小电流系统单项接地综合选线研究

目录TOC\o"1-2"\h\u139191绪论 1234291.1研究目的及意义 1282441.2国内外技术现状 387831.3本论文主要工作 4101392小电流接地系统单相接地故障特征 6165642.1电力系统中性点的接地方式 652162.2小电流接地系统发生单相接地故障的特点 7119432.3小电流接地系统各种选线原理的分析与比拟 1124002.4各种测距方法的分析 13622.5本章小结 15152263小电流系统接地故障特征量分析 16193133.1中性点不接地系统接地故障特征量分析 16130473.2中性点经消弧线圈接地系统接地故障 19247894小电流接地系统单相接地故障选线仿真 26270994.1仿真模型的建立 2659074.2仿真算例 27302094.3本章小结 34100245小电流接地系统单相接地故障行波测距仿真 35258065.1行波的故障特征 35183655.2行波故障测距仿真算例 36239965.3本章小结 3826639参考文献 3912096致谢 401绪论总的来说是为了提高供电可靠性和平安性，节省人力物力。提高配电网的综合自动化水平随着配电网规模的扩大及城网、农网改造的进一步深化，整个系统的对地电容电流越来越大，使弧光接地引起的过电压倍数甚高；下面以10KV配电线路单相接地故障为例对其危害和影响进行分析

1、对变电设备的危害

：10

kV配电线路发生单相接地故障后，变电站10

kV母线上的电压互感器检测到零序电流，在开口三角形上产生零序电压，电压互感器铁芯饱和，励磁电流增加，如果长时间运行，将烧毁电压互感器。接地故障发生后，也可能产生谐振过电压。几倍于正常电压的谐振过电压，危及变电设备的绝缘，严重时使变电设备绝缘击穿，造成更大事故。

2、对配电设备的危害

:

单相接地故障发生后，可能发生间歇性弧光接地，造成谐振过电压，产生几倍于正常电压的过电压，将进一步使线路上的绝缘子击穿，造成严重的短路事故，同时可能烧毁局部配电变压器，使线路上的避雷器、熔断器绝缘击穿、烧毁,也可能发生电气火灾事故。3、对区域电网的危害

：严重的单相接地故障，可能破坏区域电网的稳定，造成更大事故。4、对人畜危害

：对于导线落地这一类单相接地故障，如果配电线路未停运，对于行人和线路巡视人员(特别是夜间)，可能发生跨步电压引起的人身电击事故，也可能发生牲畜电击伤亡事故。5、对供电可靠性的影响

：发生单相接地故障后，一方面要进行人工选线，对未发生单相接地故障的配电线路要进行停电，中断正常供电，影响供电可靠性；另一方面发生单相接地的配电线路将停运，在查找故障点和消除故障中，不能保障用户正常用电，特别是在庄稼生长期、大风、雨、雪等恶劣气候条件，和在山区、林区等复杂地区，以及夜间、不利于查找和消除故障，将造成长时间、大面积停电，对供电可靠性产生较大影响。上述是小电流接地系统的故障的危害，然而当我们实地深入研究小电流单相接地故障以后，采取适当的方案方法会更好预防和快速的切除故障，从而把危害降到最低。下面是一那么保护可靠选线准确的成功案列

襄樊科能公司在湖北省电力局和襄樊供电局的大力支持下与某单位合作，不仅有了技术信息和试验设备；而且还得到了科研经费补助。从上世纪80年代末组织了一批在电力系统长期从事发、配电工作的工程技术人员，开展了近20年的研究工作，对国内外这类装置选线不可靠的原因，进行了深入细致地分析，实地调查了很多变电站、开关站，掌握了大量的运行数据，发现了各种理论在使用过程中存在的问题。总结出了接地状态时，电流、电压和各种干扰信号的变化规律，根据“模糊理论〞的原理，综合采用了“首半波〞、“无功功率方向〞、“谐波电流的方向和大小〞以及“小波分析〞等多种原理和方法。通过采集接地状态时多种数据与运行经验相结合，运用模糊理论和计算机技术，采用逻辑关系和模糊加权运算方法以及自主开发的程序软件；在硬件方面选用了从美国进口的大规模集成电路和高速电脑工控机；结构上是分布式网络结构，多位处理器同时工作，实现了实时跟踪，多种数据同步采集和运算处理，快速得出判断结果。

同时，该公司还研制成功了与单相接地保护装置配套的具有高精度和高灵敏度的LXMZ-10型母线式零序电流互感器和电缆式零序电流互感器。从多方面保证了保护选线的可靠性。从1989年开发成功第一代选线装置〔原名称：单相接地探索仪、单相接地故障在线监测仪〕，于1993年通过了水利电力部低压电器质量检验测试中心的检验测试；并在华中网局和湖北省电力工业局的共同组织下召开了技术成果鉴定会，得到了与会三十多位专家、工程师的好评。该工程的主要技术人员现又对该装置进行了全面升级，功能更加强大，选线的可靠性得到了进一步提高，从早期70-80﹪的选线准确率，提高到现在的100﹪；既解决了中性点完全不接地系统保护选线的需要；又解决了中性点经消弧线圈或电阻接地系统的保护选线需要；还能够满足多段母线多种组合并列或分段运行方式时，多条线路同时发生接地时的保护选线。当接地时的过渡电阻较高或系统有谐振发生时，也能到达选线准确无误。现已在二百多座变电站安装使用了这种装置，从用户反响的使用情况来看，效果很好，满足了电力系统对可靠性的要求，具有世界领先水平。因此，从根本上解决了小接地电流系统单相接地保护选线可靠性差的世界性难题，为提高电力系统的自动化水平作出了创新性的奉献。因此有必要和意义研究小电流接地系统的故障和选线。〔1〕在美国，由于其电网中性点主要采用电阻接地方式，也利用零序过电流保护瞬时切除故常线路。小电流接地系统中单相接地保护被认为是难以实现的，而且引起的过电压非常严重。因此，他们一般不采用小电流接地系统宁愿在供电网络上多投资以保证供电的可靠性。但是今年来，在EIEE的专题报告上也认为应当加强小电流接地系统保护的研究。〔2〕法国在使用中性点进电阻接地系统〔NRS〕几十年后，现在正以NES取代NRS，同时开发出高新技术产品，零序导纳接地保护。另外，挪威一公司那么利用测量空间电场和磁场的相位，反映零序电压和零序电流的相位，研制了挂式接地指示器。〔3〕在前苏联，二十世纪以来小电流接地系统应用较多，主要采用中性点不接地或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。起选线原理比拟简单，不接地系统主要功率方向继电器。日本在供电、钢铁、化工用点中普遍采用NUS或NRS，所以选线原理简单。采用基波无功方向方法。今年来，在如何获取零序电流信号以及接地点分区段方面投入了不少力量，利用光导纤维研制的架空线路和电缆零序互感器0ZCT试验获得成功。〔4〕三十年代德国首次提出利用零序电流的半波极性来判断接地线路，相继有多篇论文发表，并有几代产品问世。现在他们又研制出一种携带式接地报警装置。而挪威一家公司那么利用空间电场和磁场的相位，反映零序电流和零序电压的相位，研制出悬挂式接地指示器，分段悬挂在线路和分叉点上。〔5〕90年代，外国已将人工神经网络原理应用于NUGS单项接地故障保护，并在有关文献提到应用专家系统方法。随着小波分析的出现和开展，国外有文献提及利用小波分析良好的时频局部性，分析故障暂态电流的高频分量的方法。〔6〕在我国，6-35KV配电网常采用小电流接地系统，其中大多数是中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统。已经提出的选线方法均以零序电压来启动保护或选线装置，因此可以根据是否利用故障电流来把它们分类，第一类包括：比幅法、比相法、群体比幅比相法、首半波法、谐波电流方向法、五次谐波分量法、有功分量法、能量法，还有近几年出现的利用小波分析最大原理、模糊推理或模式识别来实现故障选线的多种方法；第二类包：拉线法注入信号跟踪法等。〔7〕随着选线原理的开展，各种选线装置也相继研制成功。50年代我国有根据首半波极性研制成功的基地保护装置和零序电流五次谐波研制成功的接地选线定位装置。70年代后期，上海继电器厂和许昌继电器厂等单位研制生产了一批有选择性的接地信号装置，如反映中性点不接地系统零序功率方向的ZD-4型保护和反映消弧线圈接地系统五次谐波零序功率方向的ZD-5型，ZD-6型ZD-7型保护。有些运行部门还采用反映零序电流增大的零序电流保护来选线。80年代中期，我国又研制成功了微机型小电流系统单相接地选线装置，近几年来，随着微机在电力系统应用的推广，相继出现了一些型接地选线装置和适合微机实现的选线理论。其中南京自动化院的利用比拟零序电流五次谐波的的大小和方向的小电流接地系统单相接地选线装置；东北电力学院研制出通过无线电接收谐波电流，利用比相原理而实现的单相接地选线装置；山东大学研制出基于群体比幅比相原理的ML-1型以及利用零序电流五次谐波比相原理的MLA-98型小电流选线装置；西安交通大学那么提出了利用零序电流的3、5、7次谐波分量之和的相比照拟法和自适应独立判别法进行选线的原理等等。九十年代至今，又先后推出了基于有功功率法，S注入法，小波分析法及接地残留增量法等原理的新型选线装置，并且分析故障暂态特征，应用DPS技术的基于小波理论的选线装置已经产生。〔8〕到目前为止，基于上述不同的选项原理，已经先后推出了几代产品但在实际应用中，效果不十分理想。而小电流接地系统故障测距问题的研究相对较少，真正用于实际的装置跟少见，这同配网自动化水平不相适应.因此小电流接地系统故障定位问题还有必要进一步研究。本课题的研究对象是小电流接地系统即中性点不直接接地系统，主要解决的是在小电流接地系统中发生单相接地时的故障选线和故障测距问题。由于单相接地时的暂态分量往往比稳态分量大几倍到几十倍，容易测量，且消弧线圈相当于开路，对暂态分量几乎没有影响，因而选用一种适合分析暂态信号的方法将有助于提高选线的正确率。由于小波变换具有良好的时频局部化特性，非常适合分析电力系统的暂态信号。本文将小波变换引入到配电网的单相接地故障检测中，实现故障选线和测距，其主要内容如下：(1)简述国内外小电流接地系统单相接地故障定位的研究现状和开展趋势，目前广泛采用的各种选线和测距方法。(2)对小电流接地系统发生单相接地故障时零序电流的特点及暂态过程进行分析和总结。(4)对本文所采用的选线和测距算法从原理上做详细论述。对故障后的零序电流进行小波变换，通过比拟小波变换模极大值的大小和极性实现故障选线，在选线的根底上，利用小波变换的奇异性检测理论检测初始行波波头及故障点反射波的到达时刻实现故障测距。(5)利用MATLAB/simulink中的电力系统仿真工具箱搭建小电流接地系统的仿真模型，对本文提出的选线和测距算法进行验证。2小电流接地系统单相接地故障特征我国配电网一般都采用中性点不直接接地方式(NUGS)，因其发生单相接地故障时流过故障点的零序电流很小，所以又称为小电流接地系统，它包括中性点不接地系统(NUS)、中性点经消弧线圈接地系统(NES)和中性点经电阻接地系统(NRS)。通常讲的中性点不接地，实际上是经过集中于电力变压器中性点的等值电容(绝缘状态欠佳时还有泄漏电阻)接地的，其零序阻抗多为一有限值，而且不一定是常数。如在工频零序电压作用下，零序阻抗可能呈现较大的数值，因此零序电流数值较小，而在3次或更高次谐波的零序电压作用下，零序容抗锐减，高次谐波电流骤增，有时甚至在正常运行情况下也可引起通信干扰。中性点不接地方式即中性点对地绝缘，其结构简单，运行方便，不需任何附加设备，投资省，适用于农村10kV架空线为主的辐射形或树状形的供电网络。在中性点不接地配电网中发生单相接地故障时，线电压仍保持对称，可以继续运行1~2小时，不影响对用户供电。当线路不长时，接地电容电流值较小，不至于形成稳定的接地电弧，一般均能迅速自动熄灭而无需跳闸。而当线路较长时，电容电流大于规程规定的10A时，容易产生一种不稳定的间歇性接地电弧而引起幅值较高的弧光接地过电压。弧光过电压持续时间过长，对电网中绝缘薄弱的设备威胁较大，容易使事故扩大。我国电力行业标准DL/T620－1997?交流电气装置的过电压保护和绝了通路，同时电阻对系统的谐振起阻尼作用，其主要优点是：(1)可以有效抑制弧光接地过电压，从而降低设备的绝缘水平要求，提高经济效益；(2)从根本上抑制了系统谐振过电压；(3)运行方式灵活，对电容电流的适用范围大，不会因为馈线的增多而改变电阻；(4)发生永久接地时，能迅速切除故障，具有明显的平安性。但中性点经电阻接地，特别是现有以架空线路为主的配电网(尤其是农网)单相接地时，跳闸次数会大大增加。如果尚未实现环网供电，那么停电次数将还会增加，使供电可靠性降低。同时频繁跳闸，增加了断路器的负担，大大加重了维护、检修的工作量。2.2.1中性点不接地方式(NUS)如图2-1所示的中性点不接地电网中，每条线路对地均有电容存在，以，，等集中电容来表示。当线路III发生A相接地后，如果不计及三相对称负荷电流和电容电流在线路阻抗上压降的影响，那么全系统A相对地电压均等于零。因而各元件A相对地的电容电流也等于零，而B相和C相的对地电压和电容电流都升高。现分析如下：电网各处A相对地电压〔2-1〕因此，电源中性点N对地电压：〔2-2〕B相对地电压为〔2-3〕C相对地电压为〔2-4〕母线上的零序电压为〔2-5〕非故障线路IA相电流：〔2-6〕B相电流：〔2-7〕C相电流：〔2-8〕零序电流为：〔2-9〕同理，非故障线路II零序电流为：〔2-10〕故障线路III零序电流为：〔2-11〕当电网发生单相接地时，线路上两个非故障相的电容电流之向量和称为接地电容电流非故障线路I的接地电容电流为：〔2-12〕同理，非故障线路II的接地电容电流为：〔2-13〕故障线路III的接地电容电流为：〔2-14〕电网中所有线路的接地电容电流总和为：〔2-15〕接地故障处的电流就是接地电容电流总和，即综合以上分析，可以得出以下几点结论：(1)在中性点不接地电网中发生单相接地时，故障相对地电压为零，非故障相对地电压为电网的线电压，电网出现零序电压，它的大小等于电网正常工作时的相电压；(2)非故障线路大小等于本线路的接地电容电流；故障线路大小等于所有非故障线路的接地电容电流之和；(3)非故障线路的零序电流超前零序电压90°；故障线路的零序电流滞后零序电压90°；故障线路的零序电流与非故障180°90°90°线路的零序电流相位相差180°；(4)接地故障处的电流大小等于所有线路的接地电容电流的总和，并超前零序电压90°。2.2.2中性点经消弧线圈接地方式(NES)在我国，35kV电网，如果单相接地时，接地电容电流的总和大于10A，3~10kV电网如果大于30A，都需要采用中性点经消弧线圈接地方式，保证接地电弧瞬时熄灭，以消除弧光间隙接地过电压。电网各处A相对地电压为零，电源中性点N对地电压：〔2-16〕B相对地电压：〔2-17〕C相对地电压：〔2-18〕母线上的零序电压：〔2-19〕非故障线路I：〔2-20〕非故障线路II：〔2-21〕故障线路III的接地电容电流：〔2-22〕这些电流、电压与电网中性点不接地时完全相同。所不同的，主要有以下几点：如果消弧线圈的电感为L，由于它两端的电压为〔2-23〕因此通过它的电流为(不计消弧线圈的功率损耗)：〔2-24〕由于接地电容电流和都通过接地点，因此接地点的电流为：〔2-25〕超前而滞后，二者相位相反，因此接地点的电流比电网接地电容电流的总和小得多，消弧线圈起到了补偿作用，接地点的电流成为剩余电流。在电网的运行中，为了减少接地电流，并防止铁磁共振过电压，一般采用过补偿方式，使。过补偿多少以补偿度P表示，它的定义：〔2-26〕偿度一般为5%~10%。又由于的相位与相反，可得〔2-27〕〔2-28〕如果P=10%，那么接地点的剩余电流只有电网接地电容电流总和的10%，比没有消弧线圈补偿要小得多。与每条线路的电容电流接近，因此，反响故障电流稳态值的简单保护将无法采用。(3)由于故障线路III：〔2-29〕因此故障线路的应为：〔2-30〕根据以上的分析，可以得到以下结论：(1)消弧线圈接地电网中发生单相接地故障时，故障相对地电压为零，非故障相对地电压为电网相电压；电网出现零序电压，它的大小等于电网正常工作时的相电压。(2)消弧线圈两端电压为零序电压，消弧线圈的电流也通过接地故障点和故障线路的故障相，但它不通过非故障线路。(3)接地故障点剩余电流的大小等于补偿度与电网接地电容电流的乘积，它滞后于零序电压90°；剩余电流的数值很小。(4)非故障线路的大小等于本线路接地电容电流；在过补偿的情况下，故障线路的大小等于剩余电流与本线路接地电容电流之和。(5)非故障线路零序电流超前零序电压90°；在过补偿的情况下，故障线路的零序电流也超前零序电压90°；故障线路的零序电流与非故障线路的零序电流相位一致，但是由于电感电流不能突变，在故障瞬间，零序电流主要表现为容性，相位仍然与非故障相相反。按照所使用的电气量不同，小电流接地系统的选线方法可分为稳态分量法、暂态分量法、注入信号法等。〔1〕基波零序电流比幅法零序电流比幅法利用的是流过故障元件的零序电流在数值上等于所有非故障元件的对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，所以只要通过比拟零序电流幅值大小就可以找出故障线路。但这种方法受CT不平衡、线路长短、出线多少、系统运行方式及过渡电阻大小的影响，不适用于经消弧线圈接地的系统。〔2〕基波零序电流相对相位法零序电流相对相位法利用故障线路零序电流与非故障线路零序电流流动方向相反的特点，找出故障线路。但这种方法在线路较短时，零序电压、电流均较小，相位判断困难，且受CT不平衡电流、过渡电阻大小的影响，并且不适用于消弧线圈的过补偿运行方式。〔3〕零序谐波分量法发生单相接地故障时，故障电流中存在的谐波信号以5次谐波为主。由于消弧线圈是按照基波整定的，因此可忽略消弧线圈对5次谐波产生的补偿效果，再利用5次谐波电容电流群体比幅比相法，就可以解决经消弧线圈接地系统的选线问题。但故障电流中5次谐波含量较小〔小于故障电流10%〕，且受CT不平衡电流和过渡电阻的影响，选线的准确度也不是很稳定。〔4〕有功分量法其原理是利用自动补偿电网中消弧线圈上并联或串联阻尼电阻的特点，在发生接地故障后，电阻产生的有功分量只流过故障线路，且其方向与非故障线路的零序有功漏电流方向相反，在数值上故障线路的有功电流比非故障线路的有功电流大，据此，只要以零序电压作为参考向量，将此有功电流取出，就可以方便地实现接地选线保护。该方法不仅受消弧线圈串联或并联的电阻的影响，同时也受接地电阻和CT不平衡的影响。〔5〕基于负序电流的选线方法当电网中发生单相接地故障时，基波负序电流分量与中性点接地方式无关，故障线路基波负序电流分量的有效值，与所有非故障线路者相比，前者不仅数值最大，而且比后者高出许多，同时故障与非故障线路的负序电流分量的相位相反，据此可构成选线判据。但负序信号获取困难且易受负荷变化的影响。首半波法首半波法是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设。用故障线路中故障后暂态零序电流第一个周期的首半波与非故障线路相反的特点实现选线。但该原理不能反映相电压较低时的接地故障，且受接地过渡电阻影响较大，同时也存在工作死区。PRONY算法PRONY算法对于接地故障电流的分析具有很高的准确性，它是一种用指数项拟合模型很有效的频谱分析方法。小电流接地系统发生接地故障时，故障电流暂态分量的频率、幅值、阻尼和相位等参数与故障特性有清晰的相关性，利用PRONY算法分析高频分量的频率和直流分量的阻尼来实现的故障定位方法是有效和准确的。此算法的计算量较大，但配置一般的微机即可。暂态能量法定义为故障线路的能量函数，呈单调上升，而非故障线路的负序电流很小，能量函数相应很小，但在一个周波内的计算能量为负。因此故障线路的计算能量远大于非故障线路，二者符号相反；前者为正，后者为负。通过比拟线路暂态能量的大小和符号即可进行接地保护。在相电压过零附近故障或过渡电阻较大时，暂态过程较为微，暂态分量缺乏，选线失效。小波分析法单相接地故障发生后，故障电压和电流的暂态过程持续时间短，并含有丰富的特征信息，且比稳态值大，因此选择适宜的分析方法分析暂态信号，将有利于故障选线。小波变换具有时频同时局部化的特点，能够很好地提取故障暂态特征。小波变换是把一个信号分解成不同尺度和位置的小波之和，利用适合的小波和小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后，易看出故障线路上暂态零序电流特征分量的包络线高于非故障线路，且其特征分量的相位也与非故障线路的相反，这样就能构造出利用暂态信号的选线判据。原理的选线方法最大原理的本质是寻求缓大零序无功功率突变量的代数值，从理论上根本消除了电流互感器不平衡电流的影响。小电流接地系统正常运行时，负荷在短时间内不会有较大突变，可通过一中间参考正弦信号，使各线路故障前的零序电流对故障母线在故障后的零序电压亦能找出相位关系，由此再把所有线路故障前、后的零序电流都投影到故障线路零序电流的理论方向上。然后计算出各线路故障前、后的投影值之差找出差值最大的即最大的。假设，那么线路k为故障线路，否那么为母线故障。此法有两个缺陷：首先，计算，过程中需取一参考信号，假设该信号出问题，将造成该算法失效；其次，该算法在计算过程中需求出有关相量的相位关系，计算量太大。对于只装设两相CT的架空出线，难以得到零序电流，需用新的方法。首先定出故障的相别，然后向接地相注入信号电流，其频率可取在各次谐波之间，使其不反响工频分量及高次谐波。故障时接地相的PT副边处于被短路的状态，由副边感应来的信号电流沿接地线路的接地相流动并经接地点入地。用信号电流探测器在开关柜后对每一条出线进行探测，探测到注入信号的线路即为故障线路。该方法利用处于不工作状态的接地相PT注入信号，不增加一次设备，不影响系统运行。但其困难是注入信号的强弱受电压互感器容量限制，接地电阻较大时线路分布电容会对注入的信号分流，给选线和定点带来干扰，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且会破坏信号特征，给检测带来困难。2.3.5拉路法 拉路法即传统采用的无选择性绝缘监视装置方法。小电流接地系统发生单相接地故障时，继电保护装置动作，此时继电器不跳闸，只是发出报警信号。值班人员听到报警装置后，逐次断开各线路的断路器，当断开某一线路时，假设报警信号不消失，那么说明该线路不是故障线路，立即合上线路，恢复供电；假设报警信号消失，那么该线路即为故障线路。该方法的缺点是故障后需短时停电才能确定故障线路。在电网发生单相永久接地故障的情况下，假设增大消弧线圈的失谐度(或改变限压电阻的阻值)，那么只有故障线路中的零序电流会随之改变，因此只要对失谐度变化前、后各条馈线的零序电流进行实时采集，比照找出剩余电流明显变化的馈线，便可确定为故障线路。小电流接地系统故障测距问题，国内外均有研究。根据暂态行波在输电线路有固定的传播速度这一特点(约为光速的98%)，国外学者早在五十年代就提出了数种行波故障测距方法，并成功研制A，B，C，D四种类型的行波故障测距仪；七十年代初期，瑞典ASEA公司和美国BPA公司联合进行了利用暂态行波构成超高速机电保护的可行性研究，通过大量的故障计算证实利用故障产生行波实现继电保护是可能的，并于1976年研制成功第一套行波保护装置。分析包括波过程在内的电磁暂态数值计算方法是建立在流动波根底上的网格法和Bergeron特征线法。目前已提出了诸如：阻抗测距法，行波测距法，及基于计算机的数字式测距方法。根据实现原理，故障测距研究的方法大致可以分为三类。配电系统馈线故障分析测距法是利用故障发生后，测距安装端可获得的信息来实现故障点准确定位的方法。目前，故障分析法主要是阻抗法。利用测量信息计算故障阻抗的测距算法是建立在阻抗法或电抗法的原理根底上的，计算方法比拟复杂，如利用牛顿拉夫逊方法、傅立叶级数方法、最小二乘估计等，但由于不能消除过渡电阻的影响以及系统建模、参数简化、分量提取等环节势必产生一定的原理性误差和小电流接地系统不同于中性点直接接地系统，其故障前后基频分量变化很小，且绝大多数是间歇性瞬时故障，暂态波形畸变严重，不可能精确提取基频分量，故基于基频分量的测距方法误差必然较大，在这种情况下，采用时域采样的测距方法，误差将会更大，探测精度不高。利用高频暂态电流电压的行波在线路中的传播或在故障后用脉冲频率调制雷达系统来间接判断故障点的距离。行波测距法的研究始于60年代。人们根据电压和电流行波在线路上有固定的传播速度〔约为光速的98%〕这一特点，提出了许多种行波故障测距方法。目前该方法大致可分为三类，第一类根据故障点出现的行波到达母线后反射到故障点，再由故障点反射回母线的时间差来测距；第二类是根据故障点出现的行波到达两侧母线的时间并借助专用通道来实现；第三类是根据故障后人为施加高频或直流信号，利用雷达原理来实现。为解决故障测距问题，有许多学者引入优化方法、卡尔曼滤波技术、模式识别技术、概率和统计决策、模糊理论和光纤测距、模拟退火算法、模糊神经网络等方法，但目前都处于研究阶段。小电流接地系统的故障测距问题的研究相对较少，现有的故障测距方法都有一定的局限性，真正用于现场实际的测距装置更是少见，这同配电网自动化的水平不相适应，很有必要对此进行进一步的研究随着电力系统自动化整体水平的提高，新的数学工具和技术的不断出现，研究高性能的测距方法是必然的，基于故障特征法实现故障测距将是有效的。本章首先对电力系统小电流系统中的中性点接地方式的种类及各种方式的应用情况进行了介绍，分析了中性点不接地电网和中性点经消弧线圈接地电网发生单相接地故障时零序分量的产生机理、特点和相互系，对其暂态特性进行了分析，可作为选线和测距的依据。旨在通过分析零序分量的特点来找出它们在故障线路和非故障线路上的差异，为指定和实施选线和测距奠定根底。3小电流系统接地故障特征量分析中性点绝缘系统中，中性点电压升高的原因主要有：单相接地、铁磁谐振、单相单相断线等。根据接地故障的时间和接地电阻的稳定性，单相接地故障可以分为稳定单相接地故障和不稳定单相接地故障。其中稳定故障是指接地电阻稳定于某值或者电弧持续稳定的燃烧，这时根据接地电阻的大小又可以分为高电阻接地故障、低电阻〔或者是金属性接地〕接地故障。而不稳定接地是指接地故障不定持续的，是瞬间的或者是时断时续的，这时又可以分为瞬间电弧接地和间歇性电弧接地。这种故障可以引起间歇性电弧过电压。在正常运行中，由于三相对地电容的不对称，电网中性点会出现位移电压。我们这里假设故障以外的电网中的元件都是对称的。对于中性点绝缘电网，为无穷大。可足够准确的认为零序电流和零序电压以及中性点电压只取决于零序阻抗和电弧电阻R；又认为零序电阻中对应泄漏电导的有功电流只约为电容电流的。当忽略有功分量后，为电网中每相对地电容。图3-1中性点绝缘系统单相接地等效序网图图3-2单相接地故障发生后零序回路简化电路图假设C相发生接地故障，中性点电位偏移关系式为:正序电流、负序电流、零序电流相等由序网图得到零序稳态电流值为：〔3-1〕〔3-2〕特别地，当发生单相金属性接地时，接地相电压为零，对地电容被短接。Rg=0,那么零序电流和电压为：〔3-3〕两个非故障相对地电压升高倍，对地电容电流也相应升高倍，两相电压及两相电流之间的相位差均为60度。因此，电网将出现零序电压，幅值等于电网正常运行时单相对地电压。在非故障线路上，零序电流幅值等于正常运行时单相对地电容电流，方向从母线指向线路;而故障线路上，由于同一母线各条出线的对地电容电流都要经过接地点返回电源，零序电流幅值等于所有非故障线路零序电流之和(即大于任一条非故障线路零序电流)，方向从线路指向母线。接地电流为：〔3-4〕当接地点存在一定过渡电阻时，接地相电压不再为零，其幅值随过渡电阻增大而增加。系统零序电压和各条出线零序电流也随之减小，但它们之间的相位关系不变。由式(5-2)可做出中性点及三相电压随过渡电阻变化的相量轨迹图如图15。从相量图可以看出当C相发生接地故障时，C相电压一定降低，超前于C相的B相电压一定升高，而滞后于C相的A相电压可能升高也可能降低，C相电压可能大于A相电压，也可能小于A相电压。C相电压与A相电压的大小关系由接地电阻的阻值决定。中性点绝缘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3-3单相接地时稳态和暂态等值电路暂态过程中，零序电流和电压间的关系可以表示如下：〔3-5〕电压电流都有两局部组成，一个是以电源频率变化的和称强制分量，另一个是以振荡的自由分量。自由分量包括两项，它们之间的相角差为，而。式中：〔3-7〕为了对电压最大值有个概念，我们假定b很小，，由此可得：理论上的电压电流的最大值，其幅值为：〔3-8〕(3-9)当时，因此我们得到〔3-10〕〔3-11〕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。图3-4单相接地故障发生时电网等效电路图图3-5不同的单相接地故障时中性点电压波动曲线从中性点电压曲线上，可以看到不同的单相接地故障类型，中性点电压呈现出不同的特点。当系统发生单相金属性稳定接地故障时，中性点电压迅速地上升到相电压幅值，然后稳定的呈正弦波形；当系统发生经大电阻单相永久接地故障时，由于系统附加阻尼率很小，在预调式消弧线圈阻尼电阻切除或在随调式消弧线圈工作在靠近谐振点工作状态时，会出现消弧线圈串联谐振过电压；当系统发生瞬间接地故障时，由于故障时间很短暂，中性点电压上升到一定的数值后，慢慢再次衰减到正常运行状态；而间歇性单相接地故障是最复杂的一种单相故障中性点电压在故障后呈现不规律的幅值波动，并且随着电弧熄灭和重燃的次数和时间的不同，波形有很大差异。图3-6谐振接地系统单相接地故障发生时电容电流分布〔1〕电压变化特点在中性点经消弧线圈接地系统正常运行时，假设各相的对地电压是对称的，电源中性点对地电压等于零。对于完全换位的系统，其三相对地电容相同，在对称电压的作用下产生的三相电容电流也是对称的，并超前相应电压90度。因此三相对地电压之和与三相电容电流之和都为零，所以电网正常运行时无零序电压和零序电流。当单相接地故障发生后，接地故障相电压降低，非故障相对地升高，中性点电压升高，计及输电线路等元件的零序电容〔对地电容〕，出现故障零序电容电流，根据线路的等效电路得到序网的等效电路，如图3-6，、分别为线路1和线路2的对地电容。当线路2的K点A相接地短路时，做出复合序网。因各个序网阻抗在线路上形成的压降很小，可以忽略不计，所以正序负序网络中阻抗近似为零，零序网络中有对地电容和消弧线圈电感，假设接地电阻为。图3-7单相接地故障零序回路等效电路由序网的等效电路得到单相接地时随过渡电阻变化，中性点电压大小为：〔3-12〕因此，中性点电压偏移的轨迹是一个半圆，过补偿时电压向量图分别如下列图所示。 图3-8中性点电压偏移的轨迹〔2〕电流变化特点经消弧线圈接地系统等效于在中性点不接地情况下叠加一个感性分量。由图3-6由于接地电阻的分压作用，使,的减小使得电网各局部零序电流的幅值减小。非故障线路、故障线路始端、故障点电源侧和负荷侧的零序电流及接地点总电流的表达式具有类似形式，即零序电流与零序电压的相位关系不变。投入消弧线圈后，电容电流的大小和分布与不接地时候一样，不同之处是在接地点又增加了一个感性电流分量,因此接地点的总电流为：由于和的相位相差180度，所以接地点电流因为消弧线圈的补偿而减小。如果忽略线路对地电导，那么消弧线圈的感性电流只流过接地点和接地线路。消弧线圈在单相接地时一般工作在过补偿状态下，经过补偿后的故障线路的零序电流方向与非故障线路相同。如果消弧线圈工作在欠补偿的状态下，经过补偿后的故障线路的零序电流方向与非故障线路相反，但是在稳态下基频幅值明显减小。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局部组成。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同，即两者不能互相偿。图3-9单相接地暂态电流的等值回路其中C为补偿电网三相对地电容，三相线路和电源变压器等在零序回路中的等值电感，零序回路中的等值故障点的接地电阻和弧道电阻，、分别为消弧线圈的有功损耗电阻和电感，零序电源电压。〔1〕暂态电容电流根据等值电路图3-9，暂态特性因其自由振荡频率一般较高，消弧线圈电感，，可以不予考虑，得如下方程式：〔3-13〕当时，回路电流的暂态过程具有周期性振荡及衰减特性，当时，回路电流那么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300～1500Hz，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1500～3000Hz，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局部组成的，利用t=0时电容电流为这一初始条件和的关系，经过拉氏变换等运算可得：〔3-14〕式中：相电压的幅值，为电容电流的幅值；为暂态自由振荡分量的角频率；，为自由振荡分量的衰减系数，其中的为回路的时间常数。假设系统的运行方式不变，那么为一常数。当较大时，自由振荡衰减较慢；反之，那么衰减较快。因为上式中含有和两个因子，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。当时，其值最小，当时，其值最大。此时，当故障相在电压峰值、即接地，电容电流自由振荡分量的振幅出现最大值。〔3-16〕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：〔3-17〕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，时其值最大，时，其值最小。4小电流接地系统单相接地故障选线仿真本文采用的仿真系统结构如图4-1所示，是一个简单110/10kV的变电站，有5条出线，当开关K断开时为中性点不接地系统，当开关K闭合时为中性点经过消弧线圈接地系统。图4-1具有5条出线的系统结构图线路正序参数为：，，；零序参数为：，，；变压器参数为：双绕组变压器，电压等级为110kV/10kV，变压器容量为50MVA，线路长度分别为：=5km，=15km，=l0km，=25km，=20km。消弧线圈的电感值按照系统的对地电容电流之和计算。由参考文献可以计算出该系统的单相对地电容电流：〔4-1〕当完全补偿时流过消弧线圈的电感电流值也是23.3A，将消弧线圈等效为电感的串联，参数按110%的过补偿整定：L=1.501H。由于架空输电线路的参数R、L、C是沿线路均匀分布的，一般不能当作集中参数元件处理，而必须采用分布参数的电路模型。电力系统仿真工具箱元件库powerlib提供了两种三相长输电线路的数学模型，分别是集中参数Π型模型和分布参数贝杰龙数学模型，仿真模型中采用分布式参数的贝杰龙数学模型。在这里我们采用MATLAB自带的ode23t函数进行数值计算，仿真参数(Simulation/Parameters)设置如下：SolverOptions：Variable-stepode23tStarttime：0.0Stoptime：0.10RelativeTolerance：le-3AbsoluteTolerance：le-2参数设置之后启动仿真，就可以得到各出线的三相电压，电流的波形。4.2仿真算例小电流接地系统单相接地故障电流仅为线路对地电容电流，数值非常小，而且故障状况复杂，使零序电流故障成分信噪比拟低，而零序电压数值很大，信噪比相对较高，所以本文识别故障线路时以零序电压信号为基准，根据电压信号小波变换模极大值点，确定故障时刻。4.2.1.1算例1线路L5在距离母线10km处，t=0.024s时，发生A相接地故障，故障电阻R=100Ω，得到的母线零序电压波形如图4-2所示。图4-2母线零序电压图对得到的母线零序电压用db15小波分解六层，再对第一层的高频局部D1进行重构，根据重构后的高频分量确定故障时刻，小波变换图如图4-3所示。由图5-4可以看出，故障发生在x=1925点处，经过计算，可知，故障发生的时刻是T＝0.024062s时刻处，误差为T=0.000062s，可见接地电阻对确定故障时刻影响不大。图4-3母线零序电压的小波变换图线路L5在距离母线10km处，T=0.024s时，发生A相接地故障，故障电阻R=1000Ω，得到的母线零序电压波形如图4-4所示。图4-4母线零序电压图对得到的母线零序电压用db15小波分解六层，再对第一层的高频局部D1进行重构，根据重构后的高频分量确定故障时刻，小波变换图如图4-5所示。经过计算，可知，故障发生的时刻是T＝0.025725s时刻处，误差为T=0.001725s，可见随着故障电阻的增加，母线零序电压奇异性降低，误差有所增加，但对后面的故障选线影响不大。图4-5母线零序电压的小波变换图4.2.2.1算例1母线在T=0.01s时发生A相接地故障，故障电阻为R=10Ω，仿真得到的各条线路零序电流波形如图4-6所示。图4-6各出线零序电流图对各线路零序电流进行小波变换，结果如图4-7所示。由图4-7可以看出，在故障时刻，各线路零序电流突变极性相同，且幅值都不大，根据第二章的选线判据，可以得到正确的选线结果：母线发生了接地故障。图4-7各零序电流的小波变换图4.2.2.2算例2母线在T=0.01s时发生A相接地故障，故障电阻为R=100Ω，仿真得到的各条线路零序电流波形如图4-8所示。图4-8各出线零序电流图对各零序电流进行小波变换，如图4-9所示。从图4-9可以看出，各线路零序电流突变极性相同，且幅值都不大，可知发生了母线故障。 图4-9各零序电流的小波变换图由仿真结果可知，随着故障电阻的不断增大，稳态零序电流的幅值明显减小，这使得传统的基于稳态零序电流幅值和相位的选线方法不能正确判断出故障线路。对于小波选线的方法，当故障电阻增大时，各线路零序电流的暂态分量也会明显减小，经过小波变换后的系数也随之减小，但这并不会影响选线的结果，仿真结果也说明，在经高阻接地故障时，仍能得出正确的选线结果。因此，该方法不受故障电阻的影响。中性点不接地系统单相接地故障后，故障线路零序电流较大，相位与非故障线路相反，选线比拟容易，下面进行仿真。4.2.3.1算例1线路5在距母线10km处，T=0.025s时A相发生金属性接地故障〔此时故障相电压接近最大值〕，各线路的零序电流图如图4-10所示。图4-10各线路零序电流图对各零序电流进行小波变换，如图4-11所示。由图4-11可以看出，线路5的零序电流突变极性与其它线路相反，且幅值最大，可知线路5发生了接地故障。图4-11各线路零序电流的小波变换图4.2.3.2算例2线路4在距母线25km处，T=0.01s时A相发生接地故障，接地电阻为1000Ω，各线路的零序电流图如图4-12所示。图4-12各线路零序电流图对各零序电流进行小波变换如图4-13所示。由图4-13可以看出，线路4的零序电流突变极性与其它线路相反，且幅值最大，可知线路4发生了接地故障。图4-13各线路零序电流的小波变换图 本章主要讨论了利用小波分析进行小电流接地系统单相接地故障选线的原理，以及在MATLAB6.5/Simulink仿真平台下，小电流接地系统单相接地故障的建模和仿真。综合上面的仿真结果可以看出，该选线算法不仅适用于永久性金属接地故障，而且对于间歇性弧光接地故障也有很好的效果。可见，本文将小波分析应用于小电流接地系统中单相接地故障选线，实验证明用小波分析提取小电流接地系统单相接地故障的暂态特征，识别故障线路的方法是现实可行的，其选线算法具有良好的适应性，选线结果也是令人满意的。5小电流接地系统单相接地故障行波测距仿真波的反射和折射是线路行波的重要特征，在电力系统中，均匀线路只在一定条件下存在。当行波沿导线运动时，假设线路的参数或波阻抗在某一接点处突然改变，在该点处就会产生波的折射和反射。输电线路故障后，故障点将产生沿线路运动的电压和电流行波，由于波阻抗不连续，行波在故障点、故障线路母线以及故障线路相连的其它线路末端母线发生折、反射，行波的故障特征正是有行波分量之间的折反射关系所确定。根据电磁场理论，单根无损耗线路上的电压和电流是位置和时间的函数，它们满足波动方程：〔5-1〕解方程得：〔5-2〕其中,L、C分别为单位长度电感和电容；为行波的传播速度，本论文中取光速；为波阻抗；为沿x负方向传播的反行波；为沿x正方向传播的前行波。根据上式可得：正向行波：〔5-3〕反向行波：〔5-4〕正向行波是只反映来自母线方向的方向行波。反向行波只反映来自故障线路方向的方向行波，它携带着重要的故障距离和位置的信息，由文献知道，对于反向行波，在初始行波之后所出现的行波分量不是来自故障点的反射波就是来自于对端母线的反射波，而且来自故障点的反射波与初始行波同极性，来自与对端母线的反射波与初始行波反极性。据此，就可以区分反射波和折射波，构造出行波测距的理论，这将在下面详细讨论。根据文献可以总结出各种行波的根本故障特征：1．随着各种行波陆续到达母线，行波出现“突变〞，分别标志着故障发生、行波从故障点到检测母线往返一次的时间等；2．突变的幅值取决于故障发生时刻故障点初始电压的大小、波阻抗间断点(像母线、故障点等)的折、反射系数和行波的衰减特性；3．突变的极性取决于故障发生时故障点初始电压的极性和波阻抗的间断性质。一般说来，行波极性具有下述特点：(1)来自于故障点的反射电压、电流行波和初始行波同极性；(2)线路两端的初始电压或者电流行波同极性；(3)对应于来自母线方向的正向方向行波和来自故障线路方向的反向方向行波，它们的初始行波和反射行波具有相同的极性。上述根本特征构成了行波继电保护的根底，但是，从故障检测的角度看，从实际故障后的数据中提取出上述特征是非常困难的，因为三相线路存在藕合；故障的非金属性使得行波在故障点会发生折射；其它非故障线路出现折射行波，并在故障线路上表现出来；线模行波和零模行波具有不同的传播速度；行波在传播过程中存在衰耗；母线电容对于行波的分流作用;噪声干扰的存在等等。上述因素使得故障特征模糊，保护构成困难，这是目前行波测距和行波保护性能不好的主要原因。根据上面的分析，反向行波带有丰富的故障信息，而故障电压行波、电流行涉及正