谐振接地系统故障选线新方法研究

谐振接地系统故障选线新方法研究第1页/共34页摘要

配电网中性点接地方式关系到供电系统的安全、可靠运行及对周围环境的影响等诸多方面的技术问题。目前，我国中低压配电网广泛采用小电流接地方式，其中最有代表性的是中性点不接地和谐振接地方式。这种接地方式在保证运行维护人员的安全、过电压水平、设备绝缘水平、经济性等方面存在诸多的优点，并且有助于提高供电可靠性，但因故障电流小而增加了故障检测的难度。对接地线路的准确检测一直是小电流接地系统的一个重要的研究课题。第2页/共34页摘要

针对谐振接地系统中的单相接地故障选线困难的情况，本文分析了谐振接地系统的接地特性，提出了一种基于零序电流比幅的谐振接地系统单相接地故障选线法，详细描述了该方法的理论推理过程，通过数值仿真和实验验证了该方法的正确性，同时分析了该方法的使用范围，并且研制出基于该方法的接地选线装置。结果表明，该装置运算速度快，抗干扰能力强，选线准确，运行可靠性高。第3页/共34页1.1研究的目的和意义

本文所研究的课题主要是针对于35kV、10kV及其以下的中低压配电网，最主要的是10kV中压配电网。配电网络(DistributionNetwork)是电力系统中二次降压变电所低压侧降压后直接向用户供电的网络，一般由多条出线（架空线路或电缆线路）、降压变压器、断路器与各种开关、接地装置、通信与控制设备、测量与计量仪表及继电保护与选线装置等构成，按照一定的规则运行，以高质量的电能持续满足用户的需求随着小电流接地方式被广泛应用，其给继电保护装置的故障选线带来巨大难度。这是因为小电流接地方式在发生单相接地故障时，流过电流非常小，使得传统保护装置很难准确判断出故障馈线，导致长期以来小电流接地系统故障选线问题成为一个技术难题。这也成为了限制谐振接地方式发展的重要因素。因此研究一种行之有效的可靠的小电流接地方式下的故障选线方法成为供电系统迫在眉睫的问题。第4页/共34页1.2小电流接地故障选线的研究现状

近些年，很多学者做了大量的研究和实践，取到了大量的科研成果，但是在现场模拟运行中也发现了大量的问题。现在系统中主要运用的选线方法有零序过电流法、零序电流群体比幅法、零序电流比相法、零序电流群体比幅比相法、零序电流有功分量法、五次谐波法、注入信号法、综合选线方法等。第5页/共34页1.3论文的主要工作

从小电流接地故障选线的研究现状中，可以看出虽然小电流接地选线对小电流接地系统运行有很重要的现实意义，但是目前各种选线方法还存在或多或少、这样那样的缺陷，因此继续对这一由来已久的问题深入研究很有必要。本论文在前人的基础上，详细分析了小电流接地系统在发生单相接地故障时的物理过程，从而得出了小电流接地系统在正常运行和发生单相接地故障时系统主要物理量的数学关系式，为进一步分析选线方法奠定了坚实的基础。第6页/共34页1.3论文的主要工作

除此之外，本文还做了如下主要工作：1.针对补偿电网提出了一种新的选线方法——基于变电抗的零序电流比幅法。2.对零序电流比幅法进行了详尽的数学推导。3.分析了零序电流比幅法的适用范围。4.用Matlab仿真软件对该方法进行了仿真，并分析了仿真结果。5.根据零序电流比幅法的原理设计实际选线装置，搭建实验平台，通过实验验证方法的正确性和有效性。第7页/共34页第2章小电流接地系统单相接地故障分析

2.1等值电路图

在中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障瞬间，可以用图所示等效电路表示暂态回路。第8页/共34页

图中，C：补偿电网的三相对地电容；L0：三相线路和电源变压器等在零序回路中的等值电感；R0：零序回路中的等值电阻（包括故障点的接地电阻和弧道电阻）；rL、L：分别为消弧线圈的电阻和电感；U0：零序电压，中性点对地电压。第9页/共34页2.2暂态接地电流

暂态接地电流由暂态电容电流和暂态电感电流叠加而成，故其具体特性由两者共同决定。即：式中第一项为接地电流稳态分量，其余为接地电流的暂态分量。电力系统中，暂态电容电流的幅值一般远大于暂态电感电流，暂态电容电流衰减的比暂态电感电流要快。可见，不论电网的中性点不接地或者经消弧线圈接地，暂态接地电流的幅值和频率主要由暂态电容电流所决定，其幅值同时与初相角有关。第10页/共34页第3章零序电流比幅式接地选线法

3.1零序电流比幅选线原理中性点经消弧线圈接地配电网络示意图第11页/共34页对式(3-11)式和(3-12)式进行分析，可以看出，(3-11)式，即含故障馈线零序电流比值项会随着消弧线圈容量的变化而改变。当故障馈线零序电流在分子时，则当消弧线圈容量从补偿状态退到空载，对应电抗值变大，比值最终会从小变大；若故障馈线零序电流在分母时，则比值变化情况正好相反。(3-12)式，即非故障馈线零序电流比值与消弧线圈电抗值无关，在消弧线圈容量变化过程中维持不变。利用(3-10)式和(3-11)式随消弧线圈容量的调节变化趋势的不同，可以区别故障线路和非故障线路，这就是“基于变电抗的零序电流比幅式接地选线法”。这一方法考虑了线路泄漏电导和消弧线圈有功损耗的影响。第12页/共34页3.2选线方法的仿真

为验证根据(3-10)式和(3-11)式所提出的零序电流比幅选线新方法，用Matlab仿真软件进行了仿真计算和分析。Matlab仿真的电网电压等级为10ｋV，馈线5条。电网总零序电容为36μF,阻尼率为3％，消弧线圈额定补偿电流为70A，额定有功损耗为2%。根据计算可知该电网在发生单相金属性接地时接地电流为65A。本文仿真所用的消弧线圈采用了磁阀式消弧线圈，根据可控饱和电抗器的理论，搭建了如下磁阀式消弧线圈子模块第13页/共34页仿真试验一：第1条馈线至第5条馈线零序电容均为7.2μF。第五条馈线A相在0.105s发生单相接地故障，0.6s时单相接地故障结束。图a单相故障接地电阻为0Ω，即发生金属性接地。图b单相接地电阻为500Ω。总的系统仿真电路为：第14页/共34页a接地电阻为0Ω第15页/共34页b接地电阻为500Ω第16页/共34页a，b图三条曲线分别表示、、的变化（后面的仿真试验二~仿真试验六也是如此），可以看出不论是金属性接地还是接地电阻为500Ω，非故障馈线零序电流之间的比幅在发生单相接地故障前后总是保持不变，而故障线路零序电流与非故障线路零序电流之间的比幅在发生单相接地故障前后有明显的变化趋势，这可以作为区分故障线与非故障线的标准。需要指出的是，由于中性点电位因接地电阻增大而降低，会导致本文采用的可控电抗器仿真模型响应时间增大，a、b两图突变时间的不同即是因为这个原因。仿真试验二~仿真试验五结论与此类似，所以不重复叙述。第17页/共34页3.3零序电流比幅式选线法的适用范围

从本章第一节可以看出，零序电流比幅式选线法虽然考虑了配电网络中零序网络中很多影响因素，但是式(3-7)和(3-9)却是在忽略对地电容的不平衡性这一前提下得出的，因此该方法在线路对地电容不平衡度较大情况下可能失去判据。当然实际运行中的电力配电网络是不允许线路对地电容不平衡度过大的，因为根据前文所叙，此时中性点电位有较大位移，对运行不利.总而言之，若考虑实际的电网运行情况，零序电流比幅式选线法有极强的适应能力，可以说是一种不存在“死角”的选线方法。第18页/共34页第4章零序电流比幅选线法的实验模型及验证结果

实验电路。中性点经消弧线圈接地方式第19页/共34页1.本电路模拟3回路，空气开关的投切模拟线路的通断，与Rs连接在一起，空气开关模拟接地的发生。2.T为三相可调隔离变压器，400V/400V，本文用三相调压器代替。3.R为可调电阻，模拟接地电阻。4.零序互感器采集回路零序电流信号，该信号再由采集卡采集处理。5.电容C用来模拟对地电容大小，其大小改变相当于线路长度的变化。第20页/共34页实验步骤中性点经消弧线圈接地方式:1.搭建电路。2.将空气开关合上，调整L值（由0调至最大值，由晶闸管的导通角大小来决定）。3.将Rs接上模拟线路1的A相接地故障，R分别取2个阻值（0Ω，20Ω）。对应每个R值，通过采集卡记录、观察零序CT数值和波形。4.通过万用表记录中性点的电压变化。5.将采集卡采集的数据保存为相对应的text文档。6.将text文档的数据导入Matlab中处理，记录、观察I01/I02、I02/I03波形，验证零序电流比幅式接地选线法。第21页/共34页4.2实验波形分析

以下实验，采集卡关键参数设置如下：采集方式为连续采集；通道数为3，0~2通道；采样频率为5K；触发方式为内触发。在本模拟实验中，可控电抗器工作电压为150V，输出感性电流为0.4A，系统工作在欠补偿状态，但是补偿效果已经较为明显。补偿效果可以从图4.3可以看出，该图表明在15个周波后故障线路零序电流幅值已经最小，并且故障线路与非故障相线路的相位也变得模糊。为了实现馈线之间的零序电流比幅，我们将采集数据导出至Matlab处理。第22页/共34页接地瞬间波形图

约15个周波后的波形图

第23页/共34页运行图零序电流比幅选线法数据处理程序，故障线路零序电流及其幅值的变化图如图

故障线路零序电流及其幅值的变化图（线路2，150V，直接接地）

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非故障线路零序电流及其幅值的变化图（线路1，150V）

第25页/共34页非故障线路零序电流及其幅值的变化图（线路3，150V）

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线路零序电流比幅变化图第27页/共34页分析图可以看出：1.消弧线圈补偿电容电流效果明显；2.故障线路的零序电流幅值随着消弧线圈容量的调节有明显变化；3.故障线路与非故障线路两者的零序电流比幅值在发生单相接地故障后随着消弧线圈容量的调节有明显的变化。4.非故障线路之间的零序电流比幅值在发生单相接地故障后随着消弧线圈容量的调节没有明显的变化，基本上表现为一条直线。中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时零序电流比幅的变化特点表明，采用零序电流比幅式选线原理是可行的。第28页/共34页第5章接地选线装置设计

5.2程序的结构及流程图开始中性点信号采集数据运算（零序电流比幅法）故障信息显示各条馈线零序电流数据采集是否发生单相接地故障？NOY第29页/共34页由以上流程图可以看出，该软件可以按功能划分为4个独立的模块：数据采集模块（母线的三相电压，中性点电压、各条馈线零序电流）、数据处理模块（算法模块）和故障显示模块。第30页/共34页第6章总结与展望

6.1总结本文在论述小电流接地系统特点的基础上，详细分析了小电流接地系统在发生单相接地故障时的物理过程，从而得出了小电流接地系统在正常运行和发生单相接地故障时系统主要物理量的数学关系式，为进一步分析选线方法奠定了坚实的基础。除此之外，本文还做了如下主要工作：1．针对补偿电网提出了一种新的选线方法——基于变电抗的零序电流比幅法。2．对零序电流比幅法进行了详尽的数学说明。3．分析了零序电流比幅法的适用范围。4．用Matlab仿真软件对该方法进行了仿真，并分析了仿真结果。5．根据零序电流比幅法的原理设计实际选线装置，搭建实验平台，通过实验验证方法的正确性和有效性。第31页/共34页6.2展望小电流接地系统的接地选线问题由来已久，目前提出来的选线方法以很多。其中很大部分还仅停留在理论上，这种状况有些跟所提理论本身的不完整性有关，另外一些则跟主要元器件（CPU或A/D）的数据处