（电力系统及其自动化专业论文）配电网单相接地故障检测方法的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位沦文配电网单相接地故障检测方法的研 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 自习葡f 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谓f 意。 学位论文作者签名：象扭蕴 f j 期： 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：醯翮签名：壅丝勇 日期：塑1 6 ：! ：!日期：丝! ：! ： 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 小电流系统单相接地故障选线问题概述 电力系统的中性点接地方式，基本上可以以划分为两大类：凡是需要断路器遮 断单相接地故障的，属于大电流接地方式：凡是单相接地电弧能够瞬问自行熄灭的， 属于小电流接地方式。大电流接地方式，主要有：中性点有效接地方式；中性点全 接地力式；中性点经低电抗、中电阻和低电阻接地方式等。小电流接地方式，主要 有：中性点谐振接地方式；中性点不接地方式；中性点经高电阻接地方式等。 中性点全接地方式广泛适用于国内外3 3 0 k v 以上电压等级的超高压、特高压电 力系统。中性点有效接地方式用于我国1 1 0 k v 、2 2 0 k v ，有时也在3 3 0 k v 系统应用。 小电流接地方式广泛适用于国内的1 1 0 k v 以下的中压系统，在中压系统中，还有中 性点经低电抗、中电阻和低电阻等接地方式，这些均属于大电流接地范畴。 在3 6 6 k v 中低压配电网中，广泛采用小电流接地系统，包括中性点不接地方 式、经大电阻接地方式、经消弧线圈接地( 也称谐振按地系统) 方式。近年来，随 着自动跟踪消弧电抗器的广泛使用，为解决系统于故障瞬间出现的谐振问题，开始 采用消弧线圈与非线性电l 1 1 串( 或并) 联以及与避雷器并联的运行方式，这使原有的 故障检测方法由于系统环境的改变而变得不适用，迫切需要新的检测原理以及更深 入的研究，开发新的适用面更大的设备。 以中压电网( 泛指1 l o k v 以下的电网) 为例，最具有代表性的中性点接地方式为 中性点谐振接地方式和低电阻接地方式。采用两者的最初目的，都是为了限制不接 地系统中的电弧接地过电压。根据电压和电流的互换特性，在中压范围内应着重于 限制接地故障中大电流的危害性。这一方面，采用中性点谐振接地方式可以获得 更好的效果。另外，采用中性点谐振接地方式还可以抑制或消除以下问题：配电变 压器高压绕组接地谐振过电压，只要消弧线圈过补偿运行，便可以得到有力的抑制。 单相接地故障在中性点不按地中发生的几率最高，系统采用小电流接地方式的 优点是当配电网发生单相接地故障时，故障线路电流仅为线路对地电容电流，数值 非常小，而且单相接地时不形成短路回路，对非故障线路的影响不大，可以正常供 电，在 乜力系统安全规定内可继续运行1 2 小时，对保证电力系统的可靠供电有 积极的作用。但小接地电流系统在单相接地时，非故障相电压上升为线电压，长时 问带故障运行时极易产生弧光接地，如对于中性点不接地系统来说，因中性点绝缘， 电网对地电容中储存的能量没有释放通道，在发生弧光接地时，电弧反复熄灭与重 燃的过程，也是反复向电网电容充电的过程。由于电容中能量不能释放，每个循环 1 华北电力大学硕士学位论文 使电容电压升高一个阶梯，所以中性点不接地系统在弧光接地过电压可能达到很高 的倍数，对系统设备绝缘危害很大。同时系统存在电容和电感元件，在一定条件下， 由于倒闸操作或故障，很容易引发线性谐振或铁磁谐振。一般说来，对于馈线较短 的电网- - “jz 日, 。t 会引发高频谐振，引起较高的谐振电压，特别容易引起电压互感器绝缘 击穿，而对于馈线较长的电网却容易激发起分频铁磁谐振，在分频谐振时，电压互 感器呈较小阻抗，通过电压互感器的电流成倍增加，引起熔丝熔断或使电压互感器 过热烧毁。对于中性点经消弧线圈接地和中性点经小电阻接地，同样可能产生倍数 过高的电压，形成两点或多点接地故障，引起系统过电压，对电力设备构成威胁， 从而影响系统安全。因此，需要一种接地后能选择故障线路的装置进行故障检测， 一般不动作于跳闸而仅动作于信号，为了防止故障进一步扩大，应及时发出信号， 以便运行人员采取措旖予以消除。 因此，接地选线保护装置近年来在现场得到了广泛应用，为保证电网的安全运 行起到了积极作用。近十年来，有不少的基于不同选线原理的选线装置投入到现场 运行，但是实际的选线正确率不高，所以有必要对小电流接地系统发生单相接地时 的信息进行更深入的研究分析，从而改进传统的不适用于现在的配电网的故障选线 装霄。 1 2 本课题的研究意义 小电流接地系统，发生单相接地故障时，由于非故障相对地电压升高( 完全接 地时升至线电压值) ，系统中的绝缘薄弱点可能击穿，造成短路故障：故障点产生 电弧，会烧杯设备并可能发展成相间短路故障：故障点产生间歇性电弧时，在一定 $ f - i 一下，产生串联谐振过电压，其值可达相电压的25 3 倍，对系统绝缘危害很大。 当任何一相绝缘受到破坏时，各相对地电压，对地电容电流也发生变化，中性 点电压不再为零。设c 相完全接地，故障相对地电压为零，中性点对地电压为相电 压，非故障相埘地电压值升高j 倍。所以，u 。，u b 之间的夹角为6 0 。a 、b 两相 对地电压升高变为线电压，即其对地电容上所加电压升高i 倍，所以对地电容电流 i o 升高3 倍，单相接地时的接地电流等于正常时一相对地电容电流的3 倍，影响电 网正常供电，烧损设备。 根据电业规程规定：电网上一点接地的运行时间不超过2 小时，当发生永久性 接地故障时，大部分不能在2 小时内排除故障，尤其是农电网线路长，供电面积大， 几个小时甚至十几个小时内才能找到故障点，这就需要对整条线路进行拉闸，这样， 不仅严重影响了用户正常用电，供电部门也因停电造成了供电量减少，影响了经济 效益。 华北电力大学硕士学位论文 目前，在中性点非有效接地方式【3 1 ( 包括经消弧线圈接地、中性点经高阻接地和 中性点不接地方式) 系统中，单相接地故障的检测大多是依据变电站母线所有馈线 的稳态零序电流按集中选线原理构造的，需在监控系统嵌入专用的选线模块或专用 的选线装置。该类原理受系统运行方式及故障状态等因素的影响较大，现场运行可 靠性不高，准确率差。 在配网接地检测中还存在的问题有：故障信号叠加在负载电流上、稳态幅值较 小、环境的电磁干扰等影响蓑故障分辩的正确性：系统运行方式多变、故障状态多 变、不确定因素多，故要求检测方法具有更强的适应能力：专用选线装置接线复杂， 并与馈线保护不一体，不利于馈线自动化。这些问题虽已有不少研究，但尚没有得 到很好的解决。 随着电力系统的发展，配电网采用的电缆线路越来越多，电缆线路的增加导致 系统电容电流急剧增加，在中性点不接地的运行方式下电容电流的不断增加对设备 绝缘的安全和保护设备的配备带来了严重影响。因此我国在i 9 9 7 年颁布的d l t 6 2 0 1 9 9 7 标准1 4 l 规定当系统电容电流超过1 0 a 时，中性点需经消弧线国按地。 中性点经消弧线圈接地系统的单相接地故障选线技术随着电子技术的发展不 断得到进步，从电磁型电流继电器、功率方向继电器构成的零序电流保护和零序无 功方向保护到一批基于最新计算机技术的单相接地选线装置v , j 3 c 断出现，其计算原 理有过电流、无功方向、首半波比相、谐波电流方向和群体比幅比相及自适应等， 这些选线方式用于中性点不接地系统效果良好，己在电力系统中得到了广泛应用。 经消弧线圈过补偿方式接地的配电网发生单相接地故随时，其零序电流达到稳态 后，故障线路的基频零序电流大于其本身的对地电容电流，而电容性无功功率的方 向与非故障线路的相同，都是由母线流向线路，因此无法利用功率方向来判断和选 取故障线路：其补偿度一般为5 一1 0 ，也很难根据基频零序电流大小的不同找出 故障线路。因此原有的选线理论具有较大缺陷，装嚣的漏检率和误检率较高，特别 是在高接地时更为严重，中性点经消弧线圈接地系统的单相接地故障选线成为一 个亟待解决的问题扣1 。 综上所述，单相接地故障的危害、剥电网的影响和对用户的影响，以及选线装 鼹的原理的局限性，都使得本课题的研究具有一定的价值和意义。 1 3 本课题的研究现状 131 国外的研究情况 由于历史原因和具体条件迥异，各个国家的处理方式不尽相同，甚至一个国家、 华北电力大学硕士学位论文 同一个地区的同一电压等级可能有多种处理方式并存的现象，国外对小电流接地保 护的处理方式各不相同旧j 。 在电网发展的不同阶段不同中性点接地方式的“利弊”是不同的，在电网发展 初期，电容电流较小，电网结构薄弱，一般以中性点不接地运行方式为宜。 中性点不接地系统的缺点( 弊病) 是发生单相接地时的故障电流随着线路长度 的增加和电力系统标称电压的提高而增大，这使高压长线路的电弧接地故障难以自 动消除，有时甚至发展为两相短路故障。为解决这个问题，1 9 1 0 1 9 2 0 年间，选择 了两种解决方法：一是中性点经消弧线圈接地，以降低建弧率，减少跳闸；二是中 性点直接接地或经电阻器接地，以快速将故障切除。这两种方法各具优缺点，对各 国电力系统的中性点接地方式选择有着深远影响。 二战后世界电力工业发展很快，2 0 世纪6 0 年代一些原有的配电电压等级由于 不经济和线路走廊困难等原因需进行升压改造，由于绝缘水平的限制和降低过电压 的需要，将中性点不接地和经消弧线圈接地方式改为经电阻器接地或直接接地方 式。 在2 0 世纪8 0 年代以后，配电网结构和运行环境发生了两大变化：配电网多条 电缆同沟并形成环形或网格馈电，刘用户供电也不再是带单相接地故障可运行j l d , 时，而要靠电网结构和自动控制来保障。电网中性点不接地( 绝缘) 和经消弧线圈接 地方式能带单相接地故障运行j l 小时的优点愈来愈小，而提出了快速准确选线断开 单相接地故障线路，避免单相接地电弧引发多相短路的要求：各种型式的电子系统 ( 包括计算机、通信设备、电子商务、控制系统、信息系统等，i e c 标准中统称为信 息系统) 的应用不断扩大提高了对供电质量和可靠性的要求，同时也要求降低接地 故障入地电流造成的地电位升高。 为了适应这两大变化，法国过去以电阻接地方式居多，利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，近年来逐步 朝喈振接地方向发展，已开始采用自动调谐的消弧线圈以补偿电容电流，并为解决 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( 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。法国从2 0 世纪8 0 年代开始就对对地电容电流小于5 0 a 的2 0 k v 电网采 用中性点经1 2 0 q 电阻器的接地方式，对地电容电流在5 0 2 0 0 a 之间的则在电阻器 侧并联补偿电抗器( 消弧线圈) 。日本2 0 k v 电网为电缆和架空线路混合电网，1 9 5 0 年以前一：甑采用中性点不接地方式，随着电线长度的增加，为防止接地继电器的误 动、拒动和中性点位移，改用经4 0 9 0 q 低值电阻器接地方式，1 9 6 9 年改用经4 0 4 6 0 n 电阻器接地方式，0 7 s 短接4 6 0 q 电阻器以确保迅速准确选线断开单相接地故 障线路。日本的小电流接地系统采用高电阻接地方式和不接地方式，但电阻接地方 4 华北电力大学硕士学位论文 式屠多，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 点分区段方面做了不少工作，并已将人工神经网络应用于接地保护。 德国3 2 2 0 k v 系统都采用谐振接地方式。 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。 美国电网由于历史原因，中性点主要采用电阻接地方式，利用零序过电流保护 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， 接地时仅有报警功能。 挪威一公司采用测量零序电压与零序电流空间电场与磁场相位的方法，研制了 一种悬挂式接地故障指示器，分段：晷：挂在线路和分又点上。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，其软件算法部分采用了沃尔 什函数。9 0 年代，国外有将人工神经网络及专家系统方法应用于保护的文献。 1 32 国内的研究情况 中国从1 9 4 9 年之后统一规定6 6 k v 及以下电网采用中性点不接地( 绝缘) 和经消 弧线圈按地方式，这实际上是由前苏联过电压保护导则转化而来的i “。前苏联电站 部1 9 5 4 年制订了导则，但中问只公布过几个草案，一直未正式执行，直到1 9 9 9 年才由俄罗斯公布正式新导则。其中第五章6 3 5 k v 电网内过电压防护关于6 3 5 k v 电例中性点接地方式有了很大改动，列入了中性点不接地( 绝缘) 、谐振( 经消 弧线圈) 接地、经电阻器接地三种方式，建议根据实际情况因地制宜地选用。 我国配电网和大型工矿企业供电系统都采用中性不接地或经消弧线圈接地的 运行力式，近年来一些城市城网改造采用的是电阻接地运行方式。因为随着城市用 电量的提高，不再是过去的单电源的幅射或树型系统供电，而是网孔网络手拉手的 供电方式。对用户供电可靠性再也不是靠单相接地运行2 3 小时来保障，而是靠 电网结构和调度控制来保证。另外，现在在城市和经济发达地区的1 0 k v 电网规划 和改造中以电缆供电为主，架空供电为辅是必然趋势，所以1 0 k v 电网单相接地电 容电流很大，尤其是在电缆为主电网中，电网发生的接地故障过程往往是先产生间 隙电弧然后发生永久性接地故障。问隙性电弧所造成的高频熄弧过电压值可达到 6 8 倍相电压，不仅幅值高而且持续时间长，对现有过电压保护存在威胁，从而对 设备造成危害。当系统发生永久故障时，不允许继续运行，必须迅速切断电源，避 免扩大事故。我国单相接地保护原理研究始于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案，从步进式继电器到群体式比幅 比相，以及首半波方案，先后推出了几代产品，如许昌继电器厂的z d 系列产品， s 华北电力大学硕士学位论文 北京自动化设备厂的x j d 系列产品，中国矿业大学的up l 型微机检漏装置和华北 电力大学研制的系列微机选线装置，邯山电力自动化研究所研制的l h 一0 2 f 分散式 小电流接地微机选线装置( 针对经消弧线圈接地推出) 。 我国3 6 0 k v 的电力系统大多采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方 式，即为小电流接地系统，虽然随着负荷密度的不断增加，为了提高负荷能力，有 专家提出在现有配电线路和设备的基础上将电压等级升级，同时将接地方式改为小 电阻接地，但由于该方案目前尚在讨论阶段，及升级改造将耗费大量的时问和人力、 物力，司以肯定，在相当长的时间内小电流接地系统在我国仍将大量存在。 中性点不接地系统发生单相接地故障时，尽管不影响系统的正常运行，但持续 性电弧仍可能烧毁设备，引起相间短路故障。我国有关规程规定，在3 1 0 k v 系统 中，若单相接地电容电流超过3 0 a ，或3 5 k v 系统中超过1 0 a ，其系统中性点均采 取消弧线圈接地( 谐振接地) 方式。 对经消弧线圈接地的系统，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，中性点电压抬高，会在消弧线圈中产生感性电流、此电流与健全相电 容电流之和极性相反。在接地点除整个线路对地电容电流外，又加上消弧线圈产生 的电感电流，此电流与电容电流相抵消，可以减小流经接地点的电流、并可能使赦 障点在第1 次熄弧后绝缘迅速恢复。根据列电容电流补偿程度的不同，补偿方式分 为全补偿、欠补偿、过补偿。为防止线路发生串联谐振、一般采用过补偿。使用消 弧线圈之后，故障线路的零序电流会更小，在过补偿时，还会出现故障线路零序电 流的方向与非故障线路相同的现象，给检测接地线路带来很大的困难。 世：界各国电力系统的中性点接地方式都不尽相同，一个城市的同级电压中都有 多种中性点接地方式。例如上海3 5 k v 和1 0 k v 电网的中性点接地方式就有经消弧线 圈接地干i j 经电阻器接地两种方式，北京的1 0 k v 电网也是中性点经消弧线圈接地利 电阻器接地并存主要是根据自己的经验和传统，权衡利弊，因地制宜地选用。还 有现有选线方法由于小电流系统发生单相接地以后，由于故障特征不明显，使得迅速 准确地认定接地回路有很大难度。小电流系统单相接地选线，一直是继电保护领域未能 彻底解决的一个难题，针对这一问题本文做了以下工作。 14 本文的主要工作 通过对小电流接地系统单相故障接地选线问题背景以及国内外的各种选线方 法和研究现状的分析可以看出，小电流接地系统单相故障接地选线已经日益受到人 们的重视。， 本文的主要工作包括： 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 论述建立完整的选线体系的意义和方法，比较现有的选线方法，指出现有选 线方法存在的问题，并针对这些问题提出了新的选线体系设想，该体系先根据中性 点接地方式的不同，选择适用的选线方法得到综合的选线判据；然后利用各自的算 法计算当发生单相接地故障时的故障线路；最后将各种方法的适用范围运用到故障 选线中去，初步实现了故障线路的判断。 ( 2 ) 新选线判据的研究。运用相轨迹的方法得到中性点各种接地方式下发生故障 州的故障线路：运用相角特性的方法得到中性点各种接地方式下发生故障时的故障 线路；运用谐波畸变的方法得到中性点经消弧线圈接地方式下发生故障时的故障线 路；最后运用算例证明了该方法的合理性。 ( 3 ) 综合选线设想的提出。针对中性点不同接地方式将综合选线方法分为两个模 式：中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地方式；设计思想为根据实际的系统 可以人为的选择选线判据模式；不同的模式综合运用适用此中性点接地方式的选线 方法。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章小电流系统单相接地故障分析 综上所述，随着电力系统的发展以及自动化的发展，对配电网的安全稳定运行 有了越来越高的要求，要求及时正确的在小电流接地系统发生单相接地故障时切除 故障线路。近年来，随着自动跟踪消弧电抗器的广泛使用，为解决系统于故障瞬间 出现的谐振问题，开始采用消弧线圈与非线性电阻串( 或并) 联以及与避雷器并联的 运行方式，这使原有的故障检测方法由于系统环境的改变而变得不适用，迫切需要 新的检测原理以及更深入的研究，本章对4 、电流接地系统的单相接地故障做了较深 入的分析。 2 1 中性点不接地系统单相接地故障分析 2 1 1 中性点不接地系统单相接地故障危害 中性点不接地系统属于非直接接地系统的一种，实际上可以看成是经容抗接地 的拔地系统。该容抗是由电网中的架空线路、电线线路、电动机和变压器绕组等对 地混合电容所组成。当发生单相接地时，流过故障点的故障电流为单相接地电容电 流，并有以下特点： ( 1 ) 当发生单相接地故障时，仅非故障相对地电压升高到原来正常相电压的、压 倍，而相问电压对称性并未破坏，故不影响三相j ：目电设备的供电。当单相接地电容 不大叫，所引起的热效应为电网元件的绝缘所能承受，故允许电网带接地故障继续 运行 i i , j 问，通常为l 2 小时。对于单相接地电流较大的系统，许多瞬州性接地 闪络常常不能自动消弧，并可能转化为稳定性接地故障。 ( 2 ) 当发生单相接地时，一股情况下是按间歇性电弧接地( 又称弧光接地) 斗稳定 电弧接地_ 金属性接地的过程进行的。根据实测，先形成间歇性电弧接地，持续时 间可达o2s 2 s ，频率可达3 0 0 h z 3 0 0 0 h z ，然后形成稳定电弧接地，持续时问可 达2 s l o s ，最后，故障点被烧熔成为金属接地，即所谓永久性故障接地。 ( 3 ) 最危险的情况是发生在单相间歇性电弧接地【7 1 时刻。由于不稳定间歇性电弧 多次不断地熄灭和重燃，在故障相和非故障相的电感电容回路上会引起不同的高频 振荡过电压。其在非故障相上发生的弧光接地过电压最高( 可高达3 4 倍相电压) ， 通过电弧接地故障点的高频振荡电流最大( 可达数百安培) ，时间虽短，电弧危害却 很大。从电： 原理可知，在电路内从一种稳定状态过渡到另一种稳定状态，必须经 过高频振荡过程，在较短时间内，振荡电流可达到高出稳态下的很多倍，对电力设 华北电力大学硕士学位论文 备的危害极大，主要表现在以下几个方面： a 随着我国电网的发展，具有固定绝缘的电缆线路逐渐取代了架空线路。由于 固体绝缘击穿的积累效应，当系统发生单相弧光接地时，在约3 5 倍过电压的持续 作用下，造成电气设备绝缘的积累性损伤，在非故障相的绝缘薄弱环节造成对地击 穿，进而发展成为相间短路事故。 b 弧光接地过电压使电压互感器磁饱和，容易激发铁磁谐振，导致过电压或电 压互感器爆炸事故。 c 弧光接地过电压的能量由电源提供，持续时间较长，当过电压超过避雷器所 能承受的4 0 0 a ，2 m s 的能量时，就会造成避雷器的爆炸事故。 2 1 ，2 中性点不接地系统单相接地故障原理分析 中性点不接地系统发生单相接地故障时，如图2 1 所示，线路l l l 。，故障 线路l ，各线路对地电容为c i ( i = 1 ，2 ，3 n ) 。 由图2 一i 所示，故障线路流出零序电流，非故障线路以及中性点流入零序电流。 故障线路故障相流出容性电流，非故障线路非故障相流入容性电流。中性点不接地 系统可以看作是经容抗接地系统，该容抗是由电网中的架空线路、电缆线路、电动 机和变压器绕组等对地混合电容所组成。 、 卜兰 、 i - 一垲! 兰 l 一牛特，肛叫! 一盐碰“ abc 窖性电流+ 霉、负序电流 一故障相阻性电流 图2 1 中性点不接地系统故障分析 f i g2 lt h ef a u l to f n e u t r a lp o i n tu n e a r t h e ds y s t e m ( 1 ) 在发生单相接地时，全系统将出现零序电压： l 1 l 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 非故障线路的零序电流数值上等于本身对地电容电流，电容性无功功率方i 句 由母线流向线路； ( 3 ) 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，电容性无 功功率方向由线路流向母线。 中性点不接地系统零序电压与线路零序电流的相角关系如图2 2 所示。其中， i g 为故障线路零序电流，由两部分叠加而成：1 w 为健全线路线阻产生的有功电流， i c 是故障线路的对地电容电流，其值为非故障线路零序电流之和的负值：b 为故障线 路零序电流与系统零序电压之间的夹角；i l 为非故障线路零序电流；0 为非故障线 路零序电流与系统零序电压之间的夹角。 工 j l 一 叮 e。 一 l 仝 p r工r 工g uo 图2 - 2 不接地系统单相接地零序电压线路零序电流向量 f i g2 2v e c t o ro fz e r o s e q u e n c ev o l t a g ea n dc u r r e n t so f t h ef a u l tn e u t r a lp o i n tu n e a r t h e ds y s t e m 当任何一棚绝缘受到破坏时，各相对地电压，对地电容电流也发生变化，中性 点电压不再为零。 设c 相完全接地，故障相对地面电压为零，中性点对地电压为相电压，故障相 划地电压值升高3 倍。则c 相电压变为u c = 一u c ，a 相对地电压为u ，则u ，等 于a 栩电压加中性点对地电压，h 口u 。= u 。一u c 。设b 相对地电压为，则u 。等 于a 相电压加中性点对地电压，即u 。= u b - u c 。所以，u 。= u 。= 5e ，c ，u ，与( ，。 之问的夹角为6 0 。，a 、b 两相对地电压升高变为线电压，即其对地电容上所加电 压升高3 倍，所以对地电容电流i c7 t 高3 倍。单相接地刚的接地电流等于正常时 一相对地电容电流的3 倍。 2 2 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障分析 2 2 1 中。性点经消弧线圈接地系统说明 在中性点经消弧线圈接地方式 g - 1 0 1 的系统中，由于人为地增加了一比电网接地 电容电流略大一些而相位相差1 8 0 。的电感电流，电容电流被电感电流补偿掉，流 华北电力大学硕士学位论文 过接地故障点的接地故障电流仅为数值很小的残余电流。此时具有以下优点： ( 1 ) 和不接地电网相同，补偿电网发生单相接地时相间电压仍然对称，不影响电 i 矧继续供电。又因为电网单相接地故障电流很小，不会危及电网各元件的绝缘，因 而即使电网的单相接地电容电流很大，补偿后通常可以带着接地故障继续运行，所 以电网运行可靠性高，金属性接地故障可带单相接地运行，有利于电网的不问断供 电，提高了供电可靠性； ( 2 ) 对瞬时性单相接地闪络能自动熄弧，降低了电网绝缘闪络( 如雷击闪络) 接地 故障电流的建弧率，从而降低了线路跳闸率。在补偿电网中，许多瞬时性单相对地 i x 络，在刚一发生后，接地电容电流就被电感电流所补偿，由于流过故障点的残余 电流很小，使接地电弧不能维持而立即自动熄弧，电网迅速地恢复了正常运行。 ( 3 ) 故障点刺地电位小，零序电压保护的灵敏系数大。与中性点不接地电位相比， 因为故障残余电流很小，故障点对地电位要小得多，同时由于补偿电位的接地系数 值 j ； 高，其零序电压保护的灵敏系数吐l 很高，即使对几千欧姆的过渡电阻接地， 也可以检测出来。 ( 4 ) 接地工频电流( 即常称的残流) 小，降低了接地电位升高，减小了跨步电压差 和接地电_ ；立差，减小了对低压设备的反击以及对信息系统的干扰等。 但电网中性点经消弧线圈接地方式又有如下缺点： ( 1 ) 由于补偿电网接地故障电流很d 、，又是电感电流，所以就不能采用简单的零 序功率方向保护，而需要采用复杂的例如反应于高次谐波的单相接地保护。 ( 2 ) 运行维护复杂并反而可能给电网带来危害。补偿电网处于过补偿状态才会有 上述优点。但在实际电网运行中，会经常遇到要改变电网接线方式或改变运行方式， 致使l 乜网参数随之变化，这就有可能出现全补偿或欠补偿运行状态，为了避免这种 状态出现，就需要维护人员及时地调节补偿r l ! 流，使运行维护复杂。甚至在某些情 况下无法调节成过补偿状态而呈现出全补偿或欠补偿运行状态。而全补偿或欠补偿 运行状态则具有极大的危害性。全补偿运行时，即消弧线圈感抗等于电网对地的容 抗，将会发生电感一电容回路的串联谐振( 又称为铁磁谐振) ，并产生谐振过电压， 以致危及设备绝缘，同时可能产生很大的过电流使消弧线圈温升过高。欠补偿运行 n , j ，消弧线圈的电抗大于电网刘地的容抗，当电网在正常运行时的中性点位移电压 比较高时，会使消弧线圈的铁芯趋于饱和并使电感值降低，就会出现全补偿状态。 欠补偿电网当因线路故障或运行需要而切除部分线路时，电网对地总电容减少，电 网也会趋于全补偿状态运行。电网的脱谐度与系统频率的平方成正比，当系统频率 降低时，欠补偿电网又趋于全补偿状态，使电网中性点位移电压升高。欠补偿电网 在发生一相断线时，会出现很大的中性点位移电压，并使某一相的对地电压升高到 华北电力大学硕士学位论文 危及没备绝缘的程度。 ( 3 ) 由于消弧线圈的补偿作用，使故障点的电流减少，相位发生变化，必然会降 低选线的灵敏度，甚至使选线工作根本无法进行。 ( 4 ) 消弧线圈不仅不能抑制弧光接地过电压，有时反而加大了过电压的幅值。弧 光接地过电压的产生是由于电弧过零点自行熄灭后，故障点对地绝缘开始恢复。另 一方面，非故障相对地电容会向故障相对地电容充电，随着故障相对地电容上电荷 的积累，使故障相对地电压逐渐升高，一旦对地电压高于故障点对地绝缘水平时， 就会发生重击穿，故障点对地电压立即降为零。非故障相上也随之叠加一个故障分 量，迫使三相对地电容上的电荷重新分配，致使非故障相产生过电压。从弧光接地 过电压产生的整个过程来看，与系统对地电容电流的大小并无关系。有人曾经在系 统对地电容电流为1 1 a 4 5 a 的情况下作过上千次试验，结果都有弧光接地过电 压产生，而消弧线圈仅仅降低了故障点的电容电流，这一电流在过零点时熄灭，仍 然不可避免地要发生电容上电荷的积累与雨分配，因此并不能抑制弧光接地过电 压。所以，我国现行规程并不建议采用消弧线圈来抑制弧光接地过电压，而且消弧 线圈电不能抑制弧光接地过电压。 ( 5 ) 发生金属性接地或稳定的弧光接地时，故障电流是以基波为主。分析消弧线 圈在中性点不接地系统中发生金属性接地的作用刑，可以使用稳态正弦交流电中采 用的相量分析方法。与金属性接地或稳定的弧光接地不同，r 司歇性的弧光接地时产 生的过电压及故障电流已不再是稳态的正弦波，而是随机的高频电压、电流。显然， 当频率增加时，对于电容电流是增加的，而电感电流是减少的，消弧线圈根本无法 补偿。特别是现行的消弧线圈的自动跟踪或自动调谐是基于工频来完成的，在高频 振荡的过渡过程中，由于消弧线圈和电网电容这两者的频率特性相差悬殊，消弧线 圈的自动跟踪或自动调谐是根本不能消除弧光接地过电压的。 在实际运行中，中性点经由消弧线圈接地的电网，由单相弧光接地过电压造成 的设备损坏及影响系统运行安全的事故仍时有发生。正因为消弧线圈在正常运行时 存在上述诸多问题，我国北京、上海等地区已逐步将中性点经消弧线圈接地改为经 小电阻接地方式，我国冶金、石油、化工系统也提出了采用小电阻接地方式的建议， 个别企业甚至已经采用了中性点经小电阻接地的方式。中性点经小电阻接地，从根 本上解决了消弧线圈正常运行中带来的问题，缓解了弧光接地时的过电压，但扩大 了单相接地时的故障电流，加剧了故障点的烧伤，牺牲了对用户用电的可靠性。 2 22 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障原理分析 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障时，如图2 3 所示，线路l ，l 。，故 障线路l j ，各线路对地电容为c i ( i 一1 ，2 ，3 n ) 。 华北电力大学硕士学位论文 、 i _ _ q 、了 l 广u _ 百万、 一一。 l a i l l ! i ! 7 玎百矿 一 一一一、 l亨 k 妻 一挫，叫 qj 。 - - - - 一l ! i l x 蕈： l 一删。“ + 中 争窖性电流卜零、负序电琉 故障相阻性电流一感性电流 l 1 l 一一故障线路故障相电流 ( 含有窖性、阻性、感性 电琉分量) 图2 - 3 中r 主点经消弧线圈接地系统故障分析 f i g2 3t h ef a u l to f t h ea s cs ) s t e m r n 性点经消弧线圈接地系统，故障线路故障相流出容性电流和感性电流；消弧 线圈流入感性电流：非故障线路非故障相流入容性电流。 刘于中性点经消弧线圈接地系统，发生单相接地故障时，故障线路故障相流出 锌性o b 流和感性电流，其电流大小为感性电流与容性电流之和，在母线侧，容性电 流流入非i 故障线路非故障相，感性电流通过中性点消弧线圈流出；非故障线路故障 相( 很小，不予考虑) 不存在容性电流：非故障线路非故障相流入容性电流，二者方 向棚反， 在中性点经消弧线圈接地的系统中，故障线路中的零序电流为非故障线零序电 流与消弧线圈中的电感电流之和，方向为母线流向线路。于是利用系统中出现的零 序电压，对每一条出线的零序电流进行补偿，补偿的大小为本线路的零序电流的大 小，方向为线路流向母线。从而使非故障线路的零序电流为零，而故障线的零序电 流则为所有线路零序电容电流之和或系统经消弧线圈补偿后的零序电流。因此可以 判定，经补偿后零序电流为零或近似为零的线路为非故障线路，不为零的线路为故 障线路。 系统零序电压与线路零序电流的相位关系如图2 - 4 所示。i 。为故障线路零序电 流，g 为故障线路零序电流与系统零序电压之问的夹角；i j 为非故障线路零序电流，0 为非故障线路零序电流与系统零序电压之间的夹角。流过故障线路始端的零序电流l ， 可分两部分：阻性部分为健全线路线阻、消弧线圈有功损耗产生的有功电流i n ，然后取 华北电力大学硕士学位论文 负数，其相位与零序电压差1 8 0 。；容性部分应当是非故障线路零序电流之和i o ，加上 补偿线圈的电感电流，然后再取负数，相位超前于零序电压9 0 。流过非故障线路的零 序电流只有本线路自然电容电流，相位近似超前零序电压9 0 。 i 。 i r u o 图2 - 4 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障零序电压电流向量图 f i g2 4v e c t o ro fz e r 0 1 s e q u e n c ev o l t a g ea n dc u r r e n t so ft h ef a u l ta s cs y s t e m 2 3 间歇性弧光接地故障分析 弧光接地光接地1 过电压又称间歇性弧光接地过电压，当中性点非直接接地系 统发生单相间歇性弧光接地故障时，由于不稳定的间歇性电弧多次不断的熄灭和重 燃，在故障相和非故障相的电感电容回路上会引起高频震荡过电压，非故障相的过 电压幅值一般可达3 1 5 3 5 倍相电压。这种过电压是由于系统对地电容上电荷多 次不断的积累和重新再分配形成的，是断续的瞬间发生的且幅值较高的过电压，对 电力系统的设备危害极大。 中性点非直接接地系统弧光接地过电压的危害，其主要表现人以下几方面： ( i ) 随着我国电网的发展，具有固体绝缘的电缆线路渐取代架空线路。出于电缆 绝缘击穿的积累效应，当系统发生单相弧光接地时，在3 5 倍过电压的持续作用下， 造成电气设备绝缘的积累性损伤，在非故障相的绝缘薄弱环节造成对地击穿，进而 发展成为相间短路事故； ( 2 ) 弧光接地过电压使电压互感器饱和。容易激发磁铁谐振，导致过电压或电压 互感器爆炸事故； ( 3 ) 弧光接地过电压的能量由电源提供，持续时问较长，当过电压超过避雷器所 能承受的4 0 0 a 、2 m s 的能量时，就会造成避雷器的爆炸事故。 限制弧光接地过电压措施分析：我国3 3 5 ( 6 6 ) k v 中等电压等级的电力系统， 多为中性点非直接接地，弧光接地过电压的幅值较高；由于建国初期多为架空线路， 绝缘水平较高，且气体绝缘是可恢复的，弧光接地过电压危害不大，因此并未特殊 采取措施。 消弧线圈曾经对于提高3 6 6 k v 架空电网的供电可靠性方面，起了很大的作用。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 这是因为，中性点非直接接地系统发生单相接地时，仍然可以继续供电。由于消弧 线圈的电感电流补偿了电容电流，使得故障点的电弧能够自行熄灭，这就大大减小 了因受风吹、电动力等影响而引起直接的相间弧光短路的可能性。 正因为这样，人们认为消弧线圈能够限制弧光接地过电压。其实不然，消弧线 圈不仅不能抑制弧光接地过电压，有时反而加大了过电压的幅值。消弧线圈在正常 运行时还存在以下问题： ( 1 ) 消弧线圈与系统对地电容串联谐振，产生虚幻接地或串连谐振过电压； ( 2 ) 消弧线圈与系统对地电容并联谐振，产生传递过电压； ( 3 ) 选线灵敏度降低甚至无法选线。中性点非直接接地系统发生单相接地故障 时，由于消弧线圈的补偿作用，使故障点的电流减少，相位发生变化，必然会降低 选线的灵敏度，甚至使选线工作根本无法进行： ( 4 ) 从理论上分析，消弧线圈不能有效抑制弧光接地过电压，间歇性的弧光接地 j , l 产生的过电压己不再是稳态的正弦波，而以商次谐波为主，当频率增加恻，对于 电容电流是增加的，而电感电流是减少的，无法补偿。 在中性点非直接接地系统中，当发生间歇性弧光接地时，非故障相上将产生 3 1 5 3 5 倍的过电压，而如果接地电流在高频过零点熄弧或在电压接近最大值时 发生击穿。这一过电压将会更高，曾经记录到超过8 倍的过电压。正是间歇性弧光 接地引起的过电压，才是设备绝缘的主要威胁之一。 2 4 本章小结 本章概述了配电网中性点接地系统的分类以及各种中性点接地方式的优缺点， 以及导致小电流接地系统单相接地故障的原因及其对系统的危害，以及中性点4 i 接 地以及经消弧线圈接地系统单相接地故障的原理及其分析，还涉及到发生间歇性弧 光单相接地故障的原理以及分析。本章内容是下文具体方法的基础。 华北电力大学硕士学位论文 第三章小电流系统单相接地故障选线方法概述 近十几年来，各种不同的选线原理被提出来用于单相接地故障的小电流接地系 统故障检测。文 1 2 一1 6 分析了各种运行方式下的零序网络，从实际故障信息分析 得出的接地电阻阻值、c t 的特性及c t 极性对选线的影响。文 1 7 - 2 0 提出了基于 稳态分量的方法，利用故障线路零序电流与非故障线路零序电流的幅值及相位的差 异选线：文 2 1 2 9 提出基于暂态分量的方法，如利用小波工具对暂态信号进行分 析选线、利用高频奇次谐波特性选线、传输线行波的特性选线；文 3 0 3 1 提出了 运用多种判据的选线方法。应用以上方法选线时，c t 极性正确连接是选线正确的 前提。 3 1 各种选线装置在现场的应用 3 1 0 k v 电力系统中，由于环境及设各自身因素的影响，经常出现单相接地的i 啦障， 因而小电流接地选线装置 3 2 - 3 4 1 得到了广泛的开发及推广，它大致分为3 个研制阶段：早 t j j 笮i 。分离元件及继电器组合的选线装置，代表型号为z d 一6 a 、x f i d 一2 ；中期随着微型汁 算机f 门发展，出现了采用微机技术判别的选线装置，主要用于中性点不接地系统，生产 厂家根据适用电力系统性质的不同，一般称之为i 型选线装置：近期随着电力负荷的增 加及电网的逐渐复杂，电力系统的电容电流数值急剧增加，大大超过国家规程中规定的 3 0 a 标准，因而系统大多采用中性点经消弧线圈接地的运行方式，以补偿系统单相接地 时，接地电流对系统设备的危害。针对中性点经消弧线圈的系统而开发的微机选线裟置 即所粥的i i 型选线装置逐渐走向市场。 小l 乜流接地系统单相接地保护原理和装置的研究保护方案从零序过流到无功方向 保护，从基波方案发展到五次谐波方案，从步进式继电器到微机群体比幅t ：l ：十t i ，以及首 半波方案，先后推出了几代产品，如：许昌继电器厂的z d 系列产品，北京自动化设备 厂的x j d 系列装置，邯郸电力自动化研究所的m l 一9 8 h 微机选线装置，山东 ! 业大学 的t y 系列选线定位装置，华北电力学院研制的系列微机选线装置等。 我国在这方面的研究技术稍为滞后。许多生产厂家将仅满足理论条件，而不适合生 产现场的产品推向市场，导致选检装置在实用中误判率较高，甚至某些厂家将一些针对 中性点不接地系统开发的产品，作为适用于中性点经消弧线圈接地系统的产品。以下是 几种现场正在应用的选线装置的介绍： 3 1 1 针对消弧线圈接地系统的l h - 0 2 系列产品 1 6 华北电力大学硕士学位论文 根据电力系统理论，小电流接地系统发生单相接地故障时： ( 1 ) 系统零序电压升高。通常情况下，零序电压接近为零，接地后零序电压升高( 零 序电压相电压) 。 f 2 ) 非故障线路零序电流为本身电容电流值，相位超前零序电压近9 0 。 ( 3 ) 接地线路零序电流最大，为所有非接地线路零序电流之和，相位滞后零序电压近 9 0 。 ( 4 ) 无消弧线圈系统对于基波、五次谐波，以上三点成立；有消弧线圈系统对于五次 凿波成立。 ( 5 ) 以j 2 4 点不受运行方式、负荷变化、接地电阻的影响。 ( 6 ) 有消弧线圈系统，由于基波补偿，接地线路的五次谐波含量所占比例远大于非接 地线路。 ( 7 ) 接地回路中零序电流的有功分量最大主c p u 根据基波幅值法、相位法、5 次谐波 法、能量法多重判据进行分析、比较，瞬间判别接地线路。 312t y 一0 2 g a 小电流接地系统单相接地选线与定位保护装置 t y 一0 2 g a f f j 于6 k v 、1 0 k v 、3 5 k v d 、电流接地系统单相接地选线与单相接地定位。 刘系统要求如下： ( 1 ) 出线路数不大于3 l 条( 单台主机装置) ： ( 2 ) 变压器中性点不接地或经消弧线圈接地： ( 3 ) 电压互感器( p t ) 二次中性点接地或b 相接地： ( 4 ) 为防谐振加装零序p t 或消谐器。 313z g t d c 系列调容式自动跟踪接地补偿及接地选线装置 ( 1 ) 电容电流的补偿关键在于电容电流的测量，z g t d 自动跟踪消弧电抗器电容电流 测量采用实时法测量，具有测量周期短，响应速度快、测量精度高、不需调档和延长开 关寿命的特点； ( 2 ) 选线是根据零序电流的大小和方向来判别，在有消弧线圈系统中，由于谐波含量 小，误判率较高，而该微机选线在和自动跟踪消弧线圈成套使用时用的是有功分量法， 不再使用谐波法，确保选线准确。 3 1 4m l a 9 8 型小电流系统接地微机选线装置 m l a 9 8 型微机选线装置采用8 0 9 8 单片微机进行分析判断，其原理利用了小电流系统 华北电力大学硕士学位论文 发生单相接地时，零序电流“相对的幅值”与“相对的相位”关系，放弃了以往装置的 “绝对整定值”概念，从而克服了系统运行方式多变，接地电流小而引起的误判，具有 选线速度快、判断准确、运行可靠等特点。当被测系统发生单相接地，零序电压达到整 定值( 可在5 v 1 0 0 v 之间任意选取) 时，装置将启动选线程序并将所有被测线路零序 电流和故障母线零序电压同时采集进来，然后进行数字滤波以消除干扰。因为故障相的 零序电流为其它