小電流接地選線系統(tǒng)

1、畢 業(yè) 設(shè) 計 題 目： 小電流接地選線系統(tǒng) 院、 系： 電氣工程及其自動化 姓 名： 指導(dǎo)教師： 系 主 任： 2014年 6 月 8日小電流接地選線系統(tǒng)摘 要我國中低壓配電網(wǎng)中性點廣泛采用小電流接地方式，這種接地方式具有供電可靠性高的優(yōu)點。但發(fā)生單相接地故障后，由于故障電流微弱、電弧不穩(wěn)定等原因，單相接地故障選線和故障定位問題長期以來沒有得到很好地解決，至今許多變電站仍然使用人工拉路方法查找故障線路和自測法尋找故障點。本論文重點研究配電網(wǎng)單相接地故障選線及故障定位問題。通過對配電網(wǎng)單相接地故障暫態(tài)過程的深入分析得知：線路存在串聯(lián)諧振過程和并聯(lián)諧振過程，線路發(fā)生諧振時，故障線路的阻抗時而程容

2、性，時而程感性，其特性受系統(tǒng)出線數(shù)、各線路長度等因素的影響較大，此時故障線路零序電流與所有非故障線路零序電流關(guān)系較為復(fù)雜。通過分析多種選線方法的優(yōu)缺點，本文最終選擇了信號注入法。分析了注入信號法選線定位原理，指出注入信號法實質(zhì)上是人為增加了零序電流。討論了注入信號的探測方法，提出用零序電流互感器探測注入信號的方法。分析了影響注入信號電流在故障線路中流通的因素和注入信號電流的相位特征，指出注入信號電流的相位特征只能作為選線的輔助判據(jù)。關(guān)鍵詞 小電流接地系統(tǒng)；單線接地故障；故障定位；信號注入 The small current grounding line selection systemAbst

3、ractIn our country, widely used in low voltage distribution network neutral small current grounding method, the grounding method has the advantage of high power supply reliability. But after the single-phase earth fault occurs, such as weak fault current and arc stability, single-phase earth fault l

4、ine selection and fault location problem for a long time haven't been solved well, up to now many substation still use manual pull way method to find the fault line and the self-test method to find fault point. This paper focuses on power single-phase earth fault line selection and fault locatio

5、n problem. Through the distribution network of single-phase earth fault transient process of the thorough analysis that series resonance process and parallel resonant circuit, circuit resonance occurs, the impedance of the fault line and sometimes Cheng Rong sex, sometimes perceptual process, its ch

6、aracteristics to qualify for the system, the line length is larger, the influence of such factors as the fault line zero sequence current with all non fault line zero sequence current relationship is more complicated. By analyzing the advantages and disadvantages of a variety of line selection metho

7、d, this paper finally chose the signal injection method. Analyzed the injected signal positioning method of line selection principle, and points out that the signal injection method is essentially artificially increased the zero sequence current. Injected signal detection method is discussed, and pu

8、t forward with the zero sequence current transformer detection signal injection method. Influence injection signal current is analyzed in the flow of factors in the fault line and phase characteristics of the signal current injection, points out that the phase characteristics of the signal current i

9、njection can only as an aid in the criterion of line selection.Keywords The small current grounding system; Single ground fault; Fault location; Signal injection目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 研究目的及意義11.2 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀11.3 本文主要研究內(nèi)容3第2章 小電流接地系統(tǒng)的單相接地故障的電氣特征分析42.1 小電流接地系統(tǒng)42.2 中性點不接地單相接地故障的電氣特征42.3 中性點經(jīng)消弧線圈接地單相接地

10、故障電氣特征72.4 本章小結(jié)9第3章 接地選線技術(shù)綜述103.1 利用穩(wěn)態(tài)信號的接地選線技術(shù)10 零序電流幅值比較法10 零序電流方向法10 諧波法11 零序電流有功分量法11 負序電流法12 注入信號法123.2 利用暫態(tài)信號的接地選線技術(shù)12 幅值與極性比較法13 小波法14 暫態(tài)能量法143.3 本章小結(jié)14第4章 信號注入法154.1 注入信號法的提出154.1.1 “S注入法”的提出15 從中性點注入信號法的提出184.2 注入信號源20 信號源及其功率20 注入信號電流的頻率21 注入信號的探測214.3 本章小結(jié)23結(jié)論24致謝25參考文獻26第1章 緒論1.1 研究目的及意義

11、在配電網(wǎng)系統(tǒng)中，單相接地故障率最高，約占配電網(wǎng)故障的80%以上。我國的配電網(wǎng)多為小電流接地系統(tǒng)，由于在小電流接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時不形成短路回路，只在系統(tǒng)中產(chǎn)生很小的零序電流，三相線電壓依然對稱，不影響系統(tǒng)正常工作，所以我國的電力規(guī)程規(guī)定，小電流接地系統(tǒng)可帶單相接地故障繼續(xù)運行1-2小時1,2。這樣能夠提高供電的持續(xù)性和可靠性，這是小電流接地系統(tǒng)的突出優(yōu)點。但隨著饋線的增多，電容電流也在增大，長時間帶故障運行就易使故障擴大為相間短路或兩點及多點接地故障?；」饨拥剡€會引起全系統(tǒng)過電壓，進而損壞設(shè)備，破壞系統(tǒng)安全運行，所以必須及時找到故障線路予以切除或者找到故障點進行維修。但是由于單相接地故

12、障產(chǎn)生的故障電流很小等諸多原因，單相接地故障選線定位問題一直沒有得到很好的解決。現(xiàn)有的小電流接地保護不能從根本上解決小電流接地的選線問題，這與電力系統(tǒng)提高供電可靠性的要求與呼聲背道而馳。因此，進一步研究小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的診斷方法具有很好的理論和實際意義。1.2 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀1.在美國，由于其電網(wǎng)中性點主要采用電阻接地方式，也利用零序過電流保護瞬時切除故常線路。小電流接地系統(tǒng)中單相接地保護被認為是難以實現(xiàn)的，而且引起的過電壓非常嚴重。因此，他們一般不采用小電流接地系統(tǒng)寧愿在供電網(wǎng)絡(luò)上多投資以保證供電的可靠性。但是近年來，在 EIEE(電子信息與電子工程國際學(xué)術(shù)會議) 的專題報告上也認

13、為應(yīng)當加強小電流接地系統(tǒng)保護的研究。2.法國在使用中性點進電阻接地系統(tǒng) (NRS) 幾十年后，現(xiàn)在正以 NES 取代NRS，同時開發(fā)出高新技術(shù)產(chǎn)品，零序?qū)Ъ{接地保護。另外，挪威一公司則利用測量空間電場和磁場的相位，反映零序電壓和零序電流的相位，研制了掛式接地指示器。3.在前蘇聯(lián)， 二十世紀以來小電流接地系統(tǒng)應(yīng)用較多，主要采用中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式，保護主要采用零序功率方向原理和首半波原理。其選線原理比較簡單，不接地系統(tǒng)主要功率方向繼電器。日本在供電 、鋼鐵、化工用點中普遍采用 NUS 或 NRS ，所以選線原理簡單。采用基波無功方向方法。今年來，在如何獲取零序電流信號以及接地點分區(qū)段

14、方面投入了不少力量，利用光導(dǎo)纖維研制的架空線路和電纜零序 互感器 OZCT 試驗獲得成功。4.三十年代德國首次提出利用零序電流的半波極性來判斷接地線路，相繼有多篇論文發(fā)表，并有幾代產(chǎn)品問世。現(xiàn)在他們又研制出一種攜帶式接地報警裝置。而挪威一家公司則利用空間電場和磁場的相位，反映零序電流和零序電壓的相位，研制出懸掛式接地指示器，分段懸掛在線路和分叉點上。5.90 年代，外國已將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理應(yīng)用于 NUGS 單項接地故障保護，并在有關(guān)文獻提到應(yīng)用專家系統(tǒng)方法。隨著小波分析的出現(xiàn)和發(fā)展，國外有文獻提及利用小波分析良好的時頻局部性，分析故障暫態(tài)電流的高頻分量的方法。6.在我國，6-35KV 配電網(wǎng)常

15、采用小電流接地系統(tǒng)，其中大多數(shù)是中性點不接地系統(tǒng)或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。已經(jīng)提出的選線方法均以零序電壓來啟動保護或選線裝置 ，因此可以根據(jù)是否利用故障電流來把它們分類，第 一類包括:比幅法、比相法 、群體比幅比相法、首半被法、諧波電流方向法 、五次諧波分量法 、有功分量法 、能量法，還有近幾年出現(xiàn)的利用小波分析最大原理、模糊推理或模式識別來實現(xiàn)故障選線的多種方法;第 二類包括 :拉線法、注入信號跟蹤法等。7.隨著選線原理的發(fā)展，各種選線裝置也相繼研制成功。50 年代我國有根據(jù)首半波極性研制成功的基地保護裝置和零序電流五次諧波研制成功的接地選線定位裝置。70 年代后期，上海繼電器廠和許昌繼電器廠等

16、單位研制生產(chǎn)了一批有選擇性的接地信號裝置，如反映中性點不接地系統(tǒng)零序功率方向的ZD-4 型保護和反映消弧線圈接地系統(tǒng)五次諧波零序功率方向的 ZD-5型，ZD-6型 ZD-7 型保護。有些運行部門還采用反映零序電流增大的零序電流保護來選線。80 年代中期 ，我國又研制成功了微機型小電流系統(tǒng)單相接地選線裝置，近幾年來，隨著微機在電力系統(tǒng)應(yīng)用的推廣，相繼出現(xiàn)了一些型接地選線裝置和適合微機實現(xiàn)的選線理論。 其中南京自動化院的利用比較零序電流五次諧波的的大小和方向的小電流接地系統(tǒng)單相接地選線裝置;東北電力學(xué)院研制出通過無線電接收諧波電流，利用比相原理而實現(xiàn)的單相接地選線裝置;山東大學(xué)研制出基于群體比幅比

17、相原理的 ML-1 型以及利用零序電流五次諧波比相原理的 MLA-98 型小電流選線裝置 ;西安交通大學(xué)則提出了利用零序電流的 3、5、7 次諧波分量之和的相對比較法和自適應(yīng)獨立判別法進行選線的原理等等。 九十年代至今 ，又先后推出了基于有功功率法，S 注入法，小波分析法及接地殘留增量法等原理的新型選線裝置，并且分析故障暫態(tài)特征 ，應(yīng)用 DPS 技術(shù)的基于小波理論的選線裝置已經(jīng)產(chǎn)生。8.到目前為止，基于上述不同的選項原理，己經(jīng)先后推出了幾代產(chǎn)品，但在實際應(yīng)用中，效果不十分理想。而小電流接地系統(tǒng)故障測距問題的研究相對較少，真正用于實際的裝置很少見，這同配網(wǎng)自動化水平不相適應(yīng)。因此小電流接地系統(tǒng)故

18、障定位問題還有必要進一步研究。1.3 本文主要研究內(nèi)容本文就上述的難題做了以下工作：1.對單相接地故障的電氣特征作了分析，總結(jié)了中性點不同接地方式的特點，為故障診斷提供理論依據(jù)。2.通過故障后電壓的變化提出判斷故障相的依據(jù)，并總結(jié)了完整的選相過程。3.分析了常用單相接地故障的選線方法的缺點和注入法的優(yōu)點。4.詳細分析了傳統(tǒng)注入法的選線定位原理。第2章 小電流接地系統(tǒng)的單相接地故障的電氣特征分析2.1 小電流接地系統(tǒng)我國的配電網(wǎng)采用小電流接地系統(tǒng)，小電流接地系統(tǒng)即中性點非直接接地系統(tǒng)，它包括中性點不接地系統(tǒng)、經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)(也稱諧振接地系統(tǒng))和。由于歷史原因和具體條件不同，各個國家的電網(wǎng)中性

19、點處理方式不盡相同，甚至在同一國家、同一地區(qū)的同一電壓也有不同接地方式并存現(xiàn)象。在我國3-66kV中低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)一般采用中性點不接地系統(tǒng)或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，所以本文重點分析小電流接地系統(tǒng)中的中性點不接地和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的單相接地故障特征。2.2 中性點不接地單相接地故障的電氣特征為分析方便，假設(shè)A相發(fā)生金屬性接地短路，忽略負荷電流和電容電流在線路上產(chǎn)生的電壓降。如圖2-1所示，各線路上電流方向已標注。圖2-1 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障電氣原理圖由以上原理圖可知系統(tǒng)各參量變化如下：1.電壓系統(tǒng)A相對地電壓為： (2-1)B相對地電壓為： （2-2）C相對地電壓為： （2-3）故障點的

20、零序電壓為： （2-4）2.電流非故障線路的各相電流和三倍零序電流A相的電流為： （2-5）B相的電流為： （2-6）C相的電流為： （2-7）有效值為： （2-8）變壓器T上，首先有它本身的B相和C相的對地電容電流的電源，因此，從A相中要流回故障點的全部電容電流，而在B相和C相流出各線路上同名相的對地電容電流。此時從變壓器出線端所反應(yīng)的零序電流仍然為三相電流之和。由圖2-1可見，各線路的電容電流由于從A相流入后又分別從B相和C相流出了，因此相加后相互抵消，而只剩下變壓器本身的電容電流，故有效值為,即零序電流為變壓器本身的電容電流。 故障線路各相電流和三倍零序電流故障相電流： （2-9）其有效

21、值： （2-10）非故障相電流： （2-11） （2-12）三倍的零序電流： （2-13）其效值： （2-14）功率非故障線路的復(fù)功率為： （2-15） （2-16）同理有故障線路： （2-17）根據(jù)以上分析可得到以下幾點：（1）零序網(wǎng)絡(luò)由同級電壓網(wǎng)絡(luò)中元件對地的等值電容構(gòu)成通路，與中性點直接接地系統(tǒng)有接地的中性點構(gòu)成通路有極大的不同，網(wǎng)絡(luò)的零序阻抗很大。（2）發(fā)生單相接地時，相當于在故障點產(chǎn)生了一個其值與故障相故障前相電壓大小相等，方向相反的零序電流，從而全系統(tǒng)都將出現(xiàn)零序電壓。（3）在非故障元件中流過的零序電流，其數(shù)值等于本身的對地電容電流；電容性無功功率的實際方向由母線流向線路。（4）在

22、故障元件中流過的零序電流，其數(shù)值為全系統(tǒng)非工作元件對地電容電流之總和；電容性無功功率的實際方向為由線路流向母線。2.3 中性點經(jīng)消弧線圈接地單相接地故障電氣特征在中性點不接地的電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時，如圖2-2所示，若接地點流過的全系統(tǒng)對地電容電流，若此電流過大，會使故障擴大。為防止上述情況發(fā)生，常在中性點接入消弧線圈。各級電壓網(wǎng)絡(luò)中，當全系統(tǒng)的電容電流超過下列數(shù)值時應(yīng)裝設(shè)消弧線圈：3-6kV電網(wǎng)為30A，10kV電網(wǎng)為20A，22-66kV電網(wǎng)為。圖2-2 性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障電氣原理圖如圖2-2所示的電網(wǎng)中，電源的三相電動勢相等。為了簡便起見，不計電源內(nèi)部的電壓降和線路上的

23、電壓降，電源每相電動勢的有效值等于電網(wǎng)正常工作時的相電壓，電源兩相電動勢之差等于電網(wǎng)的線電壓，變壓器中性點經(jīng)消弧線圈接地。假設(shè)線路2的A相發(fā)生金屬性接地故障，各線路電壓變化以及非故障線路電容電流的分布與中性點不接地系統(tǒng)的情況相同。由于中性點接地方式不同，此時故障點的接地電流由原來的電容電流變?yōu)橛上【€圈產(chǎn)生的電感電流補償后的殘流，但仍具有零序性質(zhì)。所以線路2的基波零序電流為： （2-19）式中為消弧線圈的補償電流，而此時從接地點流回的總電流為: （2-20）式中為全系統(tǒng)的對地電容電流。由于和相位相差180。，幾將隨消弧線圈的補償程度而變化，因此，故障線路零序電流的大小和方向也隨之改變。根據(jù)對電

24、容電流補償程度的不同，即補償度P的大小(這里P定義為:)，可分為以下三種不同的補償方式:1.全補償全補償時P=0即的補償方式，它雖可使接地點的電流為零，但卻有嚴重的缺點，因為此時剛好有式子成立，這正是工頻串聯(lián)諧振的條件。但是如果三相的對地電容不相等或斷路器三相非同期合閘時，出現(xiàn)的零序電壓在串聯(lián)諧振回路中產(chǎn)生很大的電流，此電流在消弧線圈上會產(chǎn)生很大的壓降，使電源中性點的電壓大大升高，造成設(shè)備的絕緣損壞，因而不宜采用這種補償方式。2.欠補償欠補償就是P<0即的補償方式。采用這種補償方式時，補償后的接地點電流是容性的。它的缺點在于系統(tǒng)運行方式改變時，例如某些線路因檢修或跳閘退出運行時，系統(tǒng)的電

25、容電流會減少，以至有可能成為完全補償而出現(xiàn)危險的諧振過電壓。因此，這種補償方式也很少采用。3.過補償過補償就是P>0即的補償方式。它沒有發(fā)生上述過電壓的危險，因而得到了廣泛的應(yīng)用，一般選擇過補償度值為P=5-10%。采用過補償以后，通過故障線路保護安裝處的電流為補償以后的感性電流，它與零序電壓的相位關(guān)系和非故障線路電容電流與零序電壓的相位關(guān)系相同，數(shù)值大小也和非故障線路的容性電流相差無幾，因此不接地系統(tǒng)中常用的零序電流選線原理和零序功率方向選線原理顯然已不能采用?？偨Y(jié)以上分析中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時的結(jié)果，可以得出如下結(jié)論:(1)故障相的對地電壓為零，非故障相的對地電壓

26、為系統(tǒng)的線電壓。(2)全系統(tǒng)出現(xiàn)零序電壓，其大小為系統(tǒng)正常工作時的相電壓。(3)欠補償時，接地故障處的電流超前零序電壓90o。過補償時，滯后零序電壓90o，小于未補償時的值。(4)非故障線路零序電流超前于零序電壓90o，其大小等于該線路的對地電容電流。故障線路零序電流的大小等于系統(tǒng)所有非故障線路總對地電容電流與消弧線圈的補償電流的和，其相位隨補償度而異，欠補償時滯后于零序電壓90o,過補償時超前零序電壓90o10。(3)故障線路始端的零序功率的有功分量和無功分量均小于零；非故障線路始端的零序功率的有功分量大于零，無功分量小于零。2.4 本章小結(jié)本章主要分別分析了在中性點不接地方式系統(tǒng)中和中性點

27、經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障后的線路中各電氣量的變化。第3章 接地選線技術(shù)綜述3.1 利用穩(wěn)態(tài)信號的接地選線技術(shù)目前，已開發(fā)出的接地選線裝置大多是利用接地故障產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)工頻或諧波信號構(gòu)成，稱為穩(wěn)態(tài)選線法。此外，還有一種注人信號尋跡法，其前提是故障點永久接地，信號比較穩(wěn)定，因此也歸入穩(wěn)態(tài)選線法。下面簡單介紹幾種有代表性的穩(wěn)態(tài)選線方法。3.1.1 零序電流幅值比較法零序電流幅值比較法簡稱幅值法，它利用故障線路零序電流幅值比非故障線路大的特點選擇故障線路。以前的做法是使用電流繼電器，電流繼電器在零序電流超過整定值時動作，指示故障線路,繼電器的整定值要躲過本線路可能出現(xiàn)的最大對地電容電流。現(xiàn)

28、在使用比較多的是群體比幅法，應(yīng)用微機技術(shù)采集并比較接地母線上所有出線零序電流，將幅值最大的線路選為故障線路。由于不需設(shè)定門檻值，群體比幅法提高了檢測可靠性和靈敏度，但在母線故障時會出現(xiàn)誤判斷。幅值法的致命問題是不適用于諧振接地電網(wǎng)。由于該電網(wǎng)中消弧線圈補償電流的存在，往往使故障線路電流幅值小于非故障線路；另外一個影響可靠性的因素是故障點電弧不穩(wěn)定現(xiàn)象，小電流接地故障往往伴隨有間歇性拉弧現(xiàn)象，由于沒有一個穩(wěn)定的接地電流，因此可能造成選線失敗。一些裝置在試驗室模擬試驗，甚至在現(xiàn)場進行人為接地試驗時選線結(jié)果很準確，但實際應(yīng)用效果卻并不好，這是因為模擬試驗時線路異體與地之間是金屬性接觸，與實際運行中的

29、絕緣擊穿現(xiàn)象并不完全相同。3.1.2 零序電流方向法零序電流方向法簡稱方向法或相位法,它利用故障線路零序電流與非故障線路方向相反的特點選擇故障線路。一種實現(xiàn)方法是檢測零序功率方向，如果某線路的零序無功功率方向為正，即零序電壓超前零序電流90o則說明零序電容電流的方向是由線路流向母線，該線路被選為故障線路；另一種方法是群體比相法，選擇3個以上幅值最大的線路零序電流，比較它們之間的相位，相位與其他線路相反的線路被選為故障線路。與幅值法相比，方向法有較高的檢測靈敏度，但仍然存在不適用于諧振接地電網(wǎng)的弱點。因為在過補償或完全補償狀態(tài)下，故障線路零序電流的方向與非故障線路相同；對間歇性接地故障來說，零序

30、電流畸變嚴重，難以計算其相位，方向法比幅值法更容易出現(xiàn)誤判斷。3.1.3 諧波法由于故障點、消弧線圈、變壓器等電氣設(shè)備的非線性影響，故障電流中存在著諧波信號，其中以5次諧波分量為主。由于消弧線圈對5次諧波的補償作用僅相當于工頻時的，可以忽略其影響。因此，故障線路的5次諧波零序電流比非故障線路的都大且方向相反，據(jù)此可以選擇故障線路，稱為5次諧波法。為了進一步提高靈敏度，可將各線路的3、5、7次等諧波分量的平方求和后進行幅值比較，幅值最大的線路選為故障線路。諧波法優(yōu)點是可以克服消弧線圈的影響，但實際應(yīng)用效果并不理想，主要原因是故障電流中的5次諧波含量較小(小于10%)，檢測靈敏度低；多次諧波平方和

31、法雖然能在一定程度上克服單次諧波信號小的缺點，但并不能從根本上解決問題。3.1.4 零序電流有功分量法由于線路存在對地電導(dǎo)以及消弧線圈存在電阻損耗，故障電流中含有有功分量。非故障線路和消弧線圈的有功電流方向相同且都經(jīng)過故障點返回，因此，故障線路有功分量比非故障線路大且方向相反。根據(jù)這一特點，可以選出故障線路。圖3-1 DESIR法原理在設(shè)計具體的選線裝置時，可利用零序電壓與零序電流計算并比較各線路零序有功功率的大小與方向來確定故障線路。為避免零序電壓互感器誤差的影響，法國電力公司(EDF)提出了一種僅利用零序電流的方法，稱為DESIR法，其原理見圖3-1。此外，還提出了一種電導(dǎo)法，利用零序電壓

32、與電流計算各線路電導(dǎo)。對非故障線路來說，計算出的電導(dǎo)等于本身對地泄漏電導(dǎo)；而對故障線路來說計算出的電導(dǎo)極性為負，且幅值遠大于本線路泄漏電導(dǎo)。有功分量法的優(yōu)點是不受消弧線圈的影響，但由于故障電流中有功分量非常小并且受線路幾相參數(shù)不平衡的影響，檢測靈敏度低，可靠性得不到保障。為了提高靈敏度，有的裝置采用在消弧線圈上并聯(lián)接地電阻的做法加大故障電流中有功分量。這樣做帶來的問題是使接地電流增大，加大對故障點絕緣的破壞，很可能導(dǎo)致事故擴大。且對電纜線路來說這一問題更為突出。3.1.5 負序電流法小電流接地故障的負序電流具有與零序電流相同的分布特征，因此也可以通過比較各線路負序電流的大小與方向選擇故障線路。

33、由于負序電源阻抗比較小，故障線路負序電流絕大部分流入了電源回路，使得非故障線路的負序電流比較小，有利于接地選線。但正常運行時線路中也會存在較大的負序電流，并且負序電流的獲取遠小如零序電流來得簡單、準確，所以負序電流法的實際應(yīng)用效果并不會比零序電流法好。3.1.6 注入信號法注入信號尋跡法簡稱注人法，在發(fā)生接地故障后，通過三相電壓互感器(TV)的中性點向接地線路注人特定頻率(225HZ)的電流信號，注人信號會沿著故障線路經(jīng)接地點注入大地，用信號探測器檢測每條線路，有注人信號流過的線路被選為故障線路。該方法的優(yōu)點是不受消弧線圈的影響，不要求裝設(shè)零序電流互感器(TA)，并且用探測器沿故障線路探測還可

34、以確定架空線路故障點的位置。其缺點是需要安裝信號注人設(shè)備。對于諧振接地電網(wǎng)來說，注人法選線正確率遠高于前面介紹的幾種方法，但從實際運行結(jié)果來看，還有相當一部分故障情況下不能正確選線。上主要原因是信號注入能量受三線電壓互感器的限制，不能太高；在接地電阻較大時，健康線路分布電容會對注入信號分流，干擾正確選線。對間歇性接地來說，注人的信號變化不連續(xù)，影響正確選線。3.2 利用暫態(tài)信號的接地選線技術(shù)利用穩(wěn)態(tài)信號的選線方法應(yīng)用效果不理想，在諧振接地電網(wǎng)中選線的成功率很低。根本原因有二個：一是穩(wěn)態(tài)接地電流微弱，故障線路中零序電流僅有幾個安培，遠小于線路正常負荷電流，檢測起來比較困難；二是故障線路的工頻零序

35、電流在幅值及方向上都與非故障線路沒有明顯的差異。由前面的介紹可知，小電流接地故障暫態(tài)電流幅值是穩(wěn)態(tài)對地電容電流的幾倍到十幾倍，數(shù)值在數(shù)十安培到數(shù)百安培之間，并且不受消弧線圈影響。因此，利用暫態(tài)信號進行接地選線可以克服穩(wěn)態(tài)選線法存在靈敏度低，以及受消弧線圈影響的缺點。3.2.1 幅值與極性比較法這二種方法分別是穩(wěn)態(tài)選線法中的幅值法與比相法在暫態(tài)信號上的推廣應(yīng)用，統(tǒng)稱為暫態(tài)電流比較法。幅值比較法選擇暫態(tài)零模電流幅值最大的線路為接地線路。極性比較法選擇3個以上幅值最大的線路暫態(tài)零模電流來比較它們之間的極性關(guān)系，極性與其他線路相反的線路被選為接地線路。暫態(tài)電流比較法具有簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點，但從理論上

36、分析并不是很嚴格，用于實際選線有可能出現(xiàn)誤判斷。應(yīng)用暫態(tài)信號，自然會遇到選擇數(shù)據(jù)時間窗口的問題。如果窗口時間選得過小，信號利用不充分，影響檢測靈敏度及抗干擾能力；反之，窗口選得過長(如大于一個周期)，則信號中穩(wěn)態(tài)分量作用變大，受消弧線圈電流的影響，可能造成選線失敗。另一方面，故障暫態(tài)信號包含從直流到數(shù)千赫茲豐富的頻率分量，其中包含支持上述選線原理的“正確”分量，也有不支持選線原理的“錯誤”分量。因此，需要對暫態(tài)信號的利用方式加以研究。暫態(tài)電流比較法原理來自于圖1(b)所示的零序(模)等效網(wǎng)絡(luò)。在這個電路中，所有的線路都用相應(yīng)的電容來等效。根據(jù)電工理論，零模網(wǎng)絡(luò)中的饋線是一個末端開路的傳輸線，由

37、母線看進去的輸人阻抗隨信號頻率變化，在頻率小于其第一次串聯(lián)諧振頻率時，阻抗角接近-90，線路呈容性，可以用電容來等效；而在頻率大于后的一段頻率范圍內(nèi)，阻抗角接近+線路呈感性，則不能用電容來等效。因此，實際利用的暫態(tài)信號頻率應(yīng)該低于選定的頻率上限，以保證所有線路都可以用電容來等效，否則，如果饋線中一部分呈容性，一部分呈感性，就難以確定零模電流分布規(guī)律，找不出故障線路零模電流區(qū)別于非故障線路的特征來。實際的配電網(wǎng)中，對頻率在2000HZ以下的暫態(tài)信號來說,所有線路都可以用一電容來表示。另外一個要考慮的因素是消弧線圈的影響。消弧線圈電感電流與電容電流相抵消會影響故障線路零模電流的特征。在頻率小于調(diào)諧

38、頻率時，感性電流大于容性電流，導(dǎo)致故障線路零模電流與非故障線路的方向一致，使暫態(tài)電流法失效。詳細的分析表明,在暫態(tài)分量頻率大于2次諧波(100Hz)時即可忽略消弧線圈的影響。綜上所述，在應(yīng)用暫態(tài)電流比較法前，需要對原始暫態(tài)信號進行濾波處理，取出一選定的頻帶(Selected Frequeney Band,SFB)內(nèi)的暫態(tài)信號。在SFB范圍內(nèi)，圖1(b)所示的零模等效網(wǎng)絡(luò)是適用的，故障線路零模電流幅值最大且與非故障線路方向相反，通過比較各線路零模電流的幅值與極性，就能夠可靠地選出接地線路來。這種情況下，使用的數(shù)據(jù)時間窗口可選為任意值，而不用再擔心不“正確”分量的影響。實際應(yīng)用中，SFB上限可選在

39、2000Hz；在諧振接地電網(wǎng)中SFB下線選為100Hz，而對于中性點不接地的電網(wǎng)，SFB下限就是直流分量。3.2.2 小波法小波變換基于原理與大家熟悉的傅里葉變換是類似的。他利用時間有限且頻帶也有限的小波函數(shù)代替穩(wěn)態(tài)函數(shù)作為基函數(shù)對暫態(tài)信號進行分解，可以更好的反映暫態(tài)信號包含的頻率成分隨時間變化的特點。近年來，關(guān)于暫態(tài)信號用于暫態(tài)繼電保護中的研究十分活躍，已提出了一些使用小波變換處理暫態(tài)信號的選線方法，稱為小波法。這此方法的基本思路是利用小波變換提取各線路零模電流在某一尺度(相當于某一頻帶內(nèi))下的模值，通過比較模值的大小與極性可選出接地故障的線路來。小波法選線原理與前面介紹的暫態(tài)電流比較法是一

40、致的，實質(zhì)上它只利用了一個很窄的頻帶內(nèi)的暫態(tài)信號，因此暫態(tài)信號利用不充分。此外，前面介紹過，接地暫態(tài)信號含有不支持暫態(tài)電流比較原理的“錯誤”分量，對于如何解決這問題，已發(fā)表的小波法論文都沒有涉及。總體來看，在檢測靈敏度和可靠性上，小波法沒有特別的優(yōu)勢。3.2.3 暫態(tài)能量法暫態(tài)能量法對故障后各線路零模瞬時功率進行積分，得到零模能量函數(shù)。故障線路的能量函數(shù)幅值最大，極性為負，與非故障線路的相反，據(jù)此可選擇接地線路。暫態(tài)能量法實質(zhì)上是零模有功功率法在暫態(tài)信號上的應(yīng)用。由于暫態(tài)電流中有功分量所占的比例比較小，因此暫態(tài)能量法對暫態(tài)信號利用不充分，檢測靈敏度低。3.3 本章小結(jié)基于穩(wěn)態(tài)量的小電流接地故障

41、選線方法靈敏度低、易受電弧不穩(wěn)定影響，且不適用于消弧線圈接地電網(wǎng)；而利用故障暫態(tài)信號的選線方法卻可以克服這些缺點。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，人們可以很容易地對故障暫態(tài)信號進行高速采集、記錄與分析，因此對暫態(tài)接地選線技術(shù)的研究取得了重大進展。小電流接地電網(wǎng)發(fā)生高阻單相接地故障時，暫態(tài)故障電流幅值也僅有幾個安培，難以保證接地選線的可靠性，需要進一步研究解決。第4章 信號注入法通過電壓互感器的故障相注入信號的選線定位原理自上世紀94年代初被提出以來，已廣泛應(yīng)用于我國配電網(wǎng)中，在原理上比基于單相接地故障參數(shù)特征的選線原理可靠性高，使其在應(yīng)用中取得了較好的選線準確率，而且該原理本身還具有精確的定位能力，是目

42、前我國配電網(wǎng)單相接地故障定位效果最理想的定位原理，同時還具有測距功能，理論上該原理具有較高的選線、定位和測距精度。但是由于注入的信號電流微弱，選線定位保護運行環(huán)境惡劣，不可避免地受各種于擾的影響，再加上配電系統(tǒng)固有的分布電容的影響和配電系統(tǒng)單相接地故障復(fù)雜性的影響，使注入信號電流的檢測精度受到影響，從而影響到選線定位精度。需對注入信號的檢測和影響注入信號的因素進一步研究。4.1 注入信號法的提出4.1.1 “S注入法”的提出圖4-1 注入信號法 選線定位原理示意圖圖4-1 為一典型輻射式配電網(wǎng)系統(tǒng).系統(tǒng)正常運行時，三相對稱，系統(tǒng)中沒有零序分量， A、B、C 三相電壓均為正常相電壓，零序電壓為零

43、， PT 二次側(cè)電壓分別為=V當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，假設(shè)圖4-1 中 N#線路的 C 相發(fā)生單相接地故障，故障相 C 相對地電壓降為零，兩非故障相電壓升高為線電壓，零序電壓升高為相電壓，此時PT二次側(cè)的各相電壓分別為，開口三角上測得的零序電壓為。可見， PT 的 C 相一次繞組被短接， C 相的二次繞組中也無感應(yīng)電壓 ， 使 PT 的故障相在單相接地故障存在期間處于"閑置"狀態(tài)。正是利用這一特點，可以通過 PT 的故障相將信號電流注入到故障一次系統(tǒng)中。根據(jù)上述零序電壓的變化可以判斷出系統(tǒng)發(fā)生了接地故障，根據(jù)各相電壓的變化可以判斷出接地故障相，且接地相PT的一次繞組被短接

44、，二次繞組中沒有感應(yīng)電壓感應(yīng)電壓，因此，在接地相 PT 的二次繞組和地之間加一信號源，該信號源在 PT二次繞組中產(chǎn)生電流信號，如圖 4-1 虛線所示。由于故障相PT一次繞組處于短路狀態(tài)，二次繞組中的信號電流必然會感應(yīng)到一次系統(tǒng)，其流通回路如圖4- 1 中虛線所示，在PT一次側(cè)的中性接地點、沿故障線路故障相，經(jīng)接地故障點和大地返回PT一次側(cè)的中性接地點.這就是 “S 注入法”。如圖4-1所示，注入信號源加在PT二次側(cè)故障相C相上，相當于從CN處相系統(tǒng)加了一不對稱三相電源由對稱分量法可得信號源的序分量 該注入信號源作用下的故障序網(wǎng)如圖4-2所示，圖中各參數(shù)為注入信號源作用下的參數(shù)，、分別為系統(tǒng)正序

45、、負序、零序阻抗；、分別為線路正序、負序、零序阻抗；為消弧線圈電抗；為系統(tǒng)分布電容電抗；為故障過渡電阻。由于系統(tǒng)和線路的正負序阻抗和零序阻抗相比小得多，可忽略不計，這樣，正負序分量、被系統(tǒng)阻抗短接，只有零序分量作用于故障系統(tǒng)?？梢姡⑷胄盘柗▽嵸|(zhì)上是人為增加了故障系統(tǒng)的零序電流，根據(jù)疊加原理，系統(tǒng)正序電源提供的電流不變，但系統(tǒng)中實際流動的電流為兩個電源提供的電流之和。從注入信號源看進去，系統(tǒng)總阻抗與中性點直接接地電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時的總接地阻抗相當。這樣，注入電源的端電壓不需很高就能為故障系統(tǒng)提供較理想的零序電流，供故障檢測用。注入電流的大小根據(jù)檢測該電流所需強度而定。注入信號電流在配電

46、網(wǎng)一次系統(tǒng)的流通回路有如下特點：(1)注入信號電流僅在故障線路中流通；(2)注入信號電流僅在故障線路的故障相中流通；(3)注入信號電流在故障相經(jīng)接地故障點返回到 PT 一次的中性接地點。根據(jù)特點(1)，配電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，注入信號電流僅在接地線路中流通，非接地線路中沒有注入信號電流。這樣，只要檢測出各出線中有無注入信號電流，就可以方便地找出故障線路。這就是基于注入信號電流的單相接地故障選線原理。根據(jù)特點(2)和(3)，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，注入信號電流僅在變電站和故障點之間的一段線路中流通，越過故障點后，注入信號電流將不再存在。在變電站與接地點之間存在分支的情況下，注入信號電流也不會

47、流入無接地故障的分支中。利用這一特點，可以查找出接地分支和接地點的確切位置，這就是基于注入信號電流的單相接地故障定位原理。通過測量注入信號電流在系統(tǒng)母線處產(chǎn)生的零序電壓和故障出線中的注入信號電流，可以計算出變電站和接地故障點之間在注入信號源作用下的阻擾，從而可以計算出故障距離。這就是基于注入信號電流的單相接地故障測距原理。圖4-2 注入信號源作用下的故障序網(wǎng)利用單相接地時暫時處于"閑置"狀態(tài)的 PT 故障相注入信號的方法，有以下優(yōu)點：1.不需要增加任何一次設(shè)備；2.均不會對系統(tǒng)運行設(shè)備產(chǎn)生任何不良的影響；3.注入信號僅僅流向接地線路接地相，注入效率高；4.信號發(fā)生設(shè)備與一次

48、強電系統(tǒng)之間通過 PT 電磁藕合，沒有直接電的聯(lián)系，不用考慮絕緣問題，使控制和信號發(fā)生設(shè)備都比較簡單；5.裝置的接線十分方便；6.注入信號電流的強度基本不受接地點過渡電阻的影響。4.1.2 從中性點注入信號法的提出如圖4-3 (a) 以中性點不接地配電系統(tǒng)為例進行分析。假設(shè) A 相經(jīng)過渡電阻 接地，序網(wǎng)如圖4-3 (b)。 因中性點不接地，系統(tǒng)較小的分布電容為故障系統(tǒng)提供電流回路，零序阻抗很大，所以故障電流很小，這是中性點不接地系統(tǒng)突出的優(yōu)點，但很小的故障電流不利于故障的檢測，當過渡電阻 較大時，零序電流更小。為了檢測故障，在不影響系統(tǒng)故障電流較小這一優(yōu)點的前提下，人為增加零序電流，在圖4-3

49、 (b) 中j 、k 兩端加一理想電流源。根據(jù)疊加原理，系統(tǒng)正序電源提供的電流不變，但系統(tǒng)中實際流動的電流為兩個電源提供的電流之和。為便于探測， 外加的零序電流的頻率應(yīng)與電力系統(tǒng)的固有頻率完全不同。圖4-3 a)中性點不接地簡單系統(tǒng)圖4-3 (c) 為注入信號源作用下的序網(wǎng)圖。從注入信號源看進去，系統(tǒng)總阻抗與中性點直接接地電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時的總接地阻抗相當。這樣，注入電源的端電壓不需很高就能為故障系統(tǒng)提供較理想的零序電流，供故障檢測用。 注入電流的大小根據(jù)檢測該電流所需強度而定。應(yīng)用對稱分量法，把各序電流轉(zhuǎn)換成相電流，即可得到系統(tǒng)中各相電流。系統(tǒng)中各點三相電流的向量和構(gòu)成剩余電流。對于

50、故障線路或故障分支，注入電流在外加電源和故障點之間有流通回路，剩余電流等于注入的信號電流；對于非故障線路，注入電流只能通過分布電容流通，所以剩余電流為零。因此，根據(jù)各條出線剩余電流的大小即可選出故障線路。在故障出線的首端測量外加電源的電壓和電流，可計算出測量點和故障點之間的回路阻抗，繼而可求出故障距離。圖4-3 b)F點單相接地故障序網(wǎng)圖圖4-3 C）注入信號作用下序網(wǎng)圖a) b) c) 圖4-4 從中性點處注入信號的幾種方式從中性點處將信號注入故障系統(tǒng)，可有以下幾種方式將注入信號藕合到故障一次系統(tǒng)：(a) 從開口三角處；(b)從消弧線圈處；(c) 從 Z 形變壓器中性點處；如圖 4-4 所示

51、。此種方式要求信號源的阻抗應(yīng)足夠大，以減小注入信號源對電力系統(tǒng)的影響和信號的注入效率。由于接地故障時，中性點電壓升高到相電壓或更高，配電系統(tǒng)對信號源的絕緣要求較高，不宜采用這種方式。4.2 注入信號源不管哪種方式將注入信號耦合到故障一次系統(tǒng)，利用注入信號進行故障檢測和定位，都不應(yīng)影響配電系統(tǒng)的正常運行，也不能影晌信號耦合設(shè)備的正常運行。因此，注入信號源應(yīng)滿足一些特殊要求，它只能向系統(tǒng)提供幅值較小的注入信號。為便于檢測，信號源的頻率必須與電力系統(tǒng)的固有頻率完全不同。由于信號耦合設(shè)備容量的限制，加之信號功率源本身受技術(shù)、經(jīng)濟性的制約而不可能做的很大，注入信號源的強度以便于檢測而定，選擇注入信號電流

52、效率高的信號源。4.2.1 信號源及其功率注入信號源及其功率容量的選擇應(yīng)以精確性、可靠性、方便性、經(jīng)濟性為目標。在信號功率源注入及調(diào)節(jié)方便、功耗小的原則下來選定信號源。以線路發(fā)生最不理想故障(高阻接地及衰減度最大)的情況下，保證線路探測節(jié)點能夠可靠檢測出信號電流為原則來確定注入信號源的功率。注入信號源可選用信號恒流源和信號恒壓源。在保證線路上電流一致的情況下，使用恒流源注入時其輸出功率小于采用恒壓源方式，這樣功率便于調(diào)節(jié)，裝置也易于實現(xiàn)，且從經(jīng)濟上(功耗及制造成本)考慮，使用恒流源較為優(yōu)越。4.2.2 注入信號電流的頻率電力系統(tǒng)運行中，諧波的存在是不可避免的，而且強度也可能比注入信號高的多，為

53、避免電力線中諧波電流產(chǎn)生磁場的干擾，注入信號的頻率的選擇必須有利于躲過工頻及其各次諧波的干擾，從檢測注入信號的角度考慮，與工頻之比盡可能大，這樣受基波影響較小，注入信號易于檢測；為減小系統(tǒng)分布電容的影響，注入信號的頻率亦不能太高。根據(jù)上述原則，信號源的頻率必須與電力系統(tǒng)的固有頻率完全不同，上面介紹的兩種注入信號加入到故障系統(tǒng)的方式采用了不同的信號頻率。從PT故障相注入信號的方式，將信號源頻率取在工頻n次諧波與n+1次諧波之間(n為正整數(shù))，稱為第一種信號源。理論上，n可取任意值，實際上，若n取值較小，信號源頻率與工頻相近，不利于從較強的工頻故障電流中提取較弱的診斷信號電流。若n取值較大，一方面

54、，系統(tǒng)分布電容容抗，由于信號頻率高而變小，分布電容對信號電流的分流增大，故障線路上流動的信號電流就變小，不利于信號電流的檢測。另一方面，線路感抗由于信號頻率高而增大，不能再忽略不計，也使故障線路上流動的信號電流變小，增加了注入信號的檢測難度。從中性點注入信號的方式，將信號源頻率取為工頻1-50倍，稱為第二種信號源。由于多數(shù)非線性電力負荷產(chǎn)生奇次諧波電流，這些奇次諧波電流也在故障線路中流動，為便于提取注入電流，所以信號源頻率取工頻偶次諧波。信號源可近似看作一理想電流源，也就相當于開路；從信號源角度看，故障回路呈低阻抗回路如圖6-3(c)；即信號源向一低阻回路提供電流，該電流從變電站沿故障線路到故

55、障點經(jīng)大地返回。可見，較低電壓的信號源就能向故障系統(tǒng)提供較大的零序電流，如對于低壓400V系統(tǒng)，不到50V的信號源電壓就能向系統(tǒng)提1-5A的零序電流，分布電容的影響可忽略。這種方式當不能忽略分布電容的影響時，由于信號源頻率較高，分布電容的分流將使故障線路上的診斷信號電流較小，有可能小到無法探測。所以該種信號源6-35kV的中壓配電系統(tǒng)中不適用。4.2.3 注入信號的探測注入信號電流與故障電流相比小得多，同時故障線路中仍有負荷電流流通，注入信號電流與負荷電流相比也小得多。單相接地故障電流和負荷電流均由工頻及其各次諧波構(gòu)成。為此，必須采取適當?shù)拇胧┨綔y該信號，并使探測器對注入信號的頻率有非常高的靈敏度。注入信號可通過零序電流互感器測量，也可通過測量注入信號產(chǎn)生的磁場而得到。1.磁場探測法根據(jù)電磁感應(yīng)原理，導(dǎo)體中通過電流時，會在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場。因此，通過測量配電線路周圍的磁場可以檢測到注入信號。配電線路周圍的磁場比較復(fù)雜，有工頻電流產(chǎn)生的磁場，有注入信號電流產(chǎn)生的磁場，也有電臺等產(chǎn)生的高頻磁場。對工頻電流和注入信號電流來說，線路周圍的磁場是三相各自磁場的合成， 而不是真正獨立的零