（电力系统及其自动化专业论文）配电网单相接地故障检测技术研究.pdf

山东大学博士学位论文 本文针对电气量的幅值比较选线原理，提出了基于可辨识矩阵的幅值比较选 线判据。构造了幅值特征量的可辨识矩阵，可辨识矩阵中的元素为各出线中每两 条出线幅值特征量之差，使各出线的故障特征量作相对比较，拉大了故障线路和 非故障线路之间的差距，突出了最大故障特征量。适用于任何一种基于电气量幅 值比较原理的选线保护。 基于注入信号法的单相接地故障在线人工定位是目前配电网单相接地故障定 位最有效的方法。本文提出了基于配电网自动化的注入法自动故障定位算法。信 号电流探测器安装在线路上的f t u 处，借用配电网自动化的通信系统将注入信号 的探测结果上传给主机。建立线路上信号电流探测器邻接矩阵和注入信号信息向 量，经过运算，得到故障判定矩阵，根据故障判定矩阵形成故障判定信息表，用 可辨识矩阵约简判定信息表得到核属性集合，核属性集合中的元素对应检测到注 入信号电流的信号探测器，从而找到故障所在的区段。对有分支线路和无分支线 路都适用。当注入信号信息不完备时，先完备注入信号信息，再用上述方法运算。 为了不完全依赖配电网自动化系统，本文提出基于g s m 短信通信模式的注 入信号法单相接地故障自动定位。自动定位系统由检测主机、注入信号主机和信 号电流探测器组成，三者之间通过o s m 短信交换信息。定位算法同上。基于o s m 短信通信模式的定位算法已在技术项目“配电线路全线接地定位系统研究”中得 到应用。 本文提出了停电后基于注入信号法的故障定位方法。针对故障线路停电后绝 缘可能恢复的问题，提出先重新击穿故障点，再注入诊断信号电流，通过寻踪注 入的诊断信号电流实现故障定位。基于该方法的定位装置己在现场得到成功应用。 分析了本文用到的注入信号法选线定位原理，指出注入信号法实质上是人为 增加了零序电流。讨论了注入信号的探测方法，提出用零序电流互感器探测注入 信号的方法。分析了影响注入信号电流在故障线路中流通的因素和注入信号电流 的相位特征，指出注入信号电流的相位特征只能作为选线的辅助判据。 设计开发了基于d s p 加单片机的综合型故障选线定位装置，己经通过实验室 初步实验。 关键词：配电网单相接地故障故障检测电力系统暂态电力系统暂态注入信号 法配电网自动化粗糙集理论 i i 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t i nc h i n a , t h en o n - s o l i d l ye a r t h e dn e u t r a li sw i d e l yu s e di nd i s t r i b u t i o ns y s t e m i th a s t h ev i r t u eo fp r o v i n gp o w e rs u p p l y l sr e l i a b i l i t y b u tf a u l t e df e e d e rs e l e c t i o na 趟f a u l t l o c a t i o na r en o ts o l v e dw h e ns i n g l e p h a s et oe a r t hf a u l to c c u r sd u et ow e a kc u r r e n ta n d u n s t a b l ef a u l ta r c t od a t eu t i l i t i e ss t i l lu s em a n u a ls w i t c h i n gt oi d e n t i f ya ne a r t h e d f e e d e ra n de y e b a l l i n gt ol o c a t et h ef a u l tp o i n ti nt h ea b s e n c eo fam o r er e l i a b l e d e t e c t i o nm e t h o d s o ，t h i sp a p e rs t u d i e sf a u l t e df e e d e rs e l e c t i o na n df a u l tl o c a t i o ni n d i s t r i b u t i o ns y s t e m t om a k et h eb e s tu s eo ff a u l ti n f o r m a t i o n ，s y n t h e s i z i n gm a n yk i n d so ff a u l ts e l e c t i o n c r i t e r i ab a s e dr o u g hs e t st h e o r yi sp r o p o s e d t h ec r i t e r i ab a s e ds t e a d ys t a t ec o m p o n e n t ， t r a n s i e n tc o m p o n e n ta n da d d i t i o n a ld i a g n o s i ss i g n a la r ei n t e g r a t e do nt h ev a l i d i t y t h em a i nt o o l so ft h em e t h o da r ei n f o r m a t i o nt a b l ea n dd e c i s i o nt a b l e t h e ：f a u l t c h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t yw i t he a c hs e l e c t i o nm e t h o di se x t r a c t e df r o mt h eo r i g i n a ld a t a a n dd i s c r e t i z e d t og e tt h ef a u l ti n f o r m a t i o nt a b l e ，w es h o u l dm a k et h ef e e d e r so i lt h e b u s b a ra su n i v e r s e ，m a k et h es e l e c t i o nc r i t e r i aa sc o n d i t i o na t t r i b u t e sa n dm a k et h e d i s c r e t ef a u l tc h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t ya sa t t r i b u t ev a l u e t h e nw es h o u l dr e d u c et h e u n i v e r s e ，f o r mt h ed e c i s i o nt a b l eb yd e c i s i o nr u l e s ，a n df i n dt h ef a u l t e df e e d e rf r o mt h e d e c i s i o na t t r i b u t eo ft h ed e c i s i o nt a b l e i nt h ew h o l ep r o c e s s ，o n l yt h eo r i g i n a lf a u l t d a t ai sn e e d e d t h ef a u l t e df e e d e rc a nb ei d e n t i f i e dw i t h o u te x p e r i e n c e sa n dh u m a n w o r k t h es i m u l a t i o nh a sp r o v e di t sa d v a n t a g e i nt e r m so fp r a c t i c e ，t h ep a p e rp r o v i d e st h es e l e c t i o nm e t h o db a s e dp r o j e c t i o nv a l u e o fz e r o s e q u e n c ec u r r e n t ，w h i c hh a sn o t h i n gt od ow i t hp o l a r i t i e so fz e r o - s e q u e n c e v o l t a g ea n dz e r o s e q u e n c ec u r r e n t s ，n i sm e t h o dm a k e st h el i n eo fz e r o s e q u e n c e v o l t a g ea sr e f e r e n c ea x i s t h ef u n d a m e n t a lz e r o s e q u e n c ec u r r e n to fe a c hf e e d e r p r o j e c t so nt h er e f e r e n c ea x i s t op e t e r s o nc o i ln e u r a ls y s t e ma n dr e s i s t a n c en e u t r a l s y s t e m ，z e r o s e q u e n c ec u r r e n to fe a e hf e e d e rp r o j e c t so dt h ea x i sd i r e c t l y t ot h e u n g r o u n d e dn e u t r a ls y s t e m ，p h a s eo ft h ez e r o s e q u e n c ec u r r e n ts h i f t9 0 。，t h e np r o j e c t o i 3 t h ea x i s n om a t t e rh o wt h ep o l a r i t i e so fz e r o s e q u e n c ev o l t a g ea n dz e r o s e q u e n c e i l l 山东大学博士学位论文 c u r r e n t sa r e ，p r o j e c t i o nv a l u eo ff a u l t e df e e d e r sz e r o s e q u e n c ec u r r e n ti sl a r g e s t f o r t h eh e a l t h yf e e d e r s ，h o w e v e r , n o r m a l l ya r ev e r ys m a l lv a l u e s t h es i m u l a t i o np r o v e si t s c o r r e c t n e s s t h i sm e t h o di sa st h ec r i t e r i o nb a s e ds t e a d yc o m p o n e n ti nt h es y n t h e t i c c r i t e r i o n an e wc r i t e r i o nf o rf a u l tl i n es e l e c t i o nb a s e do nt h em a x i m u mo fz e r o s e q u e n c e t r a n s i e n tc u r r e n ti sp r o p o s e d i tu t i l i z e st h ea p p r o x i m a t ec o e f f i c i e n t sa n di t sr e l a t i v e t i m ed o m a i ni n f o r m a t i o na f t e rw a v e l e tt r a n s f o r m t h ec h a r a c t e r i s t i c t i m ea n d c h a r a c t e r i s t i cv a l u eo f z e r o s e q u e n c ev o l t a g ea r ed e f i n e d a tt h ec h a r a c t e r i s t i ct i m e ，t h e z e r o 。s e q u e n c ec u r r e n t p o l a r i t yo ff a u l t e df e e d e ri so p p o s i t ef r o mt h eh e a l t h yf e e d e r s h o w e v e r , i fa l lt h ep o l a r i t i e sa r et h es a m e ，t h ef a u l to c c n r so nt h eb u s b a r f o rt h e s y s t e mw i t ho n l yt w of e e d e r s ，w ec a l lc o m p a r et h ep o l a r i t yo ft h em a x i m u mo f z e r o s e q u e n c et r a n s i e n tc u r r e n ta n dc h a r a c t e r i s t i cv a l u eo fz e r o - s e q u e n c ev o l t a g e t h e d b 4w a v e l e ti ss e l e c t e dt oa n a l y z et h eo r i g i n a ls i g n a li n4l e v e l s t h ee f f e c t i v e n e s so f t h ec r i t e r i o nh a sb e e nv e r i f i e db ys i m u l a t i o n t h i sc r i t e r i o ni sa st h ec r i t e r i o nb a s e d t r a n s c i e n tc o m p o n e n ti nt h es y n t h e t i cc r i t e r i o n a i m i n ga tt h ec r i t e r i ab a s e do nc o m p a r i n ga m p l i t u d ef o rf a u l tl i n es e l e c t i o n ，an e w c r i t e r i o nb a s e dd i s c e r n i b i l i t ym a t r i xi sp r o p o s e di nt h ep a p e r ad i s c e r n i b i l i t ym a t r i xo f a m p l i t u d ec h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t yi sc o n s t r u c t e d t h ee l e m e n to ft h em a t r i xi st h e d e f i c i e n c y b e t w e e nt w oa m p l i t u d ec h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t i e s i tm a k e st h ef a u l t c h a r a c t e r i s t i c q u a n t i t yc o m p a r er e l a t i v e l y t h em e t h o de f f e c t i v e l yi n c r e a s e st h e d i f f e r e n c eb e t w e e nf a u l t e df e e d e ra n dh e a l t h yf e e d e r s t h em a x i m u mo ff a u l t c h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t yi se x t r u d e d i tm a yb ee x t e n d e dt ot h ep r i n c i p l e sb a s e do n c o m p a r i n gm a g n i t u d e s t h ef a u l tl o c a t i o nb a s e do nt h es i g n a li n j e c t i o nm e t h o di st h em o s te f f e c t i v ew a yo f l o c k i n gt h es i n g l e p h a s et oe a r t hf a u l ti nd i s t r i b u t i o ns y s t e m t h ea l g o r i t h mo f a u t o m a t i c a l l yl o c a t i n gt h ef a u l tp o i n tb a s e do nt h es i g n a li n j e c t i o nm e t h o di sp r o p o s e d ， w h i c hb a s e so nd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n t h es i g n a ld e t e c t o r sa r ef i x e dt of t u a l o n g t h ef e e d e ra n dt r a n s f e rt h ed e t e c t e dr e s u l t st ot h em a i n f r a i mt h r o u g hc o m m u n i c a t i o n s y s t e mo fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n t h ea d j a c e n c ym a t r i xo fs i g n a ld e t e c t o r sa n dt h e i v 山东大学博士学位论文 i n f o r m a t i o nv e c t o ro fi n j e c t i n gs i g n a la r ec o n s t r u c t e dr e s p e c t i v e l y a f t e ro p e r a t i o n i t g e t st h ec r i t e r i o nm a t r i xa n dt h ed i s c e m i b i l i t ym a t r i x r e d u c i n gt h ed i s c e m i b i l i t y m a t r i xg e t st h es e to fc o r ea t t r i b u t e s ，a n dt h ef a u l ts e c t i o nc a nb ed e t e r m i n e d t h i s a l g o r i t h ma p p l i e si n t h ef e e d e r sw h i c hh a v eb r a n c h e so rn o t i ft h ei n f o r m a t i o no f 蝎e c t i n gs i g n a li si n c o m p l e t e ，i tn e e dp e r f e c tf i r s ta n dt h e nu s et h ea l g o r i t h ma b o v et o o p e r a t e i no r d e rt op a r t i a l l yd e p e n do nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ， t h ec o m m u n i c a t i o nn l o d eb a s e dg s ms h o r tm e s s a g ei sp r o p o s e d i ti su s e dt ol o c a t e t h ef a u l tp o i n ta u t o m a t i c a l l yb yt h es i g n a li n j e c t i o nm e t h o d t h el o c a t i o ns y s t e m c o n s i s t so fd e t e c t i o nm a i n f r a i m ，s i g n a li n j e c t i o nm a i f r a i ma n ds i g n a ld e t e c t o r s t h e s e t h r e ep a r t sc o m m u n i c a t e sw i t h e a c ho t h e rb yg s ms h o r tm e s s a g e s t h el o c a t i o n a l g o r i t h mi st h es a n l ew i t ht h eo n ea b o v e m e s s a g eh a sb e e nu s e di nt h et e c h n o l o g y d i s t r i b u t i o nl i n e ” t h el o c a t i o na l g o r i t h mb a s e dg s ms h o r t o f “r e s e a r c ho nf a u l tl o c a t i o ns y s t e mi n a t e c h n i q u eo fl o c a t i n gt h ef a u l tp o i n ta f t e rp o w e r c u tb a s e do nt h es i g n a li n j e c t i o n m e t h o di sp r o p o s e d a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fr e s u m i n gi n s u l a t i o na tt h ef a u l tp o i n t a f t e rp o w e rc u t ，t h i sp a p e rb r i n g sa b o u tt h es o l u t l o na sf o l l o w s ：f i r s t l yb r e a k d o w nt h e f a u l tp o i n ta g a i n ，s e c o n d l yi n j e c tt h ed i a g n o s i ss i g n a lt ot h ef a u l t yf e e d e r , t h i r d l yt r a c e t h ei n j e c t e ds i g n a lt ol o c a t et h ef a u l tp o i n t t h ee q u i p m e n tb a s i n go nt h et e c h n i q u eh a s b e e np r o v e ds u c c e s s f u li nf i e l d t h es i g n a li n j e c t i o nm e t h o du s e di nt h ep a p e ri sa n n y z e d i ti sp o i n t e do u tt h a tt h e s i g n a li n j e c t i o nm e t h o di si n c r e a s i n gz e r o s e q u e n c e c u r r e n ta r t i f i c i a l l y t h i sp a p e r d i s c u s s e st h em e t h o do fd e t e c t i n gt h ei n j e c t e ds i g n a l ，b r i n g so u tt h ew a yt od e t e c tt h e i n j e c t e ds i g n a lt h r o u g hz e r o - s e q u e n c ec u r r e n tt r a n s f o r m e r , a n a l y z e st h ee l e m e n t st h a t a f f e c t st h ec i r c u l a t i o no ft h ei n j e c t e dc u r r e n ti nf a u l t e df e e d e r , a n a l y z e st h ep h a s e c h a r a c t e r i s t i co ft h ei n j e c t e dc u r r e n t ，a n dp o i n t so u tt h ep h a s ec h a r a c t e r i s t i co fi n j e c t e d c u r r e n tc a no n l yb eu s e da st h ea c c e s s o r yc r i t e r i o no fs e l e c t i n gf a u l t e df e e d e r t h ee q u i p m e n tb a s e di n t e g r a t e ds e l e c t i o nc r i t e r i o ni sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d i ti s b a s e so nd s pa n dc p u t h ee q u i p m e n th a sp a s s e dt h ep r i m a r ye x p e r i m e n ti n v 山东大学博士学位论文 l a b o r a t o r y k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，s i n g l e p h a s et oe a r t hf a u l t ，f a u l td e t e c t i o n ， p o w e rs y s t e mt r a n s i e n t ，p o w e rs y s t e ms t e a d ys t a t e ，s i g n a li n j e c t i o nm e t h o d ， d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ，r o u g hs e tt h e o r y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：蕴燮日期：翌! ：卫 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 f 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：型虹导师签名：立至垒查日期把! ：生! 山东大学博士学位论文一 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 电力系统的中性点接地方式是一个综合性的技术问题，它与系统的供电可靠 性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通信干扰及接地 装置等问题有密切的关系。电力系统常用的中性点接地方式主要有以下几种：直 接接地、经电抗接地、经低阻接地、经高阻接地、经消弧线圈接地，不接地。前 三种称为大电流接地系统，后三种称为小电流接地系统。 配电网是电力系统电能发、变、送、配中最后一个向用户供电的环节，是连 接输电系统和电力用户的桥梁，配电网的安全稳定运行直接关系到用户的利益。 由于历史原因和具体条件迥异，各个国家配电网中性点处理方式不尽相同l l l z j ， 甚至同一国家、同一地区的同一电压等级的电网也有不同接地方式并存现象。美 国、英国、加拿大采用中性点直接接地和小电阻接地方式；前苏联、日本多采用 中性点不接地或经消弧线圈接地方式；西班牙的配电网中性点经阻抗接地；法国 过去以低阻接地居多，已开始采用消弧线圈接地系统；德国从3 2 2 0 k v 系统都 采用消弧线圈接地方式。我国的6 3 5 k v 中低压配电网主要采用中性点不接地和 经消弧线圈接地方式，少数采用经高电阻接地方式 2 1 ，均属于小电流接地系统。 配电网设备繁杂，用户众多，覆盖面广，地理情况变化多样，且受用户增容 等外界条件以及城市建设等因素的影响，配电网中发生故障的几率相对较高配 电网故障中绝大部分是单相接地故障。由于小电流接地系统发生单相接地故障时 不形成短路回路，只有系统分布电容引起的很小的零序电流，三相线间电压依然 对称，不影响系统正常工作。我国电力规程规定，小电流接地系统可以带单相接 地故障继续运行1 2 小时f 3 】，这样能够提高供电的持续性和可靠性。但是，小电 流接地系统发生单相接地故障时，非故障相对地电压升高，如果发生间歇性弧光 接地时，能够引起弧光过电压，系统绝缘受到威胁，容易扩大为相间短路1 4 】。因 此必须尽快找到故障线路，尽快排除故障。为了查找故障线路，传统的方法是通 过监测母线上的零序电压来判断是否发生单相接地故障，若发生接地故障，则采 用人工逐条线路拉闸的方法判断哪条线路出现故障。当故障线路被断开时，接地 1 山东大学博士学位论文 故障指示将消失，这就可以确定故障线路。人工拉路的选线方法使正常线路也会 瞬间停电。所以对供电部门而言这种传统的人工选线方法浪费人力，降低了供电 可靠性，影响了经济效益；对用户而占这种方法增加了停电概率，造成不必要的 经济损失。 找到故障线路后，为了减少停电时间，必须尽快找到故障点以排除故障。日 前的故障定位手段是工作人员沿线路巡视，通过肉眼观察发现故障点，这不仅耗 费了大量的人力物力，而且对于绝缘子击穿等隐蔽故障不易发现。特别对于广大 农村配电网，由于交通不便，环境恶劣，故障定位需要相当长的时间。 所以快速准确的故障选线和定位技术一方面有利于提高供电可靠性，提高供 电部门和用户的经济效益阴，另一方面有利于维护电网设备。小电流接地系统发 生单相接地时，非故障相的电压升高，对电网设备的绝缘产生破坏作用。如果发 生间歇性电弧接地，由于过电压较高破坏作用相当大；即使发生恒定电阻接地， 工频过电压也会对设备产生损伤，这种损伤积累到一定程度会破坏设备绝缘性能 【6 1 。很多变电站在单相接地持续长时间后发生了避雷器、p t 爆炸或绝缘子闪络情 况，因此虽然规程规定单相接地后可以带故障运行l 2 小时，但实际上多数供电 部门都要求在2 0 3 0 分钟内切除故障线路。人工拉路法选线时，每一次开关的断 开和闭合都会对电网造成冲击，容易产生操作过电压和谐振过电压【刀，频繁的开 关操作也会减少开关使用寿命。所以快速准确的故障选线技术有利于维护电网设 备，提高设备的使用寿命，减少维护检修负担。 综上所述，小电流接地系统单相接地故障选线和定位技术能够提高供电可靠 性、提高供电部门和用户的经济效益、维护电网设备，具有重要的意义。 长期以来，国内外继电保护工作者对小电流接地系统单相接地故障选线、定 位进行了不懈地研究与探索。对选线问题，提出了基于不同故障特征的多种选线 原理，并且研制出了相应的选线装置，在电力系统中发挥了相应作用。但实际运 行效果并不十分理想【i n 9 1 。据现场不完全统计，目前的选线装置选线准确率在 6 0 左右，以致于有些现场人员仍用传统的顺序拉闸法查找故障线路。对于定位 问题，国内外专家根据单相接地故障特征提出了多种定位算法，但真正应用于实 际的并不多，基于注入法的单相接地故障定位是目前用于实际电力系统唯一有效 的方法。现有基于注入法的定位保护虽能较准确地定位，但需人工手动定位，还 2 - 山东大学博士学位论文 不能适应配电网自动化酊需要，有待进一步完善。随着配电网自动化的发展，一 些基于配电网自动化的故障区段定位和隔离方法随之出现( 1 0 i l l 【埘，国外已有算法 成功应用于现场。因此，配电网的单相接地故障选线和定位问题至今仍是困惑电 力系统的难题。 针对小电流接地系统过电压等弊端，特别是故障线路选择、故障点定位、测 距的困难性，有专家建议我国配电网改用小电阻接地方式【1 3 j 。但这样不仅要花费 巨额的设各改造费，还丧失了小电流接地系统供电可靠性高的优点。随着社会的 发展，对供电质量的要求越来越高，小电流接地方式无疑具有独特的优点。如果 能够解决小电流接地故障的可靠检测问题，及时发现接地故障线路，找到故障点， 并采取相应的处理措施，减少甚至避免接地故障带来的不良影响，小电流接地方 式将是一种理想的模式。因此，进一步研究中低压配电网的单相接地故障检测方 法，具有很强的理论和实际意义。 1 2 配电网单相接地故障检测技术综述 i 2 1 配电网单相接地故障特征 图1 1 为一个包含三条出线的小电流接地系统单相金属性接地故障示意图。 按照一般方法，忽略其线路电感、电阻以及对地电导。开关k 打开时为中性点不 接地系统。闭合时为消弧线圈接地系统。 一 l 蛀路i i 盆! ! 争i 一。 c ，聿站辜 h + i z i + +_ i 线路n t 丘一 1l c ，童毽i 圭 vm 一 ；z ，0 与 4 ，l 线路l i i ll 卜一 赫蚤害攀簸l 一 b i 图i - 1 小电流接地系统单相接地故障示意图 其中，屯、忘、忘，分别为等效的三相电源电动势： 山东大学博士擘位论文 c f ，c i i 、c i 。分别为线路i ，i i 、i i i 的单相对地分布电容； 工，、r ，分别为消弧线圈的等效电感和电阻。 文献 1 4 】 2 】详细分析了故障产生的零序稳态电压电流特征和暂态电压电流特 征。 1 中性点不接地系统单相接地故障特征 ( 1 ) 零序稳态量故障特征 对于中性点不接地系统，正常运行时若忽略三相对地的不对称，则线路对地 电容中流过三相对称的电流，因而没有零序电流流过【1 5 】。实际电网对地总是存在 一定的不对称，但不对称度一般小于1 5 ，可忽略不计【1 6 1 。需要指出的是，一般 所说的不对称指的都是负荷不对称，而负荷不对称与电网对地不对称是不同的概 念，负荷不对称可能导致线路存在较大负序电流，但不会出现零序电流【1 7 j 。 当发生单相接地故障时，三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，导致其三相对地电压变化。假设c 相发生接 地故障，中性点电位偏移关系式为： 玩= 一乓【1 + 如( c i + c i 。+ c 。) 】 ( 1 1 ) 特别地，当发生单相金属性接地时，接地相电压为零，对地电容被短接。两 个非故障相对地电压升高3 倍，对地电容电流也相应升高3 倍，两相电压及两 相电流之间的相位差均为6 0 。因此，电网将出现零序电压，幅值等于电网正常 运行时单相对地电压。在非故障线路上，零序电流幅值等于正常运行时单相对地 电容电流，方向从母线指向线路；而故障线路上，由于同一母线各条出线的对地 电容电流都要经过接地点返回电源，零序电流幅值等于所有非故障线路零序电流 之和( 即大子任一条非故障线路零序电流) ，方向从线路指向母线。 当接地点存在一定过渡电阻时，接地相电压不再为零，其幅值随过渡电阻增 大而增加。系统零序电压和各条出线零序电流也随之减小，但它们之间的相位关 系不变。由式( 1 一1 ) 可做出中性点及三相电压随过渡电阻变化的相量轨迹图如图 ( 1 2 ) 。从相量图可以看出当c 相发生接地故障时，c 相电压一定降低，超前于c 相的b 相电压一定升高，而滞后于c 相的a 相电压可能升高也可能降低，c 相电 压可能大于a 相电压，也可能小于a 相电压。c 相电压与a 相电压的大小关系 4 山东大学博士学往论文 由按地电阻的阻值决定，传统经验认为故障后“故障相电压降低，非故障相电压 升高”是不全面的。 睡 图1 2 中性点电压偏移轨迹 ( 2 ) 零序暂态量故障特征 对故障暂态过程进行详尽、准确的分析较为困难，一般均根据系统简化模型 得出一些初步结论。 文【1 9 】和 2 0 l 均提出接地点暂态电流是以下两个电流之和：其一是由于故障相 电压突然降低而引起的放电电容电流，它通过母线流向故障点，其振荡频率较高 ( 一般在数千赫兹) ，衰减较快；其二是由非故障相电压突然升高而引起的充电电 容电流，它通过电源形成回路，其振荡频率较低( 一般仅为数百赫兹) ，衰减较慢。 文【2 0 】特别提出健全相充电电流占整个暂态电流主要成分。 文 2 】和文【2 0 】中均给出了由等效电感、电容、电阻组成的串联回路计算的暂 态零序电流表达形式，二者所得结论相同。即暂态零序电流由工频强制分量和自 由振荡分量组成，自由振荡频率一般为几百到几千赫兹，从理论上证明了暂态电 流最大值与未经补偿的工频稳态电流之比近似等于暂态信号频率与工频之比，即 暂态电流幅值比稳态值可大数倍到数十倍。 文 2 1 】对单相接地故障进行了模量分析，提出在特征频段s f b 内暂态信号分 布规律：所有健全线路和故障线路的检测阻抗均呈容性，均可以等效为集中参数 电容。故障线路零模电流比健全线路幅值大，且流向和极性与健全线路相反。s f b 上限为所有健全线路第一次串联谐振频率的最小值，下限为o ( 不接地或高阻接地 系统) 或使故障线路零模电流幅值大于任一健全线路且流向相反的最低频率( 经消 弧线圈接地系统) 。s f b 外零模电气量分布差异不明显或临界频率不易确定，故障 电流线模分量的极性和流向关系也不确定。 2 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障特征 山东大学博士学位论文 运行实践证明，接地电流较大时，会在故障点造成持续性电弧接地。为消除 电弧过程可能带来的危害，我国电力设备过电压保护设计技术规程规定，在 3 - 1 0 k v 系统中接地电容电流超过3 0 a ，2 0 k v 及以上系统中超过1 0 a ，其系统中 性点均应采取消弧线圈接地方式。 ( 1 ) 零序稳态量故障特征 2 】【1 9 】【2 0 】 对消弧线圈接地系统，正常时中性点电压为零，消弧线圈不起作用。单相接 地故障时，三相及零序电压变化与不接地系统类似。中性点电压升高在消弧线圈 中产生的感性电流与线路零序电容电流极性相反，可减小故障点接地电流，使故 障电弧在电流过零时易于熄灭。如果故障点绝缘恢复速度大于故障相电压恢复速 度，电网将恢复正常运行。根据对电容电流补偿程度的不同，消弧线圈补偿方式 分为全补偿、欠补偿、过补偿。为了防止线路发生串联谐振，实践中一般采用过 补偿方式。在过补偿方式下，故障线路的零序电流幅值很小，甚至是小于健全线 路。方向与健全线路也相同，从母线指向线路。对自动跟踪补偿系统，正常运行 时全补偿，单相接地故障时，故障线路的零序电流幅值更小，理论上为零。 ( 2 ) 零序暂态量故障特征 对于暂态过程，由于消弧线圈对于暂态高频电流其电抗非常大，几乎可以认 为是开路，因此实际上它不影响暂态电流分量的计算。同时，考虑到消弧线圈正 常状态下的电流约等于零，不能发生突变，所以中性点经消弧线圈接地系统的暂 态过渡过程与中性点不接地系统近似相同【羽。 文 2 0 】中提出，由于暂态电感电流的最大值应出现在接地故障发生在相电压 经过零值瞬间，而当故障发生在相电压接近于最大值瞬间时，暂态电感电流约等 于零。因此，暂态电容电流较暂态电感电流大很多，在同一电网中，不论中性点 不接地还是经消弧线圈接地，在相电压接近于最大值时发生故障，其过渡过程是 近似相同的。 文 2 】得出了和文 1 9 】、文 2 0 】相似的结论，并指出在暂态过程的初始阶段，暂 态接地电流特性主要由暂态电容电流所确定；暂态电感电流中的直流分量虽不会 改变接地电流首半波的极性，但对其幅值影响较大。 文【2 2 】分析了中性点不接地系统馈线上各相暂态电流分量( t c c ) 的形成与 分布特征，提出了故障相暂态电流分量( t c c ) 是由故障馈线的非故障相提供的自 6 山东大学博士学位论文 供性t c c 和其它非故障馈线提供的相似性t c c 组成。文 2 3 】分析了经消弧线圈 接地系统单相接地故障t c c 的分布特征，指出在故障馈线的故障相中，谐振接地 模式下的故障相t c c 不仅由本故障馈线非故障相提供的自供性t c c 和其它非故 障馈线提供的相似性t c c 组成，而且还包含了由消弧线圈补偿产生的感性t c c 。 1 2 2 配电网单相接地故障选线技术现状 二十世纪八十年代以来，随着微机技术的不断成熟，多种微机