（电力系统及其自动化专业论文）基于小波分析的配电网故障选线的应用研究.pdf

广东工业大学工学硕士学位论文 题，具有重要的理论意义和一定的实用价值。 关键词：小波分析；小电流接地系统；单相接地故障；故障选线 a b s a c t a b s t r a c t n e u t r a lu n e f f e c t u a lg r o u n d e ds y s t e ma r ew i d e l yu s e di np o w e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r ki nc h i n a t h es i n g l ep h a s e t o g r o u n df a u l th a p p e n s m o s tf r e q u e n t l yi nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k d u et ot h es m a l lf a u l tc u r r e n t a n du n o b v i o u sf a u l tf e a t u r e sa f t e rs i n g l ep h a s e t o g r o u n df a u l t ，i te a s i l y l e a d st ot h e r o n gd e t e c t i o no ft h ef a u l tl i n e e s p e c i a l l yf o rt h ea r c s u p p r e s s i o nc o i1g r o u n d e ds y s t e m ， t h er e m n a n t s c u r r e n to ft h eg r o u n d e d p o i n to nf a u l t1 i n ei sv e r yt h i n ， a n dt h ep h a s ei ss o m e h o wc h a n g e d ， t h u s ， i t sm o r ed i f f i c u l tt od e t e c tt h ef a u l t1 i n ei np e t e r s o n c o i lg r o u n d e d s y s t e m t h ep r o b l e mo ff a u l tl i n ed e t e c t i o nh a sb e e ns t u d i e df o ry e a r si n o u rc o u n t r ya n da b r o a d ， h o w e v e r ，i ts t i l lh a sn o tb e e ns o l v e dp e r f e c t l y ， w h i c hh a ss e r i o u s l yb l o c k e dt h ed e v e l o p m e n to fr e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y a n da u t o a t i z a t i o nl e v e lo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k f i r s t l y ， t h es t a b l ea n dt r a n s i e n tf e a t u r e so fs i n g l ep h a s e t o g r o u n d f a u l ti nn e u t r a lu n e f f e c t u a lg r o u n d e ds y s t e ma r ed e e p l yr e s e a r c h e da n d a n a l y z e di nt h e o r y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e r ea r em a n yh i g h f r e q u e n c yc o m p o n e n tf e a t u r e si nt r a n s i e n tf a u l tc u r r e n t s i ft h e s ef a u l t f e a t u r e sc a nb ea n a l y z e da n de x t r a c t e d ，s ot h a tan o v e lf a u l tli n ed e t e c t i o n c r i t e r i o nc a nb ef o r m e d w a v e l e ta n a l v s i si sl o c a l i z e db o t hi nt i m ed o m a i n a n df r e q u e n c yd o m a i n ，a n dc a nc u ta n ys i g n a li n t od i f f e r e n tf r e q u e n c y c 0 1 p o n e n t s ，w h i c hm a k e si tas u i t e dt o o lf o ra n a l y z i n gu n s t e a d ys i g n a la n d t r a n s i e n ts i g n a l t h e o r i e sa n dc o n c e p t sa b o u tw a v e l e ta n a l y s i sa r e d e s c r i b e di nd e t a i l w h i c hd r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ee x t r a c t i o n o ff a u l tf e a t u r e s t h e n ，an e wm e t h o db a s e do nw a v e l e ta n a l y s i si sp r e s e n t e d a f t e rc o m b i n i n gw i t ht h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ee x i s t i n gf a u l t 1 i n ed e t e c t i o nm e t h o d s t h ef a u l tl i n ec a nb ed e t e c t e di nt e r m so ft h e f e a t u r e so ft h em a x i r a l m a g n i t u d ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gp o l a r i t yo f u i 三至三些查兰三兰竺圭兰堡丝兰 t r a n s i e r t tz e r o s e q u e n c ec u r r e n ti nf e a t u r es c a l e s i m u l t a n e o u s l y ，s 。m e p r o b l e m ss u c ha sh o wt os e l e c tw a v e l e tb a s i cf u n c t i o na n dd e t e r m i n et h e f e a t u r es c a l e se t c ，a r ed i s c u s s e di 兀t h i st h e s i s i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e mo fo v e r v 0 1 t e g ea n dt h ed i f f i c u l t yi nf a u l t d e t e c t i o nw h e nt h ep e r r r l a n e n tf a u l t h a p p e n s ， as c h e m et h a tt h ea r c s u p p r e s s i o nc o i lp a r a l l e l l e dw i t ham e d i u mr e s i s t a n c ei n s t a n t l yi sp u t f o r w a r d t h e n ， ai m p r o v e dm e t h o do ff a u l tli n ed e t e c ti o nf o rd e r m a n e n t f a u l ti nm a i n s ：w h e np e r m a n e n tf a u l th a p p e n d si nm a i n s ，t oc h o o s et h ef a u l t l i n ef i r s t l yb yt h ec r i t e r i o na b o v e ， t h e nt oc h o o s ei tp r i m a r i l yb yt h e e t h o do fd e t e c t i n gt h es e c o n db r e a kp o i n tw h e nt h em e d i u mr e s i s t a n c ei s l a u n c h e di n b yu s i n gt h i si m p r o v e dm e t h o d ，b o t ht h ea c c u r a c ya n d r e l i a b i l i t ya r ee n h a n c e d ， t h ev 0 1 t a g eo fn e u t r a l p o i n ti ss u p p r e s s e d e f f e c t i v e l y h e nt h eg r o u n d e df a u l th a p p e n s ， s ot h ep r o b a b i l i t yo f o v e r v o l t a g ei nt h es y s t e miss t r o n g l yd e p r e s s e d ，w h i c hc a no v e r c o m et h e l i 加i t a t i o no fs t e a d ya n d 。t h e rt r a n s i e n ta p p r o a c h e s t h i si st h ei n n o v a t i o n o ft h et h e s i s af r i o d e lo fa r cs u p p r e s s i o nc o i lg r o u n d e ds y s t e j i 】i sb u i l tc o m b i n i n gt h e a c t u a ld a t a si nt h es o f t w a r e o fm a t l a b 6 5 s i m u li n k ， a n dv a r i o u so f c i r c u m s t a n c e so f s i n 9 1 ep h a s e t o g r o u n d f a u l ta r es i 皿l l l a t e da n d e x p e r i m e n t e d l o t so fe x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t ， t h ep r o p o s e dm e t h o d i nt h i st h e s i sc a nd e t e c tt h ef a u l t1 i n eq u i c k l ya n da c c u r a t e l yb o t hi n i s 0 1 a t e dn e u t r a ls y s t e ma n da r cs u p p r e s s i o nc o i lg r o u n d e ds y s t e m ，w h i c h d 。e s n ti n f l u e n c e db yt r a n s i e n tr e s i s t a n c ea n dt h ei n i t i a ld h a s eo ff a u l t k e y r d s ：w a v e l e ta n a l y s i s ：n e u t r a lu n e f f e c t u a lg r o u n d e ds y s t e m ：s i n g l e p h a s e t o g r o u n df a u l t ：f a u l tl i n ed e t e c t i o n 第一章绪论 第一章绪论 小电流接地系统故障选线一直是人们关注和研究的焦点，快速、准确的故障 选线能保证电网供电的可靠性，提高供电质量。本章简要的总结了目前国内外故 障选线的研究状况，探讨了各种应用广泛的故障选线原理的利于弊，并提出了基 于小波分析的小电流接地系统故障选线的新方法。+ 1 1引言 在我国，1 1 0 k v 及以上电压等级的电网采用的是中性点直接接地方式，又叫 大电流接地系统；而在6 6 6 k v 的配电网中，广泛采用的是中性点非直接接地方 式，又叫小电流接地系统。小电流接地系统又可以分为：中性点不接地方式、中 性点经消弧线圈接地方式和中性点经电阻接地方式m 。 在配电网中，单相接地故障率最高，约占配电网故障的8 0 。由于故障点的 电流很小，且三相之间的线电压仍然保持对称，为了保持对负荷的连续供电，一 般情况下规程规定允许再继续运行1 2 小时。但是在单相接地后，非故障相的 对地电压升高了3 倍，就对电网的绝缘形成威胁，如果单相接地故障不能及时 的切除，则可能进一步扩大成两点接地或多点接地短路而形成相问短路，从而造 成大面积停电等事故。由于单相接地电流小，而且不同的小电流接地系统的情况 是多变的，这就使故障线路的检测变得困难，虽然经过多年的研究，但目前还没 有一种完善的选线方法，严重阻碍了配电网供电可靠性和自动化水平的提高。因 此，寻找更可靠的故障选线方法，对我国电力系统的稳定运行、配网自动化水平 的提高有着重要的意义。 1 2 国内外的研究状况 1 2 1 国外的研究状况 国外对接地故障选线的研究各不相同。前苏联的小电流接地系统采用中性点 + 本论文受广东省科技厅基金项目资助，项目编号0 4 0 0 9 4 广东工业大学工学硕士学位论文 不接地方式和经消弧线圈接地方式，保护原理主要有零序功率方向、首半波和群 体比幅原理m ”。日本的小电流接地系统中普遍采用不接地和电阻接地方式，所以 选线原理相对简单，采用功率方向继电器和零序过电流保护便可以瞬间切除故障 线路。近年来，在如何获取零序电流信号以及接地点分区段方面作了不少工作， 干b 用光导纤维研制的架空线和电缆零序互感器o z c t 试验获得成功n ，。美国由于历 史原因，电网中性点主要采用电阻接地方式，可以利用零序过电流保护瞬间切除 故障线路。德国早在2 0 世纪5 0 年代，就提出利用故障线路暂态零模电压与零模 电流初始极性相反的特点进行接地选线的方法，也就是首半波法n ，；而随着谐振 接地的广泛使用，逐渐采用反映故障开始暂态过程的单相接地保护原理，并研制 了便携式接地报警装置。法国和波兰就研制出零序导纳接地保护装置，并已在国 内推广应用”。此外，文献 8 中还提出了利用p r o n y 方法以提取故障暂态信号 中的信息( 如频率、幅值、相位等) ，以区分故障与非故障线路的保护方案，但还 未应用于具体装置。而挪威的一家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：加拿大一公司研制了采用 零序过流保护原理的微机式接地故障继电器，其软件算法部分利用了沃尔什函 数，以提高计算接地故障电流有效值的速度一，。在9 0 年代后，国外逐渐将人工神 经网络方法应用到电力系统中去n ”“，其中有不少文献是应用到单相接地故障保 护当中u 3 w “，有的文献提到了应用专家系统的方法“”1 。目前在国外较先进的选线 方法有d e s i r 选线法和d d a 选线法n ”，并取得了不错的选线效果。这两种方法均 需要精密的仪器对各馈线进行长期的检测才能选线，这对于国内的大多数变电站 来说是很困难的，因此这种方法在国内没有推广。 1 2 2 国内的研究状况 我国对故障选线的研究始于2 0 世纪5 0 年代，相继提出了多种选线原理，从 零序电流过流到无功方向保护方案，从基波方案发展到5 次谐波方案，从稳态分 量到暂态分量方案，从步进式继电器到群体比幅比相以及首半波方案，并研制出 相应的选线装置。根据选线判据利用的电气特征量，可以把选线方法分成三大类： 第一类是利用稳态分量的稳态分量法，包括零序电流比幅法、零序功率方向法、 群体比幅比相、零序导纳法、零序电流有功分量法、五次谐波分量法、负序电流 法、残余电流增量法等；第二类是利用暂态分量的暂态分量法，包括：首半波法、 第一章绪论 零序暂态电流法、能量法、p r o n y 算法等；第三类是其它的方法，包括：拉路法、 注入信号法、最大，( s i n 功法、人工智能法等。 1 稳态分量法 ( 1 ) 零序电流比幅法这是利用故障线路零序电流比非故障线路零序电流 大的特点来选择故障线路。通过比较同一母线上所有出线的零序电流，幅值最大 者为故障线路。我国早期的选线装置大多都是采用这种方法。但此原理在中性点 不接地系统中有效，在谐振接地系统中无效。 ( 2 ) 零序功率方向法在中性点不接地系统中，故障线路零序电流滞后零 序电压9 0 。，非故障线路零序电流超前零序电压9 0 。，也就是说故障线路和非 故障线路的零序电流相位上相差1 8 0 。，利用这一特点就可以选出接地线路m ，。 7 0 年代，上海继电器厂和许昌继电器厂等单位研制生产的z d 系列接地保护装置， 就是基于此方法来发出信号的。但此法在谐振接地系统中也无效。 ( 3 ) 群体比幅比相法此方法是多重判据，其原理是先进行零序电流幅值 比较，选出几个幅值较大的作为候选，再在此基础上进行相位比较，选出方向与 其他不同的，即为故障线路。文献 1 9 就是采用此法，先用“最大值”原理从线 路中选出三条及以上的零序电流，n 最大的线路，然后用“功率方向”原理从选出 的线路中查找零序电流，。滞后零序电压“的线路，从而选出故障线路。而文献 2 0 更在此法的基础上提出了m l n 系列微机选线装置。 ( 4 ) 零序导纳法单相接地故障时，非故障线路的零序测量导纳等于线路 自身导纳，而故障线路零序测量导纳等于电源零序导纳与非故障线路零序导纳之 和的负数“。因此，接地保护是通过区分馈线本身非故障时和故障时的测量导纳， 然后选出接地线路。由我国山西晋能北洋高新技术开发公司研制的r s l 数字线路 保护装置，就是基于零序导纳法的选线装置，并且吸收了同类机型的优点w 。 ( 5 ) 零序电流有功分量法消弧线圈接地系统中，消弧线圈上一般并联或 串联一个阻尼电阻。在系统发生接地故障时，电阻产生的有功分量只流过故障线 路，且其方向与非故障线路的零序有功漏电流方向相反，在数值上故障线路的有 功电流比非故障线路的有功电流大m ，。因此，可以线路上零序电流有功分量的大 小作为保护判据。 ( 6 ) 五次谐波分量法系统发生单相接地故障时，存在故障电流中的谐波 信号以五次谐波为主。由于消弧线圈是按照基波整定的，因此可忽略消弧线圈对 广东工业大学工学硕士学位论文 五次谐波产生的补偿效果，而且零序电流五次谐波分量在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。因此可以通过比较故障电流 五次谐波分量的方向或者幅值，就可以解决经消弧线圈接地系统的选线问题m ，。 我国于上个世纪5 0 年代末期就根据此原理成功研制出相应的接地保护装置和接 地选线定位装置；华北电力学院研制的m l 9 8 型选线装置也是其中的一种。但实际 中，故障电流中五次谐波含量较小( 小于故障电流1 0 ) ，且受t a 不平衡电流和过 渡电阻的影响，选线的准确度不是很稳定。 ( 7 ) 负序电流法当小电流系统发生单相接地故障时，基波负序电流分量 与中性点接地方式无关，故障线路基波负序电流分量的有效值，与所有非故障线 路者相比，前者不仅数值最大，而且比后者高出许多，同时故障与非故障线路的 负序电流分量的相位相反，据此可构成选线判据。但负序信号获取困难且易受负 荷变化的影响m 。 ( 8 ) 残流增量法小电流系统发生单相永久接地故障的情况下，若增大消 弧线圈的失谐度，只有有故障点的残余电流，也即故障线路的零序电流会随之增 大。通过比较失谐度变更前后各条馈线的零序电流，找出残余电流变化馈线，便 可确定发生接地故障线路。此方法原理简单，摆脱了t a 等测量误差的影响，灵 敏度和可靠性高，可作用于指示信号，也可动作于线路跳闸。与调容式自动消弧 线圈构成的微机接地保护成套装置已在南通、珠海、深圳和华北等地中压电网运 行”1 。 2 暂态分量法 ( 1 ) 首半波原理此原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间的 假设。它利用故障线路中故障后暂态零序电流第一个周期的首半波与非故障线路 相反的特点实现选线m ，。但如果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，以及过渡电阻的影响，易引起误判。 ( 2 ) 零序暂态电流法m 一，对于放射形结构的电网，暂态零序电流与零序电 压的首半波之间存在着固定的相位关系。在故障线路上两者的极性相反，而在非 故障线路上，则两者的极性相同，由此可以检出故障线路。经过渡电阻接地，谐 波污染，弧光引起的多过渡过程此法均适用，但在电压过零短路时，暂态过程不 明显，此法不适用。要说明的是，此法在环网结构中的选择性问题还有待进一步 研究。 4 第一章绪论 ( 3 ) 能量法此法利用单相接地故障后线路的零序电压和零序电流构成能 量函数：s 。( f ) = ( f ) i 。( f f ( 户1 ，2 ，一，而。由于非故障线路的能量函数总是 大于零，消弧线圈的能量函数与非故障线路极性相同，故障线路的能量函数总是小 于零，并且其绝对值等于其他线路( 包括消弧线圈) 能量函数的总和的特征，因此根 据能量函数的方向和大小便可判别出故障线路。“。文献 3 2 据此原理设计出以d s p 为核心的硬件平台，在消弧线圈系统的选线达到一定的效果。 ( 4 ) p r o n y 算法p r o n y 算法对于接地故障电流的分析具有很高的准确性， 它是一种用指数项拟合模型很有效的频谱分析方法。小电流接地系统发生接地故 障时，故障电流暂态分量的频率、幅值、阻尼和相位等参数与故障特性有清晰的 相关性，利用p r o n y 算法分析高频分量的频率和直流分量的阻尼来实现的故障定 位方法是有效和准确的。1 。此算法的计算量较大，需要性能较好的微机。 3 其它方法 ( 1 ) 拉路法 拉路法即传统的手动顺序拉闸的无选择性绝缘监视方法。当本 电网发生单相接地故障时，继电保护装置发出报警信号，此时断路器不跳闸。要 想发现故障是在哪一条线路上，还需要由值班人员依次短时断开每条线路，并继 之以自动重合闸将断开线路投入。若当断开某条线路时，报警信号消失，则表明 该线路即为故障线路。该方法的缺点是故障后需短时停电才能确定故障线路，影 响供电的电可靠性。 ( 2 ) 注入信号法注入信号法有两种，一种是“s 注入法”m ，一种是注入 变频信号法”。“s 注入法”是借助电压互感器空闲状态的接地相，向电力系统注 入一个特殊波形的电流信号，利用寻迹原理，被注入信号仅在故障线路的故障相 中流通，非故障线路中没有信号，故只要检测各线路中有无注入信号电流，便可 进行故障选线。根据上述原理研制出的装置有t y 系列接地保护装置。但经高阻接 地时，发信机工作可能不满足要求而产生误判。针对此问题，文献 3 5 提出了注 入变频信号的方法，其原理是考虑故障后位移电压大小的不同，从消弧线圈t p 或故障相t p 注入可变频率恒流信号，采用测量各出线零序信号功角，计算线路阻 尼率，进行故障选线。 ( 3 ) 最大，( s i n 妒) 法为消除t a 不平衡电流的影响，文献 3 6 提出了最大 甜( s i n 妒) 原理：通过一个中间参考正弦信号d ，( 经处理后的t p 线电压或所用交流 广东工业大学工学硕士学位论文 电源信号) ，使得各线路故障前的零序电流3l 自( 此时仅有乞) 对故障母线段厅在 故障后的3 口。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3 t 。前， 盯。厢都投影到3 l ( 故障线路零序电流) 方向。接着，计算出各线路故障前后的 投影值之差出。，找出差值最大的虬即最大，( s i n 纠，( s i n 妒) o 对应的 线路为故障线路，否贝口为母线故障。最大，( s i n 纠原理实际上是一种最大故障电 流突变原理，本质上是寻找最大零序无功功率突变量的代数值。 ( 4 ) 人工智能法人工智能方法在电力系统的应用日益广泛m ，其中有不少 是应用到故障选线中。有神经网络法”1 ，模糊理论法“”，b a y e s 法m ，等，但这些 方法离实际的应用相距甚远。 此外，还有采用新技术的选线装置，如采用暂态、稳态、谐波等综合分析方 法的m d m l a 一2 b 型接地选线装置1 等。 1 2 3 本论文选题的背景和意义 对于小电流接地系统单相接地故障选线，供电部门一直在寻找解决的方法， 虽然单相接地故障选线装置已经历了多次的更新换代，选线算法不断改进，其选 线的准确性也在不断提高，但均存在误判率较高的问题，使某些供电部门不得不 使用拉路法确定故障出线。因而，小电流接地系统的单相接地故障选线已成为电 力部门急需解决的难题，也是国内外科研院所研究的热点课题。 目前，我国的配电网规模正不断地扩建和发展，配电自动化改造的进程也在 不断加快。从配电自动化的角度来看，配电网络单相接地故障占故障总数的7 0 以上，但由于配电网的中性点接地方式多为不接地或经消弧线圈接地，因此单相 接地时不能启动馈线自动化系统来隔离故障恢复供电，缺少接地故障检测功能的 配电自动化系统难以成为完整的配电自动化系统，因此单相接地故障选线问题也 是配电自动化系统需要解决和完善的科研课题之一。 小波分析是傅立叶变换的发展，具有时一频同时局部化的良好特性，可以将信 号分解到不同的频带，特别适合分析非平稳信号和暂态信号，因此小波分析在电 力系统中的应用日益广泛，包括：电力设备的状态监视和故障诊断，电力系统 谐波分析，电力系统暂态稳定，电力系统动态安全分析抗电磁干扰，电力系统短 期负荷预测，自动重和闸和滤波消噪等。而本文在详细分析配电网单相接地故障 特征的基础上，将小波分析应用到故障选线上，并结合国内外现有选线方法利弊 第一章绪论 的，提出了基于小波分析的单相接地故障选线方法，该方法大大提高了故障选线 正确率。本论文研究的成果为实现配电自动化提供了一定的理论基础。 1 2 4 论文的主要工作 本论文研究的对象为小电流接地系统，解决的问题是当发生单相接地故障时， 如何正确的确定故障线路。 小电流接地系统，单相接地故障时接地电容电流的暂态分量往往比其稳态值 增大几倍到几十倍，若能提取暂态信号中的特征分量，则能显著提高选线精度。 利用能对突变的、微弱的非平稳的故障信号进行精确处理的小波分析理论，可以 很好地分析电力系统电磁暂态过程并提取出故障特征，所以本文利用小波分析理 论进行故障选线的研究，能够更好的解决小电流接地系统中单相接地故障选线问 题。 本论文的主要工作如下： ( 1 ) 在了解国内外故障选线研究工作的基础上，对各种方法的利弊进行了探 讨，为本文故障选线研究奠定了必要和可靠的研究依据。 ( 2 ) 分析小电流接地系统每一种接地方式的优缺点，并分析了小电流接地系统 发生单相接地故障时其零序电流的暂态过程及故障特征。通过对小电流接地系统 单相接地故障暂态过程的分析，提出采用暂态分量作为选线判据。 ( 3 ) 介绍小波分析算法、奇异性检测和模极大值原理，确定选取哪种小波函数 对系统的暂态信号进行分析研究。 ( 4 ) 提出了基于小波分析的配电网故障选线的新方法，详细介绍了选线原理、 步骤，又讨论了小波函数的选取、特征尺度的选取等问题。 ( 5 ) 针对配电网的永久性单相接地故障，提出了基于小波分析故障选线的改进 方法。 ( 6 ) 利用m a t l a b 6 5 s i m u l i n k 建立小电流接地系统模型，并对单相接地故障 的各种情况进行仿真，然后利用小波分析对判据进行分析。利用得到的实验结果 验证基于小波分析的单相接地故障选线方法的正确性。然后应用于佛山某地区配 电网进行实例计算。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章小电流接地系统的基础理论和故障分析 电力系统中性点的接地方式，是指在电力变压器星型绕组中性点与大地的电 气连接情况，它对于系统运行、绝缘、继电保护等各方面都有着决定性的影响。 本章介绍小电流接地系统的各种接地方式，重点分析小电流接地系统正常运行和 单相接地故障时的暂态特征，为后面的选线判据提供理论依据。 2 1小电流接地系统的介绍m 一 小电流接地系统分三种接地方式：中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和 中性点经电阻接地。下面分别介绍这三种接地方式。 2 1 1中性点不接地方式 中性点不接地是最简单的电网接地方式。在这样的系统中，某一电压等级的 变压器星型绕组中性点悬空，与大地完全没有电气连接。因此，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，允许系统短时间带故障运行。这对 于减少用户停电时间，提高供电可靠性是非常有意义的。 但是，另一方面，当系统带故障运行时，非故障相对地电压将上升很高，在 金属性接地情况下可能达到1 7 倍额定相电压，这容易引发各种过电压，危及系 统绝缘，发生相间击穿，导致事故扩大。例如当发生单相间歇性电弧接地故障时， 由于接地点的电弧间歇性熄灭与重燃，电荷不断地累积于线路对地电容上，使电 网非故障相上出现问歇性弧光接地过电压，过电压倍数可达3 5 4 0 倍相电压， 有时可能甚至更高。尽管这种弧光接地过电压一般不对符合标准的良好电气设备 的绝缘构成威胁，但系统中不可避免地存在一些绝缘薄弱点，如有的设备在运行 中由于受潮等原因，绝缘可能急剧下降：有的设备某些潜伏性故障在预防性试验 中未检查出来等，过电压将会对这些设备产生危险。同时，由于设备参数配合或 开关操作，将使过电压持续时间更长或倍数更高，进一步威胁设备绝缘。 因此，采用此接地方式运行时，要求变电站出线以架空线路为主；外绝缘引 发的可恢复的绝缘故障( 主要指单相接地) 概率较高；对运行的可靠性要求较高， 第二章小电流接地系统的基础理论和故障分析 而系统结构较弱；系统对地电容较小，单相接地电弧容易熄灭。 2 1 2中性点经消弧线圈接地方式 中性点经消弧线圈接地又叫谐振接地，对于出线较多，线路长度较长，或者 包含大量电缆线路的系统，当其电容电流超过一定数值时，单相接地故障时电弧 不易熄灭，宜采用这种接地方式。消弧线圈是具有一定容量的单相电感线圈，一 般是一个带铁芯的扼流线圈，外形类似变压器。铁芯不易饱和，这有利于电网补 偿调谐度的稳定性。它接在变压器的中性点与大地之间，其感性电流部分或全部 补偿了线路的电容电流，使流过故障点的电流值大大减小，电弧易于熄灭，接地 电弧不能重燃，从而使单相电弧接地过电压限制在2 3 3 2 倍额定相电压，相对 于中性点不接地系统来说，可适当降低设备绝缘水平。同时，采用消弧线圈接地 的系统还可以有效地防止电压互感器的铁磁谐振过电压。因此，这种接地方式得 到了广泛的应用。 消弧线圈有三种补偿方式：全补偿、欠补偿和过补偿。为了避免前两种补偿 方式的缺点，一般是让消弧线圈工作在过补偿状态，脱谐度为5 1 0 。这样做 的原因在于全补偿方式虽然使单相接地故障的接地电流最小，却容易引起串联谐 振，使中性点出线很高的位移电压。而欠补偿方式存在下列缺点：( 1 ) 当电网发 生故障或切除部分线路，或者系统频率降低时，欠补偿趋向于全补偿，容易引发 串联谐振；( 2 ) 不能满足电力系统发展的要求；( 3 ) 弧隙恢复电压的恢复速度较快。 由于种种原因，电网的线路长度经常发生变化，这时往往要调整消弧线圈的运行 分接头，改变其电感值，以便和电网的对地电容值相适应。现在已经有电容电流 跟踪装置应用在消弧线圈的自动调谐中。 随着电网的发展，尤其是当越来越多的电缆线路接入系统时，这必然会导致 电容电流越来越大，要求补偿用的消弧线圈的容量也随之增大。目前，一般消弧 线圈的补偿电流最大在1 0 0 a 左右。对于电容电流达到几百安培的系统，就需要几 台消弧线圈，从占地、经济上都将比较困难。同时，变电站运行中电容电流的变 化范围也不断增大，自动跟踪补偿型消弧线圈的跟踪范围可能无法达到要求。在 这种情况下，就需要考虑其它的接地方式。 广东二r = 业大学工学硕士学位论文 2 1 3 中性点经电阻接地方式 当电网中性点不接地时，即使单相接地电容电流不大，也会由于对地电弧燃 烧与熄灭的重复过程，使健全相的电位可能升高到破坏其绝缘水平，甚至形成相 间短路故障。如果在中性点串联接入一电阻后，泄放熄弧后半波的能力，则中性 点电位降低，故障相的恢复电压上升速度也减慢，从而减少电弧重燃的可能性， 抑制电网过电压的幅值，这是电阻接地的主要目的。这种接地方式在国外有较多 应用，其主要优点是：( 1 ) 可降低弧光接地过电压，从而降低设备的绝缘水平要 求；( 2 ) 从根本上抑制了系统谐振过电压；( 3 ) 这种方式对电容电流的适用范围很 大，不会因变电站馈线的不断增多而改变电阻。 不过，采用中性点经低值或中值电阻接地的电网中，有着和直接接地系统相 同的缺点，即由于发生单相接地故障要及时跳闸，断路器负担很重，工作条件较 差，大大加重了维护检修的工作量。 2 1 4 综合比较 通过前面所述，总结出小电流接地系统的特点如下： ( 1 ) 由于中性点非有效接地，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； ( 2 ) 此系统对于减少用户停电时间，提高供电可靠性非常有意义； ( 3 ) 当系统带故障运行时，非故障相对地电压将上升很高，容易引发各种过电 压，危及系统绝缘，严重时会导致单相瞬时陛接地故障发展成单相永久接地故障 或两相故障。 现将常用的各中性点接地方式的综合比较列于表2 1 。 1 0 第二章小电流接地系统的基础理论和故障分析 表2 1 三种接地方式的综合比较 t a b 2 - 11 h eg e n e m lc o m p a r eo f 山et i l r e eg r o u n d i i l gr n o d e s 不接地消弧线圈接地电阻接地 单相接地电小，为对地电容最小，等于残流中等，基本由中 流电流，规程允许在 性点电阻值决定 1 0 3 0 a 以下运行 单相接地时大，等于线电压大，等于线电压一般处于 非故障相电压8 0 1 0 0 线电压 之间( 有时稍高) 变压器等设最高，全绝缘 高，与不接地系统比不接地系统 备的绝缘水平相同绝缘水平有所降 低 重复故障可最大 由 小 能性 接地故障的普通的接地继电需专门技术，通常简单可靠 继电保护器不适应，需用专只用于信号 门技术，不够可靠 断路器工作切断容量由三相切断容量由三相切断容量由三 条件短路电流而定 短路电流而定，动作相短路电流而定， 次数少动作次数多 接地故障时在能够自动熄弧自动熄弧，但永久立即跳闸但通 的供电情况的情况下连续供电性故障时，仍需跳闸过重合闸，使此缺 点得到弥补 地网和接地最少 地网费用少，但接中 设备的费用地设备( 消弧线圈) 价格较高 随着电网的发展，我国配电网主要采用的是中性点不接地方式和消弧线圈接 地方式，因此将对两种接地方式的单相接地故障的特征进行分析。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 小电流接地系统故障的稳态分析， 在对小电流系统进行故障分析前，为了突出主要问题并简化分析，提出合理 的假设： ( 1 ) 不计磁路饱和、磁滞的影响。此时系统中各元件的参数恒定，可以应用叠 加原理。 ( 2 ) 系统是三相对称系统。不对称仅存在于不对称故障处，所以可应用对称 分量法将各序的网络用单相等值电路分析。 ( 3 ) 各元件序参数的阻抗角可认为相等，进而认为系统综合阻抗角相等。 ( 4 ) 在进行短路电流大小计算时，一般可略去各元件的电阻。 ( 5 ) 负荷只作近似估计或作为恒定阻抗，或当作临时附加电源，视情况而定。 当然，任何一条假设都是相对的、有条件的，在一种场合下不大起作用的因 素，在另外一种情况下则可能显示重大的甚至是决定性的影响。在考虑小电流接 地系统的线路模型时，为了精确，就要考虑系统线路的对地电容，而且用集中电容 代替分布电容。 2 2 1中性点不接地系统单相接地故障的稳态分析 图2 1 中性点不接地系统单相接地故障时的电流分布图 f i g 2 1t h ec i r c u i to fs i n g l ep h a s e t o g r o u n df a u l tf o r i s o l a t e dn e u t r a ls y s t e m 如图2 1 所示的中性点不接地系统，有2 条馈出线。正常运行时，各相对地 电压是相电压且对称的，中性点对地电压为零，电网中无零序电压。由于各相对 1 2 第二章小电流接地系统的基础理论和故障分析 地电容相同，在相电压的作用下，各相电容电流相等并超前于相电压9 0 。因此， 线电流中不存在零序分量。这时相电压和零序电流的向量图如图2 2 ( a ) 所示。 当发生单相接地故障后，三相电路的对称性受到破坏，故障点就出现明显的 不对称，如当a 相发生单相接地故障后，a 相对地电压变为零，其对地电容被短 接，而b 相和c 相的对地电压升高，对地电容电流相应增大。流过接地点d 的电 流为所有线路电容电流的总和，系统电容电流的分布如图2 1 所示，向量图如图 2 2 ( b ) 所示。 ( a )( b ) 图2 2 中性点不接地系统向量图 f i g 2 2t h ev e c t o rf i g u r eo fs i n g l ep h a s e t o g r o u n df a u l t f o r i s 0 1 a t e dn e u t r a ls y s t e 岫 当发生金属性接地( 即过渡电阻如= o ) 故障时，从图2 2 中可以看出 1 各相电压和故障点的零序电压分别为： a 相( 故障相) 电压： 驴：= o b 相电压： d = 重。一直。= 互富。e 一” c 相电压： 哪) _ 岛一或= 压自e 卅0 。 故障点的零序电压： 哦= ；+ d 时? ) = 孚或。仃彻。) = 一或 2 各线路非故障相电容电流和流过接地点的电流分别为： 线路1 非故障相的电容电流： i m = i 矬+ i 嚣 = 驴等j c o l + d ? j 倒， = 珥j 甜。e 叫5 。+ 玩j 。e ” = 3 d o 们o i p ”。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 广东工业大学工学硕士学位论文 线路2 非故障相的电容电流： j 岩+ 理= 3 哦。e 珊。 流过接地点的故障电流为： l = ( 础+ ，器) + ( j 岿+ 定：) = 3 d o 纰7 9 0 。( c o l + c 0 2 ) 因此，可以归纳出当有n 条出线时，流过故障点的电流为： ，。= 3 吼纰胛c o ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 其中，c o 第，条线路的对地电容，j 2 l ，2 ，z 。 而在故障线路2 上，故障相a 相要流回全系统接地短路电流j 。，因此，从a 相流出的电流可表示为数= 一j 。因此，线路2 的零序电流则为： k = j 数+ j 2 + ，婴= 一( j 翟+ j 器) = 3 吼倒。s 一” ( 2 9 ) 当有n 条出线时 如= 3 玩纰一”( c o 厂) ( 2 ，l o ) 1 于是，此时的零序向量图如图2 3 所示。 ， 图2 3 单相接地时的零序向量图 f i g 2 3t h ez e r o s e q u e n c ev e c t o rf i g u r eo fs i n g l ep h a s e t o g r o u n df a u lt 由此可见：当中性点不接地系统中发生单相接地短路故障时，整个系统产生 零序电压，大小为正常时的相电压；非故障相电压升高到原来的3 倍；接地电 流超前零序电压9 0 。，并由线路流向母线；非故障线路的零序电流为本身对地电 容电流，相位超前零序电压9 0 。，电容性功率的实际方向为由母线流向线路；故 障线路的零序电流为所有非故障元件对地电容电流之和，相位滞后零序电压9 0 。， 电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线，与非故障线路相反。可用此特征 来选线。 1 4 第二章小电流接地系统的基础理论和故障分析 一乏 图2 - 4 中性点不接地系统单相接地等值电路 f o r i s o l a t e dn e u t r a ls y s t e m 然而，在实际小电流接地故障中，大部分接地故障都是经过渡电阻接地，假 如设接地电阻为月。，利用赫尔姆斯一戴维南定理，可将图2 1 等效成图2 _ 4 所示 的等值电路。其中节点。表示不接地系统的中性点。由于线路阻抗比对地电容3 c n 小得多，故可忽略不计。由图2 _ 4 所示的等值电路