小电流接地系统故障分析及仿真

小电流接地系统故障分析及仿真 摘 要 电力工业是国民经济的命脉，是改善民生、促进经济发展的基础。小电流接地系统的优点在于发生单相接地后，系统能正常供电。在电力系统中，线路出现接地故障后故障点的及时确定和排除对电网的安全运行至关重要。 本文首先介绍了专家系统、人工神经网络、模糊理论、遗传算法及Petri网络等方法与技术在电网故障诊断中的应用。上述各种方法与技术，是从不同的途径去解决故障诊断问题的，但同时也存在着相应的缺陷。然后研究了小电流接地系统的选线方法并分析了目前这些方法存在的不足，并指出了未来应着重研究的方向，以提高单相故障模式下正确的故障选线率，降低误判、漏判率。最后研究了电力系统中性点接地方式的分类情况，重点说明了小电流接地系统不同接地方式的优缺点及适用范围，研究了中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障的稳态特征过程和暂态特征过程，归纳了故障暂态过程的电容电流、电感电流和接地电流的特点，为故障选线判据提供了理论基础。 应用MATLAB软件建立了小电流接地系统的仿真模型，对选线算法进行了仿真验证，证明了该方法的有效性。 关键词:小电流接地系统;中性点分类;故障分析; II The small current grounding system failure analysis and simulation Abstract Electric power industry is the lifeblood of national economy, the foundation of improving people's livelihood and promoting economic development. The advantage of small current grounding system is the system can be normal power supply when after single-phase grounding.In the power system, after lines appear grounding fault, identifying and eliminating the fault point in time is quite important for the safe operation of the power grid. The method and techniques in power line fault diagnosis are firstly introduced such as expert system, artificial neural networks, fuzzy theory, genetic algorithm and Petri network. The various methods and techniques from different approaches to solve the fault diagnosis problems, but there are also the corresponding defects. Then introduced the small current grounding system line selection method and analyzes the current shortcomings of these methods, and points out the direction of future research should be focused to improve the fault mode single-phase correct fault line rate and reduce false positives, and missed Sentence rate. Finally, the power system neutral grounding of the classification, focusing on the small current grounding system and the advantages and disadvantages of different grounding the scope of the ungrounded system and the neutral grounding via arc suppression coil one-phase steady-state single-phase ground fault transient characteristics of the process and the process characteristics, summarizes the process of the capacitance transient current, the inductor current and the characteristics of ground current for the fault line selection criterion provides a theoretical basis. MATLAB is used to establish the small current grounding system simulation model and location algorithm. The simulation result proves the validity of this method. Keywords: The small current grounding system; Neutral classification; Failure analysis II II 目 录 摘 要 ...........................................................................................................................I Abstract ....................................................................................................................... II 第1章 绪论 .............................................................................................................. 1 1.1题目的背景和意义 ................................................................................................ 1 1.2题目的研究现状 .................................................................................................... 1 1.3主要内容和预期目标 ............................................................................................ 3 第2章 电力系统故障诊断方法研究 ........................................................................ 4 2.1 电力系统故障诊断定义 ....................................................................................... 4 2.2 电力系统故障诊断方法研究................................................................................ 4 2.2.1基于专家系统的电力系统诊断方法 ................................................................. 4 2.2.2基于人工神经网络的电力系统诊断方法 ......................................................... 5 2.2.3基于优化技术的电力系统诊断方法 ................................................................. 6 2.2.4基于Petri网络的电力系统诊断方法 ............................................................. 6 [14]2.2.5 基于粗糙集理论的电力系统诊断方法 ....................................................... 7 2.2.6 基于模糊集理论的电力系统诊断方法 ............................................................ 8 2.2.7基于故障录波器信息的电力系统故障诊断 ...................................................... 8 2.3 本章小结 .............................................................................................................. 9 第3章 小电流接地系统单相接地故障选线常用方法研究 ................................... 10 3.1小电流接地系统 .................................................................................................. 10 3.2. 小电流单相接地故障选线常用方法 ................................................................ 11 3.2.1 特殊信号法 ..................................................................................................... 11 3.2.2 故障稳态信号选线法 ..................................................................................... 13 3.2.3 故障暂态信号选线法 ..................................................................................... 17 3.2.4 有功分量法 ..................................................................................................... 18 3.2.5证据理论法 ...................................................................................................... 19 3.2.6 模糊神经网络法 ............................................................................................. 19 3.3国内外在选线领域的技术现状 ........................................................................... 19 3.4单相接地保护选线的重要性............................................................................... 20 3.5单相接地的零序电流保护装置 ........................................................................... 21 3.6本章小结 ............................................................................................................. 22 第4章 小电流接地系统故障分析及其仿真 .......................................................... 23 4.1 小电流接地系统不同中性点接地方式及其特征故障特征分析 ........................ 23 4.1.1 电力系统中性点接地方式分类 ...................................................................... 23 4.1.2 中性点不接地电网单相接地故障分析 .......................................................... 23 4.1.3 中性点经消弧线圈接地电网单相接地故障分析 ........................................... 26 IIIIII 4.2 单相接地故障暂态特征分析.............................................................................. 29 4.2.1 暂态电容电流 ................................................................................................. 30 4.2.2 暂态电感电流 ................................................................................................. 32 4.2.3 暂态接地电流 ................................................................................................. 32 4.3 中性点不接地系统模型的仿真与结果分析 ...................................................... 34 4.4 中性点经消弧线圈接地仿真与分析 .................................................................. 38 4.5 本章小结 ............................................................................................................ 40 第5章 总结 ............................................................................................................ 42 参考文献 .................................................................................................................... 43 谢 辞 ........................................................................................................................ 44 IVIV 第1章 绪论 1.1题目的背景和意义 电力工业是国民经济的命脉，是改善民生、促进经济发展的基础。小电流接地系统的优点在于发生单相接地后，系统能正常供电。在小电流接地系统中，单相接地是一种常见的临时性故障，发生单相接地后，线电压依然对称，因而不影响对用户的连续供电，系统还可继续运行1,2h，这也是小电流接地系统的最大优[1]点。但非接地相对地电压升高为线电压，长期运行会损坏系统绝缘而导致多点接地从而出现相间短路而停电。因此，一旦出现单相接地，必须及时找出接地线路 [2]及接地点，排除故障。 小电流接地系统发生单相接地故障导致非故障相电压升高, 为防止进一步扩 [3]大成两点或多点接地甚至相间短路,应及时采取措施消除该故障。小电流接地是为了方便得到测量数据，快速查找系统故障所在线路的检测技术手段，而非普通的接地(防漏电触电的)保护手段。 1.2题目的研究现状 我国6,35kV中低压配电网大多数采用中性点非有效接地运行方式,称为小电流接地系统。小电流接地系统的单相接地故障是常见的故障形式,占全网故障的 [4]80%以上。接地线路的选择是一个非常困难的问题,特别是中性点经消弧线圈接地的系统,由于故障电流微弱、电弧不稳定等原因,基于稳态信息的单相接地选线方法 [5]效果不理想。 我国从上世纪80 年代起开始研制小电流接地系统单相接地自动选线装置。虽 1 1 然起步晚，但是发展速度却很快，目前已具有世界先进水平。在国内根据零序电流大小的原理，采用灵敏继电器以及晶体管电子保护等技术，通过设定零序电流动作值进行保护选线，经过多年的使用其选线的准确率已接近50,。后来，又采用“首半波”理论和晶体管电子技术相结合，生产出了几种不同规格的选线装置，在我国电力系统中进行了推广使用，使选线的准确率比前者又有所提高，可达60, [6]左右。 目前，小电流接地系统特别是35KV及以下的小接地系统，由于其线路分支多，走向复杂，电压等级较低，在设计施工中线路质量不易保证，运行中发生接地故障的几率是很高的。从我市地方电网历年来的运行统计资料来看，在小电流接地 [7]系统的接地故障中，35KV电网占8.2%，10KV电网占91.8%。 目前已有的主要方法:五次谐波法、零序无功功率方向法、首半波法、PRONY 算法、基于小波变化的零序电流比较法、能量法等选线方法。文献[8]主要通过已有的零序电流比幅比相法对仿真波形进行暂态信息的提取、分析比较验证结论的正确性。应用暂态信息是因为故障发生时的暂态信号往往强于稳态信号，特征量明显，并且基本上不受中性点接地方式的影响。 国外对小电流接地的处理方式各不相同，前苏联采用中性点不接地方式和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。日本采用高阻抗接线方式和不接地方式，但电阻接地方式居多，其选线原理较为简单:不接地系统主要采用功率方向继电器;电阻接地采用零序过电流保护瞬间切除故障线路。近年来在如何获取零序电流信号机接地点分区段方面作了不少工作并已将人工神经网络应用于接地保护。美国电网中性点主要采用电阻接地方式，利用零序 2 2 过电流保护瞬间切除故障线路，但故障跳闸仅用于中性点经低阻接地系统;对高 [9-10]阻接地系统，接地时仅有报警功能。法国过去以地电阻接地方式居多，利用零序过电流原理实现接地故障保护，随城市电缆线路的不断投入，电容电流迅速增大，已开始采用自动调谐的消弧线圈以补偿电容电流为解决此种系统的接地选线问题，提出了利用prony方法和小波变换以提取故障暂态信号中的信息(如频率、幅值、相位)以区分故障与非故障线路的保护 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，但还未应用于具体装置。挪威一公司采用测量零序电压与零序电流空间电场和磁场相位的方法，研制了一种悬挂式接地故障指示器，分段悬挂在线路和分叉点上。加拿大一公司研制的微机式接地故障继电器也采用了零序过电流的保护原理，其软件算法部分采用了沃尔 [11]什函数，以提高接地故障电流有效值的速度。 1.3主要内容和预期目标 分析小电流接地系统单相接地故障时电压电流的特点，列举单相接地或谐振等故障的危害及象征，并提出在分析判断和处理方式存在很大差异。通过分析电力系统的特点来了解电力系统中中性点接地方式的分类情况，熟悉小电流接地系统不同接地方式的优缺点及适用范围，研究中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障的稳态特征过程和暂态特征过程，归纳故障暂态过程的电容电流、电感电流和接地电流的特点，为故障选线判据提供理论基础。提出小电流接地系统中单相接地故障选线的新方法，为配电网接地故障选线的研究提供一个思路。最后通过利用MATLAB软件建立一个小电流接地系统的仿真模型，对选线算法进行仿真验证，证明了该方法的有效性。 3 3 第2章 电力系统故障诊断方法研究 2.1 电力系统故障诊断定义 电力系统故障诊断是通过利用有关电力系统及其保护装置的广泛知识和继电保护等信息来识别故障的元件位置区域、类型和误动作的装置，其中故障元件的识别是关键问题。电力系统故障诊断研究具有重要的现实意义。随着电力系统规模的不断扩大和结构的日益复杂，大量的报警信息在短时间内涌人调度中心，远远超过运行人员的处理能力, 易使调度员误判、漏判，为了适应各种简单和复杂事故情况下故障的快速、准确识别，需要电力系统故障诊断系统进行决策参考。同时，由于电力系统调度自动化水平不断提高，越来越丰富的报警信息通过各变电所的远程终端装置，传送到各级电网调度中心，使得利用采集的实时信息进行电力系统故障诊断成为可能。另外，对于电力系统故障的仿真分析和模拟 培训 焊锡培训资料ppt免费下载焊接培训教程 ppt 下载特设培训下载班长管理培训下载培训时间表下载 ，也可以通过电力系统故障诊断系统来提升调度员的经验和水平。目前, 国内外提出了许多电力系统故障诊断的技术和方法，主要有专家系统、人工神经网络、优化技术、网络、模糊集理论、粗糙集理论、多代理技术。 2.2 电力系统故障诊断方法研究 2.2.1基于专家系统的电力系统诊断方法 专家系统利用专家推理方法的计算机模型来解决问题, 已获得日益广泛的应用。目前, 专家系统用于电力系统故障诊断是比较成功的。根据故障诊断的知识表示和所用推理策略的不同, 专家系统主要有类基于启发式规则推理的系统, 此类系统把保护、断路器的动作逻辑以及运行人员的诊断经验用规则表示出来, 形成故障诊断专家系统的知识库, 采用数据驱动的正向推理将所获得的征兆与知识 4 4 库中的规则进行匹配, 进而获得故障诊断的结论。现在大多数故障诊断属于这一类(结合正、反推理的系统比)。此类系统结合了正反向混合推理方法, 根据断路器和继电保护与被保护设备之间的逻辑关系建立推理规则, 同时通过反向推理, 有效地缩小可能故障的范围, 以动作的继电保护与故障假设的符合程度计算可信度。基于专家系统的诊断方法的主要特点是可以方便地把保护、断路器的动作逻辑以及运行人员的诊断经验用规则表示出来, 并允许在知识库中增加、删除或修改一些规则, 以确保诊断系统的实时性和有效性, 同时还能够给出符合人类语言习惯的结论,并具有相应的解释能力等, 比较适合中小型电力系统和变电站的故障诊断。该方法在实际应用中仍然存在如下主要缺陷:1建立知识库及验证其完备性比较困难;2容错能力较差, 缺乏有效的方法识别错误信息;3大型专家系统的知识库的维护难度很大;4专家系统在复杂故障诊断任务中会出现组合爆炸和推理速度慢的问题。这些缺陷使得专家系统难以满足大规模电力系统在线故障诊断的需要, 目前主要应用于离线故障分析。 2.2.2基于人工神经网络的电力系统诊断方法 与专家系统相比, 基于人工神经网络的故障诊断方法具有鲁棒性好、容错能力强和学习能力强等特点。目前应用于电力系统故障诊断的有基于算法的前向神 [12]经网络和基于径向基函数的神经网络等。 基于ANN的诊断方法的主要特点是避免了专家系统故障诊断所面临的知识库构造等难题, 不需要推理机的构造。由于用于ANN训练的完备样本集获取困难, 目前该方法只比较适合中小型电力系统的故障诊断。ANN方法在故障诊断应用中存在的问题主要是:1其性能取决于样本是否完备, 而大型的电力系统的完备样本集获 5 5 取非常困难;2与符号数据库交互的功能较弱;3不擅长处理启发性的知识;4不知如何确保ANN训练时收敛的快速性和避免陷人局部最小;5缺乏解释自身行为和输出结果的能力。以上缺点限制了ANN故障诊断方法在线应用于大型电力系统。如何设计适用于大型电力系统的故障诊断系统, 仍然是一个有待进一步研究的问题。 2.2.3基于优化技术的电力系统诊断方法 基于优化技术的诊断方法是一种基于数学模型的求解方法, 其基本思想是将电力系统故障诊断问题描述成为一种整数规划问题, 并构造一种解析数学模型, 利用优化技术寻找问题的最优解。基于优化技术的诊断方法的主要特点是其诊断模型理论上是严密的, 不需要引人启发式知识, 用常规的算法即可实现, 它比较适合所需信息比较完整的电力系统故障诊断。该方法需要改进之处主要包括:1如何建立合理的电网故障诊断数学模型, 在形成目标函数的过程中, 需要考虑多级后备保护时比较困难;2由于优化方法在寻优过程中存在随机因素, 有可能会失去某些最优解;3由于在诊断过程中必须进行迭代, 从而导致速度较慢, 提高诊断速度也是一个重要的研究方向。 2.2.4基于Petri网络的电力系统诊断方法 Petri网络是在构造有向图的组合模型的基础上, 形成可以用矩形运算所描述的严格定义的数学对象。Petri网络是离散事件动态系统建模和分析的理想工具。电力系统故障发生属于一个离散事件的动态系统, 由系统中各级电压的变化、各类保护的动作反映故障, 并把切除故障的过程看作一系列事件活动的组成, 而 [13]事件序列与相应实体联系在一起。动态事件主要包括实体活动例如断路器、继 6 6 电保护装置等和信息流活动例如信号传递、控制指令发送、各监测信号流等。 基于Petri网络的诊断方法的主要特点是它可以对同时发生、次序发生或循环发生的故障演化过程进行定性和定量的分析, 比较适合于变电站的故障诊断。该方法存在的不足之处主要有:1对大规模电网基于Petri网络模型建模时, 因设备增加和网络扩大会出现状态的组合爆炸;2Petri 网络方法的容错能力较差, 不易识别错误的报警信息;3基本的Petri网络不能描述时间特征要求高的行为特征, 因此在复杂系统建模时, 需要采用高级的Petri网络, 例如谓词变迁网、有色时间网等。 [14]2.2.5 基于粗糙集理论的电力系统诊断方法 粗糙集理论是波兰教授提出的一种处理不完整性和不确定性问题的新型数学工具。它无需提供问题所需处理的数据集合之外的任何先验信息, 能有效地分析和处理不精确、不一致、不完整等各种不完备数据, 从中发现隐含知识, 揭示潜在规律。鉴于粗糙集理论的优越性, 已经有不少研究人员把它引人到故障诊断系统中。 基于粗糙集理论的诊断方法的主要特点是它能较强地处理信息不完整和信息冗余的情形, 比较适合中小型电力系统和变电站的故障诊断。该万法需要进一步改进之处有:1粗糙集方法的诊断规则的获取取决于条件属性集下各种故障情况训练样本集;2当丢失或出错的警报信息不是关键信号时, 不会影响诊断结果然而, 当丢失或出错的警报信息是关键信号时, 诊断结果将受到影响;3当考虑发生多重故障时, 粗糙集方法将出现决策表十分庞大、甚至出现“ 组合爆炸”问题。 7 7 2.2.6 基于模糊集理论的电力系统诊断方法 模糊集理论在电力系统故障诊断的应用分2类情况一类认为诊断所依据的信息正确, 但故障与对应的动作保护装置和断路器状态之间存在不确定的关联关系, 以及用模糊隶属度对这种可能性进行描述的度量。另一类则认为诊断所依据的报警信息的可信度不为1, 而根据系统网络拓扑与故障所发生的动作保护、断路器状态赋予报警信息的可信度, 再由专家系统或ANN给出故障诊断结果的模糊输出。 基于模糊集理论的诊断方法的主要特点是它能处理信息的不确定性, 往往需要与其他各种人工智能技术(例如专家系统、ANN等)结合在一起使用。根据对模糊系统具体应用的分析, 得出尚须深人研究的问题有:1对不确定性问题用隶属度函数来描述时, 应建立什么样的有效隶属函数是极其关键的问题;2大规模复杂系统的模糊模型的建立存在难度, 同时, 当诊断系统的结构等发生变化时, 与其有关的模糊知识库或规则的模糊度也要相应修改，可维护性能较差。 2.2.7基于故障录波器信息的电力系统故障诊断 在电力系统发生复杂故障或开关、保护存在较多误动、拒动以及因信道干扰而发生信息丢失等诸多不确定因素的影响下，目前基于开关和保护信息的诊断方法已经不能取得满意的结果，而随着继电保护及故障录波信息网的建立，丰富的录波信息为进一步诊断提供了基础。文献[15(16]提出基于故障录波数据的，综合利用了故障录波、SOE以及保护事件等故障信息的方法和虚拟保护的诊断思想，有效地弥补了利用开关、保护信息诊断的局限性。文献[17]开发了一种基于故障录波信息的调度端电网故障诊断系统软件，兼有故障录波信息管理和故障录波信息分析的功能，在实用化方面做出了有益的探索。但是保护装置实现电网的保护 8 8 功能，有一套严格的精细的分析处理算法和逻辑，其本身的动作行为是经过严格测试的，所以在诊断过程中，不考虑保护监控等装置的动作行为，直接以整个变电站或某个局域网为对象，按照保护的思路采用交流量来实现故障定位目前不太可行，效果也不佳。这种计算分析型的诊断方法应充分发挥可靠性可以略低于保护装置、非实时、原始信息全等特点，在保护行为和故障前发生事件的相关性方面和充分利用其他测量信息方面开展拓展研究。 2.3 本章小结 电力系统故障诊断是关系到电力系统安全稳定运行的重要问题，从20世纪80年代起已经进行了大量的研究工作，提出了多种故障诊断技术和方法，但实际系统中该问题并未很好地解决。随着电力系统规模日趋庞大，结构更加复杂，对电力系统故障诊断提出了更高的要求。本章介绍了专家系统、人工神经网络、模糊理论、遗传算法及Petri网络等方法与技术在电网故障诊断中的应用。上述各种方法与技术，是从不同的途径去解决故障诊断问题的，但同时也存在着相应的缺陷。如何将各种诊断算法进行有机结合、取长补短，使其能更好满足现场实际需求，是今后故障诊断算法需要继续的研究方向同时这些理论本身还不是很成熟，需要进一步完善，而且某些应用还只是处于探讨和实验阶段，距离 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 实际还有差距，因此无论是在理论研究还是工程应用方面都还有很多工作要做。 9 9 第3章 小电流接地系统单相接地故障选线常用方法研究 系统发生接地的具体原因是非常复杂的，随着电力系统微机综合自动化技术的发展，接地故障的判别也出现了一些新的特点。在实际工作中，应根据当时当地的实际情况，准确地区分真假接地，然后根据判断出的接地类别采用正确的方法进行处理。为提高供电可靠性，我国中、低压配电网多采用小电流接地运行方式。 3.1小电流接地系统 小电流接地系统是指中性点非有效接地的系统，根据中性点的具体运行方式，又可分为中性点不接地和中性点经消弧线圈接地等运行方式。因此，小电流接地系统的运行方式是多样的，在不同的运行方式下呈现的故障现象和反映的故障规律会有一定的差别。 小电流接地系统单相接地故障的类型是复杂多样的。根据故障时接地点的多少可以分为一点接地，两点同相接地;根据接地阻抗的情况可以分为金属接地、经过渡电阻接地和电弧接地;根据接地时间的长短可以分为瞬间接地、短时接地和永久接地。 电力系统按接地处理方式可分为大电流接地系统(包括直接接地，电抗接地和低阻接地)和小电流接地系统(包括高阻接地，消弧线圈接地和不接地)。我国66kV以下的电力系统大多数采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式，即为小电流接地系统。在小电流接地系统中，单相接地是一种常见的临时性故障，多发生在潮湿、多雨天气。发生单相接地后，故障相对地电压降低，非故障两相的相电压升高，但线电压却依然对称，因而不影响对用户的连续供电，系统可运行1, 1010 2h ，这也是小电流接地系统的最大优点。但是若发生单相接地故障时电网长期运行，因非故障的两相对地电压升高2,3倍，可能引起绝缘的薄弱环节被击穿，发展成为相间短路，使事故扩大，影响用户的正常用电。还可能使电压互感器铁心严重饱和，导致电压互感器严重过负荷而烧毁。同时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。 3.2. 小电流单相接地故障选线常用方法 在中性点非直接接地系统中，一条线路出现单相接地故障，整个系统都会出现零序电压和零序电流。母线电压互感器二次开口三角形绕组电压为3倍零序电压，在此处安装绝缘监视装置监测零序电压并对故障选线装置发出启动信号。通过过电压继电器发出接地信号，值班人员观察相应仪表，手动拉合线路，直到找到故障线路(电压表指示正常)。该方法使一些非故障线路用户也短时间停电，提供了供电可靠性，延长了系统单相接地运行时间，增大了故障和误操作的可能性，无法满足变电站无人值班、实现综合自动化的要求。 自小电流接地故障选线问题被提出以来，相关学者及实际工程人员提出了基于不同原理的多种选线方法。根据采用信号方式的不同，这些选线方法可以分为基于特殊信号选线方法和基于故障信号选线方法两大类。 3.2.1 特殊信号法 1. 残流增量法 残流增量法适用于谐振接地系统，在电网发生单相接地故障时，如果增大消弧线圈失谐度(或改变限压电阻阻值)，相应故障点残余电流(零序电流)随之增大。该方法建立在微机快速处理及综合分析判断基础上。具体选线过程:当系统发生 1111 单相接地故障后，采集各条出线零序电流，将消弧线圈补偿度改变一档，再次采集各条出线零序电流，对比各条出线在消弧线圈换档前后零序电流变化量，其中变化量最大的线路即为故障线路。 该方法原理简单、灵敏度及可靠性较高，不受TA等测量误差影响，但增大了接地点电弧。 2. “S注入法” 首先由TV三相二次电压判别故障相别，再从TV副边向接地相注入信号电流，其频率一般取各次谐波之间数值，确保不被工频分量和高次谐波分量干扰。故障时接地相TV副边处于短路状态，由副边感应的信号电流沿接地线路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TV注人信号，不会对设备产生不良影响(检测不受任何固有信号影响)。但注入信号强度受TV容量影响，经高阻接地时发信机可能产生误判。 3. 注入变频信号法 针对“s注入法”高阻接地时存在的问题，注入变频信号可以较好解决。其原理是根据故障后位移电压大小不同，选择向消弧线圈电压互感器副边注入谐振频率恒流信号或向故障相电压互感器副边注入频率为70 Hz恒流信号，监视各出线注入信号产生的零序电流功角、阻尼率的变化，比较各出线阻尼率大小，再计及受潮及绝缘老化等因素可得出选线判据。但当接地电阻较小时，信号电流大部分经故障线路流通，导致非故障线路阻尼率较大。 1212 3.2.2 故障稳态信号选线法 1. 零序电流基波电流比幅法 流过故障线路的零序电流数值上等于所有非故障线路对地电容电流之和(故障线路零序电流最大)。只要通过比较零序基波电流幅值和自身电容电流大小就能确定出故障线路。 分别比较每条线路零序电流和其他线路零序电流之和，相等的那条线路就是故障线路，若均不相等，则为母线故障;预先计算出每条馈线对地电容大小，单相接地时比较测得的零序电流是否与本线路电容电流大小相等，若相等为故障线路，若所有线路均相等，则为母线故障。 该方法不能排除电流互感器不平衡电流受线路长短、系统运行方式及过渡电阻的影响，检测灵敏度低。当某一线路远远长于其他线路(分布电容与系统总分布电容相差不大)或经高阻接地时，可能发生误判，而且无法检测母线故障。特别对经消弧线圈接地系统，由于消弧线圈的补偿故障线路零序电流很小，用该方法根本无法选线。 根据消弧线圈容量变化前后零序电流比值变化趋势不同确定接地故障线路。该方法不需延缓切除阻尼电阻，响应速度快、算法简单、实现容易。 2. 零序基波电流比相法 利用故障线路零序电流与非故障线路零序电容电流流动方向相反特点找出故障线路。但该方法在线路较短、零序电流值较小时受“时钟效应”影响相位判断困难，易受过渡电阻和不平衡电流影响，不适用于经消弧线圈接地系统。 3. 零序基波电流群体比幅比相法 1313 利用零序电流比幅法和零序电流相位比较法，先进行零序电流幅值比较，选出几个较大的零序电流，在此基础上进行相位比较，零序电流方向不同的即为故障线路。该方法在一定程度上解决了前两种方法存在的问题，但同样不能排除电流互感器不平衡电流、过渡电阻的影响及相位判断的死区 对经消弧线圈接地的小电流接地系统失效。 4. 零序电流有功分量法 该方法使用在自动跟踪消弧电抗器的小电流接地系统中，利用消弧线圈串联非线性电阻的特点，在发生接地故障后、非线性电阻被短接前，非故障线路不与消弧线圈构成低阻抗回路，零序电流为本身接地电容电流。故障线路经接地点与消弧线圈构成低阻抗回路，零序电流为所有非故障线路电容电流及LR串联支路电流向量之和，故障线路有功电流明显大于非故障线路，通过检测各线路零序电流有功分量大小就可确定故障线路。该方法零序电流中有功分量较小，不利于选线，仍存在TA不平衡电流的影响。 5. 零序电流无功功率方向法 该方法适用于中性点不接地系统，判别依据是故障线路零序电流无功分量落后于零序电压90。，而非故障线路零序电流无功分量超前于零序电压90。，无功功率<0(取无功功率由母线流向线路为正方向)的线路为故障母线。但该方法受过渡电阻影响比较大，在过渡电阻较大时检测零序电压非常困难。该方法根据各条出线电气量来区分故障线路和健全线路，具有自举特点。但在零序电流较小时容易误判，不适用于谐振接地系统。 6. 基于零序电流和零序电压相关分析法 1414 该方法通过对一定频率下正常线路和故障线路零序等效模型分析，得出时域中各线路零序电流和电压导数关系，应用相关分析原理选线(利用故障后各线路零序电流和电压导数波形相似关系)。仿真数据证明了方案的正确性，选线方案不受过渡电阻、故障初相角及故障位置的影响，具有自举性，可与馈线保护装置合为一体，满足自动化要求。 7. 零序导纳法 该方法以分析中性点不接地或经消弧线圈接地电网故障前后各线路测量 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 为基础，推导出故障时测得故障线路零序导纳与实际零序导纳不同、非故障线路与实际导纳相同的结论，对小电流故障进行接地选线。将各线路实际零序导纳、相位记忆下来，与故障时测得各线路零序导纳、相位比较，导纳大小或相位发生变化的线路即为故障线路;若所有线路的零序导纳大小、相位在故障前后都未发生变化，则判为母线故障。该方法关键是准确测量线路实际零序导纳。目前人们认为负荷没有零序通路，所以负荷侧零序阻抗为无穷大，负荷侧对零序网络开路。但实际上负荷变压器等元件也存在对地电容，具体导纳未知而且是变数，因此，实际线路零序导纳数值整定困难，对该方法的选线灵敏度影响很大。 8. 稳态5次谐波幅值相位法 经消弧线圈接地系统消弧线圈是针对基波设计，基波零序电流几乎被消弧线圈电感电流抵消。与基波情况相比较，消弧线圈在5次谐波下感抗为基波下的5倍，通过消弧线圈的电感电流减小到1,5，而线路容抗在5次谐波下减小到1,5时5次谐波容性电流就增大到5倍，可近似认为消弧线圈对5次谐波电流是开路的。故障点非线性因素会产生谐波电流，其中以5次谐波分量为主。在发生单相接地时5次 1515 谐波电流在各线路上的分布与基波零序电流相同。除基波零序分量以外，谐振接地系统中5次谐波电流最大(为非故障线路的总和)。根据5次谐波电流大小、方向或功率方向找出故障线路。 5次谐波电流大小随运行方式的变化而变化，而且故障电流中5次谐波含量较小(小于故障电流的10,)，受TA不平衡电流和过渡电阻的影响，保护装置难以整定。有些用户存在谐波，使故障线路和非故障线路都向系统送出谐波电流，故障线路和非故障线路的5次谐波方向可能相同，故障线路中5次谐波电流不一定总是最大，相位关系也不一定成立，无法区分故障线路和非故障线路。当线路较少或线路较短时，单相接地故障线路5次谐波零序电流较小，方向也难判别。由于有的系统中5次谐波含量很小，加之TA、TV等对5次谐波造成的附加相移，给选线带来很大困难。 9. 负序电流法 选择负序电流最大的线路或直接选择负序电流超越一定门槛的线路作为故障线路。由于线路TA三相特性会有差异，由此产生的不平衡电流可能将系统实际负序电流“淹没”，大大降低选线灵敏度。这种方法受系统负荷不对称程度影响较大，负序电流的获取也比较困难。 10. 人工智能选线技术 将故障后各线路零序电流看作某类故障的一个模式，通过人工神经网络训练与学习来判断故障模式，从而实现选线。该方法虽然有一定的自适应和容错性，但得出结果精度依赖于提供样本的数量和完备性，而且获取训练样本需大量时间，对具有一定规模的配电网很难满足。 1616 3.2.3 故障暂态信号选线法 1. 首半波法 该方法基于单相接地故障发生在故障相电压接近最大值附近这一假设条件。因为电力系统中单相接地有相当一部分是在雷击或相电压峰值附近发生，故障相电容电荷通过故障线路对故障点放电，使故障线路短路电流首半波和非故障线路方向相反。该方法在非谐振系统中适用。对于谐振接地系统，由于消弧线圈中电流不能突变，必须经过一个暂态过程。这个暂态过程相当于消弧线圈不起作用， [18]短路接地电流方向与非故障线路电容电流方向相反。 在电压过零点附近，短路回路不经过暂态过程，故障线路和非故障线路零序电流方向相同(由消弧线圈提供零序电流)。当发生两点接地时，可能不反映后接地故障。采用该方法做出的保护装置适用范围受到限制，保护动作可靠性较差。 2. 小波分析法 小波分析是一种现代信号处理理论与方法，能有效分析变化规律不确定和不稳定的随机信号，从信号中提取局部化的有效成分。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，利用合适的小波和小波基对暂态零序电流特征分量进行变换，可知故障线路上暂态零序电流特征分量幅值包络线高于非故障线路，而且其特征分量相位也与非故障线路相反，构造出利用暂态信号进行接地选线的判据。 小波分析法的技术难点在于小波基函数及小波分解尺度选择。电力系统实际运行很复杂，可能出现暂态分量小于稳态分量的情况。现有多数方法仅仅给出了实现方法和仿真结果，整个算法缺乏理论基础。小波变换尺度的选取及特征量在 1717 尺度上的定位缺乏理论根据。 3. 基于暂态特征频段的选线方法 利用暂态信号选线方法近几年有了很大发展，提出了很多方法。如基于零序电流集中式比较选线方法和基于相电流分散式比较的选线方法;利用首容性频带内配电网单相接地故障时基本特征，提出暂态零序电流幅值、相位比较的选线方法。 这些方法在待定系统发生强故障时能正确选取故障线路，但在中性点经消弧线圈接地系统发生弱故障时，首容性频带不包含电流值较大的低频分量，存在较大测量误差。首容性频带的上限截止频率与系统参数有关，需根据系统参数整定。 3.2.4 有功分量法 由于消弧线圈不能补偿零序电流有功分量，当发生单相接地故障时，可以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是由母线流向线路，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是由线路流向母线，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干线路本身的有功损耗电流值，方向是由母线流向线路。利用各条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，有功分量方法有效地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，这些因素均不利于故障选线。为提高灵 1818 敏度，有的装置采用瞬时在消弧线圈上并联小电阻来加大故障电流的有功分量，这样做会使接地电流增大，加大对故障点绝缘的破坏，很可能导致事故扩大，对电缆线路来说，这一问题尤为严重。 3.2.5证据理论法 采用多重故障信息融合选线，利用单相接地故障在电网中表现出的多方面的特征，构造多个选线判据，对多判据提供的故障信息进行融合，得到准确的选线结果。通过对故障量进行特征提取，并按一定的算法进行计算，最终给出各条线路可能是故障线路的支持程度，即故障测度，选线结果由证据理论对这些判据提供的故障信息进行综合与决策而得出 。 3.2.6 模糊神经网络法 模糊神经网络具有模糊信息处理能力，通过采用相对成熟的零序电流群体比幅比相法和能量函数法的结合，对其作算法上的改进并取得样本，通过模糊神经网络中的极大一极小神经网络进行训练，利用多层训练的收敛结果作为选线的判据。这种方法对电网结构和系统运行方式没有依赖性， 而且比较特征量明显，选线准确率高。 3.3国内外在选线领域的技术现状 小电流接地系统单相接地保护选线，是一个一直以来就备受关注的问题。国外在上世纪初期就有许多电力工程技术人员和高等院校对此项目进行过大量的研究，认识度不断深入，技术方案也越来越多，准确率逐步在提高。其中，具有代表性的是德国电力工程师巴赫的“首半波”理论和俄罗斯的“无功功率方向”理论。根据这些理论开发出来的装置在电力系统中进行了使用，其选线的准确率可 1919 以达到50%左右。 我国从上世纪80年代起开始研制小电流接地系统单相接地自动选线装置。虽然起步晚，但是发展速度却很快，目前已具有世界先进水平。在国内根据零序电流大小的原理，采用灵敏继电器以及晶体管电子保护等技术，通过设定零序电流动作值进行保护选线，经过多年的使用其选线的准确率已接近50%。后来，又采用“首半波”理论和晶体管电子技术相结合，生产出了几种不同规格的选线装置，在我国电力系统中进行了推广使用，使选线的准确率比前者又有所提高，可达60%左右。 3.4单相接地保护选线的重要性 “ 单相接地” 是指电气一次回路上的A、B、C三相中，任意一相带电部位与大地之间形成导电回路;以及大气雷电或其它原因形成过电压，致使配电设备的 [19]绝缘材料遭到破坏后，对地绝缘电阻明显过低等现象。由于我国电力系统中主要采用中性点不接地或经过消弧线圈、高电阻接地的方式。当在同一母线上有多条配电线路时，无论哪一条发生单相接地都不能与主变压器的绕组线圈直接构成回路，线路中不会出现线路和过负荷等大电流现象。仅有线路与大地之间形成的电容电流发生变化，表现为每一条线路中会出现微弱的零序电流。此电流非常小，从几毫安到几百毫安或数安培不等，与线路的长度成正比。但是接地是由于非接 3地相线对地电压上升可达相电压的倍，当系统在伴随有铁磁谐振产生时，就会使相电压升高1,5倍，甚至更高形成过电压，加速了电力设备绝缘材料的老化，缩短了使用寿命，从而导致绝缘设备被击穿，就会出现两相或多相同时接地而发生短路事故加大了电力设备的损坏程度。因此，在电力系统中经常会发生电压互 2020 感器、断路器爆炸，配电变压器烧毁，电力电缆和瓷瓶被击穿等事故。已有的继电保护或综合自动化保护装置中的“短路保护”、“过电流保护”和“零序电流”保护，都属于大电流启动保护装置;单相接地时的小电流不能驱动这类保护装置动作，因此，不能动作与高压开关(断路器)跳闸，故障线路和非故障线路也就不能被隔离。为了避免事故的扩大，需要及时地把故障线路与非故障线路进行区分。 3.5单相接地的零序电流保护装置 绝缘监查装置能够监查小电流接地系统的对地绝缘，即是发生了一相接地故障，而且能具体判断哪一相发生了接地故障。但是不能判断是哪一条线路发生了接地故障，如果高压线路较多时，采用这种绝缘监查装置还是不够的，还必须采用单相接地的零序电流保护装置(更好的准确地判别接地故障线路。 单相接地保护利用单相接地故障所产生的零序电流使保护装置动作，发出报警信号。因此单相接地保护也称为零序电流保护。 单相接地保护必须通过零序电流互感器将一次线路发生单相接地时所产生的零序电流反应到二次侧的电流继电器中去。 在供电系统中，每路出线都装设有零序电流互感器(现假设所有出线的C相发生故障，且均无对地电容电流。其它两相(A、B相)的电容电流，分别流向故障相C相，C相流过所有电容电流恰好与其它两完好芯线(A、B相)以及电缆外皮流过的电容电流反向，所以它们不可能在零序电流互感器的铁芯中产生磁通，但是穿过零序电流互感器的电缆头接地线上流过的电容电流将在零序电流互感器的铁芯中产生磁通，从而使其二次侧产生电流。使继电器动作。发出信号。由此可知，这种 2121 单相接地保护装置能够较灵敏地监察小电流接地系统的对地绝缘。而且从各条线路的接地信号可以具体判断发生接地故障的线路。 3.6本章小结 本章针对小电流接地系统中最常见的单相接地故障，综述了相应故障选线技术，主要包括利用特殊信号、故障稳态信号、故障暂态信号、故障稳态和暂态信号相结合方法，分析了目前这些方法存在的不足，并指出了未来应着重研究的方向，以提高单相故障模式下正确的故障选线率，降低误判、漏判率。 2222 第4章 小电流接地系统故障分析及其仿真 4.1 小电流接地系统不同中性点接地方式及其特征故障特征分析 4.1.1 电力系统中性点接地方式分类 电力系统的中性点是指系统中三相连接成星形的中心点，一般是指发电机和变压器三相星形连接的中心点。电力系统中性点可以有多种接地方式，中性点可以直接接地，可以经过某元件接地，也可以不接地。中性点以何种方式与大地相接的问题在工程上就称为中性点的接地方式。 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。大电流接地方式包括3种:中性点直接接地方式、中性点经电抗接地方式和中性点经低阻接地方式;小电流接地方式也包括3种:中性点不接地方式、中性点经消弧线圈接地方式和中性点经高阻接地方式。采用大电流接地方式的系统我们称之为大电流接地系统，采用小电流接地方式的系统我们称之为小电流接地系统。 4.1.2 中性点不接地电网单相接地故障分析 ,,, E、E、E图4.1为中性点不接地电网，由图可知，电源的三相电动势为。设ABCEU:电源每相电动势的有效值为。:电网正常工作时的相电压。:电源两相E,, 电动势之差为。:电网的线电压。在单相接地时，线路1的各相对地的电容相U CCC等均为，线路2均为，线路3均为。在这里，我们做如下假设，电源内010203 E,U部的电压降为零和线路上的电压降为零且，。在分析单相接地的零E,U,, 序电流，电压时，不计三相对称负荷电流的影响，且忽略对地电导。下面分析线 2323 路3的A相发生单相金属性接地时的情况。 ,,, U,,E由电网各处A相对地电压:U,0，可得电源中性点N对地电压、NA U,E,UN,,。 ,,,,, U,E，U,E,EB相对地电压:，U,E，U。 BBNBAB ,,,,, U,E，UU,E，U,E,EC相对地电压:，。 CCCNCA 线电压 ,,,,, U,UU,U,U,E,EABABABAB，; ,,,,, U,UU,U,U,E,EBCBCBCBC，; ,,,,, U,UU,U,U,E,ECACACACA，。 母线上的零序电压为 ,,,,,,,,11U,(U，U，U),(0，E,E，E,E)ABCBACA033 ,,,,,,11,(E，E,2E),(,E,2E),,EBCAAAA33 (4.1) U,E,U0,, (4.2) 2424 图4.1 中性点不接地电网 ,,, III设、、分别为线路1的A、B、C各项的对地电容电流，,,2,f为C1A1B1 电网的角频率，则非故障线路的电容电流和三倍零序电流分别为: ,,,,IjUC0,,101AA,,, (4.3) ,,IjUC,,101BB,,,IjUC,,101CA,, ,,,,,,,,3I,I，I，I,0，jUC，jUC01A1B1C1B01C01 (4.4) ,,, ,j(U，U),C,j3U,CBC01001 同理可得非故障线路2三相电容电流和三倍零序电流: ,,,I0A2,,,,,, (4.5) IjUC,BB202,,,,,IjUCCC202,, 2525 ,, 3I,j3U,C (4.6) 02002 对于故障线路3的三相相电流和三倍零序电流为: ,,,,,,,,,,,,，，，，，,,，，I(IIIIII)j3U(CCCABCBcBC31122330010203,,,,,, (4.7) IjUC,BB303,,,,,IjUCCC303,, ,,,,,,,,,,,, 3I,I，I，I,,(I，I，I，I，I，I)，I，I03A3B3C3B1C1B2C2B3C3B3C3 (4.8) ,,,,,, ,,(I，I，I，I),,3(I，I)B1C1B2C20102 从此我们可知故障线路的零序电流等于所有非故障线路的相量和，方向为从 线路流向母线。 总结以上分析，可得如下结论: (1) 故障相对地电压为零，非故障相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的相电压，但电网的线电压仍是三相对称的。 3I3I00(2) 非故障线路的大小等于本线路的接地电容电流。故障线路的大小 3I0等于所有非故障线路的和，也就是所有非故障线路的接地电容电流的和。 ,90(3) 非故障线路的零序电流超前零序电压为;故障线路的零序电流滞后零 ,,90180序电压为;故障线路的零序电流与非故障线路的零序电流相位相差。 (4) 接地故障处的电流大小等于所有线路(包括故障线路和非故障线路)的接 ,90地电容电流的总和，它超前零序电压为。 4.1.3 中性点经消弧线圈接地电网单相接地故障分析 分析中性点不接地系统可知当它发生单相接地时，接地故障处的电流大小等 2626 于所有线路包括故障线路和非故障线路的接地电容电流的总和。如果此电流比较大，就会在接地点燃起电弧，引起弧光过电压，从而使非故障相的对地电压进一步升高。因此，使绝缘损坏，形成两点或多点的接地短路，造成停电事故。为了解决这个问题，可以在中性点接入一个电感线圈，这样当单相接地时，在接地点就有一个电感分量的电流通过，此电流和原系统中的系统中的电容电流相抵消，就可以减少流经故障点的电流，因此，称它为消弧线圈。中性点经消弧线圈接地图如图4.2。3-6kv电压网络中，当全系统的电容电流超过30A时，即应装设消弧线圈;10kv电压网络中，当全系统的电容电流超过20A时，即应装设消弧线圈;22-56kv电压网络中，当全系统的电容电流超过10A时，即应装设消弧线圈。 图4.2 中性点经消弧线圈接地电网 当线路3得A相发生单相接地故障时，我们可得各项对地电压为: 2727 ,,U,0A,,,,,U,E,E,BBA (4.9) ,,,, ,U,E,ECCA,,,,U,,ENA, 线电压为: ,,,,U,E,EABAB,,,,, (4.10) U,E,E,BCBC,,,,UEE,,CACA,, 母线上的零序电压为: ,, U,,E (4.11) 0A 各个线路的零序电流分布状况仍然分别为: ,,,,3I,j3UC01001,,,, ,3I,j3UC,02002,,,,,,,,3IIIIIj3U,Cj3U,[(pCpC(1p)C),，，,,，,，，，03A3B3C3d0030010203,, (4.12) 根据对电容电流补偿程度的不同，消弧线圈有完全补偿、欠补偿和过补偿三 种补偿方式。一般情况下，消弧线圈采用过补偿方式。 I,I过补偿就是使故障点补偿后的残余电流表现出感性，采用过补偿方式Ljd, 不可能发生串联谐振过电压现象，因此在实际中得到广泛的应用。电感电流大于 II,Ljd,电容电流的程度可以用过补偿度P来表示，。一般选择。 P,P,5%,10%Ijd, 2828 由以上分析可知: (1) 消弧线圈过补偿作用会使流经故障线路的零序电流将大于线路本身的电容电流。 (2) 零序电流由电容电流之和和电感电流部分组成，电容电流超前零序电压,,90，电感电流滞后零序电压。 90 (3) 采用过补偿方式后，故障线路的电容性无功功率的方向与非故障线路一样，都为由母线流向线路。 4.2 单相接地故障暂态特征分析 在发生单相接地故障时，存在一个明显的暂态过程，在这个暂态过程中包含了很多的故障特征，值得注意的是暂态接地电容电流往往比其稳态值大几倍到几十倍。近年来由于高速数据采集与信号处理技术的发展，所以我们可以使用基于暂态信号的检测方法，通过提取暂态过程的特征信息来提高故障选线的可靠性。 当中性点经消弧线圈接地电网发生单相接地故障的瞬间，我们用图4.3所示的等效电路来分析暂态电容电流和暂态电感电流。图中表示补偿电网的三相对地C LR电容总和;表示三相线路和变压器等在零序回路中的等值电感。表示零序回00 r路中的等值电阻(包括故障点的接地电阻、导线电阻和大地电阻);、分别为消LL u弧线圈的有功损耗电阻和电感;为零序电源电压。 0 2929 图4.3 中性点经消弧线圈接地电网单相接地故障等效电路 4.2.1 暂态电容电流 L,L在分析电容电流的暂态特性时，因其自由振荡频率一般较高，考虑到，0 LRr故图中的和可以不予考虑，这样利用、、组成的串联回路和作用于其LC00L u上的零序正弦电压便可确定暂态电容电流。 0 根据图4.2不难写出下面的微分方程式: tdi1c (4.13) Ri，L，idt,Usin(,t，,)00cc,m,dtC0 L0当时，回路电流的暂态过程具有周期性的振荡及衰减特性;当时R,20C L0，回路电流则具有非周期性的振荡衰减特性，并逐渐趋于稳定状态。对R,20C 于架空线路较大，而较小，同时故障点的接地电阻一般较小，弧光电阻又常可LC L0忽略不计，一般都满足的条件，所以，故障点的电容电流具有迅速衰减R,20C 的形式。 3030 iii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二两部分CCosCst I,U,Ci，i,0组成的，利用时这一初始条件和的关系，经过拉氏t,0Cm,mCosCst 变换等运算可得: ,,,,,f,,t,,,，,,，，，，iiiIsinsintcoscostecost,,,,,, (4.14) ,,CCosCstCmf,,,,,,,，，U,I式中为相电压的幅值;为电容电流的幅值;为暂态自由振荡分量的角频,mfCm R10,,率;为自由振荡分量的衰减系数，其中为回路的时间常数。若系,,C2L,C0 ,,统的运行方式不变，则为一常数。当较大时，自由振荡衰减较慢，反之，则CC ,sin,衰减较快。因为式(2.15)中的自由振荡分量中含有和两个因子，故从cos,Cos ,,,0理论上讲，在相角为任意值发生接地故障时，均会产生自由振荡分量。当时， ,,其值最小;当,时，其值最大。当故障相在电压峰值，即,接地时，电容,,22 Tf,2,电流的自由振荡分量的振幅出现最大值，时间(为自由T,t,Cosmaxf,4f振荡的周期)，其值为: ,Tf,f4TC,,IeCosmaxCm, (4.15) ,f,由式(4.15)可知，暂态自由振荡电流分量的最大幅值与自振角频率和工频Cosmax ,f,,,0角频率之比()成正比?当故障相电压在零值()时接地，暂态自由, Tfi振荡电流的幅值最小，并在时出现，该自由振荡电流分量的最小值为t,Cosmax2 为: 3131 ,Tf2TCi,IIeCosmaxCmCm (4.16) 由式(4.16)可知，此时暂态电容电流的自由振荡分量，恰好与工频电容电流的幅值相等。因此，若在时发生单相接地故障，就不会产生暂态电容电流分量。 ,,0 4.2.2 暂态电感电流 消弧线圈的暂态电感电流是由暂态的直流分量和稳态的交流分量组成的，表达式如下: ,t，，,L,,，，，iIcos,ecos,t,,,LLm,,，， (4.17) 式中: U,m,I,为电感回路的时间常数;。 LmL,L 暂态过程的振荡角频率与电源的角频率相等，且其幅值与接地瞬间电源电压 ,的相角有关，当,,0时，其值最大;当时，其值最小。若,,0时发生,,,2 i单相接地故障，经过半个工频周波后，达到最大值为: L rL,,L, (4.18) i,I(1，e)maxLLm 理论分析和实测结果表明，电感电流暂态过程长短与接地瞬间的电压相角、 ,,0铁心的饱和程度有关.若，则电感电流的直流分量较大，时间常数较小，大约 ,,0在一个工频周波之内便可衰减完毕.若，则电感电流直流分量较小，时间常数较大，一般为2~3周波，有时可持续3~5周波，而且其频率和工频相同。 4.2.3 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，其特征随两者的具 3232 体情况而定。从上面的分析可知，虽然两者的最大幅值相差不大，但频率却差别悬殊，故两者不可能互相补偿。所以，工频状态下关于残流、过补偿度等概念，在分析暂态问题是均不能应用。在暂态过程的初始阶段，暂态接地电流的特性主要由暂态电容电流的特征所决定。为了平衡暂态电感电流中的直流分量，暂态接地电流中会产生了与之大小相等、方向相反的直流分量，它虽然不会改变首半波的极性，但对幅值却能带来明显的影响。 i关于暂态接地电流的数学表达式，可由式(4.14)和式(4.17)导出，其值为: d tt,,,,,f,,CC ,,i,i，i,(I,I)cos(,t,，)，Isin,sin,t,cos,cos,te，Icos,edCLCmLmCmfCm,,,,, (4.19) 式(4.19)中的第一项为接地电流稳态分量，等于稳态电容电流和稳态电感电流的幅值之差;其余为接地电流的暂态分量，其值等于电容电流的暂态自由振荡分量与电感电流的暂态直流分量之和。后者即: 11,,,,,0CL (4.20) i,i，i,Isin(,t，,)e，Icos,edosCosLosCmLm0, 式(4.20)再次说明，两者的幅值不仅不能互相抵消，甚至还可能彼此叠加，使暂态接地电流的幅值明显增大。 r对于中性点不接地电网，暂态等值回路仅相当于把图4.3中的和开路，暂LL态电流的分析过程与上述暂态电容电流的分析基本相同，不再赘述。 综上分析可知，当单相接地故障发生后，在故障点便有衰减很快的暂态电容电流和衰减较慢的暂态电感电流流过。不论电网的中性点为经消弧线圈接地或不 3333 接地方式，故障初期的暂态电流的幅值和频率均主要由暂态电容电流所确定，其幅值同时和初始相角有关.当故障发生在相电压接近于最大值的瞬间时，电容电流有最大值，当单相接地故障发生在相电压瞬时值为零的附近，则电容电流的暂态分量很小。 故障初期的暂态电流的幅值和频率主要由暂态电容电流所确定，而暂态电容电流的分布与中性点不接地系统中的电容电流分布情况类似，由此得到小电流接地系统单相接地故障时暂态零序电流分量有以下特点: 3I(1) 线路故障时，所有非故障线路的的方向相同，均为从母线流向线路，0 它们与故障线路的零序电流方向相反，即故障线路电流由线路流向母线，且故障线路的暂态零序电流的幅值较非故障线路大。 (2) 母线故障时，所有线路的零序电流的极性都相同，即各线路零序电流都从母线流向线路. (3) 暂态电流的数值较稳态值大很多，且持续时间短，约为0.5到1.0个工频周波.由暂态过程的分析可知，配电网出现单相接地故障时，其暂态过程存在着丰富的故障信息，又因为故障时的暂态过程不受接地方式的影响，即中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统故障时的暂态过程基本是相同的，因此，暂态分量在故障选线中有着非常重要的意义。 4.3 中性点不接地系统模型的仿真与结果分析 在这里我们建立一个小型的35KV系统仿真模型，该模型拥有一个有1条进线3条出线的。首先搭建一个中性点不接地系统，分析接地电容电流，搭建图如图4.4所示。 3434 仿真配置参数设置为:仿真开始时间0秒，仿真结束时间0.2秒;最大步长，最小步长，初始步长为auto;相对容差为0.001，绝对容差为auto方式，解法器为Variable step，Ode23tb。 各原件参数设置如下:系统频率为60Hz;三相电源的电压为35KV;A相初相角为0;中性点为不接地的Y连接;电源内部的电阻为0.312欧;内部的电抗为6.63mH;线路用分布式参数线路等值电路表示;三出线长度分别是20km，30km ,和40km;线路各序参数使用元件固有参数:正序电阻为0.132，零序电阻为km mHmH,0.3864，正序感抗为1.254，零序感抗为4.1264，正序容抗为9.kmkmkmnF35Y74。降压变压器采用接线方式，变比为，容量为6MVA，一次/,Dkm1011 二次侧电阻电感的标么值分别为0.002和0.080三相负荷的额定电压为10KV，三相有功功率为4MW,三相感性无功功率为3Mvar,三相容性无功设为0。 3535 图4.4 中性点不接地电网故障仿真图 仿真得到的各线路的零序电流波形如下图所示: 3636 图4.5 线路1零序电流波形图 图4.6 线路2零序电流波形图 图4. 7 线路3零序电流波形图 通过比较以上三图，我们可以发现:0s到0.045s各线路完好，三相电流对称，因此零序电流等于0。而0.045s系统发生单相接地故降，三相电流不再对称，且直到仿真结束时刻0.2s，系统单相接地故障仍未排除。因此0.045s到0.2s，各线路存在较大的零序电流，暂态过程大约持续了两个周波，即0.045s到0.085s各线路存在的暂态零序电流，而0.085s到0.2s各线路存在的稳态零序电流。线路1稳态零 3737 序电流的方向与线路2，3稳态零序电流的方向相反，并且数值比它们大;在同样时刻对三个图形进行采样，会发现线路1零序电流等于线路2，3零序电流和，且极性相反。由此可以判断出线路1就是故障线路。 如要确定故障相，可用故障线路的电压的波形作为判据，如图4.8所示: 图4. 8 线路1电压波形图 比较图4.8中各相电压波形发现:0s到0.045s三相电压保持对称，0.045s故障发生后，A相电压经过暂态波动逐渐衰减到0，同时B相和C相电压升高，由此可以判断出A相就是故障相。 4.4 中性点经消弧线圈接地仿真与分析 在图4.4所示的中性点不接地系统单相接地模型中添加消弧线圈、示波器scope和一些必要的测量模块后，就得到如图4.9所示的谐振接地系统单相接地的仿真模 Y型。此时三相电源的中性点的参数Internal connection应当选择为方式。经计算n补偿度P取。Series RLC Branch，将其电阻R值输入O，电感L值输入2.6296H，5% 3838 电容C值输入inf(inf代表无穷大)。 图4. 9 中性点经消弧线圈接地仿真图 运行仿真模型，由前面的 步骤 新产品开发流程的步骤课题研究的五个步骤成本核算步骤微型课题研究步骤数控铣床操作步骤 得出各线路的零序电流波形如下图所示: 图4. 10 线路1零序电流波形图 3939 图4. 11 线路2零序电流波形图 图4. 12 线路3零序电流波形图 通过对比可知:消弧线圈对非故障线路2和3的零序电流没有任何影响，其波形图保持不变:而泊弧线圈对故障线路1的零序电流的影响比较大，其波形图发生改变。此外，我们从图中发现:零序电流的稳态量数值较小，只有几安培到十几安培，而大约持续两个周波左右的零序电流的暂态量数值较大，是稳态值的几倍到几十倍。 4.5 本章小结 本章介绍了电力系统中性点接地方式的分类情况，然后阐述了小电流接地系统不同接地方式的优缺点及适用范围，研究了中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障的稳态特征过程和暂态特征过程，归纳了故障暂 4040 态过程的电容电流、电感电流和接地电流的特点，为故障选线判据提供了理论基础。提出了小电流接地系统中单相接地故障选线的新方法，为配电网接地故障选线的研究提供了一个新的思路。最后应用MATLAB软件建立了小电流接地系统的仿真模型，对选线算法进行了仿真验证，证明了该方法的有效性。 4141 第5章 总结 电力系统故障诊断是关系到电力系统安全稳定运行的重要问题，从20世纪80年代起已经进行了大量的研究工作，提出了多种故障诊断技术和方法，但实际系统中该问题并未很好地解决。随着电力系统规模日趋庞大，结构更加复杂，对电力系统故障诊断提出了更高的要求。 本文针对小电流接地系统中最常见的单相接地故障，综述了相应故障选线技术，主要包括利用特殊信号、故障稳态信号、故障暂态信号、故障稳态和暂态信号相结合方法，分析了目前这些方法存在的不足，并指出了未来应着重研究的方向，以提高单相故障模式下正确的故障选线率，降低误判、漏判率。提出了小电流接地系统中单相接地故障选线的方法，为配电网接地故障选线的研究提供了一个思路。最后应用MATLAB软件建立了小电流接地系统的仿真模型，对选线算法进行了仿真验证，证明了该方法的有效性。 4242 参考文献 [1]鲁改凤 ，化雨 ，金小兵,任志强.小电流接地系统单相接地故障选线方法探究2010年6月16日第38卷第12期 [2]周羽生,邝江华.小电流接地系统单相故障的Matlab 仿真2009 年8 月第21 卷第4 期 [3]窦新宇 ，李春明.小电流接地系统行波测距方法研究2010年2月第26卷第2期 [4]王印松，岑炜，李涛永等(基于Matlab/Simulink 电力系统仿真工具箱的拓展[J](电力系统保护与控制，2009(29):84-88( [5]贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理[M](北京:中国电力出版社，1994(三版。 [6]吴玲，孙莹(连续小波变换在小电流接地系统单相接地故障选线中的应用[J](继电器，2003，31(11):20—24。 [7]张慧芬，潘贞存，桑在中等(基于注入法的小电流接地系统故障定位新方法[J](电力系统自动化，2004，28(3): 64-66( [8]张彩友(单相接地故障指示器技术现状分析[J](电网技术，2007，31(S2):280—283 [9]张凯，袁兆强，范李平(基于模糊理论的小电流接地故障选线融合技术研究[J](陕西电力，2008，36(9):5()一54( [10]申双奎,小电流接地系统单相故障选线的研究[D](成都:西南交通大学，2009( [11]S.R. Samantaray L.N. Tripathy P.K. Dash Differential equation-based fault locator for unied power ow controller-based transmission line using synchronised phasor measurements Revised on 17th June 2008 doi: 10.1049/iet-gtd:20080285 [12]毕天姝，倪以信，吴复立等(基于新型神经网络的电网故障诊断方法[J](中国电机工程报，2002，22(2):73(78( [13]王建元，纪延超，常群(Petri网络理论在电网故障诊断中的应用[J](哈尔滨理工大学学报，2002，7(4):77—80( [14]庞清乐，孙同景，钟麦英等(基于粗集理论的小电流接地系统故障选线[J]( 中国电机工程学报，2007，27(4):60—64( [15]杜一，张沛超，郁惟镛等(基于故障录波数据的分布式电网故障诊断系统[J](电力系统保护与控制，2003，3l(1):26(29( [16]何赞峰，赵冬梅，高曙等(一种基于故障录波信息的电网故障诊断方法[J](电网技术，2002，26(5):39-43( [17]王颖，王增平，潘明九(一种基于故障录波信息的调度端电网故障诊断系统[J](电力系统保护与控制，2003，31 (12):37(40( [18]张兰，龚静，桑在中.“S注入法”选线定位原理在谐振接地电网中的应用[J].山东大学学报(工学版).2003.33(4):399-402. [19]K S( Quantum neural computing[J]( AdvancesIrdmaging and Electron ahysics(1995，94:259—313 4343 谢 辞 通过本次的论文设计，让我懂得了小电流故障的原理以及选线方式，通过查阅资料知道了如何处理电流故障。 本次设计能够顺利完成，首先我要感谢我的母校——辽宁石油化工大学顺华学院大学，是她为我们提供了学习知识的土壤，使我们在这里茁壮成长;其次我要感谢在本次设计中给与我大力支持和帮助的刘晓琴老师，每有问题，刘晓琴老师总是耐心的解答，使我能够充满热情的投入到毕业设计中去，刘晓琴老师的严谨的治学态度，细致的研究精神和敬业精神对我以后的生活工作和学习将产生积极的影响，再次向刘晓琴老师表示感谢; 最后还要感谢我的同学们，他们热心的帮助，使我感到了来自兄弟姐妹的情谊;最后还要感谢相关资料的编著者和给予我们支持的社会各界人士，感谢您们为我们提供一个良好的环境，使本次设计圆满完成。 4444