f a u l tp a t ht h ef a u l tp o i n ti sl o c a t e dv e r yq u i c k l yw i t hd i c h o t o m y t h i sm e t h o di se a s yf o r o p e r a t i o n ，t h ef a u l tl o c a t i o nt i m ew i l lb es h o f t e n e da n dt h ef a u l tl o c a t i o ne f f i c i e n c y e n h a n c e d i nt h i sp a p e rt h ed e s i g ns c h e m eo fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ef o rs i g n a ls o u r c ei s p r o p o s e d ，h i g h p r e s s u r ep u l s eg e n e r a t o ri sc a r r i e do u tb ya d o p t i n gc 8 0 5 1f 310m c u ， a n ds i g n a ld e t e c t o ri sd e s i g n e db a s e do nt h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n t h r o u g ht e c h n o l o g i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t so na n a l o gl i n e si n l a bv 撕f yt h e c o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e dl o c a t i o nm e t h o d z h a oj i n y i n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f q iy u l i n k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ，f a u l tl o c a t i o n ，s i n g l e - p h a s eg r o u n d i n g ，p u l s e s i g n a li n je c t i o nm e t h o d 【， j 1 1 j 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言：1 1 1 选题背景及研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国内的研究现状2 1 2 2 国外的研究现状3 1 3 论文的研究内容3 1 4 论文的章节安排，4 第二章配电网单相接地故障特点及脉冲信号注入法的原理5 2 1 中性点非有效接地系统单相接地故障特点5 2 1 1 中性点不接地系统单相接地故障特点5 2 1 2 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障特点7 2 2 分布电容对脉冲信号注入法的影响一9 2 3 脉冲信号注入法基本原理9 2 4 本章小结1 1 第三章脉冲信号注入法的仿真分析。1 2 3 1 a t p 仿真软件介绍1 2 3 2 脉冲故障定位法仿真1 3 3 2 1 信号源的仿真测试1 3 3 2 2 无分支线路故障时仿真1 4 3 2 2 1 故障点直接接地情况仿真1 4 3 2 2 2 故障点经电阻接地情况仿真1 5 3 2 3 带分支线路故障时仿真1 6 3 2 3 1 带分支线路故障点直接接地情况仿真1 6 3 2 3 2 带分支线路故障点经电阻接地情况仿真1 7 3 3 本章小结1 7 第四章脉冲信号源的设计与实现1 8 4 1 高压脉冲信号源系统的总体设计1 8 4 2 信号幅值、脉宽的选择1 8 4 3 信号源硬件设计1 9 4 3 1 i g b t 简介及驱动电路设计1 9 w h 华北电力大学硕士学位论文目录 4 3 2 显示部分设计2 2 4 3 3 器件的电源供电电路设计2 2 4 4 单片机的选择与信号源的软件设计2 3 4 4 1 c 8 0 5 1 f 3 1 0 芯片简介2 3 4 4 2 编程语言及开发工具2 5 4 4 3 定时器软件设计2 5 4 4 4 液晶显示软件设计2 8 4 5 本章小结3 l 第五章脉冲信号探测器的设计与实现3 2 5 1 检测原理，3 2 5 2 线圈骨架磁性材料的选择及制作，3 3 5 3 检测电路总体设计：3 5 5 4 检测电路硬件设计与实现，。3 5 5 4 1 放大电路3 5 5 4 2 精密整流电路3 6 5 4 3 报警指示电路及供电电路，3 7 5 4 4 探测器外形设计3 8 5 5 检测电路软件设计与实现3 9 5 6 本章小结：4 0 第六章结论4 1 参考文献4 2 致谢4 5 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 6 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及研究意义 第一章 引言 随着社会经济的快速发展，用户对供电的可靠性要求越来越高，电力系统的安 全、稳定、可靠、经济运行，尤其是电网的安全可靠供电不仅直接关系着工农业生 产乃至国民经济的各个部门，而且影响着广大人民群众的日常生活。配电系统是利 用最适当的电压等级将电能传送给最终客户端，其直接与客户相连接的位置决定了 其在电力市场中的重要作用n ，。 我国电力系统中性点接地方式有两种，即中性点有效接地方式和中性点非有效 接地方式。中性点有效接地方式就是指大电流接地方式，中性点非有效接地方式是 指小电流接地方式。1 1 0 k v 以上电网采用中性点直接接地方式，在这种系统中由于 发生单相接地故障时，短路电流很大，故称为大电流接地系统。6 - - 6 6 k v 配电网采用 中性点不直接接地方式，在这种系统中由于发生单相接地故障时短路电流很小，故称为 小电流接地系统。我国的配电网普遍采用小电流接地方式，包括中性点不接地、中性 点经高阻接地、中性点经消弧线圈接地等乜】。 单相接地故障是小电流接地系统中发生几率最高的一种故障，可占总故障的 8 0 ，这时供电仍能保证线电压的对称性，且故障电流很小，允许系统继续运行1 2 h 。 然而，随着系统容量的增加，馈线增多，导致系统电容电流增大，长时间运行容易使故 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 系统安全运行口，。因此，当配电网发生故障时，应快速准确定位和隔离故障区段，尽量 减小停电面积和缩短停电时间，以减小对用户供电的可靠性的影响。由此可见，配电 网故障定位是配电网故障隔离、故障排除和供电恢复的前提和基础，它对于提高配 电网运行效率，改善供电质量、减少停电面积和缩短停电时间都具有重要意义。 当小电流接地系统发生单相接地故障时，接地电流仅为系统分布电容电流或经 消弧线圈补偿后的残余电流，接地电流比较小，故障信息弱，不利于故障检测，给故 障点的查找带来了非常大的工作量。传统上一般都采用逐线拉路的办法选出故障线 路，再由人工沿线寻找故障点，此方法找出具体故障的位置非常困难，需要花费大 量的时间、人力和物力，难以适应当前的需求。故障定位一直是一个公认的难题，几 十年来人们不断研究小电流接地系统单相接地故障定位原理，已经取得了很多成果，积 累了许多经验，目前的故障定位方法有阻抗法、行波法、信号注入法和户外故障点 探测法等，这几种定位方法除信号注入法外，其余检测方法均依赖于发生故障前后 配电网参数的变化，由于配电网拓扑结构的复杂性，运行方式的多变性，在实际的 华北电力大学硕士学位论文 实施中是比较困难的。实践中，应用较为广泛的主要是信号注入的原理，s 注入法 的注入信号的强度受p t 容量限制，接地电阻较大时线路上分布电容会对注入的信 号分流，信号频率较高，给选线和定位带来干扰。而本文所研究的脉冲信号注入法， 信号注入地点的选择比较灵活可以随时变化，且脉冲周期由单片机控制可调，注入 频率低h 1 ，探测器简单易操作。因此，开展对脉冲信号注入方法的配电网单相接地 故障定位的研究具有较高的学术意义和实际工程价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内的研究现状 国内，对于小电流接地系统故障定位的研究也大多集中在单相接地故障定位方面的 研究。故障定位方法主要可以概括为三类哺1 ： ( 1 ) 在线路端点处以测量故障距离为目的的故障测距法。故障测距法主要有 阻抗法、行波法。阻抗法的故障测距原理是假定线路为均匀传输线，在不同故障类 型条件下计算出的故障回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比，从而通过 计算故障时测量点的阻抗或电抗值除以线路的单位阻抗或电抗值得到测量点到故 障点的距离，阻抗法虽然投资少，但受线路负荷、电源参数和路径阻抗的影响较大 拍h 刀。目前常用的c 行波法是在故障发生后由装置发射高压高频或直流脉冲信号，根 据高频脉冲从装置至故障点往返时间进行定位阳】【们。 ( 2 ) 故障发生后通过向系统注入信号实现寻迹的信号注入法。信号注入法有s 信号注入法、脉冲信号注入法、加信传递函数法、端口故障诊断法。“s 注入法 是山东大学电力工程学院桑在中教授于1 9 9 3 年提出的一种用于小电流接地系统单 相接地故障选线定位的新原理。根据该原理研制出的t y 型接地选线装置已经大量运 行于国内电力系统。s 注入法是利用故障时暂时闲置的电压互感器注入交流信号电 流，通过检测故障线路中注入信号的路径和特征来实现故障测距和定位0 1 2 1 。信号 注入法在接地过渡电阻较小的情况下有较高的定位精度，当接地过渡电阻大于l k q 时，该方法不再十分有效，达到1 0 k q 时就完全失效，可见s 信号注入法只是在一定 范围内有效。脉冲信号注入法的原理是向故障相注入高压脉冲，电压最高可达1 5 k v ， 脉冲周期为几秒，然后用手持脉冲信号检测器沿线路检测该脉冲信号；加信传递函 数法是从线路首段施加方波信号，根据各分支端口传递函数频谱的频率、相位和波 形特征实现单相接地故障定位，由于其取地模网络作为信息依据，不能解决只存在 线模分量的相间短路问题，该方法在理论上可行，但在实际应用方面还有不少困难 和限制，还没有得到应用推广。端口故障诊断法是利用单相接地后的故障电压和电 流的特点，从端口方程出发，以比较传输网可测端口故障前后测试信号的变化量为 2 华北电力大学硕士学位论文 依据，实现定位故障分支，该方法的优点是故障诊断后工作量小，适于大型网络的 故障诊断，不足之处是分支上的故障点位置只能归结为分支与主支的连接点，无法 确定确切的故障距离，并且采用线路两侧信息，需要数据通信，实时性不强。 ( 3 ) 利用户外故障探测器检测故障点前后信息的不同以确定故障区段和故障点的 户外故障点探测法。通过检测零序电流的幅值或测量空间电场和磁场的5 次谐波并分析 其幅值和相位关系来实现单相接地故障定位。故障指示器最早是应用于寻找短路故障 分支和短路故障点。随后小电流接地电网单相接地故障选线也应用了故障指示器， 称为接地故障指示器。接地故障指示器和短路故障指示器在我国中压配电网都有所 应用1 1 3 1 1 4 。故障指示器的优点是结构和原理简单，安装容易，价格便宜，用户普遍 反映短路故障指示器的实用效果还是比较好的，而接地故障指示器的使用效果则不 很理想，正确率不高。可见，接地故障指示器技术尚不能圆满解决配电网故障定位 问题。 1 2 2 国外的研究现状 国外，日本的小电流接地系统主要采用高阻接地和不接地方式，但高阻接地方式居 多。其选线原理较为简单，不接地系统主要采用基波无功功率方向原理，电阻接地系统 则采用零序过电流保护瞬间切除故障线路。近年来，日本在如何获取零序电流信号以及 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n 钉。脉冲信号注 入法也是日本采用的故障定位技术，现已达到实用化水平。前苏联的小电流接地系统采 用中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式，主要采用零序功率方向和首半波原理进行 接地故障检测，近年来群体比幅比相原理也有应用。美国、英国的电网中性点以直接接 地和小电阻接地方式为主，利用零序过电流保护瞬间切除故障线路。但是，故障跳闸仅 用于中性点经低阻接地系统，对高阻接地系统仅有报警功能。法国过去以低电阻接地方 式居多，采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，故已开始采用自动调谐的消弧线圈以补偿电容电流。为解决此系统的接 地选线问题，提出了利用p r o n y 方法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) ，以区分故障与非故障线路的保护方案，同时开发出了高新技术产品零序 导纳接地保护n 6 】 】。 1 3 论文的研究内容 配电网的结构复杂、分布面积庞大、总体长度长、故障频繁，尤其是单相接地 故障，发生概率最大，因此针对配电网的自身特点研究单相接地故障定位问题很 有必要。本论文在对国内外应用的单相接地故障定位方法分析的基础上，总结了各 方法的优缺点及适用情况，提出了脉冲信号注入法，研究的内容主要包括以下几方 3 华北电力大学硕士学位论文 面： ( 1 ) 阐述了脉冲信号注入定位法的原理及特点，确定了整个定位系统的组 成，并分别介绍了系统各个部分的功能。 ( 2 ) 利用仿真软件a t p 对该方法的可行性进行了仿真分析。 ( 3 ) 针对配电网单相接地故障的特点，设计并实现了更加灵活的脉冲信号 源。 ( 4 ) 针对脉冲信号源，设计了探测装置的软件部分和硬件部分。 1 4 论文的章节安排 本文分为六章，组织结构具体如下： 第一章是引言部分。主要介绍了本课题的选题背景和研究意义、配电网单相接 地故障定位的研究现状。 第二章首先针对配电网不同的接地方式介绍了中性点非有效接地系统单相接 地的故障特点，并说明了分布电容对脉冲信号注入法的影响；然后介绍了脉冲信号 注入法的原理及定位过程，最后总结了这种移动式定位方法的优势。 第三章主要是针对脉冲故障定位方法，对各种单相接地故障情况进行了仿真。 介绍了a t p 仿真软件并用该软件建立了各种单相接地故障的仿真模型，通过仿真结 果证明了方法的可行性。 第四章主要是对脉冲信号注入法的信号源的设计进行详细介绍。在对整体设计 方案有了一定了解的基础上，首先介绍了硬件电路的设计，并对其主要的控制电路、 显示电路和供电电路进行了重点介绍。接着介绍了软件设计部分，引入c 8 0 5 1 f 3 1 0 单片机实现控制功能，并给出了实现脉冲信号控制的中断、定时等主要程序。最后 介绍了实现l c m 0 4 6 液晶模块显示的主要程序。 第五章是脉冲信号探测器的设计与实现。首先基于电磁感应的原理设计了探测 器实现感应信号的探测头部分，其中包括通过实验数据决定骨架材料的选用，及具 体制作过程。接下来针对于感应输出信号的特点设计了信号的检测电路。最后，对 探测器的外形设计、软件部分设计进行了详细介绍。 第六章为结论部分，对课题所完成的工作进行总结。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章配电网单相接地故障特点及脉冲信号注入法的原理 电能是社会生产和人民生活中的主要能源之一，它的供应情况直接影响国民经 济的增长速度，保证电力系统供电的可靠性意义尤为重大。供电中断将使生产停顿、 生活混乱，甚至危及人身和设备安全，给国民经济造成的损失远远超过电力系统本 身的损失。因此，电力系统运行首先要满足发电和供电的要求。要想更有效、合理 的解决配电网发生几率最高的单相接地故障，首先要对发生故障后线路的特点有透 彻的了解，本章将对不同接地方式下发生单相接地故障的特点进行分析。 2 1 中性点非有效接地系统单相接地故障特点 电力系统的中性点是指发电机和星形接线变压器的中性点。它的接地方式是 一个涉及短路电流大小、绝缘水平、供电可靠性、接地保护方式、对通信的干扰、 系统接线方式等很多方面的问题。中性点非有效接地方式是指小电流接地系统。小 电流接地系统的特点主要有以下几个方面口1 ： ( 1 ) 由于非有效接地，当系统发生单相短路接地时，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。 ( 此系统对缩短用户停电时间、提高供电可靠性非常有意义。 ( 3 ) 。当系统带故障运行时，非故障相对地电压上升很高，容易引发各种过电 压，严重危及到系统的绝缘，甚至会发展成单相永久接地故障或两相故障。 2 1 1 中性点不接地系统单相接地故障特点 中性点不接地方式，即中性点对地绝缘，它的实现很简单，只要在电源中性点 处不附加任何装置，结构简单，运行方便投资省，适用于农村i o k v 架空线路长的 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，流过故 障点的电流仅为电网对地电容电流，其值很小，需要装设绝缘监察装置，以便能及 时发现故障，迅速处理故障，避免故障发展为两相短路，而造成停电事故。若是瞬 时故障，一般能自动消弧，非故障相电压不大，不会破坏系统对称性，可带故障连 续供电2 小时，从而获得排除故障时间，相对的提高了供电可靠性，下面具体分析 故障情况。 中性点不接地系统正常运行时，各相对地电压是对称的，中性点对地电压为零， 各相对地电容电流的相量和为零，所以对地电流为零。当发生单相接地故障后，三 相电路的对称性被破坏，非接地相的对地电压确升高为相电压的3 倍，故障点就出 现明显的不对称，假设当a 相发生单相接地故障，其示意图如图2 一l 所示： 5 一一 堡j ! 皇垄奎堂堡主兰垡笙塞 一一一 - _ - _ _ _ - - _ - _ _ _ - - _ - _ - _ _ _ - - _ _ 。一一 图2 - 1 中性点不接地系统单相接地故障示意图 线 路 l 线 路 2 a 相对地电压变为零，其对地电容被短接，假设发生金属性接地故障( 即l l f = 0 ) ， 首先考虑故障线路2 ，可以得出 a 相电压： 痧a f = 0 ( 2 1 ) b 相电压： b i f f s 云b 一童窖；壹 矿j l ，o c 相电压： 6 a = 云c 一云a = ；云a e j i 鲥 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 零序电压2 6 。= ( 痧盯+ 6 盱+ 6 c f ) = 孚壶 ( 扩玎一鲥) = 一云a 伢4 ) 各相电容电流和故障线路流过接地点的电流为 ；：6：压。-jeob2 s v y 国c 2 e 颤o c 2 e - ( 2 5 ) j= u = 3 k 二一o ， ；c 2 篁。耐们2 。一-j120u4 3 e x 0 ) c 2 e - 。 ( 2 6 ) ，c 2 篁可以2 = l z o ， = 。= ；啦+ ；c 2 = 一。, - j 6 0 + 以；-jx20ivz-i,a4 3 e a 6 0 c 2 e e a o ) c 2 e 。= q 广3 e 二 6 0 c 一2 e 一- j 。 = = ，b 2 + ，q = + 3 2 。 ( 2 - 7 ) 当系统有l 到n 条出线时，流过故障点的电流i e 为： j f = 3 云柚e 缈( c i + c 2 + + c n ) = 3 6 唧( c i + g + + q ) ( 2 8 ) 其中，历为线路1 ，2 ，对地电容，为出线条数。由( 2 8 ) 式可知，接地电流i f 6 华北电力大学硕士学位论文 超前零序电压u 0 9 0 。，其方向由线路流向母线。故障电流是正常电容电流的3 倍， 零序电压由零上升为正常时的相电压。 正常线路1 的零序电流 j 。，：昙怫+ 训：6 嵋e j 9 0 ( 2 州 故障线路2 的零序电流 j = ：言l ，b 2 + j c 2 一j f j 2 u 。e 蚶? _ c ：二- c r 2 一：。c i n ( 2 1 。) = - u o c o e j 蚶( q + c 3 + + c n ) = 一li o , + 1 0 3 + i o nl 由此可见，健全线路中的零序电流为线路1 本身的电容电流，电容性无功功率 的方向为由母线流向线路。故障线路中的零序电流，其数值等于全系统非故障元件 对地电容电流之总和( 但不包括线路本身) ，其容性无功功率的方向为由线路流向 母线，与健全线路正好相反。故障线路零序电流在相位上比零序电压滞后9 0 ，幅 值比正常线路大。 2 1 2 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障特点 电力系统中规定，在i o k v 电网接地电流大于3 0 a ，3 5 k v 电网接地电流大于i o a 时，中性点宜采用经消弧线圈接地。消弧线圈是一个可调的电抗器，连接在非有效 接地电网的中性点和大地之间，在系统发生单相接地故障时，利用消弧线圈的电感 电流对接地电容电流进行补偿，从而可以减小接地电流，使流过接地点的电流减小 到能自行熄弧范围，有利于故障电弧的消除，特点是按规程规定电网可带单相接地 故障运行2 小时。对于中压电网，因接地电流得到补偿，单相接地故障并不发展为 相间故障，因此中性点经消弧线圈接地方式的供电可靠性大大高于中性点经小电阻 接地方式。在各级电压网络中，当全系统的电容电流超过下列数值时，即应装设消 弧线圈：对3 6 k v 电网一3 0 a ；i o k v 电网一2 0 a ；2 2 6 6 k v 电网一1 0 a 。具体分析 电路特点，我们假设a 相发生单相接地故障，如图2 - 2 所示。 7 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 2 中性点不接地系统单相接地故障示意图 线 路 l 线 路 2 正常运行时，各电量特征与中性点不接地系统一样，各相对地电压是对称的， 中性点对地电压为零，电网中无零序电压。消弧线圈中无电流流过 发生单相接地故障时，破坏了三相电路的对称性，故障点就出现明显的不对称， 如故障相a 的对地电压变为零，而b 相和c 相的对地电压升高，对地电容电流增大， 但是由于故障线路中有电感电流流过，接地点f 的电流，f 为电感电流，l 和所有线路 电容电流脚，b 的总和。在中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障后，其非 故障线路接地电容电流及零序电压的特点与中性点不接地电流完全一样，不同之处 是故障线路中的电流包含经消弧线圈接地而产生的电感电流。 在系统有多条出线时，当发生金属性接地时，经消弧线圈的电流为 ， i l = u o j c o l = - e a 如三 ( 2 1 1 ) 故障电流为 赢i v = 3 e 刎o e m 一 ( c l + c 鸭2 + - - ，+ 一c 甜s ) + 沿 赢卜c - 时+ c n ) 一盍 q 。1 2 ) 8 华北电力大学硕士学位论文 2 2 分布电容对脉冲信号注入法的影响 脉冲信号注入法是需要在发生单相接地故障后向故障线路注入高压脉冲信号 的，向故障相注入的电流仅在故障相流动，由上小节分析的配电网中性点非有效接 地系统单相接地故障特点可知，故障相中注入信号的大小受故障相分布电容的影 响，尤其在发生高阻接地时对测量结果影响非常大，而脉冲信号的探测器的原理也 是要探测到故障线路中的电流，因而也会受到分布电容的影响。如何能减小导线分 布电容带来的影响，成功实现故障定位，可通过故障信号注入通路来考虑，如图2 3 所示： j 图2 - 3 注入信号通路示意图 c 图中r 为接地电阻，c 为故障相对地分布电容，i 为注入信号电流，i 扑为流入 故障相电流，i 。为流过分布电容的电流。当发生高阻接地时，分布电容阻抗和接地 过渡电阻值几乎为同一等级，注入信号电流一部分要经分布电容分流流向大地，这 样流过接地相的电流值就会减小，从而给故障定位带来一定的难度。由于电阻和电 容是并联的，如果增大分布电容阻抗z 。，那么流过接地电阻的电流值就会增大，由 z c = 1 j c = 1 j 2 7 r f c 可知，适当减小注入信号的频率，就可以增大分布电容阻抗， 减小电容分流，有利于故障探测n 引。 2 3 脉冲信号注入法基本原理 配电网的故障定位方法根据其发生故障后是否将故障线路退出运行分为两种 方法，一种是发生故障后继续对故障线路供电，在带电状态下进行故障定位操作， 称为在线定位方法，一种是本文所使用的离线故障定位方法，脉冲信号注入法就是 一种离线定位方法，是指发生故障后将故障线路退出运行，然后进行故障定位的方 法。使用该方法首先需要判断出故障相，故障定位时，将信号源输出的一端直接接 9 华北电力大学硕士学位论文 到变电站内或站外故障线路的故障相上，即向故障线路注入高压脉冲信号，另一端 接地。高压脉冲信号在信号加入点一配电线路一接地故障点一信号地之间形成回 路，如图2 4 所示，通过检测出该信号电流来判断、查找出接地故障点n 1 。利用信 号探测器检测线路关键节点下游各个分支的电流信号，根据探测器上的发光二极管 是否发光和蜂鸣器是否有响声来判断故障路径( 从信号注入点到故障点的路径) ，若 二极管发光且蜂鸣器有响声说明故障点在下游，沿故障路径继续检测，缩小故障范 围，直到逼近故障点。 点a点b 燃 图2 - 4 脉冲信号注入法示意图 具体的故障定位过程分两部分z ( 1 ) 定位故障分支。故障分支是指网络中发生故障的两节点之间的线路，如 图2 - 5 所示b c 段。 图2 - 5 故障位置描述图 0 点为信号注入点，在节点a 处，分别对a d 和a b 支路进行探测，结果是脉冲 信号探测器在a d 支路无响应，在a b 支路发生报警指示，由此说明a b 为故障支路， 故障点在下游。继续向前检测，在节点b 做同样的检测，发现故障支路在b c 且在 其下游。在c 点检测，其后的两支路都无报警指示，判断故障点在其上游。由在a 、 1 0 华北电力大学硕士学位论文 b 、c 三个节点的检测结果将故障分支定为b c 段。 ， ( 2 ) 定位故障点。确定故障分支以后，用二分法继续寻找故障点，二分查找 又称折半查找，它是一种效率较高的查找方法。手持探测器从b 点到c 点沿线检测， 每次只检测故障分支的中点，若探测器报警则说明故障点在下游，反之故障点在上 游，这样几次折半后找到故障点n 们。 脉冲信号注入法也是一种移动定位方法，优点是信号注入地点不受限制，可以 根据现场情况随时变化。移动式的定位方法在使用中越来越受到欢迎和重视，寻找 故障的变电工区在与其他工区协调中遇到问题，或者协调的工作量大而任务紧的情 况下，信号的注入点就必须选择在变电站的外部，在变电站外部使用脉冲信号注入 法就非常灵活，因此，该方法是一种实用的定位方法。 2 4 本章小结 一 本章首先针对配电网中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统的单相 接地故障特征进行了分析，然后介绍了导线分布电容对脉冲信号注入法的影响，这 两部分的介绍和分析为下面脉冲信号源及探测装置的设计研究提供了参考和依据， 最后结合图示介绍了脉冲信号注入法的基本原理及故障定位的过程。 华北电力大学硕士学位论文 第三章脉冲信号注入法的仿真分析 3 1a t p 仿真软件介绍【触2 2 目前，随着用户对供电质量要求的不断提高，电力系统的规模不断扩大，其运 行也随之愈加复杂，发生的故障越来越难以用传统的分析方法进行预测。另外，新 的电气研究也需要做各种试验，但从现有技术、供电的可靠性及设备的安全性等方 面综合考虑，直接在实际的电力系统中进行科学研究的可能性很小，因此，运用电 力系统仿真技术成为迫切的需要。电力系统仿真就是通过在数字计算机上建立适当 的数学模型来模拟电力系统物理过程的一种研究方法。由于实际电力网络拓扑系统 复杂，掌握模拟仿真计算软件就变得尤为重要，随着计算机技术的不断发展，电力 系统仿真软件已成为电力系统规划、调度、保护及故障研究的重要工具。 电力系统仿真软件主要有b p a 、e m t p 、p s c a d e m t d c 、n e t o m a c 和p s a s p 等，其 中，电磁暂态程序e m t p 在电力系统应用最为广泛，斛p - e m t p 程序是目前世界上 电磁暂态分析程序( e m t p ) 使用最为广泛的一个版本。 a t p ( t h ea l t e r n a t i v et r a n s i e n t sp r o g r a m ) 是e m t p 的免费独立版本，是目前 世界上用于分析电磁暂态的各种程序中使用最广泛的一个版本，a t p 可以用于仿真 任何结构的复杂网络和控制系统。除了暂态计算，a t p 还具有强大的建模能力和各 种重要的附加特征。 e m t p ( 电磁暂态分析软件) 具有分析功能多、元件模型全和运算结果精确等优 点，对于电网的稳态和暂态都可做仿真分析，e m t p 程序的基本功能是进行电力系统 仿真计算，典型应用是预测电力系统在某个扰动( 如开关投切或故障) 之后感兴趣的 变量随时间变化的规律 电力系统包含有电机、变压器、输电线路、电缆、断路器、电抗器、电容器组、 逆变器组、互感器、避雷器等设备，它们在结构、功能和特性上千差万别，但从电 路的角度来讲，除电源外，总可以用r 、l 、c 来表征它们的这些功能和特征。如果 该系统处于稳定状态下运行，那么，设备上的电压和电流的关系是确定的，表示某 一设备的特性也将是确定的。但当系统发生能量分配状态改变时，即从一种能量分 配状态过渡到另一种能量分配状态，我们说发生了暂态过程一电磁暂态。在电磁暂 态过程中，由于储能元件l 、c 的存在，电压、电流在传输线上的传播，使得某些 设备上出现高电压或大电流( 即过电压或过电流) ，从而给电力系统的电气设备带来 危害。 目前，a t p e m t p 的数学模型包括如下几种： 1 2 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 集总参数电阻r 、电感l 和电容c ； ( 2 ) 多相p i 等值电路； ( 3 ) 多相分布参数输电线路； ( 4 ) 非线性电阻； ( 5 ) 非线性电感器( 既可模拟常规的单值特性曲线，也可包括剩磁和磁滞) ： ( 6 ) 时变电阻( 可模拟各种类型的电弧) ； ( 7 ) 具有各种类型的开关( 时控，气控等) ，可用来模拟断路器、火花间隙及 其它网络联接的改变，二极管和晶闸管也包括在内； ( 8 ) 电压和电流源。除了标准的数学函数( 正弦脉冲阶、跃斜角等十多种函数) 波形外，用户可用f o r t r a n 或t a c s 来定义波形，也可以通过逐点给出随时间变化 的函数，来确定电源； ( 9 ) 动态旋转电机。除了模拟最常用的三相同步电机外，还可模拟单相、二 相和三相感应电机和直流电机。它与t a c s 控制系统模型相联接，便可模拟电压调 节器和调速器等的动态特性； ( 1 0 ) 控制系统可以用t a c s ( t r a n s i e n ta n a l y s i so fc o n t r o ls y s t e m s ) 来实 现，允许不同种类的非线性和逻辑运算。控制系统的输入和输出可以和e m t p 的电 网络相接口。 3 2 脉渖故障定位法仿真 ! 利用a t p 仿真软件，模拟线路的各种单相接地故障情况搭建仿真模型，然后利 用a t p 提供的“电压测量仪 、“电流测量仪 元件检测故障点前后的电压、电流变 化情况，其目的是为了验证脉冲信号注入法的基本原理及其可行性。 3 2 1 信号源的仿真测试 首先以简单的单相线路为例建立模型。如图3 - 1 所示： d p & h 圈屯卧母 图3 - 1 仿真模型 测量仪右边的线路每段长度为6 k m ，线路总长度为2 4 k m 。脉冲信号注入法是离 线定位方法，由于在本文硬件设计部分的脉冲信号源幅值为i o k v ，脉宽为几微秒可 调，所以在本节仿真模型中的电源为高压脉冲信号源，电压为i o k v ，脉宽取1 微秒。 仿真时间设置为2 0 0 s ，仿真步长设置为1 1 0 - 9 s 心引。脉冲信号源波形如图3 2 所 示： 1 3 华北电力大学硕士学位论文 ( f b2 朋x - 憎t ) v g x o o o l 图3 - 2 注入脉冲信号源波形 3 2 2 无分支线路故障时仿真 为了更好的反映实际情况验证脉冲信号注入法的基本原理，本节将模拟故障 接地情况进行仿真，比较故障点前后波形的变化情况。仿真时在线路的中间设置故 障接地情况，线路的始端注入高压脉冲信号，并在接地点前后设置电流测量仪以检 测故障点前后电流的变化情况在发生单相接地故障以后，在信号注入点，配电线 路，接地故障点之间形成回路，所以故障点前探测到的信号电流很强。而故障点后 的线路几乎没有电流流过或者是流过的电流相对来说很小，下面将分对故障点直接 接地和故障点经电阻接地两种情况讨论无分支线路的故障接地情况 3 2 2 1 故障点直接接地情况仿真 仿真设置线路总长度为2 4 k m ，发生金属性接地的故障点在线路中间1 2 k m 处， 如图3 - 3 所示 d 卜野田4 肿 图3 - 3 线路中间直接接地仿真模型 为了便于比较将仿真软件中的电流测量仪设置在接地故障点的前后，仿真后得 到的故障点前后电流波形如图3 - 4 所示： 1 4 华北电力大学硕士学位论文 图3 4 线路中间直接接地故障波形 图3 4 中左图为接地故障点前电流测量仪所测的波形，右图为故障点后波形， i 。 对比左右两图可以看出，在发生金属性接地的情况下，故障点前后电流变化明显， 故障点后的电流几乎为零。应用故障探测器进行探测时，在故障点前就会有报警指 示，故障点后无任何反应，以此为依据，沿线路寻找，逐渐缩小范围，直到定位故 障点。 3 2 2 2 故障点经电阻接地情况仿真 配电网发生单相接地故障大多数是要经过一定的电阻接地的，仿真中设置接地 电阻为1 0 0 欧姆，线路长度为2 4 k i n ，故障点在线路中间1 2 k m 处。其仿真模型如图 3 - 5 所示。 u h 图3 5 线路中间经电阻接地仿真模型 图3 - 6 线路中间经电阻接地故障波形 1 5 华北电力大学硕士学位论文 故障点经电阻接地会对故障点前后的电流产生一定的影响，而且随着接地阻值 的不同其影响程度也不同。选取其中一种情况进行说明，仿真结果如图3 - 6 所示。 比较分析线路中间经电阻接地故障波形图可以看出，故障点前的电流值很大， 而由于接地电阻的影响故障点后也是有微弱电流流过的，但是只要调整好信号源的 脉宽和周期，探测器装置还是能准确定位故障点的，在故障点前探测器的报警部分 会发生警告，在故障点后探测器无任何指示，利用二分法逐渐缩小范围，直到找到 故障点。 3 2 3 带分支线路故障时仿真 3 2 3 1 带分支线路故障点直接接地情况仿真 配电网中的很多线路距离长而且分支繁多，为了真实的再现单相故障接地情 况，如图3 7 所示，仿真模型中设置了一条主线路带一条分支的情况，分支是在主 线路的6 k i n 处，分支线路长1 2 k i n 。 u h 图3 - 7 带分支线路直接接地仿真模型 单相接地故障情况发生在分支线路的中间位置，接地故障类型为直接接地，电 流探测仪分别设置在接地故障点的前后，其波形如图3 - 8 所示。左图为故障前波形， 电流值很大，信号很强，若将故障探测器置于故障点前的部分会有报警指示。右图 为故障点后波形，电流值为零，探测器将无任何指示。故障点前后的信号变化情况 就是探测的依据，可见在有故障分支的线路该方法依然可行。 f 融m 州：x - v e t oc - 捌0 0 1 0 图3 - 8 带分支线路直接接地故障波形 1 6 华北电力大学硕士学位论文 3 2 3 2 带分支线路故障点经电阻接地情况仿真 在有分支线路的情况下，建立的故障情况仿真模型如图3 - 9 所示，其线路情况 与上一小节基本相同，只是直接接地改成了经电阻接地，接地电阻为1 0 0 欧，其故 障波形如图3 1 0 所示，比较左右两图可见故障点前后电流值变化很大，故障点后 只有微弱电流流过，并不会影响探测结果。 u h 图3 9 带分支线路经电阻接地仿真模型 3 3 本章小结 图3 - 1 0 带分支线路经电阻接地故障波形 本章首先对所用到的仿真软件a t p 进行了简要介绍，接着对于单相接地故障的 典型情况建立了仿真模型，并对故障波形进行了分析，结果表明本文所提出的脉冲 信号注入故障定位法是可行的。 1 7 华北电力大学硕