（电机与电器专业论文）小电流系统单相接地故障选线方法研究.pdf

a b s i 。r a c i f o ra l o n g t i m e ，i ti st r o u b l e s o m ew h e ni tc o m e st o s i n g l e p h a s e - g r o u n d e df a u l th a p p e n e di ns y s t e mw i t hn o n e f f e c t i v e l y e a r t h e dn e u t r a l b e c a u s et h ef a u l ts i n g l ei sw e a ka n di se a s yt or e c e i v e i n f l u e n c eo fd i s t u r b a n c e ，a n db e c a u s et h ev a r i a b i l i t yo ff a u l tc o n d i t i o n a n dm o v e m e n tw a y ，s o m em e t h o d sa l r e a d yp r o p o s e da n do b t a i n e dt h e a p p l i c a t i o na l le x i s tt h ec e r t a i nf l a w ，t h e ya r eu n a b l et oa d a p tt h e c h a n g e a b l ef a u l ts i t u a t i o n b a s e do nt h ed e e pa n a l y s i si n t ot h ef a u l tl i n es e l e c t i o ni n d i s t r i b u t i o ns y s t e m s ，t h ep a p e ri n c l u d e sa l lk i n d so fm e t h o d sa n dp a y s m o r ea t t e n t i o nt oe s s e n t i a lp r o b l e m i t i sab r e a k t h r o u g ht oe x t r a c tk e yi n f o r m a t i o nf r o mf a t h o m a b l e e l e c t r i c a lm e a s u r e m e n t sw i t h a p p r o p r i a t em a t h e m a t i c st 0 0 1 t h i s t h e s i sd i s c u s st h ed a t af u s i o nt e c h n o l o g y ，a n di n o s e u l a t es e v e r a lf a u l t l i n es e l e c t i o n t h u sp r o v i d e san e wm e t h o dt of a u l tl i n es e l e c t i o nf o r s i n g l e p h a s eg r o u n d e df a u l t k e y w o r d ： s y s t e m w i t h n o n e f f e c t i v e l y e a r t h e d n e u t r a l ， s i n g l e p h a s e t o g r o u n d f a u l t ，f a u l tl i n es e l e c t i o n ， w a v e l e tt r a n s f o r m ， i n f o r m a t j o nf u s i o n 辽j 。i i 警技术人学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究背景与意义及问题的提出 电力系统常用的系统接地方式有四种：中性点直接接地，中性点经电阻 接地，中性点不接地和中性点经消弧线圈接地。而上述的四种方法可归结为 三类接地系统：中性点直接接地或经一低阻抗接地的系统，这种系统称为有 效接地系统：不接地或经高阻抗接地的系统，这种系统称为非有效接地系 统；经消弧线圈接地的系统，称为消弧线圈接地系统也称谐振接地系统。 在我国城乡3 6 6 k v 配电网络中，大多数是中性点非直接接地系统。 此类系统零序阻抗很大，通常为正序阻抗的4 5 倍，因此发生单相接地短 路时，流过接地点的故障电流较小，所以称其为小电流接地系统。小电流接 地系统包括中性点不接地系统( n u s ) 、中性点经消弧线圈接地系统 ( n e s ，也称为谐振接地系统) 及中性点经高阻接地系统( n r s ) 【1 1 。 在中性点直接接地系统中，一旦某条出线发生单相接地短路故障，就会 产生很大的单相接地故障电流，从而启动保护装置动作跳闸。由于配电线路 绝大部分故障为单相接地故障，并且很多都是瞬时性的，而小电流接地系统 发生单相接地故障时，不构成短路回路，只是经线路对地电容形成小电流回 路，接地故障电流比负荷电流小得多，特别是中性点经消弧线圈接地系统接 地电流更小，并且由于三相线电压仍然保持对称关系，不影响对负荷连续供 电，因此定可以继续运行1 2 小时，而不必立即跳闸，所以小电流接地系 统提高了运行的可靠性“1 。尤其是在瞬时故障条件下，短路点可以自行灭弧 并恢复绝缘，不需要运行人员采取什么措施，这对于减少用户短时停电次数 具有积极意义。 但随之而来的问题是，如果故障是永久性的，系统仅仅允许在故障情况 下继续运行1 2 个小时，非故障相对地电压升高了3 倍，增加了对线路 绝缘性能的要求，容易发生非故障相对地闪络，造成两相接地短路，其危害 较大，可能引发电缆爆炸、电压互感器和母线烧毁、电厂机组停运等事故。 此时运行人员必须尽快查明短路线路和短路点，以便采取相应对策解除故 障，恢复系统正常运行。因此，这就提出了小电流接地系统的单相接地故障 选线问题。在发生单相接地故障后，能够迅速确定接地故障位置对配电网的 辽， 程技术人学硕十学位论文 安全运行意义重大。 而在小电流接地系统单相故障选线中，过小的零序电流恰恰成了一个非 常不利的因素。人们针对这个问题做了大量的研究，基于不同的原理，提出 了许多解决方案，有的已经开发出选线装置并在实际工作中取得了一定的应 用。但是从现场使用情况来看，这些方法的选线效果并不十分理想，普遍存 在着误选、漏选的情况。其主要原因在于：( 1 ) 对金属性接地选线正确率很 高，但对非金属性接地选线正确率非常低，误判、漏判几率非常大，实际中 不得已还得采用逐线拉闸的方式。出现这种情况的主要原因是小电流接地系 统发生单相接地故障时接地电流很小，各种电磁干扰很容易把它淹没，特别 由于电流互感器三相不可能完全一致，二次侧产生不平衡电流，很难与单相 接地故障产生的零序电流区分开；直接使用零序电流互感器是可以解决这一 问题的，对于电缆线路直接在出线安装零序电流互感器尚可行，而对于架空 线路，在每条出线上安装电磁式零序电流互感器是不现实的。另外，网络结 构的多变性及接地点、接地电阻、接地性质的多变性进一步增加了选线的难 度。( 2 ) 当前的各种选线方法都是通过检测零序稳态量实现的，但零序稳态 量并不是唯一故障信息，实际上小电流系统单相接地稳态量一般都很小，不 易测得，而故障暂态阶段零序量相对较大，更容易测量，应充分利用。( 3 ) 尽管使用微机选线装置避免了繁琐的倒闸操作，提高了可靠性，但人工查找 故障点仍是一项耗时耗力的工作。若能在正确选线的基础上进一步较准确地 给出故障位置将是更理想的。( 4 ) 零序电流的获取困难。零序电流需要由星 接三相c t 的中性点取得，对于只有两相c t 的系统，装置的应用受到限 制。( 5 ) 缺乏选线方法的综合判据和有效性判定。 有鉴于此，我们认为仍然有必要对中性点非直接接地系统单相接地故障 选线问题进行进一步的分析研究，以期找出更有效的解决方案，这正是本论 文选题的出发点。 1 2 寻求解决方案 小电流接地系统单相接地故障后的信号中含有各种各样的故障信息，如 稳念基波分量，高频暂态分量，现在的各种算法就是利用了各种故障信息构 成的故障判据。然而对不同故障条件下的故障信息分析表明，随着故障条件 辽宁i ：拌技术人学硕士学位论文 的不同，故障信息也会有变化，有些算法可能会失效，所以根据不同算法做 出的判断结果准确度也往往不同。理论和实践都表明，没有一种选线方法能 够保证对所有故障类型都有效，每种选线判据都有一定的适用范围，也都有 各自的局限性，需要满足一定的适用条件。所以，仅靠一种判据进行选线是 不充分的。迄今为止还不存在万能型、无条件选线判据，因为如果存在，选 线问题就已经解决了。 在这种现实状况下，一种可行的办法是使用多重选线判据来构成综合判 据，利用各种判据选线性能上的互补性扩大正确选线的故障范围，提高选线 结果的可靠性。因为每一种选线判据的适用条件是不同的，针对某个故障样 本，一种判据的适用条件可能不满足，但另一种判据的适用条件可能能够满 足，几种判据覆盖的总的有效故障区域必然大于单个判据的有效故障区域。 而信息融合作为一门研究信息综合分析处理技术的新兴边缘学科，强调在自 动控制领域中利用多源信息进行综合分析推理以提高控制的精度和鲁棒性。 因此能满足我们的要求。 近年来，用于信息融合的计算智能方法主要包括：模糊理论、神经网 络、粗糙集理论等。其中模糊理论是用数学方法研究和处理具有“模糊”现 象的一门科学。这里所谓的模糊性主要是指有关事物差异的中间过度的不分 明性，这种属性也反映在小电流故障选线中。例如“某一故障特征的明显程 度”、“某一方法的有效性”等等均没有精确的度量，存在一定的模糊性。 模糊理论能通过建立相应的隶属函数有效地处理这种模糊性，将不分明性转 换为确切的数值描述。 所以，本文对现有的各种小电流系统单相接地选线方法进行简要的分 析，并在第三章对小波法进行详细说明，并进行算例仿真。通过运用小波法 很大程度上能够达到准确选线的目的，但还是存在死区。因此，将多种选线 方法或判据，考虑应用模糊理论解决算法有效性并进行多判据融合，这也是 小电流接地系统故障选线发展的一个方向。 1 3论文的主要内容 论文的主要工作内容如下： 第一部分( 第二章) 在论述电力系统接地方式发展的基础上，着重分析 辽宁j ：程技术人学硕士学位论文 了现有的各种选线方法的原理，指出各种方法的优缺点及适应情况，为随后 的内容提供理论基础。 第二部分( 第三章) r h 于小波理论是一门新兴的数学分支和应用方法， 在电力系统中有广泛的应用，因此专门论述了小波原理及如何把小波理论应 用于小电流接地系统的选线问题，并运用m a t l a b 进行算例仿真。 第三部分( 第四章) 主要讨论信息融合技术以及模糊理论的特点及其为 什么适用于我们所要解决的问题。并略去一些繁琐的证明和推论，而从应用 所关心的角度去理解它，以期给出一个清晰的概念。并分析了应用模糊理论 和信息融合技术进行多判据融合选线。简要设计硬软件系统。 辽宁i ：程技术人学硕十学位论文 小电流系统单相接地选线 1 中性点接地方式发展历 在电力系统的发展初期， 是绝缘故障的主要原因，即使 行。由于对过电压的一系列危 频繁过电流冲击的能力，所以 行。而后随着电压等级的逐渐 方法分析 史 电力系统的容量较小，人们认为工频电压升高 相电压短时间升高至i 倍，也会威胁安全运 害估计不足，同时又过高估计了电力设各耐受 电力设备的中性点最初都采用直接接地方式运 提高，电网的扩大，单相接地故障增多，线路 断路器经常跳闸，造成频繁的停电事故，于是，便将上述的直接接地方式改 为不接地方式运行。随后，由于工业发展较快，使电力传输容量增大，距离 延长，电力系统延伸的范围不断扩大。在这种情况下发生单相接地故障时， 电网的对地电容电流也逐渐增大，当接地电容电流达到一定的临界值时，接 地电流在故障点形成的电弧不能自行熄灭，从而易造成弧光接地过电压同 时，间歇电弧产生的过电压往往又使事故扩大，显著地降低了电力系统的运 行可靠性。 1 9 2 0 年左右，为了解决系统中出现的这些问题，当时世界上两个工业比 较发达的国家分别采取了不同的解决途径。德国及一些中西欧国家为了避免 对通信线路的干扰和保障铁路信号的正确动作，采用了彼得逊( p e t e r s o n ) 发 明的消弧线圈( x q ) ，把电网的中性点经消弧线圈接地( 又称谐振接地) ，自 动消除瞬间的单相接地故障；而美国则认为瞬间单相接地也属于故障情况， 并认为理论上弧光接地过电压能够达到较大值( 4 6 倍相电压) ，因此应靠继 电保护给以切除，所以改用中性点直接接地和经小电阻接地的方式，即有效 接地方式。这两种具有代表性的解决办法，对后来世界上许多国家的电力系 统中性点接地方式的发展产生了很大的影响。 五六十年代，谐振接地方式在苏联、中欧等国得到了广泛的应用；另外 此方式在美国、日本及西欧一些主要采用中性点有效接地方式的国家，也得 到一些应用，运行收效良好。 随着电压等级的进一步提高，绝缘费用在设备总价格中占据有很大的比 重，因此降低电网绝缘水平的经济效益十分显著；并且由于自动重合闸技术 的采用，供电可靠性也得到了一定的保证。所以各国在1 l o k v 及以上电网 2 2 辽。卜l 程技术人学硕十学位论文6 中，大都采用电网中性点直接接地方式或者经小电阻接地方式运行，而仅在 个别雷电频繁地区的l l o k v 电网，才考虑采用谐振接地方式。 近年来，我国引进了大量的国外设备，由于各国的接地方式不同，各国 设备的设计标准也不一致，特别是设备的耐压不同，要使用这些设备，首先 必须决定电力系统的接地方式。因此在对接地方式的选择上引起了我国专家 的争论。有的大城市己局部将配电网的中性点不接地方式改为小电阻接地方 式，以消除弧光接地过电压的产生，减少异相接地的发生。也有的改为大电 阻接地方式，以消除谐振接地过电压的危害。但大部分仍主张改为经消弧线 圈接地方式，补偿系统的电容电流，使得单相弧光接地时，故障点电流减 少，降低故障相电压的恢复速度，达到熄弧效果，从而避免了单相瞬时接地 故障的跳闸，提高系统运行的可靠性。 我国从1 9 5 8 年起，就一直对小电流接地系统单相接地故障的选线问题进 行研究，提出了多种选线方法，并开发出了相应的装置。5 0 年代我国有根据 首半波极性研制成功的接地保护装置和利用零序电流五次谐波研制成功的接 地选线定位装置。7 0 年代后期，上海继电器厂和许昌继电器厂等单位研制生 产了一批有选择性的接地信号装置，如反映中性点不接地系统零序功率方向 的z d 一4 型保护和反映经消弧线圈接地系统五次谐波零序功率方向的z d - 5 ， z d 一6 ，z d - 7 型保护。有些运行部门还采用反映零序电流增大的零序电流保护 来选线。8 0 年代中期，我国又研制成功了微机型小电流接地系统单相接地选 线装置，近几年来，随着微机在电力系统应用的推广，相继又出现了一些微 机型接地选线装置和适合微机实现的选线理论。其中由南京自动化研究院研 制的微机小电流接地系统单相接地选线装置，其主要原理是比较线路零序电 流五次谐波的大小和方向；华北电力大学利用零序电流的五次谐波比相原理 研制的m l 9 8 型小电流接地系统单相接地微机选线装置等等。 2 2 各种选线方法分析 中性点非直接接地系统发生单相接地故障时，整个系统都将出现零序电 压。母线p t 二次开口三角形绕组的电压为三倍的零序电压，测量此处的电压 即可在系统中构成绝缘监视装置，对故障选线发出启动信号”1 。 在现有小电流接地系统接地故障选线检测原理中，按照利用信号方式的 辽卜i ：程技术人学硕十学位论文 不同可分为主动法和被动法。主动法需要向电网注入信号或直接采用拉线方 式等，而被动法则利用故障时产生的电压、电流信号。被动法又进一步分为 稳态分量法和暂态分量法。 2 2 1 主动法 a ) 。s ”注入法池5 1 首先由t v 的三相二次电压值判别故障相别，再从t v 副边向接地相注 入信号电流，其频率处在各次谐波之间，从而保证不被工频分量和高次谐波 分量干扰。故障时接地相的t v 原边处在被短路的状态，由副边感应传递的 信号电流沿接地相流动并经接地点入地。用信号电流探测器在开关柜内对各 线路进行探测，检测到注入信号的线路即是故障线路。而通过对注入信号电 流电压的检测，计算变电所到接地故障点之间的阻抗，便可实现故障测距。 该方法的最大优点是适用于线路上只安装两相电流互感器的系统，缺点在于 经高阻接地时，注入信号微弱不易检测；弧光接地时谐波含量丰富，注入信 号极易受到干扰。 b ) 注入变频信号法 针对“s ”注入法存在的问题，文献【3 9 提出的注入变频信号法可较好地 解决。 其原理是： 1 ) 系统正常运行时，由消弧线圈电压互感器注入信号，测量系统谐振 频率，计算电容电流。测量过程中无需调节消弧线圈，无需变换一次系统参 数，无需求解方程。测量方法简单、直接，已成功地应用于消弧线圈自动调 谐系统。 2 ) 高阻接地故障时，中性点位移电压变化小。采用向零序电压互感器 注入谐振频率信号，测量零序信号电压，计算接地电阻，辨识高阻接地故 障，可实现高灵敏度发电机定子接地保护，且不受系统运行的影响。 3 ) 故障选线时，比较位移电压与故障相电压的大小，如位移电压较 低，则从消弧线圈电压互感器注入谐振频率恒流信号，反之，则从故障相电 压互感器注入，监视各出线零序信号功角、阻尼率，进行故障选线。其具有 选线精度高，抗高阻接地能力强，且易与馈线保护结合为一体，置于开关柜 辽。j ! 型技术人学硕士学位论文 8 上，实现就地保护与控制。 c ) 电流增量法侧 目前手动调谐消弧线圈逐渐被自动调谐消弧线圈取代，自动调谐消弧线 圈自动跟踪系统电容电流，正常情况下处于过补偿1 5 的状态，发生单相接 地故障后，自动调谐到全补偿状态，以减小接地电容电流。电流增量法利用 调谐前后零序电流的变化量进行选线，首先将调谐前后的零序电流折算到同 一电压等级，然后比较各条线路的零序电流变化量，变化量最大的就是故障 线路。 2 2 2 被动法 a ) 利用故障信号稳态分量的选线法 中性点不接地系统发生单相金属性接地故障时( 假定a 相) ，容性电流 分布如图2 1 所示。 i c 血l l l 掣冀 l 一 ：一 = # | _ | 日 莉。书!醋 线 路 1 线 路 n 图2 - 1 中性点不接地系统单相接地电流分布图 当a 相发生单相漏电故障时，会在中性点产生零序电压0 0 ，其值为： 0 0 = - 志以 z 0 = 一? r j x 。 l 砟2 一 辽。j j ：程技术人学硕十学位论文 9 c = c ，2 屹 在零序电压玩的作用下，系统中会产生零序电流j o ，每条供电线路 的零序电流，。，为： 厶：j 单 r i j l 。 其中非故障线路始端的零序电流为： 3 1 0 。= i 舢+ i 嘶+ i c j = i + i c i = i c ( 2 - 1 ) 式中t 为线路自身对地电流之和，包括对地电容电流和对地电阻电流。非 故障线路零序电流方向是自母线流向线路。故障线路始端零序电流，种为所 有非故障线路零序电流之和，方向是自线路流向母线，既： 3 i g 。= 一3 ，f o - 一j , c ( 2 - 2 ) i - g，g 接地故障点流过的电流为全系统对地电流的总和，既有： j 。= t ( 2 - 3 ) 如果电流比较大，就会在接地点燃起电弧，引起弧光过电压，使非故障相对 地电压进一步升高，从而加剧绝缘损坏，形成两点或多点短路。为了解决 这一问题，在各级配电网中，当全系统的电容电流超过以下数值时，既应装 消弧线圈：对3 6 k v 电网3 0 a ；1 0 k v 电网2 0 a ；2 2 6 6 k v 电网 i o a 。消弧线圈一般采用过补偿方式，过补偿度为5 1 0 。图2 2 反 映了中性点经消弧线圈接地系统发生单相金属性接地故障时电容电流的分布 情况。 此时，非故障线路始端的零序电流未发生变化，而故障线路始端的零序 电流变为： 3 i 即= 一( 3 z ，。+ ，。) = 一( l + ，。) ( 2 - 4 ) ， p i z g 接地故障点流过的电流为全系统对地电流和消弧线圈电流的总和，既有： 辽，i ：程技术人学硕十学位论文 1 0 i d = l 。+ il ：。f k n jn j 亡 uo ：2 搏。；2 e j y a a 、 f ，、 jj 一 0 几 c 0 ，_ = 二 = # |_lg 私扣! j ! _ ( 2 - 5 ) 线 路 l 线 路 n 图2 - 2 消弧线圈接地系统单相接地电容分布 可知中性点不接地系统中发生单相故障时零序电流其特点为： 1 ) 由于零序电流不能经变压器的中性点构成回路，因此各支路中的零 序电流都经过漏电点构成回路； 2 ) 非故障线路零序电流的方向为由母线流向线路，而故障线路零序电 流的方向为由故障线路流向母线； 3 ) 测量时非故障线路测得的为该支路漏阻抗所产生的零序电流，而故 障线路测得的为所有非故障线路零序电流的和，而不包括自身产生的零序电 流。 4 ) 从零序电流与零序电压的相位上看，非故障线路的j 。，超前 吼0 9 0 。，而故障线路的i g o 滞后d o ，9 0 。1 8 0 。，如图2 3 所示。 ，g o ，o f ，o ， 图2 3 零序电压电流相位关系图 辽宁f j ：程技术人学硕士学位论文 当中性点不接地系统发生金属性接地故障，并且单相对地电阻电流与电 容电流相比可忽略时： 1 ) 故障相对地 出现零序电压，其大 零序电压基本相等， 2 ) 故障线路和 流数值上等于本线路 电压为零，非故障相对地电压为电网线电压。整个系统 小由0 上升到电网正常工作时的相电压，电网中各处的 线电压仍然保持对称； 非故障线路上均会出现零序电流，非故障线路的零序电 对地电容电流，方向由母线流向线路，故障线路的零序 电流数值上等于所有非故障线路的零序电流之和，方向由线路流向母线。 3 ) 所有非故障线路的零序电流的相位相同，超前于零序电压9 0 0 ；故 障线路零序电流的相位滞后零序电压9 0 0 ；即故障线路零序电流与非故障线 路零序电流相位相差1 8 0 0 。 以上三点不受电网的运行方式、负荷大小的影响。因此，对于单相对地 电容较大的系统发生单相金属性接地故障时，绝大多数选线方法都能检测出 故障线路。 当中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时零序电流其特点为： 1 ) 故障线路和非故障线路上均会出现零序电流，非故障线路的零序电 流数值上等于自身线路对地电流，方向由母线流向线路；零序电流相位超前 零序电压0 9 0 0 ，而且所有非故障线路零序电流的相位相同； 2 ) 故障线路的零序电流数值上等于所有非故障线路的零序电流与电感 电流之和，方向不定，视补偿电流大小而定。 利用以上特点形成了多种选线方法，下面作了详细分析。 1 ) 零序基波电流幅值、相位选线 对于中性点不接地系统发生单相接地时，非故障线路零序电流幅值为： 机i = ( 2 - 6 ) 故障线路零序电流幅值为： 3 = ( 2 - 7 ) ， p 由式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 可得，故障线路零序电流幅值较非故障线路零序电 流要大，可以通过比较各条线路零序电流的幅值来判断故障线路”1 。该方法 辽7 j 2 j ：科技术人学硕士学位论文 称为零序基波电流幅值比较法。但这种方法不能排除c t 不平衡的影响，受线 路长短、系统运行方式及过渡电阻大小的影响，且系统中可能存在某条线路 的电容电流大于其他所有线路电容电流之和的情况，装置易发生误动，同时 不适用于经消弧线圈接地的系统。其中c t 不平衡是指方法中所用的线路零序 电流是从接在线路a ，b ，c 相上的三只c t 二次侧中线上取得的，由于三相c t 传输特性的不同，将会产生c t 不平衡电流。故障状态下检测到的线路零序电 流是实际线路零序电流与线路c t 不平衡电流的叠加。 而由式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可得，由于线路对地电容电流相比线路对地电阻 电流大的多，因此故障线路零序电流和非故障线路零序电流存在大约1 8 0 。 的相位差，可以通过比较各条线路零序电流的相位来判断故障线路”1 。该方 法称为是零序电流相对相位比较法，但这种方法在故障点离互感器较远且线 路较短，零序电压、零序电流值较小时，相位判断困难，同时也不能适用于 经消弧线圈接地的系统。 实际应用中多将幅值比较和相位比较组合起来使用，即对各条线路的零 序电流进行群体比幅比相来判断故障线路嘲。该方法称为零序电流群体比 幅比相法，方法综合利用零序电流比幅法和零序电流相位法，先进行零序电 流幅值比较，从中选出几条幅值较大的作为候选故障线路，再进行相位比 较，选出相位与其它线路相反的线路即为故障线路。这种方法在一定程度上 可排除不确定性因素同时出现几率造成的误判，但同样不能排除c t 不平衡及 过渡电阻的影响，仍不适用于经消弧线圈接地的系统。 此外，文献 2 提出的零序电流无功功率方向法，它的判别依据是故障 线路的零序电流无功分量落后于零序电压9 0 。1 8 0 。，而非故障线路的零 序电流无功分量超前于零序电压0 9 0 。但是，这种方法受过渡电阻的影 响比较大，在发生金属性短路时，零序电压最大；在过渡电阻为无穷大时， 零序电压为0 ，所以在过渡电阻较大时，检测零序电压就很困难，而且这种 方法不适用于中性点经消弧线圈接地的系统中，因为在过补偿和欠补偿的运 行方式时，零序电流无功分量方向是相反的。 另外文献 1 1 1 2 提出零序导纳( 线路零序导纳为线路零序电流与零序 电压之比) 法进行故障选线的方法。按照文中的定义，线路零序导纳k ，实 辽宁j ：程技术人学硕十学位论文1 3 质上是零序电流厶，乘以固定系数i 0 0，根据k ，的幅值相位选线，实质 上仍是将零序电流幅值和相位比较复合起来应用。这种方法需要计算两个复 数商的幅值和相角作比较，是对复合运算的比较，这大大增加了计算误差的 来源，其精度必然不及零序电流幅值和相位这两种依靠简单计算比较选线的 方法1 。 为了消除c t 不平衡电流导致的误差，文献【1 4 1 5 】中提出最大 a ( i s i n 们选线方法，其基本原理是：根据各线路零序电流与零序电压的相位 关系，将同一线路故障前后的零序电流投影到故障后的故障线路零序电流理 论方向上计算其投影值之差。其中最大的投影差若大于零，则可判定该线路 即为故障线路，否则即为母线故障。该方法通过故障前后零序电流相减的办 法来消除零序电流测量值中三相c t 不平衡电流造成的误差。其中零序电流 在零序电压方向上的投影值，实际上就是零序电流幅值乘以固定系数 s i n e( 伊是线路阻抗角) ，所以说这种方法本质上还是零序电流幅值比 较。在实现过程中，为了确定故障前由于三相c t 不平衡所造成的零序电流 与故障零序电压的相位关系以计算其投影值，需要通过一个中间参考正弦电 压信号( 是经计算处理的p t 线电压或装置所用交流电源电压) 来辅助运 算。这就要求参考电压信号与故障零序电压的相位差在故障前后固定不变， 这在实际现场中能否实现仍然值得商榷【13 1 。 当在中性点经消弧线圈接地系统时，由于消弧线圈的电感电流对系统电 容电流进行补偿，将使得故障线路零序电流的幅值和相位都发生变化，上面 的方法都将不适合。针对这种情况，文献 1 8 提出了零序电流有功功率方向 法，这种方法利用自动补偿电网中消弧线圈并联或串联阻尼电阻的特点，在 发生接地故障后，电阻产生的有功分量只流过故障线路，且其方向与非故障 线路的零序有功电流方向相反，在数值上故障线路的零序有功电流比非故障 线路的有功电流大，故可检测各条馈线零序电流中有功分量的大小来判断故 障线路。但实际运行中由于零序电流有功分量含量小，一般只占零序电流的 2 3 ，检测困难，同时也受c t 不平衡的影响，利用零序电流有功分量也是 容易发生误判“。 从上述内容可以看出此外，系统运行方式的改变和非金属性接地中过渡 辽。j 程技术人学硕士学位论文 电阻的大小，会使线路对地电容电流无法确定，同时零序电流的获取，这些 因素都将导致基于零序电流幅值和相位的选线方法失效。 2 ) 零序电流谐波的幅值、方向选线 针对零序电流基波幅值、方向选线方法对中性点经消弧线圈接地系统失 效的问题，提出了利用零序电流谐波幅值、方向的选线原理。文献 1 6 指 出：系统发生单相接地故障时，各条线路的零序电流中含有大量的奇次谐波 成分( 其中3 次谐波电流相位一致，流经变压器三相绕组或被削弱或被抵 消) ，按幅值大小依次为基波、5 次、7 次、1 3 次等谐波，并且它们在系统 中的分布基本相同。随着谐波次数的增加，感抗增大而容抗减小，因此总能 找到一个n ，使得消弧线圈对故障线路零序n 次谐波电流的影响甚微，此时 就可以将故障与非故障线路的零序n 次谐波电流作幅值和方向比较，从而判 断出故障线路。一般采用零序5 次谐波电流进行故障选线。在中性点经消弧 线圈接地系统中，消弧线圈主要补偿的是零序基波电流，其电感值按照工频 整定，即有： 砒z 1 a , , c ( 2 - 8 ) 和 5 6 0 l 1 5 a , c z ( 2 - 9 ) 可忽略消弧线圈对五次谐波电流的补偿作用，因此n e s 中零序5 次谐波电流 与n u s 中零序基波电流有着相似的性质。对测量所得的零序电流进行傅立叶 变换，能够求得零序5 次谐波电流的幅值和方向，接着通过对零序5 次谐波 电流作幅值或方向比较，就可实现故障选线。“”“”。基于5 次谐波的选线方 法虽然可以避免消弧线圈的影响，但是系统中5 次谐波易受过渡电阻和发电 机、变压器、负荷及其他非线性特性元件的影响，尤其是在电力电子装置应 用较多的环境中，其幅值波动较大；另外5 次谐波的幅值较小，在测量和计 算过程中都可能存在较大误差，所以该方法不能保证选线可靠性。 3 ) 负序电流选线“” 三序网络中，正负序网的结构相同，其中静止元件的正负序阻抗值相 等，而发电机和电动机这类旋转元件的正负序阻抗值则不等。中性点非有效 接地系统的主要线路结构方式是辐射网，对其单相接地故障负序网络进行分 析可得，接地故障产生的负序电流大部分由故障点经故障线路、变压器电源 辽i ：程技术人学硕士学位论文 流回大地，经各线路及其对地电容流回的负序电流相对较少，据此可通过比 较线路负序电流幅值选线。另外由正负序阻抗的关系，可知负序网中阻抗均 为感性，且电抗要大于电阻数倍。定义自母线流出为负序电流正方向， 障线路与非故障线路的负序电流和故障相电压之间存在不同的相位差， 故障线路与非故障线路的负序电流和变压器电源负序电流也存在不同的 差，据此可通过比较线路负序电流的相位选线。由于单相接地故障的复 网是串联在一起的三个序网，所以从故障点流入系统的负序电流和零序 是相同的。因此在中性点非直接接地系统中利用负序稳态电流进行故障 线，和前述利用零序稳态电流选线方法一样，仍需面对电流幅值过小而 则故 并且 相位 合序 电流 选 导致 的测量误差，同时负序分量又受负荷影响，由此产生的误判问题。 4 ) 零序能量函数法 图2 4 所示为经消弧线圈接地系统的零序故障分量网，故障发生在线路 1 ，由于故障分量系统是一单激励网络，故障前系统中各元件的电压和电流 初始值都为零，并为无源网络。故障即等效于在t = o 时刻在其零序网络突然 加上一个假想电源一u ，此时故障分量系统中各元件上所消耗和吸收的能 量都由此假想电源提供。 图2 - 4 零序故障分量等效图 文献 2 0 提出对系统故障后的全部过程均以能量观点来解释的选线方 法，定义各条线路零序能量函数为： s o ，= i “。( r ) f 。( f ) d f 对于消弧线圈，有 辽宁一l ：挫技术人学硕士学位论文6 s o 。= j ( r ) i o 。( r ) 如 ( 2 - 1 1 ) 显然，s o ，= i ( f ) f 。，( f ) 打，f = 1 ，2 ，n ，是故障后第f 条线路上传 输的能量。由于故障分量网络是无源网络，所以只能从等效电源吸收能量， ”考虑到电流的参考方向，非故障线路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。网络上的能量都是通过故障线路传送给非故 障线路的，因此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。 根据能量函数的上述特性，可以构成两种接地选线方法： 方向判别： 若第f 条线路的能量函数s o ( f ) 0 ，f = 1 ，2 ，n ，即判定为母线故障 大小判别： 为了能够判别母线故障，再构成一个能量函数 s o b u s ( f ) 2j ( i o l ( f ) ( f ) + + 如。( f ) + ( ，) ) u o ( t ) d t ( 2 1 2 ) 显然 ，在母线接地时，s o 。( t ) 等于所有线路( 包括消弧线圈) 能量 函数的总和，而在线路故障时s o 。( t )为0 。对式( 2 1 0 ) ( 2 1 2 ) 进行积 分，得 m ，( f ) = i s 。，( f ) 击f 大小判别的方法为比较所有m ，( f ) 的大小，最大值相应的线路为故障线 路( 包括母线) 。与方向判别方法相比较，大小判别方法的优点为在实际线 路零序c t 极性接反时仍能正确选线：缺点为由于s o 。( ，) 是所有线路能量函 数的累加，噪声的影响变大，影响接地选线的灵敏度。 b ) 利用故障信号暂态分量选线 基于故障信号稳态分量的选线方法普遍存在信号幅值偏小且受消弧线圈 辽宁i ：程技术人学硕士学位论文 影响较大的缺陷。 明显的暂态过程， 大，尤其是接地电 测量。而消弧线圈 接地系统和经消弧 发展，暂态电气量 行选线成为可能。 在中性点非直接接地系统发生单相接地故障时，存在一个 电气量中含有大量丰富的高频信号。其中电流量通常较 容电流的暂态分量往往比其稳态值大几倍到几十倍，容易 对于暂态量中丰富的高频信号相当于开路，所以中性点不 线圈接地系统的暂态过程是基本相同的。随着技术手段的 的采集精度和计算速度提高很大，使得利用故障暂态量进 为了正确分析小电流接地系统单相接地故障后的暂态现象，首先建立适 当的系统模型，并确定合理的分析方法。单相接地短路故障属于不对称故 障，故障后的暂态现象包含着衰减变化的非周期自由分量和许多幅值衰减的 高频振荡分量。假定电网中的线路进行了完全的换位( c 。= c 。= c ；， r a = r b = r c ) 且三相负荷对称，考虑到单相接地故障仅与电网零序回路参数 有关，则补偿电网发生单相接地故障时的简化等值电路如图2 - 5 。 图2 5 补偿电网单相故障等值接线图 为相对地泄漏电阻：c o 为相对地电容；为电源变压器中性点的消 弧线圈的调谐电感：吒为消弧线圈的等值损耗电阻。在补偿电网发生单相接 地故障的瞬间，可利用如图2 5 中的等值回路，分析流过故障点的暂态电容 电流、暂态电感电流和暂态接地电流。 g 辽j 1 j ：程技术人学硕+ 学位论文 c = 3 c o 图2 - 6 计算单相接地暂态电流的等值回路 c 为补偿电网的三相对地电容；l o 为三相线路和电源变压器等在零序 回路中的等值电感；r 。为零序回路中的等值电阻；、工分别为消弧线圈 的有功损耗电阻和电感；u o 为零序电源电压。 图2 6 中的等值回路适用于分析补偿电网中各种单相接地故障瞬间的暂 态过程。当发生单相金属接地时，图中的凡和厶可根据三相线路和电力 变压器的参数进行计算，这时暂态接地电流最大，情况最为严重。此时可以 不考虑故障点的接地电阻和弧道电阻，零序回路的参数也最容易确定，而且 所得结果是足够准确的。故以下主要分析单相金属接地时的暂态过程。 建立微分方程，考虑初始条件，经拉氏变换等一系列运算，得出暂态电 容电流如下： 民f c + 厶警+ 吉f 出= s 衄耐+ 缈) ( 2 1 4 ) f f ：f c 。+ i c 。：，【( 兰兰i n - c o s ( t ) 一。+ s ( c a t + 伊) 】 ( 215sin d p s l nc o tt ) ec o s ( c a t 2 - 1 5 ) f f = f c 。 。= ，【( 上 一。+ + 伊) 】 () 式中：为相电压的幅值；为电容电流的幅值；q 为暂态自由震荡 分量的角频率；6 = i 1 = 击为自由震荡分量的衰减系数；c 为回路时间 常数。 同理可得出消弧线圈的电感电流： i l = i l 出+ i _ = 1 1 m c o s r p e “一c o s ( c a t + 伊) 】 ( 2 - 1 6 ) 在一般情况下，由于电网中绝缘被击穿而引起的接地故障，经常发生在 辽，l ：程技术人学硕十学位论文1 9 相电压接近于最大值的瞬间，因此可以将暂态电容电流看成是如下两个电流 之和：( 1 ) 由于故障相电压突然降低而引起的放电电容电流，它通过母线而流 向故障点，放电电流衰减很快，其振荡频率高达数千赫，振荡频率主要决定 于电网中线路的参数( 凡和厶的数值) 、故障点的位置以及过渡电阻的 数值。( 2 ) 由非故障相电压突然升高而引起的充电电容电流，它要通过电源 而成回路，由于整个流通回路的电感增大，因此，充电电流衰减较慢，振荡 频率也较低( 仅为数百赫兹) 。 对于中性点经消弧线圈接地的电网，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的瞬间，而当故障发生在相电压接近于最 大值瞬间时，i l = 0 ，因此，暂态电容电流较暂态电感电流大很多，所以在 同一电网中，不论中性点绝缘或是经消弧线圈接地，在相电压接近最大值发 生故障的瞬间，其过渡过程是近似相同的。由于暂态电流的幅值和频率主要 是由暂态电容电流所确定的，从而谐振接地系统的暂态电容电流分布与不接 地系统的电容电流分布情况类似。 1 ) 首半波假设选线”1 单相接地故障暂态电流中包含：由故障相电压骤减引起的放电电容电 流，和由 容流入大 再经对地 地故障， 非故障相电压突然升高而引起的充电电容电流。前者直接经对地电 地，衰减较快。后者先经变压器或发电机中性点分配到非故障相， 电容流入大地，回路电感大，衰减较慢。在相电压接近峰值发生接 故障线路分布电容和分布电感具有衰减振荡特性，所以放电电容电 流接近其峰值，而充电电容电流接近为零，两者相差很多。则在这种情况下 的电流首半波中，暂态电流的最大值远大于稳态电流；而零序电流和零序电 压的相位，在非故障线路相同，在故障线路则存在1 8 0 。的相位差。 利用故障线路暂态零序电流首半波的幅值和方向均与正常线路不同的特 点，可实现选线。但故障发生在相电压过零点附近时，首半波电流暂态分量 很小，再计及过渡电阻的影响，则容易引起误判。 2 ) 基于小波分析的选线方法 中性点非直接接地系统单相接地后，故障电流由接地点经各线路对地电 容或中性点消弧线圈构成接地回路，其中突变的故障暂念信号含有大量的高 辽宁l ：程技术人学硕士学位论文 频分量。但不同频率的暂态分量分布却是不同的，有的与稳态分量相同自接 地点进入经各线路对地电容和消弧线圈返回，有的则只存在于个别线路及其 对地电容上。确定前者的分布或者利用前者的特征，便可获得有效的选线信 号，其关键在于确定这类信号的所处频段以便获取分析。 传统的方法如快速傅立叶变换，虽然能够获得信号的频率特征，但用于 分析突变的非平稳信号时，却把信号频域信息分散到整个频域里，所以不能 提供信号突变的局部时频特征。小波变换可对信号进行精确分析，特别是对 暂态突变信号和微弱信号的变化较敏感，能可靠地提取出故障特征。根据小 波变换的模极大值理论可知，出现故障和噪声会导致信号奇异，而小波变换 的模极大值点对应着采样数据的奇异点，由于噪声的模极大值随着尺度的增 加而衰减，所以经过适当的尺度分解后，即可忽略噪声影响得到较理想的暂 态信号。小波变换是把一个信号分解成不同尺度和位置的小波基之和，利用 合适的小波和小波基对故障暂态信号进行小波变换后，可以得到特定频段的 暂态分量，利用特定频段的暂态分量所具有的不同特性就可进行故障选线。 文献 2 6 3 1 将不同的小波分析方法引入到分析故障暂态信号选线的研究 中。对于小波法，后面还将有专门章节详细论述。 c ) 其它方法 模糊推理、人工神经网络、模式识别已应用于故障选线之中叫“。在 对零序高次谐波电流群体比幅比相的微机选线中，应用模糊推理对其比相方 案进行完善，实质就是根据群体比较法，将多种方案综合考虑，按模糊决策 组合来确定故障线路。若将故障后各线路零序电流看成某类故障的一个模 式，通过神经网络对样本训练与学习来判断此故障模式所属类别来选线，就 是典型的模式识别问题。但由于要求每个系统都需要有大量真实的故障电流 数据构成模式信息来训练神经网络，这在工程实际中是很难满足的。 2 3 小结 通过上述分析可以看出，单相接地故障情况复杂，提出的各种选线方法 都有其不足，不能适用于所有的故障情况。小电流接地系统单相接地故障选 线是长期以来一直未能很好解决的问题，其难点主要在于： 1 ) 故障电流主要为电容电流，幅值较小，故障前后的变化量非常微 辽宁一型技术人学硕士学位论文2 l 弱，不易检测。 2 ) 故障情况复杂，接地电阻的存在进一步加大了选线的难度。 3 ) 不同系统之间出线的多少、长短及补偿方式差别很大，对选线系统 的灵活性要求较高。 因此如何适应配电网各种运行方式、各种故障状态特征是目前选线原理 研究的关键问题。 本章首先简单说明了中性点接地方式的发展历史，及我国电力系统中性 点接地方式的现状。然后分析单相接地后的稳态和暂态故障特征，并据此详 细分析现有各种选线方法的依据及不足，为后面引出模糊理论及应用于故障 选线提供指导。 辽j 5 i ：程技术人学硕士学位论文 3 小波分析及其在电力系统中的应用 基于小电流接地系统的故障特征( 零序分量) 暂态分量的特点，本章从 信号分析的角度出发，利用小波变换在频带