小电流接地故障暂态选线及监测技术(普及)xue0课件

基于故障暂态特征信号的选线新原理

XJ－100小电流接地故障选线及监测系统

人工试验与现场运行结果

运行经验总结

配电网中性点接地方式主要内容

小电流接地故障特征及选线技术科汇电气配电网中性点接地方式

科汇电气影响中性点接地方式选择的因素单相接地故障是否会造成供电中断配电网中性点接地方式之过电压对绝缘的影响故障电流幅值（接地电弧会引发火灾）人身安全对通信系统的干扰继电保护与控制方式设备投资科汇电气配电网中性点接地方式大电流（有效）接地方式

直接接地小电阻接地电抗接地

科汇电气小电流（非有效）接地方式

不接地消弧线圈接地（谐振接地）高阻接地

优点：易于保护无过电压危害缺点：不易息弧，供电可靠性低人身危害大对通信影响大优点：供电可靠性高人身、通信危害小缺点：故障检测困难过电压危害配电网中性点接地方式之国内外配电网中性点接地方式配电网中性点接地方式发展历程以美国、英国、日本为代表的国家以大电流接地方式为主以法国、德国、前苏联为代表欧洲国家以小电流接地方式为主欧洲逐步向谐振接地方式发展：法国EDF、英国北方（YORK）电力公司、意大利。国内：面临多样化的趋势，但仍以小电流接地方式为主科汇电气配电网中性点接地方式之小电流接地故障特征

及选线技术中性点不接地系统故障工频特征三相电压的变化

三相电流的变化

零序电压的变化小电流接地故障特征及选线技术之UB0UC0EAECEBo故障相电压降低健全相电压升高线电压保持不变可近似认为不变等于故障相故障前的反相电压

零序电流的变化故障线路零序电流是所有非故障线路电容电流之和，方向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IfIhU0故障线路零序电流是所有非故障线路电容电流之和，方向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，二者反极性故障线路零序电流是所有非故障线路电容电流之和，方向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，二者反极性科汇电气消弧线圈接地系统故障工频特征三相电压、零序电压与不接地系统相同

故障点电流减小、有利息弧

故障线路零序电流幅值可能小于健全线路，且极性与健全线路相同UB0UC0EAECEBoIfIhU0

故障线路零序电流减小，极性相反

健全线路零序电流与不接地系统相同If科汇电气小电流接地故障特征及选线技术之小电流接地系统故障暂态特征暂态零序电流幅值远大于频零序电流

故障线路零序电流与零序电压初始极性相反，健全线路则相同

暂态过程不受消弧线圈影响科汇电气小电流接地故障特征及选线技术之小电流接地故障传统选线方法工频零序电流幅值、极性比较或无功功率方向

利用暂态信号的方法（首半波）

谐波法（5次谐波或多次谐波综合法）有功电流或有功功率方向（能量法）

注入信号法

利用系统参数及其在故障前后或调协度变化前后变化的方法科汇电气小电流接地故障特征及选线技术之小电流接地故障选线技术新进展综合选线算法小波选线中电阻方法中性点并联阻抗法故障相瞬时短接法基于特征分量的暂态选线方法小电流接地故障特征及选线技术之小电流接地故障检测的难点故障产生的电流信号微弱，信噪比低。特别是利用谐波和有功电流等部分故障电流的方法。

故障电弧不稳定，造成零序电压、电流波形损坏严重，而已有方法大多是基于稳态量。

工程质量、售后服务质量不高，运行管理模式不完善。

依赖系统结构、参数和其它装置。

检测装置设计不合理。科汇电气小电流接地故障特征及选线技术之基于故障暂态特征信号的

选线新原理科汇电气IcIc线路电容充放电示意图If暂态特征的传统分析方法L0u0(t)R0C03Lp故障网络简化模型

两个分析方法的结果不统一不能用来实现选线基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气基于故障暂态特征信号的选线新原理之

等效电路中用集中电容代表线路是有条件的！科汇电气

零序网络中健全线路k（末端为开路状态）来说，在母线处检测的线路入端阻抗Zock的相频特性随频率而变化。在信号频率小于一临界频率（一般大于2000Hz）时，线路可用一电容来等效。基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气不接地系统零模网络相频特性故障线路检测的背后阻抗是所有健全线路并联后的总体等效阻抗。4条出线不接地系统零模网络各出线检测阻抗相频特性示意图

故障线路

健全线路3

健全线路2

健全线路1

3sw

2sw

1sw

33sw

23sw

SFBω＇零模网络任一条健全线路，可以看作末端开路的单相线路。基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气特征频段内不接地系统零模网络等效图定义从0到ω’频段为特征频段（简称SFB）。SFB内，故障零模网络可以简化为：

DiD1C’01母线DNC’0NUf0L0iuR0iuC0iuSFB内故障零模网络等效图基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气

在SFB内，零模电流具有如下关系规律a.故障线路幅值大于任何一条健全线路。规律b.故障线路中从线路流向母线，而健全线路中从母线流向线路。二者流向和极性相反。

在SFB外，零模电流具有如下关系规律c.由于可能出现健全线路之间的电流交换，故障线路和健全线路的零模电流幅值和极性（方向）没有固定统一的关系。母线处检测的无功功率在SFB内外的分布也满足规律a、b、c特征频段内不接地系统电气分布特征基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气消弧线圈接地系统零模相频特性及电气分布则在ω’L到ω’频带内，故障线路检测的电流幅值大于任一健全线路，其流向也与健全线路相反

消弧线圈作为感性元件，将只对故障线路检测阻抗和电流、无功功率的幅值及流向产生影响。设消弧线圈在频率ωr下能够完全补偿电容电流设最大的健全线路零模电容为Cmax如果定义：基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气4出线消弧线圈接地系统零模典型相频关系示意图

故障线路

健全线路3

健全线路2

健全线路1

3sw

2sw

1sw

33sw

23sw

'LwSFBω＇而在0到ω’L频带内，故障线路容性电流幅值小于与健全线路，且流向相同，不能作为选择故障线路的依据基于故障暂态特征信号的选线新原理之消弧线圈接地系统零模相频特性及电气分布（2）科汇电气线模网络相频特性及暂态信号特征

故障线路

健全线路3

健全线路2

健全线路1

4出线系统线模典型相频关系示意图0

-202角频率

相位/radR2<ZcxR2>ZcxωR末端带有纯电阻负荷的线路阻抗相频特性示意图基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气仿真模型110KVRfl2=6kml3=9kml4=12kml5=15kml6=20kml1=3kmZL10kVTYY0LNRLK中性点不接地和经消弧线圈接地系统仿真模型

基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气40

50

60

70

80

90

100

110

120-10

0

10

Time/msZerovoltage/kV仿真结果示例40506070809010011012050050Time/msZerocurrents/A消弧线圈接地系统故障时零模电压和各条出线零模电流

基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气4850525456586010010time/msZerovoltage/KV4850525456586050050time/msZerocurrents/A故障线路健全线路零模电压和各出线零模电流的暂态放大图基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气50010001500200025003000350040004500500055006000024frequency/Hzmagnitude/A故障线路0健全线路各出线零模电流的幅频特性和阻抗的相频特性

2000200angle/D故障线路健全线路SFB50010001500200025003000350040004500500055006000frequency/Hz0基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气52545658606264-50510time/msSFBofzerovoltage/KV-50050SFBofzerocurrents/A故障线路健全线路52545658606264time/ms零模电压和各出线零模电流的特征分量

基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气R很小R很大对传统暂态分析方法的完善和修正基于故障暂态特征信号的选线新原理之Lu0(t)RC03Lp修正后的故障网络简化模型正序、负序等效电感之和3倍的过渡电阻及线路电阻等之和Lu0(t)RC03Lp传统故障网络简化模型Lu0(t)RC0u0(t)RC03Lp科汇电气故障选线原理暂态零序特征电流幅值比较暂态零序特征电流极性比较暂态零序特征电流方向暂态零序特征信号无功功率方向返回基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气暂态信号的预处理确定SFB范围。0～ω’还是ω’L～ω’。ω’确定为在主谐振频率（故障后计算）基础上加一预设阈值。根据公式。一般系统，最大两条线路的零模电容之和不超过整个系统的89%。ω’L可选为3～4倍的工频。构造数字滤波器，对暂态零模电压电流信号滤波获得SFB分量。称特征频段内的暂态零模信号为特征信号。基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气比较同一母线所有出线暂态零模特征电流的幅值（均方根值），幅值最大者被选定为故障线路。IhIfLIh选择若干（>3）幅值最大线路确定参考线路和其它线路极性关系确定故障线路暂态零模特征电流极性比较选线方法暂态零模特征电流幅值比较选线方法基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气暂态特征电流方向选线方法而对故障线路有：对于连续频谱的暂态信号，需要重新寻找表征电流方向的参量。定义：则对健全线路有：对dt(t)在暂态时间段内进行平均得到参量D

：基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气有自具性。即不需要比较各条出线电气量，仅根据本线路电气量即可确定是否故障线路。上述基于暂态信号方向的检测算法可表示为：特征分量D零模电流零模电压求导滤波滤波∏平均d(t)分解特征分量无功分量可选暂态特征电流方向选线算法示意图基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气暂态零序特征信号无功功率方向选线方法特征分量特征分量Q零模电流零模电压Hilbert滤波滤波平均∏基于暂态特征信号无功功率方向的选线算法示意图

基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气4种选线方法性能比较

特征电流幅值比较法特征电流极性比较法特征电流方向法无功功率方向法算法难易易易中等复杂是否有自具性否否有有能否适用两出线系统否否能能能否确定母线故障否能能能受有功分量影响程度否轻微中等否受信号幅值误差影响是否否否受信号极性误差影响否是是是需要零模电压信号否(1)否(2)是是(1)、(2)：参与比较的为零模特征电流。基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气基于暂态特征信号检测方法可靠性分析

3RfUfC’0fL’2fL’1f在SFB一个子频带内的系统等效图

CfRfGf电弧故障的故障点模型

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

x10

4-4

-3-2-10

角频率/(rad/S)lg(Uf/Upm)

故障点虚拟电源的电压幅频特性示意图

基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气对故障分段技术的适用性

4种基于暂态特征信号的选线方法可应用于配网自动化系统实现小电流接地故障的自动分段和隔离。但可靠性和适用条件不同。

CB1RTUStFS11S12CB2S21S22FTURTUFTUFTUFTUFTU通讯网络主站配网自动化系统结构图基于故障暂态特征信号的选线新原理之科汇电气XJ－100小电流接地故障选线及监测系统科汇电气系统构成系统构成XJ-100小电流接地故障选线装置XJ-100小电流接地故障分析系统软件XJ－100小电流接地故障选线及监测系统之科汇电气XJ-100小电流接地故障检测装置完成被监测线路的数据采集故障启动后，故障数据和时标的打包故障数据上传设备报警输出故障选线结果的空接点输出XJ－100小电流接地故障选线及监测系统之科汇电气XJ-100小电流接地故障分析系统主要功能：故障数据的收集、存储，故障波形的显示，实时自动选线并将结果显示、上报。充当数据服务器，供远程读取变电站内的故障数据使用。主程序模块网络通讯服务端直接串口通讯服务端拨号通讯服务端远程通讯通讯客户端故障波形分析模块数据统计分析模块XJ－100小电流接地故障选线及监测系统之科汇电气通讯方式前置采集装置通讯

串行口远程数据通讯

1.物理层接口支持串口、Modem和网卡

2.规约采用IEC60870-5-103和DNP3.03.数据传输前编码压缩

4.数据包使用CRC32校验以保证数据正确XJ－100小电流接地故障选线及监测系统之科汇电气系统主要功能选择故障线路选择故障相利用瞬时性故障对线路绝缘状态监测提供有益信息历史故障数据统计XJ－100小电流接地故障选线及监测系统之科汇电气本系统采用的综合选线方法1)

确定故障起始时刻；2)

预处理，先对同母线所有通道数字滤波，获得暂态特征分量；3)

确定故障暂态延时长度；4)

在暂态区段内，选出三条零序特征电流幅值最大且均超过一预设门槛的线路，再相互比较极性并确定故障线路；5)

对于不能选出三条零序特征电流幅值超过该预设门槛的线路的情况，如果有两条或一条线路超过门槛，则采用暂态零序特征电流方向保护算法确定故障线路；6)

如果没有任何一条线路零序特征电流幅值超过该预设门槛，则不能确定故障线路。XJ－100小电流接地故障选线及监测系统之科汇电气主要技术特点利用故障产生的暂态信号，检测可靠性和灵敏度高剔除了暂态信号中不支持选线要求的分量，原理更先进不受消弧线圈影响，可适用于不接地/消弧线圈接地不受不稳定电弧影响，弧光接地或间歇性接地时检测更可靠不受系统规模和线路结构变化影响，适用配网自动化要求采用普通电压电流互感器，不需要安装专用耦合设备和其他高压设备选线结果可以多种方式上报调度或控制中心可对瞬时性故障分析统计，利用其对线路绝缘状况监测提供有益信息不需要增加任何一次设备，安全性高记录故障波形，便于事后分析XJ－100小电流接地故障选线及监测系统之科汇电气主要技术指标选线结果正确率>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DNP3.0XJ－100小电流接地故障选线及监测系统之科汇电气

与小波选线技术的区别小波变换是与傅立叶变换类似的分析方法均利用暂态信号部分分量选线，原理相似小波选线技术理论基础不完善，频段选取依赖经验小波分析方法中频段划分固定，而特征频段是变化的，不匹配小波选线技术，可能漏掉所需信号、而选进不需要的干扰信号，作用有限。XJ－100小电流接地故障选线及监测系统之

与中电阻选线等技术的比较中电阻方法与中性点并联阻抗法原理相似选线效果均较佳高阻接地故障检测均较困难暂态选线无一次设备，安全性高、施工简单XJ－100小电流接地故障选线及监测系统之人工试验与现场运行结果科汇电气第一次人工接地试验时间：2001年12月14日地点：大淮变电所、凤山变电所过程及结果：人工试验与现场运行结果之

故障地点故障类型检测结果备注1大淮I段通淮线金属性正确

2大淮I段通淮线高阻未启动树枝3大淮II段东鲁线金属性正确

4凤山I段东街II金属性正确

5凤山I段东街II金属性正确

科汇电气第二次人工接地试验时间：2004年3月16日地点：茅山头变电所过程及结果：在II段母线九瑞II线金属性接地2次。发现I段母线和II段母线同时出现接地现象（XJ－100

、绝缘监测）研究XJ－100记录波形推测，I段母线西站I线与II段母线老马渡II线联络开关误合，使II段母线故障扩展到I段母线。验证推测，完善XJ－100算法人工试验与现场运行结果之科汇电气故障线路联络线路联络线路第三次人工接地试验时间：2004年10月24日地点：潮湖变电所过程及结果：人工试验与现场运行结果之故障地点中性点故障故障正确备注类型次数次数潮太甲线首端不接地金属21干扰潮太甲线首端补偿金属32间隔短潮太甲线末端补偿高阻32树枝接地潮太甲线末端不接地高阻11树枝接地潮太甲线末端不接地金属11

潮地已线末端不接地金属22

潮地已线末端补偿金属22

母线补偿

11开关故障总计

1512

1次失误科汇电气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）第一批试运行装置两套基于暂态信号小电流接地故障检测（试验）装置，分别安装于福建某电业局大淮、凤山两座110KV变电站。人工试验与现场运行结果之科汇电气产品分布：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％人工试验与现场运行结果之科汇电气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102030405060708090-2000200Time/mSCurrents/A故障线路健全线路-101x104Voltage/V102030405060708090Time/mS零模电压电流信号原始波形人工试验与现场运行结果之科汇电气1618202224262830323436-2000200Time/mSCurrents/A故障线路健全线路

零模电流原始信号及其特征分量能量对比

故障线路健全线路1健全线路2暂暂态区段内能量（J）零模电流60.53543.38713.5775零模特征电流54.34962.97643.1044特征分量所占比例89.78%87.87%86.78%各出线零模特征电流人工试验与现场运行结果之科汇电气1618202224262830323436-2000200Time/mSCurrents/Ai0(t)i0q(t)

i0p(t)i0d(t)

故障线路零模特征电流i0(t)及其无功分量i0q(t)、有功分量i0p(t)和畸变分量i0d(t)-101x104Voltages/Vu0(t)1618202224262830323436Time/mS零模特征电压及其Hilbert变换

人工试验与现场运行结果之科汇电气-8-404x109d(t)故障线路健全线路1618202224262830323436Time/mS各出线表征特征电流流向的参量d(t)

-15-10-505x105ReactivePower/var故障线路健全线路1618202224262830323436Time/mS各出线容性瞬时无功功率

人工试验与现场运行结果之科汇电气瞬时性与永久性故障关系统计23次永久接地故障中，突然性外力破坏型故障为3次。在其余20次永久接地故障中，有7次故障前存在不同程度的瞬时性故障。次序永久接地故障时间瞬时故障次数距首次故障时间105/11/0204:39748分钟206/08/0219:55120分钟309/03/0222:09368小时42分410/09/0211:281571小时22分512/25/0214:34470小时42分612/09/0202:031633小时34分704/23/0317:50241分人工试验与现场运行结果之科汇电气运行经验总结科汇电气工程安装中应注意的问题

充分了解系统结构和参数保持零序TA极性统一保持零序TV与零序TA之间极性统一对于多电缆并联构成的出线，保证应获得正确的零序电流信号保证接入信号的有效性保证通讯方式的长期可靠性运行经验总结之科汇电气装置运行中应注意的问题

新增线路时，应及时将信号接入装置注意中性点接地方式变化对装置的影响不接地方式改为消弧线圈接地方式时，某些只适应不接地系统的装置应退出运行当系统接地方式改变时，对于能适用不同接地方式但需要人工改变运行模式的装置，要及时更改装置运行模式生产厂家应加强售后服务质量运行经验总结之科汇电气对运行管理模式的建议相当多使用单位不够重视，对所使用的选线装置的基本原理、适用条件不了解，出现问题后不关心、不解决。建议列为保护产品管理范畴。在众多生产厂家中慎重选择、严格把关。专人负责，加强工程安装质量和运行管理。定期检查装置工作状态和性能，装置运行不正常或适用条件变化时及时进行相应处理。

运行经验总结之科汇电气谐振接地方式是发展方向小电流接地故障难，难在谐振接地系统。小电流接地故障选线难题可以解决信号注入法、中电阻法等技术成功率较高，主要缺点是需要一次设备，存在安全隐患。基于特征分量的暂态选线方法，完全利用故障自身特征选线，可靠性、灵敏度高，不受消弧线圈、不稳定电弧影响。高阻接地故障选线是普遍面临的问题除选线原理、装置设计外，工程、维护和运行管理质量同样非常关键主要结论科汇电气课题组发表的有关学术论文

徐丙垠,薛永端,赵健民.配电网馈线自动化系统远方终端的故障检测技术.1998年第七届全国继电保护学术研讨会.

徐丙垠,薛永端,赵健民.配电网馈线自动化系统远方终端的故障检测.供用电,1999,16(3)XuBingyin,XueYongduan,LiJing,ChenYu.Singlephasefaultdetectiontechniquebasedontransientcurrentanditsapplicationinnon-solidgroundednetwork.CI