小电流接地故障监测技术.ppt

1、1,小电流接地故障监测技术,山东理工大学科汇电气技术研究所 徐丙垠,2,主要内容,概述 小电流接地故障信号特征 稳态电气量选线方法 暂态电气量选线方法 瞬时性接地故障监测 结论,3,一、概述,4,小电流接地故障：指小电流接地系统（中性点非有效接地系统）的单相接地故障。 小电流接地故障选线，又称小电流接地保护，选出带有接地故障的线路，给出指示信号。 小电流接地故障选线难，主要难在谐振接地系统。,5,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,6,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

2、，可防止事故进一步扩大。 沿海某地变电所统计数据： 采用小电流接地运行方式，10kV线路平均每年跳闸27次。 改造为经小电阻接地之后平均每年跳闸46次 采用小电流接地运行方式跳闸率减少近50%,7,小电流接地系统存在的问题,非故障相电压升高，危害电网绝缘。 正常情况下，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。,8,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； 许多供电部门仍然采用拉路法选择接地线路。供电瞬时

3、中断，影响用户用电设备正常工作，甚至可能造成停电事故。,9,中压配电网中性点接地方式的选择,是目前行业上关注的关键技术问题之一 不是一个简单的技术经济问题。 考虑问题的角度很重要： 对电网运行管理的影响 用户角度：供电可靠性、电能质量（电压骤降） 考虑运行方式：N-1要求,10,小电阻接地方式一度受到推崇： 电网规模的扩大、电缆线路的广泛应用，使故障电流增大，接地电弧难以自行熄灭，难以体现小电流接地方式的优势。 继电保护配置简单，选择性好。发生接地故障时保护瞬时动作，切除故障线路，减少过电压危害。,11,中性点接地方式选择（续）,近年来，小电流接地方式又引起了人们的重视： 电力市场化，对供电可

4、靠性要求不断提高。 消弧线圈自动调谐技术的应用，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。 小电流接地故障选线技术取得了重大进展 统计数据表明：电缆网络也存在大量的瞬时性故障,12,国际上情况,法国 早期采用中性点不接地或消弧线圈接地方式 1960年代推广小电阻 1990年代改为谐振接地 发明了PDTR选线法 英国 中压电网中性点主要采用大电流接地方式 英格兰北部的约克郡（York)电力公司已对50个变电所中压配电网进行了消弧线圈接地改造,13,国际上情况（续）,意大利 中压配电网中性点主要采用不接地方式 采用瞬时短接接地相母线的方法消弧、选线 接地瞬间故障电流

5、大，灭弧效果不理想。 2000年以来实施谐振接地改造工程，已有25%的变电所完成改造。 采用可调消弧线圈后，接地故障引起的供电中断减少50%以上。 采用固定调谐消弧线圈，接地故障引起的供电中断减少26%以上。,14,德国： 广泛应用谐振接地方式 供电可靠性很高,15,国内情况,有人主张城市电缆配电网络采用小电阻接地 深圳、广州、北京等地的部分电缆网络采取了小电阻接地方式,16,建议：尽量采用谐振接地方式,17,二、小电流接地故障信号特征,18,2.1稳态分析,A相接地后,接地相电压为零,非故障相电压升高1.73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

6、电流的算术和。,19,中性点不接地电网 零序等效网络,20,中性点不接地电网零序电流、电压关系,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。,21,谐振接地电网 零序网络,22,消弧线圈接地电网零序电流、电压关系,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。,23,2.2暂态分析,暂态过程： 故障相电压突然降低引起的放电电流，不经

7、过电源流向故障点，频率在数千赫兹，衰减快； 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。,24,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,25,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。,26,接地电阻较小时等效电路。充电过程短

8、暂，可以忽略消弧线圈影响。,27,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,28,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。,29,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

9、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。,30,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,31,三、稳态电气量选线方法,32,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,33,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,34,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

10、影响。 有功功率含量小，受TA，TV误差影响，灵敏度得不到保证。,35,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。,36,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,37,故障相瞬时短接法,发生接地故障时，

11、在母线处瞬间短接故障相，使接地电流分流，自动熄灭。 利用短接开关投入前后零序电流的变化选择故障线路 需要配备高压开关 灭弧效果不如谐振接地,38,四、暂态电气量选线法,39,暂态电流远大于稳态电容电流， 且不受消弧线圈的影响。,40,实际故障零序电流波形,故障线路零序电流,41,优点,暂态零序电流数倍于稳态值，有时达十几倍，灵敏度高。 不受消弧线圈的影响 不受故障点不稳定的影响 可以检测瞬时性故障,42,4.1传统暂态选线方法-首半波法,1950年代国外提出零序电压电流初始极性比较法 1970年代国内研制出首半波法的接地保护装置 极性正确时间短，受电网参数、短路相角影响。 受当时技术条件限制，

12、处理方法简单。,43,4.2 现代暂态选线法,计算机、微电子技术的发展，为开发暂态电气量选线新技术创造了条件。 行波测距技术已在输电线路中应用，获得了极大成功，充分地体现出了暂态继电保护的生命力 自上世纪90年代起，利用暂态电气量的选线法又引起了人们的重视。 已提出多种暂态选线方法 已开发出新型暂态法选线装置，实际故障选线效果良好。,44,可借鉴稳态选线原理 故障线路暂态零序电流幅值大于非故障线路，极性相反。 比较暂态零序电流的幅值与极性选择故障线路 问题：理论上不严格，检测时间窗的选择没有依据。,45,等效电路中用集中电容代表线路是有条件的！,？,46,在母线处检测的零模线路入端阻抗Zock

13、的相频特性随频率而变化。在信号频率小于一临界频率s（一般大于2000Hz）时，线路可用一电容来等效。,47,消弧线圈接地系统,消弧线圈只对故障线路电流产生影响 在频率大于一临界频率L时，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 ，可以忽略消弧线圈影响。 一般选L为150赫兹即可满足要求。,48,利用暂态信号的故障选线新方法,首先确定被利用信号频带范围（SFB），中性点不接地系统为0-h ；消弧线圈接地系统为 L h。 对暂态零序电压电流信号滤波处理，获得SFB分量 对SFB频率分量来说，故障线路幅值大于任何一条健全线路；故障线路中零序电流或容性无功功率从线路流向母线，而健

14、全线路中从母线流向线路。,49,比较同一母线所有出线暂态零序电流的幅值（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,暂态电流幅值比较法,50,暂态零序电流极性比较法,选择一个参考线路，如果参考线路只和某一条出线反极性，则该出线为故障线路； 和所有出线都反极性则参考线路为故障线路； 和其他所有出线都同极性则为母线接地故障。,51,暂态容性无功功率方向方法,利用零序容性电流方向，即暂态零序电压、电流间关系，可以选择故障线路。定义：,52,对健全线路k有： 而对故障线路i有： 故障与非故障线路 q(t)极性相反，判别q(t)极性可以识别故障线路。,53,u0,i0,首半波法-初

15、始极性相反,新方法-极性永远相反,54,为充分利用故障后所有暂态信息及增加抗干扰能力，可对参量qt(t)在一段时间（0-T）内进行积分 得到参量Eq(t)： 保护判据可定为：,55,暂态容性无功功率方向保护算法可表示为： 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。,56,4.3 XJ-100小电流接地故障监测系统,选线装置采集故障信息、选择故障线路、上报选线结果。 分析机主要用于存储、统计、分析数据,57,数据采集、选线装置,58,主要特点,专用高速数据采集单元，同时采样。 多CPU技术，分工协作。 采集零序电压、电流信号 可利用三相电流互感器，获取零序电流。 故障数据

16、可存储，便于事后分析。 故障数据可远传，可异地分析。 利用瞬时故障对线路绝缘状况提出预报,59,安装在现场的XJ-100小电流接地故障监测系统,60,实际运行结果,从2001年12月至2003年5月两个电站共发生永久接地故障22次。 一次装置未动作，原因是缓变故障暂态信号微弱等原因未记录到暂态过程。 其余21次全部动作正确,61,接地故障产生的零序电压、电流信号,62,暂态容性无功功率计算结果,63,间歇性接地故障产生的零序电压、电流信号,64,暂态容性无功功率计算结果,65,66,67,68,高阻故障问题： 故障电阻比较大时（数千欧姆），接地电流小，零序电压上升缓慢 有统计数据表明，高阻故障

17、发生的机率在5%左右 因信号微弱，目前所有检测方法都不能保证正确选线。 提高信号检测灵敏度可解决部分问题,69,五、瞬时性故障监测,70,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。,71,一次瞬时性接地故障的电压录波图,72,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，将给值班人员提供非常重要的电网绝缘状态信息。 相对于利用局部放电技术对电缆绝缘进行监测，瞬时性接地故障持续时间更长，可靠性更高。,73,某变电所实际故障统计数据,从2001年12月至2002年12月，共捕获故障数据475次。其中永久接地故障14次，其