小电流接地系统单相接地故障选线研究优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

小电流接地系统单相接地故障选线研究 学科名称 水利水电工程 答辩日期 学位申请人 安源 签名 指导教师 姚李孝 教授 签名 摘要 我国35kv及以下电网一般采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式 当小电流接地系统发生 单相接地故障时 流过故障点的电流仅为线路对地电容电流 由于故障电流微弱与电弧不稳定的原因 这种系统的单相接地故障选线问题一直没能很好解决 为此 本文进一步分析了中性点非直接接地系统 发生单相接地故障时的暂态量的幅频特征 并据此提出了基于暂态零序电流幅值比较的综合选线算法新 方案 基于故障线路暂态电流分量比健全线路大的故障特征 本文提出了一种集中式比较的选线方法 暂态零序电流综合比较的选线方法 该方法综合了两种具体的选线算法 基于暂态零序电流幅值比较算 法与有功低频分量幅值比较算法 第一种算法提取第一个容性频带内暂态零序电流分量进行幅值比较 适用于中性点经消弧线圈接地系统的强故障与中性点不接地系统的所有故障 基于消弧线圈串 并 联 电阻的有功分量电流仅仅流过故障线路的故障特征 第二种算法通过比较各线路零序电流有功分量大小 选择故障线路 适用于中性点经消弧线圈接地系统发生弱故障的情况 该综合选线方法适合于各种故障 类型 且具有很高的选线灵敏度和准确性 最后 本文运用matlab对以上选线算法进行了大量的仿真计算 仿真结果验证了算法的有效性 关键词 中性点非直接接地系统 暂态零序电流分量 特征容性频带 1 the research on fault line selection non solid earthed networks the research on fault line selection non solid earthed networks major electrical engineering name an yuan supervisor professor yao lixiao abstract the non solid earthed neutral also isolated or petersen coil compensated neutral is adopted widely in medium voltage distribution networks in china but the existing earth protections are not suitable in practical situations due to the nature of weak fault capacitive current and unstable fault arc in this network therefore on the basis of detailed analysis of the amplitude characteristics of transient currents in single phase earthed distribution network with non solid earthed neutral two novel earth fault protection methods with transient zero sequence and phase signals in special amplitude and frequency bands are presented in this paper the faulty feeder is selected by comparing the amplitude of selected component of transient zero sequence currents and transient phase currents of all feeders respectively based on the characteristics of a single phase earthed distribution networks as follows the amplitude of transient zero sequence current in faulty feeder is larger than that in healthy feeder a synthetic algorithm comparing the amplitude of the transient zero sequence currents of most feeders is proposed in this paper this algorithm is made up of two sub algorithms the one based on the amplitude comparison of transient zero sequence current in a self adaptive special frequency band and the other based on the amplitude comparison of active components of zero sequence current in low frequency band around 50hz the former using the transient signals in the first capacitive band is suitable for obvious fault in compensated networks and all kinds of fault in isolated networks in the compensated networks the active current component of the resistance that is connected in series or parallel connection with petersen coil flows only through the fault feeder based on this principle the latter is suitable for weak fault in compensated networks which is through comparing amplitude of active components of zero sequence current to select the faulty feeder the synthetic algorithm is suitable for all kinds of fault and has higher sensitiveness and veracity finally simulation of matlab is used in carrying out calculations to prove the algorithms are effective in feeders selection keywords non solid earthed neutral networks transient zero sequence component feature capacitive band 2 目目 录录 1 绪论 5 1 1 课题背景及研究意义 5 1 2 小电流接地系统单相接地故障选线研究状况 5 1 2 1 国内外研究现状 5 1 2 2 各种选线原理简介 6 1 3 尚需解决的问题 11 1 4 本文所做的主要工作 11 2 中性点非直接接地系统单相接地故障暂态分析 12 2 1 配电网的接地方式 12 2 2 小电流接地系统单相接地故障的特点 13 2 2 1 中性点不接地系统 13 2 2 2 中性点经消弧线圈接地系统 16 2 3 小电流接地系统单相接地的暂态过程 17 2 3 1 暂态等值回路 17 2 3 2 暂态电容电流 18 2 3 3 暂态电感电流 20 2 3 4 暂态接地电流 22 3 基于暂态零序电流的综合选线方法 23 3 1 引言 23 3 2 故障零序电流暂态分量分析 23 3 2 1 单相接地故障时零序电流基本特征 23 3 2 2 零序电流暂态分量的构成 24 3 3 暂态零序电流幅值比较选线方法 28 3 3 1 暂态零序电流幅频特性 28 3 3 2 特征频带及其选取 29 3 3 3 算法实现 31 3 3 4 算法评价及适用条件 32 3 4 零序电流有功分量幅值比较选线方法 32 3 4 1 算法原理 32 3 4 2 算法实现 32 3 4 3 算法评价及适用条件 33 3 5 综合选线方法的实现 33 3 5 1 启动模块和永久性故障判断模块 33 3 3 5 2 故障相判别模块 33 3 5 3 算法整体流程 34 4 基于 matlab 的仿真分析 37 4 1 matlab 仿真简介 37 4 2 仿真模型的搭建与实现 38 4 3 算法验证 39 4 3 1 特征频段的选择 39 4 3 2 小电流接地故障选线仿真 41 4 3 3 仿真结果及分析 45 5 结论 46 致谢 47 参考文献 48 4 1 绪论 5 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景及研究意义 1 1 课题背景及研究意义 我国城乡电网配电系统中发生机率最大的故障是单相接地故障 所以实现配电自动化 的一个重要的研究课题 便是如何准确地检测并隔离发生单相接地故障的线路以提高供电 质量和可靠性 我国35kv及以下的电网大多采用中性点不接地方式 在这类电网发生单相接地故障 时 接地故障处仅流过线路的电容电流 且电网的三相线电压仍保持对称关系 不影响 负荷供电 所以电力系统规程规定可以继续运行1 2小时 在各级电压网络中 当全系统电容电流超过下列数值时 即应装设消弧线圈 对3 6kv电网 30a 10kv电网 20a 22 66kv电网 10a 加之近年来 自动调谐消弧 线圈开始取代传统消弧线圈 采用这种消弧线圈系统可使故障瞬间无谐振发生 对城市中 的通信和电子设施干扰小 更重要的是减小了故障点的电流 不易形成电弧 有利于矿井安 全 所以中性点经消弧线圈接地已成为我国配电网中性点接地的主要方式 如果要真正地减少配网过电压事故 提高供电可靠性 除了中性点经消弧线圈接地以 外 还应有可靠的单相接地故障选线装置相配合 尽管规程允许配网在单相接地故障发生 后可以运行1 2 小时 但是非故障相对地电压升至线电压水平 将导致非故障相的绝缘 薄弱处发生对地击穿 恶化成相间或三相故障 尤其是以电缆为主的配电网 电缆一旦发 生单相接地 多会发展为永久性的相间或三相故障 所以必须及时检测出故障线路并跳闸 切除 1 2 小电流接地系统单相接地故障选线研究状况 1 2 小电流接地系统单相接地故障选线研究状况 1 2 1 国内外研究现状国内外研究现状 在原苏联 nugs得到了广泛应用 并对其保护原理和装置的研究给予了很大的重视 发表了多篇论文 研制出了几代装置 在供电和煤炭行业中得到了应用 保护原理从过流 无功方向 发展到了全体比幅 装置由电磁式继电器 晶体管发展到模拟集成电路和数字 电路 日本在供电 钢铁 化工中普遍采用nus或nrs 其选线原理较为简单 采用基波无功 方向法 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 利 用光导纤维研制的架空线和电缆零序互感器ozct试验获得成功 德国多使用nes 并于30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 研制了便携式接地报警装置 法国在使用nrs几十年后 现正以nes取代nrs 同时 开发出了高新技术产品 零序导纳接地保护 在欧洲和美国 nugs中单相接地保护被认为难于实现 且引起的过电压严重 他们宁 愿在供电网架结构上多投资以保证供电可靠性 也不采用nugs 但是 近年来ieee的专题 报告中也认为应当加强nugs的保护研究 挪威一公司利用测量空间电场和磁场的相 西安理工大学硕士学位论文 6 位 反映零序电压和零序电流的相位 研制了一种悬挂式接地故障指示器 分段悬挂在 线路和分叉点上 90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 随着小波分析的出现和发展 国外有文献提到利用小波分析良好的时频局部化特性 分析 故障暂态高频分量 我国从1958年起就开始了对接地保护原理和装置的研究 保护方案从零序过流到无功 方向保护 从基波方案发展到五次谐波方案 从步进式继电器到微机群体比幅比相 以及 首半波方案 先后推出了几代产品 如许昌继电器厂的zd系列产品 北京自动化设备厂的 xjd系列装置 华北电力学院研制的系列微机选线装置 邯郸电力自动化研究所的ml 98h 微机选线装置 山东工业大学的ty系列选线定位装置等 1 2 2 各种选线原理简介各种选线原理简介 在中性点非直接接地系统中 一条线路出现单相接地故障 整个系统中都会出现零序 电压和零序电流 母线电压互感器二次开口三角形绕组的电压为三倍零序电压 测量此处 的零序电压即可在系统中构成绝缘监视装置 对故障选线装置发出启动信号 传统的做法 是 当母线绝缘监视装置发出单相接地故障信号后 由值班人员采取顺序拉闸的方式寻找 故障线路 转移负荷后将故障线路切除 显然 这种方法使得一些非故障线路的用户也会 短时停电 降低了供电的可靠性 延长了系统带单相接地运行的时间 增大了扩大故障和 误操作的可能性 无法满足变电站无人值班 实现综合自动化的要求 由于传统的拉路选线法不能满足中性点非直接接地系统单相接地故障的选线要求 随 着电力系统的发展 多种故障选线方法被提出 按照利用信号方式不同可分为两大类 反应注入信号特征的故障选线方法 反应故障信号的故障选线方法 这一大类方法按照信号特征 又可分为利用故障信号 暂态量和稳态量两类 a 利用注入信号选线a 利用注入信号选线 4 5 4 5 单相接地时 接地相pt原边被短接 利用pt二次侧 人为向系统注入一个特定频率的信 号电流 跟踪该信号电流的通路来实现接地故障选线 该方法无需增加任何一次设备 不会对运行设备产生不良影响 检测也不受系统中任 何一种固有信号的影响 注入信号电流不会影响系统的其他部位 但是 需要注入信号源 注入信号强度受pt容量影响 接地电阻较大或接地点存在间隙性电弧现象时 检测效果不 佳 b 利用故障信号稳态分量选线 b 利用故障信号稳态分量选线 零序电流幅值选线 中性点不接地系统故障线路工频零序电流幅值等于非故障线路对地电容电流和的幅 值 依据这个特点来选择幅值最大的线路作为故障线路 此方法是最基本的一种方法 在不接地系统中这种方法应用效果较好 但是在消弧线 1 绪论 7 圈接地系统中会失效 当故障发生在系统少数的特长线路上 即其分布电容与系统总的分 布电容相差不大 的情况下很难满足选择性的要求 同时 当接地点过渡电阻较大时 电 容电流较小 装置可能发生拒动 而且不能排除电流互感器不平衡电流的影响 还不能检 测母线故障 零序电流比相法 该原理基于故障线路零序电流方向与非故障线路零序电流相反的特点 区分出故障与 非故障线路 从而构成有选择性保护 此方法同零序电流幅值选线 原理简单 应用广泛 但是在消弧线圈接地系统中会失 效 当故障点离电流互感器较远且线路很短时 零序电压 零序电流都较小 会产生 时 钟效应 两个向量都很小时 其相位差很难确定 使相位判断困难 受电流互感器不平 衡电流 过渡电阻大小 继电器工作死区及系统运行方式的影响 容易发生误判 而且检 测可靠性受接地电弧不稳定的影响 群体比幅比相法 6 6 该方法先对零序电流进行比较 选出几个幅值较大的作为候选接地线 然后在此基础 上进行相位比较 选出方向与其他不同的 即为故障线路 该方法在一定程度上解决了前两种方法存在的问题 但同样不能排除电流互感器不平 衡电流及过渡电阻的影响 而且通过选电流幅值较大的线路 不能完全避免 时钟效应 零序无功功率方向法 在中性点不接地系统中 故障线路零序电流滞后零序电压90 非故障线路零序电流 超前零序电压90 比较各线路零序电流与母线零序电压的相差 便可选出故障线路 这一原理可以只根据本线路电气量判断故障 但是对中性点经消弧线圈接地系统失 效 而且同样不能排除 时钟效应 的影响 零序电流有功分量法 7 9 7 9 中性点经消弧线圈接地系统中的消弧线圈可等效为电感l和电导 l g 的并联 则单相接 地故障时流过消弧线圈的零序电流 0n i 西安理工大学硕士学位论文 32 2 求每一线路h i 与sum h 2的差 h i h i sum h 2 3 确定特征频带下限截止频率f0 不接地系统中f0 0hz 消弧线圈接地系统中 f0 150hz 4 确定特征频带上限截止频率f1 从f0开始寻找每一线路 h i 首次出现小于零的 点对应的频率f1 i 因为对健全线路f1 i 都接近f0 因此 f1为f1 i 的最大值 注 为防止误差 本文在实现时 认为f1 i 是首次符合 f2 f2 150 内 h i 均小于零 的f2 5 设计合适的带通滤波器 通带为 f0 f1 对每一线路零序电流i0进行滤波 并求滤 波后暂态零序电流i0 tran有效值 2 0val0 tran 1 n k iikn 其中n为每周波的采样点数 6 i0 val最大的线路为故障线路 3 3 4 算法评价及适用条件算法评价及适用条件 根据文 38 和本文的仿真结果分析 当系统在相电压峰值附近发生故障 且过渡电阻 不是很大时 不论故障线路还是非故障线路 其暂态电流能量主要集中在高频带 300 2500hz 此时故障特征明显 可以称为强故障 但是当故障发生在相电压过零点附近或 过渡电阻很大时 情况有所不同 这时 暂态电容电流的工频分量较大 非故障线路暂态 零序电流的能量主要集中在低频带 0 50hz 此时故障特征很不明显 可以称为弱故障 在消弧线圈接地系统中发生强故障时 消弧线圈不影响选线结果 在不接地系统中发 生任何故障时 因为故障线路零序电流没有被补偿 此方法也适用 但在消弧线圈接地系 统中发生弱故障时 健全线路暂态电流能量主要集中在工频范围 如利用此方法选择不包 括工频量的第一个容性频带内零序电流暂态分量进行判断 则会由于电流值太小而引起的 较大误差 影响选线结果 需要采用别的方法进行判断 这种方法利用的电流值较大 算法误差小 能适应大多数故障情况 可以作为故障线 路的主要判断方法 但单一利用这种方法不能完成在各种故障条件下正确选取故障线路的 要求 在消弧线圈接地系统中发生弱故障时 需要采用别的选线算法作为其补充 3 4 零序电流有功分量幅值比较选线方法 3 4 零序电流有功分量幅值比较选线方法 3 4 1 算法原理算法原理 经消弧线圈接地系统中发生单相接地故障时 由于消弧线圈的并 串 电阻会在故障 线路中产生有功分量电流 而且消弧线圈本身的有功成分较大 实测单相接地时其有功电 流达2 3a 在故障线路中会有较大的零序有功分量电流 7 由于有功电流只流过故障线 路 与非故障线路无关 因此 故障线路的零序电流有功分量远大于非故障线路的零序电 流有功分量 从而可据此选出故障线路 9 9 3 4 2 算法实现算法实现 首先 对零序电压及各线路零序电流通过富氏滤波求取150hz以下 各频域采样点 3 基于暂态零序电流的综合选线方法 地 33 在本文仿真中为0 50 100 hz 频率分量 然后在每一线路上 把零序电流投影 到零序电压方向 如图 3 5 示 0 u表示u0垂直方向 求零序电流低频有功分量值 把 各线路零序电流有功分量叠加 具有电流频谱最大值的线路被确定为故障线路 0 u 0 i 0p i 0q i 0 u 图 3 6 求取零序电流有功分量 fig 3 6 the vector diagram for finding effective components of zero sequence current 3 4 3 算法评价及适用条件算法评价及适用条件 在消弧线圈接地系统中发生弱故障时 此算法可以利用幅值较大的零序基波电流 正 确选择故障线路 而且有较高的灵敏度 为上一选线方法提供有效的补充 但是所利用的 电流值很小 容易受测量误差和计算误差影响 在中性点不接系统中 由于没有消弧线圈 并 串 联电阻 此算法不能应用 3 5 综合选线方法的实现 3 5 综合选线方法的实现 3 5 1 启动模块和永久性故障判断模块启动模块和永久性故障判断模块 因为在三相对称的电力系统中发生单相接地故障时 系统中便会出现零序电压 所以 通过检测零序电压瞬时值u0 t 是否大于零序电压阈值u0 thre 阈值u0 thre 不是零 是因为 实际电力系统并非完全三相对称 即使无故障状态下也存在一定零序电压 来判断系统 中是否发生单相接地 并据此启动故障选线程序并记录故障发生时刻tf 即零序电压越 界时刻 由于系统发生永久性和瞬时性故障时 选线装置所采取的措施不同 所以需要一个永 久性故障判定模块 对当前故障的性质加以判别 本文的处理办法是 由启动元件在启动 故障选线程序的同时 还启动了一个零序电压幅值循环检测程序和一个计时程序 后者的 目的是及时发现零序电压幅值返回到零序电压阈值u0 thre 以下 当零序电压幅值循环检测 程序发现零序电压恢复并保持在无故障状态水平 便向被启动元件启动的计时程序发出停 止命令 计时程序的结果tend 故障持续时间 若小于瞬时性故障时间阈值tthre 一般可 设为3 秒 便可判定此次故障为瞬时性故障 若tend大于tthre 表示为永久性接地故障 无论系统发生瞬时性还是永久性接地故障 故障选线程序都会给出选线及选相结果 并标 明为永久性还是瞬时性故障 若为永久性故障 则需跳闸 若瞬时性故障 则表明故障线 路故障相绝缘薄弱 3 5 2 故障相判别模块故障相判别模块 为了能上报完整的故障选线信息 含故障时刻 故障相别 故障线路 必须判定单 西安理工大学硕士学位论文 34 相接地故障相 本文通过单相接地时故障相电压降低而健全相电压升高的特点判断故障相 别 具体做法为 把故障前的三相电压作为各相电压有效值的基准值 求各相电压有效值 的归一化值ua ub uc 若一相电压小于单相接地故障相判断的门槛ulow ulow1 则认为小于ulow的一相为 故障相 即 当ua uhigh uc uhigh时为a相接地 同理可得b c相接地的判 据 3 5 3 算法整体流程算法整体流程 根据3 3 2和3 3 3小节分析两种选线方法的适用条件 综合其优点 可以构成基于暂 态零序电流幅值比较的综合选线方法 这一综合选线方法的流程如图 3 6 所示 具体步骤 为 1 对三相电流 电压进行数据采集和循环存储 仿真时 采样率fs 10khz 2 利用零序电压是否超过阈值u0 thre来判断是否发生故障及故障性质 具体3 4 1 若发生故障 启动选线装置 3 判别故障相 依据是故障相电压降低而健全相电压升高 具体见3 4 2 4 提取故障后各线路 m条出线 一个工频周波内的零序电流i0 k k 1 2 n n 为一工频周波采样点数 仿真时n 200 5 判断是否为母线故障 不接地系统中 通过富氏滤波求各线路工频基波分量 消 弧线圈接地系统求5次谐波分量 把电流频率分量 50hz或250hz 方向作为电流方向 若用来判断的几条线路中 电流方向两两一致 即任意两条线路电流相位差小于90 则判断为母线故障 若不是母线故障 则认为发生线路故障 进行下面的判断 6 在各条馈线上 m条 分别求零序电流i0 k 的有效值 2 00 1 n m k iikn 并求i0m 的平均值 0 0 m m meanm ii 7 对各条馈线 m条 进行判断 若线路i中有i0m 文中取 0 5 则认为本线路零序电流主要集中在工频 12 若m2 条需要判断的线路中 至少有m2 1 条线路电流集中在工频 则认为此次 为弱故障 此处考虑故障线路工频分量被补偿 零序电流所占比例减小 即使弱故障也 不能让故障线路零序电流主要集中在工频 因此采用m2 1 13 若为弱故障 采用零序电流有功分量幅值比较选线方法 否则 采用暂态零序电流 幅值比较选线方法 西安理工大学硕士学位论文 36 本线路健全 判断下一条 y n 求m条线路 有效值 输入三相电压 零序电压 电流 零序电压判断是否 故障及故障时间 提取故障后一周波零序电流 三相电压判断故障相 y 返 回 n 对m2条线路 进行 低通滤波得到 n y 零序电流有功分 量幅值比较选线 暂态零序电流 幅值比较选线 求m个电流有效值 的平均值 消弧线圈接地系统 y n 0 i 0 i 0m i 0 m mean i 00 mm mean ii 0 i 0 fil i 求m2条线路 有效值 0 fil i 02 mfil i 02 0 mfilm ii ln m2 1 利用零序电流方向判 断是否为母线故障 n 母线故障 返回 y 计算m2条线路中 i0m2 fil i0m 的线路条数ln 开始 输出选线结果 返回 图 3 7 故障选线算法的流程框图 fig 3 7 the process chart of fault line selection arithmetic 5 结论 37 4 基于 matlab 的仿真分析 4 基于 matlab 的仿真分析 4 1 matlab 仿真简介 4 1 matlab 仿真简介 matlab语言是在70年代后期由美国new mexico大学计算机系主任cleve moler 博士创建的 经过 20 多年的发展 matlab 日趋完善 它已经发展成为适合多学科 多种工作平台的功能强劲的大型软件 并且是目前国际上最流行的软件之一 matlab 软件具有编程效率高 使用方便 扩充能力强 交互性好 移植性好 开发性好 语 言简单 内涵丰富 高效方便的矩阵和数组运算 方便的绘图功能等优点 已被广泛 地应用于系统仿真 数据分析 信号处理 通信系统 金融系统 工程数学 土木工 程 图形可视化等领域 本文采用 matlab simulink 中的电力系统仿真工具箱 simpowersystems 进行 仿真 它基于状态变量法构造 在 simulink 环境下使用 图形模型创建简单 不但可 以迅速画出电路拓扑结构图 而且可以分析电路与机械 热 控制以及其它学科的相 互作用 采用变步长积分法 与定步长积分法相比在过零检测上具有更高的精度 51 51 利用 matlab 软件进行电力系统仿真 具有以下优点 1 功能强大 电力系统仿真工具箱内部的元件库 powerlib 提供了经常使用的各 种电力元件模型 包括电源元件 线路元件 电力电子元件 电机元件 连接器元件 电力测量仪器 附加元件等 这些模型都采用标准的电力符号和参数表示 而且是建 立在 hydro quebec 电力系统测试与仿真实验室的实践经验基础之上的 不仅可以进行 线性系统仿真 也可以进行非线性系统仿真 既可以实现连续时间系统仿真 也可以 实现离散时间系统甚至混合连续 离散时间的系统仿真 它还支持多种采样速率的系 统仿真 2 强大的 matlab 平台 在相同的平台上 matlab 的数值运算功能为进行 电力工程方面的运算提供了强有力的后盾 随着信号处理技术的成熟 各种信号处理 方法在电力系统方面的应用尤为重要 matlab 提供的信号处理工具箱 数字信号处 理模块 滤波器设计工具箱 小波分析工具箱和神经网络工具箱 为经过电力仿真后 的数据处理提供了功能齐全的分析手段 3 友好的界面 电力系统模块在 matlab simulink 环境下应用 具有友好的 图形用户界面 用户只需进行简单的鼠标点击和拖动操作就能完成仿真模型的搭建工 作 元件参数的设定也很简单 双击该元件后填写弹出的参数对话框即可完成 与传 统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比 利用 matlab 进行仿真具有直观 方便 灵活的优点 基于 matlab 的上述优点 本文利用 matlab 进行小电流接地系统的单相接地 故障仿真 在 matlab simulink 下搭建仿真模型 设定元件的参数和仿真参数后运行 仿真 并将仿真后的数据保存在 work 工作空间中 然后利用图 3 7 进行选线 西安理工大学硕士学位论文 38 4 2 仿真模型的搭建与实现 4 2 仿真模型的搭建与实现 本文以金昌供电局提供的一中性点经消弧线圈接地的 10kv 配电网系统为仿真模 型 系统的结构如图 4 1 所示 l5 15km 10kv l z f r l1 12km l6 20km l3 6km l4 9km l2 3km l r n l s 图 4 1 小电流接地系统仿真实例 fig 4 1 the simulation of low current grounded system 具体电气参数如下 a 线路参数 本仿真模型采用文 37 提供的架空线路标准参数 即 线路正序阻抗 z1 0 17 j0 38 km 正序对地导纳 b1 j3 045 s km 零序阻抗 z0 0 23 j1 72 km 零序对地导 纳 b0 j1 884 s km b 变压器参数 原边电压 35kv 副边电压 10 5kv 高压侧单相对中性点线圈电阻 0 40 电感 12 2 低压侧单相线圈电阻 0 006 电感 0 183 励磁电流 0 672a 励磁磁通 202 2wb 磁路 电阻 400k 变压器额定容量为 40000kva 空载损耗 35 63kw c 负荷参数 为简便起见 各条线路等效负荷统一采用 zl 400 j20 d 消弧线圈参数 在仿真消弧线圈接地系统时 系统设为过补偿 补偿度为 8 根据线路参数及长度可 计算出消弧线圈电感为 ln 8 02h 其串联电阻的阻值按消弧线圈感抗值的 10 考虑 即 rl 252 在仿真全补偿的时候 求得 l 2720 rl 272 由于架空输电线路的参数 r l c 是沿线路均匀分布的 一般不能当作集中参数 元件处理 而必须采用分布参数的电路模型 电力系统仿真工具箱的元件库 powerlib 提供了两种三相长输电线路的数学模型 分别是集中参数 型模型和分布参数贝杰龙 数学模型 仿真模型中采用分布式参数的贝杰龙数学模型 电源侧用无穷大三相电源 等效 负荷侧以等效固定负荷代替 接地点的建模通过一单相可控断路器模块实现 5 结论 39 图 4 2 为该系统在 matlab simulink 下搭建的仿真模型 图 4 2 matlab 仿真模型 fig 4 2 the simulation model for matlab 4 3 算法验证 4 3 算法验证 4 3 1 特征频段的选择特征频段的选择 图所示为仿真系统线路 l1发生接地故障后 特征频带选取示意图 a 图 4 3 a 各线路电流频谱与 0 2if 大 比较 图中为 sum h 2 其差为 h i 在低频带可见 故障线路 h 1 0 即 h1 0 2if 大 而健全线路 h 5 0 h 6 0 即健全线路频谱 h 5 0 2if 大 h 6 i0m mean的线路有 3 条 l1 l5 l6 图 4 5 b c d 为 l1 l6 l5零序电流 将这三条线路列入表中进行下一步的判断 i0m i0m mean的线 路 l2 l3 l4 判断为健全线路 3 由表 4 2 可知 l1与 l4 l5 l6零序电流五次谐波的相位差都大于 90 因此可 以判定为线路故障 4 在经消弧线圈接地系统中 需要判断是不是弱故障 图 4 5 e 示出线路 l1 l5 l6电流在 0 150hz 内的暂态分量 i0 fil 并求得 i0 fil的有效值 i0m2 fil为 0 61 0 35 0 24 如表3 1中第3行示 第4行给出低频零序电流所占比例k 从中可以看出k都小于 0 5 即电流主要集中在高频 因此可以判断为强故障 采用自适应捕捉特征频带的暂态零序电 流幅值比较选线方法 5 图 4 5 f 为 l1 l5 l6零序电流频谱 h i 从中可见在约 2200hz 以内 h1较大 即实际特征频带上限截止频率 f1约为 2200hz 6 图 4 5 g 所示为 h i h i sum h 2 其中 sum h 2 h1 h5 h6 2 从中可见 h 1 在 2250hz 首次小于 0 而 h 5 h 6 在开始寻找的 f0 150hz 时就小于 0 即 西安理工大学硕士学位论文 42 f1 1 2250 f1 5 f1 6 150 因此 通过本文方法求得特征频带的上限截止频率f1 2250hz 7 图 4 5 h i j 为线路 l1 l6 l5在特征频带 150 2250 内暂态电流分量 i0 tran 据此 可计算出暂态电流分量的有效值为 1 76 0 98 0 43 因此可判断 l1为故障线路 253035404550 20 10 0 10 20 a 三线三三 253035404550 20 15 10 5 0 5 10 u kv t ms 故故线 健健线 b 故故线线l1线线三零 t ms i 0 a 253035404550 20 10 0 10 20 253035404550 20 10 0 10 20 c 健健线线l6线线三零 d 健健线线l5线线三零 t ms t ms i0 a i0 a 5 结论 43 253035404550 1 0 5 0 0 5 0500100015002000250030003500400045005000 0 0 1 0 2 0 3 0 4 t ms f hz h i0 a e 各线线线线三零各频各各 0 150hz i06 i05 i01 f 各线线线线三零频各 h1 h6 h5 0500100015002000250030003500400045005000 0 2 0 15 0 1 0 05 0 0 05 253035404550 15 10 5 0 5 g h i h i sum h 2 h 故故线线l1暂暂三零各各 150 2250hz f hz t ms i0 a h 1 h h 5 h 6 西安理工大学硕士学位论文 44 253035404550 15 10 5 0 5 253035404550 15 10 5 0 5 t ms t ms i0 a i0 a i 健健线线l6暂暂三零各各 150 2250hz j 健健线线l5暂暂三零各各 150 2250hz 图 4 5 某次故障选线过程 fig 4 5 a fault line selection process 2 弱故障情况 当系统在线路 l1首端 a 相接地时 初始角 45 过渡电阻 rf 1000 系统中性点 运行在经消弧线圈接地方式 表 4 3 4 4 示出了该次故障的基本选线过程 表 4 3 弱故障选线过程中有关中间结果 tab 4 3 the process results of weak fault line selection 1 线路 l1 l6 l5 2 有效值 i0m 0 52 0 28 0 23 3 低频值 i0m fil 0 49 0 18 0 13 4 k i0m2 fil i0m 0 94 0 65 0 58 5 特征频带内暂态电流分量 0 55 0 10 0 09 表 4 4 各线路零序电流之间五次谐波相位差 单位 tab 4 4 the phase differences of the fifth harmonic waves among zero sequence currents l1 l6 l1 l5 l1 l4 l5 l6 l4 l6 l4 l5 153 162 146 12 7 19 去除一定是健全的线路后 剩下的为 l1 l5 l6 从表 4 4 见各线路之间相位不全小 于 90 可知发生线路故障 表 4 3 第 4 行数据表明 工频电流所占比例都大于 0 5 因此工频量电流所占比例较大 发生的为弱故障 采用有功低频零序电流幅值比较的选线 5 结论 45 方法 采用富氏滤波求 150hz 以下各频率点零序电流频谱 将其叠加后值列于表 4 3 第 5 行 这 3 个数据表明 l1的频谱最大 线路 l1为故障线路 3 母线接地故障 表 4 5 各线路零序电流之间五次谐波相位差 单位 tab 4 5 the phase differences of the fifth harmonic waves among zero sequence currents l1 l6 l1 l5 l1 l4 l5 l6 l4 l6 l4 l5 66 21 0 45 66 21 当系统在相电压 90 母线 a 相经过渡电阻 rf 50 接地时 选各线路零序电流有 效值较大的 4 条线路 第 l6 l5 l4 l1 进行相位比较 由表 4 5 可见 各线路之间 相位差均小于 90 即 4 条线路五次谐波同向 可判断为母线故障 4 3 3 仿真结果及分析仿真结果及分析 本文在上述仿真系统中 通过改变中性点接地方式和故障条件及其组合条件 故障初 相角 过渡电阻 rf 故障线路 故障点位置 做了大量的仿真 这些数据结果表明 1 基于暂态零序电流幅值比较的选线方法 在初相角大 过渡电阻小的时候适用 各次故障都能正确选线 灵敏度较高 所利用的电流值也较大 减小了测量和计算误差 而且在捕捉特征频带时 也可以通过特征频带上限截止频率出现的线路 即最大 f1 i 出现的线路 来确定故障线路 2 利用有功分量选线方法在过渡电阻很大 1000 以上 或者小初相角时适用 所 利用的故障电流值较小 但是各次故障都能正确选线 也具有较高灵敏度 3 通过线路零序电流有效值的判断可以减少大量线路的进一步判断 甚至可以直接 判断 若出线较多 故障线路零序电流比健全线路电流大很多时 这大大减少了运算量 西安理工大学硕士学位论文 46 5 结论 中性点非直接接地系统单相接地故障选线是几十年来未能很好解决的问题 由于各种 原因导致现有选线装置的正确动作率极低 为此 本文首先对这种系统单相接地故障时的 暂态零序电流和暂态相电流特征做了深入细致的分析 并提出了基于暂态零序电流集中式 比较的综合选线方法 主要内容和成果如下 1 分析了中性点非直接接地系统中 单相接地故障时暂态电流的幅频特性 提出 了 特征频带 自动捕捉的方法 2 基于零序电流暂态分量幅值比较与工频有功分量幅值比较算法 提出一种零序 电流幅值比较的综合选线方法 使之适用于装有零序 ta 的中性点不接地和经消弧线圈接 地系统 3 仿真数据和现场实录数据的测试结果都表明以上理论 算法 判据等的有效性 和适应性 致 谢 47 致谢 本文是在导师姚李孝教授的悉心指导下完成的 在此对姚老师表示衷心的感 谢 三年来姚老师对我在学习 科研和其他方面的教诲 关心和培养 令我受益 匪浅 终生难忘 姚老师严谨的治学态度 渊博的学识 敏锐的洞察力使我深受 教育 承蒙王德意教授和杨晓萍副教授在百忙之中审阅了本文的初稿 提出了许多 宝贵的意见和建议 在此深表感谢 非常感谢金昌供电局变电工区赵学文主任为本文提供了仿真验证的相关资 料信息和一些宝贵意见 感谢三年来在教研室里结识的很多同学 大家互相帮助 彼此探讨 共同提 高 结下了深厚的友谊 我将永远铭记在心 感谢我的父母和妻子 是他们给予我莫大的支持和鼓励 使得我能够全身心 地投入到学习和工作中 顺利完成论文工作 西安理工大学硕士学位论文 48 参考文献 1 张志竟 黄玉铮 电力系统继电保护原理与运行分析 m 北京 中国电力出版社 1998 2 贺家李 宋从矩 电力系统继电保护原理 第三版 m 北京 中国电力出版社 1994 3 中国电机工程学会自动化专委会配电自动化分专委会秘书组 配电自动化分专委会学术 讨论会讨论中关注的问题 j 电网技术 1999 23 1 68 69 4 桑在中 张慧芬 潘贞存等 用注入法实现小电流接地系统单相接地保护 j 电力系 统自动化 1996 20 2 11 12 5 王晓红 李群湛 陈小川 经消弧线圈接地系统单相接地选线研究 j 电力自动化设 备 2004 24 4 39 41 6 郝玉山 杨以涵 任元恒 等 小电流接地微机选线的群体比幅比相原理 j 电力情 报 1994 2 15 19 7 牟龙华 零序电流有功分量方向接地选线保护原理 j 电网技术 1999 23 9 60 62 8 齐郑 杨以涵 中性点非有效接地系统单相接地选线技术分析 j 电力系统自动 化 2004 28 14 1 5 9 杜丁香 徐玉琴 消弧线圈接地电网的有功选线 j 继电器 2002 30 5 33 36 10 张章亮 小电流接地系统单相接地机理分析 j 广东电力 1998 11 3 20 23 11 郝玉山 齐丽芳 尹永生 马文田 零序网络中的谐波电流分布 华北电力学院学报 1995 22 3 12 17 12 檀国彪 涂东明 陈大鹏 基于最大i sin 或 i sin 原理的微机选线装置 j 中国电力 1995 28 7 16 20 13 曾祥君 尹项根 张哲 等 配电网接地故障负序电流分布及接地保护原理研究 j 中国电机工程学报 2001 21 6 84 89 14 葛耀中 窦乘国 非直接接地系统中捡出单相接地线路的新方法 j 继电器 2001 29 9 1 5 15 曾祥君 尹项根 张哲 等 零序导纳馈线接地保护的研究 j 中国电机工程学报 2001 21 4 5 10 16 何奔腾 胡为进 能量法小电流接地选线原理 j 浙江大学学报 1998 32 4 451 457 17 刘宇 申东日 小电流接地系统单相接地选线的两种新思 j 继电器 1998 26 4 25 28 18 张兰 龚静 周有庆 小电流接地系统单相接地暂态保护判据研究 j 湖南大学学报 自 然科学版 2004 31 2 70 73 19 葛耀中 小波变换与继电保护技术 j 继电器 1998 26 4 1 6 20 操丰梅 苏沛浦 小波变换在配电自动化接地故障检测中的应用研究 j 电力系统自 参考文献 49 动化 1999 23 13 33 36 21 毛鹏 孙雅明 张兆宁 等 小波包在配电网单相接地故障选线中的应用 j 电网技 术 2000 24 6 9 13 22 贾清泉 肖鹏 杨以涵 等 小电流接地电网单相接地故障的小波选线方法 j 继电 器 2001 29 3 5 8 23 苏战涛 吕艳萍 一种基于小波包分析的小电流接地电网单相接地故障选线新方法 j 电网技术 2004 28 12 30 33 24 贾清泉 杨奇逊 杨以涵 基于故障测度概念与证据理论的配电网单相接地故障多判据 融合 j 中国电机工程学报 2003 23 12 6 11 25 贾清泉 刘连光 杨以涵等 应用小波检测故障突变特性实现配电网小电流故障选线保 护 j 中国电机工程学报 2001