（电力系统及其自动化专业论文）济宁电网小电流接地系统单相接地故障选线研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文 第一章引言 1 . 1小电流接地选线技术研究的意义 对于 3 5 k v及以下电网，我国及一些不发达国家都采用中性点不直接接地方式。 因其发生接地故障时，流过接地点的电流小，所以称其为小电流接地系统。它又可分 为中 性点不接地系统， 中性点经电阻接地系统和中性点经消弧线圈接地系统 1 - 9 。 小电 流接地系统中，单相接地故障是出现频率最高的一种故障。故障时由于三个线电压仍 然对称，特别是中性点经消弧线圈接地系统，流过接地点的电流很小，不影响对负荷 连续供电，故规程规定最多仍可继续运行2 个小时。但小电流接地系统在单相接地时， 非故障相电压会升为线电压，长时间带故障运行极易产生弧光接地，形成两点接地故 障，引起系统过电压，从而影响系统的安全。因此，需要一种接地后能选择故障的装 置进行故障检测，一般不动作于跳闸而仅动作于信号。 山东济宁电网位于鲁西南地区， 在山东电网中起着联接西、南及中、东部电网的枢 纽作用。现有公司直属变电站 2 8 座，其中2 2 0 k v 变电站 1 0 座，1 1 0 k v 变电站 1 0 座， 3 5 k v 变电站 8 座。2 0 0 3 年度最高调度负荷为 1 1 3 3 . 3 m w ，全年售电量完成 5 5 . 2 亿千瓦 时。网内3 5 k v和 i o k v系统都采用中性点不直接接地方式。其中，3 5 k v系统除一台 变压器中性点经消弧线圈接地外， 其它均为中性点不接地方式;i o k v系统， 多为中性 点不接地或中性点经消弧线圈接地方式，只有两台 3 5 k v变压器的 l o k v为中性点经 小电阻接地方式 ( 正在试运行中) 。 济宁电网的小电流接地系统单相接地故障自 动选线问题尚未得到很好解决 。 目 前，大多数厂站的小电流接地选线是采用与保护集于一体的装置，个别厂站装有专 用的小电流接地选线装置。网内3 5 k v , i o k v线路保护使用的是国内几大公司以及西 门子公司的多种产品，都设计有小电流接地选线功能。它们的选线原理一般为 “ 零序 过电流”原理或 “ 零序电流方向，原理。这些装置对于长线路和单相接地故障电流较 大的情况，选线较准确，而对于线路长短差别大，接地零序电流小的情况，选线失败 率高，常常多选或漏选。尤其是，有两个厂站，在安装了消弧线圈以后，选线成功率 就更低了。网内现有的专用小电流接地选线装置，其选线原理为谐波分析法，在一定 程度上可避免干扰造成的相位误差，避免单一判据带来的局限性，也可以克服受系统 运行方式， 长短线、 接地电阻的影响问题， 但当三相 c t有较大不平衡电流时容易误判， 另外中性点接有消弧线圈时，由于灵敏度低，判断结果可信度不高。 装置不能准确选线，就不得不采用逐次拉路的办法来选出故障线路，用人工巡线 目测的方法，来确定接地点的确切位置。拉路法需进行大量的倒闸操作，造成大量电 华北电力大学工程硕士学位论文 力用户供电的中断，人工巡线目测法寻找接地点，耗费了大量的人力、物力。这两种 方法与当代的电网高度 自动化水平极不相适应。因而迫切需要一种准确可靠的装置来 录取并分析小电流接地系统的故障信息，来加强电网故障分析的手段。 1 . 2 济宁电网选线系统的测量原理和选线方案 2 . 1 中性点不接地系统中的选线装里 1 、单相接地故障的特点 ( 1 )在发生单相接地时，全系统都将出现零序电压。 ( 2 ) 非故障线路零序电流的大小等于本线路的接地电容电流，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。 ( 3 )非故障线路的零序电流超前零序电压 9 0 0 ，故障线路的零序电流滞后零序电 压 9 0 0 。 2 .选线方案及结果 根据中性点不接地电网中单相接地故障的上述特点， 可以构成两种接地检测方 案，一种是根据零序电流的大小，另一种是根据零序功率的方向。在各变电站中，以 零序功率方向为判据的方案较多，其灵敏度和选择性也比前者好。 2 . 2中性点经消弧线圈接地系统中的选线装里 1 、单相接地故障的特点 ( 1 )在发生单相接地时，全系统都将出现零序电压。 ( 2 )当采用欠补偿方式时，流过故障线路的零序电流小于本身的电容电流，并滞 后 零 序电 压9 0 0， 和中 性点不 接地系 统中 的 故障 线 路的 方向 一样， 但是 零 序电 流的 减 小将大大降低判故障线路的准确性。 ( 3 )当采用完全补偿方式时， 流过故障线路和非故障线路的零序电流都是本身的 电容电流，并超前零序电压9 0 0。这时利用零序电流的大小和功率方向无法判断出哪 条线路上发生了故障，我公司1 1 0 k v市中变电站就出现这种情况。该站开始是l o k v 中性点不接地系统，小电流接地系统单相接地故障的检测是用微机保护7 s j 5 3 1 装置， 选线原理是判零功方向，当系统发生单相接地故障时，都能准确、及时地找出故障线 路。今年根据电网的要求，加装了中性点消弧线圈自动补偿装置，从此，电网发生单 相接地故障，装置无任何反映。 ( 4 )当采用过补偿方式时，流经故障线路的零序电流将大于其本身的电容电流， 华北电力大学工程硕士学位论文 并超前零序电压9 0 0，和非故障线路的方向一样。这种情况下无法用功率方向的差别 来判故障线路。同时由于实际系统中过补偿度一般不大，也很难用零序电流大小的不 同来找出故障线路。 2 、选线方案及结果 根据中性点经消弧线圈接地电网中单相接地故障的上述特点可以看出，在中性点 经消弧线圈接地系统中，一方面由于补偿的结果使零序电流大大减弱:另一方面根据 补偿度的不同，零序功率方向己不再固定。因此中性点不接地系统中的自动选线方案 在这里一般不再适用，造成无法选线的局面。 1 . 3国内外小电流接地选线系统的研究与应用现状 31 国内外小电流接地系统的运行状况 前苏联采用中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式。保护主要采用零序功率方 向原理和首半波原理。 日本采用高阻抗接地方式和不接地方式，但电阻接地方式居多，其选线原理较为 简单:不接地系统主要采用功率方向继电器;电阻接地系统采用零序过电流保护瞬间 切除故障线路。近年来在如何获取零序电流信号及接地点分区段方面作了不少工作并 己将人工神经网络应用于接地保护。 美国电网中性点主要采用电阻接地方式，利用零序电流保护瞬间切除故障线路， 但故障跳闸仅用于中性点经低阻接地系统;对高阻接地系统，接地时仅有报鳌功能。 法国过去以地电阻接地方式居多，利用零序过电流原理实现接地故障系统，随城 市电缆线路的不断投入，电容电流迅速增大，己开始采用自动调谐的消弧线圈以补偿 电容电流，为解决此种系统的接地选线问题，提出了利用 p r o n y方法和小波变换以提 取故障暂态信号中的信息 ( 如频率、幅值、相位)以区分故障与非故障线路的保护方 案，但还未应用于具体装置。 挪威一公司采用测量零序电压与零序电流空间电场和磁场相位的方法，研制了一 种悬挂式接地故障指示器，分段悬挂在线路和分叉点上。 加拿大一公司研制的微机式接地故障继电器也采用了零序过电流的保护原理， 9 0 年代，国外有将人工神经网络原理及专家系统方法应用于保护的文献19 1 我国配电网和大型工矿企业的供电系统多采用中性点不接地或经消弧线圈接地 的运行方式，近年来一些城市电网改用电阻接地运行方式。单相接地保护原理研究始 自1 9 5 8 年， 保护方案从零序电流过流到无功方向保护， 从基波方案发展到五次谐波方 华北电力大学工程硕士学位论文 案，从步进式继电器到群体比幅比相，以及首半波方案，先后推出了几代产品。 从八十年代末一直到现在，众多大中院校、研究院、生产厂家都致力于这一产品 的开发与生产，提出了不少新思路与方法，但从现场运行的效果看，没有取得预期的 经济效益和社会效益。 3 . 2现有选线方法分类 总体说来，从选线原理上大致可分为以下几种类型; 1 、早期的单一判据原理 零序电流法是基于线路自身的电容电流可能大于系统中其它线路的电容电流之和 这一特点。零序电流法利用各线路零序电流大小来判故障线路， 这从理论上就不完善， 而且，它还受系统运行方式，线路长短等许多因素的影响，常导致误选、漏选、多选; “ 功率 方向” 原理 采用检测 零序电 流功 率方向 来完 成选线 功能，当 用于短线路时， 由 于该线路的零序电流小，再加之功率方向受干扰，在一定程度上选线是不可靠的，容 易发生误、漏选情况;首半波原理基于接地线路的相反的特点实现选择性保护，但它 不能反映相电压较低时的接地故障，且受接地过渡电阻影响较大，同时存在工作死区: 利用 5次或 7次谐波电流的大小或方向构成选择性接地保护的谐波方向原理。由于 5 次或 7次谐波含量相对基波而言要小得多，且各电网的谐波含量大小不一，故其零序 电压动作值往往很高，灵敏度偏低，在接地点存在一定过渡电阻的情况下将出现拒动 现象。谐波分析法中，当三相c t 有不平衡电流时容易误判，另外中性点接有消弧线圈 时，由于灵敏度低，判断结果可信度不高。 2 、群体比幅比相原理 此种方法为多重判据，多重判据即为用二种及以上的原理为判据，增加可靠性和 抗干扰能力，减少受系统运行方式，长短线、接地电阻的影响，一般地，采用幅值法 与相位法相合，先用 “ 相对”原理从线路中选出三条零序电流最大线路，然后用 “ 功 率方向”原理从选出的线路中查找零序电流滞后零序电压的线路，从而选出故障线路。 因排队后去掉了幅值小的电流，一定程度上避免干扰造成的相位误差，另外排队也避 免了设定值，它既可以避免单一判据带来的局限性，也可以克服受系统运行方式，长 短线、接地电阻的影响，是较理想的方式。 3 .“ 注入法”原理 3 - 4 它不是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 p t 人为地向系统注入一个特殊信号电流， 用寻迹原理即 通过检测，跟踪该信号的通路来实现接地故障选线。当系统发生单相接地时，注入信 华北电力大学工程硕士学位论文 号电流仅在接地线路接地相中流动，并经接地点入地，利用一种只反映注入信号而不 反映工频及其谐波成分的信号电流探测器，对注入电流进行寻踪，就可实现单相接地 故障选线与接地点定位。 4 、注入变频信号法 注入变频信号法，其原理是根据故障后位移电压大小的不同，然后监视各出线上 注入信号产生的零序电流功角、阻尼率的变化，比较各出线阻尼率的大小，再计及线 路受潮及绝缘老化等因素可得出选线判据。 解决了“ s 注入法” 在高阻接地时存在误判 的问题，但当接地电阻较小时，信号电流大部分都经故障线路流通，导致非故障线路 上阻尼率误差较大。 5 、能量法 s ) 利用零序能量函数实现小电流接地选线;根据非故障的能量函数总是大于零，消 弧线圈的能量函数与非故障线路极性相同，故障线路的能量函数总是小于零，并且其 绝对值等于其它线路 ( 包括消弧线圈)能量函数的总和的特征，提出方向判别和大小 判别两种接地选线方法。能量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，从而在理论上解决了传统方法选线准确率低的问题. 6 、负序电流选线原理 利用负序电流与零序电流比较的故障选线原理，它基于以下特点:负序电流由故 障点产生，流向电源和非故障线路，与电源的负序电流方向基本相反:由于故障相电 压在接地故障过渡电阻上产生故障电流， 故障线路的负序电流与故障相电压相位一致。 另外，在假设馈线保护安装处到线路末端的线路长度较短的条件下， i o -1 2 。 即故 障线路保护安装处的负序电流近似等于零序电流。由这种原理构成的保护装置具有不 受弧光接地影响，抗过渡电阻能力强。负序电流与零序电流比较式接地保护具有自 适 应等优点，但负序电流绝大部分由故障线路流向电源，非故障线路负序电流很小，方 向准确测量困难，这就使得负序方向接地保护在实际保护配置中使用的可能性较小。 另外，当线路保护安装处到线路末端线路长度较长时，负序与零序方向保护的假设不 一定成立。该技术还有待进一步研究。 7 、基于小波变换的接地选线原理 小波分析对暂态信号和微弱信号的变化较敏感，能可靠地提取出故障特征。小波 变换的奇异性检测及模极大值理论提出了实现故障启动和选线方法。运用由小波变换 发展而来的小波包技术分解故障暂态信号，根据不同接地方式，选择能量集中的不同 频带作为选线频带:对中性点不接地配电网，选择能量集中的高频频带;对中性点经 消弧线圈接地的配电网，选择能量次最大的高频频带，并提出了基于波形识别和模值 华 北 电 力 大 学 工 程 硕 上 学 位 论 文 比较的故障选线逻辑判据，最终给出选线序列。 8 .模式识别和多层前馈神经网络方法 用统计模式识别中基于最小错误的贝叶斯 ( b a y e s )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。 3 . 3现有选线装置的不足之处 经过深入调查与分析 ，本文认为现有选线装置使用不理想的主要原因有以下几 点 ; i .每种原理都有一定的局限性。 目 前国 内流行的 三种原 理是功率方向 法、 谐波分 析法 (o 群体比 幅比 相法 ) 与 信 号注入法， ( i ) 功率方向 法 : 采用判断每条线路的零序电 流的功率方向来确定故障线路 这种方法从原理上讲就达不到 1 0 0 % 的准确率 ， 可能出现一条线路接地 ， 判断多条 线路或一条都判断不出的结果。目前 ， 这种方法常被综合自动化系统中分布采样单 元或功率方向继电器采用 。 ( 2 )谐波分析法 : 谐波分析法采用单相接地后零序稳态信号的群体比幅比相法. 由于比幅比相时 ， 采用的是相对原理 ， e l l 此 ， 这种方法从理论上讲不存在死区 ， 不 受运行方式及接地电阻的影响 ，可以做到 1 0 0 % 的准确率 ，其选线方案的有效性已 得到充分证明。但对于 c t不平衡导致的零序电流 ， 这种方法不能有效解决。 ( 3 ) 信号注入法 : 虽然 接线简单 ， 不须零序 c t回路 ， 但由于注 入信号大小 及 方法的限制一般主要用于 i o k v及以下电压等级系统。 另外 ，探头的灵敏度和可靠性 易受各种外界因素影响 ，再者综自站及无人值守站的使用有些不便。 2 . 硬件电路设计上存在着严重的先天不足导致了装置的运行可靠性很低 ，大部 分 用户有这样的反映 : 装置投运一年内 ，判断准确率很高 ，但以后就不准确了 这往 往是由于硬件电路故障导致的。 3 . 小电流选线装置未作为继电保护装置对待。 不论是从设计、 制造、 工艺还是从 应 用上讲 ，小电流选线装置一直被认为是一个检测装置 ，由于它的运行好坏不直接对 系统的安全运行造成影响 ，因此未引起足够重视。生产厂家为技术保密不对用户公开 硬件图纸 ，而现场用户由于没有图纸和相应检验规程而无法象保护装置一样做完检和 维护。 4 .现场安装接线问题 。由于选线装置须引入零序电压及零序电流回路 ，而 华北电力大学工程硕士学位论文 6 6 k v及 以下系统 ，以往设计时只安装了两相 c t , 没有零序回路 ，因此零序回路 的接线往往问题 最多。从现场的情况来看 ， 往往会出现 : 零序回路不对应 ; 回路未 引入 ; 零序不平衡电流过大 ; 极性不对等现象。如果输入的信号不对 ， 则选线装置 无法保证正确选线。 4 . 对于经消弧线圈接地系统 ， 一般采用提取 5次谐波分量来选线。 由于 5次谐 波分量 较小 (只占基波的 2 - 3 % ) 而且零序电流本身就小 ， 这使得对 5次谐波的 提取在硬件电 路上有很高的要求 ， 因此带消弧线圈的系统其选线困难更大些 ， 处理 不好 ， 就可能误判。 另外 c t不平衡 ， 导致正常运行时就有零序电流可能比故障零 序电流还大 ， 也会造成误 判。这种经消弧线圈接地的故障选线问题，也是济宁电网 小电流接地选线中最急需攻克的难题。 1 . 4 本文的主要工作 目 前市场上出现的小电流接地选线系统 ( 装置)良劳不齐，给用户的选择、使用 带来了困难，甚至造成了负面效应，其中部分是原理的问题，部分则是设计、软件与 硬件的问题。因此，对选线装置的设计与开发，所做的工作主要如下: 1 、优化选线装置的设计方案 ( 1 ) 抛弃只依靠单一化判据的简单方法，尝试利用各种选线原理的互补性，将暂态 过程的小波分析法和稳态过程的谐波分析法与能量法等集成综合为一体，用人工智能 方法进行处理和筛选，剔除无效判别，输出有效判别，利用优势互补实现高正确率的 选线目标。 ( 2 ) 严格按照继电保护装置的要求来设计、制造和检测。 ( 3 ) 硬件电路要选用高性能元件，提高集成度和抗干扰能力。 ( 4 ) 要保证选线结果的高准确性，高可信度。 ( 5 ) 要便于安装调试和设备定检。 2 、选择典型的应用现场 ( 架空线、电缆线、经消弧线圈接地、经电阻接地系统) 并设计几种接地试验方案，录取相关故障数据，进行数据分析。 3 、 研究并在现场安装选线实验装置，记录并分析各种实验数据，找出造成误选和 漏选的各个因素，不断完善，不断积累成功经验，努力为配电网的接地选线找出一种 准确可靠的方法。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章小电流接地系统中的单相接地故障特征 2 . 1 单相接地故障分析 对于中性点不接地电网 ， 正常运行时三相导线对地电容处于正弦交流充电状态 ， 线路对地保持一定的电压。若忽略三相对地的不平衡 ，则线路对地电容中流过三相对 称的充电电流 ， 因而没有零序电流和负序电流流过。实际电网对地总是存在 一定的 不对称 ， 但不对称度一般不大 ( 小于 1 5 % ) ， 可忽略不计。电网对地简化电 路可 表示为图 2 一 i。 图 2 - 1电网对地等值电路 f i g 2 - 1 . r e p r e s e n t a t i o n o f t h e n e t w o r k t o g r o u n d c i r c u i t 当某一相发生接地故障时 ， 相当该相对 地电容中并联接入故障电阻r f ， 见图2 - 1 ， 这时二相对地通路的对称性遭到破坏 ，由于中性点悬空 ， 一相接地后中性点电 位将发生偏移 ， 导致其它两相对地电压升高。中性点电位偏移关系式为 : 华北电力大学工程硕士学位论文 u n n = - e a l l + j 3 w r f ( c o1 + c 0 2 + c 0 3 ) 2 - 1 特别地 ， 当发生单相金属性接地时 ， 该相对地电压将降为零 ， 中性点电 位将升 为相 电压 ， 这时其它两相对地电压升为线电压 。由式 2 - 1可做出中性点电位随故 障电阻 变化的相量轨迹图如图 2 - 2。 图 2 - 2中性点电压偏移轨迹 f i g . 2 - 2 l o c u s o f t h e n e u t r a l v o l t a g e d e v i a t i o n 由于系统对地支路失去了对称性 ， 所以三相对地电压失去平衡 ，从相量图可以 看出当 a相发生接地故障时， b . c相对地电压有不同程度的提高 ， 超前于 a相的 c相电压升高较滞后于 a相的 b相电压升高要大。 三相对地电压的不平衡导致线路 对地有不平衡电流。故障点不平衡电流中正序和负序分量主要由故障线路经过电源形 成通路 ; 而零序分量由于电源侧中性点不接地 ，零序阻抗非常大 ，主要由故障线路 华北电 力大学工程硕士学位论文 一= 巴 巴 . . . . 经 母 线 注 入 到 非故 障 线 路中 。 零 序 回 路 基 本 上 呈 纯 容 性，所 有 非 故 障 线 路 上 的 零 序 电 流 同 相， 超 前 零 序电 压9 0 0， 故 障 线 路 上 零 序电 流 等 于 所 有 非 故 障 线 路 上 零 序 电 流 之 和， 滞 后 零 序电 压9 0 , 。 在 本 文中， 将 故 障 量 在故 障 线 路 上 和 在非 故 障 线 路 上 满 足的 特征差 异 称做选线规则。 中 性点 不 接地电 网 的 基波 成分 满足 选线规则。 当电 网中 充电电 流较大时， 需 要安装消 弧线圈， 消弧线圈 一般采用过补 偿或谐 振 补 偿方 式。 由 于 消 弧线圈 的 补 偿作 用 ， 每 条 线 路流 过的 基 波 零 序电 流等 于 本 线路 的对地电容基波电流 ， 不再满足选线规则。 进一 步 考虑单 相接地故 障的 全过 程 ， 应用故 障分量 概念 ，小电 流 接地系 统发 生 单相接地时的故障等值电路可以用图 2 - 3电路表示。 c b us x p - u n 图 2 - 3单相接地故障分量等值电路 f i g . 2一3 f a u l t c o m p o n e n t s e q u i v a l e n t c i r c u i t f o r s i n g l e p h a s e t o g r o u n d f a u l t 图中 x 0 1 , x 0 2 , x 0 3 , c 0 1 , c 0 2 , c 0 3为线路串联电抗和对地分布电容 : x p 为变压器漏抗 ; c b u s为母线设备对地等值 电容 ，一般为数千 p f ，相当于 1 -2 k m 的架空线路 ; x p为消弧线圈电抗 ，对于不接 地情况该值相当于二 。电网正常运行 时故障点对地电压为 u n ，发生单相接地故障等 效于 b闭合 ，与 u n大小相等 ， 方向相反的电压源u n串联故障电阻接入电网。 根据 叠加原理 ，可以把发生单相接地 故障的电网电气量分解为由对称三相电源作用产生 的非故障分量 ，和由故障等效电 源的投入而产生的故障分量。所以 ，故障分量实际 上是一个分布参数电路的零状态 华北电力大学工程硕士学位论文 响应。对于小电流接地系统 ，故障分量由故障点经 各条线路对地电容、消弧线圈等 构成回路。由于线路分布电抗、分布电容的存在 ，在故障暂态分量中含有多种频率成 分。因为消弧线圈的电抗远大于线路串联电抗 ，所以消弧线圈的暂态过程与线路的暂 态过程是解祸的。消弧线圈的暂态电流是非振 荡衰减形式。另外 ，大量的实测数据 表明 ，故障电阻 r f通常不稳定 ，尤其在故障开 始的几个周波 ，表现出很强的非 线性时变特性。在不稳定电阻的作用下 ，网络中含 有丰富的非平稳成分。 2 . 2 故障信息的测取 一次系统的故障信息经过 c t变送单元转换之后才能被选线装置利用。由于故 障 分量是叠加正常负荷分量之上的 ，变送单元以何种方式测取和表示故障信息对解 决 选线问题也是一个非常重要的环节。 变送 c t的不同接线方式或测量方法可获得 3种 信号形式 :合成相电流形式、负序电流形式和零序电流形式。 3种形式的测量 信号 中都包含有故障信息 ，但应用效果存在差异。 相电流测量方案通过测控 c t直接测取三相电流 ，其中包含故障电流和负荷电 流两部分 ，再由装置对合成电流进行处理 ，提取其中的故障成分。这种方案以每条 相线为测量单元 ，其中的故障信息是最全面的 ，因此信息的使用和选线判据的构造 具有更大的灵活性 ， 但由于输入选线装置的信号中含有负荷分量 ，而且是三相电 流 ，因此要求装置内部变换环节的量程范围及测量通道的数量都要大幅度增加。 这就 导 致实现上的困难。该方案主要适合于综合自 动化变电站 ，在综合自动化系统中集 成 选线功能 ，利用综合自动化系统提供的公共数据进行选线。 负序电流测量方案利用负序电流滤过器获取负序故障电流形式 ，以该信号为故 障特征进行选线。负序电流选线方法就是采用这种信号获取形式。由于电网中许多 因 素都可能产生较大的负序电流 ，负序故障电流很难从中提取出来 ;而且负序的概 念只对稳态正弦量有意义 ，对于非平稳、非正弦信号而言 ，负序量没有物理意义 ， 甚至不满足选线规则。因此负序方案实用价值很小。 零序电流测量方案是利用零序 c t或三相 c t的并联获得故障零序电流形式 ， 并 用该信号进行选线。故障零序电流信号以每一回线路为测量单元 ，是三相故障信 号 的综合形式。 零序电流方案在选线问题中被广泛地采用。该方案较上述两种方案 具有 更多的优点 : a 零序成分的影响因素比较少 ，电网的不对称只引起极少量的零 序 电流 ; b )零序信号形式从构成机理上具有明确的物理意义 ，它表示测点断面流过 二相导线的净电流 ，无论信号是否为正弦量 ，该物理意义都成立 ; c )该方案获取 的信号中不包含负荷电流 ，并且每条线路只需一路信号通道 ，所以装置的输入通道 华北电力大学工程硕士学位论文 可 以更好地为故障信号设计 ，通道数量的需求也比较少。 通过以上分析可知 ，零序电流测量方案最可行。 故障电压信号采用零序电压 ，通过 p t二次开口角环接获得。 2 . 3 本章小结 本章通过进行电网单相接地故障分析，阐明了在中性点不接地和经消弧线圈接地 两种情况下，单相接地故障线路及系统的电气量变化特点，分析了故障暂态成分的存 在性和来源 ， 为进一步研究如何利用其中的暂态信息来构成选线判据 ， 实现故障 选 线，莫定了基础。 另外，还对故障信息的测取进行分析，选出最可行的方案是零序电流测量法。 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章选线方法与原理 3 . 1 早期的单一判据法 小电流接地故障选线保护问题难度系数大，生产上又切实需要解决，所以人们为 解决这一问题进行了大量的有益研究工作，探索出很多选线方法。按照采用信号特征 种类的不同，这些选线方法概括起来可有 4大类，即:工频量选线方法、暂态量选线 方法、信号注入法、能量法。其中， 工频量选线方法应用历史较长.种类较多，具体方 法原理如下: 零序电流副值法和零序电流方向法分别通过比较各条线路零序电流的大小，最大 者为故障线路:或比较零序电流的方向，与其它线路电流方向相反者为故障线路。对 于中性点不接地方式，采用基波零序电流。对于中性点消弧线圈接地方式，采用五次 谐波t - z 7 。 零序无功方向法 。 利用故障线路和非故障线路零序电 流分别滞后和超前零序电压 9 0 的关系构造选线判据，针对不同接地方式，分别可采用基波或五次谐波。 最大有功分量法和有功分量方向法 l 一 z ， 利用线路、 消弧线圈等对地存在电导的 特 点 提取故障电流中的有功分量，故障线路中的有功电流分量最大且由线路流向母线。 两种方法分别利用有功分量的幅值和方向为依据构造选线判据。 负序电 流法 ” 一 7 利用单相接地故障产生的负序分量，用故障后和故障前负序分量 之差得到负序电流增量，根据负序电流增量的大小或方向来判断故障线路。 零序导纳法在电网正常运行状态下利用中性点的位移电压实时计算各条线路对地 导纳或导纳系数，并存储起来作为参考量，当电网发生单相接地故障时，从新计算对 地导纳系数，比较故障前后导纳系数的变化，检出故障线路。 电流增量法 ix 通过大消弧线圈的失谐度或中性点投入电阻来降低零序阻抗，从而 提高故障线路的零序电流:确定各线路的电流增量，电流增量最大的线路为故障线路。 零序电流法在线路长短差别很大，故障发生在短线上情况下，或接地电阻很大， 故障电流很小情况下，很容易误判，所以该方法几乎被淘汰。 无功方向法在中性点不接地电网的多数单相接地故障中是有效的，存在的主要问 题是在基波电流很小的情况下 ( 如高阻接地或不稳定电弧接地) ，不平衡电流、测量误 差等千扰因素的影响非常严重: 在消弧线圈接地的电网中， 需采用5 次谐波进行判断， 由于电网中5 次谐波电压很小， 尤其在在故障电阻比 较大的单相接地故障中， 5 次谐波 电流几乎为0 。所以，无功方向法对经消弧线圈接地的电网选线效果很差。 华北电力大学工程硕士学位论文 一= .=巴 .于. =. 对于有功分量选线法，在中性点不接地电网中，或无并联串联电阻的消弧线圈接 地电网中，故障电流有功分量很小:尤其对于某些故障类型，故障电流本身己经小到 很难测准的程度再从中提取份额很小的有功分量，就完全失去了意义。基于电流增 全的有功分量选线方法，选线效果会有很大的改善但从有关文献的介绍和本文进行 的试验研究情况看，电流增量法也不是完全奏效，在故障电阻很大的情况下，该方法 也出现误判。电流增量法目 前主要应用于解决消弧线圈接地电网的选线保护中。 零序导纳法在国外研究较多， 主要用来检测高阻接地故障。 零序导纳法需要复杂的 信号处理技术和灵敏、精确的测量变送通道为保障否则，将得不到可靠的基波电流 相量，使该方法失去价值。 对于负序电流法，因为单相接地故障产生的负序分量和零序分量幅值相等，但负 荷电流的不对称对负序电流影响非常大，当故障电 a很小时，信号获取上的困难比零 序更大。 3 . 2群体比幅比相选线法 3 2 . 1故障测度概念 在过去的选线方法中选线输出没有附加约束 ，所以对选线原理只要求能够输 出一个标明哪一条线路故障的符号型选线结果就可以了.符号型输出有很多弊端， 第 一，它不能体现选线判断的特征量明显程度。一个故障当其特征童非常显著时 ， 选线 结果非常可靠 ，当 其特征量很微弱时 ，选线结果有可能是错的 ，这种差异从符 号 输出上不能体现。第二、当选线判断错误时 ，没有补救的办法 ，不能提供其它线 路 的情况。第二、 不利于多个判据联合在使用多个判据融合选线时简单地把几 个 判据的选线结果用投票的方式表决并不是一个可行的方法 ，而是应该知道每个判 据 得出的选线结果的依据是什么 ，依据的理由是否充分等等。 总之 ，符号型输出提 供 的信息太少 ，导致结果太脆 ，缺乏柔性， 针对这些弊端 ， 本文采用的改进策略是 ， 第一 ， 判据由单输出改为多输出 ， 不 再只输出故障线路的标号 ， 而是输出 每一条线路的故障状况 ; 第二、由符号属性的 输出改为数值属性的输出当电网发生单相接地故陈时 ， 在故障线路未知的情况下 ， 该电网中的ft一条线路包括母线都是被怀疑对象 ， 究竟哪一条线路是故障线路就需 要根据它们的特征来判断。 既然是判断 ， 那么并不总是可以十分肯定地确认一 条线 路必定是故障线路 ， 其它线路必定不是故障线路 ， 有些情况下会出现含糊不清的情 况， 使用多判据融合 ， 就是为了使这种模棱两可的判断更加明朗化， 在构造数值型 多 华北 电力大学工程硕士学位论文 输出选线判据时 ， 希望判据能够计算出每一条线路具有故障线路表现的程度度 量 ， 并输出这种度量。为此 ， 定义故障测度的概念 ， 故障测度 ( f a u l t m e a s u r e s ) 是定 义 在 0 , - 上的实变量 ， 用来描述一条线路在某判据基准下具有的似乎为故障线路 的特征明显程度的度量。定义故障测度的目的是构造合理的选线判据 ， 使判据更具 柔韧性 ， 提供更多信息 ， 更有利于实现综合判据。本论文中提出的新判据都是在满 足故障测度准则下构造的 ，对传统选线判据也做了相应改进。 3 . 2 . 2 群体比幅比相选线原理 传统稳态量群体选线方式的典型方法是群体比幅比相选线法 ，选线原理叙述如 下: 群体比幅比相 ” 一 s ) 采用相对比 较的方法， 首先找出电流幅值最大的三条线路，再 对二个电流比较相位，电流相位反相的线路为故障线路。由三个电流的比较方式可进 一步衍生出其它形式，如两个电流与零序电压的比较，一个电流与零序电压的比较。 对于中性点不接地电网 ，采用基波成分 ，对于中性点经消弧线圈接地电网采用 五次谐波 。 监视 p t二次开口零序电压 ，当电 压超过整定值时启动算法 对零序电 压 和各线路零序电流进行傅立叶变换 ，得到基波与 5次谐波相量。 针对中性点是否 接 有消弧线圈分别选出基波或五次谐波电流幅值最大的前三条线路。 这是一个比幅 的过 程。对选出的三个幅值最大的零序电流进行比相 ，若某电流与其它两电流反相 ，则 判该电流对应线路为故障线路 ;若三者均同相 ，则判为母线故障。 这是基于三个 电 流的比幅比相选线方案 (简称 3 c方案 ， t h r e e c u r r e n t s s c h e m e) 。考虑到一些特 殊情况 ，需要对方案做调整。当第三大的电流 a 3较小时 ，例如当非故障线路中有 一条长线路 ，而其余线路均很短时 ， a 3的相位误差可能很大 ，在比相时容易出现 误 判 ，选线可靠性下降。在这种情况下 ， a 3可被忽略 ，引入零序电压 v o ，比较 a l . a 2与 v 。的相位关系 ，滞后 v 。者为故障线路 ;若两电流均超前 v o ，则为母 线故障。 该方案称为 2 c 1 v ( t o w c u r r e n t s a n d o n e v o l t a g e s c h e m e )方案。 有些情 况下所有非 故障线路电流都很小 ，以至不可信 ，这时可用最大电流 a l与零序电 压 v 。比相 ，若 a l超前 v o ，判母线故障 ，若 a l滞后 v o ,判该线路故障。该方 案称为 1 c i v ( o n e c u r r e n t a n d o n e v o l t a g e s c h e m e) 方案。 群体比幅比相法在中性点不接地电网的多数单相接地故障中是有效的，存在的主 要问题是在基波电流很小的情况下 ( 如高阻接地或不稳定电弧接地) ，不平衡电流、测 量误差等干扰因素的影响非常严重: 在消弧线圈接地的电网中，需采用5 次谐波进行判 断，由于电网中5 次谐波电压很小，尤其在在故障电阻比较大的单相接地故障中，5 次 华北电力大学工程硕士学位论文 谐波电流几乎为0 。所以，比幅比相方法对消弧线圈接地电网的适用性较弱。 群体比幅比相选线方法从全体线路电流数据中筛选出有价值的几组数据 ，通过 判断规则的逻辑判断 ，选出故障线路。但由于比幅比相选线判据只能提供符号属性 的输出 ，不能适合多选线判据的融合。因此 ，必须重新构造具有数值属性输出的判 据形式。构造一个数值属性输出的选线判据 ，核心工作之一是如何合理地定义和计 算各线路的故障测度。 故障信号的稳态量实际上同时提供了两方面的信息 :幅值信息和相位信息。从 电流相位来说 ，若以电压相位为参考 ，则电流相位越接近滞后 9 0 0，该线路越可 能 是故障线路 ;电流相位越接近超前 9 0 0 e ，该线路越不可能是故障线路。从电流 幅值 来说 ，在电流滞后电压的情况下 ，电流幅值越大 ，该线路越可能是故障线 路 ;在电 流超前电压的情况下 ，电流幅值越大 ，该线路越不可能是故障线路。从 这种定性关系出发 ，构造故障测度算法如下。 3 . 2 . 3幅值故障测度 设系统共 n条线路 ，线路 k故障电流相量幅值用 m a g ( k )表示 ， m a g ( k ) 任 仁 0 ，二 以母线零序电压为参考相量 ，线路 k故障电流相角用 a n g ( k )表示 角区间为 定义相 a n g ( k ) e卜1 8 0 0， 1 8 0 0 。令 m a g s ( k ) = mg () - s ig n f 恤 n g 认 )( 3 - 1 ) 式中 s i g n ( )为取符号函数。当电流超前电压时 ， m a g s为正，当电流滞后电压 时 ，m a g s为负 。再令 m ag s(0 ) = 仕、间 ( 3 - 2 ) s u m= 式中 腼nm a g s (k ) m a g s ( 0 )表示注入和流出母线的差额电流 ， ( 3 - 3 ) 地情 况下 下 ， m a g s ( 0 ) 近似等于 2 注入和流出的电流近似相等 ， m a g s ( 0 ) 即母线对地电流 ;在线路接 非常小 。在母线接地情况 线路电流滞 影响 ，角 等于母线故障点电流 ，符号为负 ; s u m表示各线路电流幅值的累加和 倍故障电流。在不考虑误差和干扰并忽略系统有功损耗的情况下 ，故障 后电压 9 0 0 ，非故障线路电流超前电压 9 0 0 ，但实际上由于干扰和测量 度和幅值都存在误差. 在角差不大于 9 0 口 的情况下 ，这些关系式只受幅 华北电力大学工程硕士学位论文 值误差影响。 定义稳态量幅值故障测度 fmm(k) = z ( s u m 一 m a g s ( k ) 一 9 0 . ) z s u ， 一 m a g s () - 。 。 ， 专 s u m 一 m a g s (*) _ 0时 a a n g ( k ) - 9 0 0 i e 0 0 , 9 0 0) 该值越小 ，表明线路 k越不可能是故障线路 ;当 a n g ( 目 成 0时 一 i a n g ( k ) + 9 0 01 e - 9 0 0 . 0 0 该值越大 ，表明线路 k越可能是故障线路 ，于是可将其上移 1 8 0 0，得 1 8 0 一 i a n g ( k ) + 9 0 0 1 e 9 0 0 , 1 8 0 0 将两部分表达式组合起来 ，有 a n g 一 。 ( k ) 一“ n g (k ) 一 9 0 0 i, a n g (k ) “ 1 8 0 一 a n g (k ) 一 9 0 0 i, a n g (k ) 0 a n g - - c ( k ) l m t 2 ( 1 8 00 ( 3 - 6 ) i a n g ( k )+9 0 0) 1 )( m a g ( k ) / 0 . 5 s u m ) ) ，a n g ( k ) x _ 9 0 0 9 0 o , x - 9 0 0 ( 3 - 7 ) 了!.j.lee - 、， (x 2 脚 在 3 - 6 式中 ，由于 s u m约等于 2倍故障线路电流 ，乘以 0 . 5的系数等于故障线 路电 流 ，也等于非故障线路总电流。线路 k电流与总电流之比作为修正系数 ，当 线路 k电流很小时 ，比例系数很小 ， l m t 2 ()函数的作用使其限制在 9 0 0:对于 故障线路 ，修 正系数接近 1 ，不起作用。 这样 ，可以定义相位信息故障测度 : 华北电力大学工程硕士学位论文 fma(k) = a n g 一 c 任 飞 k = 1 ,2 , ., n 1 8 0 0 一 m a x ( a n g 一 ( i l k 二 o i l = i ,., n ( 3 - 8 ) 即 ，线路的故障测度等于本线路综合相角 ，母线的故障测度等于线路最大综合相角 的补角。当发生线路故障时 ，故障线路综合相角接近 1 8 0 0，母线相角测度接近 0 “:否则 ，当发生母线故障时 ，所有线路的综合相角都接近 0 0 ，则母线相角测度 接近 1 8 0 0 上面论述的故障测度算法 ，若系统中性点不接地 ，采用基波相量 ，若系统中 性 点经消弧线圈接地 ，则采用五次谐波。 3 . 3暂杰量洗 线 法 小电流接地电网发生单相接地故障过程中 ，故障电流分量中除含有工频基波成 分外 ，通常还含有丰富的不规则谐波成分。这些谐波成分可能是稳定的 ，或是瞬变 的 ，每次故障中谐波成分的含量及变化规律也是不确定的。谐波成分主要有三个来 源 : a )单相接地故障初期的过渡过程中要产生暂态电流 ;由于小电流接地电网单相 接地故障等值网络是一个强的容性网络 ，在金属性单相接地过渡过程中暂态电流成 分非常大 ，经电阻接地情况下随故障电阻的增大暂态成分相应降低 ;暂态分量中频 率范围通常在 3 0 0 h z - 2 5 0 0 h z范围 ，持续时间一般在半个周波以内 : b )单相接地 故 障点过渡电阻通常具有非线性 、 时变性质 ，尤其在故障初期阶段这种性质更明显 非线性时变电阻也在故障网络中产生谐波成分 ，这部分谐波成分通常频率较低 ，持 续时间较长 ，一般有两个周波以上 ; 。 )电网中非线性元件引起电压畸变 ，单相接 地 容性网络对电压的高次谐波敏感 ，电源电压的轻微畸变在故障网络中产生较大的 谐 波电流。 因此 ，暂态和谐波电流在小电流故障中是非常丰富的。上面分析的三种暂态和 谐波电流都是来源于故障本身 ，是由故障引发的，属于故障成分 ，因此满足选线规 则 ，能够提供故障选线信息。电网中的各种千扰量也表现出非工频成分 ，但它不具 有故障特征 ，在应用中需要加以剔除。 上面列举的暂态量和谐波量的根本来源都是由于网络中结构改变或参数变化 (非线性 )引起的 ，原则上讲都属于暂态量。 所以 ，将利用这类故障信息的选线方 法 称为暂态量选线方法。 尽管在不同故障条件下暂态成分的大小和含量是不确定的 ， 但原理上讲它们确实能够提供故障选线信息。 只要故障中的暂态量足够大 ，就可 以 把它们利用到故障选线上。在传统的基于工频量的选线方法中 ，这些暂态成分都 被 视为千扰而被滤除 ，实际上是丧失掉了很多有用的选线信息。当然 ，如果仅利用 华北电力大学工程硕士学位论文 工 频量能够很好地解决选线问题 ，这些非工频成分也就没有价值了 ，但事实情况 并不 是这样。利用暂态量 ，可以扩充选线信息 ，提高选线可靠性和有效性范围。 尤 其对 于一些不稳定的间歇性故障 ，工频量很小 ，非工频成分相对丰富 ，利用暂态 量选线 方法更有优势。 另外 ，消弧线圈对暂态成分几乎不起作用 ，因此暂态量选线 方法基 本上不受中性点接地方式 (不接地或经消弧线圈接地) 的影响。 暂态量选线方法的关键问题是如何把故障分量中可用暂态分量有效地提取出来。 由于单相接地故障中所能利用的暂态量大都呈随机非平稳状态 ，信号的频率和 出现 时刻以及持续时间都是不确定的。 f o u r i e r变换分析这种非平稳随机信号不能胜 任 ， 原因是 f o u r i e r变换或加窗 f o u r i e r变换不具有可调的时间窗 ，在被分析信号的 频率及持续时间事先未知的情况下不能够与信号达到匹配。若时窗取得过小 ，长时 间低频信号被截断 ，时窗取得过大 ，短