基于暂态特征信息的中性点非直接接地系统单相接地故障选线研究

1、摘 要i论文题目：基于暂态特征信息的中性点非直接接地系统单相接地故障选线研究学科专业：电气工程 摘要我国中低压配电网一般都采用中性点非直接接地方式，即中性点不接地或者经消弧线圈接地方式。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，并据此分别提出了基于暂态零序电流幅值比较的综合选线算法和基于暂态相电流比较的故障选线新方案。首先，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：基于自

2、适应捕捉特征频带的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。其次，根据配电网单相接地故障时三相电流如下特征故障线路故障相与健全相之间故障分量的比值不小于2，而健全线路在特征频带内故障相与健全相之间暂态分量的比值明显地小于2

3、，并且特征频带随系统结构、故障模式的变化而不确定本文提出一种自适应捕捉特征频带的暂态相电流比较选线方法。该方法是一种分散式比较的选线算法，具有自举性，容易融于分布式馈线保护间隔单元中。最后，本文运用ATP与MATLAB对以上两种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 暂态电流分量 自适应 特征频带论文类型：应用研究硕士学位论文iiTitle: The Research on Fault Line Selection in Non-solid Earthed Networks Based on Transient Signals Major: El

4、ectrical Engineering AbstractThe non-solid earthed neutral, namely isolated or Petersen coil compensated neutral, is adopted widely in medium voltage distribution network in China. But existing earth protections are not satisfactory in practical due to the nature of weak fault current and unstable f

5、ault arc in this network. Therefore, on the basis of detailed analysis of the amplitude characteristic of transient currents in single phase earthed distribution network with non-solid earthed neutral, two novel earth fault protection methods using transient zero sequence and phase signals in specia

6、l frequency band 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.Firstly, on the basis of the characteristics of a single phase earthed distributio

7、n 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-algori

8、thms: 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 t

9、he 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

10、 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

11、 veracity. Secondly, on the basis of the characteristics of single phase earthed distribution networks as follows: the ratio of the faulty component of faulty phase current to that of healthy phase current is no less than 2 in faulty feeder, but less than 2 in healthy feeder in a feature frequency b

12、and, which varies with the structure of network and the mode of fault, this paper proposes a new scheme of faulty line selection based on the comparison of transient phase current components in a self-adaptive feature frequency band. This scheme using the signals in one feeder without signals of oth

13、er feeders has the characteristics of self-containing and its protective mode can be fused with the gap units of distributed feeder protection easily. Finally, Simulation of ATP and analysis of MATLAB proved that the two 摘 要iiialgorithms are both effective.Keywords: Non-solid earthed neutral network

14、s Transient current component Adaptive Feature band Thesis Type: Research for Application 硕士学位论文iv目录第一章 绪论.11.1 课题背景及研究意义 .11.2 小电流系统单相接地故障基本特征 .11.3 当前研究现状 .31.3.2 利用故障信号稳态分量选线.31.3.3 利用故障信号暂态分量选线.61.4 本文所做的主要工作 .7第二章 中性点非直接接地系统单相接地故障暂态分析.92.1 引言 .92.2 故障零序电流暂态分量分析 .92.2.1 单相接地故障时零序电流基本特征.92.2.2 零序

15、电流暂态分量的构成.102.3 暂态相电流故障分量的构成 .142.3.1 中性点不接地系统暂态相电流分布特征.142.3.2 经消弧线圈接地系统暂态相电流分布特征.142.4 暂态电流中的幅频特性分析 .152.4.1 暂态零序电流幅频特性分析.152.4.2 暂态相电流幅频特性分析.152.4.3 特征频带.152.5 EMTP 仿真系统简介.162.5.1 EMTP 故障仿真软件简介 .162.5.2 EMTP 故障仿真系统 .162.6 本章小结 .17第三章 基于暂态零序电流幅值比较的综合选线方法.183.1 引言 .183.2 自适应捕捉特征频带的暂态零序电流幅值比较选线方法 .1

16、83.2.1 暂态零序电流幅频特性.183.2.2 特征频带及其自适应捕捉.193.2.3 算法实现.233.2.4 算法评价及适用条件.233.3 零序电流有功分量幅值比较选线方法 .243.3.1 算法原理.243.3.2 算法实现.243.3.3 算法评价及适用条件.243.4 综合选线方法的实现 .243.4.1 启动模块和永久性故障判断模块.243.4.2 故障相判别模块.253.4.3 算法整体流程.253.5 算法验证 .273.5.1 使用故障仿真数据对算法的验证.273.5.2 使用现场故障录波数据对算法的验证.32目 录v3.5.3 仿真结果及分析.323.6 暂态零序电流

17、幅值比较综合选线方法的系统接线及实现 .333.7 本章小结 .34第四章 自适应捕捉特征频带的暂态相电流比较选线方法.354.1 引言 .354.2 故障特征与特征频带 .354.2.1 基本判据.354.2.2 特征频带及其自适应捕捉.364.3 自适应捕捉特征频带的暂态相电流比较故障选线算法 .374.4 算法验证 .384.4.1 仿真系统.384.4.2 仿真条件.384.4.3 仿真结果与分析.394.4.4 相关问题及其试验分析.424.5 应用前景 .434.6 本章小结 .43第五章 结论.45致谢.46参考文献.47第一章 绪论1第一章 绪论1.1 课题背景及研究意义随着国

18、民经济和电力工业的发展，我国城乡电网迫切需要实现配电自动化，以提高供电质量和可靠性。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。我国35及35kV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，它的数值只是几安到二、三十安，因此这类电网属于小接地电流电网。由于故障电流较小，所以反应全电流的、保护相间短路的保护是不能反应单相接地故障的，而需要再装设专门的单相接地保护。在小接地电流电网中发生单相接地故障时，线电压仍是三相对称的，不影响对用户的正常供电，而故障电流

19、又较小，因此单相接地保护只动作于信号，允许电网继续运行12小时。1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36kV电网30A；10kV电网20A；2266kV电网10A2。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。但是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

20、生后可以运行12 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。对此，中国电机工程学会自动化专委会配电自动化分专委会在1998年年会上已有清楚共识，同时也认为“目前尚无准确可靠的微机选线装置能动作于跳闸，因而希望科研单位、大专院校、厂商攻关解决”3。1.2 小电流系统单相接地故障基本特征当中性点不接地系统发生单相接地时（图1-1(a)中A相接地，S打开表示中性点不接地系统） ，如果忽略负荷电流和电容电流在线路阻抗上的电

21、压降，全系统A相对地电压均为零，A相对地电容电流也为零，同时B相和C相的对地电压和电容电流也都升高倍。这时的电容电流分布如图1-1(a)示。3非故障线路I始端所反应的零序电流为0IBICI3III硕士学位论文2其有效值为 (1-1)0I0I33IUC即非故障线路零序电流为其本身的电容电流，电容性无功功率的方向为母线流向线路。发电机端的零序电流为0FBFCF3III其有效值为 (1-2)0F0F33IUC即发电机零序电流为其本身的电容电流，电容性无功功率的方向为母线流向线路，这个特点与非故障线路是一样的。对于故障线路J，B相和C相与非故障线路一样，流过本身对地电容电流和，而不同之处是在接地点要流

22、回全系统B相和C相对地电容电流之和，BJICJI其值为BICIBJCJBFCF()()()dIIIIIII其有效值为 (1-3)0I0J0F03()3dIUCCCUC其中：全系统对地电容的总和。0C此电流要从A相流回去，因此从A相流出的电流为。AJdII 因此，故障线路J始端所反应的零序电流为0JAJBJCJBICIBFCF3()IIIIIIII 其有效值为 (1-4)0J00J33IUCC（-）即故障线路零序电流，数值等于全系统非故障元件对地电容电流之总和（不包括故障线路本身） ，电容性无功功率方向为由线路流向母线，方向与非故障线路相反。C B A0IC0FCLIS线路I线路JdId0JCC

23、IIBIICJIBJILF(a) L0dULI0II0LI0IC0JC0FI0FC0FI0II0JIS(b)第一章 绪论3图1-1 中性点非直接接地系统中，单相接地时的电流分布(a) 用三相系统表示 (b) 零序等效网络中性点不接地系统发生单相接地时，在接地点要流过全系统的对地电容电流，如果此电流比较大，就会在接地点燃起电弧，引起弧光过电压，从而使非故障相的对地电压进一步升高，容易使绝缘损坏，形成两点或多点接地，造成停电事故。为解决此问题，有些系统的中性点对地之间接入消弧线圈（如图1-1示，S闭合表示中性点经消弧线圈补偿系统） ，一般采用5%10%的过补偿方式。上述故障线路电流特点对消弧线圈接

24、地系统不再适用。此时，从接地点流回的总电流为 (1-5)dCLIII其中， 全系统的对地电容电流；CI消弧线圈的电流，设 L 表示它的电感，则。LIALEIj L1.3 当前研究现状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

25、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。1.3.1 利用注入信号选线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

26、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。1.3.2 利用故障信号稳态分量选线（1）零序电流幅值选线硕士学位论文4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

27、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。（2）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。（3）群体比幅比

28、相法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”。（4）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。（5）零序电流有功分量法

29、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和电导的并联，LG则单相接地故障时流过消弧线圈的零序电流中含有有功分量，即有0NI0LfG U (1-6)0001NLffIG UjUL而在各线路中只有故障线路 J 零序电流中才含有有功分量，且为，即有0LfG U (1-7)0J0I000I0I JI J1()()NLffIIIG UjCUL 其中，系统零序电压；0 fU线路I的对地电容；0IC所以故障线路零序电流的有功分量与零序电压存在 180的相位差，与线路对地电容电流也存在 90的相位差。以零序电压为基准，求零序电流有功分量相角，便可实现故障选线。但在实际中，零序电流有功分量幅值一

30、般只相当于零序电流幅值的 23%，第一章 绪论5计算比较中易受 CT 不平衡电流对零序电流提取精度的影响，其相角比较是容易发生误判的。（6）五次谐波分量法10由于消弧线圈是按照基波整定的，即有 (1-8)1155LCLC所以消弧线圈对五次谐波的补偿作用仅相当于基波时的 1/25，可忽略它对五次谐波的补偿效果。因此可根据故障线路的五次谐波电流比非故障线路的都大且方向相反的特点达到选线的目的。但是，五次谐波分量含量较小（仅占基波含量的 10%左右） ，在经过渡电阻接地的情况下数值更小，易造成误判；且有间隙性电弧现象时不稳定。（7）各次谐波平方和法11先将故障时零序电流中的 3、5、7 次谐波分量求

31、和，然后比较各线路电流幅值的大小，选出幅值最大的即为故障线路。该方法虽然能在一定程度上克服单次谐波电流信号小的缺点，却不能从根本上解决问题，因为负荷中的五次谐波源、电流互感器中的不平衡电流和过渡电阻的大小，均会影响选线精度。（8）最大法12( sin)I把所有线路故障前后的零序电流都投影到故障线路零序电流的理论方向上，接着计算出各线路故障前后的投影值之差，找出差值的最大值，即最0,kI0,mI大，显然，当0 时，对应的第 m 条线路为故障线路，否则为母( sin)I0,mI线故障。此法的本质是寻求最大零序无功功率突变量的代数值，从理论上基本消除了 TA 误差引起的不平衡电流的影响，减小了误判的

32、可能性。但其算法有两个缺陷：计算过程中需选取一个中间参考正弦信号，如果该信号出问题，将造成该算法失效；该算法在计算过程中需求出有关向量的相位关系，计算量很大。这使得最大原理在实现过程中很难保证具有较高的可靠性和实时性。( sin)I（9）负序电流法13这种方法基于以下选线原理：接地故障产生的负序电流大部分由故障点经故障线路流向电源，非故障线路的负序电流相对很小。一方面由于过渡电阻，故障相电压与故障电流方向相同，另一方面系统负序阻抗即负荷阻抗一般都呈感性，且系统负序电抗比负序电阻大数倍。负序矢量关系如图 1-2 所示：经电阻接地故障时，故障线路负序电流与故障相电压基本同向，而与系统负2kIAU序

33、电流基本反向；非故障线路负序电流与故障相电压的相位差大于2sI2iIAU90，而与系统负序电流相位差小于 90因此，可以通过比较单相接地故障时各出线负序电流的大小和方向进行接地保护。硕士学位论文6图 1-2 配电网单相接地故障负序矢量图该方法抗弧光接地能力强；不受中性点接地方式的影响。保护精度却受故障残流的影响；负序电流获取困难；受系统不对称度和负荷影响较大。（10） 零序电容电流补偿法14 利用系统中出现的零序电压对每一条出线的零序电流进行补偿，补偿的大小是本线路的电容电流的大小，方向为线路流向母线。从而使非故障线路的零序电流为零，而故障线路的零序电流则为所有线路零序电容电流之和或系统经消弧

34、线圈补偿后的零序电流。因此可以判定，经补偿后零序电流为零或者近似为零的线路为非故障线路，不为零的线路为故障线路。该方法有简单、可靠、灵敏度高等特点，不受过渡电阻影响，能适用于中性点不接地或经消弧线圈接地电网，并很容易在微机保护中实现。但是要受系统不对称度的影响，而且准确获得各条被检测线路所需的零序补偿电流困难。（11） 零序导纳法15定义线路零序测量电流与零序电压之比为该线路的零序测量导纳。按照这个定义，可知：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取负。则一条线路为故障线路和为非故障线路时的零序测量导纳之差，在数值上就等于系统的总对地导纳，二者在复导纳平面中的范围存在明显

35、界限，据此可判断是否为线路内部故障。通过汇总各线路内部故障信息便可确定故障线路。该方法原理上不受故障接地电阻的影响；抗过渡电阻能力强；配电网结构及参数在一定程度上的变化不影响保护性能；中性点经过渡电阻接地或经消弧线圈并联电阻接地，能增大系统零序导纳，有利于提高接地导纳继电器的灵敏度。但在实际运行中故障接地电阻的大小直接决定故障产生的零序电流及零序电压的大小，影响零序导纳继电器的测量精度，从而对保护的灵敏度有一定的影响。（12） 能量法16定义线路零序电压和零序电流乘积的积分为能量函数，则根据故障前所有线路能量函数为零，故障后故障线路恒小于零、非故障线路恒大于零，且故障线路能量幅值等于所有健全线

36、路和消弧线圈之和的特征，来判断故障线路。该方法适用于经消弧线圈接地系统，并且不受负荷谐波源和暂态过程的影响。但是接地电流中有功分量较小，且积分函数易将一些固定误差累积，因此其实际效果有待观察。（13） 模式识别和多层前馈神经网络方法17统计模式识别中基于最小错误的贝叶斯（Bayes）决策方法和人工神经网络方法进行小电流接地选线，它将故障后各线路零序电流看作某类故障的一个模式，通过人工神经网络的训练与学习来判断故障模式，从而实现故障选线。该方法本质上是对信息的并行处理，具有自适应性和容错性。第一章 绪论71.3.3 利用故障信号暂态分量选线上面利用故障信号稳态分量的方法都存在电气量幅值偏小的缺陷

37、。在中性点非直接接地系统单相接地故障时，存在一个明显的暂态过程。电气量中含有大量丰富的高频分量和直流分量。其中电流量通常较大，尤其是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，容易测量。而消弧线圈对于暂态量中的高频分量相当于开路，所以中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统的暂态过程基本是相同的。（1）首半波选线方法18首半波选线原理基于单相接地故障发生在相电压接近最大值时的假设。对于中性点经消弧线圈接地系统，相电压过零时故障的暂态电感电流很大，而暂态电容电流小；相电压接近最大值时的故障则正相反，暂态电感电流约为零，暂态电容电流很大。故障线路零序电流暂态最大值比稳态电容电流大几倍到几十倍，

38、也远大于非故障线路零序电流暂态最大值；而零序电流和电压的相位在非故障线路相同，在故障线路则存在180的相位差。此时，可利用故障线路暂态零序电流和电压首半波的幅值和方向均与正常情况不同的特点，可实现选线。但是故障并不一定发生在相电压峰值出现前后的瞬间里，在相电压过零前后发生接地故障时，首半波电流暂态分量就会很小，再计及过渡电阻的影响，则容易引起误判；而且首半波是短暂的，所以其对实现装置的速度、精度要求高，导致可靠性差。（2）利用小波变换技术分析暂态量进行选线19-32根据故障线路上暂态零序电流某分量的幅值高于非故障线路、且二者极性相反等的关系，利用合适的小波对瞬时电流信号进行变换，提取此分量内容

39、，选择故障线路。通过小波变换可精确可靠提取故障信号，但也存在尚未解决的问题。一方面，小波变换对微变量过于敏感，抗干扰能力不太强，稍大一些的干扰可能使其误判和漏判；另一方面，故障点经过渡电阻单相接地时，选线灵敏度会随着过渡电阻的增大而减小，如果经大电阻接地，小波分析的方法将不能进行。再次，小波分析只能提取确定频带内的电流信号，不能自动选择。（3）利用暂态信号的其他选线方法利用暂态信号的选线方法，在近几年有了很大的发展，也提出很多方法。主要有以文献33-36为主的零序电流集中式比较选线方法和以文献28,29为主的相电流分散式比较选线方法。利用首容性频带内配电网单相接地故障时的基本特征，文献33-3

40、6提出暂态零序电流幅值、相位比较的选线方法。这些方法，在特定系统发生强故障时能正确选取故障线路。但在中性点经消弧线圈接地系统发生弱故障时，首容性频带不包含电流值较大的低频分量，会有较大的测量误差；而且，首容性频带的上限截止频率是与系统参数有关的，需要根据系统参数整定。基于如下故障特征：故障线路中故障相与健全相暂态电流分量的比值大于2，而健全线路中故障相与健全相暂态电流分量的比值小于 2，文献28,29通过正交小波分解法提取在（组合）特征频带内暂态电流分量的测度，以各相间测度比值的大小是否大于 2 作为单相接地保护的判据。该方法中特征频带是固定硕士学位论文8的，然而，最能反映故障特征的频带是随系

41、统接线方式、故障模式而漂移不定的，固定频带内的测度比较不能确保足够的准确度和灵敏度，尤其是对于非故障线路。因此，要使这种方法实现准确判断故障线路和健全线路，恰当的选取特征频带是非常必要的。随着技术的发展，暂态电气量的采集精度和计算速度有了很大提高，更加使得利用故障暂态量进行选线成为可能。1.4 本文所做的主要工作1)对中性点非直接接地系统的单相接地故障进行暂态过程分析，寻找故障线路和非故障线路电流暂态分量的特征差异，及存在最大特征差异的频带。2)提出了一种自适应捕捉特征频带的暂态相电流比较选线新方案。并用EMTP故障仿真数据在MATLAB计算程序中检验其选线效果。3)提出了基于暂态零序电流幅值

42、比较的综合选线方法。并用EMTP故障仿真数据和现场故障录波数据在MATLAB计算程序中检验其选线效果。第二章 中性点非直接接地系统单相接地故障暂态分析9第二章 中性点非直接接地系统单相接地故障暂态分析2.1 引言中性点非直接接地系统单相接地故障选线问题已经研究多年却一直未能很好解决，严重阻碍了供电可靠性和自动化水平的提高。利用故障信号稳态分量的选线原理，因为消弧线圈对系统容性电流的感性过补偿，使得故障稳态电流幅值减小、方向改变，线路特征差异弱化消失，所以不能可靠选线。电力系统是一个复杂、含有非线性元件的RLC电路，其网络结构的突然改变必然会带来一个暂态过程。尤其是对于电容远大于电阻、电感的配电

43、网，接地电容电流的暂态分量可能会较其稳态值大很多倍。这一现象，为寻找电流的线路特征差异、进而提出新的选线判据，提供了良好的信息来源，而且有望解决单相接地故障选线这一难题。随着暂态信号的使用，所用信号频带的选取便成了一个十分关键的问题，这也是本文所要解决的问题。因此首先需要进行的工作是中性点非直接接地系统单相接地故障暂态信号分析，在各种故障信号中选取最能区分故障线路和健全线路的频带内信号分量，进行比较。2.2 故障零序电流暂态分量分析2.2.1 单相接地故障时零序电流基本特征电力系统中发生单相接地故障时，相当于在接地点加入一个零序电源。所以可以通过零序电流的特征寻找故障线路。中性点非直接接地系统

44、的拓扑结构通常为辐射状，如图2-1所示。系统母线电压一般为35或10kV，线路长度多为20km以下。0YY110kV10kVLRLSfR图2-1 典型的中性点非直接接地系统中发生单相接地故障通过对中性点不接地（或经消弧线圈接地）系统零序电流的分析，可知：硕士学位论文10(1)当中性点不直接接地系统发生单相接地故障时，全系统将出现零序电压。(2)在非故障元件上有零序电流，其数值等于本身对地电容电流，零序电流相位超前零序电压 90，电容性无功功率的实际方向为由母线流向线路。(3)在故障线路上，1)若为不接地系统，零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之和，数值一般较大，零序电流相位滞后零序电压 9

45、0，电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线；2)若为经消弧线圈补偿系统，零序电流为全系统所有非故障元件对地电容电流与消弧线圈电流之和。 当采用完全补偿方式时，故障线路上电流同非故障线路电流一样，等于本身对地电容电流，无功功率实际方向为母线流向线路，在这种情况下，利用稳态零序电流的大小和方向都不能判断故障线路。 当采用过补偿方式时，流经故障线路的零序电流将大于本身的电容电流，而电容性无功功率的实际方向仍为母线流向线路，和非故障线路的方向一样，因此，在这种情况下，首先无法利用功率方向的差别来判断故障线路，其次由于过补偿度不大，也难利用零序电流的大小来判断故障线路。2.2.2 零序电流暂态分量的构

46、成通过以上分析稳态情况下各线路电流的特点，在消弧线圈接地系统中，很难利用零序电流来选择故障线路。而当发生接地故障时，接地电容电流的暂态分量比稳态量大很多倍，因此可以考虑利用暂态分量来实现故障选线。零序网络中不包含电源电动势，只在故障点存在由故障条件所决定的不对称电压源中的零序分量。对于图1-1(b)所示的零序网，零序电压源 的瞬时0dU值为： (2-1)0AA( )sin(100)dutUt其中：正常状态的相电压幅值，AU 故障时刻的A相（故障相）电压相角。A因为消弧线圈是按照对工频容性电流作过补偿和避开系统谐振的原则设定其电感值的，所以零序网突然接入工频零序电压源的暂态过程是一个过阻尼的衰减

47、过程。则零序电流的时变波形中存在一个先突变、后衰减的暂态过程。这样变化的电流，通过傅立叶变换，可以分解成直流成分和一系列幅值递减的谐波成分的叠加，而且这些直流和谐波成分也基本上都是按照先突变后衰减的规律变化。另外，当一个正弦电压输入变压器后，由于绕组铁芯的铁磁材料具有非线性的饱和特性，其输出电压将发生畸变。畸变电压的傅立叶分解结果是一系列幅值递减的奇次谐波电压。因此，零序电压源发出的工频零序电压，在中性点连接消弧线圈的变压器里，被畸变为一组串联的零序奇次谐波电压源，其幅值随谐波次数的增加而减小。因而在零序网中产生一系列的零序奇次谐波电流。其中三次谐波电流因为系统的三相对称性，在三相星形联结和三

48、角形联结第二章 中性点非直接接地系统单相接地故障暂态分析11中均无法流通，而仅在三角形闭合回路中流通。所以零序网中的谐波电流主要是5、7、11 次等非三倍数奇次谐波，它们的幅值在时间轴上都是先突变后衰减，而同一时刻各次谐波的幅值则是次数越高幅值减小。以上分析的是故障零序电流谐波的幅值情况。分析一个正弦量，除了分析其频率和幅值外，还应分析其相角的情况。具体到中性点非直接接地系统的零序网络中，就是要分析故障零序电流的谐波是容性电流还是感性电流。如公式(2-1)所示，零序电压源的相角始终为不变。而电路结构突变和铁芯饱和产A生谐波电压的过程，都对电压的相角没有太大改变。所以零序谐波电压的相角基本相同，

49、则零序谐波电流的相角主要取决于谐波电流的通路阻抗。中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障的零序网络中，零序电流通路上的主要元件为线路的零序对地阻抗和消弧线圈的阻抗。它们对不同频率的电压呈现出不同的阻抗，以下是对线路和消弧线圈的分析：（1 1）线路零序阻抗的频率特性因为零序电流中低次谐波的幅值比高次谐波的幅值大得多，所以可以大致确定要寻找的零序电流线路特征差异是在低次谐波里。对于低频带的线路阻抗分析，使用长线均匀分布参数模型可保证其精确性。文献33-36依据长线均匀分布参数模型作如下推导：2U1UUdUU1I2IdII1dyx1dzxxdxlI图2-2 长线均匀分布参数电路模型其中:z1 ,y1

50、单位长度线路的阻抗和导纳； 距线路末端x处的电压、电流；,U I 距线路末端x + dx 处的电压电流；d x 为长度微元。UdUIdI，由图2-2 可得 (2-2)1111dUI z dxz dI dxI z dxdIU y dx解得 (2-3)22coshsinhsincoshCCxZxUUxxIIZ其中线路特性阻抗 ，线路传播系数 ，为单线路末11/CZzy11z y22UI、端电压、电流。运用公式(2-3)，可在已知线路末端电压、电流的条件下，计算线路上任意点的电压、电流。如以线路长度l代入x，则可得线路始端的电压、电流为硕士学位论文12 (2-4)1212coshsinhsincos

51、hCClZlUUllIIZ本文分析的是线路零序输入阻抗。在零序网中，线路末端负荷的零序阻抗为无穷大，相当于开路，即。将此边界条件代入公式(2-4)，有020I (2-5)01020001020.coshsin.CUUllIUZ则从线路始端看入的线路零序输入阻抗为 (2-6)01001000010sinctghcoshCCUlZZZlIl代入单位长度的零序线路参数0100010zRj Lyj C便是 (2-7)00000010000cosh().sinh()lRj Lj CRj LZj ClRj Lj C其中：R0,L0,C0 线路单位长度的零序电阻、电感和电容，l 线路长度。按照公式(2-7)

52、，使用三条典型10kV 线路的数据（同本文后面验证部分的仿真系统数据），如表1所列，计算出它们的零序阻抗频率特性曲线如下：表2-1 三条10kV 线路的参数长度(km)R0 + j XL0 (/km)BC0 (S/km)1#线路280.29 + j1.2182.892#线路150.29 + j1.2182.893#线路150.23 + j1.721.884第二章 中性点非直接接地系统单相接地故障暂态分析130 2 4 6 8 /kHz-90-450 45 90 3# 0 2 4 6 8 /kHz0 20 40 60 80 1001203# 0 2 4 6 8 /kHz-90-450 45 90

53、 1# /0 2 4 6 8 /kHz0 20 40 60 80 1001201# 0 2 4 6 8 /kHz-90-450 45 90 2# 0 2 4 6 8 /kHz0 20 40 60 80 1001202# /k /k /k / /图2-3 低频带（010kHz）内不同长度、参数线路的阻抗频率特性可见线路零序阻抗的相频特性（见图2-3左侧三个小图）是在正负90上交变的周期方波函数，随着频率升高线路零序阻抗的容性、感性频带交替出现，且容性频带和感性频带长度相同（记做fP/2 ）。以第一个交变频带为首的奇数次频带 (2k fP/2 , (2k+1) fP/2) 都是阻抗角为-90的容性

54、频带，以第二个交变频带为首的偶数次频带(2k+1) fP/2 , 2k fP/2)都是阻抗角为90的感性频带。而线路零序阻抗的幅频特性（见图2-3右侧三个小图）为周期梳状函数，梳状尖峰之间的频率周期为2fP/2，与线路零序阻抗相频特性的周期相同。即阻抗角由-90升到90的过零点频率(2k+1) fP/2对应于阻抗值的最低点（此时线路发生串联谐振），阻抗角由90降到-90的过零点频率2kfP/2 对应于阻抗值的梳状尖峰点（此时线路发生并联谐振）。而在梳状尖峰之间，阻抗值随频率的变化较平缓。综合观察图2-3，可发现线路参数和线路长度共同影响着阻抗值的大小，而影响阻抗角的变化周期（即容性频带或感性频

55、带的长度）却只有线路长度。线路长度越长，阻抗角的变化周期越短。线路阻抗的频率特性自然也影响到线路电流谐波的性质。所以在线路零序电流的低次谐波中，频率在容性频带(2k fP/2 , (2k+1) fP/2)内的谐波都是容性电流，频率在感性频带(2k+1) fP/2 , 2k fP/2)内的谐波都是感性电流。（2 2）消弧线圈对零序谐波电流的影响消弧线圈的电感值，是针对故障稳态下的系统对地容性电流作过补偿整定的。这一电流的大小是按工频基波计算的。即对基波电流分量有如下关系： (2-8),11(1).(1)LCIpIpLC硕士学位论文14其中：p为过补偿度；L为消弧线圈电感，C为全系统对地电容和；消

56、弧线圈电流的基波分量；,1A,1/LIEL系统对地容性电流的基波分量。,1A,1CIC E而对k次谐波电流分量，因为L相对固定，都有： (2-9),2(1).L kCkCkpIIIk其中：消弧线圈电流的k次谐波分量；,A,/L kkIEk L系统对地容性电流的k次谐波。,A,CkkIk C E可见，消弧线圈的感性补偿作用在系统过补偿时，能使故障线路零序电流基波分量由一个幅值较大的容性电流变为一个幅值较小的感性电流。而对于线路零序电流的谐波分量，消弧线圈的感性补偿作用都是以谐波次数平方级的水平被削弱的。随着谐波次数的升高，对于一定频率以上的零序电流谐波而言，中性点上的消弧线圈基本上相当于开路。综

57、合前面对线路和消弧线圈的分析可知，根据一个系统的具体参数可在频率轴划分出一系列等长相间的容性和感性频带，该系统的暂态零序电流低次谐波分量由其频率所处的频带性质决定其电流是容性还是感性。需要注意的是第一个频带(0,fP/2) ，由线路阻抗特性可知这个频带是容性的。但是其中的50Hz基波电流，却被消弧线圈由一个幅值较大的容性电流过补偿成一个幅值较小的感性电流，性质和幅值大小都发生了根本的变化。而这第一个容性频带里的其他谐波分量（即频带(50,fP/2)内的谐波），受到的消弧线圈感性补偿都较工频基波小，所以仍为幅值较大的容性电流。因此经消弧线圈补偿后系统的第一个容性频带实际上是 (50, fP/2

58、)。2.3 暂态相电流故障分量的构成2.3.1 中性点不接地系统暂态相电流分布特征配电网中发生馈线单相接地故障，其暂态电流故障分量的分布如图2-4(此处先考虑中性点不接地系统，因而开关S为断开状态)，图中箭头标示出暂态电流故障分量的流通回路。第二章 中性点非直接接地系统单相接地故障暂态分析15CB ACEICJC0LI LS线路I线路JdIdBEAE放电电流充电电流图2-4 电网单相接地故障暂态电流的分布在故障瞬间，电网中各线路的故障相（A相）电压突然降低，其电容迅速放电，而非故障相电压突然升高，其电容迅速充电。在放电电流经过的回路中（通过母线流向故障点） ，电阻和电感都很小，因此放电电流振荡

59、频率较高，可能达到几千赫，衰减很快。充电电流要通过电源形成回路，电感和电阻相对较大，因此充电电流振荡频率较低，只有几百赫，衰减较慢。从图中电流回路流向可知，故障线路J故障相（A相）的暂态电流故障分量由本线路B、C相的暂态电流分量和健全线路I各相暂态电流分量组成。2.3.2 经消弧线圈接地系统暂态相电流分布特征经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时 (图2-4，S闭合)，与不接地系统相同的是：在故障线路故障相中，暂态电流分量是由本线路非故障相的暂态电流分量和其他健全线路暂态电流分量组成。但由于消弧线圈补偿的存在，在故障线路故障相有感性暂态电流分量流过，而所有非故障相则仍然仅流过自身容性暂态电流分量

60、。根据电感元件基本概念可知，在故障暂态过程中，电感的暂态电流分量是由工频电流分量和衰减的直流分量组成。又由于消弧线圈是电感性的，高频暂态电流很少流过，因此，对于高频分量来说，相当于消弧线圈不接入电网。而通过上一小节的分析可知，各故障相所流过的为振荡频率很高的放电电流。因此，上述故障线路故障相与健全相暂态电流故障分量之间的关系在消弧线圈补偿系统中是仍然存在的。2.4 暂态电流中的幅频特性分析2.4.1 暂态零序电流幅频特性分析由 2.2.1 节可知，在中性点非直接接地系统发生单相接地故障时，全系统将出现零序电流，故障线路零序电流为所有健全线路零序电流之和。也就是说，如果各健全线路电流方向一致，故