（电工理论与新技术专业论文）小电流接地系统馈线故障定位方法及其应用研究.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t f a u l tl o c a t i o no fd i s t r i b u t i o nf e e d e r s w e l l k n o w nd i f f i c u l tp r o b l e mi nt h ew o r l d i nn e t w o r k sw i t hu n g r o u n d e dn e u t r a li sa m a n ye x p e r t sa n ds c h o l a r sa r ee n g a g e di n t h er e s e a r c ho ft h ef a u l t1 0 c a t i o nm e t h o d sa n dd e v i c e s t h ed e v i c ea l r e a d ye x i s t e d c a n ts a t i s f yt h ep r a c t i c a ln e e db e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef a u l ts i g n a l sa n d t h el i m i to ft e c h n i q u e t h i sp a p e ra i m st op u r p o s et h em e t h o do ff a u l tl o c a t i o no f d i s t r i b u t i o nf e e d e r si nn e t w o r k sw i t hu n g r o u n d e dn e u t r a la n di t sr e a l i z a t i o n t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y s e st h ef a u l tl o c a t i o nm e t h o d sa l r e a d ye x i s t e d a n d a n a l y s e st h ew a v e l e tn e u r a ln e t w o r ks p e c i a l l y t h e nt h ep a p e rm a k e ss i m u l a t i o no ft h e f a u l tp r o c e s so fd i s t r i b u t i o nf e e d e r si nn e t w o r k sw i t hu n g r o u n d e dn e u t r a lu s i n gt h e m a t l a b g e t st h ec h a r a c t e r sa n dc h a n g er u l e so ft h es y s t e mb e f o r ea n d a f t e rt h ef a u l t o c c u rw h i c hi st h et h e o r yb a s i so fr e s e a r c h b e c a u s eo ft h eb e n e f i to ft h es v m w e i n t r o d u c et h es v m c l u s t e r i n gi n t ot h ef a u l tl o c a t i o n t h e np r o p o s e st h ef a u l tl o c a t i o n m e t h o db a s e do nc l u s t e r i n gf s v m t h em e t h o di sg o o da tp r e c i s i o nf a u l tl o c a t i o ni n t h e o r y d u et ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h en e t w o r k so ft h es y s t e ma n dt h et e c h n i q u e n o w a d a y s t h i sp a p e ru s i n gt h ef u z z yt h e o r ya n di n f o r m a t i o nf u s i o nt op r o p o s et h e f a u l tl o c a t i o nm e t h o db a s e do nf u z z yi n f o r m a t i o nf u s i o n t h em e t h o di sg o o di nf a u l t l o c a t i o n w er e a l i z et h em e t h o db a s e do nf u z z yi n f o r m a t i o nf u s i o ni n t oad e v i c e w e t h i n ko ft h ec o m p l e x i t yo fl o c a l e a n t i j a m m i n go ft h ed e v i c ea n dr e a lt i m ed e m a n d s o ft h ef a u l tl o c a t i o nd e v i c e t h i sp a p e rd o e sag o o dj o bi nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n t h ed e v i c eb a s e do nt h ep r o p o s e dm e t h o di sg o o da tp r e c i s i o nf a u l tl o c a t i o n h i g hc r e d i b i l i t y h i g ha d a p t a b i l i t y e a s y t oo p e r a t i o n f u l lf u n c t i o na n ds i m p l e m a i n t e n a n c eg ow e l w j t ht r e en e t w o r kw i t hs e v e r a b r a n c h e s k e yw o r d s f a u l tl o c a t i o ns y s t e m s v m c l u s t e r i n g f u z z yt h e o r y i n f o r m a t i o nf u s i o n 1 1 1 硕十学位论文 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担 作者签名 日期 加年够月站日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被 查阅和借阅 本人授权湖南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 缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密曲 请在以上相应方框内打 4 作者签名 导师签名 吲敬敌 日期 础 日期 吲年 弘月站日 华月 日 硕士学位论文 第1 章绪论 电力工业在国民经济中具有很重要的地位 电能已成为现代化生产的主要动 力 随着人们生活水平的不断提高 它在国计民生中日益显示出举足轻重的作用 电力系统中任一环节的故障都可能造成发 供电中断 电能质量下降等严重后果 因此 及时查找故障位置并解除故障对保证电力系统安全可靠地运行和电能的质 量具有很重要的意义 1 1 小电流接地系统馈线故障定位的特点和意义 我国大多数中低压配电网均采用中性点不直接接地系统 即小电流接地系统 小电流接地系统直接面向用户 所以对其进行故障类型判别 故障隔离和故障处 理的研究是很有必要的 根据电力运行部门统计 小电流接地系统发生单相接地 故障的几率最高 虽然发生单相接地故障时 不能形成小阻抗短路 不影响对负 荷连续供电 故不必立即跳闸 规程规定可以继续运行8 小时 但会导致非故障 相电压升高 随着馈线的增多 电容电流也在增大 长时间运行就易使故障扩大 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 所以必须及时查找故障线路及大致的故障点 清除故障 小电流接地方式在限制了单相对地故障电流 提高了运行可靠性的同时 却 又面临着如何在故障后及时准确地找出故障线路 定位故障点的难题 由于变压 器中性点与大地没有连接或者串联了补偿用的消弧线圈 单相短路接地故障将不 会形成大的电流回路 故障电流主要靠线路对地电容提供 这个电流在数值上是 很小的 因为故障电流非常小 使得保护装置很难准确判断出故障出线 导致长 期以来小电流接地故障选线问题成为一个技术难题 近些年很多学者针对小电流 接地系统单相接地故障选线问题作了大量的研究 提出了很多种选线方法 如采 用基波零序电流或谐波电流的大小和方向进行故障选线 采用注入信号法故障选 线等 并根据不同方法开发研制了一些实际装置 但现场运行的结果表明 装置 的正确动作率并不是很高 如2 0 0 2 年 湖南某地区电网先后安装选线装置1 7 0 台 因选线效果不佳 先后退出1 4 6 台 退出率为8 6 有资料显示在沈阳 天 津 唐山 保定 石家庄 福建晋江等地的市区电网的调查结果也基本相似 调研结果表明目前平均8 0 的选线装置退出了运行 现场依旧普遍采用由运行人 员手动拉闸选线 大部分小电流接地选线装置处于有名无实的状态 至今对于中性点不直接接地系统关于馈线故障测距的研究相对较少 其原因 是该系统有以下几个特点 小电流接地系统馈线故障定位方法及其应用研究 1 一条馈线发生单相接地故障时 基波分量的幅值没有明显变化特征 难以 用单一馈线所观测的稳态基频分量来准确识别故障线路和实现故障点定位 2 故障测距所处理的拓扑结构与高压线路不同 并非是简单的 两点一线 的结构 由于配电网已直接靠近用户 所以配电网馈线拓扑结构大多属多变性的 拓扑结构 即馈线的供电距离并不固定 配电网有环网和辐射结构 但一般是开 环运行 多为单电源方式 3 同一电压母线上有多条馈线系统 且单相接地故障时仍能短时运行 因此 单相故障定位应在实现故障选线后再实现故障定段的基础上进行 因此 目前小电流接地系统中一般只配置了故障选线装置 而馈线故障定段 或测距装置甚少 且已有的选线装置选线正确率亦较低 开发研究高性能测距系 统的困难是存在的 但它的研究对彻底改善依靠配电工人巡线 查线来排除故障 的状况 是有重要实用价值的 它也是改善电能质量 提高供电可靠性的关键问 题之一 在湖南省电力科研基金项目及湖南省科技计划项目的资助下 本人所在的项 目组研制了小电流接地系统馈线故障定位装置一套 该装置力求具有定位准确性 高 工作可靠 适应性强 操作简单等特点 以期为配电自动化的全面实现提供 保障 1 2 国内外研究现状及其分析 国际上对小电流接地系统单相接地故障的理论研究较多 对接地保护的处理 方式各不相同 前苏联采用中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式 保护主要 采用零序功率方向原理和首半波原理 日本采用高阻抗接地方式和不接地方式 但电阻接地方式居多 其选线原理较为简单 不接地系统主要采用功率方向继电 器 电阻接地系统采用零序过电流保护瞬间切除故障线路 近年来一些国家在如 何获取零序电流信号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 美国电网中性点主要采用电阻接地方式 利用零序过电流保护瞬问 切除故障线路 但故障跳闸仅用于中性点经低阻接地系统 对高阻接地系统 接 地时仅有报警功能 法国过去以电阻接地方式居多 利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 已开始采用自 动调谐的消弧线圈以补偿电容电流 并为解决此种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 但还未应用于具体装置 1 挪威一公司采 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 分段悬挂在线路和分叉点上 加拿大一公司研制的微机式接地故障 硕士学位论文 l i1 i l l 自 l 目目t i l l 继电器也采用了零序过电流的保护原理 其软件算法部分采用了沃尔什函数 以 提高计算接地故障电流有效值的速度 我国从1 9 5 8 年开始研究 保护方案从零序 电流过流到无功方向保护 从基波方案发展到五次谐波方案 步进式继电器到群 体比幅比相以及首半波方案 并先后推出了不少产品 如许昌继电器厂的z d 系 列产品 北京自动化设备厂的x j d 系列装置 中国矿大的u p l 型微机检测装置 和华北电力大学研制的系列微机选线装置 山东工业大学研制的基于s 注入法 t y 0 1 t y 0 2 型微机选线装置等 9 0 年代以来 开始进行将人工神经网络及专 家系统方法应用于保护的理论研究 目前所提出的故障定位方法主要有 1 故障测距法 包括阻抗法和行波法 选用本侧测量信息计算故障阻 抗的测距算法计算方法比较复杂 如利用牛顿拉夫逊方法 傅立叶级数方法 晟 小二乘估计等 但不能消除过渡电阻的影响以及系统建模 参数简化 分量提取 等环节势必产生一定的原理性误差 小电流接地系统不同于中性点直接接地系统 其故障前后基频分量变化很小 且绝大多数是间歇性瞬时故障 暂态波形畸变严 重 不可能精确提取基频分量 故基于基频分量的测距方法误差必然较大 在这 种情况下 采用时域采样的测距方法误差将会更大 探测精度不高 随着小波理 论的成熟 行波法近来发展非常迅速 测距精度大大提高 但行波法主要用于分 支少的高压输电线路 为对于多分支的1 0 k v 配电系统 仅以故障点的电气距离难 以判断其地理位置 2 户外故障点探测 此方法主要根据接地点前后高次谐波零序电流所生的 磁场大小来确定故障点 但零序电流与电网的分布电容大小及接地方式有关 所 以探测精度不高 国外对此已有研究和应用报道 如挪威的分段悬挂在线路和分 叉点上的悬挂式接地故障指示器等 但其投资较大 不利于大面积推广 3 利用五次谐波零序电场 磁场探测接地点法 线路空间电场和磁场可反 映该线路的零序电流和零序电压 测量空间电场和磁场的高次谐波并分析其幅值 和相位关系可判断小电流接地系统单相接地的故障点 是一种问接探测故障点的 新方法 3 n 次谐波在系统正常运行时为同相位 难以与故障时容性电流相区分 不适合作为检测信号 由于系统中5 次谐波含量较高 故选择5 次谐波作为检测 信号是合适的 已有基于该方法的装置 但是利用该方法如何提高检测装置的灵 敏度和抗干扰能力 是其推广应用的关键 目前尚未得到很好的解决 4 s 注入法 它不利用小电流接地系统单相接地的故障量 而是利用 单相接地时原边被短接暂时处于不工作状态的接地相p t 人为地向系统注入一个 特殊信号电流 用寻迹原理即通过检测 跟踪该信号的通路来实现接地故障选线 当系统发生单相接地时 注入信号电流仅在接地线路接地相中流动 并经接 地点入地 利用一种只反映注入信号而不反映工频及其谐波成分的信号电流探测 小电流接地系统馈线故障定位方法及其应用研究 器 对注入电流进行寻迹 就可实现单相接地故障选线 但目前投入使用的基于 该原理的装置只有选线功能 并不具有定位及测距功能 5 小波神经网络法 该方法根据目标问题采用小波分析方法 对故障暂态 信息提取特征分量 然后利用神经网络来实现故障特征分量和故障点位置之间的 映射 从而实现故障点精确定位 1 但网络训练需要各种故障情况下的样本 而在电力系统中需要的历史数据一般不能通过大量的试验获得 只能采用监测电 路发生的故障 即使采用无导师的训练模式 仍是基于基频分量 建立在傅氏算 法基础上 网络训练时间较长 随着配电自动化水平的提高 故障线路的允许切 除时间大大缩短 因此此方法的具体应用尚需进一步的研究 综上所述 小电流接地系统故障定位问题的理论研究较为活跃 但应用于现 场实际的定位装置却很少 且现有的故障选线装置准确率亦较低 与配电网自动 化水平不相适应 很有必要对此进行进一步的研究 1 3 本论文的主要工作 综上所述 小电流接地系统馈线故障定位是一个长期以来世界公认的技术难 题 随着科技水平的发展及供电质量要求的提高 原有的小电流接地系统中馈线 故障检测的方法已不能满足要求 现阶段变电站综合自动化水平的发展 一方面 为实现馈线高精度故障选线和测距提供了前提 另一方面也迫切需要发展新的高 精度故障选线和测距方法 以便快速查找 排除故障 缩短停电时间 保证供电 质量 为此本论文将致力于以下几方面的工作 1 广泛吸收国内外相关研究成果 包括小电流接地系统故障时的故障特征 已有的小电流接地系统故障选线与测距原理等 对已经提出的选线原理进行分析 分析各种方法的优势及不足 为本文的研究奠定理论基础 2 对不同接地方式的小电流接地系统故障机理进行深入分析 并利用当前在 工程上应用广泛的m a t l a b 的s i m u l i n k 和p o w e rs y s t e mb l o c k e t 工具箱 建立小 电流接地系统的仿真模型 并获得仿真数据 3 根据中低压配电网的特点和目前技术手段 将支持向量机 聚类分析 模 糊理论及信息融合应用到小电流接地系统故障定位中 提出定位 f 确率较高的小 电流接地系统馈线故障定位方法 基于聚类模糊支持向量机 f s v m 的小电流 接地系统馈线故障定位方法及基于模糊信息融合的小电流接地系统馈线故障定位 方法 4 研究基于模糊信息融合的小电流接地系统馈线故障定位方法的实现 研制 小电流接地系统馈线单相接地故障定段系统 该系统主要由注入信号子系统 故 障判相子系统 信号检测子系统 无线通信子系统构成 硕士学位论文 第2 章馈线故障过程分析及仿真 本章将详尽分析电力系统中性点的各种接地方式及其特点 重点研究中性点 不直接接地系统中各种馈线故障时的电气量变化规律及特点 并利用m a t l a b 工具 进行相应仿真 1 为后续研究奠定理论基础 2 1 电力系统中性点接地方式概述 电力系统的中性点是指星形连接的变压器或发电机的中性点 这些中性点的 运行方式是个复杂的综合性的技术问题 它关系到绝缘水平 接地保护方式 电 压等级和系统稳定等很多方面 目前配电网中性点接地方式分为三种 中性点直接接地系统 中性点不接地 系统和中性点经消弧线圈接地系统 电力系统采用何种接地方式 对于电气设备和线路的绝缘水平及杆塔空气间 隙有很大的影响 如采用中性点直接接地系统 其要求的绝缘水平比中性点非接 地系统要低得多 同时 中性点采用何种接地方式对邻近通信的影响也有很大区 别 中性点直接按地系统的电磁影响比中性点非直接接地系统要大得多 在我国 通常采用的方式有以下几种 1 1 1 0 k v 及以上电压等级的电力系统采用直接接地方式 2 3 5 k v 电压等级的电力系统采用不接地方式或采用经消弧线圈接地方式 3 1 0 k v 6 k v 电压等级的电力系统常采用不按地方式 2 1 1 中性点直接接地系统 将中性点直接与地连接的电力系统 称为中性点直接接地系统 因接地时流 入大地电流一般都大于5 0 0 a 因此也称为大接地电流系统 如图2 1 所示 这种 系统中性点的电位固定为地电位 当某一相由于对地绝缘损坏造成接地时 便形 成单相短路 由于中性点的电位被固定为零 未接地相电位不升高 因而相对地的绝缘水 平决定于相电压 这就大大降低了电力网的造价 电压等级愈高 其经济效益愈 显著 这就是中性点直接接地系统的优点 当中性点直接接地系统发生单相短路时 短路电流很大 危害严重 故障线 路不能继续运行 并在继电保护作用下 故障线路将被切除 供电连续性中断 在中性点直接接地系统中 一般只将一部分中性点接地 可以减小单相短路电流 同时在输电线路上装设自动重合闸装置 以提高这种系统的供电可靠性 小电流接地系统馈线故障定位方法及其应用研究 c o p 1 f j 图2 1 中性点直接接地短路 目前我国电压为2 2 0 k v 及以上电力系统都采用中性点直接接地运行方式 l l o k v 系统中也大都采用中性点直接接地运行方式 低压3 8 0 1 2 2 0 v 三相四线制配 电网也采用中性点直接接地运行方式 2 1 2 中性点经消弧线圈接地系统 中性点经消弧线圈接地系统与中性点不接地系统因系统接地时流入大地的电 流较小 也叫小电流接地系统 随着系统容量的扩大 电网额定电压的升高及中性点接地电流的增大 若发 生瞬时接地故障 电弧不易自动熄灭 所产生的弧光接地过电压威胁系统安全 可采用经消弧线圈接她的方式对容性电流进行补偿 经消弧线圈接地系统故障电 流分布如图2 2 所示 a c 荡 c 0 1z 图2 2 经消弧线圈接地系统故障电流分布 消弧线圈是一个具有铁芯的可调电感线圈 外形类似单相变压器 它装设在 变压器或发电机星形接线的中性点 当发生单相接地故障时 故障点接地电流除 电容电流外 还有消弧线圈的电感电流 由于电感电流和电容电流相位相反 因 硕士学位论文 l i j t 目l e j e 目 此抵消电容电流 使故障点电弧易自动熄灭 另外 当接地电流过零值而电弧熄 灭之后 消弧线圈的存在可以显著减小故障相电压的恢复速度 从而减小了电弧 重燃的可能性 使单相接地故障自动消除 正常运行时 因消弧线圈的阻抗较大 各相对地电容相等 中性点对地电压 为零 消弧线圈中没有电流通过 单相接地故障时 接地故障电流 超前故障相对地电压u w 9 0 电感电 流 c 滞后c 一9 0 l 和 相角差为1 8 0 即方向相反 如图2 3 所示 在接地处 z 和 相互抵消 称为电感电流对接地电流的补偿 如果适当选择消 弧线圈的匝数 就可使接地处的电流变得很小或等于零 从而消除了接地处的电 弧及由它产生的危害 图2 3 消弧线圈接地故障相量图 在讨论消弧线圈的补偿时 经常使用补偿度和脱谐度两个概念 障时 消弧线圈的电感电流对接地电流的比值 称为补偿度k 即 k 二l j c r 电容电流与电感电流的差值同电容电流之比 称为脱谐度v 即 单相接地故 2 1 v 1k 型 c 2 2 根据电感电流对电容电流的补偿程度 消弧线圈的补偿方式有全补偿 欠补 偿和过补偿三种不同的方式 通常系统中采用过补偿方式 1 全补偿 补偿后电感电流等于电容电流 补偿度k l 或是满足 w l 1 3 w c 即补偿后的感抗等于线路容抗 消弧线圈通过大地与三相电容构成 串联谐振回路 当三相对地电容大小不等时 中性点对地会出现 定的电压 将 小电流接地系统馈线故障定位方法及其应用研究 在串联谐振回路产生很大的电流 使消弧线圈有很大的压降 结果 中性点对地 电压升高 可能造成设备的绝缘损坏 因此 一般不采用完全补偿方式 2 欠补偿 补偿后电感电流小于电容电流 补偿度k 1 3 w c 即补偿后的感抗大于线路容抗 在欠补偿时 可能在切除部分运行 线路时使相对地电容减小 或由于频率下降等原因 使容抗增大 电容电流下降 结果变成完全补偿 产生满足谐振的条件 因此 装在电网中的变压器中性点的 消弧线圈 以及具有直配线的发电机中性点的消弧线圈 一般不采用欠补偿方式 3 过补偿 补偿后电感电流大于电容电流 补偿度k 1 或是满足 w l 1 3 w c 即补偿后的感抗小于线路容抗 这种补偿方式不会产生串联谐振 因为当电容电流减小时 过补偿电流更大 不会变为完全补偿 另外 即使 将 来电网发展 原有的消弧线圈还可以使用 因此 装在电网中的变压器中性点的 消弧线圈 以及具有直配线的发电机中性点的消弧线圈 应采用过补偿方式 但 过补偿电流不能超过1 0 a 否则 接地处的电弧不能自动熄灭 由于消弧线圈可以有效的减小单相接地电流 迅速熄灭故障处的电弧 防止 问歇性电弧接地时产生的过电压 故广泛应用于3 6 0 k v 电力系统 我国规定 凡不符合中性点不接地运行方式的3 6 0 k v 系统 均应采用中性点经消弧线圈接 地的运行方式 个别雷害事故较严重地区的1 1 0 k v 系统 为减少由于雷击造成的 单相闪络而引起的线路断路器跳闸的次数 提高供电可靠性 也可采用经消弧线 圈接地的运行方式 电压等级更高的系统一般不采用经消弧线圈接地的运行方式 2 1 3 中 眭点不接地系统 中性点不接地系统的供电可靠性较高 在这种系统中发生单相接地故障时 不构成短路回路 接地相电流不大 不必切除接地相 但这时非接地相的对地电 压却升高为相电压的 3 倍 因此 对绝缘水平要求高 中性点不接地系统正常运行时 线路每相的分布电容是近似相等的 而相电 压u 一 u s u c 是对称的 因此产生的三相电容电流相等 矢量和为零 流经大 地的总电流为0 而当某一相故障时 对称结构破坏 相电压发生变化 j 图2 4 中性点不接地系统正常运行时电容电流分布 硕士学位论文 中性点不接地系统正常运行时的电容电流分布如图2 4 所示 图中ic a 1 c c 指线路的电容电流 当某一相导线与地之间的绝缘受到破坏 称为单相接地故障 若接地处的电 阻近似于零 称为完全接地或金属性接地 否则称为不完全接地 中性点不接地系统单相 a 相 完全接地故障时的电容电流分布如图2 5 所 不 图2 5 中性点不接地系统单相 a 相 故障电容电流分布 由图2 5 可以看出 故障相a 相的对地电压u 又称为绝缘电压 由于接地 变为0 非故障相电压 u u c 上升为线电压 故障时 中性点电压上升为相电压 易 a b c 三相对地电压分别为 u a 0 2 3 u 自 e 口一e a u d e c e 即非接地相相电压升高 3 倍 零序电压为 6 u a u b u c 壹 3 这时a 相对地电容电流为零 b c 相对地电容电流增大 3 倍 容电流之和不再为零 大地中有电流流过 并通过接地点成为回路 处的电容电流 即接地电流 为 i 目 k 电流为容性电流 i c n 3 w c u 式中u 一 电源的相电压 单位 矿 w 一 角频率 单位 r a d s c 一一相对地电容 单位 f 2 4 2 5 2 6 三相对地电 则a 相接地 其有效值为 2 7 小电流接地系统馈线故障定位方法及其应用研究 上式表明 在中性点不接地系统中 单相接地电流等于正常运行时相对地电 容电流的3 倍 其值与网络的电压 频率和相对地电容的大小有关 而相对地电 容又与线路的结构 电缆或架空线 和长度有关 实用计算中按下式计算 对架空线路 u l 3 5 0 f 2 8 1 对电缆线路 丝 u 1 0 f 2 9 1 式中u 一一电网的线电压 单位 k v 三一一相同电压等级的具有电联系的所有线路的总长度 单位 o n 当发生的是不完全接地 即故障经过一定的电阻接地 此时接地相对地电压 大于零而小于相电压 未接地相对地电压大于相电压而小于线电压 中性点电压 大于零而小于相电压 线电压仍保持不变 接地电流比完全接地时要小一些 在中性点不接地系统中 线路和电气设备的对地绝缘水平都是按线电压设计 的 虽然非故障相对地电压升高到 3 倍 对设备的绝缘水平并不会造成破坏 但 若长期带接地故障运行可能会引起非故障相绝缘薄弱处的损坏 继而发展成为两 相短路 所以在中性点不接地系统中 一般都设有绝缘监测装置或继电保护装置 当发生单相接地故障时 发出接地故障信号 使值班人员尽快采取行动 查找故 障位置并消除故障 据统计 电力网中单相接地故障约占全部短路故障的7 0 特别是3 5 k v 及 以下的电力网 由于单相接地电流不大 一般接地电弧能自动熄灭 所以这种电 力网采用中性点不接地方式最为合适 但当接地电流较大 大于3 0 a 时 将产 生稳定的电弧 形成持续性的电弧接地 电弧的大小与接地电流成难比 强烈的 电弧将会损坏设备 甚至导致相间短路 当接地电流小于3 0 a 而大于5 a 时 有 可能产生间歇性电弧 出现间歇性过电压 其幅值可达2 5 3 倍相电压 足以危 及整个网络的绝缘 故对整个电力网的绝缘水平要求高 对电压等级较高的电力 网 其绝缘方面的投资大为增加 所以中性点不接地系统的适用范围为 1 电压低于5 0 0 v 的三相三线制装置 2 3 1 0 k v 系统当接地电流 3 0 a 时 3 2 0 6 0 k v 系统当接地电流 1 0 a 时 与发电机有直接电气联系的3 2 0 v 系统 如要求发电机能带内部单相接地故 障运行 当接地电流s 5 a 时 如不能满足以上条件 通常采用中性点经消弧线圈接地方式或中性点直接接 地方式 硕士学位论文 2 2 小电流接地系统馈线故障过程分析 2 2 1 单相接地故障 设中性点不接地系统中三相对地导纳为e 磊 疙 各相对d 点的电压和 相电压分别为6 6 u 和6 6 6 中性点位移电压为6 其 电压向量如图2 6 所示 由图2 6 可得 c 图2 6 中性点位移电压相量图 u d u a u o d u c d u c o u o d u 2 1 0 2 1 1 2 1 2 利用地中电流总和为零的关系 可得 u u 耐 l u s o u o d u c 0 u 耐 圪 0 2 1 3 中性点位移电压为 6 一些芝生掣 l 2 1 4 正常运行时 各相对地电容为c g c c 对地泄露电阻为 o 如图2 7 所示 则相对地导纳为 小电流接地系统馈线故障定位方法及其应用研究 c 专 图2 7 中性点不接地系统电路图 l j w c 2 1 5 二 一c 8 2 1 6 竞 一1 j w c 2 17 cc 21 一 设 如 乇 r 取u 作为基准相量 将式 2 1 5 2 1 6 2 1 7 代入式 2 1 4 整理得 吭一以 篙j w c 嚣c 裂一吮 南 b c c 二 1 o 铒 式中p 一一电网的不对称度 p c a a 2 c b a c c 2 1 9 c 月 c 口 c c d 一一电网的阻尼率 d r w c d 十c b c c 一般电网中 p 0 5 1 5 d 3 5 电压是很小的 2 2 0 所以正常运行时 中性点位移 由于泄露电导比电容电纳小的多 可以忽略不计 同时可认为三相对地电容 相等 即一1 0 c a c c c c o 当a 相经过渡电阻r 接地时 各相对地的导纳 变为 e 2 击 鸠 眩z 硕士学位论文 一c o 2 2 2 将式 2 2 1 和式 2 2 2 代入式 2 1 4 可得单相接地时的 为 址一生三罴等兰一击坦 s 玄 3 w c 0 一 矿 或 一u u o a j 3 w c o r u 2 2 4 分析式 2 2 4 可知 当震 变化时 相量叱始端的轨迹是以接地相电压相 量矿 为直径的位于其顺时针方向一侧的半圆 如图2 8 所示 这个相量图是分 析单相接地的基础 u 凸 u j 3 w c o r u 村 u 图2 8r 变化时的中性点位移电压轨迹 以a 相接地为例 由图2 8 中可见 没有接地时 r o o o 当产生完全接地时 且 o u u 为相电压值 即r 从c o o 则 在0 u 内变化 单相接地的程度可以用接地系数k 来表征 它等于中性点位移电压和相电压 之比 即 k u 0 k 1 2 2 5 收入k 以后 图2 8 可以变换成图2 9 所示 小电流接地系统馈线故障定位方法及其应用研究 图2 9 用接地系数k 表示的电压相量图 由图2 9 可以求得各相对地电压与k 的函数关系为 u j d u 1 一k 2 2 2 6 r 二 u u l 2 k 2 一c 3 0 k 2 2 2 7 r u c d u x 4 1 2 k 2 k j 3 1 一露2 1 2 2 8 根据上三式 可以得出各相对地电压和k 值的关系曲线 如图2 1 0 所示 图 中标出了各特征点的数值 1 当k 值在o 1 变化时 接地相对地电压u a 在u o 之间变化 接地 相对地电压总是降低的 2 在o 6 5 5 k 1 范围内变化时 非接地相对地电压u b a 是升高的 且不 超过线电压 在0 k 0 6 5 5 范围内变化时 非接地相对地电压u b a 是降低的 其最小值u b a 0 8 3 2 u 对应于k 0 3 4 9 在0 k 0 5 范围内 u b d u a d 接地相的对地电压不是最低 3 当k 值在0 1 变化时 非接地相对地电压u c a 总是升高的 在0 7 5 6 k 1 范围内 非接地相对地电压u o 升高超过线电压 其最大值 u c 1 8 2 u 对应于k 0 9 3 7 由图2 1 0 得 在0 k i 0 时 对同一k 值 c 相的对地电压总是大于a 相 和b 相的对地电压 由此可以得出判别接地相的规律为 单相不完全接地时 以 电压的正相序 a b c a 为准 对地电压最高相的下一相为接地相 硕士学位论文 图2 1 0 各相对地电压和k 值的关系 以a 相接地为例 若电网中性点经消弧线圈接地 则 u a ua o 2 碡 1 朋 3 w c 一 f 2 2 9 式中l 一一消弧线圈的电感 由于一般采用过补偿方式 所以3 w c 之 这 眦 样 可导出下述规律 单相不完全接地时 以正序 a b c a 为准 对地 电压最高相的上一相为接地相 表2 1 列出判断接地故障相的主要方法 表2 1 判断接地故障相主要方法 运行条件接地故障相 中性点绝缘中性点经消弧线圈接地 按 f 序 对地电压最高相的下一相 欠补偿 中性点经消弧线圈接地 过补偿 按正序 对地电压最高相的上一相 表2 2 辅助判断接地故障相的方法 判断条件接地故障相 m m 1 7 3 2指示u 所在相 u o 8 3 2 u u u 1 7 3 2 无法判断 u u 1 7 3 2指示u 所在相 小电流接地系统馈线故障定位方法及其应用研究 注 u 一 u u 分别表示指示值最大 中间和最小的电压表指示值 以上两种方法同时采用 可以更准确迅速地判断出故障相 2 2 2 单相断线故障 若某线路a 相断线但不接地时 则a 相对地电容减小 设非断线相对地电容 相等 即q c c c o 令 拿 m o 聊 1 o 2 3 0 e 如果忽略泄露电导 则 吭 一 鬲m 1 u 2 3 1 一 j 2 3 1 由于m 1 0 所以 和u 是同方向的相量图如图2 1 1 所示 当没有断线 时 m 2 1 o 2 0 假定完全断线使该相对地电容为零时 聊 o 圭u 相量 的起点正落在线电压u 的中点d 上 可见 各种断线情况使m 在o 1 0 之间变化时 相量u 始端的轨迹是图2 1 1 中线段o d 各相对地电压相量如图 2 1 1 所示 e 图2 1i 单相断线电压相量图 由此得出 断线相对地电压升高 变化范围是u 1 5 u 非断线相对地电压 降低且两相相等 变化范围是玑一孚u 结合上述对单相接地的分析可知 当k 0 6 5 5 时 对地电压也是一相升高 硕士学位论文 两相降低 但降低相的电压除了k o 5 一点之外 其余情况是不相等的 这是与 单相断线的区别 当k o 5 时 升高相的电压为1 5 u 降低相的电压相等为 f v l 3 以 这和单相断线m 0 对的三相对地电压是完全相同的 但m 0 的情况实际 是不可能的 因为一个网络一般不是只有 条线路运行 且有母线和其他电气设 备的对地电容 2 2 3 两相短路故障 假设b c 两相在f 点短路 如下图2 1 2 所示 各相对地电压为u m u m u t 一c 一古 一以 j 图2 1 2 两相短路 由于流入地中的电流为零 故没有零序网络 两相短路的特点 i 两相短路时 短路电流及电压不存在零序分量 2 两相短路故障时故障相 短路相 中的电流大小相等方向相反 大小为 正序电流 3 倍 超前相故障电流落后正常相正序电流9 0 3 短路点 故障褶的电压方向相同 大小相等 为非故障相电压的一半 方向与非故障相电压方向相反 非故障相的电压大小不变 仍为原来值 2 2 4 两相接地短路故障 假设b c 两相在厂点短路接地 如下图2 1 3 厂 图2 13 两相短路接地 小电流接地系统馈线故障定位方法及其应用研究 其复合序网如下图2 1 4 z 0 图2 1 4 两相短路接地复合序网 u 一一正常时厂点电压 u z 一一正序网中的正序电压和正序总阻抗 u z 一一负序网中的负序电压和负序总阻抗 u z 一一零序网中的零序电压和零序总阻抗 由复合序网及砌0 坐标变换可得 假设z z 且令k 0 z z l l 唬 3 u 去 府 贵 u 扫 u 弦 0 式中 u 一一正常时厂的a 相电压 2 2 5 两相断线故障 2 3 2 2 3 3 当b c 两相在同一地点断线时 令 鱼 呈 m 0 1 0 2 3 4 c q 电网的不对称度p 和 分别为 l m p 2 f 丽 2 3 5 uu 2 3 6 一 忑 2 由于0 m 1 0 所以u 和非断线相u 的方向相反 如下图2 1 5 所示 当m 在o 1 0 之间变化时 向量u 始端的轨迹是线段o a 各相对地电压 也示于图上 硕士学位论文 囝2 1 5 两相断线电压向量图 2 2 6 三相短路故障 三相对称性短路时的特殊条件为 三相短路电流是对称的 越靠近变电站首 端 短路时的电流幅值越大 三相短路电压也是对称的 短路点电压为零 其特 点为 1 三相短路为对称性短路 三个故障相短路电流值相等 相位互差1 2 0 因此当短路稳定后 零序电流和零序电压等于零 没有负荷电流 2 短路点电压等于零 3 三相短路电流要比两相短路电流大 为后者的2 3 倍 2 3 基于m a t l a b 的馈线故障建模与仿真 m a t l a b 是美国m a t h w o r k s 公司1 9 8 2 年推出的高性能的数值计算和可视化 软件产品 由于m a t l a b 语言程序效率高 程序设计灵活 图形功能强 自从 问世以来 在教学 科研等领域应用越来越广泛 从m a t l a b 5 2 版本开始增加 了一个由加拿大魁北克电力公司开发的专用于电力系统分析的电力系统模块 p s b p o w e rs y s t e mb l o c k s e t 该仿真工具箱的出现 无疑为电力系统分析提供了 一种新的行之有效的途径 再借助其它模块库或工具箱以及自己在s i m u l i n k 下搭 建的模块 在提供的仿真平台上可以进行电力系统的仿真计算 使用m a t l a b 软件进行电力系统数字仿真 具有三个突出的优势 第一 电力系统仿真工具箱 功能强大 工具箱内部的元件库提供了经常使用的各种电力元件数学模型 并且 提供了可以自己编程的方式创建适合的元件模型 第二 强大的m a t l a b 平台 在相同的平台上 m a t l a b 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 第三 友好的界面 友好的界面充分体现了软件使用的难易程度 2 0 0 4 年0 9 月1 3 日发行的m a t l a b7 0s p l 版本是最新发布的m a t l a b 版本 工具包齐全 更新了大量的工具包 这旱我们就应用该软件进行仿真 l 小电流接地系统馈线故障定位方法及其应用研究 2 3 1 系统建模和实现 1 长输电线的参数 建模和实现 架空输电线路的参数胄 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 有些参数还是频率的函数 研究短路和潮流时只需要工频正序 零序参 数 它们可以从手册中查到 或是计算出来 m a t l a b 仿真工具箱提供了长输电 线路的两种数学模型 分别是集中参数兀型链模型和行波法的贝杰龙数学模型 图2 1 6 是单回三相线路的换位方式 图2 1 7 图2 1 8 是采用工具箱的两种数学 模型对图2 1 6 的仿真实现 a b c 图2 1 6 单回三相线路的换位方式 ih r e e p h a s p ls e c t i o nl i n e 图2 1 7m a t l a b 羹中参数线路n 型链模型 亡 一 口 l 一 c 一 d i s t r i b u t e dp ar a m e t e r sl i n e 图2 1 8m a t l a b 分布参数贝杰龙线路数学模型 2 接地点的建模和实现 对接地点的建模 m a t l a b 工具箱提供了专门的实现途径 三相电路短路故 障发生器元件 如图2 1 9 所示 可以通过对其参数的设置选择故障相 故障点电 阻 故障相接地 转换时间和测量量等 t hr e e p h a s ef a u i t 图2 1 9 单相接地点模型 3 系统集成 小电流接地系统是电力传输网的中间环节 根据电网络分割理论和等效代换 硕士学位论文 置 e i e e l e 日 e 自日 日e i 目 l l 日l j e 目i i 矗 理论 可将小电流接地系统从整个网络中分立出来为突出主要因素 将小电流按 地系统的入端简化为无穷大容量的三相电压源 出端以等效的负荷形式代换 参 数根据出端的功率和功率因数计算得到 如母线中性点有消弧线圈接地的系统 可将消弧线圈简化为电感和电阻 电感的数值可根据系统的接地电容电流和消弧 线圈的补偿度计算得到 所谓无穷大容量电源是指内阻抗为零的电源 当电源内阻抗为零时 不管供 出的电流如何变动 电源内部均不产生压降 电源母线上的输出电压维持不变 实际上电源的容量不可能无限大 这里所说的无限大容量是个相对的容量 2 3 2 仿真实例 本文所采用的算例如图2 2 0 所示 是一个简单的具有3 条出线的1 0 k v 系统 一录f 乇 卜 卜互p 卜 l i n l l 2 圈2 2 0 小电流接地系统仿真实例 在m a t l a b 下建立系统仿真图如图2 2 l 所示 p h m s t 4 u n 舳j 椎 o 图2 2 l 小电流接地系统仿真模型 线路的零序电抗z o 0 5 8 1 5 9 f 2 k m 正序电抗z 0 4 3 j 0 3 6 f 2 k m 线路 小电流接地系统馈线故障定位方法及其应用研究 的长度分别为l i n e l 8 k m l i n e 2 6 k m l i n e 3 1 7 k m 因1 0 k v 系统线路的每相 对地电容是一个