（电力系统及其自动化专业论文）分布式小电流接地选线技术的研究.pdf

华北 电力大学硕十学位论文 摘要 我国中低压配电网多采用小电流接地系统。由于接地故障电流很小，因此给故障选 线带来了 一定的困 难。 本文针对小电 流接地系统单相接地选线的问题， 提出了一套分布 式选线的实 现方式， 主要内容如下: 针对小电流接地系统发生单相接地时，系统的故障特征进行了分析，分别分 析了中性点不接地和经消弧线圈 接地系统发生单相接地故障时的情况。 对目 前各种 算法的优、缺点及适用条件进行了分析和比较。 在此荃础上，阐述了分布式小电流选线装置的单片机实现方案。 重点介绍了 该 装置的系统结构、硬件构成和程序框架，主要包括器件选型、通道设计和总线通信 方式的选择，并对本课题相关的软、硬件技术做了简要介绍 。 关键词:分布式，小电流， 接地选线，单片机，4 8 5 总线 abstract i n o u r c o u n t r y , d i s t r ib u t i o n p o w e r s y s t e m i s m a i n l y t h e n o n - e ff e c t i v e e a r t h i n g s y s t e m . b e c a u s e o f t h e f a i n t f a u l t c u r r e n t , i t s a p r o b l e m f o r f a u l t d e t e c t i o n . a im i n g a t t h e f a u l t d e t e c t i o n o f t h e n o n - e f f e c t i v e e a r t h i n g s y s t e m , t h e p a p e r b r i n g s f o r w a r d a p r o j e c t o f d i s t r i b u t e d d e v i c e h a v i n g a n a l y s e d t h e f a u l t c h a r a c t o r s d u r i n g t h e s i n g l e - p h a s e e a r t h - f a u l t i n n o n - e f f e c t iv e e a r t h i n g s y s t e m , e x p a t i a t e d t h e i n s t a n c e i n u n g r o u n d e d s y s t e m o r e a r th i n g v i a e x t i n g u i s h i n g c o i l s y s t e m . e n u m e r a t e s a n d c o m p a r e s t h e p r e d o m i n a n c e s a n d i n f e r i o r p o s i t i o n o f a l l a r i t h me t i c n o w. t h e p a p e r e x p t i a t e s d i s t r i b u t e d d e v i c e o f f a u l t d e t e c t i o n o f n o n - e ff e c t i v e e a r t h i n g s y s t e m . t h e e m p h a s e s i s s y s t e m f r a m e w o r k , h a r d w o r k c o m p o s i n g a n d p r o g r a m f r a m ,i n c l o u n d i n g p a r t s o f t h e a p p a r a t u s , c h a n n e l d e s i g n a n d s e l e c t i o n o f c o m m u n i c a t i o n mo o d . i n t h e e n d , g i v e t h e b r i e f i n t r o d u c t i o n s o f h a r d w a r e a n d s o ft w a r e t e c h n i c i n v o l v e d i n t h e p a p e r . k e y wo r d s : d i s t r i b u t e d , n o n - e ff e c t i v e e a r th i n g , f a u l t d e t e c t i o n , s c m, 4 8 5 b u s z h a n g p e n g ( e l e c t r i c p o w e r s y s t e m a u t o m a t i o n ) di r e c t e d b y p r o f . z h a n g yi h a n 匕七.o口 尸明 本人郑重声明: 此处所提交的 硕士 学位论 文 分布式小电 流接地选线技术的研究 ， 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 任何贡献均己在论文中作了明 确的 说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 :示漓日期 :， 。 、 二 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: 导师签名: 日期: 彻 - a o o s . 3 巧 日期: 一拇鹦 6 a a b-s舀/ 5 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引言 第一节 问题的提出 电力系统中性点接地方式可划分为两大类:大电流接地方式和小电流接地方 式。在 大电流接地方式中，主要有:中性点直接接地方式 、中性点经低电阻、低 电抗或 中电阻接地方式;在小电流接地方式中，主要有 :中性点经消弧线圈接地 方式、中性点不接地方式和中性点经高电阻接地方式等。电力系统中性点接地方 式是一个系统工程 问题，选择哪一种接地方式，必须充分考虑地区特点、电网结 构、供 电可靠性 、继电保护技术要求、电气设备 的绝缘水平、过电压水平、人身 安全、 对通讯的影响以及运行经验、 历史因素等， 通过技术经济比较， 加以 确定t - 我国 配电网中， 6 6 k v和 3 5 k v电网主要采用中性点经消弧线圈接地方式， 3 k v - l o k v电网则以中性点不接地方式为主， 个别地区如上海 以及北京、广州等的 部分城市电网采用小电阻接地方式。 小 电流接地系统的故障绝大多数是单相对地短路故障。小电流接地系统在发 生单相对地短路故障时，由于大地与中性点之间没有直接电气连接或串接了电抗 器，因此短路电流很小，保护装置不需要立刻动作跳闸，从而提高了系统运行的 可靠性 。尤其在瞬时故障条件下 ，短路点可以自行灭弧恢复绝缘 ，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是随之而来的问 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， 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。这就提出了小电流接地系统的单相接地故障选线问 题。 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 很大的零序故障电流，从而启动保护装置动作跳闸。小电流接地系统的优点是接 地故障零序电流小，然而在判断故障线路时，这恰恰成了一个非常不利的因素， 微弱的零序电流往往混杂在各式各样的干扰信号中间。长期以来， 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，但现场应用效果都不理想。 作为选线技术的发源地，我们小电流接地系统单相接地故障选线课题组在 2 0 0 0年立项，对该项 目进行 了深入的再研究，历时三年时间， 实现了选线技术的 第二次飞跃。经历两年多的现场运行，新装置的现场选线正确率达到 9 7 %。这一 成绩的取得， 证明了现有选线判据的正确性和实用性。 另一方面，变 电所综合 自动化技术 国内外都 比较成熟。新建 的变电所都采用 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引言 第一节 问题的提出 电力系统中性点接地方式可划分为两大类:大电流接地方式和小电流接地方 式。在 大电流接地方式中，主要有:中性点直接接地方式 、中性点经低电阻、低 电抗或 中电阻接地方式;在小电流接地方式中，主要有 :中性点经消弧线圈接地 方式、中性点不接地方式和中性点经高电阻接地方式等。电力系统中性点接地方 式是一个系统工程 问题，选择哪一种接地方式，必须充分考虑地区特点、电网结 构、供 电可靠性 、继电保护技术要求、电气设备 的绝缘水平、过电压水平、人身 安全、 对通讯的影响以及运行经验、 历史因素等， 通过技术经济比较， 加以 确定t - 我国 配电网中， 6 6 k v和 3 5 k v电网主要采用中性点经消弧线圈接地方式， 3 k v - l o k v电网则以中性点不接地方式为主， 个别地区如上海 以及北京、广州等的 部分城市电网采用小电阻接地方式。 小 电流接地系统的故障绝大多数是单相对地短路故障。小电流接地系统在发 生单相对地短路故障时，由于大地与中性点之间没有直接电气连接或串接了电抗 器，因此短路电流很小，保护装置不需要立刻动作跳闸，从而提高了系统运行的 可靠性 。尤其在瞬时故障条件下 ，短路点可以自行灭弧恢复绝缘 ，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是随之而来的问 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， 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。这就提出了小电流接地系统的单相接地故障选线问 题。 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 很大的零序故障电流，从而启动保护装置动作跳闸。小电流接地系统的优点是接 地故障零序电流小，然而在判断故障线路时，这恰恰成了一个非常不利的因素， 微弱的零序电流往往混杂在各式各样的干扰信号中间。长期以来， 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，但现场应用效果都不理想。 作为选线技术的发源地，我们小电流接地系统单相接地故障选线课题组在 2 0 0 0年立项，对该项 目进行 了深入的再研究，历时三年时间， 实现了选线技术的 第二次飞跃。经历两年多的现场运行，新装置的现场选线正确率达到 9 7 %。这一 成绩的取得， 证明了现有选线判据的正确性和实用性。 另一方面，变 电所综合 自动化技术 国内外都 比较成熟。新建 的变电所都采用 华北电力大学硕士学位论文 综合自动化技术。现有的综合自 动化系统虽然也有单相接地故障选线功能，但技 术水平都不太高，选线成功率都很低，难以满足用户的要求。而传统的集中式选 线装置虽然选线成功率很高，完全能满足运行要求，但是，这种新型选线装置采 用的集中式信号处理技术，不能和综合自动化技术有机的结合，两套系统用在一 个变电所，只能各自单独存在，不能一体化，造成了资源的浪费和运行的不便。 从发展 的眼光看，需要把二者结合起来，组成一体化的自动化系统。 第二节 解决问题的方法 变电站综合自动化技术的发展为小电流接地选线问题的发展开拓了崭新的空 间。分布式测控装置的选线系统可以 方便的得到开关处的电气量，这将有利于特 征量的提取 :强有力的通信功能使得新一代小 电流接地保护能够获得馈线的所有 特征量并进行综合比较 。 为此，需要把集 中式选线系统改造成分布式选线系统。每回配电出线都有单 独的信 号采集和处理系统 。发生单项接地故障时通过信号处理就地形成该 出线的 零序电流的数字信息:通过总线通信网，各出线经过处理的信号发送至后 台机 ， 通过面选线原理选出故障线。 第三节 论文的主要工作 本论文共分三个部分。 第一部分( 第二章)主要对小电流接地系统发生单相接地时，系统的故障特征 进行了分析， 分别分析了中 性点不接地和经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时 的情况 。 第二部分( 第三章)主要对 目 前各种算法的优、 缺点及适用条件进行分析; 第三部分( 第四章) 是全文的核心， 论述了分布式小电流接地选线装置的实现问 题。重点介绍了分布式小电流选线装置的软、硬件 实现方式。 华北电力大学硕士学位论文 综合自动化技术。现有的综合自 动化系统虽然也有单相接地故障选线功能，但技 术水平都不太高，选线成功率都很低，难以满足用户的要求。而传统的集中式选 线装置虽然选线成功率很高，完全能满足运行要求，但是，这种新型选线装置采 用的集中式信号处理技术，不能和综合自动化技术有机的结合，两套系统用在一 个变电所，只能各自单独存在，不能一体化，造成了资源的浪费和运行的不便。 从发展 的眼光看，需要把二者结合起来，组成一体化的自动化系统。 第二节 解决问题的方法 变电站综合自动化技术的发展为小电流接地选线问题的发展开拓了崭新的空 间。分布式测控装置的选线系统可以 方便的得到开关处的电气量，这将有利于特 征量的提取 :强有力的通信功能使得新一代小 电流接地保护能够获得馈线的所有 特征量并进行综合比较 。 为此，需要把集 中式选线系统改造成分布式选线系统。每回配电出线都有单 独的信 号采集和处理系统 。发生单项接地故障时通过信号处理就地形成该 出线的 零序电流的数字信息:通过总线通信网，各出线经过处理的信号发送至后 台机 ， 通过面选线原理选出故障线。 第三节 论文的主要工作 本论文共分三个部分。 第一部分( 第二章)主要对小电流接地系统发生单相接地时，系统的故障特征 进行了分析， 分别分析了中 性点不接地和经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时 的情况 。 第二部分( 第三章)主要对 目 前各种算法的优、 缺点及适用条件进行分析; 第三部分( 第四章) 是全文的核心， 论述了分布式小电流接地选线装置的实现问 题。重点介绍了分布式小电流选线装置的软、硬件 实现方式。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 小电流接地系统及单相接地故障分析 为了对各种算法将要采用的故障信息有一个全面的了解，下面将对小电流接 地系统单相接地故障进行分析，取得各种故障信息的特征和规律，为评价各种选 线算法 的优劣和界定适用范围提供条件。 第一节 小电流接地系统简介 本文研究的小电流接地系统单相接地故障选线技术主要针对中性点不接地系 统和经消弧线圈接地系统。 中性点不接地方式是一种最简单的方式。在这样的系统中，变压器中性点悬 空，与大地完全没有电气连接。当这种系统发生单相接地故障时，依靠线路对地 电容构 成故障回路，流经接地点的电流主要是电容电流，接地电流的大小取决于 变电所出线的类型和长度。由于没有任何感性电流的补偿，接地电流有可能会较 大， 特别是出线较多，线路长度较长，或者包含大量电缆线路 ( 电缆要比同 样长 度架空线的电容电流大 2 5 倍一5 0 倍) 的变电所， 接地的容性电流会达到几十安培 甚至上百安培，给系统的安全带来隐患，所以 此种接地方式主要应用在变电 站出 线以 架空线为主、单相接地故障大多是可恢复的绝缘故障、对运行的可靠性要求 较高，而系统的对地电容较小的系统中。 对 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，必须采用中性点经消弧线圈接 地的方式运行。消弧线圈是具有一定容量的单相电 感线圈，一般是一个带铁芯的 扼流线圈，外形类似变压器。它接在变压器的中性点与大地之间，构成另一个回 路，使接地点接地相电流中增加了一个感性电流分量，它流过接地点的容性电流 分量相抵消，大大减小了接地点的电流，使电弧易于自 行熄灭，接地电弧不能重 燃， 从而将单相电 弧接地过电 压限制在2 . 33 . 2倍额定相电压， 提高了 供电可靠性。 同时，采用消弧线圈接地的系统还可以有效地防止电压互感器的 铁磁谐振过电 压。 因此，这种接地方式得到了广泛的应用。 第二节 小电 流接地系统单相接地故障分析 在小电流接地系统中发生单相接地故障的情况下，单相短路接地故障将不会 形成大电流的回路，故障电流主要由线路对地电容提供。这个电流在数值上是很 小的。对于 l o k v架空线路来说，每3 0 公里线路产生大约 1 安培的零序电流。电 缆线路产生的零序电 流稍大一些。这样微弱的故障信号混杂在上百安培的负荷电 华北电力大学硕士学位论文 第二章 小电流接地系统及单相接地故障分析 为了对各种算法将要采用的故障信息有一个全面的了解，下面将对小电流接 地系统单相接地故障进行分析，取得各种故障信息的特征和规律，为评价各种选 线算法 的优劣和界定适用范围提供条件。 第一节 小电流接地系统简介 本文研究的小电流接地系统单相接地故障选线技术主要针对中性点不接地系 统和经消弧线圈接地系统。 中性点不接地方式是一种最简单的方式。在这样的系统中，变压器中性点悬 空，与大地完全没有电气连接。当这种系统发生单相接地故障时，依靠线路对地 电容构 成故障回路，流经接地点的电流主要是电容电流，接地电流的大小取决于 变电所出线的类型和长度。由于没有任何感性电流的补偿，接地电流有可能会较 大， 特别是出线较多，线路长度较长，或者包含大量电缆线路 ( 电缆要比同 样长 度架空线的电容电流大 2 5 倍一5 0 倍) 的变电所， 接地的容性电流会达到几十安培 甚至上百安培，给系统的安全带来隐患，所以 此种接地方式主要应用在变电 站出 线以 架空线为主、单相接地故障大多是可恢复的绝缘故障、对运行的可靠性要求 较高，而系统的对地电容较小的系统中。 对 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，必须采用中性点经消弧线圈接 地的方式运行。消弧线圈是具有一定容量的单相电 感线圈，一般是一个带铁芯的 扼流线圈，外形类似变压器。它接在变压器的中性点与大地之间，构成另一个回 路，使接地点接地相电流中增加了一个感性电流分量，它流过接地点的容性电流 分量相抵消，大大减小了接地点的电流，使电弧易于自 行熄灭，接地电弧不能重 燃， 从而将单相电 弧接地过电 压限制在2 . 33 . 2倍额定相电压， 提高了 供电可靠性。 同时，采用消弧线圈接地的系统还可以有效地防止电压互感器的 铁磁谐振过电 压。 因此，这种接地方式得到了广泛的应用。 第二节 小电 流接地系统单相接地故障分析 在小电流接地系统中发生单相接地故障的情况下，单相短路接地故障将不会 形成大电流的回路，故障电流主要由线路对地电容提供。这个电流在数值上是很 小的。对于 l o k v架空线路来说，每3 0 公里线路产生大约 1 安培的零序电流。电 缆线路产生的零序电 流稍大一些。这样微弱的故障信号混杂在上百安培的负荷电 华北 电力大学硕士学位论文 流中，使得传统的基于过流、方向、距离等原理的继电保护装置根本不可能正确 反应故障情况 。 下面，我们将仔细分析一下在小电流接地系统中发生单相接地故障之后的情 形。为 了方便论述 ，先从直观的电容 电流的分布考虑 ，继而描述零序网络 电流的 流动 ，最后给 出严格 的理论分析 。由于分析 的目的在于为这个问题给出一个清晰 的说明，所用的模型将做一定的简化。 不论是架空线路还是地下电缆，各相导线之间以及每相导线与大地之间都存 在着分布电容，如图2 . 1 , 器 t cact 图2 . 1线路导线与大地的分布电容 一般来说， 线路零序电容的大小与线路的长度、导线的半径、几何均距以及 线路与地面的距离等因素有关。在考虑线路充分换位的情况下，相间电 容是相等 的，即 c a b = c b c = c a c ，并且，三相的对地电容也是对称的，即 c a = c b = c c 。因为系 统的中性点对地阻抗很大，因此系统中任一点的零序阻抗都很大。对零序电 流而 言，线路或者其他元件的串联阻抗，比以 线路对地导纳表示的并联阻抗小得多。 因此在小电流接地选线问题的研究中，忽略这些串联阻抗，主要分析各相对地的 电容组成的回路。 对于系统中一相发生接地故障的情况如图2 . 2 ( 以中性点不接地 系统)所示。 华北电力大学硕士学位论文 :a a r 高压冲 压 a b故障线路 c 图2 . 2 不接地系统的单相接地故障 在故障前，系统正常运行，三相对地有相同的电容 ，变压器中性点电压可以 认为等于 0。此时各相线路对地电压为相电压，并产生超前于相电压 9 0。的三 相对称的电容电流， 其和为零， 相量图如图2 . 3所示 ( 以a 相金属性接地为例) 。 a正常运行b a相接地 图2 . 3正常和故障情况下三相电压和电容向量图 即 a相电位将与大地电 位相同，健全相电压则升高到线电压，变压器中性点 电压u n 升高到相电压。此时a相线路对地电容电流将消失， 而 b , c两相线路对 地电容电 流将有所增加。 三相电容电流的和就不再等于0 ， 每条线路上都出现了零 序电流。其中，故障线路零序容性电流由线路流向 母线，非故障线路则由母线流 向线路。当 a相经过阻抗接地时， 变压器中性点电压u 。 升高，但是不能达到相电 压;健全相电 压升高， 但也不能达到线电 压。电容电流的分布与不经电阻接地时 是一样的，只是幅值随着接地电阻的增加而减小。 经过消弧线圈接地系统单相接地故障如图 2 . 4所示。其中不同之处是当中性 点经过消弧线圈接地时，单相接地时的电流分布并不会有很大变化，在接地点又 增加 了一个电感分量的电流 i l，从故障点经故障线路流向消弧线圈。由于这个电 流的补偿作用，接地点的故障电流小得多了。 - 5 - 华北电力大学硕士学位论文 非故障线路 故障线路 图2 . 4 中性点经过消 弧线圈 接地系统的单相接地故障 用对称分量法分析小电流接地系统的单相接地故障。由网络分析的原理，在 单相接 地情况下，系统的正序、负序和零序电流分量相等 。由于电网中许多因素 都可能产生较大的负序电流、正序 电流 ，因此现在小电流选线普遍采用零序分量。 现从零序 网络出发 ，分析小 电流接地故障。先考虑中性点不接地的情况，此时的 零序 网图如 2 . 5 。 非故障线 路 故 障线路 图2 . 5中性点不接地系统单相接地零序网络 容易看 出，故障线路与其它健全线路的零序电流存在如下关系: 1 02 = i , f + 1 0 !( 2 - 1 ) 其中10 2 是故障线 路出 口 零 序电 流，o f 是从 母线流入 变压 器侧的零 序电 流， 1 0 1 代表 各条非故 障线 路出 口 零 序电 流之 和。 也就是 说， 从 大小来 看， 故 障线 路的 零序电流最大，是其它各线路电流 ( 包括变压器侧)之和;从方向 来看，故障线 路与非故障线路电流流向相反 ( 在 图 2 . 5中箭头指向不同)。显然 ，这两个 区别 华 北 电力大 学硕 士 学位 论 文 可以作为选线的依据 。注意图中的电流方 向为某时刻瞬时实际方向。 同理，分析中性点经过消弧线圈接地系统单相接地故障，零序 网络如图 2 . 6 所示。 非故障线 路 故障线路 图2 . 6中性点经过消弧线圈接地系统单相接地零序网络 同 中性点不接地系统相 比，非故障线路 的零序电流并没有什么变化，而故障 线路的零序电流要包含因消弧线圈产生的电流，即 i o 2 = i 二 一 ( i o f + i o , )( 2 - 2 ) 式中i表示消弧线圈的补偿电流。 这样 ，故障线路零序 电流的大小要发生变化 ， 方 向也可能发生变化 ， 变化的程 度取决于消弧线圈的补偿度 。当系统发生单相经过电阻接地 时，系统的等效电路 图 如下 : 到 图 2 . 7小电流接地系统单相接地故障等效电路 由电路分析计算v o ，然后再根据戴维南等效电路计算v r 得到单相经过电阻接 地等效电路 。 ( e a + v o ) i i r + j w c + ( e b + v o ) j - c + ( k + . ) - j - c 一 0 ( 2 - 3 ) 华北电力大学硕十学位论文 (2so v o =一 玖= - e 1 + j . 3 u u r c ( 2 - 5 ) r 一 j 3 a c 等效电路为: 图 2 . 8小电流接地系统单相接地故障等值电路 第三节 影响小电流接地选线的因素 小电流接地系统的接地故障零序电流小，微弱的零序电流往往又混杂在各式 各样的干扰中间，使得选线 问题变得很复杂，必须综合考虑各种因素的影响。 ( 1 )跟中性点的接地方式有关。由前面的分析可以看到，中性点不接地、经 过消弧线圈接地或者高阻接地，系统中单相接地故障的特征是不同的，因此选线 问题有显著的不 同。 ( 2 ) 跟线路的长短与结构有关。小电流接地系统单相接地故障电流是由 线路的 对地 电容产生的，线路的对地电容与线路的长短和结构关系密切。一般来说，电 缆线路的对地电容比架空线路的零序电流大。线路的 对地电容与线路的长度成正 比。 ( 3 )跟系统的故障方式有关。由等值电路可以看到，小电流接地系统单相接 地故障后的电流与等效接地阻抗有关，系统中的故障方式很多，包括直接接地， 电阻接地，电弧接地，瞬间接地，间歇性接地，电阻电弧接地等，这些接地情况 的等效接地电阻是不同的，要保证解决小电流接地选线问题，必须保证对各种故 障情况都能选线准确。 华北电力大学硕十学位论文 (2so v o =一 玖= - e 1 + j . 3 u u r c ( 2 - 5 ) r 一 j 3 a c 等效电路为: 图 2 . 8小电流接地系统单相接地故障等值电路 第三节 影响小电流接地选线的因素 小电流接地系统的接地故障零序电流小，微弱的零序电流往往又混杂在各式 各样的干扰中间，使得选线 问题变得很复杂，必须综合考虑各种因素的影响。 ( 1 )跟中性点的接地方式有关。由前面的分析可以看到，中性点不接地、经 过消弧线圈接地或者高阻接地，系统中单相接地故障的特征是不同的，因此选线 问题有显著的不 同。 ( 2 ) 跟线路的长短与结构有关。小电流接地系统单相接地故障电流是由 线路的 对地 电容产生的，线路的对地电容与线路的长短和结构关系密切。一般来说，电 缆线路的对地电容比架空线路的零序电流大。线路的 对地电容与线路的长度成正 比。 ( 3 )跟系统的故障方式有关。由等值电路可以看到，小电流接地系统单相接 地故障后的电流与等效接地阻抗有关，系统中的故障方式很多，包括直接接地， 电阻接地，电弧接地，瞬间接地，间歇性接地，电阻电弧接地等，这些接地情况 的等效接地电阻是不同的，要保证解决小电流接地选线问题，必须保证对各种故 障情况都能选线准确。 华北电力大学硕士学位论文 第三章 目前主要选线算法及评价 目前可以采集利用的电气量有 :零序稳态基波分量、零序稳态谐波分量 、零 序暂态分量、负序分量和注入信号。 根据采集的电气量的不同，可以采用不同的方法， 而根据电气量的不同特性， 也可以看出各种方法在不同故障条件下的优劣。目 前可以采用的方法有:比幅比 相方法 、无功功率方法 ，小波方法、暂态能量方法 、能量方法、负序 电流法 、注 入方法等 。 ( 1 ) 零序电流比幅算法 这种方法基于早期的继电保护原理，适用于中性点不接地系统。当中性点不 接地系统发生单相接地故障时， 流过故障元件的零序电流在数值上等于所有非故 障元件对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，所以只要通过零序电 流幅值大小比较就可以找出故障线路。在具体实现上，通常采用 “ 绝对整定值” 原理。即利用零序电流 工 。 与一整定值 工 : 做比 较，整定值 工 : 一般大于系统内任何一 条出线的电容电流值 ，如果 i 。 小于整定值 工 : ，继 电器不动作;如果 工 。 大于整定值 工 ， 则继电器动作，显示器显示该回路的编号， 选线完成。 这种方法在理论上就是不完备的，因为系统中可能存在某条线路的电容电流 大于其它线路电容电流之和的 情况。在这种情况下，当这条线路发生接地故障时， 就会出现拒动的情况。 这种方式为单一判据方式，不能排除电流互感器 ( ct ) 不 平衡的影响，它受系统运行方式、线路长短、过渡电阻大小等许多情况的影响， 从而导致误选、多选、漏选。从整定方式上看，这种整定方式可能导致死区 ， 不 能满足系统运行多变的情况。 c 2 )群体比幅比相算法石 这种方法突破了原有的传统的保护原理，充分利用了故障信息之间的联系， 将孤立的故障信息融合比较，大大提高了选线正确性。群体比幅比相算法适用于 中性点不接地系统。这种方法的基本原理是先进行 i 。 比较，选出几个幅值较大的 作为候选， 这样在一定程度上就避免了不平衡带来的影响，然后在此基础上进行 相位比较， 选出零序电流方向与其它零序电流方向不同的，即为故障线路。该方 法还引入零序电 压作为参考正方向。实践和理论分析证明，零序电压幅值大，波 形稳定，因而 以其作为参考正方向，保证 了参考正方向的稳定性。 群体比 幅比相算法利用故障信息之间的相对关系，克服了采用 “ 绝对整定值” 时原理上的缺陷，并且通过选取幅值较大的线路作为候选线路的方法，在一定程 度上克服了c t 等不平衡带来的影响。 但是当系统的中性点经消弧线圈接地时，由于消弧线圈对故障线路电 流的补 偿作用，此时群体比幅比相算法就不适用了，这使群体比幅比相算法的使用受到 4 - 华北电力人学硕士学位论文 限制。 ( 3 )有功分量法( 12 7 有功分量算法的基本原理是:当中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故 障时，提取各条线路的零序有功分量，非故障线路的零序有功分量方向由 母线流 向线路，大小等于线路本身的有功损耗电流值;故障线路的零序有功分量方向由 线路流向母线，大小等于非故障线路的 零序有功分量和消弧线圈的零序有功分量 之和 。当母线故障时 ，所有线路的零序有功分量都等于线路本身的有功损耗 电流 值，方向山母线流 向线路。利用各线路零序有功分量的相对大小和相位关系就可 以确定故障线路或者母线故障。 从原理上可见，有功分量方法有效的克服 了消弧线圈补偿带来的影响;并且， 在消弧线圈存在的情况下，故障线路的零序有功分量的大小比中性点不接地时更 大，故障特征更明显，更利于选线。 但是，由 于线路的有功损耗相对较小，因此有功分量算法的故障信息同样是 不够突 出。受 c t不平衡、线路长短、过渡电阻大小的影响也较大。并且，由于三 相电容不平衡引起的 “ 虚假有功电流分量” 对有功分量算法的影响也较大。 ( 4 )无功功率方法 这 也是比较传统的方法，在欧洲应用的较 为广泛。这种方法是通过计算各条 线路的容性无功功率来判断是哪条线路发生了故障。这种方法也是利用了容性电 流的幅值一 与 方向，所以从本质上讲，无功功率法和比幅比相方法同出一辙，两者 的优缺点是一致的。 ( 5 ) 五次谐波分量算法 五次谐波分量算法的提出在一定程度上解决了中性点经消弧线圈接地系统单 相接地故障的选线问题。这种方法的基本原理为:中性点经消弧线圈接地系统中 的消弧线圈参数是按照基波整定的，即有。 l -1 j w c和 5 w l ;1/5 ( 1 c ，可忽 略消弧线圈对五次谐波产生的补偿效果 ，因此零序电流五次谐波分量在 中性点经 消弧线圈接地系统中有着与中性点不接地系统中零序 电流基波无功分量相同的特 点，再利用前述原理 ( 如群体比幅比相算法等)，即可解决中性点经消弧线圈接 地系统的选线问题。 但是五次谐波所的含量占基波的比例很小， 且负荷中的五次谐 波源、 c t 不平衡电流和过渡电阻的大小，都会一定程度上影响选线结果。 ( 6 )小波算法 针对稳态时故障信息比较微弱的问 题，人们提出了利用有较大突变的暂态信 息作为故障信号的算法。这其中主要采用的是小波分析，故称为小波算法。小波 分析是一门现代信号处理理论与方法，它能有效地分析变化规律不确定和不稳定 的随机信号 ，能够从信号中提取到局部化的有用成分。 华北电力大学硕十学位论文 小 波算法利用单 相接地故 障产生的暂态 电流和暂态 电压作 为选 线判 断的依 据。由于小电 流接地电网单相接地故障等值电路是一个容性通路，故障的突然作 用在电路中产生的暂态电流通常很大;特别是发生弧光接地故障或间歇性接地故 障情况下，暂态电流含量更丰富，持续时间更长。暂态电流满足在故障线路上的 数值等于在非故障线路上数值之和且方向相反的关系，可以用来选线。 小波选线方法的优点是，第一、该方法对中性点不接地和中性点经消弧线圈 接地的电网都适用;第二、该方法特别适应于故障状况复杂、故障波形杂乱的情 况，这与稳态量选线方法形成优势互补。 由于小波算法采用的暂态信一号 受过渡电阻，故障时刻等多种因素的影响，暂 态信号呈随机性、局部性和非平稳性特点，有可能出现暂态过程不明显的情况， 在这种情况下小波算法就要和其它方法联合使用。 t 7 )能量函数法【 7 图 2 . 9 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 故漳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 = 0 时刻在其零序网络突然加上一个假想电 源- u r , 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 。 豁 图31 零序故障分量等效系统 定义线路的零序电压与零序电流乘积的积分为零序能量函数: s ,j. ( t) 一 工 u o ( z ) ipj ( r ) d z 7= 1,“ 一 ( 3 一1 ) 对于消弧线圈， 有 s ol (t ) 一 工 u o ( z ) iol ( z ) d r 3 一 2) 显然 ，s oi (t )3 = 1 ,2 ， 一 ，n ， 是 故 障后 第 j 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 华北电力大学硕士学位论文 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: 方法一: 方向判别. 若第i 条 线路的能 量函 数s ai (t ) o ,j = 1 ,2 , . . ,n ,l即 判定为 母 线 故障. 方法二: 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 bus ( t ) 一 工 ( ioi ( t ) + ioz ( t ) + .+ ia ( t ) + i l ( t $ 0 ( t ) d t ( 3 - 3 ) 显然， 在母线接地时， s o b u s ( 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 b u s ( t ) 为0 。对式( 2 - 6 ) 一( 2 - 8 ) 进行积分， 得 、 (t)一 b soy (t) dt一 1,2 .n ,l ,bu s ( 3 - 4 ) 大小判别的方法为比较所有 m a o 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 b u s ( t ) 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 。 ( 8 )信号注入法 ” 注 入方法是通过向系统注入某种信号，根据注入信号仅 在接地线路中流通， 非接地线路中没有信号，来检测信号，有注入信号的线路为故障线路。信号注入 法不利用故障自 身提供的故障信息进行被动式选线，而是主动地注入一个选线信 号，思路上是先进的。信号注入法的缺点是:第一、注入信号的功率不够大，变 换到高压侧 的注入信号非常微弱 ，很难准确测量;第二、非故障线路 中也会有注 入频率的 对地充电电流，在故障电阻较大情况下，故障线路与非故障线路上的信 号差异不明显:第三、需要附加信号装置，实现困难 ，可靠性差。 华北电力大学硕士学位论文 蘩遴蠢分布式小电流攘地选线装置的设计与实蕊 第一节系统缎构 考虑副当前广泛应用的集中式结构的小电流接地选线装嚣存在下列扁限：( 1 ) 现场需要敷设大量的电缆，施工量大，造成维护、扩展不便；( 2 ) 信号传输距离 氏，模拟信号会有一定程度的衰减，同时也无法避免现场中的各磅电磁干挠。所 以，在分耀式小电流邈线装置静结稔设计上，采罐总线遇信技术，实现了分层分 布式结构的选线系统，对变电站母线及各条出线实现监控。 根据功能要求将系统分为两层：监测层和控制层。在髓测层，实现了分向式 多点采集系统。每个聚集节点包括三令葫熊模块：传黪器( 高禳菠瞧漉互感 器) 及信号调理模块，用于将线路零序电流信鼍变化为电压信号，并对此信号进 行电气隔离和硬件滤波。锁相功能模块，用来保持对工频信号采样的同步一致。 智能处理模块，包摇a d 采样功嚣_ j 蜀总线邋傣功能。功耱是将模拯倍号转变为 数字谙号，可以实觋现场信号提取、预处理，邋信传输，通过4 8 5 总线与控制层 的主机进行通信。 控制屡的主要功能为：母线电压监测模块，用于监测系统母线电弧。从藤 判断系统楚否发生誓颈揍邃款障智能处理模块，透过4 8 5 蓥绞控制魏绣采集单 元，完成数据的读取，从而完成接蚋l 故障选线。 围4 1 分东式选缓装置静慈俸结约 较之蛆往的集中式系统，分布式选线装置的特点主要体现在：系统根据功 能的需要划分了层次，保持了各层的相对独立性，改善了可靠性和运行效率。 戆建竞成模叛信号的楚理，不需要远距离传辕穰皴售号，避受了电磁于拨轻信号 衰减，提高了数据的可靠性。采用4 8 5 总线方式实现分布式采样，系统扩展非 常灵活，可以方便的挫按新的监测单元。 华北电力大学硕士学位论文 第二节 硬件结构 系统的硬件设计工作主要集中在监测层，即如何实现信号的有效采集和传输。 具体而言包括三方面的工作:如何设计传感及信号调理模块来有效地提取信号; 如何设计锁相功能模块以实现工频同步等时间间隔采样;如何设计智能处理模块 实现 a / d 转换和数据通信功能。 4 . 2 . 1 传感器及信号调理模块设计 小电流接地故障选线难的原因之一是故障信号微弱， 且混杂在干扰信号中， 不易提 取。由于信号微弱，传感器必须有较高的精度和较强的抗干扰能力。应用于小电流接地 选线的零序电 流互感器为穿心式零序电 流互感器， 克服了 三相 c t不平衡可能带来的 测 量误差，并且量程得到有效利用，精度更高。 零序电流信号进入传感器及信号调理模块后， 首先经过高精度电流传感器，变换成 为一定幅值范围的电压信号。 此信号被隔离跟随后，送入二阶滤波电路，滤除十倍频以 上的高次谐波，最终输入信号采集模块。 图4 .2 . 1 二阶压控电 压源低通滤波器 如图所示为二阶压控电 压源低通滤波器电 路r “ ， ， 在电路中适当的引 入正反 馈以改善 滤 波 器 的 频 率 特 性 。 令 f o = 熹 ， 其 传 递 函 数 为 : 之刀 以 仁 a ( s ) = a , 1 + ( 3 一 a n )s c r + ( s c r ) 2 a r , f , 2 . ; 。 ，、 f 1 一 l -)十 了 l i一 nu o 少 六 了 。 jo ( 4 - 2 - 1 ) 引 进q 值 华北电力大学硕士学位论文 第二节 硬件结构 系统的硬件设计工作主要集中在监测层，即如何实现信号的有效采集和传输。 具体而言包括三方面的工作:如何设计传感及信号调理模块来有效地提取信号; 如何设计锁相功能模块以实现工频同步等时间间隔采样;如何设计智能处理模块 实现 a / d 转换和数据通信功能。 4 . 2 . 1 传感器及信号调理模块设计 小电流接地故障选线难的原因之一是故障信号微弱， 且混杂在干扰信号中， 不易提 取。由于信号微弱，传感器必须有较高的精度和较强的抗干扰能力。应用于小电流接地 选线的零序电 流互感器为穿心式零序电 流互感器， 克服了 三相 c t不平衡可能带来的 测 量误差，并且量程得到有效利用，精度更高。 零序电流信号进入传感器及信号调理模块后， 首先经过高精度电流传感器，变换成 为一定幅值范围的