小电流选线方法的分析研究题库.doc

西安交通大学论文小电流选线方法的分析研究申请人：*学科（专业）：电力系统及其自动化指导教师：赵*教授2012年03月西安交通大学网络教育学院毕业设计(论文)任务书专业班级电力系统及其自动化层次本科姓名*学号：200909605003一、毕业设计（论文）题目 小电流选线方法的分析研究二、毕业设计（论文）工作自2011年12月21日起至 2012 年3月26日止三、毕业设计（论文）基本要求： 指导教师：西安交通大学网络教育学院毕业设计(论文)考核评议书指导教师评语：建议成绩： 指导教师签名： 年 月 日答辩小组意见：负责人签名： 年 月 日答辩小组成员 毕业设计（论文）答辩委员会意见：负责人签名： 年 月 日论文题目：小电流选线方法的分析研究学科（专业）：电力系统及其自动化申请人：*指导教师：赵*教授摘 要近年来，随着我国市场经济的迅速发展，城市化建设的不断加快，第二产业的迅猛发展，越来越多的行业使用电力设备。小电流在日常生活与生产中应用的比较广泛，我国大多数配电网采用中性点不直接接地系统（NUGS），即小电流接地系统。小电流接地选线装置对提高供电可靠性起着重要的作用，小电流接地选线方法研究及新的高性能选线装置具有较大的潜力和挑战性。为了让小电流选线问题得到解决，能够很好地运用于日常生活与生产之中，让小电流选线问题的解决为我国经济发展带来前所未有的贡献。关键词：小电流；选线方法；分析；研究论文类型：理论研究ABSTRACTInrecentyears,withtherapiddevelopmentofmarketeconomyinChina,citytochangeconstructioncontinuestoaccelerate,theswiftandviolentdevelopmentofthesecondindustry,moreandmoreindustriesuseelectricalequipment.Smallcurrentindailylifeandproductionintheapplicationrange,themajorityofourdistributionnetworkwithneutralpointindirectgroundsystem(NUGS),namelythesmallcurrentgroundingsystem.Smallcurrentgroundinglineselectiondeviceforimprovingpowersupplyreliabilityplaysanimportantrole,smallcurrentgroundinglineselectionmethodandanewhighperformancelineselectiondevicehasalargepotentialandchallenges.Inordertoletthesmallcurrentlineselectionproblemsaresolved,canbeusedindailylifeandproduction,makesmallcurrentlineselectionproblemforourcountryeconomydevelopmentbringshithertounknowncontribution.KEYWORD:Methodoffaultlineselectionforsmallcurrent,analysis,research目录前言71、小电流选线的含义、特点、装置设备、应用81.1、零序功率方向原理91.2、谐波电流方向原理91.3、外加高频信号电流原理101.4、首半波原理102、小电流选线的方法102.1、零序电流比幅比相法102.2、五次谐波法112.3、有功法112.4、小波法112.5、残流增量法122.6、“S”注入法123、小电流接地系统方法分析研究的结果与讨论133.1、小电流接地电网单相接地故障选线新方法133.1.1、故障选相法143.2、小电流接地电网单相接地过渡过程的特点15结论16参考文献17致谢18前言小电流选线全称小电流接地选线装置，简称小电流，是一种电力行业使用的保护设备。该设备适用于3KV66KV中性点不接地或中性点经电阻，消弧线圈接地系统的单相接地选线，用于电力系统的变电站、发电厂、水电站及化工、采油、冶金、煤炭、铁路等大型厂矿企业的供电系统，能够指示出发生单相接地故障的线路。研究小电流选线方法，有利于日常生活生产中的广泛运用，把小电流选线装置运用到实处，小电流接地选线装置解决了TV断线时乱选线的问题，具有失电报警功能：装置内装有报警继电器，掉电后，继电器接点即刻返回闭合，使外接音响自动报警（接点容量：AC110V，0.5A）；故障报警功能：装置具有自检功能，装置出现故障时，可通过继电器接点自动接通报警线路报警（接点容量：AC110V，0.5A）；消除谐振功能：可以彻底有效地消除各种频率的铁磁谐振（用户可选配）；自命名功能：用户随时可以自己编写或修改线路名称。装置配有SD卡，用户可在自己的计算机上将编好的内容拷贝到SD卡中，再放入装置的SD卡读口，装置可自动读入；通讯功能：可提供RS232、RS485和以太网（用户选配）与上位机通讯；硬件时钟功能：采用硬件时钟，装置掉电后不影响走时。小电流选线装置还可以解决以下问题：(1) 全面认识小电流接地系统单相接地故障的特点,研究更有效的单相接地故障原理,制造出效果更好的选线装置;(2) 研究适合配电网的故障测距原理,制造出效果更好的测距装置;(3) 利用现代信息技术、计算机技术、信号处理技术及网络技术,提高在线故障定位的自动化水平和准确性。目前为止，小电流选线还有更多的有效方法没有被大众所知晓与采用，小电流选线装置的实用性还有更大的上升空间。本论文对小电流选线方法从其装置、设备、应用与作用等进行研究，证明小电流选线方法的科学性与其在实践上的不足。让小电流选线装置更好的运用于实际，将其科学性与现实生活生产结合起来，顺应社会经济生活的发展，为社会生产提供便利的条件，让我国经济发展迅速，核心产业不断提高，构建社会主义和谐社会。 1、小电流选线的含义、特点、装置设备、应用小电流选线全称小电流接地选线装置，简称小电流，是一种电力行业使用的保护设备。我国3KV66KV配电网大多采用小电流接地方式即中性点非有效接地方式，包括中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统。中性点非有效接地系统的优点在于，发生单相接地时多数情况下能够自动熄弧并恢复绝缘。但是发生永久性接地故障时，为了防止因非故障相电压升高而导致故障扩大，必须尽快确定故障线路并予以切除，这就提出了单相接地故障选线问题。这个问题很长时间以来没有得到很好的解决，制约着配电网自动化的发展。小电流接地选线装置按选线原理可分为零序电流电压法和激励法（外加信号法）。零序电流电压法通过接地时系统零序电压、零序电流的特征选线，即利用接地时系统自身的信号特征确定接地线路。激励法（外加信号法）通过在系统中外加一特殊信号，该信号通过电压互感器二次侧输入，耦合到一次侧，再从母线流向接地线路，最后流入接地点，接地线路有信号流过，非接地线路无信号流过。根据上述原理，在每条线路的起始端安装一信号检测器，当信号检测器检测到特定信号时判定该线路为接地线路，未检测到特定信号时判定该线路为非接地线路。在我国1035kV电网中，普遍采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式，这两种方式统称为小电流接地系统。小电流接地系统单相接地故障是电网最常见的故障之一，当发生单相接地故障时，虽然在高压侧发生了故障相电压降低和非故障相电压升高，引起中性点位移，但线电压仍然是对称的且故障电流小，对供电设备不致造成危害，用户仍可继续工作。但单相接地故障有可能发展成为两相接地短路故障或其他形式的故障，为保证设备及人员安全，应及时找出接地故障线路以便迅速处理。对于单相接地故障的检测，传统的方法是采用副二次绕组接成开口三角形的三相电压互感进行检测。为了寻找故障线路，值班员通常采取轮流拉闸的办法来确定具体的故障线路。这种方法，会给安全运行及用户的生产造成一定的影响，降低了用户的供电可靠性。随着微机技术的发展，出现了微机型的小电流接地选线装置，这种装置可以在不对线路拉闸停电的情况下找到故障线路，因此与传统检测方案相比有很大的优越性。小电流接地选线装置的原理有以下几种：（1）、零序功率方向原理我们知道中性点不接地系统在正常运行时，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。如果线路各相对地电容量相同，在各相电压作用下各相电容电流相等并超前于相应相电压90。单发生单相金属性接地时，经过分析可得出几点结论：a、故障相对地电压为零，非故障相对地电压为电网的线电压，出现零序电压，大小等于电网正常的相电压；b、非故障线路零序电流3I0等于本线路的充电电流，其相位超前于零序电压90；c、故障线路零序电流3I0等于全部非故障线路充电电流的总和，其相位滞后于零序电压90；d、接地故障处电流的大小等于全部线路接地充电电流的总和，其相位超前于零序电压90。所以，故障线路与非故障线路出现零序电流相差点180。零序功率方向原理的小电流接地装置就是利用在系统发生单相接地故障进，故障与非故障线路零序电流反相，由零序功率继电器判别故障与非故障电流。在实际应用时，由于零序电流互感器（或三相电流互感器构成零序电流滤过器）二次侧波形畸变，电流互感器测量误差，信号干扰，线路长短差别悬殊，接地电阻的影响以及电压互感器的非线性特性等影响，将造成零序方向继电器存在死区。虽然装置本身都设置了排序法和采用相对相位法概念，在现行运行方式下取前三个最大的进行比较鉴别，但误判断总是难免的，对装有消弧线圈的中性点不接地系统更为明显。（2）、谐波电流方向原理当中性点不接地系统发生单相接地故障进，在各线路中都会出现零序谐波电流。由于谐波次数的增加，相对应的感抗增加，容抗减小，所以总可以找到一个m次谐波，这时故障线路与非故障线路m次谐波电流方向相反，同时对所有大于m次谐波的电流均满足这一关系。这种判断谐波电流方向原理构成的接地选线装置不受系统运行方式变化及过渡电阻的影响，谐波电流相位关系与幅值无关，只要计算机能识别即可。对相位容差大，即相位大于90即认为反相，小于90则认为同相。这种原理适用于已装有三相电流互感器或装有零序电流互感器的变配电所。（3）、外加高频信号电流原理当中性点不接地系统发生单相接地时，通过电压互感器二次绕组向母线接地相注入一种外加高频信号电流，该信号电流主要沿故障线路接地相的接地点入地，部分信号电流经其他非故障线路对地电容入地。用一只电磁感应及谐波原理制成的信号电流探测器，靠近线路导体接收该线路故障相流过信号电流的大小（故障线路接地相流过的信号电流大，非故障线路接地相流过的信号电流小，它们之间的比值大于10倍）判断故障线路与非故障线路。高频信号电流发生器由电压互感器开口三角的电压起动。选用高频信号电流的频率与工频及各次谐波频率不同，因此，工频电流、各次谐波电流对信号探测器无感应信号。在单相接地故障时，用信号电流探测器，对注入系统接地相的信号电流进行寻踪，还可以找到接地线路和接地点的确切位置。此装置适用于中性点不接地或经消弧线圈接地系统。（4）、首半波原理首半波原理是基于接地故障信号发生在相电压接近最大值瞬间这一假设。当电压接近最大值时，若发生接地故障，则故障相电容电荷通过故障线路向故障点放电，故障线路分布电感和分布电容使电流具有衰减振荡特性，该电流不经过消弧线圈，故不受消弧线圈影响。但此原理的选线装置不能反映相电压较低时的接地故障，易受系统运行方式和接地电阻的影响，存在工作死区。目前，市场上产品型式很多，同种原理的产品质量相差也很大，选型时除了选择适合变配电所实际的产品，还应选用运行稳定，故障机率少的产品。2、小电流选线的方法目前在电力系统中投运的选线装置采用的方法主要有零序电流比幅比相法、五次谐波法、有功法、小波法、残流增强法、“S”注入法等，每一种方法都有它的有效性。（1）零序电流比幅比相法在中性点不接地系统中，故障线路零序电流的大小等于所有非故障线路的零序电流之和，方向与非故障线路的零序电流方向相反。比幅比相法就是依据这个特点检测故障线路。零序电流比幅比相法是目前应用最为广泛的一中方法，在不接地系统中，这种方法的应用效果较好！（2）五次谐波法电力系统由于变压器、线路设备等的非线性影响，线路电流中存在着谐波分量，其中五次谐波含量最大，发生单相接地故障时，谐波分量还会有一定程度增加。对于中性点经消弧线圈接地的系统，消弧线圈对五次谐波所呈现的感抗是基波的5倍，而线路分布电容对五次谐波所呈现的容抗却是基波的1/5，因此消弧线圈基本上不能补偿五次谐波的电容电流。所以在消弧线圈接地系统中，对于五次谐波分量，依然可以近似认为，故障线路的电流大小等于所有非故障线路的电流之和，方向与非故障路的电流方向相反。（3）有功法有功法的原理是线路、消弧线圈都存在对地电导，所以故障电流中含有有功分量，且故障线路的有功分量比非故障线路大而方向相反，据此检测故障线路。由于线路有对地电导及消弧线圈存在电阻损耗，故障电流中含有有功分量。分故障线路和消弧线圈的有功电流方向相同且非故障线路大且方向相反的特点，可选出故障线路。故障电流中有功分量非常小，因此，检测灵敏度，有的装置采用瞬时在消弧线圈上并联接地电阻的做法，以加大故障电流有功分量。（4）小波法小波法利用暂态分量信息作为选线的依据，故障碍路暂态电流数值上大于非故障线路暂态电流，且与非故障线路暂态电流方向相反，依此进行选线。单相接地时，故障电压的电流的暂态过程持续时间短并含有丰富的特征量，而稳态时数值较小，因此在接地故障检测中选用一中适合分析其暂态分量的新理论，将有利于故障选线。小波分析可对信号的变化较敏感，能可靠地提取出故障特征。根据小波变换的模极大值点对应着采取数据的奇异点，由于噪声的模极大值随着尺度的增加而衰减，所以经过适当的尺度分解后，即可忽略噪声影响得到较理想的暂态短路信号。小波变换是把一个信号分解成不同尺度和位置的小波之和，利用合适的小波和小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后，易看出故障线路上暂态零序电流特征分量的幅值包路线高于非故障线路，其特征分量的相位也与非故障线路相反，这样就能构造出利用暂态信号的选线判据。但电力系统的实际运行时复杂多变的，可能出现暂态分量小于稳态分量的情况，这时就应对母线零序电压和各出线零序电流进行基波的小波提取，然后类似地构造选线判据。（5）残流增量法在系统发生单相接地后，采集各线路的零序电流，然后控制消弧线圈改变一档，再采集各线路的零序电流，然后控制消弧线圈改变一档，在采集各线路的零序电流，然后求出各线路在消弧线圈调档前后零序电流的变化量，其中最大者即为接地线路，因为它等于消弧线圈调档前后电感电流的改变值，而其他线路基本不变。这种选线方法原理简单明了，判据不是绝对值，而是相对值，即零序电流的增量，避免了测量回路误差及背景干扰等因素的影响，提高了灵敏度和可靠性。（6）“S”注入法“S”注入法选线原理是小电流接地系统单相接地选线问题的一个突破，它没有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PT人为向系统注入一个特殊信号电流，用循迹原理即通过检测、跟踪该信号电流的通路来实现接地故障选线。以上方法都有它的有效域，单相接地时，接地电容电流的暂态分量往往比其稳态值大几倍到几十倍，若能提取暂态信号中的特征部分则有望显著提高选线精度。利用能对突变的、微弱的非平稳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，所以小波理论必将被越来越多地应用于故障选线。目前，在能获得零序电流情况下选线理论是比较完善的，但在我国NUCS只装设两相CT的架空出线的数量很大，即许多情况下难于获得零序电流，多数选线方法失效，剩下的方法均存在不足，所以对只有装设两相CT的出线很适用的选线原理还有待于进一步研究。目前国内研究的小电流接地选线装置品种和数量很多，但现场运行的结果表明，装置的误判现象比较严重，所以进一步提高装置性十分必要。在大规模应用配电自动化技术进行单相接地故障的处理机制还未成熟时，采用独立的带有远动或通信功能的小电流接地选线设备不失为一种较实用的选择。小电流接地选线装置，仅仅依靠一种原理实现百分之百正确故障选线是不可能的，只有根据系统的运行工作情况有机地将各种理论完美地结合起来，扬长避短，才能达到满意的效果。实验证明，任何一种单一判据都有其有效性。一种判据失效的区域很可能是另一种判据有效的区域。所以将多种判据智能集成在一起，可以达到多种判据优势互补，减少单一判据导致的误判。3、小电流接地系统方法分析研究的结果与讨论小电流接地系统在我国35KV以及以下的电压等级的电网系统中应用非常广泛，而单相接地故障在小电流接地系统中发生故障的几率很高，且近年来随电网容量的加大，接地电流也在增大，因单相接地故障在系统中造成的损失也越来越重。针对目前国内常用的电力系统小电流接地系统接地选线装置普遍存在反映速度慢、选线准确性差等缺陷，我们利用TI公司数字信号处理器DSP芯片TMS320F206和2片MAXIM公司八通道同步十四位A/D转换芯片MAX125构成实时高速三十二通道数据采集DSP系统，另外该系统还增加了另外一片CPU(PHILIP89C51RD2)来控制键盘的输入、液晶的显示以及运行灯等的控制，系统的双CPU结构进一步增加了该系统的工作的快速性和实时性，并且通过一片双口RAM芯片很好的解决了两片CPU之间的大量数据交换。结合以上特点，利用装置硬件的优势和特点进行软件程序开发，对选线原理和选线判断逻辑进行优化工作，我们研制成功了一种新型小电流接地系统接地选线装置，该装置选线准确度远高于目前的同类装置。该装置具有多路出线同时采样判断，数据采集速度快、精度高，选线灵敏度高、动作快等特点，新装置的计算时间比现有装置快10倍以上，测量精度有很大提高，另外本装置适应性强，在选线和判断故障时采用二种算法同时进行，根据可设置的不同的接地方式选用相应的算法产生的结果，大大提高了该装置的适用范围。另外本文从原理上分析了小电流接地故障时的特点，针对其特点，结合目前用的较多群体比幅比相原理，提出了一种新的选线原理即过半选线原理，来实现小电流接地系统选线保护。目前是小电流系统接地选线原理中最为完善的理论之一。因此该装置具有选线快，精度高的优点。关键词:数字信号处理小电流接地系统接地保护高速多通道同步数据采集系统。（1）、小电流接地电网单相接地故障选线新方法故障选线新方法是以电压互感器注入信号为基础的、以波形识别法为核心的、与小波分析法、能量分析法结合的小电流单相接地故障综合选线法，特别是其中的波形识别法，它不用复杂的计算、简单直观实用、耐高接地阻抗，选线效果较好。a故障选相法:故障相电压最低;但经过渡电阻接地时，一相电压升高但不超过线电压,其余两相降低但不相等,对于中性点不接地电网,升高的下一相为接地相,对于过补偿网络,升高的上一相为接地相。利用系统零序电压的变化量,判断系统是否发生单相接地故障,零序电压突变的时刻即为故障发生的时刻。正常情况下,故障选线装置不间断地采集母线零序电压及各线路的零序电流数据,采集的数据按顺序存放在循环寄存器中,按每个采样周期的数据计算零序电压的幅值,如果计算值超过整定值,则认为故障发生,以该时刻为标志确定原始采样数据序列,把此时以前两个周期及此时刻以后两个周期的数据作为算法分析的对象。启动小波变换模极大值算法,求各线路零序电流同一尺度下的小波变换的模极大值极性加以比较,如果故障发生时刻小波变换的模极大值极性全部相同,则判定为母线故障;如果某条线路的模极大值极性与余下全部线路的相反,则这条线路故障。利用系统零序电压的变化量,确定系统已经发生单相接地故障后,启动故障选线装置通过电压互感器向系统故障相注入信号脉冲,以注入信号脉冲时刻为采样时刻,采集此时刻以后一个或两个周期的数据存储起来,启动零序电流能量法计算各线路外加信号后的零序电流能量加以比较,启动相位法,计算各线路零序电流的相位加以比较。不经消弧线圈接地的系统,能量大的或呈现负相位的为故障线路,反之为正常线路。对于经消弧线圈接地的系统,加脉冲前后相位增量最大的为故障线路,反之为非故障线路。反复多次效果更好。利用系统零序电压的变化量,判断系统已经发生单相接地故障后,启动故障选线装置通过电压互感器向系统故障相多次(间隔时间半个周期左右)注入信号脉冲,以第一次注入信号脉冲时刻为计时标志,采集此时后几个周期各线路零序电流,启动图形(识别)算法,绘制各线路零序电流波形图,加以比较。中性点不接地系统故障线路零序电流正弦波形与非故障线路的零序正弦波形反相,而非故障线路的同相。中性点经消弧线圈接地过补偿电网通过外加信号影响产生的特征予以判断。对于所有类型小电流接地电网注入信号后,各线路的零序电流在信号注入时刻后都发生变化,非故障线路零序电流呈现基波叠加高频振荡,而故障线路呈现半圆形或高频振荡伴随严重变形半圆的形状(半圆畸变度随着接地电阻增大而增加)。（2）、小电流接地电网单相接地过渡过程的特点当发生单相接地故障时,接地电容电流的暂态分量可能较稳态分量值大很多倍。在一般情况下,由于电网中绝缘被击穿而引起的接地故障,经常发生在相电压接近于最大值的瞬间,因此,可以将暂态电流看成是如下两个电流之和:(1)由于故障相电压突然降低而引起的放电电容电流,它通过母线流向故障点,放电电流衰减很快,其频率高达数千赫兹