畢業(yè)設計（論文）諧振基地系統(tǒng)單相接地故障選線研究

1、 學號_ _ 密級_ 武漢大學本科畢業(yè)論文 諧振基地系統(tǒng)單相接地故障選線研究院（系）名 稱：電氣工程學院專 業(yè) 名 稱 ：電氣工程及其自動化學 生 姓 名 ：指 導 教 師 ： 二一二年三月bachelors degree thesis of wuhan universityresonator base system single-phase grounding fault line selection researchcollege ：electrical engeering collegesubject ：electrical engeering and automationname ：

2、directed by ：yuan jiaxin vice professor march 2012鄭 重 聲 明本人呈交的學位論文，是在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，所有數據、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經注明引用的內容外，本學位論文的研究成果不包含他人享有著作權的內容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本學位論文的知識產權歸屬于培養(yǎng)單位。本人簽名： 日期： 摘 要本文所研究的課題主要涉及到 35kv、10kv 及其以下的中低壓配電網，最主要的是 10kv 中壓配電網。配電網絡(distribution network)是電力

3、系統(tǒng)中二次降壓變電所低壓側降壓后直接向用戶供電的網絡，一般由多條出線（架空線路或電纜線路）、降壓變壓器、斷路器與各種開關、接地裝置、通信與控制設備、測量與計量儀表及繼電保護與選線裝置等構成，按照一定的規(guī)則運行，以高質量的電能持續(xù)滿足用戶的需求。在快速發(fā)展的現代社會，用電設備不斷增多，不但對電能需求量越來越大，而且對供電可靠性的要求也越來越高，電網尤其是中低壓配電網的容量不斷擴大，其范圍不斷延伸，線路分支、走向復雜，電纜線路日益增多，在設計施工中質量不易保證，一方面使電網的運行可靠性降低，運行中發(fā)生接地故障的幾率大大增加，另一方面電網的對地電容越來越大，一旦發(fā)生接地故障，很容易在接地點產生電弧，

4、不但嚴重威脅著電力系統(tǒng)安全和人身安全，而且極大影響著供電可靠性，必須限制接地故障造成的危害并及時準確的排除故障。選擇合適的接地方式是限制接地故障危害的有效途徑，與之配合的選線或故障定位是排除故障的重要手段。運行經驗表明，電壓等級越低，接地故障越多。從故障類型來看，最常見的是單相接地故障，約占80%以上。單相接地故障狀況往往比較復雜，配電網在單相接地故障下的選線問題是接地故障處理中最具代表性的問題。關鍵詞：諧振接地，單相接地，故障，選線abstractthis project mainly involves 35kv, 10kv and below in the low voltage dist

5、ribution network, the most important is 10kv medium voltage distribution network. distribution network ( distribution network ) is the power system of two substation low pressure side pressure directly to user power supply network, generally consisting of a plurality of outlet ( overhead line or cab

6、le ), a step-down transformer, circuit breaker and switch, grounding device, communication and control equipment, measurement and meter and relay protection and line selection device and so on, according to certain rules of operation, to high quality power can continue to meet the needs of users.in

7、the rapid development of modern society, electrical equipment is ceaseless grow in quantity, not only for the electricity demand is bigger and bigger, and the power supply reliability requirements are also getting higher and higher, especially in the low voltage distribution power network capacity e

8、xpansion, its limits is ceaseless and outspread, line branch, to the complex, cable line is increasing, in the design of construction quality can not be guaranteed, on one hand the operation reliability of power grid is reduced,operation of the grounding fault probability increases greatly, on the o

9、ther hand, capacitance to ground of the network is more and more big, when grounding fault occurs, easily in the grounding arc, not only seriously threaten the safety of power system and security of the person, but also greatly affects the reliability of power supply, must be restricted earth fault

10、harm and timely and accurate troubleshooting. selection of suitable grounding mode is restricted earth fault hazard in an effective way, and meet the line selection and fault location is an important means of troubleshooting.operation experience suggests, voltage level is low, grounding fault more.

11、from the point of fault types, the most common is the single-phase grounding fault, occupy 80% above about. single phase to ground fault in distribution network are often more complicated, in single phase to ground fault line selection problems under ground fault processing of the most representativ

12、e problem.key words: resonant grounding, grounding, fault, line selection目 錄第1章 緒論 1.1 配電網接地方式的發(fā)展趨勢11.2 小電流接地方式對選線的影響21.3 選線問題的難點41.3.1 信息采集問題51.3.2 選線原理的科學性51.3.3 選線的基本要求5第2章 諧振接地系統(tǒng)單相接地故障的理論分析及matlab建模2.1 諧振接地系統(tǒng)單相接地故障的理論分析72.1.1 穩(wěn)定接地時中性點位移電壓的變化規(guī)律82.1.2 電抗折算112.1.3 消弧線圈的工作原理132.2 諧振接地電網的matlab建模14第3

13、章 小電流接地系統(tǒng)選線技術的分析與討論3.1 故障信號的來源163.2 小電流接地系統(tǒng)選線方法的分析與評述163.2.1 諧振接地方式下的選線方法173.3 小電流接地選線裝置的發(fā)展趨勢20第4章 基于調節(jié)脫諧度的選線方案 4.1基于調節(jié)脫諧度的選線判據214.1.1 零序電流幅值的增減型判據214.1.2 零序電流幅值的比值型判據244.2 仿真驗證26結論33致 謝34參考文獻35第1章 緒論1.1 配電網接地方式的發(fā)展趨勢電力系統(tǒng)中性點的接地方式是一個涉及到技術、經濟、安全等多個方面的綜合問題。它可劃分為兩類，凡是需要斷路器遮斷單相接地故障者，屬于中性點有效接地的方式，也稱大電流接地方式

14、，包括中性點直接接地和中性點經小電阻接地；凡是單相接地電弧能夠自行熄滅者，屬于中性點非有效接地方式，也稱小電流接地方式。小電流接地系統(tǒng)包括中性點不接地（中性點絕緣）系統(tǒng) (neutral ungrounded system, nus)，中性點經消弧線圈接地（即諧振接地）系統(tǒng) (neutral resonant grounded system, nes )，經高阻或中阻接地系統(tǒng)(neutral resistor grounded system, nrs )，經高阻抗接地系統(tǒng)以及由控制裝置控制的靈活接地系統(tǒng)(即根據電網運行情況在線改變系統(tǒng)接地方式或接地元件如線圈、電阻的大小)。大電流接地方式的優(yōu)點

15、是在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)的對地過電壓小，電氣設備的絕緣等級可以按相電壓選擇；故障點和中性點構成短路回路，故障線路的故障電流很大，線路的零序繼電保護可以迅速、準確的將故障線路從系統(tǒng)中切除。但在大電流接地方式下無論瞬時性故障還是永久性故障，故障線路的繼電保護均跳閘，跳閘次數大大增加，供電可靠性低；投入的繼電保護設備成本較高。小電流接地方式中最有代表性的是中性點不接地和諧振接地方式。中性點不接地方式是我國配電網采用最早、運用最多的一種方式，同時也是小電流接地方式中最具代表性的接地方式。采用該接地方式的系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時，在接地點和電網中性點之間不會形成短路回路，故障電流較??；雖然非故障

16、相電壓升高，但系統(tǒng)三相之間的線電壓仍然對稱，短時間內不影響用戶的正常用電，供電可靠性高。但在采用這種接地方式的系統(tǒng)中，線路及各種電氣設備的絕緣要按線電壓設計，造成絕緣投資所占比重加大；當輸電線路（尤其是城市電纜）比較長時，對地電容電流會很大，易導致間隙性電弧或弧光接地而不能自行熄滅，引起弧光接地過電壓或諧振過電壓，對設備絕緣造成威脅甚至引起多相短路，造成嚴重事故。我國在國家電力行業(yè)標準（dlt620-1997）中規(guī)定：310kv 配電網中單相接地電容電流大于10a時即要求在中性點安裝消弧線圈，即采用諧振接地方式。諧振接地方式是在電力系統(tǒng)的中性點加裝自動調諧消弧線圈的新型接地方式，其主要優(yōu)點是能

17、夠自動限制接地故障點的電流，使接地電弧瞬間自動熄滅，對消除占絕大部分的瞬間單相接地故障尤其有效；能使接地電流迅速達到最小，避免間歇性弧光過電壓的產生；當發(fā)生永久性單相接地故障時，也可以使電網在一定時間內帶故障運行，使電網具有很高的運行可靠性；不僅以較低的成本解決了配電網在常見的瞬時性單相接地故障時的持續(xù)性供電問題，還從某種程度上提高了設備安全與人身安全，降低了對通信線路、鐵路信號的干擾程度。可見，小電流接地系統(tǒng)的共同特點是發(fā)生單相接地故障時，在接地故障點和系統(tǒng)中性點之間僅形成小電流通路，流過故障點的電流很小，危害相對較??；系統(tǒng)的三相電壓仍然對稱，不影響用戶供電，可以帶故障運行一段時間，供電可靠

18、性較高；對人身及設備有較好的安全性，通訊干擾小?？傊?，大電流接地方式突出了故障線路的電流特征，配以快速繼電保護裝置就可以及時、準確的切除故障線路，但因其供電可靠性低，不能滿足中低壓配電網用戶對供電可靠性越來越高的要求，而主要用于高壓系統(tǒng)。小電流接地方式能有效限制接地電流的大小，供電可靠性高。豐富的實踐結果表明，在選定中低壓配電網中性點的接地方式時，限制單相接地故障電流的危害性是必須首要考慮的問題，限制故障電流是接地技術發(fā)展的總趨勢。因此，小電流接地方式符合接地技術的發(fā)展趨勢，在中低壓配電網中的應用越來越廣泛。在小電流接地方式中，中性點不接地方式在電網容量擴大、對地電容電流不斷增大的新形勢下，難

19、以限制并熄滅故障電弧，且故障選線困難，限制了它的應用；諧振接地方式能夠根據運行需要在故障時和非故障時靈活的切換，兼具其它小電流接地方式的優(yōu)點，從綜合經濟技術指標來看，諧振接地方式優(yōu)于其他小電流接地方式，是一種很有前途的新型接地方式，具有良好的應用前景。我國在簡化了電壓等級后，將中低壓配電網的中性點接地方式統(tǒng)一為中性點不接地和諧振接地方式，不但提高了供電可靠性，而且積累了豐富的經驗。在電網技術快速發(fā)展的今天，諧振接地方式已成為我國中低壓配電網的主要接地方式。多年實踐表明，諧振接地方式在提高供電可靠性、改善電能質量、保障人身安全、防止設備損壞、降低通信干擾等方面的作用是非常顯著的，但諧振接地方式下

20、的故障選線問題一直沒有得到妥善解決，成為限制諧振接地方式發(fā)展的重要因素。因此，研究在諧振接地方式下的選線問題是接地技術發(fā)展趨勢的要求，具有重要的現實意義。1.2 小電流接地方式對選線的影響在配電網接地故障的處理中，逐漸形成了兩個方向：一是采用大電流接地方式并在配電網各出線上配以快速繼電保護，在出現短路電流時立即動作，迅速準確的切除故障線路，從時間上限制接地故障的危害；二是采用小電流接地方式配以集中選線裝置，使電網在發(fā)生接地故障后繼續(xù)運行而不影響用戶正常用電，通過選線裝置選出故障線路后才切除故障線路，最大限度保障供電可靠性。選線是指對于有多條出線的配電網在發(fā)生線路接地故障尤其是單相接地故障時，通

21、過一定的方法對故障信息的分析、判斷，選出故障線路的保護技術，選線主要應用于小電流接地系統(tǒng)中?，F代選線裝置要求能夠配合小電流接地技術，在電網發(fā)生接地故障時及時、準確的選出故障線路，使運行人員根據需要斷開故障線路進而排除故障。選線是在小電流接地技術發(fā)展、成熟的過程中逐漸發(fā)展完善的，現代微機、電子技術、信號處理、通訊技術、自動化技術以及測量技術的進展對現代選線技術的發(fā)展提供了足夠的技術支持，目前它已經成為小電流接地系統(tǒng)中必不可少的技術。但選線和小電流接地方式尤其是諧振接地方式在對接地電流的要求方面是矛盾的：小電流接地方式要求流過故障點的電流小，越小越有利于熄??；而選線要求流過故障點的電流大，越大越有

22、利于突出故障特征，選線越準確。在小電流接地系統(tǒng)中，一方面用于選線的故障信號較弱，有效故障信號難以采集；另一方面故障線路的零序電流與非故障線路故障電流的分布趨于一致，故障線路的故障特征不明顯，加之各出線的參數不盡相同，選線裝置很難在這種情況下準確選出故障線路。到目前為止，小電流接地選線問題仍然是本領域內比較棘手的問題。許多選線裝置目前雖然廣泛使用，但沒有一種裝置能 100%的檢測出故障線路，選線技術需進一步改進和提高。就選線問題而言，配電網中性點不同的接地方式對選線的準確度影響也很大。采用不同接地方式的配電網在發(fā)生接地故障時，故障電流的特性有很大差異，故障電流的特性對選線裝置的準確度有較大影響。

23、在中性點不接地系統(tǒng)中，選線裝置主要依據故障線路零序電流的大小和方向是一個容易檢測的故障特征量這一特點，采用幅值、相位或綜合比較的方法確定故障線。由于故障信號弱、線路參數分布不均勻、接地情況復雜，致使中性點不接地系統(tǒng)中選線裝置的準確度很難保證。諧振接地系統(tǒng)中的選線要比不接地系統(tǒng)中的選線更為復雜。這主要是其兩方面的特點決定的：一方面是其動作特性的影響，由于消弧線圈的快速補償作用，接地電流被迅速補償，使各回線的零序電流值差別不大，并且即便是在故障時刻也難以取得接地電流的較大故障分量，用于選線的故障信息不明顯，很難檢測判斷故障線路。另一方面，消弧線圈常常有欠補償、全補償和過補償三種運行方式，運行方式的

24、不同使故障線路零序電流的大小、方向差異很大，很多選線裝置的選線精度受消弧線圈補償方式的影響很大；另外，消弧線圈種類很多，單獨開發(fā)的選線裝置通常難以與各種消弧線圈配合。因此，要求在諧振接地方式下運行的選線裝置能夠根據消弧線圈的特點運行，具有很強的適應性并能準確識別故障線路。本文將就諧振接地方式下的選線問題作詳細的理論分析?？傊?，要求選線裝置能夠在小電流接地條件下實現準確選線，并能根據不同的接地方式采用相應的選線原理。1.3 選線問題的難點主要是故障信息本身的構成、電網運行方式比較復雜：1）電流信號太小,故障特征不明顯小電流接地系統(tǒng)在單相接地時各回線的零序電流基本上是本線路的對地電容電流，其大小不

25、但與系統(tǒng)規(guī)模和線路類型(電纜或架空線)有關，而且與系統(tǒng)出線數目有關，往往電流數值甚??；經消弧線圈補償后，不但其數值更小，而且零序電流在各回線上的分布比較一致，加之這一小電流又疊加在較大的負荷電流之上，現有電流互感器很難準確檢出。在高阻接地時，故障電流呈現更為復雜的小電流特性，準確檢測高阻接地故障是所有選線裝置提高精度的首要問題。2）干擾大、信噪比小小電流接地系統(tǒng)中的干擾主要包括兩方面：一是在變電站和發(fā)電廠的小電流接地系統(tǒng)的單相接地保護裝置的裝設地點，現場的各種電磁干擾相對很大；二是由于負荷電流不平衡造成的零序電流較大和電弧接地時的諧波電流較大，特別是當系統(tǒng)較小，對地電容電流較小時，接地回路的零

26、序電流和諧波電流甚至小于非接地回路的對應電流。加上零序回路對高次諧波及各種暫態(tài)量的放大作用,使得檢出的故障成分信噪比非常低。3）接地故障的多樣性實際上，存在于電網中的故障并不僅僅是單相接地故障，也有一些兩相接地故障、三相短路故障、斷線故障以及其它一些不常見的故障。故障類型的繁多給選線裝置的設計帶來了很大困難。選線方案往往是依據單相接地的特征整定的，對于隨機出現的其它類型的接地故障，選線裝置很難保證選線精度。4）電容電流波形不穩(wěn)定a.接地電弧的不穩(wěn)定性按照故障的性質來看，主要是瞬時接地故障和永久接地故障。運行經驗表明,小電流接地配電網的接地故障大多數為瞬時性故障,特別是架空線電網和架空線電纜混合

27、電網。瞬時接地故障常常容易形成間歇性弧光接地。實踐證明，如果接地電流大于30a時，將形成持續(xù)性電弧接地，容易造成電器設備的燒毀甚至引起相間短路。如果接地電流大于510a而小于30a，則有可能形成間歇性電弧，間歇性電弧不但幅值不穩(wěn)定，而且電弧中含有大量不穩(wěn)定的諧波分量，很難獲取。目前投入使用的許多選線裝置在原理上均采用基于穩(wěn)態(tài)電流的選線方法，對于間歇性電弧接地的情況不一定有效，而采用暫態(tài)電流選線的裝置目前應用較少。b.運行方式的不確定性電網的容量擴大，接線越來越復雜，而大多數選線方案是按照變電站星形出線方式考慮的，不同的接線方式對選線的準確度也有一定影響。我國小電流接地系統(tǒng)的運行方式頻繁改變，造

28、成變電站出線的長度和數量也隨之改變，其電容電流和諧波電流也頻繁改變；此外,母線電壓水平的高低、負荷電流的大小也總在不斷變化；故障點的接地電阻不確定等等都造成了零序故障電容電流和零序諧波電流的不穩(wěn)定。1.3.1 信息采集問題主要表現在故障信息的獲取困難方面。目前的絕大多數選線裝置均依靠零序電流作為選線裝置的判斷信號，零序電流互感器的精度對選線準確度有至關重要的影響。而現有零序電流互感器的容量往往按照接地電容電流的全負荷選擇，在容量較大的情況下，很難保證小電流情況下的精度，而小電流情形恰恰是選線最為關心的。另外，在電流信號從電流互感器向微機選線裝置傳遞的過程中，不免有衰減和受到干擾；ad 轉換的精

29、度以及濾波算法對信息采集結果的影響也比較大。1.3.2 選線原理的科學性選線原理必須根據接地方式、故障特點、信息采集裝置的特點、電壓等級和電網接線方式等確定。各種不同因素的影響使選線原理必須在一些矛盾的問題之間做出取舍，有些選線原理只能用于特定的接地方式或配合特定的消弧線圈使用，在其他地方使用的時候，就失去了其原理的科學性，因此必須根據實際需要來確定選線原理，而不能將其在不同環(huán)境中籠統(tǒng)應用。1.3.3 選線的基本要求1）準確這是選線的首要要求。小電流接地選線裝置既要在小信號情況下工作，又要選得準。這個要求很多選線裝置難以達到。2）適合相應的接地方式選線裝置必須與具體的接地方式配合使用，脫離了具

30、體的接地方式，其選線原理就可能失去了可靠性的前提。目前許多選線裝置采用了多種選線方法，在實際應用的時候可以根據不同的接地方式采用相應的判據。3）追加投資小選線裝置的實際應用還受到追加投資的影響，一般選線裝置是與消弧線圈配套選購的，用戶希望在追加投資不大的情況下，得到消弧選線一體化裝置。4）快速雖然我國有關規(guī)程規(guī)定，小電流接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障后允許繼續(xù)運行的時間可達 2 小時，為檢查故障、轉移負荷贏得了時間，對選線裝置的實時性要求不高。但從減小故障危害的角度考慮，仍然要求選線裝置在盡可能短的時間內選出故障線路，以進行故障隔離和負荷轉移。因此，快速性也是對選線的基本要求。第2章 諧振接地系統(tǒng)

31、單相接地故障的理論分析及matlab建模2.1 諧振接地系統(tǒng)單相接地故障的理論分析本課題研究的最終目的是得出一個比較實用的選線算法，并將其應用到實際裝置中去。不同接地方式的系統(tǒng)在發(fā)生單相接地時有不同的特點，作為提出選線方法以及驗證各種算法的基礎，有必要進行深入的理論分析與仿真驗證。首先畫出中性點諧振接地多出線系統(tǒng)在發(fā)生穩(wěn)態(tài)單相接地故障時的等效電路圖，如圖 2.1 所示。圖2.1 諧振接地多出線系統(tǒng)在發(fā)生單相接地時的等效電路圖為了進行故障狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)分析，在等效電路圖中做了一些簡化，說明如下：1）對于中壓配電網，其主變壓器一般為yd 接法，本文所研究的配電網處于變壓器的副方，沒有中性點，因此消弧

32、線圈一般通過接地變壓器接到三根母線上，本圖中為簡單起見，直接接于三相電源的中性點。變壓器在三相電路中的漏感及接地變壓器的感抗可以折算到消弧線圈電感l(wèi)中。2）線路的電感、電阻以及對地電容、電阻均為分布參數，為簡單起見，按集中參數處理，不會影響選線原理的正確性。3）圖中計及了線路的電感、電阻、消弧線圈的等值損耗電阻、線路對地電阻。通常，為突出消弧線圈的補償原理以及選線原理，這些參數均可忽略。4）僅考慮接地電阻為一個線性電阻的情況。2.1.1 穩(wěn)定接地時中性點位移電壓的變化規(guī)律中性點位移電壓在電網的理論分析中起了十分重要的作用，電網中性點電壓的變化規(guī)律為提出準確的選線方法以及選定消弧線圈的啟動判據都

33、提供了理論依據。通常采用對稱分量法分析圖 2.1所示的電路，但是采用對稱分量法的前提是未發(fā)生故障時三相線路參數完全對稱這種特殊情形，對于一般情形應該采用電路的基本定律分析電路，得出一般等效電路。假設 a 相發(fā)生單相接地故障，根據基爾霍夫定律，用節(jié)點電壓法表示中性點位移電壓（即 n 點對地電壓）為： （2.1）說明： 為a相所有線路電感、電阻與線路對地電阻、電容的等效電抗，即式中為 a 相所有線路的等效電阻，為a相所有線路的等效電感，為 a 相所有線路的等效對地泄漏電阻，為a相所有線路的等效對地電容；類似；分別為三相電源電動勢。設，則，。將三相電勢表示為：,，其中為a相相電壓。根據（2.1），當

34、補償電網無單相接地故障時，在不引入消弧線圈的情況下，中性點電壓為： (2.2)稱為由三相對地電容和泄漏電阻不平衡引起的中性點不對稱電壓。由此式2.1化為： (2.3)于是可以繪出經故障電阻接地時補償電網的等效零序回路圖，如圖 2.2 所示。 圖2.2經接地時補償電網的零序回路等效電路圖圖2.2 清晰的揭示了在發(fā)生單相接地故障時電網零序回路中各電抗之間的連接關系，為簡單分析中性點位移電壓的變化規(guī)律提供了依據，也為提出實用的選線算法供了參考。同時也可以看出，在發(fā)生單相接地故障時，故障點不但同各條回線的對地電容（或者并聯對地電阻）構成回路，而且也同消弧線圈支路構成回路，故障點接地電流等于系統(tǒng)對地電容

35、電流與消弧線圈電流之和，由于消弧線圈的補償作用，使本來就不明顯的故障接地電流變得更小，增加了測量與選線的難度。在電網正常運行情況下，圖 2.2 中的rf為無窮大，此時系統(tǒng)中性點電壓由三路對地參數不對稱導致的決定。當發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)中性點電壓由和共同決定。但一般認為電氣設備三相絕緣運行條件和污穢情況大致相同、架空線路經過充分的換位，即三相對地泄漏總電阻和對地總電容大致相等，這樣很小，并且一般配電網線路中各相對地的泄漏電導比對地電容的導納小得多，在進行中性點位移電壓的粗略估算時，可忽略對地電導與消弧線圈等值損耗電阻，并設為系統(tǒng)對地總電容。因此式（2.3）可以簡化為： （2.4）寫成有效值的

36、形式，為： (2.5)式中為相電壓有效值。由公式（2.4）可以得出位移電壓的軌跡是關于的一段半圓圓弧。繪出電壓的矢量變化圖如下： 圖2.3 從到0變化時，系統(tǒng)三相對地電壓及中性點位移電壓的向量變化 圖2.3是在消弧線圈的感抗大于系統(tǒng)對地容抗的情形下的電壓向量關系圖，是中性點位移電壓的方向與本圖關于橫軸對稱。由圖可見：1）中性點位移電壓隨著接地電阻阻值從到0變化，在零到故障相的負的額定值之間以向量的形式變化。2）故障相的電壓值隨接地電阻的變化，在額定值和零之間變化。3）非故障相的電壓值，通常情況下不相等，其中一相先上升后下降，另一相電壓先下降后上升，兩者最終都達到3倍額定相電壓值。系統(tǒng)中發(fā)生接地

37、故障時，意味著 從突變到一個有限值，也隨之突變，因此中性點位移電壓的突變可以反映系統(tǒng)發(fā)生了接地故障，突變量的大小可以指示接地電阻的大小。故可用中性點位移電壓的突變量作為消弧線圈的啟動判據以及估算接地電阻大小的依據。對于接地故障發(fā)生在線路中間以及末端的情況，其等效電路比較復雜，但仍可用的突變量作為消弧線圈的啟動判據以及估算接地電阻大小的依據，而其對選線結果的影響可以在線路防震的時候驗證。另外，需要說明的是，對于輸配電系統(tǒng)沒有自然中性點的情況，可以認為引出一個中性點。常用的辦法是在三相線上接一個三相曲折形聯接的中性點接地變壓器，如圖2.4所示。 圖2.4 經接地變壓器引出中性點的補償電網等值接線圖

38、心思電力變壓器相同，但是每個心柱上僅有一個繞組，并分為二部分，三個心柱上的半部分繞組互相聯接，單相接地故障發(fā)生時，同一心柱上的二半部分繞組中的電流方向相反，大小近似相等，因此不產生扼流效應，從而允許流經消弧線圈的電流可以自由地由接地變壓器的中性點流入電網線路中。因此，本質上圖2.4與圖2.1兩情況無差別，因此，前面推導的公式對經接地變壓器中性點諧振接地的補償電網同樣適用。2.1.2 電抗折算在實際應用中并不關心線路的電感、電阻等線路參數，我們關心的是線路的對地電容、電阻等對地參數。線路的對地電容、電阻的大小與線路長短、離地高低（架空線）、導線材料等有關，但其余參數均可折算到長度參數中。采用電抗

39、折算符合消弧裝置的實際運行過程，可以更清晰的揭示消弧線圈的運行原理以及方便推導選線算法。對于消弧線圈的阻抗模型，用等效變換原理對其進行并聯變換，有： (2.6)反過來有 (2.7)于是有 (2.8)公式（2.1）中的，也須進行并聯變換，折算成對地電容、電阻的并聯的形式： (2.9)式中的折算形式與類似。圖2.5為折算之后的等效電路圖，它簡單直觀，更容易分析。圖2.5 電抗折算之后的等效電路圖2.1.3 消弧線圈的工作原理消弧線圈是基于諧振原理運行的可調電抗裝置。圖 2.5中、均很大，很小，在分析消弧線圈的工作原理時可以忽略。由此繪出簡化的等效電路圖如下：圖2.6 消弧線圈的工作原理圖由上圖可見

40、，中性點諧振接地的系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時，若實時調節(jié)消弧線圈的電感，使之與系統(tǒng)對地電容在基波頻率下并聯諧振，就可以使流過接地電阻的電流（主要是工頻電流）變得很小，從而起到消弧的作用?，F在所開發(fā)的自動調諧消弧線圈一般都是在發(fā)生接地故障之后立即調節(jié)（減?。┢潆姼校蛊湓谥C振值附近運行。這種消弧線圈主要包括兩個方面的運行：對地電容檢測和自動調諧。在系統(tǒng)無接地故障時一般都要進行對地電容檢測，此時消弧線圈在回路中呈現很大電感；在發(fā)生接地故障時，其自動控制系統(tǒng)立即根據此前所測的系統(tǒng)對地總電容來調節(jié)消弧線圈的電感，使感抗值大致等于容抗值，利用電感電流補償接地電容電流，使接地點的故障電流迅速減小直至電弧熄滅

41、，之后消弧線圈停止補償，切換到正常工作狀態(tài)也就是對地電容檢測狀態(tài)。這兩個運行狀態(tài)的切換是依靠檢測中性點位移電壓是否大于閥值電壓uth進行的4750。在實際的對地電容檢測算法中，均是檢測中性點處對地呈現的總電容，線路參數已經折算在對地參數之中。2.2 諧振接地電網的matlab建模為驗證并比較已知的各種選線算法，本文采用matlab仿真軟件對前述的等值接線圖建立了仿真模型。matlab 仿真軟件的simulink工具箱中的simpowersys模塊為觀測有多條出線的電網在單相接地時的電流、電壓變化規(guī)律提供了直觀的依據。仿真模型主要考慮以下幾個方面：1）忽略電源及變壓器影響，采用理想和無窮大電源和

42、變壓器模型；2）將系統(tǒng)的復雜出線等效為 24 條出線，各出線的參數按長度折算；3）將線路的分布參數按一定長度下的集中參數處理。4）各線路參數取電纜線路的參數：線路電阻取0.09，線路電感取0.28mh/km，對地電容0.21f/km，系統(tǒng)阻尼率取4%；也可以取架空線的參數：線路電阻取0.23/km，線路電感取5.4mh/km，對地電容6f/km，系統(tǒng)阻尼率取4%；消弧線圈電感為0.824h；其等值損耗電阻取為消弧線圈感抗的4%；按照消弧線圈的全負荷容量800kva取對地總電容為63.5f。利用選取的仿真參數根據前述公式利用matlab的繪圖函數繪出電路中電壓、電流的變化規(guī)律。當檢測到接地故障發(fā)

43、生時，中性點電壓的幅值發(fā)生突變，消弧線圈根據是否大于而決定是否投入補償。根據式（2.31），可以得知在電網對地總電容及消弧線圈電感一定的情況下（），中性點電壓幅值隨接地電阻變化的規(guī)律。用仿真參數代入，繪圖如下： 圖2.8 突變電壓隨接地電阻變化曲線圖根據公式可以得知在接地電阻不同時，故障線路和正常線路零序電流幅值的變化規(guī)律。代入仿真參數（取接地電阻10,100,500,1000），繪制故障線路和正常線路零序電流幅值曲線圖如下：圖2.9 故障線路、正常線路零序電流隨接地電阻、脫諧度變化曲線圖圖中f10表示故障線路10接地，m10表示正常線路10接地，余者類似?？梢娎胢atlab仿真工具，可以進

44、一步得出諧振接地系統(tǒng)中各相關量的變化規(guī)律，為探討以及建立選線算法提供了依據。第3章 小電流接地系統(tǒng)選線技術的分析與討論3.1 故障信號的來源故障信號的來源共有以下幾種：1）接地故障引起的中性點電壓突變2）各回線零序穩(wěn)態(tài)電流3）各回線的零序暫態(tài)電流4）各回線的負序電流 5）外加的注入電流3.2 小電流接地系統(tǒng)選線方法的分析與評述在此主要對目前比較流行的選線方法做一討論，為提出本文所采用的選線方案提供參考。首先分析適用中性點不接地系統(tǒng)的選線方法，因為在各種選線方法中，中性點不接地系統(tǒng)的選線方法是其余接地方式下選線方法的基礎，各種選線方法都是在分析比較中性點不接地系統(tǒng)選線方法的基礎上提出來的。將圖2

45、.1以及2.2中的消弧線圈電感支路去掉，重畫中性點不接地系統(tǒng)中零序電流分布圖如下： 圖3.1 中性點不接地系統(tǒng)中各回線零序電流分布圖圖中省略了由于系統(tǒng)對地參數不對稱引起的不平衡電壓。由圖3.1可見，在發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)中各支路電流有如下的關系： （3.1）而故障線路零序電流與其余線路的零序電流有如下的關系： （3.2）式（3.1）、（3.2）中為流過接地電阻的電流，為故障線路本身的零序對地電容、對地電阻電流，為非故障線路所檢測到的零序電流，而為故障線路所檢測到的零序電流。由式（3.1）可見，當中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，接地電阻同所有回線的對地電容和并聯的對地電阻構成回路，故障點

46、的接地電流恒等于系統(tǒng)總的對地電容、電阻電流之和；由式（3.2）可見，故障線路的零序電流等于所有非故障線路零序電流之和，故障線路零序電流的方向與非故障線路零序電流之和的方向相反，是由非故障線路流向故障線路。因此，故障線路零序電流的大小和方向是一個容易檢測的故障特征量。這是中性點不接地系統(tǒng)的一個非常重要的特點，目前絕大多數的不接地系統(tǒng)的選線方案都是基于這一特點提出來的。精確檢測出這一電流是實現準確選線的關鍵，也是最大的難點。這主要是由于配電網對地電容電流一般很小，系統(tǒng)單相接地故障電流不大，當然這也是所有選線方法的共同問題。3.2.1 諧振接地方式下的選線方法1）5次諧波法考慮到系統(tǒng)正常運行時存在一

47、定的諧波，其中3倍次諧波電流相位一致，流經變壓器三相繞組或被削弱或相互抵消。余下的各次諧波中5次諧波含量最大。發(fā)生單相接地故障時，零序回路中在故障點處存在非線性過渡電阻，因而導致零序電流含有大量奇次諧波成分，5次諧波分量有一定程度的增加。在中性點諧振接地系統(tǒng)中，消弧線圈主要補償的是零序基波電流，其感抗按照工頻整定，大致等于系統(tǒng)總對地容抗，而由于消弧線圈對5次諧波感抗是基波的5倍，系統(tǒng)對地電容總容抗卻變?yōu)榛ǖ?/5，所以消弧線圈遠遠不能補償系統(tǒng)中的5次諧波電流。因而在諧振接地系統(tǒng)中，可以近似為故障線路的5次諧波電流大小等于所有非故障線路的5次諧波電流之和，方向與非故障線路的電流方向相反。通過對

48、零序5次諧波電流作幅值或相位比較，可以實現故障選線。2）有功分量法這種方法是基于消弧線圈只能補償故障點的容性無功電流而不能補償有功電流這一特點提出來的。一般來說，在諧振接地系統(tǒng)中，當發(fā)生單相接地時，同正常線路相比，故障線路中零序電流所含有功分量較大。這一有功分量主要來自消弧線圈本身的電阻損耗和接地點電弧的有功功率損耗。根據有功分量的分布特點，選線裝置可以采集系統(tǒng)中性點位移電壓和各回線的零序電流，進行分析處理，有功分量最大者即為接地線路。這種方法與零序電壓、零序電流的極性無關，一般故障線與非故障線有功分量大小差別較大。但是它受電網結構影響較大，當電網出線較少，各線路零序阻抗差異較大時，不能保證正

49、確性；有功分量也存在幅值太小的問題，而且受零序電流互感器不平衡電流影響很大。3） 殘流增量法殘流增量法基本原理是，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地后，通過裝設于各回線的零序電流互感器采集各線路的零序電流，然后改變消弧線圈脫諧度，再采集各線路的零序電流，然后求出各線路在消弧線圈調檔前后零序電流的變化量，其中最大者即為接地線路，因為它等于改變消弧線圈脫諧度前后電感電流的改變值，而其他線路基本不變。這種選線方法原理簡單，不受系統(tǒng)電壓和頻率波動的影響，判據采用相對值，即零序電流的增量，與零序電流互感器的極性無關，也避免了零序電流互感器和測量回路誤差及背景干擾等因素的影響，提高了靈敏度及可靠性。但這種方法是以損失一些

50、自動跟蹤補償消弧線圈的功能為代價的。通常認為增大脫諧度易使接地電弧重燃，減小脫諧度容易引起諧振過電壓；不能在消弧線圈補償的時候同時選線；在高阻接地或線路較少的時候，各回線的零序電流都將發(fā)生很大變化，并且故障線路零序電流變化量不能保證最大，在原理上存在不足；只能配合特定的自動跟蹤補償消弧線圈工作，不能用于其它場所。本文將對這一方法進行理論上的深入探討，并提出改進的選線方法。4）注入信號法目前實際應用的主要是“s注入法”，其電路接線圖如圖3所示。此方法不利用小電流接地系統(tǒng)在單相接地故障時產生的故障信號，而是利用單相接地時原邊被短接暫時處于不工作狀態(tài)的接地相的電壓互感器，人為向系統(tǒng)注入一個特殊信號電

51、流（例如220hz的電流），用尋跡原理跟蹤該信號的通路來實現接地故障選線。當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，注入信號電流僅在接地線路的接地相中流動，并經接地點流入地。利用一種只反映注入信號而不反映工頻及其諧波成分的信號探測器，對注入電流進行尋蹤，就可實現單相接地故障選線與接地點定位。這種方法不需增加一次設備，不會對運行設備產生不良影響；注入信號具有不同于系統(tǒng)中任何一種固有信號的特征，對它的檢測不受系統(tǒng)運行情況的影響；注入信號電流僅在接地線路的接地相流通，不影響系統(tǒng)的其它部位。注入法的缺陷在于注入信號的強度受電壓互感器的容量限制，不能達到很大；接地電阻較大時線路上分布電容會對注入的信號分流，給選線帶來很大干

52、擾；弧光接地時諧波含量豐富，注入的信號在線路中將不連續(xù)且會破壞信號特征；在現場高、低溫惡劣運行環(huán)境下工作點容易漂移，導致收不到該電流信號；該法還易受現場強電磁場干擾；再者傳感器接收的是空間信號，故障和非故障線信號差異并不很大，有時不能保證選線準確性。圖3.2 s注入法原理圖5）注入變頻信號法為解決“s注入法”在高阻接地時存在誤判的問題，文獻3提出注入變頻信號法。其原理是根據故障后位移電壓大小的不同，選擇向消弧線圈電壓互感器副邊注入諧振頻率恒流信號還是向故障相電壓互感器副邊注入頻率為70hz的恒流信號，然后監(jiān)視各回線上注入信號產生的零序電流功角、阻尼率的變化，比較各回線阻尼率的大小，再計及線路受

53、潮及絕緣老化等因素，得出選線判據。這種方法同樣有s注入法的一些缺陷，并且當接地電阻較小時，70hz信號電流大部分都經故障線路流通，非故障線路電流幅值較小，阻尼率誤差較大。6）增量函數法根據該方法，構造函數在所有非故障線路中均為0，在故障線路中不為0。其構造函數的實質是將發(fā)生接地故障前后的各回線對地電抗值分別相減，故障線路由于接地后附加了接地電阻，使增量函數不為0；而非故障線路對地參數未發(fā)生變化，增量函數恒為0。這一方法除了采用各回線的穩(wěn)態(tài)零序電流作為故障信號來源，還采用了中性點位移電壓，精度較其它方法有所提高?；跇嬙旌瘮档姆椒ㄟ€有文獻提出的能量法以及改進能量法。7）暫態(tài)分量法暫態(tài)分量法是一類

54、方法的總稱。它既適合于中性點不接地系統(tǒng)也適用于諧振接地系統(tǒng)，目前其主要應用以諧振接地系統(tǒng)為主。它主要分為暫態(tài)分量幅值、暫態(tài)分量方向等方法。暫態(tài)分量幅值法是根據故障線路暫態(tài)分量幅值等于非故障線路之和，即故障線路幅值大于非故障線路原理進行選線。暫態(tài)分量方向法根據故障線路暫態(tài)分量方向與非故障線路相反的原理工作，基本過程與暫態(tài)分量幅值法相同，也可以同時使用暫態(tài)分量的幅值和方向信息。近年來引入的小波分析方法，為許多基于暫態(tài)分量的選線方法注入了新的活力，使得基于暫態(tài)分量的方法日益受到廣泛關注。但目前使用暫態(tài)分量有著較大的不足：金屬性接地時暫態(tài)分量只在接地后的首半波出現，不會重現，不易捕捉；故障信息容易受暫態(tài)信號的干擾；暫態(tài)信號頻率較高，受技術條件限制，對暫態(tài)信號進行實時檢測比較困難；目前選線裝置都是利用零序電壓越限來啟動選線程序，很多故障都是漸進過程，故障最初暫態(tài)過程發(fā)生一段時間后零序電壓才越限，此時記錄的波形已經不滿足暫態(tài)信號選線的前提。當前，采用暫態(tài)分量法的選線裝置大部分停留在理論分析和試驗階段，投入使用的產品很少。3.3 小電流接地選線裝置的發(fā)展趨勢順利實現接地故障選線的關鍵在于如何能夠有效的在幅值很小的故障信號中找尋故障