基于PLC技术的配电网单相接地故障区段定位的研究_图文

1、上海交通大学硕士学位论文基于PLC技术的配电网单相接地故障区段定位的研究姓名:陆建华申请学位级别:硕士专业:高电压及其绝缘技术指导教师:蔡旭;金之俭20090101基于PLC技术的配电网单相接地故障区段定位的研究摘要我国6 66kV配电网一般采用中性点不接地或经消弧线圈接地的小电流接地系统接线方式。在这种小电流接地系统中,80%以上的故障是单相接地故障。小电流接地系统发生单相接地故障时,不形成短路回路,没有量值很大的短路电流,且三相线间电压依然为对称电压,不影响负载的正常工作,可以继续运行一定时间。但是在发生单相接地后,非接地相对地的电压会升高,而且断续性电弧接地时还会产生弧光过电压,长期运行

2、可能会损坏其绝缘,引发严重的相间故障。所以,当系统出现单相接地故障后,应该立即设法使其消除。在不能及时消除的情况下,也应尽快找出故障线路和故障点,在进行必要的负荷转移后,尽快将接地设备从系统中切除。针对上述问题,本文首先对小电流接地系统单相接地故障的稳态特征和暂态特征进行了深入的理论研究和分析,找到了合适的故障特征量,提出了故障区段定位的算法,构建简单模型进行理论验证和MATLAB仿真;然后设计了基于PLC (电力线载波技术的配电网单相接地故障区段定位的整体系统结构,介绍了配网基本结构、在线监测和测量模块的设计、配电网载波通信以及主机控制与处理系统的实现,最后给出了系统实现的软件流程。关键词:

3、小电流接地系统,单相接地故障,故障区段定位,电力线载波通信,The Study of Single-Phase-to-Ground Fault Section Location in Distribution Network Based on the PLC TechnologyABSTRACTNeutral point non-effectively grounded system or neutral point earthed via arc-suppression coil is wildly adopted by medium-voltage power distribution n

4、etwork in our country. Single-phase grounded fault happens most frequently in the non-solidly earthed network with the probability up to 80 percent .When single-phase to earth fault occurs in a non-solidly earthed network, the fault current is small and the three phase line to line voltages are stil

5、l symmetric since no short-circuit loop is formed, the load can keep on running for a period of time. But when the fault happened, the non-faulted phase voltage would increase and intermittent are grounding would lead arc over voltage, and the insulation would be damaged in long time running, theref

6、ore the system result in more serious phase-to-phase voltage. So single-phase to earth fault should be removed immediately. In case of the fault can't be removed in time, the fault line and fault point should be detected quickly. The fault device should be removed as soon as possible after the n

7、ecessary load transferring.Regarding the difficult problems started above, the thesis thoroughly researched and analyzed the stable and transient features of single-phase-to-ground fault in neutral non-effectively earthed system in theory, found the right fault features, put forward a fault section

8、location algorithm, constructed a simple theoretical model to verify and simulation experiments with MATLAB. Then designed the overall system architecture of single-phase-to-ground Fault section location in distribution network Based on the PLC (Power Line Carrier technology, introduced the basic st

9、ructure of distribution network, the design of on-line monitoring and measuring module, distribution network carrier communication, as well as host control and processing system; Finally, put forward the systems software processes.Key words: Non-effectively grounded system, Single-phase-to-ground fa

10、ult, Fault section location, (PLC Power Line Carrier上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:日期:年月日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被

11、查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密,在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。(请在以上方框内打“”学位论文作者签名:指导教师签名:日期:年月日日期:年月日第一章绪论1.1课题背景及其意义1.1.1 中性点接地方式介绍及其比较电力系统中性点接地方式大概可以分为中性点有效接地和中性点非有效接地两类1。中性点有效接地方式包括中性点直接接地,经低电阻、低电抗接地;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等小电流接地系统,以及经中低电阻和中低电抗等接地的系统。

12、中性点接地方式是一个综合性的技术问题,它与系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通信环境(电磁环境及接地装置等问题都有密切的关系2。中性点运行方式的选择,应使电网具有较好的运行特性,即供电可靠性高,人身及设备安全性好,维修工作量小,电磁兼容性优越和综合指标经济合理等。本节从上述几方面对中性点各类接地方式进行比较。综合比较各类中性点接地方式,其各有优缺点。目前世界上各个国家和地区中性点接地方式选择时各有侧重。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,自动消除瞬间的单相接地故障;美国采用了中性点直接接地、经小电阻、低电抗

13、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。而在前苏联多采用消弧线圈或不接地方式;芬兰全国在10kV,20kV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80%和20%。日本小电流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。我国10kV配电网数量庞大,分布面广,其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”DL/T620-1997行业标准总结、吸取了多年来电网的运行经验和科研成果,对10kV配电网的中性点接地方式做出了新规定:架空线路构成的网络或架空线与电缆混和构成的网络,电容电流小于10

14、A时,中性点采用不接地方式,少数情况下视限制过电压的需求也可采用高电阻接地;超过10A时,采用经消弧线圈接地。纯电缆网络,电容电流小于30A时,中性点采用不接地方式;超过30A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中性点经低电阻接地的方式。表1 各类接地方式的比较2,3,4接地方式中性点绝缘直接接地(单点直接接地(多点低阻接地高阻接地谐振接地主要应用国家意大利,日本,爱尔兰,俄罗斯,秘鲁西班牙英国美国,加拿大,澳大利亚,拉丁美洲法国,西班牙北欧,东欧,中国,以色列容许负载连接方式相-相相-相(3线制,相-中性点(4线制相-相相-地相-相相-相相-相所需绝缘等级相-相相-中

15、性点相-中性点相-中性点相-相相-相瞬时过电压限制差好好好好 (R-接地,一般(L-接地一般接地后能否持续运行有时不能不能不能有时几乎总是自行熄弧有时不能不能不能有时几乎总是人身安全一般好差好一般好设备热应力低高高高低最低对通信线路的影响一般高高高低最低接地保护敏感度一般好差好一般一般1.1.2配电网单相接地故障定位研究的意义和重要性现阶段我国6kV66kV配电网大多数采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式(统称为小电流接地系统。中压配电网多存在架空线、电缆混合线路,还存在分支线路,网络结构复杂,线路故障中绝大部分是单相接地故障。在小电流接地运行方式下,由于单相接地故障(俗称小电流接地故障

16、电流微弱,系统可在故障发生后运行一段时间,因此,小电流接地运行方式可显著提高供电可靠性,同时也具有对同性系统干扰小的优点。但长期带故障运行,特别是间歇性弧光接地故障时,过电压(特别是弧光过电压容易使电力设备出现新的接地点,从而使事故扩大;同时,故障电流可能使故障点永久烧坏,最终引起短路故障5。当线路发生相间短路故障时,线路出现过电流,继电保护装置动作,断路器跳闸,造成线路停电事故。因此,小电流接地系统线路故障发生后,快速准确定位出单相接地故障及短路故障点对于提高配电网供电可靠性,减少停电损失有重要意义。小电流接地系统单相接地故障是发生几率最高的故障类型,由于故障电流微弱、故障电弧不稳定等原因,

17、其故障点的定位比较困难。长期以来,尽管已经提出许多检测装置,但实际运行效果并不理想6。时至今日,许多地方仍然采用人工巡线的方法查找故障位置,大大浪费了人力物力。对于线路相间短路故障,由于伴随过电流现象,一般比较容易定位故障点,但目前方法多不具有故障自动定位功能,故障后仍然需要人工沿线查找故障点。本课题主要致力于小电流接地运行方式的配电网单相接地故障以及故障区段定位的研究。1.2小电流接地系统故障定位研究现状和评价目前对配电线路单相接地故障定位方法的研究主要可概括为三类7-26: 第一类是以在线路端点处测量故障距离为判据的故障测距法,主要有阻抗法测距和行波法测距两种方法。(1阻抗法测距该方法的前

18、提是假定线路均匀,其原理为在不同故障类型条件下计算出的故障回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比,这样通过计算故障时的测量阻抗或电抗值除以线路的单位阻抗或电抗值,就可以得到测量点到故障点的距离。阻抗法较简单,但受路径阻抗、负荷电流和电源参数影响较大,对分支较多的线路,可能得到多个故障点(伪故障点,因此它只适合结构简单的线路。(2行波法根据行波理论,无论是相间短路故障还是单相接地故障,都会产生向线路两端传播的行波信号,利用在线路测量端捕捉到的暂态行波信号可以实现各种类型短路故障的测距。行波法是通过测量故障产生的行波在故障点及母线之间往返一趟的时间或利用故障行波到达线路两端的时间差来计算故障距

19、离。行波法测距应用在输电线路上获得了良好的效果,但在配电系统中,由于配电网结构复杂,混合线路接头处、线路分支处和负荷处均为波阻抗的不连续点,行波在波阻抗不连续点的折射和反射造成线路一端测得的行波波形特别复杂,很难正确识别出故障点的反射波,因而造成测距困难。第二类以在故障发生后通过向系统注入信号实现寻迹的信号注入法。该方法主要包括S注入法、加信传递函数法、端口故障诊断法等。(1S注入法S注入法是利用故障时暂时闲置的电压互感器注入交流信号电流,通过检测故障线路中注入信号的路径和特征来实现故障测距和定位。在发生接地故障后,通过电压互感器向接地线路注入特定频率的电流信号,注入信号会沿着故障线路经接地点

20、流入大地,用信号寻迹原理即可实现故障选线并可确定故障点。S注入法最大的优点在于其灵活性,适合于各种结构和接线方式的配电的系统。其缺点在于:注入信号的强度受TV容量限制;接地电阻较大时线路上分布电容会对注入的信号分流,给选线和定位带来干扰;如果接地点存在间歇性电弧现象,注入的信号在线路中将不连续,给检测带来困难。目前基于S注入法的故障定位方案主要采用人工巡线,由操作人员手持信号探测器,沿故障线路巡视查找接地点。该方法寻找故障点花费时间较长,有可能在此期间引发系统的第2点接地,造成线路自动跳闸。(2加信传递函数法该方法的主要原理是在故障出线处加方波诊断信号,根据故障后电路拓扑结构的变化,用频域分析

21、进行定位。传递函数法对中性点不接地系统具有测距结果不受负载参数变化影响的优点。但由于其取地模网络作为故障定位信息依据,不能解决只存在线模分量的相间短路故障的定位问题。其在理论上可行,但在实用化方面还存在不少困难和限制,尚未得到推广应用。(3端口故障诊断法该方法提出利用单相接地后的故障电压和电流的特点进行测距和定位,从端口方程出发,通过施加音频正弦信号,以比较传输网可测端口故障前后测试信号的变化量为根据,实现自动在线定位故障分支。端口故障诊断法的优点是故障诊断测后工作量小,适用于较大网络的故障诊断;缺点是分支上的故障点位置只能归结为分支与主支的联接点,确切故障距离无法确定,且采用线路两侧信息,需

22、要数据通信,实用性不强。第三类是利用户外故障探测器检测故障点前后故障信息的不同,以此来确定故障区段的户外故障点探测法。户外故障点探测法就是在配电线路的主要节点加装故障探测器,将探测信息加以汇总分析,得到故障所在区段。国外对此已有研究和应用,如挪威分段悬挂在线路和分叉点上的悬挂式接地故障指示器等,其投资较大,不利于大面积推广。此外,根据故障点前向支路、后向支路和非故障支路的零序电压、零序电流的特点,通过测量空间电场和磁场的5次谐波并分析其幅值和相位关系,也可以判断小电流接地系统单相接地故障点。但5次谐波幅值较小,不易检测,如何提高检测装置的灵敏度和抗干扰能力,是其推广应用的关键。1.3 本文主要

23、内容本文研究的主要内容是基于电力线载波通信技术的小电流接地系统的单相接地故障区段的定位问题。本文主要是根小电流接地系统单相接地故障后故障区段相比较于非故障区段明显故障特征量的变化来实现故障区段的定位。从第二章开始详细分析了中性点不接地系统和谐振接地系统单相接地故障情况下配网电容电流的分布以及暂态电流的变化情况;第三章在第二章分析的基础上选取合适的故障信息作为我们的特征量,并且针对不同系统提出了不同的区段定位的算法。对定位算法既有理论上的推导也有仿真数据的验证;第四章是介绍了整个基于PLC电力线载波通信技术故障区段定位的整个系统的硬件实现和软件流程,即从整体层面上把握整个定位系统又从各个功能模块

24、层次上分析系统的实现。第二章 配电网单相接地故障的特点小电流接地系统即中性点不直接接地系统(NUGS ,它主要包括中性点不接地系统(NUS 和中性点经消弧线圈接地系统(NES 。本章先后分析了这两种系统发生单相接地故障后的故障特征,包括他们的稳态特征和暂态特征两部分,最后总结了小电流接地系统单相接地故障的主要特征。2.1 中性点不接地系统2.1.1 中性点不接地系统的构成及其工作方式中性点不接地系统在配电网中变压器接线方式采取Y/D 接法,无中性点,或者D/Y 接法中性点不接地的运行方式。这种接线方式下发生单相接地不会形成大电流回路,故障电流主要由线路对地电容提供。对于10kV 架空线来说,每

25、30km 的线路约产生1A 的零序电流,电缆线路产生的零序电流稍大一些。而负荷电流则有上百安培,传统的继电保护装置根本不可能正确反映故障情况。架空线和电缆各相导线之间以及导线和大地之间存在着分布电容,一般来说,线路零序电容的大小与线路的长度、导线的半径、几何均距以及线路和地面的距离有关系。在考虑线路充分换位的情况下,相间电容是相等的,即,并且三相对地电容是对称的。因为系统中性点对地阻抗很大,系统中任意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,比线路对地导纳表示的并联阻抗小得多。因此可以忽略这些串联阻抗,主要分析各项对地电容组成的回路。实际电网对地总是存在一定的不对称,但不

26、对称度一般小于1.5%,可忽略不计。ab bc ac C C C =a b C C C =c 需要指出的是,一般所说的不对称指的都是负荷不对称,而负荷不对称与电网对地不对称是不同的概念,负荷不对称可能导致线路存在较大负序电流,但不会出现零序电流当发生单相接地故障时,三相对地通路的对称性遭到破坏,由于中性点悬空,一相接地后中性点电位将发生偏移,导致其三相对地电压变化。2.1.2 单相接地故障稳态分析中性点不接地系统运行维护简单、经济,供电连续性好,在中性点不接地方式下运行,接地电流为线路及设备的电容电流。但是该方式对电网电容电流及复合水平有严格的要求,超过一定的数值(310kV 电网电容电流为3

27、0A ,35kV 系统为10A 后会引起电弧接地过电压。 图2.1 中性点不接地电网单相接地时电容电流分布图Fig 2.1 the capacitive current distribution in network with neutral ungrounded single-phase ground 实际电网中有主变压器、变电站设备以及多条线路,变电站设备也都有一定的对地电容的存在。如图2.1所示的中性点不接地电网,用C0B 表示变电站设备 对地电容,用C 01、C 02分别表示线路1、2对地电容。 当线路2的A 相发生单相金属性接地时,各相对地的电压为: 0A G U =,150j BG

28、 B A A U E E E e =D ,1503j C G C A A U E E E e =D (2-1 零序电压为:01(3AG BG CG A U U U U E =+= (2-2 由上面两式可以看出,当线路2的A 相接地后,如果忽略负荷电流和电容电流在线路阻抗上的压降,则全系统A 相对地的电压等于零,因而各元件A 相对地电容电流也等于零,同时B 相和C 由图可见,在非故障线路1上,A 相电流为零,B 相和C 相中流有线路本身的电容电流,因此在线路始端所反映的零序电流为01111011(3A B C A I I I I j C =+=E (2-3 其有效值为:0101I C U = (

29、2-4 即非故障线路零序电流为线路本身的电容电流,电容性无功功率的方向由母线流向线路。这个结论使用于每一条非故障线路,包括母线设备。现在再来看看发生故障的线路2 ,在B 相和C 相上,与非故障的线路一样,流有它本身的电容电流2B I 和2C I ,而不同之处在于接地点要流回全系统B 相和C 相对地电容电流的总合,其值为:1122(f B C B C BB CB I I I I I I I =+ (2-5 其有效值为0102003(3f B I C C C U C U =+= (2-6 式中,为全系统每相对地电容的总和,U 为相电压的有效值。此电流需要从A 相回去,因此,从A 相流出的电流可以表

30、示为0C 2A f I I =,这样在线路2始端所流过的零序电流则为:022*(33A B C B C BB CB L 1A I I I I I I I I I j C C L =+=+=E U (2-7 其有效值为:02002(I C C = (2-8由此可见,由故障线路流向母线的零序电流,其数值上等于全系统非故障元件对地电容电流之和,但不包括故障线路本身,其容性无功功率的方向为由线路流向母线,恰好与非故障线路上的相反。根据上述分析结果,可以做出单相接地时的零序等效网络,如图2.2所示,在接地点有一个零序电压,而零序电流的回路是通过各个元件的对地电容构成的,由于送电线路的零序阻抗远小于电容的

31、阻抗,因此可以忽略不计,在中性点不接地电网中的零序电流,就是各元件的对地电容电流,其向量关系如图2.2(b 所示(图中0U 02I 表示线路2本身的对地电容电流。 01I 02(a (b 图2.2 单相接地时的零序等效网络及向量图 (a 等效网络图 (b 向量图Fig 2.2 Single-phase - to-ground, zero-sequence equivalent network and the vector chart (a zero-sequence equivalent network (b the vector chart 对于中性点不接地电网中的单相接地故障,利用电流分布

32、图进行分析,可以给出清晰的物理概念,但是计算比较复杂使用不方便,而根据该图得出的如图2.2所示的等效零序网络后,对计算零序电流的大小和分布是十分方便的。总结以上的分析结果,对于中性点不接地系统发生金属性单相接地故障后可以得到如下的结论:(1 故障相电压为0,非故障相电压升高为线电压;(2 在发生单相接地时,全系统都将出现零序电压;(3 在非故障线路上有零序电流,其数值等于本线路对地电容电流,电容 电流的方向由母线流向线路;(4 在故障线路上,零序电流为全系统非故障元件零序电流之和,电容性无功功率方向为由线路流向母线;(5 零序回路基本上呈纯容性,所有非故障线路上的零序电流同相,超前零序电压90

33、°,故障线路上零序电流等于所有非故障线路零序电流之和,滞后零序电压90°。2.1.3 单相接地故障暂态分析中性点不接地电网中单相接地引起的暂态过程使健全相产生高频振荡电压,并使振荡回路中电流突升,它会远远超过金属性接地时的稳态电流。这一暂态过电流有时会给继电保护和其他设备带来影响。 图2.3 单相接地时稳态和暂态等值电路Fig2.3 Single-phase - to-ground, steady and transient equivalent circuit暂态过程中,零序电流和电压间的关系可以表示如下:'c c u u u =+'' (2-9

34、111cos(sin(sin(sin(sin(2sin bt bt m m m E E E t e t e Z C Z C Z C t =+'''i i i =+ (2-10 111cos(sin(sin(sin sin(2'sin bt bt m m m E E E t e t e Z Z LC Z t =+ 电压电流都有两部分组成,一个是以电源频率变化的和称强制分量,另一个是以'c u 'i 1振荡的自由分量。自由分量包括两项,它们之间的相角差为,而1arctg b=。式中:210013/2;e L C RC arctgR 3 = (2-11

35、为了对电压最大值有个概念,我们假定b 很小,22,由此可得:''u ''i 理论上的电压电流的最大值,其幅值为:max ''c U = (2-12max ''I = (2-13当0,2=时,0max max max max ''','''C C U U I I =,因此我们得到 max max max max ''''2'C C C U U U U =+=C (2-140max max max max ''''I

36、 I I I +=+=(2-15 电容上的最大暂态电压为稳态电压最大值的两倍,但是回路的暂态电流会比稳态电流最大值会更大。2.2 中性点经消弧线圈接地系统2.2.1 中性点经消弧线圈接地系统的构成及其工作方式近年来我国城市配电网发展较快,电力电缆在城市配电网中大量使用,配电网的对地电容电流迅速增大,单相接地电弧难以自行熄灭。中性点经消弧线圈接地方式通常称为谐振接地方式,该接地方式将带气隙的感抗可调的电抗器接在系统中性点和地之间,当系统发生单相接地故障时,消弧线圈的电感电流能够基本补偿电网的接地电容电流,使故障点的接地电流变为数值显著减小的残余电流,残余电流的接地电弧容易熄灭。由于消弧线圈的作用

37、,当残流过零熄弧后,降低了恢复电压的初速度,延长了故障相电压的恢复时间,并且限制了恢复电压的最大值,从而避免了接地电弧的重燃,达到了彻底熄弧的目的。中性点经消弧线圈接地方式在系统发生单相接地故障时,流过接地点的电流较小,不会立即跳闸,按规程规定电网可带故障运行2h。从实际运行经验和资料表明,当接地电流小于10A时,利用消弧线圈的电感电流补偿配电网的电容电流,使接地残流减小,故障相接地电弧的恢复电压上升速度降低,以致电弧能够自行熄灭,从而提高配电网的供电可靠性。另外,中性点经消弧线圈接地系统还具有人生设备安全性好、电磁兼容性强和运行维护工作量小等一系列优点。中性点经消弧线圈接地方式中,消弧线圈的

38、运行要求比较苛刻,如果补偿过多或者过少,使得接地残流过大,则不易熄灭电弧,而刚好完全补偿,则容易产生谐振过电压。传统的消弧线圈是在电网中性点接固定电感,为防止串联谐振而远离谐振点运行,这种方法可以对故障电容电流部分补偿,并不是最佳补偿。随着技术的发展,出现了各种更为理想的自动调谐方法,一种是随调试消弧线圈系统,如图2.4常态下调节消弧线圈远离谐振点,避免串联谐振的现象。当发生接地后,快速调节消弧线圈,实现最佳补偿。另一种是预调式消弧线圈系统,如图2.5在常态下串联阻尼电阻,从而抑制了串联谐振过电压的发生,调节消弧线圈到接近全补偿的最佳补偿状态。等待接地发生。当发生接地后快速切出电阻,实现最佳补

39、偿。 图2.4 随调试消弧线圈谐振接地系统的构成Fig2.4 the structure of power distribution network with neutral point resonance grounded 图2.5 预调试消弧线圈谐振接地系统的构成Fig2.5 the structure of power distribution network with neutral point resonance grounded2.2.2 中性点谐振接地方式的工作原理此类接地方式以消弧线圈接地为基础,以达到补偿故障点电流、降低故障相电压恢复速度的目的,按电网正常运行、单相非稳定接地

40、故障和单相稳定接地故障三个状态分析消弧线圈的工作原理如下2729:(1 电网正常运行电网正常运行时,随动式的消弧线圈工作在远离谐振点的状态。预调式消弧的线圈的工作状态是按照电网实际电容电流的大小调整档位,使其靠近谐振点的位置,通过串/并联阻尼电阻来抑制消弧线圈串联谐振过电压。(2 单相非稳定接地故障当发生单相接地故障时,电网中性点电压超过整定值。根据过电压的信号提示,随动式消弧线圈在控制器作用下调整到最靠近全补偿的运行状态,实现最佳补偿。预调式的消弧线圈则在控制器作用下切除阻尼电阻,实现最佳补偿。(3 单相稳定接地故障经一定延时,零序电压仍超过整定值时,控制器判断为稳定接地故障,则需要通过微机

41、选线装置或者其他方式找出故障支路,尽快将故障支路从电网中切除;若此时为虚幻接地,即故障已经消失,零序电压的升高纯属消弧线圈与对地电容构成的工频谐振所致;则通过控制器调节消弧线圈的工作状态以便消除虚幻接地。目前中性点谐振接地方式可应用于各种配电网,按照单相接地故障电容电流的大小,可灵活采用不同的实施方案。2.2.3 单相接地稳态分析中性点采用消弧线圈接地系统与中性点不接地系统相比,单相接地时的电流分布会发生很大的变化。假定在图2.1所示的网络中,在电源的中性点接入了消弧线圈,如图2.6所示,在线路2上A 相接地时,电容电流的大小和分布与不接消弧线圈时是一样的,不同之处在于接地点又增加了一个电感分

42、量的电流L I 。因此,从接地点流回的总电流为01(f L C A I I I j C E L=+= (2-16 式中 C I 全系统的对地电容电流,可用式计算;L I 消弧线圈的电流,假设用L 表示它的电感,则/L A I E j L =。 图2.6谐振接地系统单相接地故障发生时电容电流分布Fig2.6 the distribution of current caused by outlets to earth capacitance由于C I 和L I 的相位相差180°,因此,f I 将因消弧线圈的补偿而减小。故障线路首端监测到的零序电流为: 022*(331(A B C B

43、C BB CB L A I I I I I I I I I j C C E L =+=+= (2-17 类似于不接地系统单相接地的零序等效网络图我们可以做出消弧线圈接地电网的零序等效网络图,如图2.7所示。 图2.7 谐振接地系统单相接地时的零序等效网络 Fig 2.7 Single-phase - to-ground, zero-sequence equivalent network 中性点经消弧线圈接地电网发生单相接地故障后,其零序电压及非故障线路接地电容电流的特点与中性点不接地电流完全一样。不同之处在于通过故障线路中的电流包含经消弧线圈接地产生的电感电流。根据对地电容电流补偿作用程度的不

44、同,消弧线圈可以有完全补偿、欠补偿和过补偿3种补偿方式:(1完全补偿就是使L C I I =,接地点的电流近似为零。(2欠补偿就是使 L C I I <,补偿后接地点电流仍然是电容性的。(3过补偿就是使 L C I I >,补偿后的残余电流是电感性的。L I 大于C I 的程度用过补偿度来表示,其关系为L C C I I I = (2-18一般选择过补偿度=5%10%。总结以上分析的结果,可以得到以下的结论:(1经消弧线圈接地的电网中发生单相接地故障后,电网中零序电压及非故障线路中的零序电容电流的相位与大小关系与中性点不接地系统完全相同。(2消弧线圈两端的电压为零序电压,消弧线圈的

45、电流通过故障点和故障线路的故障相,而不通过非故障线路。(3当采用完全补偿方式时,流经故障线路和非故障线路的零序电流都是本身的电容电流,电容性无功功率的实际方向都是由母线流向线路。(4当采用过补偿方式时,流经故障线路的零序电流将大于本身的电容电流,而电容性无功功率的实际方向仍由母线流向回路,和非故障线路的方向一样。其次由于过补偿度不大,故障线路的零序电流与非故障线路的零序电流的大小区别不大无法作为定位的依据。2.2.4 单相接地暂态分析单相接地故障发生的瞬间,流过故障点的暂态接地电流由暂态的电容电流和暂态的电感电流两部分组成。由于暂态过程中消弧线圈等效感抗非常大,而且暂态电感电流和电容电流频率不

46、同,即两者不能互相补偿。 图2.8 单相接地暂态电流的等值回路Fig 2.8 The equal circuit of transient current after single-phase earth faults其中C 为非有效接地电网三相对地电容,为三相线路和电源变压器等在零序回路中的等值电感,0L 0R 为零序回路中的等值电阻,应为接地电流沿途的总电阻值,包括导线的电阻、大地的电阻以及故障点的过渡电阻,L R L 、分别为消弧线圈的有功损耗电阻和电感,零序电源电压。对于中性点不接地电网,相当于消弧线圈支路开路。0U (1 暂态电容电流在忽略消弧线圈L 的情况下,对暂态电容电流的分析实

47、际上就是一个0R 、,C 串联回路接通零序电压0L 0m u (U sin(t+t =时的过渡过程的分析。暂态电容电流主要包含两个分量。一是故障相电压突然降低而引起的放电电容电流,该电流通过母线直接流向故障点,放电电流衰减很快,其振荡频率高达数千赫;二是非故障相电压突然升高而引起的充电电流,该电流通过电源形成回路。由于整个流通回路的电感较大,因此充电电流衰减较慢,振荡频率也比较低,一般仅为数百赫兹。根据等值电路图,暂态特性因其自由振荡频率一般较高,消弧线圈电感,0L L >>L R L 、可以不予考虑,得如下方程式:t C 0C 0C m 0di 1R i L i dt U sin

48、(t+dt C += (2-19当0R <时,回路电流的暂态过程具有周期性振荡及衰减特性,当 0R 时, 回路电流则具有非周期性振荡衰减特性,并逐渐趋于稳定状态。架空线路自由振荡频率一般为3001500Hz ,电缆线路电感远小于架空线路,对地电容较架空线路大许多倍,故其自由振荡频率为15003000Hz ,持续时间很短。因为暂态电容电流是由暂态自由振荡分量和稳态工频分量两部分组成的,利用t=0时电容电流为=0这一初始条件和C i C.os i C.st i C i Cm m I U C =的关系,经过拉氏变换等运算可得:t f C C.os C.st Cm i i i I sin sin

49、 t cos cos t e cos(t +=+ (2-20式中:相电压的幅值,为电容电流的幅值;m U C m I f 为暂态自由振荡分量的角频率;c 01/R /2L 0=,为自由振荡分量的衰减系数,其中的c 为回路的时间常数。若系统的运行方式不变,则c 为一常数。当c 较大时,自由振荡衰减较慢;反之,则衰减较快。因为上式中含有sin 和cos 两个因子,故从理论上讲,在相角为任意值时发生接地故障,均会产生自由振荡分量。当0=时,其值最小,当/2=时,其值最大。此时,当故障相在电压峰值、即/2=接地,电容电流自由振荡分量的振幅出现最大值。fc T 4f C.os.max Cm i I e

50、= (2-21 可见,暂态自由振荡电流分量的幅值与自振角频率和工频角频率之比(f /成正比。(2暂态电感电流消弧线圈电感电流由暂态的直流分量和稳态的交流分量组成,表达式为:L t mL U I cos e cos(t L =+(2-22 消弧线圈的磁通和电感电流均是由暂态的直流分量和稳态的交流分量组成。暂态电感电流振荡角频率与电源的角频率相等,幅值与接地瞬间电源电压的相角有关,/2=时其值最大,0=时,其值最小。(3暂态接地电流d I暂态接地电流由暂态电容电流和暂态电感电流叠加而成。单相接地故障发生后,故障点有衰减很快的暂态电容电流和衰减较慢的暂态电感电流,暂态接地故障电流的幅值和频率主要由电

51、容电流决定,暂态电感电流的直流分量不会影响接地点故障电流的极性,只会改变其幅值大小。综上所述,当单相接地故障发生后,在故障点有衰减很快的暂态电容电流;消弧线圈接地电网还含有衰减较慢的暂态电感电流流过。暂态电容电流的幅值虽然很大,但持续时间很短,约为0.5个1.0个工频周波。暂态电感电流中的直流分量的初始值与初始相角、铁心的饱和程度有关,持续时间一般为25个工频周波。为了平衡该直流分量,接地电流中也伴随产生大小相等、方向相反的直流分量。 图2.9 瞬间单相接地故障波形图Fig 2.9 the wave of single phase earth fault at moment2.3 本章小结作为

52、我们研究配电网故障定位问题的基础,本章主要分析了非有效接地电网单相接地故障的一些基本现象和规律。分析了中性点不接地电网和经销弧线圈接地电网发生单相接地情况下三相电压的变化情况,以及稳态电流的变化规律,还有各条线路电流之间的关系,同时还分析了它们的暂态情况。这些为我们研究配网故障定位有重要意义,为定位算法的提出提供了理论准备。第三章配电网单相接地故障区段定位原理通过第二章的简单分析可以看出,小电流接地系统单相接地故障回路为故障点、线路对地电容或对地电容与消弧线圈并联、大地形成的通路。由于线路对地电容较小,容抗很大,所以故障电流很小,故障特征不明显。本章就是在第二章的基础之上,介绍一种配电网单相接

53、地故障区段定位的方法。该方法主要是利用故障发生后接地点两侧节点的故障信息也就是特征量的不同来判断故障区段。本章也从理论上推导了该方法的可实现性。3.1 故障特征量的选择由配电网的理论知识可以知道,当配电网发生单相接地故障后电网中许多信号发生了变化,例如线路中的各项电压、线路的正负零序电流等等。各种故障,抑或是故障点位置的不同都会带来某些具体量的变化。因此,我们进行故障定位必须借助于特殊的信息来验证,简单把这种特殊的变化的信息称为故障特征量的话,那么故障特征量的选择对定位的研究有决定性的作用。故障特征量的选择要考虑很多方面的因素,检测的可实现性和特征的显著性是比较重要的两个方面。3.1.1 相电

54、流方案中性点不接地电网发生单相接地故障时,故障线路的故障相会产生一个容性电流注入到各线路的非故障相中,经非故障相对地电容形成回路。故障电路故障相中流过的电流为非故障相电流之和,方向相反。相电流测量方案就是从电流互感器中直接测取三相电流,其中包含故障电流和负荷电流。负荷电流的存在对电流互感器是一个很大的影响。三相电流侧测量要求测量装置内部变换环节的量程及测量通道的数量大幅度的增加,对装置的要求非常高,实现上有很大的困难。3.1.2 负序电流方案对故障点向电网注入的故障电流进行序分解,可以得到一组幅值相等的正序、负序和零序电流。其中正序和负序电流主要经过电源变压器形成通路。因此理论上讲,负序电流测

55、量方案也可以作为配电网故障定位的方案。但是负序电流受电网的不对称度和负荷特性的影响比较大,而配电网的不对称度比较高,负序电流法容易产生错误;对于安装消弧线圈的系统,会对负序电流法带来更多的不利因素;另外负序故障电流就是利用负序电流滤过器获取故障电流30,由于电网中许多因素都可能产生较大的负序电流,负序故障电流很难提取;最后负序电流的概念只对稳态正弦量有意义,对于非平稳、非正弦信号而言,负序量没有物理意义,所以负序方案实用价值很小。3.1.3 零序电流方案非有效接地电网系统单相接地故障的零序电流的暂态和稳态电流分布第二章进行了比较细致的分析和介绍,零序电流变化包含丰富的故障信息,零序电流测量可以

56、利用零序CT或三相CT的并联获得故障零序电流,可以作为我们故障定位的特征量。零序电流方案较以上两种方案有很多优点:第一,零序成分的影响因素比较少,电网的不对称只引起极少量的零序电流;第二,零序信号形式从构成机理上具有明确的物理意义,它表示测量点断面流过的三相导线的净电流,无论信号正弦与否,该物理意义都成立;第三,零序电流测量方案获取的信号中不包含负荷电流,并且每条线路只需一条信号通道,所以装置的输入通道可以更好的为故障信号设计,装置的通道数量也比较少。综上分析考虑,零序电流方案对于配网单相接地故障区段定位较另外两个方案有明显的优越性,所以本课题考虑零序电流作为区段定位的故障特征量,也就是利用故障点前后节点的零序电流的不同来进行区段定位。3.2 中性点不接地系统故障区段定位原理3.2.1 中性点不接地系统故障区段定位理论分析第二章已经对中性点不接地系统发生单相接地后配网中的电容电流分布做了比较详细的介绍。本节主要是在其基础上进向深入细致的分析,寻找单相接地故障后系统中比较明显的故障特征,从而实现故障区段的定位。如图3.1所示的中性点不接地系统,该系统具有3条简单支路,线路1有2个检测节点,而线路2