电网故障监测与定位(第5章)-利用暂态行波的小电流接地系统故障监测技术

利用暂态行波的小电流接地系统故障监测技术,主要内容,概述小电流接地系统故障分析利用暂态行波的小电流接地故障选线技术利用暂态行波的小电流接地系统故障定位技术利用暂态行波的小电流接地系统瞬时性故障监测技术总结,1.概述,小电流接地系统,中性点不接地（绝缘）系统,谐振（消弧线圈）接地系统,小电流接地系统的优点,主要避免接地故障跳闸，提高供电可靠性。大部分情况下，接地电弧能够熄灭，电网自动恢复正常运行。接地电流小，可防止事故进一步扩大。,小电流接地系统存在的问题,单相接地故障会导致非故障相电压升高，危害电网绝缘。一般情况下，单相接地引起非故障相电压升高1.732倍。接地点间歇拉电弧，线路电容反复充放电，电压升高可达3.5倍。接地电弧长期存在，可能烧坏接地点绝缘，造成相间短路故障，导致保护跳闸。,小电流接地系统存在的问题（续）,继电保护配置困难：故障电流微弱，接地电弧不稳定，接地故障选线的问题一直没有得到很好地解决；小电流接地故障选线难，主要难在谐振接地系统；许多供电部门仍然采用拉路法选择接地线路。供电瞬时中断，影响用户用电设备正常工作，甚至可能造成停电事故。,小电流接地系统新技术,消弧线圈自动调谐技术可以精确地补偿电容电流，使接地点电流尽可能的小，提高了电弧自动熄灭的几率。利用暂态行波的小电流接地故障选线保护技术利用暂态行波的小电流接地系统故障定位技术利用暂态行波的小电流接地系统瞬时性故障监测技术,2.小电流接地系统故障分析,2.1稳态故障分析2.2暂态故障分析2.3行波故障分析,2.1稳态故障分析,A相接地后,接地相电压为零,非故障相电压升高1.732倍,零序电压与故障前故障点电压大小相等，极性相反。接地点电流是正常运行时三相对地电容电流的算术和。,EA,EC,EB,U0,A,B,C,o,IC,If,IB,中性点不接地电网零序等效网络,中性点不接地电网零序电流特征,故障线路零序电流是所有非故障元件（线路）电容电流之和，方向是由故障点流向母线。非故障相零序电流等于线路本身电容电流，方向由母线流向故障。故障线路电流大于非故障线路，二者反极性。,Ih,If,谐振接地电网零序网络,消弧线圈接地电网零序电流关系,Ih,If,L,过补偿状态下，故障线路电流方向与非故障线路一致，由母线流向故障点，幅值往往也小于非故障线路。故障线路电气量失去“唯一性”特征，这是谐振接地系统小电流接地故障选线难的根本原因。,2.2暂态故障分析,暂态过程：故障相电压突然降低引起的放电电流，不经过电源流向故障点，频率在数千赫兹，衰减快；非故障相电压突然升高，引起的电容充电电流，经过电源形成回路，频率数百赫兹，衰减慢。,分析暂态过程需要使用变换矩阵是实数的模变换法实际工程中，一般使用卡伦包尔（Karenbauer）变换。模量1、2是两相导体（A、B相与A、C相）之间流动，参数与正序网络一致。模量0在三相导体与大地之间流动，参数与零序网络一致。,接地电流计算复合模网,接地电流计算（零序）简化等效电路,L等于2倍的线模（正序）电感，R是3倍的过渡电阻加上线模（正序）电阻。e(t)是虚拟电压源，与故障前故障点电压大小相等，方向相反。,接地电阻较小时等效电路。充电过程短暂，可以忽略消弧线圈影响。,暂态电流远大于稳态电容电流。暂态最大电流与稳态电容电流之比，可达到几倍到十几倍。暂态最大电流值与故障时电压相角有关。一般故障都发生在电压最大值附近。暂态电流值不受消弧线圈的影响。,暂态接地电流特点,接地电阻较大时等效电路。充电过程长，可达数十个ms，可以忽略串联电感的影响。,接地电阻比较大时，零序电压缓慢上升。,间歇性接地（拉弧）现象,故障点往往在电压峰值时击穿，电流过零时熄弧，在电压出现另一次峰值时又击穿，可能在一段时间后消失，也有可能持续发生。小电流接地系统对接地故障续流能力差，故障点电流微弱，易出现间歇性接地故障现象。永久接地故障，由于接地电流小，也存在接地电弧不稳定现象，故障电流有效值及过渡电阻在一个周波内变化较大。,间歇性瞬时性接地故障录波图,间歇性瞬时性接地故障录波图,暂态故障分析仿真模型,中性点不接地和经消弧线圈接地系统仿真模型,不接地系统仿真结果（1）,不接地系统故障时零模电压和各条出线零模电流,不接地系统仿真结果（2）,零模电压和各出线零模电流的暂态放大图,不接地系统仿真结果（3）,零模电压和各出线零模电流的特征分量,谐振接地系统仿真结果（1）,消弧线圈接地系统故障时零模电压和各条出线零模电流,谐振接地系统仿真结果（2）,零模电压和各出线零模电流的暂态放大图,谐振接地系统仿真结果（3）,零模电压和各出线零模电流的特征分量,过零故障仿真结果（1）,经消弧线圈接地系统相电压过零故障时零模电压、电流信号,过零故障仿真结果（2）,零模电压和各出线零模电流的特征分量,2.3行波故障分析,行波故障分析仿真模型,故障行波仿真波形,3.利用暂态行波的小电流接地故障选线技术,3.1常规故障选线方法评述,基于稳态工频量的方法,零序电流继电器零序电容无功功率继电器零序电流幅值、相位群体比较法负序电流比较法优点：简单易行缺点：稳态电流小，灵敏度低。不能用于消弧线圈接地的系统受故障点不稳定影响,基于（五次）谐波量的方法,检测零序谐波电流、功率，检测故障线路。谐波量小，灵敏度低。受故障点不稳定影响,有功功率法,利用故障线路零序有功功率大于非故障线路且方向相反的特点选线简单，不受消弧线圈影响。有功功率含量小，受TA，TV误差影响，灵敏度得不到保证。,投入中电阻法,在中性点瞬间投入中电阻，使零序电流的有功分量明显加大，解决灵敏度问题。实际是将小电流接地故障转化为大电流接地故障带来的问题是使接地电流增大，加大对接地点绝缘的破坏，可能导致事故扩大。对电缆线路来说，这一问题更为突出。施工复杂、成本较高瞬时改变消弧线圈调谐度的残余电流增量法，与投入中电阻法类似。,注入信号寻迹法,注入225Hz信号，检测线路中信号电流，确定故障点。已在国内获得较广泛应用需向系统注入信号，构成较复杂，投资大。适用于电阻较小的稳定接地故障,3.利用暂态行波的小电流接地故障选线技术,3.2暂态行波选线法,暂态行波选线方法的起源,1995年，山东科汇公司研制出利用暂态行波的集中式输电线路行波故障测距装置，首次提出暂态行波选线方法。2000年，山东科汇公司将暂态行波选线方法用于小电流接地系统，并在行波测距装置的基础上研制出XJ-100小电流接地故障选线装置。,暂态行波选线基本原理（1）,暂态行波电流幅值比较法比较同一母线所有出线暂态零模行波电流的幅值（均方根值）幅值最大者被选定为故障线路缺点：不能确定母线接地,暂态行波选线基本原理（2）,暂态行波电流极性比较法比较同一母线所有出线暂态零模行波电流的极性与其它线路极性相反的选定为故障线路所有线路极性相同，则为母线接地用幅值比较先进行筛选，防止幅值小的健全线路的干扰作用,暂态行波选线基本原理（3）,暂态行波电流方向法零模行波电压特征分量求导所有出线暂态零模行波电流与零模行波电压导数比较极性极性相反的选定为故障线路所有线路极性相同，则为母线接地用幅值比较先行筛选，防止幅值小线路的干扰作用,暂态行波选线基本原理（4）,暂态行波无功功率方向法零模行波电压特征分量进行Hilbert变换计算所有出线暂态零模行波电流与零模行波电压Hilbert变换之间的平均功率功率为负的选定为故障线路所有线路功率均为正，则为母线接地作用与电流方向法相同，但具有明确的物理含义,暂态行波选线基本原理（5）,暂态行波综合选线方法利用幅值比较，筛选出幅值较大的线路若线路数=3，利用极性比较法选线若线路数95%监视的出线数：每套系统可监测4段母线共32路出线（可扩充至4段母线共64路出线）故障数据掉电不丢失系统可存储最大数据容量：仅受硬盘容量限制数据上传接口：支持串口、Modem和网卡数据上传规约：支持IEC-870-5-103和DNP3.0,产品分布：福建、山东、上海、宁夏、山西、江西、河北、黑龙江、安徽、内蒙等80%的系统为经消弧线圈接地系统已成功检测永久接地故障百余次，捕捉的瞬时性接地故障两千次永久接地故障的检测成功率大于90,现场运行结果,通过树枝接地形成的间歇性故障,通过树枝接地，零序电压很小（8V）,典型欠阻尼故障,故障线路,典型过阻尼故障,故障线路,典型弧光接地故障,故障线路,典型间歇性故障,故障线路,典型母线接地故障,典型过零故障,过零,故障线路,典型高阻接地故障,典型瞬时性接地故障,4.利用暂态行波的小电流接地系统故障定位技术,故障定位的作用,故障点定位的作用对永久故障来说，减少停电范围，缩短修复时间。对瞬时性故障来说，可及时采取措施消除隐患，防止故障再次发生。是提高供电可靠性、保证供电质量的关键技术是配电网运行管理的重要组成部分,故障定位的特殊之处,星罗棋布、接线方式复杂多变、T接线与分支线多高阻、间歇性故障多小电流接地系统单相接地电流微弱故障监测设备成本要低,故障定位方法,行波故障选线行波故障分段配网（馈线）自动化（FTU）行波故障指示器行波故障测距,馈线自动化远方终端（FTU）,馈线自动化的重要组成部分一般和开关（断路器）联合构成终端功能：SCADA（四遥）遥测遥信遥控遥调故障检测和管理故障的检测，故障的隔离，健全区段恢复供电集中智能模式：依赖通讯系统，检测结果上报主站分布智能模式：不依赖通讯系统，检测结果不上报主站国内大中城市已有大量应用,故障指示器（1）,安装在配电线路（架空线、电缆）上的指示故障电流的装置故障定位方式：人工巡查故障指示结果利用GPRS、电话拨号通信读取故障指示器结果，实现自动故障定位。在国内外广泛应用。我国已有近百万只投运。,故障指示器（2）,故障指示器（3）,故障指示器（4）,行波故障测距（1）,行波测距原理：利用故障行波在线路上的传播时间测距1950年代提出，1990年代我国开发出利用电流行波的故障测距装置，将行波测距技术实用化。在国内外输电网获得了广泛应用,行波故障测距（2）,测量故障初始电流/电压的行波到达线路两端的时刻计算故障距离,故障点距变电所S的距离：,L线路长度；V行波速度,故障点距变电所R的距离：,TS,TR,变电所S,变电所R,行波故障测距（3）,线路两端的行波测距装置记录故障产生的行波信号。故障行波数据经通信网络送到调度中心的分析主站分析主站保存、处理数据，计算故障距离。,分析主站,行波测距装置,WAN通信网络,调度控制中心,行波故障测距（4）,测距精度高达300米测距结果不受故障电阻、线路负荷等因素影响能够测量小电流接地故障距离投资较大，主要用于重要的长距离高压配电线路、铁路电力线路。,4.利用暂态行波的小电流接地系统瞬时性故障监测,瞬时性故障与电网绝缘状态在线监测,交联聚乙烯电缆对地绝缘层破坏后，形成带水份的树状裂痕。在电缆绝缘被高电压击穿时，故障点电流引起的发热造成水气蒸发，树状裂痕变的干燥起来。在接地电弧熄灭后，过电压消失，电缆绝缘恢复，电网继续维持正常运行。采用小电流接地方式，在出现瞬时性故障时，电弧自动熄灭，避免供电中断，提高了供电可靠性。,一次瞬时性接地故障的电压录波图,瞬时故障对系统绝缘监测提供有益信息,捕捉电网的瞬时接地故障并指示出发生故障的线路来，将给