（电力系统及其自动化专业论文）中低压配电网单相接地故障检测技术的研究.pdf

e 鏖窒型厶主亟堂垃丝塞旦s i 堑3 a b s t r a c t i ne l e c t r i cs y s t e m ，s i n g l e - p h a s ee a r t hf a u l to c c u p yw h o l ed e f e c t i v e6 0 u p w a r d s i n a ng i v e ns i t u a t i o n ，t h es e c u r i t yo fe l e c t r i cs y s t e mi so n l yd e c i d e db yt h ew o r km o d eo f n e u t r a lp o i n t i no u rc o u n 廿、f , p o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mo f6 3 5 k ve x t e n s i v e l yu s d n g i s o l a t e dn e u t r a ls y s t e mo rb ye x t i n c t i o nc o i lg r o u n d e du n d e r c u r r e n te a r t h e ds y s t e m m o d eo fc o n n e c t i o n ，t h i st h e s i sa n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i co fe a c hm o d eo fc o n n e c t i o n ， a n dt a k i n gt h es t u d yo fn e u t r a lp o i n te a r t h e db yp a r a l l e lc o n n e c t i o no fs m a l lr e s i s t a n c e a n de x t i n c t i o nc o i lw h i c hi sw i d e l yu s e d a sf o ru n d e r c u r r e n te a r t h e ds y s t e m ，w h e ns i n g l e p h a s ee a r t hf a u l to c c u r s ，t h e s h o r t - c i r c u i tc u r r e n ti sn o th i g he n o u g ht oe n d a n g e rt h es a f e t yo f e q u i p m e n t sa n d s y s t e m ， l i n ev o l t a g eo f t h es y s t e mi ss t i l ls y m m e t r y , a n dk e 印o nt r a n s p o r t i n gp o w e rt ol a s e r s ，b n t t h em a j o rd e f e c ti s ：w h e ns i n g l e - p h a s ee a r t h i n go c c u r s ，o t h e rp h a s ev o l t a g er i s e s ， i n t e r m i t t e n c em a l f u n c t i o nc a nb r i l 唱t r a n s i e n th i g hv o l t a g e , i ti st e n dt os t i m u l a t ea d a n g e r o u sp h a s e t o p h a s ef a u l t ，s oi nt h i ss y s t e m ，w h e ns i n g l e - p h a s ee a r t h i n go c c u r s ，w e s h o u l df i n do u tt h eg r o u n d e dc i r c u i ti nt i m e ，a n de x c i s et h ef a u l tl i n ea ss o o na s p o s s i b l e ，t h e r e a l es o m es t u d yt o w a r d ss i n g l e p h a s e f a u l t ，b u tt h e ya 1 1b a s e do n m a l f u n c t i o nr o u t es e l e c t i o ni nb u s b a re n d ，t h eo r i e n tt od e f e c tp o i n ti sa l s ob a s e do n b u s b a re n d , l i k et r a v e l i n gw a v er a n g i n g t l l i st h e s i sa n a l y s i sd i f f e r e n tk i n d so ft e s t m e t h o do fu n d e r c u r r e n te a r t h e ds y s t e mw h e ns i n g l e p h a s ef a u l to c c u r s ，a n db r i n g f o r w a r dd i f f e r e n tk i n d so f m e t h o dt oe s t i m a t et h ef a u l to c c u j sb e f o r eo rb e h i n dt h et e s t s t a t i o n ，i nt h i st h e s i sp a ya t t e n t i o nt ot h es y s t e mw h i c hn e u t r a lp o i n ti sg r o u n d e db y p a r a l l e lo fr e s i s t e n c ea n de x t i n c t i o n t h i ss y s t e mc a l lo p e nt h ef a u l tl i n er a p a i d l ya n d c a ng i v ef a i l u r em e s s a g ec l e a r l y a l s oi n t r o d u c e st w of i l t e rm e t h o d s ：f i ra n df f l t h e n b a s e do nt h ea c t i v ec o m p o n e n tt h e o r y , d e s i g nad e v i c ew h i c hc a nc o l l e c ts a m p l i n gb y w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dp r o c e e dd a t ap r o c e s s i n gb yt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 1 1 1 eh a r d w a r ep a r to ft h i st h e s i si n t r o d u c e sp e r i p h e r ys a m p l ec i r c u i t 、c o n d i t i o n i n g c i r c u i ta n do t h e rc i r c u i t sw i t ht m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 i n t r o d u c e sa l g o r i t h mb a s e do np h a s e c o m p a r i s o n , a sw e l la sa l g o r i t h m i cf l o wc h a nt oi m p l e m e n th a r d w a r e t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ee m u l a t i o nb ym a t l a b ，b yu s i n gs i m p o w e r s y s t e m e m u l a t i o nc o m p o n e n tl i b r a r y , ih a v ec o n s t r u c t e da nu n d e r c u r r e n te a r t h e ds y s t e mt o d e m o n s t r a t es o m ek i n d so fm e a s u r i n gm e t h o d ，n nk i ta n dc u s t o m e df i l t e rm o d u l ec a n j t 躯窑道厶堂亟土星垃垃塞旦s 塑! h e l pt op r o c e e dc o n f i r mt h ep a r a m e t e r i na l g o r i t h m ，t h e s ea i d e dd e s i g ns l i c k l y d e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo fa l g o r i t h ma n db el a r g ea c t i o nt oo p t i m i z et h ep r o g r a m ， k e y w o r d s - u n d e r c u r r e n te a r t h e ds y s t e m ，t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 、f a u l tl o c a t i o n 、 w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s c l a s s n 0 ：t m 7 7 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：轰矽、导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 北京交通人学硕十学俺论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，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，也不包含为获得北京交通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：啬拐 签字日期： 嘲年2 月驾日 致澍 本论文的工作是在我的导师王毅教授的悉心指导下完成的，王毅教授严谨的 治学念度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来王毅 老师对我的关心和指导。 王毅教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向王毅老师表示衷心的谢意。 王毅教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘和茂、张振乾、王玲玲等同学以及鄢素云、 常广、罗礼全等师兄对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我 的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 匕京交通人学硕十学傍论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 小电流接地系统单相接地故障定位的现实意义： 配电网是电力系统的重要组成部分，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。是生产生活中不可缺少的一部分， 一旦停电，所有的用电设备都不能j 下常运行。配电网直接担负为千家万户供电的 责任，只要配电网发生故障，就会降低对用户供电的可靠性和影响供电质量，带 来恶劣的影豌。因此，当配电网发生故障时，以最短的时间，把故障隔离在最小 的范围，保证其余绝大部分用户正常用电，并且迅速排查故障线路处理故障点， 己经成为电力行业工作人员刻不容缓的责任。 随着技术的发展，近年来，随着计算机技术、微电子、d s p 、通信技术和网络 技术的飞速发展及其在电力系统继电保护领域的广泛应用，出现了微机在线自动 选线装置。这种选线装置通过检测发生单相接地后各条线路及系统的电气量变化 提取故障特征。辨识故障线路，在保证持续供电的条件下实现自动选线功能。长 期以来，国内外继电保护工作者对此类小电流接地系统单相接地故障选线装置进 行了不懈的研究与探索，提出了基于不同方面故障特征的多种原理的选线方案， 并且研制了相应的装置，在电力系统中发挥了相应的作用。但是基于配网区别于 输电网固有的特点：节点多，分支线路多，广泛分布于城市及农村、直达所有的 用户，这给配电网的单相接地故障选线和测距带来了困难。小电流接地系统单相 接地保护看似简单易行，但实践证明是十分复杂的，这也是一些国家不采用小电 流接地方式的主要原因之一。目前，配电自动化系统的功能远不及人们所要求的 那样完美，有待人们进一步认识小电流接地系统的特点完善配网自动化功能，提 高对用户供电的可靠性和供电质量。因此进一步研究中低压配电网的单相接地故 障检测方法并开发出相应的现场装置，具有很强的理论和实际意义。 1 2 中低压配电网单相接地故障检测的现状： 我国电力系统常用的系统接地方式有四种：中性点直接接地、中性点经消弧 线圈( 消弧电抗器) 接地、中性点经电阻器接缝、中性点不解地。其中，中性点 经电阻器接地，按接地电流的大小又分高阻接地和低阻接地。我国的3 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，均属于小电流接地系统。 配电网故障中绝大部分是单相接地故障。由于，尊相接地故障时不形成短路回 北京交通人学硕七学位论文第一章绪论 路，只在系统中产生很小的零序电流，三相线电压依然对称，不影响系统正常工 作，我国电力规程规定，小电流接地系统可带单相接地故障继续运行1 2 小时。 这样能够提高供电的持续性和可靠性，这是小电流接地系统的突出优点。但是， 系统带单相接地故障运行时，接地相对地电压降为零( 金属性接地短路) ，非接地相 对地电压升高为线电压，若长期运行，将使非接地相绝缘薄弱处发生对地击穿， 造成两相接地短路事故。弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏 系统安全运行，因此必须及时找出故障线路，尽快排除故障。 小电流接地系统运行方式多样，线路结构多变，故障情况复杂，单相接地故 障电流仅为线路对地电容电流或消弧线圈补偿后的残流，数值非常小，故障特征 不明显。因此，配电网的单相接地故障选线至今仍是困惑电力系统的难题。近年 来，国内外采用的小电流接地测距故障定位方法很多，归纳起来有：阻抗法、s 注 入法、智能法、区段查找法和行波法等几种。 阻抗法的分析基于输电线是均匀线的前提，即假设故障线路的阻抗与测量点 点到故障点的距离成正比，根据计算的信息来源不同可分为单端阻抗法和双端阻 抗法，但是由于故障点过渡电阻、分布电容、线路布完全对称，还有电压、电流 变换的误差的影响，阻抗法的测距误差远远不能满足实际使用的需要。 s 注入法的原理是，系统发生故障时向系统注入一个特殊的电流信号，通过检 测注入信号的路径和特征来实现选线和测距，称之为“s 注入法”。 智能法通过引入人工神经网络和专家系统，结合卡尔曼滤波技术，模式识别 技术、概率和统计决策、模糊理论等分析方法对故障信号迸行处理，这些方法可 以较好地处理外界的各种干扰，但是目前还是处于研发阶段。 区段查找法通过馈线终端( r t u ，兀u ，d t u ) 检测各段开关处的电气量，进行故 障区段的判断，将故障区段迅速隔离，一定程度上缩小故障范围，缩短了故障查 找时间。但是此法的测距作用是有限的，无法实现故障线路的精确定位。 行波法是利用高频故障暂态电流、电压的行波或断路器断开或重合时产生的 暂态信号，来间接判断故障点的位置，或者注入阶跃信号，通过测量反射行波测 量距离。这种方法在输电线路分支少的情况下精度较高，但是，由于配电线路分 支多，再受到过渡电阻、线路不对称、系统参数等因素的影响，误差比较大。 这些方法在故障测距中，随着不同的环境( 对象) 体现出各自的优缺点。针对小 电流接地系统本身的特点，选择一种合适的方法，不是一件容易的事情，有待人 们进一步探索。如何判断故障位置，具有很强的实际意义。 北京交通人学项十学化论文第章绪论 1 3 本论文所做的工作： 本论文研究对象是小电流接地电力系统，研究重点是线路发生单相接地时， 进行故障点的定位。 本论文主要完成以下内容： ( 1 ) 总结分析研究了小电流接地电力系统的特点，指出小电流接地系统故障 定位的难点。 ( 2 ) 分析了在输电线上安装测量装置判断故障点的可行性，并选取中性点经 小电阻并联消弧线圈接地的系统，以有功分量为判据进行分析。 ( 3 ) 建立了基于m a t l a b s i m u l i n k 的小电流接地电力系统单相接地故障 仿真模型，对故障进行仿真；介绍了利用s i m u l i n k 中f d a t o o l 和神经网络模 块进行参数辅助设计的方法。 ( 4 ) 设计了以i m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为核心及其周边电路的测量装置。 北京交通人学硕十学位论文 第一章绪论 第二章小电流接地系统故障分析 2 1 电力系统中性点接地方式的划分 我国早期的接地技术规程中规定，不论电力系统中性点的接地方式如何， 只要单相接地电流或同点两相接地时的入地电流大于5 0 0 a ，则称为大接地短路电 流系统：反之，则称为小接地短路电流系统。由于此项规定不够合理，因而后来 在修订规程中被删除。 国外电力系统中性点接地方式的划分各有特点。如美国与加拿大根据自己的 国情规定，单相接地短路电流值处在三相短路电流的0 - 2 5 范围内，为小电流接地 系统：在2 5 1 0 0 范围内，为大电流接地系统；而接地电流大于1 0 0 并小于1 5 0 时，为非常大电流接地系统。不过，如此划分也存在一些问题。在中压范围内， 我国和许多国家的电网普遍采用小电流接地方式，其单相接地电弧能够自行熄灭， 是一个突出特点，这应当是进行小电流接地系统范围界定的重要条件和依据，而 按美、加的划分方法，势必有一部份单相接地故障电弧不能自行熄灭的系统也被 化入小电流接地系统之中了。显然，这是不合理的。 电力系统的中性点接地方式虽然有多种表现形式，但根据上述原则，基本上 可以划分为两大类：凡是需要断路器遮断单相接地故障者，属于大电流接地方式； 凡是单相接地电弧能够瞬间自行熄灭者，属于小电流接地方式。 对于中性点是否有效接地，美国电机工程师学会第3 2 号标准对此做出明确规 定：当在系统或系统的指定部分的所有点上，无论运行情况如何，以及连接的发 电机容量多大，零序电抗对正序电抗之比都不大于3 ，而且零序电阻对正序电抗之 比不大于1 时，该电力系统或系统的一部分可被认为是中性点有效接地的。当电 力系统不是全部有效接地，而在系统的一个指定部分的所有各点上，上述要求得 到满足时，可认为该指定部分是有效接地的。这个标准沿用至今，在国际上得到 广泛的认同f 1 1 。 我国电网按不同电压等级通常采用以下接地方式： 1 ) 3 3 0k v 及以上( 超高压) ：中性点采用有效接地方式。 2 ) 1 1 0 k v 及2 2 0 k v 以上( 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 ) 6 6 k v ( q p 压) 中性点通常采用不接地方式或接地方式，进入8 0 年代以来， 在少数城网和若干工矿企业，r 始采用低电阻或高电阻接地方式。 在我国，6 3 5 k v 供电系统均采用小电流接地系统，主要有中性点不接地系统、 4 北京交通人学硕 ：学位论文第二章小电流接地系统故障分析 谐振接地系统、电阻接地系统，它们各自有各自的特点。 2 2 中性点不接地系统单相接地故障分析 中性点不接地系统实现起来很简单，在电源中性点处不需附加任何装置，( 如 图2 1 所示) 【2 】。 图2 1 ：中性点对地绝缘电网的接地电流分布 f i 醇1 ：g r o u n d i n gc u r r e n td i s t r i b u t i o n gi nn e u t r a l p o i n tg r o u n d i n gi n s u l a t i o n g e l e c 扛i en e t w o r k 图2 2 图2 1 的等效电路图 f i 醇2 ：e q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mt of i 篮1 图2 1 中、厶、厶代表三条支路，z 墨、z 正、z 五分别是安装在各支路的 零序电流互感器。设每条支路各相对地分布电容相等，分别以集中参数c l 、c ，、c 3 表示，设厶支路的a 相发生接地故障，图2 2 为等效电路图。这时，电网各故障 参数存在如下关系 3 】： ( 1 ) 流过非故障支路零序电流互感器鹰i 边的故障电流为本支路晌零序电流， 北京交通人学硕十学侍论文第_ 二章小电流接地系统故障分析 其相位超前零序电压9 0 度( 以表示零序电压) ，可表示为 i i = 3 j a x t , u o 2i 式中，i = l ，2 ，3 为支路号，为角频率。 ( 2 ) 接地点电流为所有支路电容电流之和。即： j i = 3 j a , c zu o 2 2 式中：g = y e 为各支路对地总电容。 ( 3 ) 流过故障支路零序电流互感器的电流是所有非故障支路电容电流之和， 其相位滞后“9 0 度，可表示为： = 一3 j a u o ( 呸一g ) 2 3 式中：k 为故障支路号。 ， ( 4 ) 由图2 2 可得接地电流，。和中性点电压： 如2 忑u x = 丽j 3 0 c o 4 玑 心+ j 3 a l , c o 1 + j 3 玑。心 乩2 丽1 ( 一如) = 再了丽- 1 + 以 2 4 2 5 c ，。为故障前的相电压，。为接地电流，当金属接地时，即毋为0 时砜= 州。 中性点不接地系统的优缺点： ( 1 ) 当发生单相接地故障时，只是故障相电压升高至原电压的几倍，而线电 压维持不变，故不影响三相设备的正常运行。这是该接地方式的一个优点。当单 相接地电容电流不大( 如5 a 以下) 时，其所引起的热效应能为电网的各个元件的绝 缘所承受。对于提高供电持续性有一定作用。 ( 2 ) 可能产生异常过电压。当发生铁磁谐振过电压时，其值可达到4 倍相电 压：发生白j 歇性弧光接地时，有时可达3 5 倍相电压值。该过电压波及全网，持 续时间相对较长，将对网络中的设备绝缘寿命产生不良影响。 ( 3 ) 近年来，随着用户用电容量设备增加，中低压配电线路加长，尤其是电 缆供电网，使电网的电容电流增大，这样，当发生单相接地故障时，由于电容电 流较大，电弧可能无法自行熄灭，很容易造成故障点电缆过热使电缆绝缘被破坏 而引起两相短路或者三相短路故障，也可能形成间隙电弧过电压【4 。 6 j 匕京交通人学硕十学位论文第二章小电流接地系统故阶分析 2 3 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障分析 由于电容电流之和可能很大，将会损害电网，所以一般都采用引入消弧线圈 得到感性电流，用来补偿容性电流 1 】【5 】。 图2 3 ：引入消弧线圈后的接地电流分布 f i g2 3g r o u n d i n gc u r r e n td i s t r i b u t i o nw h e ne x t i n c t i o nc o i li si n t r o d u c e d 图2 4 ：图2 3 的等值电路 f i g2 4 ：e q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a m t of i 9 2 3 厶= _ 。二1 1 一 即面j 八j 玑一j 2 o 【一_ ，7 ( 3 c o c 一壶) 其中，一u 是故障十l i 电压，兄是接地点过渡电阻 2 6 2 7 北京交通人产硕十学位论文 第二章小i u 流接地系统故障分析 接地故障时，中性点电压为仉，通过消弧线圈与地相连，产生一个感性电流 ，= 一j u o c o l 与接地电流迭加，当电弧接地，忽略心时，使接地点电流变成 l = j u o ( 3 0 ) c s 一1 m l ) 。且根据l 值不同分为完全补偿、过补偿、欠补偿三种情 况。在电网运行中，通常采用过补偿方式，使， ，这旱有补偿度p 的概念；它 定义为： ( t 一丘) ，0 。现将系统的三种不同工作状态分析如下： ( 1 ) 全补偿( p = o ) ：当电流谐振回路恰好在谐振点工作时，因p = 0 ，。= l ，此 时，电容电流与电感电流大小相等，方向相反，完全抵消，残流中仅含有有功分 量，且其相位与中性点位移电压u o 相同。 ( 2 ) 欠补偿( p o ) ：当电流谐振回路在欠补偿状态下工作时，因p ， 此时其中主要含有感性无功电流分量。 中性点经消弧线圈接地的优缺点： ( 1 ) 采用谐振接地方式的电网，能够有效补偿接地电容电流，对瞬间故障能 够自动熄灭电弧，供电可靠性较高，这是该种方式的重要优点。 ( 2 ) 单相接地的异常过电压可抑制在2 8 倍相电压以下。 ( 3 ) 自动跟踪补偿消弧系统的运行经验表明，装置可以运行在欠补、全补和 过补状态，而不会发生过去人们担心的串联谐振过电压。同时简化了运行管理， 避免了过去非自动调谐装置存在的调节及不稳定难题。但是由于零序电流被补偿， 给传统接地选线保护带来一定困难。 2 4 中性点经消弧线圈并联电阻接地系统单相接地故障分析 随着城市的扩张，1 0 k v 配电网发展很快，单相接地的电容电流增长比较快， 还由于使用了一部分绝缘水平比较低的电缆，为了降低过电压水平，减少相问故 障可能性，很多城市采用了中性点经低电阻接地的方式。从限制弧光接地过电压 考虑，当电弧点燃到熄灭的过程中，系统所积累的多余电荷在熄灭后半个工频周 波内，能够通过r n 泄露掉，过电压幅值就可以明显下降。 中性点电阻值如果取的太低，单相接地电流较大，对通信线路的干扰就比较大； 但是如果阻值取的太大，那么就会影响到继电保护的可靠性。一般来说，中性点 电阻中的电流拒1 0 0 - 一2 0 0 a 时对通信的于扰不成问题，在此条件下，1 0 k v 架空线 路，中性点电| ；| 【值为2 8 8 0 5 7 7 4 q 。埘于屯缆为主的配电网，根掘n 本的经验， 北京交通人学硕 。学1 7 = 论文 第一章小电流接地系统故障分析 中性点电阻中的电流在4 0 0 , - - 8 0 0 a 时，对通信线的干扰问题不大，据此，1 0 k v 电 缆配网中性点电阻值的范围应咳为7 2 1 4 4 q 。 中性点经低电阻接她的方式，特别是以架空线为主的配电网单相接地时，跳 闸次数会大大增加，如果未能实现环网供电或线路没有装设重合闸，则停电次数 将会增加，降低了供电可靠性。自动跟踪补偿消弧线圈装置可以自动适时的监测 跟踪电网运行方式的变化，快速地调节消弧线圈的电感值，以跟踪补偿变化的电 容电流，使失谐度始终处于规定的范围内。中性点经消弧线圈接地系统的特点在 上一节已经介绍过了，它可以排除占很大比例的弧光接地故障。把电阻和消弧线 圈并联，可以避免误跳闸。 中性点经电阻并联消弧线圈接地的系统的电路图和等值电路与图2 3 、图2 4 类似，只是并联电阻和消弧线圈的时候使r o 发生相应变化。 电阻的加入： 1 出现了有功电流，或者说，使有功电流分量变得明显，这就是有功分量判 别的依据。 2 可以限制弧光接地过电压。 3 有利于故障选线。 消弧线圈的加入： 1 ，对瞬间故障能够自动熄灭电弧，供电可靠性较高。 2 单相接地的异常过电压可抑制在2 8 倍相电压以下。 3 有效补偿接地电容电流。并且，结合小电阻，可以做到全补偿电容电流， 使得有功电流的相位变得显著。 2 5 本章小结 电力系统中性点接地方式是一个很重要的综合性问题，它不仅涉及到电网本 身的安全可靠性、过电压绝缘水平的选择，而且对通讯干扰、人身安全有重要影 晌。本章介绍了关于中性点接地的几种不同方式，各自分析了它们的特性和优缺 点，通过分析，我们了解到： i ) 发生单相接地故障后，全系统将出现零序电压和零序电流。 2 ) 在非故障线路上有零序电流，其数值本身等 ：对地电容电流，电容性无功 功率的实际方向为由母线流向线路。 3 ) 在故障线路上，零序电流为全系统非故障线蹿对地电容电流之总和。数值 北京交通人学硕十学何论文第一二章小电流接地系统故障分析 较大，电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线。但是在有消弧线圈 的系统中，由于过补偿作用使故障点、故障线的零序电流大大减小，因此 它的大小与非故障线的零序电流值差别不大，使得不能通过零序电流的大 小和方向来判断故障线路。 4 ) 非故障线路的零序电流超前零序电压9 0 度；故障线路零序电流滞后零序 电压9 0 度，即故障线路与非故障线路零序电流相差1 8 0 度。 我国在城市配电网中曾经广泛采用中性点不接地系统，是因为发生单相接地 故障时，不会破坏系统电压的对称性，且故障电流比较小，系统可以运行1 2 h ， 不影响用户连续供电，能满足配网点多、面广、用户复杂的情况，满足供电的可 靠性。但是随着城乡电网改造以及配电网的不断发展，线路越来越复杂，电缆越 来越多。l o k v 系统的电容电流往往超过我国有关规程规定的允许按不接地方式运 行的上限值。所以各地往往把不接地系统改造成小电阻接地或者小电阻并联消弧 线圈接地，小电阻接地的好处可以配合重合闸，快速地切断故障线路，并联消弧 线圈接地则可以利用小电阻的有功分量，这也是本文分析的对象。 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或高 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。城乡配电网的中性点接地方式是一个涉及面广、与诸多因素有关的综合 问题，在不同地区、具有不同特点的配电网，在不同的发展阶段，这些因素及要 求都是不一样的，而各种中性点接地方式和装置都有一定的适用范围和使用条件， 为此，采用不同的中性点接地方式是很正常的。我国城乡电网正在加快建设与改 造的速度，中性点接点方式对于电网的发展是重要的技术问题，引起了多方面的 关注和重视。 0 北京交通人学硕十学位论文 第二章对单相接地故障点定何的尝试 第三章对单相接地故障点定位的尝试 3 1 小电流接地系统单相接的研究现状 由于小电流接地方式有着一系列的优点，因此被广泛应用于我国中压电网中， 因此，我国十分重视小电流接地系统的单相接地保护原理和装置的研究工作。保 护方案也从零序电流保护发展到零序无功方向保护，从基波方案发展到五次谐波 方案，以及利用首半波极性方案，并先后推出几代产品。 以选线为目的，我国发展了许多理论并开发了许多产品，比如零序电流群体 比幅比相法、零序电流有功分量或有功功率法、零序导纳法、相位比较法、幅值 比较法、注入法等，取得了很好的效果。但是这些仪器都要依赖母线端进行数据 汇总分析，而且只能选择故障线路，而无法判定故障位置，所以新仪器的开发势 在必行。本文探索了一些判别方法，主要分为信号注入法、接地故障稳态特征分 量判别法、接地故障暂态特征分量判别法【1 2 】【1 】。 本章通过分析、比较各种分析方法的特点，判定对于中性点通过消弧线圈并 联电阻接地的系统，采用分析有功分量的方法，这种方法特征信息明显，受误差 干扰较小。 3 2 信号注入法 利用单相接地时原边被短接、暂时处于不工作状态的故障相电压互感器向系 统注入一个特殊信号电流，比如不可能出现的某频率信号。根据注入信号电流沿 接地线路经接地点返回的特点，在输电线路上安装一些电流互感器，这些互感器 如果在故障线路上的从母线端到故障点，都可以测到特殊信号，而在故障点后和 非故障线路都测不到，根据这个原理，首先可以正确选线，然后沿着母线端排查， 就可以找到故障点。这种方法比较准确，但是不适合中性点不接地系统。 该方法在一些实际应用中效果较好，但是也有一些弱点，比如：注入信号强 度受p t 容量限制，过渡电阻较大或接地点存在f _ 自j 歇性电弧现象时检测效果欠佳， 在电磁干扰及噪声严重的现场环境下容易出现误判。对注入信号的有效检测有待 改进。 北京交通人学硕i 。学位论文第二章对单相接地故障点定位的尝试 3 3 接地故障暂态特征分量判别法 行波判别法： 当输电线路某点发生故障时，会产生向线路两端传输的行波，这个过程 可以利用叠加原理进行分析，即将其视为正常负荷状态和故障状态的叠加。故障 附加状态下的电流电压称为故障分量，它相当于系统电势为零时，在故障点叠加 了一个与工频电压幅值大小相等方向相反的电压。在这个电压作用下，将产生由 故障点向线路两端传播的行波。初始行波浪涌将以接近光速向两个相反的方向传 播，并在故障点和系统中其它波阻抗不连续点不断地反射和折射，直到进入稳态。 行波在输电线路上传播时，在波阻抗发生变化的地方会产生折射与反射，配 电线路多为树形分枝结构，不同大小导线的连结点的阻抗不连续，故障接地时， 节点阻抗因接地的情形不同而不同。不连续点行波发生反射，接地点发生反射及 折射，反射系数、折射系数随着接地点阻抗的不同而变化。可以通过比较故障前 后发射行波的变化来计算故障距离。 行波定位方法在原理上分为两种，其中单端法利用行波在阻抗不连续点发生 反射和透射的特性，找到来自故障点的反射波，根据波速与时间的关系，计算得 到故障距离；双端法利用故障行波以近于光速向线路两端传播的特点，在线路两 端捕捉故障初始行波波头，利用行波到达线路两端的时间差来实现故障定位。实 际的行波定位方法有两类，一类是利用故障产生的行波进行双端或单端故障定位， 一类是人工向故障系统注入脉冲信号，捕捉由故障点反射回来的行波，从而找到 故障点。利用故障产生的行波进行单端故障定位的方法称为a 型行波定位方法， 利用故障产生的行波进行双端故障定位的方法称为b 型行波定位方法，人工注入 脉冲信号的方法称为c 型行波定位方法。 本文设计了基于a 型行波定位方法设计的m a t l a b 行波测距程序，设第一次 测到行波时间为t ，通过故障点再次反射后测到的行波时间为t ，波速为r ，则故 障距离为：= 二上二止。 程序中使用m a t l a b 提供的小波函数进行数据处理，小波，即小区域的波， 是一种特殊的长度有限、平均值为0 的波形。它有两个特点：一是再时域都具有 紧支集或近似紧支集；二是正负交替的“波动性”，也即直流分量为零 小波分析是把信号分解成一系列小波函数的叠加，而这些小波函数部是由一 个母小波函数经平移和尺度伸缩得柬的。小波函数y ( f ) l 2 ( 尺) ( r ( 尺) 又被称为能 量有限信号空间) ，其傅立叶变换为矿c o ) ，若满足如下的允许性条件， 。= 年 。- - i l 7 交通人学硕十学位论文第二章对单相接地故障点定何的尝试 则函数杪( f ) 称为一个基本小波或母小波，式( 3 - 1 ) 与下式等价 i v ( t ) d t = 0 3 2 莎( f ) 具有一定振荡性，即它包含某种频率特性。由基小波y ( f ) 通过伸缩、平 移生成的一族函数族称为连续小波。 矿“( r ) = l g 一j y ( 三二竺) a , b霹，口o 3 3 “ 其中：a 称为尺度因子，b 称为平移因子。 信号厂( f ) l 2 ( r ) 关于小波虬。( f ) 的连续小波变换被定义为： w ，f ( a ，6 ) = 去胁) ( 竿) a t 3 4 4l a i ； 4 写成内积形式为： 既f ( a ，6 ) = ( f ，y 。j ) 3 5 尺度的倒数1 a 在某种意义上对应于频率c o ，即尺度与频率成反比。如果将尺 度理解为时间窗的话，小尺度信号为高频信号，时域窗口很窄，允许频域窗口适 当放宽；大尺度信号对应低频信号，时域窗口很宽，频域窗口适当变窄。这一点 同信号时频分布的自然规律是相符的，因为实际的高频信号必然持续时问很短， 低频信号必然持续时间很长。实际的多尺度信号的时间过程分析需要时频窗口具 有自适应性。对t ，国平面，横轴和纵轴都是频率的函数，单其积为定值。 多分辨分析的实质就是把信号在一系列不同层次的空问上进行分解的分析方 法。这种信号分解能将各种交织在一起的不同频率组成的混合信号分解成不同频 率的子信号。多分辨分析为小波基、尺度函数的构造及小波分析的应用提供了统 一的框架，是小波分析的核心。 当信号的采样率满足n y q u i s t 要求时，归一频带必须限制在一万+ 石之间。此 时可分别用理想低通滤波器日和高通滤波器g 将它分解成频带在0 x 1 2 的低频 部分和；r 1 2 ，r 的高频部分，分别反映信号的概貌与细节，如图3 3 所示。 r d 2 - - 僵 f ( ) 频部分 细节信号 频部分 平滑概貌 0 - - 利2 图3 】频带理想剖分 f i g 3 1b a n di d e a ls u b d i v i s i o n 处理后两路输出必定是币交的( 闵为频带不交叠) ，而且 i 于两路输出信号的带 北京交通人学硕十学位论文第二章对单相接地故障点定位的尝试 宽均减半，因此采样率可以减半而不致引起信息的丢失，这就是图上在滤波后进 入“二抽取”环节的理由( 所谓二抽取就是将输入序列每隔一个输出一次，组成长 度缩短一半的新序列) 。 类似的过程对每次分解后的低频部分可重复进行下去。即：每一级分解把该级 输入信号分解成一个低频的粗略逼近信号和一个高频的细节信号。而且每级输出 采样率都可以减半。这样就将原始信号进行了多分辨分析。 信号经高于三尺度分解后，效果也不会有太大改进，所以通过三尺度进行信 号的极性判别，再在二尺度内计算位置。 设计流程如下： 1 分别三个尺度分解 2 第三尺度求模极大值a 和t 1 3 将各尺度同极性 4 消噪l o ， 5 ，第三尺度上对t 1 后的模再求极大值时间t 2 6 在第二尺度上对t l 、t 2 附近求模极大值 f 焉譬喇龟弩删哪弹吧瀚艟”f 嚣f 獬止凇一譬豫一蝴镁罗，睇 飞叠飞一n “一一一一二。一 “飞一v 麓一w g e 女x 疑z 目镕搿霸g 美s 型i 氍嚣麓嚣g 箱2 嚣8 # ；e j i 瞄g # ；l 赛 图3 2 故障信号以及第二、三尺度分解 f i g 3 2 f a u l ts i n g l ea n d2 t h 、3 t hs c a l ed e c o m p o u n d 行波法影响其应用的有几个方面。首先是行波信号的捕捉困难，因为只有在 故障发生的瞬间才有故障行波信号，如果采取向系统注入信号的方法，还受藕合 设备的复杂性和造价的限：刮。对于直接捕捉行波的暂念法，由于不需要信号注入 4 北京交通人一学硕十学忙论文第二章对单相接地故障点定位的尝试 设备，虽然可以作到经济、简单，但行波的取样和故障点反射信号的识别是该方 法的关键所在；而且，如果提高定位的精度，需要高速的信号取样转换和采集设 备，般普通的电流和电压互感器不能满足高频信号的传变要求。其次，因为故 障发生时刻是随机的，它与故障原因、线路状况等因素有关，在电压接近峰值时 发生故障时，能产生最强的暂态行波电压，在电压接近零时故障，则暂态行波电 压很弱，影响定位的可靠性，当故障发生在电压初始角为零附近时，行波分量很 小，不能检测到故障产生的行波，使行波定位方法失效。而且由于母线结线方式 的多样性，造成母线处反射波的大小和相位的有所不同。最后是故障距离的变化 造成行波主频率的不确定，故障距离的变化，使得行波暂态主频率的变化范围很 大，而一般的测量采样系统和分析方法很难对如此宽域的信号进行处理。以上这 些因素是行波定位方法必须考虑的问题 1 0 1 。 通过m a t l a b 编程仿真，发现对于单线路判定较准确，而对于支路故障就不 准确了，而多支路是中低压配电网的特点之一。而且精密采样互感器，也不适合 作为方向指示的在线仪表使用。 3 4 多测量点在线检测的方法 对中性点不接地系统进行单相接地故障分析，可得如下特征： 1 ) 发生单相接地故障时，全系统都将出现零序电压； 2 ) 在非故障分支线路上有零序电流，其数值等于本身的对地电容电流，电容性 无功功率的实际方向为由母线流向线路； 3 ) 在故障分支线路上，始端零序电流为全系统非故障线路对地电容电流的总 和，数值一般较大，电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线。 根据线路单相接地故障情形下的特征信息，采用分布式探测器在线监测接地 故障时，可以采用如下判据判断故障：采用监测零序电流的方法，当母线上出线 较多，网络规模较大时，母线至故障点的区段零序电流值基本相等，而且远大于 其它区段的零序电流值，这一特点可作为故障定位判据。 根据以上分析，具体实现方案为：在各分布式监测点安装在线监测探测器， 各个探测器具备零序电流测量、数据处理和g p r s 通信功能；在监控中心设置计 算机主机，主机系统包括g p r s 通信、信息处理和地理信息管理软件。配电网j 下 常运行时每个探测器都处于待机状念，当发生接地故障时，主机系统根掘监测到 的零序电压确定故障的发生，通过通信系统启动各个探测器测量零序电流，测量 结果通过g p r s 反馈给主机，管理软件根掘网络结构和各分支的零序电流大小进 j 匕京交通