（高电压与绝缘技术专业论文）中性点经高阻接地方式下配电网零序电流测量的研究.pdf

摘要 本文综述了l o k v 配电网中性点各种接地方式的优缺点和近几年单相接地故障 选线方法的研究状况，分析了采用高阻接地方式以及采用零序分量的单相接地故障 选线方法的优越性，并根据目前很多l o k v 变电站只装两相电流互感器的特点，提 出了出线电流互感器的改造方案。另外，本文深入研究了电流互感器误差产生的各 种原因，以此为基础，完成了零序电流滤过器的原理分析和误差产生机理的研究， 并进行了多项试验，验证了零序电流滤过器的可行性并研究了零序电流滤过器的相 关特性。 此外本文深入分析了现有的电流互感器的数值仿真模型，根据实验室试验测得 的数据，采用分段线性化方法，建立了零序电流互感器的a t p e m t p 模型，并且进 行了相应物理试验，验证了所建立的零序电流滤过器模型的正确性，实现了零序电 流滤过器的数值仿真。 关键词：零序电流测量，零序电流滤过器，电流互感器，a t p ，仿真模型 a b s t r a c t b a s e do na no v e r v i e wo ft h em e r i t sa n dd r a w b a c k so fa l lt h en e u t r a lg r o u n d i n g m o d e sa n dt h er e s e a r c hs t a t u so ft h es i n g l e p h a s e t o g r o u n df a u l tf e e d e rd e t e c t i o n m e t h o d si n1 0 k vp o w e rd i s t r i b u t i o n n e t w o r k ，t h ep r e s e n tp a p e rh i 曲l i 曲t st h e s u p e r i o r i t i e s i n a d o p t i n g t h e h i g h r e s i s t a n c eg r o u n d i n gm o d ea n dz e r o s e q u e n c e s i n g l e p h a s e - t o g r o u n df a u l t e df e e d e rd e t e c t i o nm e t h o d ，a n dh e n c ef o r m u l a t e sas c h e m e t or e c o n s t r u c tt h eo u t l e tc tf o re x i s t i n g1o k vs u b s t a t i o n st h a ta r ee q u i p p e dw i t ho n l y t w o p h a s ec t s w i t ha ni n d e p t hi n v e s t i g a t i o ni n t ot h ee r r o rc a u s e so fc ta st h eb a s i s t h i sp a p e ra l s oe l a b o r a t e so nt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e sa n de r r o rc a u s e so fz e r o s e q u e n c e c u r r e n tf i l t r a t o r a saf u r t h e rs t e p ，aw e a l t ho fe x p e r i m e n t sw e r eu n d e r t a k e nt oc o n f i r m i t sf e a s i b i l i t ya n dt or e v e a li t sf e a t u r e s i na d d i t i o n ，t h i sp a p e ra l s oc o n d u c t sac l o s ee x a m i n a t i o no nt h ee x i s t i n gd i g i t a l s i m u l a t i o nm o d e l so fc t b a s e do nt h ed a t aw h i c hi so b t a i n e di nt h el a be x p e r i m e n t sa n d b ya d o p t i n gt h ep i e c e - w i s e1 i n e a rm e t h o d ，t h i ss t u d ye s t a b l i s h e sa na t p - e m t pm o d e l f o rz e r o s e q u e n c ec u r r e n tf i l t r a t o rw h o s ef e a s i b i l i t yh a sb e e nt h e r e a f t e rc e r t i f i e dt h o u g h 1 a be x p e r i m e n t sa n dr e a l i z e st h ed i g i t a ls i m u l a t i o nf o rz e r o s e q u e n c ec u r r e n tf i l t r a t o r q ib o ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l ic h e n g r o n ga n dc h e nw e i j i a n g k e yw o r d s ：m e a s u r e m e n to f z e r o s e q u e n c ec u r r e n t ，z e r o s e q u e n c ec u r r e n t f il t r a t o r ，c u r r e n tt r a n s f o r m e r ，a t p ，s i m u l a t i o nm o d e l 摘要 本文综述了l o k v 配电网中性点各种接地方式的优缺点和近几年单相接地故障 选线方法的研究状况，分析了采用高阻接地方式以及采用零序分量的单相接地故障 选线方法的优越性，并根据目前很多l o k v 变电站只装两相电流互感器的特点，提 出了出线电流互感器的改造方案。另外，本文深入研究了电流互感器误差产生的各 种原因，以此为基础，完成了零序电流滤过器的原理分析和误差产生机理的研究， 并进行了多项试验，验证了零序电流滤过器的可行性并研究了零序电流滤过器的相 关特性。 此外本文深入分析了现有的电流互感器的数值仿真模型，根据实验室试验测得 的数据，采用分段线性化方法，建立了零序电流互感器的a t p e m t p 模型，并且进 行了相应物理试验，验证了所建立的零序电流滤过器模型的正确性，实现了零序电 流滤过器的数值仿真。 关键词：零序电流测量，零序电流滤过器，电流互感器，a t p ，仿真模型 a b s t r a c t b a s e do na no v e r v i e wo ft h em e r i t sa n dd r a w b a c k so fa l lt h en e u t r a lg r o u n d i n g m o d e sa n dt h er e s e a r c hs t a t u so ft h es i n g l e p h a s e t o g r o u n df a u l tf e e d e rd e t e c t i o n m e t h o d si n1 0 k vp o w e rd i s t r i b u t i o n n e t w o r k ，t h ep r e s e n tp a p e rh i 曲l i 曲t st h e s u p e r i o r i t i e s i n a d o p t i n g t h e h i g h r e s i s t a n c eg r o u n d i n gm o d ea n dz e r o s e q u e n c e s i n g l e p h a s e - t o g r o u n df a u l t e df e e d e rd e t e c t i o nm e t h o d ，a n dh e n c ef o r m u l a t e sas c h e m e t or e c o n s t r u c tt h eo u t l e tc tf o re x i s t i n g1o k vs u b s t a t i o n st h a ta r ee q u i p p e dw i t ho n l y t w o p h a s ec t s w i t ha ni n d e p t hi n v e s t i g a t i o ni n t ot h ee r r o rc a u s e so fc ta st h eb a s i s t h i sp a p e ra l s oe l a b o r a t e so nt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e sa n de r r o rc a u s e so fz e r o s e q u e n c e c u r r e n tf i l t r a t o r a saf u r t h e rs t e p ，aw e a l t ho fe x p e r i m e n t sw e r eu n d e r t a k e nt oc o n f i r m i t sf e a s i b i l i t ya n dt or e v e a li t sf e a t u r e s i na d d i t i o n ，t h i sp a p e ra l s oc o n d u c t sac l o s ee x a m i n a t i o no nt h ee x i s t i n gd i g i t a l s i m u l a t i o nm o d e l so fc t b a s e do nt h ed a t aw h i c hi so b t a i n e di nt h el a be x p e r i m e n t sa n d b ya d o p t i n gt h ep i e c e - w i s e1 i n e a rm e t h o d ，t h i ss t u d ye s t a b l i s h e sa na t p - e m t pm o d e l f o rz e r o s e q u e n c ec u r r e n tf i l t r a t o rw h o s ef e a s i b i l i t yh a sb e e nt h e r e a f t e rc e r t i f i e dt h o u g h 1 a be x p e r i m e n t sa n dr e a l i z e st h ed i g i t a ls i m u l a t i o nf o rz e r o s e q u e n c ec u r r e n tf i l t r a t o r q ib o ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l ic h e n g r o n ga n dc h e nw e i j i a n g k e yw o r d s ：m e a s u r e m e n to f z e r o s e q u e n c ec u r r e n t ，z e r o s e q u e n c ec u r r e n t f il t r a t o r ，c u r r e n tt r a n s f o r m e r ，a t p ，s i m u l a t i o nm o d e l 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文中性点经高阻接地方式下配电网零序 电流测量的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：击i 庭日期：呈塑：l 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盎；曼 导师签名： 日 期：迎：! 罗日期：型：! 华北电力大学硕士学位论文 1 1 配电网中性点接地方式 1 1 1 概况 第一章绪论 配电网中性点与大地之间的电气连接方式，按照运行的需要大致可分为两类： 中性点有效接地和中性点非有效接地。中性点有效接地方式包括中性点直接接地和 经低电抗、低电阻接地；中性点非有效接地方式包括中性点不接地、经消弧线圈接 地和经高电阻接地。中性点接地方式的选择是一个综合性的技术问题，涉及电网的 安全可靠性、经济性；同时直接影响电网设备的绝缘水平、过电压水平、电网供电 可靠性、继电保护方式、通信干扰、人身及设备安全等很多方面，是电力系统实现 安全与经济运行的技术基础【卜1 6 l 。 在配电网发展初期，人们认为工频电压升高是绝缘故障的主要原因，对过电 流的危害作用估计不足，大都采用中性点直接接地方式，但是该种接地方式下， 线路的频繁跳闸造成停电事故增多。为了提高供电可靠性，一些国家的配电网中 性点改为不接地方式运行【5 】。随着工业的发展，电力传输容量增大，距离延长，同 时应城市电网改造的要求，电缆线路被大量使用，使电网电容电流大幅度的增加， 中性点不接地方式也随之出现一系列问题【9 】： ( 1 ) 电容电流增大，接地点电弧不易自动熄灭，易产生间歇性电弧过电压和铁 磁谐振过电压，造成大量p t 烧毁事故； ( 2 ) 带故障运行时间长，健全相对地电压升高为线电压，当电网存在绝缘弱点 或污染严重时，容易引发异地两点接地故障。我国一些电网就曾发生过主 变压器、电压互感器、电流互感器、电容型套管以及管形避雷器的绝缘击 穿，甚至爆炸烧毁扩大成母线故障； ( 3 ) 单相接地故障难以快速准确检出，不及时隔离接地点，单相接地会发展为 相间短路故障。 为了解决上述问题，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，采用了中性 点经消弧线圈的接地方式，自动消除瞬时性的单相接地故障【 】：美国采用了中性 点直接接地和经低电阻、低电抗等接地方式，配合快速继电保护和开关装置，瞬 间跳开故障线路。这两种具有代表性的解决办法，对其他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5 8 啦l ，如： 华北电力大学硕士学位论文 前苏联多采用消弧线圈接地或不接地方式； 芬兰全国1 0 k v 、2 0 k v 中压电网全部采用中性点非有效接地方式，中性点不接 地和谐振接地方式各占8 0 和2 0 ； 日本中性点非有效接地系统中高阻抗和不接地方式均有采用，以电阻接地方 式居多。东京电力公司6 6 k v 配电网采用中性点电阻接地或消弧线圈接地；6 6 k v 电网采用不接地方式； 法国过去以低电阻接地方式居多，采用零序过电流原理实现接地故障保护。 随着城市电缆线路的不断投入，电容电流迅速增大，法国电力公司( e d f ) 正在探 讨采用消弧线圈与电阻联合接地的中性点方式： 英国6 6 k v 电网中性点采用经电阻接地方式，而对3 3 k v 及以下出架空线路组 成的配电网，中性点逐步由直接接地改为经消弧线圈接地；电缆组成的配电网， 仍采用中性点经小电阻接地方式。 我国l o k v 配电网具有数量庞大、分布面广的特点，中性点接地方式的选择对 电网供电可靠性和安全运行的影响至关重要。交流电气装置过电压保护和绝缘配 合d l t 6 2 0 1 9 9 7 行业标准总结和吸取了多年来电网的运行经验和科研成果，对 l o k v 配电网的中性点接地方式做出了新的规定：架空线路构成的网络或架空线与电 缆混合构成的网络，电容电流小于i o a 时，中性点采用不接地方式，少数情况下限 制过电压的需求也可采用高电阻接地：超过i o a 时，采用经消弧线圈接地。纯电缆 网络，电容电流小于3 0 a 时，中性点采用不接地方式；超过3 0 a 时，采用经消弧线 圈接地。以电缆为主的网络，电容电流较大时可采用经低电阻接地。 1 1 2 配电网中性点不同接地方式的比较 l o k v 配电网一般为中性点不接地系统，当发生单相接地故障时可带故障持续运 行2 小时，不必立即跳闸，因此该种接通方式的供电可靠性比较高。但是由于中性 点没有电荷释放通路，长时间带故障运行，接地点往往会产生间歇性电弧，从而产 生较高的谐振过电压，威胁电网的安全f j 引。为保障电网的安全运行，通常采用消弧 线圈接地方式以防止产生过电压，但是当电网的规模较小，电容电流在i o a 以下时， 因采用消弧线圈接地方式的投资费用较高，往往体现不出该接地方式的优越性。 表卜1 中列出了1 0 k v 配电网不同接地方式的特点，由该表的对比可以看出， 当电网的电容电流小于i o a 时，高电阻接地方式在经济和技术上均具有明显的优势； 而中电阻接地方式仅适用于电容电流小于5 0 a 的电网；不接地系统按目前行业标准 d l t 6 2 0 1 9 9 7 的规定仅适用于电容电流小于i o a 的电网，但这一标准已成为有争议 性的问题，因为在实际电力系统中已出现过电网电容电流低于i o a 时的电弧接地过 电压事故ij 3 1 , 2 3 ：消弧线圈和小电阻接地方式目前已有成熟的经验，但是在电网的电 容电流比较低时，其经济和技术上的优越性不突出。 2 华北电力大学硕士学位论文 表卜1配电网中性点不同接地方式的比较 接地方式 不接地消弧线圈高电阻 中电阻 小电阻 瞬态过电压p u 3 5 3 2 2 5 2 5 2 ，5 不跳闸或 单相接地故障跳闸 不跳闸不跳闸可跳闸可跳闸 可跳 接地故障电流幅值小小小 由 大 故障切除时间 长长长 由 短 供电可靠性高高高差差 中性点设备投资高 小 由 由 适用范围a l o 2 时，过电压倍 数在2 5 p u 以下。 234 | r 砖c 图卜1 过电压与i r i c 关系图 3 6 5 4 3 2 ， 0 fl区坦印趔 华北电力大学硕士学位论文 1 2 2 高电阻接地与弧光接地过电压【3 】 【1 3 j 1 2 4 ( 1 ) 近几年来，在江苏省如皋供电公司的l o k v 配电系统中曾经发生过若干起电 容电流低于i o a ( 6 1 a ，9 2 a ，6 9 a ) 时的弧光接地过电压事故，造成设备 损坏、主变压器跳闸和母线停电等。工程实践证明，电容电流在5 i o a 范 围内的弧光接地过电压的问题不容忽视。 ( 2 ) 通过对消弧线圈与高电阻接地方式的技术性、经济性比较可知，在小电容 电流条件下，高阻按地方式明显高于消弧线圈接地方式。 ( 3 ) 交流电气装置过电压保护和绝缘配合d l t 6 2 0 1 9 9 7 行业标准第3 1 5 款规定：6 k v 和1 0 k v 配电系统以及发电厂厂用系统中，当单相接地故障电 流较小时，为防止谐振、间歇性电弧接地过电压等对设备的损害，可采用 高电阻接地方式。 ( 4 ) 美国在6 0 0 v 到3 9 k v 的中低压工矿企业的供电系统中，采用高电阻接地方 式已有3 0 多年的历史，积累了大量的现场运行经验，并制定有i e e e 标准。 1 2 3 高电阻接地的i e e e 定义 中性点高电阻接地系统，按美国i e e es t d ，1 4 2 1 9 9 1 工商业电力系统的接地 推荐规程标准中规定：“在接地系统中，通常有目的地用接入电阻来限制接地故 障电流到i o a 或以下，使本系统电流继续流过一段时间而不致加重设备的损坏。高 电阻接地系统的电阻设计应满足r o x c o ，以防止产生弧光接地过电压。其中r o 为 电网等值的零序电阻，x c o 为电网中每相对地分布容抗1 2 “。” 1 2 4 高电阻接地的特点和应用 ( 1 ) 中性点电阻是耗能元件，也是阻尼元件。 ( 2 ) 采用高电阻接地方式可以有效的抑制单相接地暂态过电压，使其不大于2 5 倍的相电压。在中性点经高电阻接地的配网中，当接地电弧熄弧后，电网 对地电容中的残余电荷将通过中性点电阻释放掉，所以当发生下一次燃弧 时其过电压幅值和电网在正常运行条件下发生单相接地故障的情况相同， 不会产生很高的过电压。为了限制由于电弧接地故障产生的暂态过电压， 高电阻接地的系统设计应符合r o 、 x c o 的原则，即应使电网接地故障的电 阻电流i r 大于电网的电容电流i c 【l o 。 ( 3 ) 采用高电阻接地方式可以将接地电流水平限制在1 0 a 以下，减小了地电位 的升高，降低了接地故障对人身安全、设备安全以及通讯系统的影响。 ( 4 ) 高电阻接地方式允许带故障继续运行2 个小时，也可以由用户自行选择定 正 华北电力大学硕士学位论文 时跳间或快速跳闸，故障处理相对比较灵活。 ( 5 ) 由于电阻的阻尼作用，高电阻接地方式可以有效的抑制电网中可能出现的 各种谐振过电压。中性点电阻相当于在谐振回路中的电网对地电容两端并 接的阻尼电阻，因此基本上可以消除电网的各种谐振过电压。试验表明， 在高阻接地方式中，只要中性点电阻 1 n o o c ，因此消弧线 圈并不能对谐波进行完全补偿，因此可以通过对零序电流谐波分量比幅比相进行选 线，由于电网中的五次谐波含量最大，因此多数装置采用五次谐波法选线【2 6 j ，【2 。 但是电网中的谐波含量是不确定的并且在有电弧燃烧时很不稳定，难于分离和 提取，加上其他谐波、噪声以及电网负荷中五次谐波源的影响，使选线装置的灵敏 度、正确动作率大大降低，严重时可能导致误判，并且当接地过渡电阻很大时，五 次谐波也含量很小，同样会影响单相接地选线的准确性。 1 3 1 3 有功分量法、能量函数法及零序导纳法 对于中性点经消弧线圈接地系统，消弧线圈不能补偿零序电流中的有功分量， 因此故障线路零序电流的有功分量与正常线路零序电流的有功分量相位相反，并且 故障线路零序电流有功分量的幅值最大。 有功分量法通过傅立叶变换直接分析出线零序电流有功分量的大小和方向，幅 值最大旦与其它线路反向的就是故障线路。能量函数法【3 0 】通过计算能量函数 e ：y u o ( ) + 厶( ) 的值来体现有功分量的大小和方向，实际上是对有功分量进行累 加。零序导纳法定义零序测量导纳为零序电流和零序电压之比，通过分析各条线路 零序测量导纳在导纳相量平面上的分布来确定故障线路，该方法实质上是用线路零 序测量导纳来描述零序电流的有功分量【3 ”。因此，这三种方法虽然通过不同的方式 对零序电流有功分量进行描述，但是在本质上是一样的。 利用零序电流有功分量选线可以利用幅值相对较大的零序基波电流，这是一个 优点，但不足之处在于如果线路及消弧线圈的电阻比较低，则零序电流的有功分量 较小，容易造成误选，此外，对于利用三相电流互感器并联获得零序电流的电网， 该方法受三相电流互感器不平衡电流的影响较大。 1 3 1 4 电流增量法 目前手动调谐的消弧线圈已经逐步被自动调谐消弧线圈所取代。自动调谐消弧 线圈自动跟踪测量电网的电容电流，正常情况下消弧线圈处于过补偿状态，发生接 地后自动调谐到全补偿状态，以减小接地点的故障电流。电流增量法利用调谐前后 6 华北电力大学硕士学位论文 零序电流的变化进行选线，首先记录消弧线圈调谐前后各条出线的零序电流，然后 比较各条出线零序电流的变化量，变化量最大的就是故障线路，目前自动调谐消弧 线圈大多数都采用这种选线方法 2 5 l ，。 1 3 1 5 首半波法 首半波原理是基于单相接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设的1 2 “， 此时故障相的电容电荷通过故障相线路向接地故障点放电，故障线路的分布电容和 分布电感具有衰减振荡特性，此时的暂态电容电流比暂态电感电流大得多，不论是 中性点不接地系统以及中性点经消弧线圈接地系统，故障发生瞬间的暂态过程近似 相同，利用发生接地故障后的第一个半周期内故障线路的零序暂态电流与正常线路 零序暂态电流极性相反即可实现故障选线。但当故障发生在相电压过零点附近时， 首半波电流的暂态分量值较小，易弓1 起极性误判。 1 3 1 6 小波法 中性点非有效接地系统发生单相接地故障时，故障电压和故障电流的暂态过程 持续时间较短并含有丰富的特征量，而稳态时数值较小，实践证明，接地电容电流 的暂态分量幅值为其稳态值的几倍到几十倍，并且暂态信号的频率较高。因此在接 地故障检测中选用一种适合分析其暂态分量的新理论，将有利于实现故障选线【3 2 1 。 小波法利用近年来新兴的小波变换理论，提取故障暂态信号的特征量进行故障 选线。小波分析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，对于非平稳信号具有比傅立叶变换更好的分析 效果。利用合适的小波和小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后，易看 出故障线路上暂态零序电流特征分量的幅值包络线要明显高于非故障线路，且其特 征分量的极性也与非故障线路相反，这样就能构造出利用暂态信号的选线判据。小 波法选线技术的难点在于小波基函数及小波分解尺度的选择，另外如果接地电阻过 大，暂态电流的高频分量过小时，易发生误判。 1 3 1 7 暂态信号与稳态信号选线方法的比较 虽然零序暂态信号的幅值比稳态信号大，信噪比高，但是通过对大量现场故障 录波数据的对比分析发现，利用零序暂态信号的首半波法和小波法应用效果并不十 分理想。原因在于，目前的选线装置都是利用零序电压的越限来启动选线程序，而 很多的单相接地故障都是渐进过程，故障的最初暂态过程发生一段时间后零序电压 才越限，这时记录的波形己不满足暂态信号选线的前提。另外只进行一次选线加大 了误选的可能性。 目前，大多数选线装罨采用了利用稳态数据进行选线的方法，效果要好于暂态 选线的方法。利用稳态数据选线的最大优点在于能够充分利用故障持续过程中的所 7 华北电力大学硕士学位论文 有故障信息进行连续选线，例如故障发生后每隔1 秒钟重复选线，即使发生少数几 次误选，但仍然可以保证故障线路的选中率最高：其缺点在于有用信号的含量可能 很低，导致信噪比过低发生而误选。针对这一缺点有两种改进途径，一种是设计更 好的滤波器来滤除噪声，另一种是利用软件的方法通过各种滤波算法( 例如 b u t t e r w o r t h 滤波、自适应滤波等) 进行消嗓处理，以最大限度的提高信噪比。 1 3 2 非零序分量的故障选线方法 除了利用零序分量的故障选线方法，很多文献提出了一些利用非零序分量进行 故障选线的方法，主要包括负序电流法和信号注入法。 1 3 2 1 负序电流法 单相接地后，故障点产生负序及零序电流，零序电流以所有线路为回路，而负 序电流仅以故障线路为回路，因此文献 3 4 提出了利用负序电流判断故障线路的故 障选线方法，但是负序电流受电网的不对称度和负荷特性的影响较大，而配电网的 不对称度通常很高，所以负序电流法容易发生误判。此外，在经过消弧线圈补偿的 电网中，负序电流的分布也发生了不利的变化，这些不利因素必然导致该方法在实 际应用中的困难。基于上述原因，目前尚没有利用该判据的成熟产品投入现场使用。 1 3 2 2 信号注入法 信号注入法突破了长期以来一直使用故障产生的信号进行选线的思路，不再利 用电网接地故障产生的信号，而是向电网注入外部信号进行单相接地故障选线。 般从电压互感器的二次侧注入电流信号，其频率一般取在各次谐波之间，从而保证 不被工频分量及高次谐波分量干扰【3 “。注入电流信号沿接地线路的接地相流动，并 经接地点入地，用信号探测装置对每一条出线进行检测，检测到注入信号的线路即 为故障线路。该方法的最大优点在于适用于线路上只安装两相电流互感器的电网， 避免了采用零序电流选线带来的各种问题，并且不受接地方式的限制。利用该选线 方法的选线装置大量投入运行，但效果不理想，这是因为该方法的缺点在于经高 阻接地时，注入信号微弱不易检测容易造成误判；弧光接地时谐波含量丰富，加 之电网中各种谐波干扰也大量存在，注入信号极易受到干扰。 1 3 3 零序分量与非零序分量选线方法的比较 通过上述对各种选线方法的原理分析可以发现，配电网发生单相接地故障的情 况复杂，每一种选线方法都有各自的适用条件，不能适用于所有的故障情况。从原 理上来说，虽然非零序分量的选线方法提出了解决选线问题的新原理、新方法，避 免了利用零序电流选线带来的种种问题并不受接地方式的限制，但是通过对选线方 8 华北电力人学硕士学位论文 法的原理比较以及对大量现场故障录波数据的分析可以看出，利用零序分量的故障 选线方法形式多样，原理简单，选线结果相对可靠，应用非常广泛。 1 4 问题的提出以及研究背景 在电力系统中，配电系统同电力用户的关系最密切，最直接。配电网量大面广， 担负着直接为广大用户供电的任务，随着社会经济的发展，人们对电力的需求同益 增长，同时对供电质量提出了更高的要求。因此，当发生故障后要能快速有效地检 出、切除、隔离故障，快速恢复供电，保障供电可靠性，以减少故障对供电的影响。 在我国l o k v 配电网中，当采用中性点经高阻接地方式时，其电网的规模一般 比较小，电容电流往往在1 0 a 以下，常见于工业、商业以及农网中的变电站，此种 电网发生单相接地故障时故障电流较小，电网线电压仍然对称，通常允许其维持运 行一段时问。但随着系统容量的增长，馈线增多，尤其是电缆线路的大量使用，导 致电网电容电流增大，长时间运行可能会发展成两相短路，也易诱发持续时间长、 影响面广的间歇性电弧过电压j ，从而损坏设备，破坏电网的安全运行，所以如果 能准确、可靠地进行故障选线，及时找到故障线路和发现绝缘隐患并将其予以排除， 就可从技术上保证电网的安全运行，提高供电可靠性，具有巨大的社会效益和经济 效益。 中性点非有效接地系统的单相接地故障选线是几十年来未能很好解决的一个 难题1 1 】， 2 7 m 引，通过上文对中性点非有效接地系统常见的故障选线方法的对比分析， 可以看出采用零序分量的故障选线方法由于其判据多样、原理简单、适用范围较广、 选线结果稳定可靠等原因得到了广泛应用，大多数成熟的选线产品正是采用零序分 量，配以不同的判据进行故障选线的。但是，长期以来i o k v 配电网在设备配置时， 为节省投资，许多变电站在每条出线仅安装两相电流互感器，装设零序电流互感器 或三相电流互感器电网的比例相对较小【2 “，这与常见的故障选线装置一般需要集中 测量、比较各出线的零序电流相矛盾和相冲突。因此为解决上述矛盾，必须对变电 站的出线电流互感器进行改造，使故障选线装置能够获取各条出线的零序电流信 号。因此，我们认为有必要对高电阻接地系统的零序电流的测量方法进行进一步的 分析研究，以期找出更为可靠有效、满足实际工程需要的测量方法。 对于电流互感器的仿真来说，由于其铁心的饱和特性，在建模过程中涉及到现 在数学上还无法解析计算的非线性微分方程组，因此在目前采用三相电流互感器组 成零序电流滤过器来进行零序电流的测量研究中，还没有做到精确的定量分析；如 何选择电流互感器的参数、在满足参数要求的前提下如何预测零序电流滤过器的性 能、零序电流滤过器在各种工况下对电网零序电流的测量准确度的研究等还是停留 在粗糙的定性分析阶段，主要依赖于实验室的试验模拟，从而存在着以下缺陷，一 9 华北电力大学硕士学位论文 是电流互感器相关参数的选择具有相当的盲目性，缺乏指导性；再者，由于试验条 件的制约，试验模拟的案例有限，造成实验室试验的结果具有很大的局限性。因此， 研究一个行之有效的三只电流互感器接成零序电流滤过器的建模方法显得十分必 要。目前得益于数值计算技术的发展，使得零序电流滤过器的数值仿真成为可能。 零序电流滤过器的数值仿真计算不仅可以实现参数选择阶段的参数控制，同时又提 供了一种相对科学准确的零序电流滤过器的分析工具，更为重要的是，解决了实验 室试验无法模拟现场实际运行条件的矛盾，也不失为试验研究的一个有益的补充。 受a t p e m t p ( 电磁暂态计算程序) 对电力系统数值仿真分析的启发，依据本 文对零序电流滤过器分析研究的实践，在本研究课题中选用a t p e m t p 对零序电流 的测量进行数值仿真计算。因为作为工程应用来说，a t p e m t p 和其他数值计算方法 相比，具有电力系统专业领域工程计算的特殊背景，得到了普遍承认和广泛应用， 并且具有易掌握、易操作和计算精度高的特点，从此不难判断a t p e m t p 应用于零 序电流测量的数值仿真可行性，这也是本文选用其作为数值仿真工具的初衷，因此 必须首先建立零序电流滤过器的a t p - e m t p 仿真计算模型。 1 5 论文的主要工作 本文的主要目的是将a t p e m t p 推广应用于零序电流测量的研究，实现a t p - - e m t p 对零序电流互感器的仿真建模。 本文的主要内容是通过对零序电流滤过器等值回路和原理的分析，研究a t p - - e m t p 用于零序电流滤过器建模时具体的完整解决方案，基于此，本论文主要开展了 以下工作： ( 1 ) 结合近几年国内外单相接地选线方法的研究成果和文献，阐述了l o k v 配电 网中性点接地方式的概况，分析了常见的故障选线方法的原理和适用范围， 为后文的研究奠定了理论应用基础。 ( 2 ) 针对目前许多l o k v 变电站的出线只装有2 相电流互感器的情况，提出了出 线电流互感器改造的具体实现方案，并着重分析了零序电流滤过器的等值 回路和误差产生原理。 ( 3 ) 在实验室中对零序电流滤过器进行了多项研究性试验，验证了零序电流滤 过器的可行性，并且研究了零序电流滤过器的相关特性，为零序电流互感 器的a t p e m t p 仿真建摸积累了具体的试验数据。 ( 4 ) 建立了零序电流滤过器的a t p - - e m t p 仿真计算模型，并利用该模型进行了 数值仿真计算，通过与实验室试验的结果进行对比，验证了上述所建立的 模型的正确性。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 第二章零序电流测量的原理分析 2 1 电流互感器的用途、分类和结构 2 1 1 电流互感器的用途 为保证电力系统的安全和经济运行，需要对电力系统及其中各个电力设备的相 关参数进行测量，以便对其进行必要的计量、监控和保护。电流互感器是将一次回 路的大电流成正比的变换为二次小电流，以便满足测量、数据采集和控制的需要， 是一次系统与二次设备之间的桥梁，同时也起着电气隔离的作用，对二次设备和操 作人员的安全起到保护作用。互感器在工业中的应用非常的广泛，凡是与电气测量 与控制有关的领域一般都要用到互感器，是电力系统使用最广泛的电器之一 3 ”。 电流互感器和变压器很相像，变压器接在线路上，主要用来改变线路的电压， 而电流互感器接在线路上，主要用来改变线路的电流，所以电流互感器从前也叫变 流器。后来，把直流变成交流电的仪器设备，叫做变流器；而把改变线路上电流大 小的电器，根据它通过互感的工作原理，叫做电流互感器。变压器和互感器的工作 原理大致相同，不同之处在于变压器转换电压或电流的目的在于传递电能，而互感 器转换线路电压或电流的目的在于测量或监视线路的电压或电流，即获取信号。电 流互感器与电压互感器分别作为电气测量、控制和保护回路中的交流电流源与交流 电噩源，二者的工作原理与变压器相同，特殊之处在于，电流互感器串联在电力回 路中，负载阻抗很小，运行条件相当于变压器短路，电压互感器并联在电力回路中， 负载阻抗很大，运行条件相当于变压器空载p ”。 2 1 2 电流互感器的分类 电流互感器按其用途和性能特点可以分为两大类：一类是工业用互感器，另一 类是仪用互感器。工业用电流互感器是发电厂、变电所等供电、输电系统中不可缺 少的一种电器，长期安装在线路上运行，一般只有一个电流比，工业用电流互感器 又可以分为测量用和保护用两种。测量用互感器主要与测量仪表配合，在线路正常 工作状态下，测量线路上的电流、电压、功率、电能等，用于运行状态监测、记录 和电能计量等用途。保护用互感器则与继电器配合，当线路非正常运行和故障状态 下，将相应电路的电流变换供给继电保护装置和其他类似电器，起动有关设备清除 故障，以保护线路中的贵重设备，如发电机和变压器等，并实现故障监视和故障记 录等功能。仪用互感器是在实验室内使用的一种电工仪器，它是准确度较高的测量 1 1 华北电力火学硕士学位论文 用互感器，也叫精密互感器，一般具有多个变比，主要用来扩大电流仪表的量限， 又叫扩大量限装置。它还可以作为标准电流互感器，用于检定准确度较低的电流互 感器【36 1 。 2 1 3 电流互感器的结构 电流互感器的基本结构主要由一次线圈，二次线圈和铁心构成，一次线圈、二 次线圈和铁心之间都有绝缘。最简单的电流互感器，有一个一次线圈，一个二次线 圈和一个铁心f 37 1 ，这样的电流互感器往往只有一个电流比。 为了提高电流互感器的准确度，一般都对电流互感器的误差进行补偿。这样除 了上述一次、二次线圈和铁心之外，还有另外绕制辅助线圈或者辅助铁心。 l o k v 以上的高压电流互感器，为了使用上的方便，经常把几个独立的互感器铁 心线圈，通过一个公用的次线圈，制成多次级的电流互感器。这样，一台电流互 感器就相当于两台或者三台互感器，两个或三个次级可以分别用于测量或保护回 路。 o 2 级以上精密电流互感器，一般都是做成多电流比的 4 0 】， 4 h ， 4 2 l 1 4 3 1 ，即一台互 感器有许多电流比，供使用时根据实际需要选择，多电流比互感器的一次线圈或二 次线圈一般都做成中间抽头式的，如果一次( 或二次) 线圈不变，相应于二次( 或一 次) 的每一个抽头线圈，就得到一种电流比，这样一次和二次线圈相组合，就可以 得到许多组电流比。 2 2 电流互感器的误差分析 2 2 1 电流互感器的工作原理 电流互感器的工作原理：当一次绕组流过一次电流，一时，互感器的铁心中要产 生与，相同频率的交变磁通稿，磁通稿交链一次绕组和二次绕组，如图2 1 所示。 当磁通识穿过二次绕组的线匝时，由于磁通本身的变化，会在二次绕组中感应出电 势，如果二次绕组经过负载形成二次回路，那么在此感应电势作用下，二次回路中 就有电流流过1 3 ”。根据楞次定律，这个电流的方向和一次电流的方向相反，此电流 在铁心中产生的交变磁通欢也和磁通识的方向相反，起到了削弱一次电流产生的磁 通的作用。 由于交变磁通识和识叠加的结果，铁心中的合成磁通唬= 缟+ 唬，唬的大小 仅为磁通破的百分之几，具体数值由电流互感器铁心的材料、结构以及互感器的运 行工况所决定。合成磁链蔬同时交链一次绕组和二次绕组线匝，由于本身的变化将 会在一次绕组中感应出反电势臣，在二次绕组中感应出电势e 。在电势e 的作用下， 1 2 华北电力大学硕士学位论文 流过二次绕组的电流称为二次电流。当忽略漏磁通的影响时，一次和二次绕组交链 的铁心磁通几乎相同，因此一次绕组感应的反电势e 和二次绕组感应的电势e 2 的大 小相等，方向相同。 、 瓯 轳z i t 烈广 厂 ， 图2 - 1 电流互感器的原理图 2 2 。2 电流互感器的等值电路及相量图 电流互感器的等值电路可用t 型等值电路表示，如图2 2 所示，图中二次侧的 电参数已经折合到次侧( 下同) 。 厶 图2 - 2 电流互感器的t 型等值电路 二次回路阻抗的压降全部由二次线圈的感应电势提供，即： 巨= 玩+ t 乏= t 乏+ 乏= t ( 乏+ 乏) = t 乏： 励磁电流 1 3 x l 华北电力大学硕士学位论文 五= 专 上式中，z 卅为铁心的等值阻抗，即铁心的励磁阻抗。 一次和二次电流的相量和就是励磁电流 + = 厶式( 2 - 3 ) 对一次回路： u = z 1 一置式( 2 - 4 ) 为了直观的看出相量之间的关系，根据上面的等值电路可以得出电流互感器相 量图如下： 最 + 口 图2 - 3电流互感器的相量图 其中，口一电流互感器二次回路总阻抗z 0 2 的阻抗角 伊一电流互感器铁心的损耗角； 九一电流互感器铁心励磁阻抗乙的阻抗角。 2 2 3 电流互感器的误差 2 2 3 1 电流互感器的误差 如果电流互感器为理想变压器，即互感器的铁心既不消耗有功功率也不消耗无 功功率励磁，那么一次绕组和二次绕组中的视在功率