（电气工程专业论文）小电流接地故障选线装置的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 配电网中性点采用小电流接地方式有着一系列的优点，所以被很多国家配电 系统采用。但是由于小电流接地电网单相接地时故障电流非常小，单相接地保护 问题一直没有很好的解决。事实上采用常规继电保护装置根本无法检出故障线 路，故障选线必须采用专用选线装置。这种专用装置8 0 年代就已经在我国诞生， 但由于选线问题的复杂性，这些装置选线正确率非常低，以至于还得采用手动拉 路的办法选线。 本文针对小电流接地系统存在的选线问题，详细分析小电流接地系统发生单 相接地故障时的故障特征，推导出小电流系统单相接地故障的故障规律和故障信 号的表现形式，并简要概述了配电网中性点各种接地方式的优劣，系统归纳了现 有的各种选线原理和方案的特点，提出了尚需解决的问题，并给出了分析的结论。 通过总结前人经验，本文最终设计采用了种针对暂态量算法的新型选线装置。 该装置基于工控机方式搭建，很好的满足了暂态算法对硬件的特殊要求，实验表 明本装置具有很好的应用价值。 论文针对小波基的选取、分解尺度的确定、小波变换的边界处理、小波消噪 等几个与算法密切相关的技术问题进行了详细的论述，并就提高选线装置可靠 性、准确性提出了一些工程技术处理手段，使用了模块化设计的程序编制思路， 为程序的调试、链接、移植、修改提供了便利，使得软件结构清晰、简捷、流程 合理。该装置的软件功能包括：实时检测、故障选相、故障选线、故障录波、故 障报警，能够满足现场实际运行的要求。 此外本装置适用于所有小电流接地系统，包括只装设两相c t 的小电流接地 系统，克服了以往提出的多数选线方法在系统只装设两相c t 的情况下失效的不 足。 关键词：配电网，小电流接地系统，故障选线，暂态算法，小波变换 重庆大学硕十学位论文英文摘要 a b s t r a c t b e c a u s eo fas e r i e so fa d v a n t a g e ，t h e r ea r eal o tn a t i o n a lp o w e rd i s t r i b u t i o n n e t w o r kw i t hn e u t r a l p o i n tg r o u n d i n g b u tt h ef a u l tc u r r e n ti ns i n g l e p h a s eg r o u n d i n g i ss os m a l lt h a ti ti sv e r yh a r dt od e t e c t s i n g l e p h a s eg r o u n d i n g p r o t e c tp r o b l e m h a v e n o v e r ye f f e c t u a ls o l u t i o na sy e t ，i nf a c tw i t h c o n v e n t i o n a lr e l a yp r o t e c t i o nw ec a nn o t f o u n do u tt h ef a u l tl i n ea ta l l ，t h es p e c i a lf a u l tl i n es e l e c t i o nd e v i c em u s tb eu s e di nt h e p o w e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h i sk i n do fd e v i c ef o rs p e c i a lp u r p o s eh a sb e e nu s e di n 8 0d e c a d ei no u rc o u n t r y , b u tb e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ff a u l tl i n es e l e c t i o nt h e c o r r e c ta c t i v i t yr a t eo ft h e s ed e v i c ei ss ol o w v e r ym u c ht h a tw e h a v et os e l e c tl i n e w i t ht h em e t h o dt h a tc u t o f fs u p p l yo n e b y o n e a c c o r d i n gt o f a u l tl i n es e l e c t i o n p r o b l e mo fs m a l lc u r r e n tg r o u n d i n gp o w e r s y s t e m ，p a p e ra n a l y s e sf a u l tf e a t u r eo fs i n g l e - p h a s eg r o u n d i n gi nd e t a i la n de d u c et h e e x p r e s s i o no fs i n g l e p h a s eg r o u n d i n gf a u l tc u r r e n t ，b e s i d e sp a p e rg i v e sag e n e r a l o v e r v i e wo f v a r i o u sn e u t r a lg r o u n d i n gm o d e s s o m e e x i s t i n gt h e o r i e sa n ds c h e m e s o n t h ef a u l t l i n es e l e c t i o nh a v eb e e ns u m m a r i z e d s y s t e m a t i c a l l y t h e n ，i tp r e s e n t s p r o b l e m s ，w h i c h s h o u l db e s o l v e d ，a n dc o n c l u s i o n s h a v eb e e nm a d e a f t e r s u m m a r i z i n go t h e rp e o p l e se x p e r i e n c e ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dan e wd e s i g no f f a u l t1 i n es e l e c t i o nt h a tf o c u so nt r a n s i e n ta r i t h m e t i c t h i sd e v i c em a k e si t p e r f e c t l y m e e tt h es p e c i a l r e q u i r e m e n t so nh a r d w a r et h a tt r a n s i e n ta r i t h m e t i cr e q u i r e s t h e d e v i c ei sa p p r o v e dt ob eo f h i g h p r a c t i c a lv a l u eb ye x p e r i m e n t s s o m ei s s u e sa s s o c i a t e dw i t ht h ea l g o r i t h ms u c ha sw a v e l e tf u n c t i o ns e l e c t i o n ， a n a l y s i sl e v e l ，a n db o u n d a r yt r e a t m e n ta n ds of o r t hh a v eb e e nd i s c u s s e d d u r i n gt h e r e s e a r c ho fh o wt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n da c c u r a c yo f d e v i c e ，p a p e rp u t sf o r w a r d s o m ep r o j e c tt e c h n o l o g y m o d u l a r i z e dp r o g r a mi s e a s yt od e b u g ，l i n ka n dm o d i f i e d ， s o p r o g r a mi s d i v i d e di n t o m a n yp a r t a n dd e b u g g e d s e p a r a t e l y a s ar e s u l tt h e s t r u c t u r eo fs o f t w a r ei sd i s t i n c t ，s i m p l e ，r e a s o n a b l e e v e n t u a l l y , w em a k ed e v i c er e a l i z em a n yf u n c t i o ns u c ha sl e a lt i m ed e t e c t i o n ， f a u l tp h a s es e l e c t i o n ，f a u l tl i n es e l e c t i o n ，f a u l tr e c o r d i n g ，d e v i c es a t i s f i e st h ep r a c t i c a l r e q u i r e m e n t b e s i d e s ，d e v i c ei sa p p l i c a b l ef o rs u c hp o w e rs y s t e ma so n l yf u r n i s h e d w i t hc to nt w o p h a s e s ，s ot h es h o r t c o m i n go f o t h e rm e t h o d s p r e s e n t e d i nr e c e n ty e a r s i so v e r c o m e k e y w o r d ：p o w e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，s m a l lc u r r e n tg r o u n d i n g p o w e rs y s t e m ， f a u l tl i n es e l e c t i o n ，t r a n s i e n ta r i t h m e t i c ，w a v e l e tt r a n s f o r m i i 重庆大学硕士学位论文i 绪论 1绪论 1 1 问题的提出及研究意义 在我国6 6 6 k v 配电网中，广泛采用中性点不接地或经消弧线圈接地( 谐振接 地) 的运行方式，即为小电流接地系统。采用小电流接地方式可提高供电可靠性， 所以被很多国家配电系统采用。但由于小电流接地电网单相接地时故障电流非常 小，加之配电网结构复杂，运行方式多变，使配电网的故障选线受到很多的限制， 这就给故障选线保护造成困难，采用常规继电保护装置根本无法准确检出故障线 路。 。j 由于我国以前对配电网不太重视，投资较少，使配电线路所能采集到的信息 量非常少，只能采用重合器和分段器相互配合的方式实现故障区段的自动隔离和 恢复供电。随着国家投资力度的增加和对供电质量要求的提高，这种配合方式显 然己不能满足要求；加之配电网结构复杂，运行方式多变，使配电网的故障选线 受到更多的限制，现有的一些故障选线方法因此都存在着一定的不足之处。 此外随着系统容量的增长，馈线的增多，尤其是电缆线路的大量使用，导致 系统电容电流增大，长时间单相故障运行可能会发展成两相短路，也易诱发持续 时间长、影响面广的间歇电弧过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行。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，从技术上保证电网的安全运行，提高供电可靠性就显得尤为重要。“3 另外，现有的一些选线方法，一般需集中测量、比较各出线的零序电流，在 我国，配电网中装设零序c t 或三相c t 的系统比例较小。从而，对于在配电网中 占大多数的仅装两相c t 的小电流接地系统，至今仍没有理想的选线方法。 综上所述，如能根据配电网故障特点，建立较完善的电路模型，利用微机灵 敏度高、计算速度快和分析判断能力强的特点实现配电网的故障选线，将具有重 要的学术意义和现实意义。 1 2 寻求故障选线新方案 小电流接地电网选线之所以困难，主要原因是单相接地时故障电流为线路对 地电容电流和电感电流，数值非常小，在故障前后的变化量非常微弱，此外单相 接地故障状况复杂，不同系统在馈线长度、中性点接地方式等方面都有较大差异， 而且系统运行方式多变，要求选线装置有较高的灵活性和适应性。而现有的多数 选线方法都是基于故障后稳态的基波或谐波信号进行分析，导致选线装置在实际 运行中选线精度较低。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 事实上，小电流接地系统发生单相接地故障时，故障电压和电流的暂态过程 含有丰富的故障信息。实践表明，接地电容电流的暂态分量幅值为其稳念值的几 倍到十几倍，暂态信号频率较高，消弧线圈的作用可以忽略。所以，若能提取暂 态信号中的特征分量则有望显著提高选线精度。以往的选线方案以及传统的保护 装置中之所以不考虑这些暂态信号而仅仅处理稳态的基波或谐波，究其原因，一 方面是由于这种暂态信号持续时间往往比较短，频率又很高，传统的信号采集设 备由于检测元件的精度和灵敏度等问题多数无法得到可靠的数据：另一方面则在 于，即使能够完整地获得暂态信号，也缺乏一种有效地数据处理手段。1 3 随着现代微电子技术的发展，使得线路中暂态信息的实时检测成为可能：在 傅立叶变换基础上发展起来的小波分析方法在分析非平稳、时变信号领域具有明 显优势，是提取信号暂态特征的一种有效方法。 传统的电力系统信号分析工具对稳态信号的分析是有效的，如f f t 、k a l m a n 滤波、最小二乘滤波和f i r 滤波等。然而，这些方法不适用于处理非平稳、突变 信号。 例如应用傅立叶变换分别对下列两个信号频率成分进行分析，采样频率为 1 0 0 0 h z 。 s = s i n ( 2 ，r 5 0 f ) + s i n ( 2 7 r 2 0 0 t ) ： 。一s i n ( 2 ，r 5 0 r ) r 0 2 s d 2 一s i n ( 2 石2 0 0 nr o 2 j 5 原始信号s l 、s 2 及其频谱图如图1 1 所示。从图中可以明显得看出信号的频 率特性，但是由于傅立叶变换是将信号变换成纯频域中的信号，不具有时间分辨 的能力，所以，根本无法检测出信号在时域中的突变点。 功1 0 童 谱5 密 度0匪罡庄| | 1 i 臣罡匹 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 小波分析作为一种新型的时频分析工具，它从原理上克服了傅立叶变换不能 对信号同时进行时频局部化分析的缺点，它能给信号加上了一个时频可变的窗口， 其变化的形式是根据频率自动调节窗口大小，以确保捕捉到信号中希望得到的有 用成份。小波分析在时域、频域同时具有良好的局部化性质，使得它比傅立叶分析 及短时傅立叶分析更为精确可靠，并使得具有奇异性、瞬时性的故障信号检测也变 得更加准确。小波理论在电力系统中应用的一个突出的领域，就是微机保护中的应 用。这主要是因为微机保护集成了数字滤波、快速算法、以及故障检测与诊断等 各个方面。因此，小波理论在电力系统中的应用研究，在微机保护中得到了最充分 最完美的体现。小波变换有对故障信号奇异性进行检测的能力，这对提高轻微故障 时的保护起动能力和灵敏度，是极为有利的。此外，小波变换能有效地克服微机保 护的傅立叶算法中所出现的衰减直流分量、噪声、频率波动和非整数次谐波的影 响，并能充分利用信号的暂态信息，以提高保护的灵敏度等。【4 】 因此，我们可以考虑把小波分析应用n 4 , 电流系统单相接地故障暂态信号的 处理上，充分利用信号中包含的故障信息，同时综合考虑已有的各种方法，从而 期望得到一种更为可靠有效的选线方案，并针对相应的选线算法建立起一套可靠 性高的选线装置，解决传统选线装置存在的不足之处。 l - 3 论文的主要内容 首先，论述了电力系统中性点接地方式的种类和发展情况，重点介绍了小电 流接地方式下各种接线的优缺点，简单分析了小电流接地方式单相故障机理，介 绍了现有故障选线方法的选线原理和应用情况，为进一步研究选线原理和丌发选 线装置提供了理论基础。 其次，结合近几年国内外小波分析理论及其在电力系统暂态信号分析领域的 研究成果和文献，系统地研究了利用小波分析的时频局部化特性、信噪分离技术 和信号特征提取等实用技术对故障暂态信号进行处理，确立应用小波变换处理故 障暂念信息实现小电流接地系统故障选线的新方案。 第三，论述了研制基于工控机方式的小电流故障选线装置所需的工作： 1 ) 装置的硬件电路整体方案的设计，详细介绍了装置4 个主要模块的搭建及 采用的几种硬件技术手段； 2 ) 采用中断方式和模块化设计思路相结合的软件系统整体设计方案，简单介 绍了中断服务程序等一些子程序的具体设计流程； 3 ) 此外，论文还探讨了选线装置的可靠性问题，针对变电站特殊的电磁场环 境，研究了微机装置的软件、硬件的抗干扰问题，并提出了改善微机装置 可靠性问题的若干措施。 重庆大学硕十学位论文2 小电流接地系统及其故障选线问题 2 小电流接地系统及其故障选线问题 为了寻求一套合理有效的故障选线新方案，本章全面介绍了现阶段我国配电 网系统中性点接地方式，深入分析了小电流系统发生故障时的故障特征，详细讨 论了迄今为止提出的一些故障选线方法的原理及其在实际应用中存在的问题与不 足，并在此基础上提出了针对仅装两相c t 的小电流接地系统的选线算法。 2 1 引言 在国内外配电系统中，中性点接地方式主要有直接接地、电抗接地、低阻接 地、高阻接地、谐振接地( 又称消弧线圈接地) 和不接地等几种。其中，前三种称为 大电流接地系统，后三种称为小电流接地系统。 大电流接地系统当其发生单相接地故障时，由于采用中性点有效接地方式， 存在短路回路，所以接地相电流很大；为了防止损坏设备，必须迅速切除接地相 甚至三相，因而供电可靠性低；但由于故障时不会发生非接地相对地电压升高的 问题，对于系统的绝缘性能要求也相应降低。 小电流接地系统由于其中性点非有效接地，当系统发生单相短路接地时，故 障点不会产生大的短路电流，因而系统允许短时间带故障运行；但当系统带故障 运行时，非故障相对地电压将升高，容易引起各种过电压，危及系统绝缘，严重 时会导致单相瞬时性接地故障发展成单相永久接地故障或两相故障。 对于1 1 0 k v 以上的高压、超高压和特高压电力系统，绝缘费用在设备总价中 占相当大比重，必须考虑限制工频电压升高和瞬时过电压，所以般采用中性点 有效接地方式，而对于1 0 0 k v 以下的中低压电力系统，接地故障电流成为系统故 障主要解决的主要问题，所以中低压网一般都采用小电流接地方式。由于历史原 因和具体条件迥异，究竟采用那种接地方式各个国家的处理方式不尽相同。美国、 英国以直接接地和小电阻接地为主；德国一般都采用谐振接地方式；前苏联、日 本多采用不接地或经消弧线圈接地方式：法国过去是小电阻接地，近年来逐步朝 谐振接地方向发展。对于我国1 0 6 6 k v 系统，中性点逐步改造为采用不接地或经 消弧线圈接地两种方式。在8 0 年代中后期，有些城市和地区配电网的中性点采用 了经低电阻接地方式，近年来各种不同形式的自动跟踪补偿的消弧线圈开始在配 电系统中运行。i t , s 实践表明，单相接地故障是配电网的主要故障形式，据初步估计约占系统故 障的7 0 以上。单相接地电流过大，造成故障处绝缘严重破坏，常常发展为两相 或三相短路，引发停电事故，严重影响了配电网的安全运行，给国家造成大量的 重庆大学硕士学位论文2 小电流接地系统及其故障选线问题 经济损失，因此研究小电流接地系统单相接地故障的检测方法具有较强的实用意 义。 2 2 小电流接地系统不同接地方式的比较旧6 ， 2 2 1 中性点不接地 中性点不接地系统，实现起来简单，不需要在中性点接任何装置。发生单相 接地故障时，其接地电流很小，而且不会破坏系统的对称性，故一般允许其带故 障继续运行1 2 小时。由于单相接地时故障点电流很小，跨步电压和接触电压都 较低，使人身伤亡显著降低，邻近通信线路干扰较小。但它存在较严重的缺点： 1 ) 发生间歇电弧接地时，会产生高幅值过电压； 2 ) 在单相接地的暂态过程中，会产生较大的过电流。 中性点不接地系统发生单相接地时的特点为： 1 ) 中性点不接地系统发生单相接地后，故障相对地电压为零，非故障相对地电 压为电网线电压。整个系统将出现零序电压，零序电压由。上升至电网正常工作 时的相电压，电网中各处的零序电压基本相等，线电压仍然保持对称： 2 ) 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 等于本线路对地电容电流，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 度；故障线路 零序电流的相位滞后零序电压9 0 度：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 度。 中性点不接地电网中单相接地的电流为电容电流，对于规模不大的3 3 5 k v 电网，该电流只有几个安培，单相接地实际并不影响向用户供电，因为线电压三 角形没有改变，从减少跳闸次数保证连续供电来看，采用中性点不接地方式是合 理的。 2 2 2 中性点经消弧线圈接地 对于出线较多，线路长度较长，或者包含大量电缆线路的系统，当其电容电 流超过一定数值时，单相接地故障时电弧不易熄灭，这时应采用中性点经消弧线 圈接地的方式运行。消弧线圈是一个装设于配电网中性点的可调电感线圈，当发 生单相接地时，可形成与接地电流大小接近但方向相反的感性电流以补偿容性电 流，从而使接地处的电流变得很小或接近于零。 中性点经消弧线圈接地故障时，整个系统也出现数值为电网正常运行时的相 电压的零序电压，并且故障线路和非故障线路上均会出现零序电流，非故障线路 的零序电流在数值上等于自身线路对地电容电流，方向由母线流向线路，故障线 重庆大学硕士学位论文2 小电流接地系统及其故障选线问题 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，如果线路零序电流谐波分量方向均流向母线，则为母线接地。 由于接地点残流很小，故很难检测出故障线路。 中性点经消弧线圈接地的系统，其消弧线圈通常安装于各枢纽变电所内，接 在零序电抗小、零序漏磁通小的变压器中性点上或接地变压器中性点上且消弧线 圈处于过补偿状态，使得故障时电弧重燃的次数大为减少，从而使高幅值的过电 压出现的概率减小。 2 2 3 中性点经电阻接地 中性点经电阻接地分为高电阻接地、中电阻接地、低电阻接地等三种方式。 中性点电阻的值，从不同角度考虑差别很大，可归纳为三种取值原则：( 1 ) 限制间 歇电弧接地过电压；( 2 ) 限制单相接地电流使其小于三相短路电流；( 3 ) 限制通信干 扰。此种接地方式的优缺点是： 1 ) 可以降低单相接地时非故障相的过电压以及抑制弧光接地过电压，对设备 绝缘等级要求较低，其耐压水平可以按相电压来选择； 2 ) 接地时，由于流过故障线路的电流较大，可以比较容易地检出故障线路； 3 ) 有利于消除谐振过电压和断线过电压，避免使单相接地发展为相间故障； 4 ) 当发生单相接地故障时，无论是永久性的还是非永久性的，均作用于跳闸， 使线路的跳闸次数大大增加，降低了供电可靠性。 2 2 4 接地方式的选择原则| 1 】 我国电网不同电压等级通常采用不同的接地方式： 1 ) 3 0 0 k v 及以上( 超高压) ：中性点采用有效接地方式。( 该系统零序阻抗与 正序阻抗的比值不大于3 ：零序电阻与j 下序电阻的比值不大于1 。) 2 ) l l o k v 及2 2 0 k v ( 高压) ：中性点通常采用有效接地方式，部分变压器中性 点可采用不接地方式。 3 ) 36 6 k v ( 中压) ：中性点通常采用不按地方式或谐振接地方式；进入8 0 年代以来，在少数城网和若干工矿企业开始采用低阻抗或高阻抗接地。根 据国家标准( g b 5 0 0 7 0 - - 9 4 ) 规定，当单相接地电容电流小于1 0 a 时，宜 采用电源中性点不接地方式；大于1 0 a 时应采取限制措施。具体规定如 下： 口3 1 0 k v 不直接连接发电机的系统和3 5 k v 、6 6 k v 系统当单相接地故障 电容电流不超过规定数值时，应采用不接地方式；超过规定数值又需要在接 地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式； 口3 1 0 k v 具有发电机的系统，发电机内部发生单相故障不要求瞬时切除 重庆大学硕士学位论文2 小电流接地系统及其故障选线问题 时，如果故障电容电流不大于规定值，应采用不接地方式；大于该允许值 应采用消弧线圈接地方式； 口电压为6 3 5 k v 且主要由电缆线路构成的送、配电系统，在单相接地故 障电容电流较大时，可采用低电阻接地方式； 口6 k v 和1 0 k v 配电网系统以及单相接地故障电流较小的发电厂厂用电系 统，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。 2 3 小电流接地系统故障分析 当前所提出的故障选线方法大部分都是以故障后稳态零序电流为特征量进行 分析的，为了比较当前故障选线方法的优劣，在此基础上加以改进和完善，研究 更加可靠、有效的选线方法，在此，对小电流接地系统单相接地故障电流特性加 以简单的分析。小电流接地系统单相接地时电流分布如图2 】所示。这里我们主要 针对在我国比较普遍的小电流接地系统即不接地系统和经消弧线圈接地系统展丌 讨论，当开关k 打开时对应中性点不接地系统；k 闭合时对应经消弧线圈接地系 统。【6 】 - il j 糕 - illl 一抖j = 池 7 专_ ：r - 卉z ) - r ；i 一电感电流分布一电摩电流分布_ + 率序电流分布 图2 1 小电流接地系统单相接地 f i g u r e 2 1s i n g l e - p h a s e t o - e a r t hf a u l tf o r s m a l lc u l t e n tg r o u n d i n gp o w e r s y s t e m 小电流接地系统发生单相接地故障时，全系统都将出现与接地相接地前电压 反向的零序电压，据此，可以实现故障选线元件的可靠启动。 对于小电流接地系统，故障分量由接地故障点经各条线路对地电容构成回路。 重庆大学硕士学位论文2 小电流接地系统及其故障选线问题 由于线路分布电感、电容的存在，在故障暂态分量中含有多种频率成分。对于中 性点不接地电网，故障点会有衰减很快的暂态电容电流流过，对于谐振接地电网， 还含有衰减很慢的暂态电感电流。故障电压和电流的暂态过程含有丰富的故障信 息，只要能够获得过渡过程中的特征量，即可望提高选线精度。 在暂态过程中，可以利用图2 2 所示的等效网络对电容电流分量进行估算。1 5 1 例2 2 分析过渡过程的等效网络 f i g u r e2 2e q u i v a l e n tn e t w o r k f o rt r a n s i e n tp r o c e s s 图2 2 中表示了网络的分布参数r ，三、c ，以及消弧线圈的集中电感三，在 分析电容电流的暂态特性时，因其自由震荡频率一般较高，考虑到， 三，因此， 实际上n 和k 不影响电容电流分量的计算，因而可以忽略。决定回路自由振荡衰 减的电阻r ，包括导线的电阻、大地的电阻以及故障点的过渡电阻。 在忽略，和。以后，对暂态电容电流的分析实际上就是一个r 、三、c 串联回 路突然接通u ( t ) = c ，中。c o s a , , t 时的过渡过程的分析。此时流经故障点电流的变化形 式主要决定于网络参数r 、三、c 的关系。 r = 厂 设z 。= 2 ，钐，则： 。 v o 当r z 。时， 电流经非周期衰减而趋于稳念值。 通常架空线路的波阻抗为2 5 0 5 0 0 q ，同时，故障点的接地电阻一般较小， 弧道电阻又常可忽略不计，一般都满足r z 。的条件，因此，故障点的电流具有 周期性的振荡形式，根据分析和测量的结果，自由振荡频率一般在3 0 0 1 5 0 0 h z 的 范围内。对于电缆线路，l 很小而c 很大，因此，其过渡过程与架空线路相比， 所经历的时间极为短促且具有较高的自由振荡频率，一般在1 5 0 0 3 0 0 0 h z 之间。 线路越长时，自振频率越低，暂念电容电流的自由振荡分量的幅值也会降低。下 斗糕 重庆大学硕士学位论文2 小电流接地系统及其故障选线问题 面对暂态故障电容电流和电感电流变化的特性分别进行分析。 2 3 1 暂态电容电流 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， 暂态电容电流较暂态电感电流大很多：此外，暂态信号频率较高，消弧线圈的作 用可以忽略。所以，其暂态过程中的特点与中性点不接地系统基本相同 可以将暂态电容电流看成是以下两电流之和： 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兹，振荡频率主要决定于电网中 线路的参数( rj 曰上的数值) 、故障点的位置以及过渡电阻的数值； 2 ) e h 非故障相电压突然升高而引起的充电电容电流，由于整个流通回路的电感 较大，因此，充电电流衰减较慢，振荡频率也较低，仅数百赫兹。 根据图2 2 可知，当开关合闸后，有下列方程式： r i 。+ 上堕十一1 i f l t ：u m 。s i n ( c o t + 6 p ) (21)dtc m一 0 是电容电流，它是有暂态自由振荡分量i c 。和稳态工频分量f ( 。两部分组成： u 。是相电压的幅值：伊是相电压的初相角。利用t = o 时，t 。+ i ，= o 这一初始 条件和i c ：m = u 。倒c 的关系，经过拉氏变换等运算得： t 、= 。+ t 。，= ，。 ( 警s i n ps i n c o t - c o s 。p c o s c o t e 一+ c 。s c 吐”+ 妒， c z z ， 其中( - o f 为暂态自由振荡分量的角频率；占= 圭= 瓦r ，为自由振荡分量的衰减 系数，其中r ，为回路的时间常数。若系统的运行方式不变，则。为一常数，自由 振荡的速度随f c 的增大而减缓。由2 2 式可以知道自由振荡分量。中含有正弦和 余弦两个因子，故理论上说在相角为任意值时，均会产生自由振荡分量。当舻= o 时其值最小，当p = 石，2 时其值最大。此时，当故障相电压峰值接地时，电容电流 自由振荡分量的振幅出现最大值i c ，时间为f = l 4 ( 0 = 2 r e c o ，为自由振荡 的周期) 其值为： 重庆大学硕士学位论文2 小电流接地系统及其故障选线问题 f一，生，一瓦 中o g m 戡一1 c m ( 2 3 ) 由2 3 式可知，暂态自由振荡电流分量的最大值。与暂态自由振荡分量的 角频率0 9 ，和工频角频率甜之比成正比。即最大电流和稳态电流之比，近似等于共 振频率与工频频率之比，它可能较稳态值大几倍到几十倍。 当故障相电压在零值( 妒= o ) 接地时，暂态自由振荡电流的幅值最小，并在 ，= 0 2 时出现，该自由振荡电流分量的最小值t 。为： 一生 f ( 1 = 1 c m e “。( 2 4 ) 由2 4 式可知此时暂态电容电流的自由振荡分量，恰好与工频电容电流的幅值 相等，因此，若在舻= 0 时发生单相接地故障，就不会产生暂态电容电流分量。电 网的结构、大小和运行方式不同时，会引起暂态过程的改变。配电网的自振频率 范围一般在3 0 0 3 0 0 0 h z 。线路越长时，自振频率越低，暂态电容电流的自由振荡 分量的幅值也会降低，同时，自由振荡的持续时间一般也会减少至半个工频周期 左右，因为电网的自振频率一般较高，而且衰减较快，所以最大电流存在时间就 十分短暂。 2 - 3 2 暂态电感电流 根据非线性电路的基本理论，暂态过程中的铁芯磁通与铁芯不饱和时的方程 式相同，因此只要求出暂态过程中消弧线圈的铁芯磁通表达式，消弧线圈的电感 电流便迎刃而解。根据等效电路图不难写出下列方程式： u s i n ( 耐+ 妒) = 屹屯+ 皇兰量 ( 2 5 ) “l 式中：缈，为消弧线圈铁芯中的磁链。 因为在补偿电流的工作范围内，消弧线圈的磁化曲线应保持线性关系，故 t = 毕，并且我们假设三相的对地电容彼此相等，故在接地故障开始之前，消弧 l 线圈中没有电流通过，即凯为零，利用这一初始条件，同时将屯之值代入2 5 式， 便可得到磁链，的方程式： ，匹 y = 甲。等 c o s ( 妒+ 善) p v “一c o s ( ”+ 伊+ 掌) 】 ( 2 6 ) 二 式中：l = 竺争为稳定状态时的磁通；孝= t g 一1 导为补偿电流的相角； 1 0 重庆人学硕士学位论文2小电流接地系统及其故障选