畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)零序電流接地選線原理與方法研究

1、摘 要我國配網(wǎng)普遍采用小電流接地方式，其中，配網(wǎng)單相接地故障占配網(wǎng)故障的80%左右。由于單相接地故障的復(fù)雜性，在相當(dāng)多的電弧接地情況下，穩(wěn)態(tài)分量很小而暫態(tài)分量成分很高，因此，可以利用零序電流中暫態(tài)分量的豐富信息來判斷故障饋線。本論文首先分析了小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地的情況，指出了單相接地故障的選線難點(diǎn)，進(jìn)而綜述了當(dāng)前的研究現(xiàn)狀。之后本文深入分析了小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障穩(wěn)態(tài)過程和暫態(tài)過程，為選線方法尋找理論依據(jù)。然后，通過小電流接地模擬電網(wǎng)在不同條件下發(fā)生單相接地故障時(shí)的實(shí)錄波形分析與處理，得到了小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)暫態(tài)特征。結(jié)合單相接地故障時(shí)的暫態(tài)特征，本文研究了現(xiàn)有的選

2、線方法，利用實(shí)錄波形和仿真波形對(duì)選線判據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，比較分析了各種選線算法的優(yōu)缺點(diǎn)。鑒于模擬電網(wǎng)的局限性，本論文采用matlab7.1/simulink6.3軟件平臺(tái)搭建具有10kv五出線的仿真電網(wǎng)進(jìn)行大量的單相接地故障仿真實(shí)驗(yàn)。為消除工頻分量的影響，本文對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行基于單零點(diǎn)非遞歸算法的陷波處理，提取出暫態(tài)高頻信號(hào)。最后，本論文提出基于零序暫態(tài)電流首半波比值的選線判據(jù)，并對(duì)該方法進(jìn)行大量不同條件下仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證該判據(jù)的正確性。關(guān)鍵詞：小電流接地選線；單相接地故障；零序電流；暫態(tài)分量；simulinkabstractin china，the indirectly earthed powe

3、r system are commonly used in distribution network. and single-phase earth fault accounted for about 80% of all the failures in distribution network. due to the complexity of single-phase earth faults and the arc to ground when faults occurs in indirectly earthed distribution system, for most cases

4、the steady state component of fault current is small or approximates to zero and the transient component is high. therefore, zero-sequence transient current can be used for fault feeder detection. first of all, this paper analyzes the occurrence of single-phase earth fault, pointing out the difficul

5、ties for fault feeder selection, and then an overview of current research. in order to search for the theory foundation of line selection, the author analyzes steady-state and transient process in-depth. after analyzing a lot of experimental data from the simulation of 6kv power network, the author

6、obtains the features of zero-sequence transient currents in faulty feeder arcing fault and healthy feeders while arcing fault occurs. on this basis, this paper study the principle of many existed methods of single-phase grounded feeder detection, and use recording waveform and simulation waveforms t

7、o verify their line section criteria, then a comparative analysis of their algorithm for feeder detection. due to the limitation the simulation of 6kv power network, this paper use matlab7.1/simulink6.3 software platform to build a round of five 10kv feeder for the simulation of a large number of si

8、ngle-phase to ground fault. in order to eliminate the impacts of 50hz current, the author use notch processed data to extraction the transient high-frequency signals. finally, the author introduce a new method of single-phase grounded feeder detection in indirectly earthed power system based on the

9、ratio of the first half-wave of zero-sequence transient current, and a large number of simulation experiments under different conditions to further verify the validity of the method.key words: indirectly earthed power system; single-phase earth fault; zero-sequence transient current; simulink目 錄1 緒論

10、11.1小電流接地系統(tǒng)單相接地故障研究現(xiàn)狀11.2 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線難點(diǎn)21.3 本論文研究的目的和主要內(nèi)容32 小電流接地選線理論基礎(chǔ)42.1 小電流接地方式介紹42.2各種接地方式單相接地故障分析62.2.1中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)單相接地故障的特點(diǎn)62.2.2中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)單相接地故障的特點(diǎn)82.3小電流接地暫態(tài)過程的基本特征102.3.1暫態(tài)電容電流102.3.2暫態(tài)電感電流132.3.3暫態(tài)接地電流143 小電流接地電網(wǎng)電弧接地故障模擬實(shí)驗(yàn)154 基于暫態(tài)零序電流信號(hào)特征分量的選線方法研究254.1暫態(tài)零序電流幅值比較法254.1.1選線原理254.1.2仿真驗(yàn)證26

11、4.2暫態(tài)零序電流極性比較法284.2.1選線原理284.2.2故障實(shí)例驗(yàn)證284.3 基于相關(guān)分析的選線方法304.3.1互相關(guān)系數(shù)304.3.2故障選線原理304.3.3仿真驗(yàn)證314.4 選線方法對(duì)比345 選線新方法原理與仿真355.1基于暫態(tài)零序電流首半波比值選線方法355.2 matlab仿真及實(shí)現(xiàn)365.2.1 線路參數(shù)設(shè)置375.2.2變壓器及負(fù)荷參數(shù)設(shè)置375.2.3算法選取與仿真參數(shù)設(shè)置385.2.4仿真結(jié)果385.2.5仿真結(jié)果分析456 結(jié)論46致 謝48參考文獻(xiàn)：49附錄：51翻譯部分53中文譯文53英文原文681 緒論我國電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式有兩種，即中性點(diǎn)直接接

12、地方式和中性點(diǎn)非直接接地方式。110kv及以上電網(wǎng)采用中性點(diǎn)直接接地方式，在這種系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地時(shí)，短路電流很大，故稱大電流接地系統(tǒng)。電壓等級(jí)在110kv以下、6kv以上的中低壓配電網(wǎng)絡(luò)中，其中性點(diǎn)接地方式主要為非直接接地方式，即不接地或者經(jīng)過消弧線圈接地，這樣的系統(tǒng)一般稱為小電流接地系統(tǒng)1。小電流接地系統(tǒng)直接面向用戶。根據(jù)電力運(yùn)行部門統(tǒng)計(jì)，其發(fā)生單相接地故障的幾率最高，可占總故障的80%左右，這時(shí)供電仍能保證線電壓的對(duì)稱性，且故障電流較小，不影響對(duì)負(fù)荷連續(xù)供電，故不必立即跳閘，規(guī)程規(guī)定可以連續(xù)運(yùn)行12h。尤其在瞬時(shí)故障下，短路點(diǎn)可以自行滅弧，恢復(fù)絕緣，不需要運(yùn)行人員采取什么措施，這對(duì)于減

13、少用戶短時(shí)停電次數(shù)具有積極意義2。但是，隨著配電網(wǎng)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)中電纜線路的比例上升，纜線混合線路越來越多，系統(tǒng)線路也增多，系統(tǒng)單相接地故障電流增大，長時(shí)間運(yùn)行就容易使故障擴(kuò)大成兩點(diǎn)或者多點(diǎn)接地短路，弧光接地還會(huì)引起全系統(tǒng)過電壓，進(jìn)而損壞設(shè)備，破壞系統(tǒng)安全運(yùn)行，所以運(yùn)行人員必須及時(shí)查明故障線路，以便采取相應(yīng)對(duì)策解除故障，恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。配電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)，一般只要求繼電保護(hù)能選出發(fā)生接地的線路并及時(shí)發(fā)出信號(hào)，而不必理解跳閘，但當(dāng)單相接地對(duì)人身和設(shè)備的安全造成危險(xiǎn)時(shí)，則應(yīng)動(dòng)作于跳閘。這就提出了配電網(wǎng)的單相接地故障選線問題。1.1小電流接地系統(tǒng)單相接地故障研究現(xiàn)狀 對(duì)于故障選線的研究，在前蘇

14、聯(lián)，小接地電流系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，并對(duì)其保護(hù)原理和裝置給予了很大重視，研制了幾代裝置，在供電和煤炭行業(yè)得到了應(yīng)用，保護(hù)原理從過電流、無功方向發(fā)展到了群體比幅。裝置由電磁式繼電器，晶體管發(fā)展到了模擬集成電路和數(shù)字電路，而微機(jī)構(gòu)成的裝置較少。日本在供電、鋼鐵、化工用電中普遍采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，選線原理簡單，采用基波無功方向法。近年來，在如何獲取零序電流信號(hào)以及接地點(diǎn)分區(qū)段方面投入不少力量，采用光纖研制的架空線和電纜零序互感器試驗(yàn)成功。德國多使用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，并于20世紀(jì)30年代就提出了反映故障開始暫態(tài)過程的單相接地保護(hù)原理，研制了便攜式接地報(bào)警裝置。法國使用中性點(diǎn)經(jīng)電阻接

15、地系統(tǒng)幾十年后，現(xiàn)在正以中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)取代中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，同時(shí)開發(fā)了高新技術(shù)產(chǎn)品：零序?qū)Ъ{接地保護(hù)。20世紀(jì)九十年代初，國外已將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理應(yīng)用于單相接地保護(hù)，并有文獻(xiàn)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，國內(nèi)外均有文獻(xiàn)提及，利用小波分析良好的時(shí)頻局部性，分析故障暫態(tài)電流的高頻分量的方法。我國從1958年起，就一直對(duì)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的選線問題進(jìn)行研究，提出了多種選線方法，并開發(fā)了相應(yīng)的裝置。20世紀(jì)50年代我國有根據(jù)首半波極性研制成功的接地保護(hù)裝置和利用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單位研制生產(chǎn)了一

16、批有選擇性的接地信號(hào)裝置，如反映中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)零序功率方向保護(hù)zd-4型保護(hù)，反映經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)5次諧波零序功率方向的zd-5、zd-6型保護(hù)。有些運(yùn)行部門還采用反映零序電流增大的零序電流保護(hù)來選線。近幾年來，隨著微機(jī)在電力系統(tǒng)中的推廣，相繼又出現(xiàn)了一些微機(jī)型接地選線裝置和適合微機(jī)實(shí)現(xiàn)的選線理論。其中有南自研究院研制的微機(jī)小電流接地系統(tǒng)單相接地選線裝置，其主要原理是比較線路零序電流5次諧波的大小和方向；華北電力大學(xué)利用零序電流的5次諧波比相原理研制的ml98型小電流接地系統(tǒng)單相接地微機(jī)選線裝置2。到目前為止，基于不同選線理論已經(jīng)先后推出了幾代產(chǎn)品。但在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)采用

17、比幅、比相原理選線可以達(dá)到很高的準(zhǔn)確率。但對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，基于穩(wěn)態(tài)特征分量的選線效果就不很理想，所以此問題有必要進(jìn)一步研究。1.2 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線難點(diǎn)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障選線問題之所以難以解決，主要原因有以下幾點(diǎn)：（1）故障邊界太復(fù)雜、隨機(jī)，難以用單一統(tǒng)計(jì)模型描述。（2）故障穩(wěn)態(tài)分量小，給信號(hào)的檢測(cè)和選線判斷造成困難。特別是經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，流過故障線路的電流十分微弱，甚至比健全線路感受到的電流變化還小。故障信號(hào)疊加在負(fù)荷電流上，穩(wěn)態(tài)幅值小，現(xiàn)有的電流互感器很難準(zhǔn)確檢出，而且環(huán)境電磁干擾相對(duì)較大，加上零序回路對(duì)高次諧波及各種暫態(tài)量的放大作用，使得

18、檢出的故障穩(wěn)態(tài)分量信噪比非常低2。（3）影響小電流將接地系統(tǒng)故障選線準(zhǔn)確性和可靠性的因素很多。補(bǔ)償電網(wǎng)失諧度的影響。對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，失諧度表示電流諧振等效回路的不同工作狀態(tài)和偏離諧振的程度。當(dāng)電流諧振回路恰好在諧振工作點(diǎn)時(shí)，即全補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，殘流中僅含有有功分量，此殘流幅值最小，且與零序性質(zhì)的中性點(diǎn)位移電壓同相位。欠補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，殘流中不僅含有有功分量，同時(shí)含有容性無功電流分量，其幅值明顯大于全補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)的幅值，殘流的相位領(lǐng)先于零序性質(zhì)的中性點(diǎn)位移電壓。當(dāng)電流諧振回路工作于過補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，殘流中含有有功分量和感性無功分量，殘流相位滯后于中性點(diǎn)位移電壓。線路長短及結(jié)構(gòu)的影響。故障合閘角的

19、影響。小電流接地系統(tǒng)單相接地故障一般發(fā)生在相電壓峰值附近，可以產(chǎn)生明顯的暫態(tài)電流，但是單相接地故障也可能發(fā)生在相電壓過零附近，此時(shí)故障零序電流中高頻暫態(tài)量小，感性衰減直流分量很大。電流互感器和電壓互感器的影響。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中存在瞬時(shí)功率倒相問題。由于系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變，消弧線圈突然進(jìn)入全補(bǔ)償狀態(tài)而可能發(fā)生的“虛幻接地現(xiàn)象”會(huì)對(duì)準(zhǔn)確選線造成困難。1.3 本論文研究的目的和主要內(nèi)容本文探討的對(duì)象是小電流接地系統(tǒng)，即中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)。主要討論的是在小電流接地系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，如何正確的進(jìn)行故障線路的選擇。小電流接地系統(tǒng)饋線發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于系統(tǒng)對(duì)地電容與故障點(diǎn)之間的

20、充放電，將產(chǎn)生振幅比穩(wěn)態(tài)基頻大許多的高頻暫態(tài)分量，而且，按照基頻計(jì)算的消弧線圈，對(duì)于高頻分量，其對(duì)地阻抗將成倍地增加，從而對(duì)故障后暫態(tài)高頻電流分量的影響較小，因此在故障的前幾個(gè)周波，消弧線圈產(chǎn)生的電感電流的高頻分量的頻率與電容電流高頻分量的頻率不一致。若能提取暫態(tài)信號(hào)中的特征分量，則不僅有望顯著提高選線精度，而且可以忽略消弧線圈對(duì)選線的影響。所以，本文采用故障暫態(tài)分量，利用數(shù)字陷波處理的方法提取暫態(tài)特征，進(jìn)行故障選線。研究的主要內(nèi)容有：首先分析了小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障穩(wěn)態(tài)過程和暫態(tài)過程，為選線方法尋找理論依據(jù)。然后，通過小電流接地模擬電網(wǎng)在不同條件下發(fā)生單相接地故障時(shí)的實(shí)錄波形分析與處

21、理，得到了小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)暫態(tài)特征。結(jié)合暫態(tài)接地故障時(shí)的暫態(tài)特征，研究現(xiàn)有的選線方法，對(duì)它們的原理做了分析，對(duì)選線判據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)也對(duì)各種選線算法的優(yōu)缺點(diǎn)有了深刻的理解，為尋找選線判據(jù)打下基礎(chǔ)。本文僅對(duì)得到的實(shí)驗(yàn)波形做了單零點(diǎn)非遞歸算法的陷波處理，提取暫態(tài)特征信號(hào)。最后，給出本文的選線判據(jù)。由于模擬電網(wǎng)實(shí)錄波形的局限性，本文采用matlab7.1/simulink6.3軟件平臺(tái)搭建具有10kv五出線的模擬電網(wǎng)，進(jìn)行此方法的驗(yàn)證。2 小電流接地選線理論基礎(chǔ)2.1 小電流接地方式介紹電力系統(tǒng)中性點(diǎn)是指電力系統(tǒng)中星形連接的發(fā)電機(jī)和變壓器的中性點(diǎn)。電力系統(tǒng)中性點(diǎn)的運(yùn)行方式涉及到很多

22、因素，如絕緣水平、供電可靠性、接地保護(hù)方式、電壓等級(jí)、內(nèi)部過電壓、通信干擾、系統(tǒng)接線方式等。變壓器y線圈的中性點(diǎn)，目前有三種處理方式，一是不接地，1035kv系統(tǒng)多屬這類情況。二是經(jīng)過一個(gè)線性電抗線圈，即消弧線圈接地，1063kv多屬這類情況。三是直接接地，110kv及以上電壓系統(tǒng)和380/220v三相四線低壓系統(tǒng)都屬這類情況。此外，目前有些大城市的10kv及20kv系統(tǒng)的中性點(diǎn)也有采用經(jīng)小電阻接地的1。中性點(diǎn)直接接地與經(jīng)小阻抗接地屬于有效接地系統(tǒng)或大電流接地系統(tǒng)，中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)高阻抗接地屬于非有效接地系統(tǒng)或者小接地電流系統(tǒng)。各種接地方式優(yōu)缺點(diǎn)如下表所示：表2.1 不同

23、接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較3接地方式中性點(diǎn)絕緣諧振接地純電阻接地接地故障電流電容接地故障電流被中和抵消減低了，但大于電容接地故障電流過電壓工頻接地故障（健全相）全線電壓，或者稍高全線電壓全線電壓，有時(shí)更大相序顛倒的接地故障可能不大可能不大可能暫態(tài)弧光接地可能避免避免操作過電壓最高可控制最低大氣過電壓直接沒有實(shí)際的差別間接產(chǎn)生中性點(diǎn)振蕩中性點(diǎn)振蕩受到限制暫態(tài)接地故障電弧性電弧受到限制轉(zhuǎn)化為受控制的故障電流發(fā)生單相接地時(shí)對(duì)設(shè)備的損害可觀避免減輕斷路器負(fù)載需要經(jīng)常操作和維護(hù)不時(shí)常操作，兩相接地故障時(shí)恢復(fù)電壓增大經(jīng)常操作，單相接地故障時(shí)負(fù)載減輕接地故障繼電保護(hù)不可靠可以做到合用，常限在動(dòng)作于指示簡單及合用避

24、雷器負(fù)載及性能在正常平衡情況負(fù)載在額定值之下工頻序流受抑制負(fù)載在額定值之下接地故障間隙上的電壓，以百分比表示100-105%100%100-105%保護(hù)性能正常變壓器采用分段絕緣的可能性如果中性點(diǎn)對(duì)沖擊波有保護(hù)措施，到相當(dāng)程度到相當(dāng)程度開關(guān)的絕緣100%避雷器的基準(zhǔn)絕緣水平停電引起的負(fù)作用百分比大不正常停電百分比大單相接地故障時(shí)的系統(tǒng)穩(wěn)定性不可靠良好通常有改善供電可靠性不能保證良好沒有特殊措施，不能保證對(duì)系統(tǒng)布置的影響最好有雙電源單電源已足宜用雙電源采用其它接點(diǎn)方式系統(tǒng)的連接要喪失原有特性不可能，除非經(jīng)隔離變壓器連接后的系統(tǒng)應(yīng)重新歸類，可能影響繼電保護(hù)操作過程簡單要監(jiān)視調(diào)諧情況，有時(shí)候要調(diào)整接

25、頭簡單對(duì)電話的干擾問題不大問題不大要引起注意對(duì)無線電的干擾當(dāng)持續(xù)故障時(shí)，可能值得注意要注意接近故障點(diǎn)時(shí)對(duì)生命的危險(xiǎn)常拖延時(shí)間可忽略減輕接地裝置的可靠性良好相當(dāng)好費(fèi)用中等，如果忽略去雙電源就低中等2.2各種接地方式單相接地故障分析2.2.1中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)單相接地故障的特點(diǎn)4,6圖2-1（a）簡單網(wǎng)絡(luò)接線圖圖2-1（b）a相接地時(shí)的相量圖如圖示，正常運(yùn)行情況下，三相對(duì)地有相同的電容，在相電壓作用下，每一相都有超前于相電壓的電容電流流入地中，而三相電容電流之和等于零。假設(shè)a相發(fā)生了單相接地故障，則各相對(duì)地電壓為 (2.1) (2.2)； (2.3)故障點(diǎn)d的零序電壓為 (2.4)在非故障相中流向故

26、障點(diǎn)的電容電流為 ； (2.5) ； (2.6)其有效值為，式中為相電壓的有效值。此時(shí)，從接地點(diǎn)流回的電流，其有效值為，即正常運(yùn)行時(shí)，三相對(duì)地電容電流的算術(shù)和。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有發(fā)電機(jī)（f）和多條線路存在時(shí)，每臺(tái)發(fā)電機(jī)和每條線路，每臺(tái)發(fā)電機(jī)和每條線路對(duì)地均有電容存在，設(shè)以，等集中電容來表示，當(dāng)線路ii a相接地后，如果忽略負(fù)荷電流和電容電流在線路阻抗上的電壓降，則全系統(tǒng)a相對(duì)地的電壓等于零，因而各元件a相對(duì)地的電容電流也等于零，同時(shí)b相和c相得對(duì)地電壓和電容電流也都升高倍，仍可用式(2.1)至式(2.6)表示。下圖為這種情況下的電流分布：圖2-2單相接地時(shí)，用三相系統(tǒng)表示的電容電流圖圖2-3單相接地故

27、障零序等效網(wǎng)絡(luò)對(duì)于中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中的單相接地故障，通過上述分析可以得出結(jié)論：（1）在發(fā)生單相接地時(shí)，全系統(tǒng)都將出現(xiàn)零序電壓。（2）在非故障元件上有零序電流，其數(shù)值等于本身的對(duì)地電容電流，電容性無功功率的實(shí)際方向?yàn)槟妇€流向線路。（3）在非故障線路上，零序電流為全系統(tǒng)非故障元件對(duì)地電容電流之總和，數(shù)值一般較大，電容性無功功率的實(shí)際方向?yàn)榫€路流向母線5。2.2.2中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)單相接地故障的特點(diǎn)據(jù)上述分析，當(dāng)中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中發(fā)生單相接地時(shí)，在中性點(diǎn)要流過全系統(tǒng)的對(duì)地電容電流，如果此電流過大，就會(huì)在接地點(diǎn)燃起電弧，引起弧光過電壓，從而使非故障相的對(duì)地電壓進(jìn)一步升高，因此，使絕緣破壞，形成

28、兩點(diǎn)或者多點(diǎn)的接地短路，造成停電事故。為解決此問題，通常在中性點(diǎn)接入消弧線圈。在各級(jí)電壓網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)全系統(tǒng)的電容電流超過下列數(shù)值時(shí)，且要求帶故障持續(xù)運(yùn)行，即應(yīng)裝設(shè)消弧線圈： 36kv電網(wǎng)-30a；10kv電網(wǎng)-20a ；35kv電網(wǎng)-10a。下圖所示為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)發(fā)生 a相接地故障示意圖。中性點(diǎn)位移電壓變?yōu)楣收宵c(diǎn)零序電壓，中性點(diǎn)接入消弧線圈后，忽略線圈電阻，在中性點(diǎn)電壓作用下的電感電流為,其中l(wèi)表示消弧線圈電感。圖2-4 消弧線圈接地電網(wǎng)中單相接地時(shí)電流分布如上圖示，當(dāng)線路ii上a相接地以后，電容電流的大小和分布與不接消弧線圈時(shí)是一樣的，不同之處是在接地點(diǎn)又增加了一個(gè)電感分量的電流，

29、因此，接地點(diǎn)電流為 (2.7)與相位相反，因此，故障點(diǎn)的電流將因消弧線圈的引入而減少，由此得到零序等效網(wǎng)絡(luò)如下圖所示：圖2-5消弧線圈接地電網(wǎng)中單相接地故障的零序等效網(wǎng)絡(luò) 由圖2-5可以看出，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，其單相接地故障時(shí)零序電流特征與中性點(diǎn)不接地不相同，零序電流的大小和方向隨著補(bǔ)償方式的不同而變化，其單相接地故障特征如下:（1）當(dāng)采用完全補(bǔ)償方式時(shí)=，即時(shí)，電容性無功功率的方向都是母線流向線路，因此，這種情況下利用穩(wěn)態(tài)零序電流無法判斷出故障線路。（2）當(dāng)采用過補(bǔ)償方式時(shí)，即，流經(jīng)故障線路的零序電流將大于本身的電容電流，而電容性無功功率的方向仍然是母線流向線路，和非故障線路的方向一樣

30、，因此難以利用穩(wěn)態(tài)零序電流判斷出故障線路5。2.3小電流接地暫態(tài)過程的基本特征2.3.1暫態(tài)電容電流經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)單相暫態(tài)電流的分布如下圖所示圖2-6 單相接地暫態(tài)電流的分布電弧性接地是由于介質(zhì)承受不了兩端電壓而被擊穿所引起，經(jīng)常發(fā)生在相電壓接近于最大值的瞬間，暫態(tài)電容電流可看成兩部分電流之和：（1）由于故障相電壓突然而引起的放電電容電流，它通過母線而流向故障點(diǎn)，放電電流衰減很快，振蕩頻率高達(dá)數(shù)幾十khz到幾百khz，振蕩頻率主要決定于電網(wǎng)中線路的參數(shù)（r和l的數(shù)值）， 故障點(diǎn)的位置，以及過渡電阻的數(shù)值。由于放電電容電流振蕩頻率高，衰減速度快，而對(duì)選線作用不大。（2）由于非故障相電壓突然升

31、高而引起的充電電容電流，它通過變壓器線圈而構(gòu)成回路4。由于整個(gè)流通回路的電感較大，充電電流衰減較慢，振蕩頻率較低（一般0.3khz3khz），利于測(cè)量，可作為選線的重依據(jù)要。本文僅分析充電電流的暫態(tài)過程。圖2-7單相接地暫態(tài)電流的等效電路圖2-7為單相接地暫態(tài)電流的等效電路, 為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的三相對(duì)地電容，為三相電路和電源變壓器等在零序回路中的等效電感，為零序回路中的等效電阻（其中包括故障點(diǎn)的接地電阻和弧道電阻），r和l分別為消弧線圈的有功損耗電阻和電感（因暫態(tài)電流頻率高，故中性點(diǎn)消弧線圈的感抗很大，r和l支路可視為開路），為等效零序電源電壓。根據(jù)圖2-7，可列出微分方程如下： (

32、2.8)當(dāng)時(shí)，回路電流的暫態(tài)過程具有周期性的振蕩和衰減特性；當(dāng)時(shí)，回路電流的暫態(tài)過程具有非周期性的振蕩衰減特性，并逐漸趨于穩(wěn)態(tài)。對(duì)于架空線路，波阻抗一般為250500 ，同時(shí)故障點(diǎn)的接地電阻一般較小，弧道電阻也可忽略，其，所以，電容電流具有周期性的衰減特性，自由振蕩頻率一般為3001500hz。對(duì)于電纜線路，由于l很小而c很大，因此，過渡過程與架空線路相比，所經(jīng)歷的時(shí)間極為短促且具有較高的自由振蕩頻率，一般在15003000hz之間4。暫態(tài)電容電流和暫態(tài)電容電壓均由自由分量和強(qiáng)制分量組成，利用初始條件=0,=0計(jì)算得出：； (2.9)； (2.10)； (2.11)式中相電壓幅值；自由分量衰減

33、系數(shù)；回路共振角頻率；回路自由振蕩角頻率；回路基頻角頻率；若系統(tǒng)運(yùn)行方式不變，則為一常數(shù)。當(dāng)較大時(shí)，自由振蕩頻率衰減較快，反之，則衰減較慢。同時(shí)，由式（2.11）可以看出，暫態(tài)電容電流的初始值與故障發(fā)生的時(shí)刻、發(fā)生故障時(shí)相電壓的相位等因素有關(guān)。當(dāng)為零時(shí)，其值最小，當(dāng)為時(shí)其值最大。當(dāng)故障發(fā)生在電壓峰值，即為接地時(shí)，電容電流的自由分量的振幅表現(xiàn)為最大值，當(dāng)發(fā)生故障的時(shí)刻，滿足=時(shí)，暫態(tài)電容電流近似等于共振頻率與諧振頻率之比，可能較穩(wěn)態(tài)值大幾倍到幾十倍。滿足，均可能造成接地故障。如果=0時(shí)，則暫態(tài)電容電流值近似為零。因此，暫態(tài)過程中，電容電流的最大值是和發(fā)生接地瞬間故障相電壓的瞬時(shí)值有關(guān)的。綜合以上

34、分析暫態(tài)電容電流的特點(diǎn)以及過渡過程，我們得到小電流接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)具有以下特征8：（1）暫態(tài)分量的頻率和衰減速度與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，變壓器線圈參數(shù)，過渡電阻等因素有關(guān)，但與中性點(diǎn)是否經(jīng)消弧線圈接地?zé)o關(guān)。電網(wǎng)三相對(duì)地電容、變壓器線圈和線路電感愈大，暫態(tài)分量頻率愈??；過渡電阻愈大，衰減速度愈快。（2）暫態(tài)分量的幅值主要由單相接地發(fā)生的時(shí)刻決定，也與電網(wǎng)對(duì)地電容、線路電感以及故障點(diǎn)電阻有關(guān)。故障發(fā)生在相電壓最大值附近時(shí)，高頻衰減的暫態(tài)零序電流最大，發(fā)生在相電壓最大值區(qū)間內(nèi)，暫態(tài)分量遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)分量，發(fā)生在相電壓過零點(diǎn)附近時(shí)最小。（3）非故障線路，暫態(tài)零序測(cè)量電流的大小正比于本線路對(duì)地電容，方向?yàn)槟妇€

35、流向線路；故障線路，暫態(tài)零序電流等于所有非故障線路對(duì)地電容的充電電流之和，方向?yàn)榫€路流向母線。2.3.2暫態(tài)電感電流2根據(jù)非線性電路的基本理論，暫態(tài)過程中的鐵心磁通與鐵心不飽和時(shí)的方程相同。依據(jù)圖2-7列出微分方程：； (2.12)式中，n為消弧線圈相應(yīng)分接頭的線圈匝數(shù)；為消弧線圈鐵心中的磁通。因?yàn)樘幱谶^補(bǔ)償狀態(tài)，消弧線圈的磁化曲線應(yīng)保持線性關(guān)系，故 。因前面假定三相對(duì)地電容對(duì)稱，故故障發(fā)生前，消弧線圈電流為零，磁通為零。由此得出； (2.13)式中，為穩(wěn)態(tài)時(shí)磁通，為補(bǔ)償電流的相角；為消弧線圈阻抗；為電感回路時(shí)間常數(shù)?？紤]rl,故zl, 0； ； (2.14) ； (2.15) 暫態(tài)電感電流振

36、蕩角頻率與電源的角頻率相等，其幅值與接地瞬間電源電壓的相角有關(guān)。當(dāng)為零時(shí)，其值最大；當(dāng)為時(shí)，其值最小。2.3.3暫態(tài)接地電流2,4,7暫態(tài)接地電流由暫態(tài)電容電流和暫態(tài)電感電流疊加而成，其特性隨兩者的具體情況而定。由式2-11和2-16可以推算出暫態(tài)接地電流：；(2.16) 式中，第一項(xiàng)為接地電流穩(wěn)態(tài)分量，等于穩(wěn)態(tài)電容電流與穩(wěn)態(tài)電感電流的幅值之差；其余為接地電流的暫態(tài)分量，其值等于電容電流的暫態(tài)自由振蕩分量與電感的自由振蕩分量之和，兩者的幅值不僅不會(huì)相互抵消，還可能相互疊加，使得暫態(tài)接地電流幅值更大。綜合以上，暫態(tài)接地電流的幅值和頻率主要由暫態(tài)電容電流的特性所決定，其幅值和故障發(fā)生時(shí)相電壓初相角

37、相關(guān)。3 小電流接地電網(wǎng)電弧接地故障模擬實(shí)驗(yàn)小電流接地模擬電網(wǎng)如下圖所示, ,為非故障饋線對(duì)地電容：為故障饋線對(duì)地電容； 為零序電流互感器；b為經(jīng)消弧線圈接地變壓器；為消弧線圈電感；為中性點(diǎn)接地電阻；為接地故障電阻，短接時(shí) =0。圖3-1小電流接地模擬電網(wǎng)電路為分析小電流接地電網(wǎng)故障電流的暫態(tài)特征，在以上模擬電網(wǎng)上，在不同的電網(wǎng)對(duì)地電容值、不同的接地故障電阻條件下，得到實(shí)驗(yàn)實(shí)錄典型波形如下圖示。圖中采樣頻率為12khz，故障線路對(duì)地電容為3.6f，非故障線路對(duì)地電容、均為1.8f，模擬實(shí)驗(yàn)為0。 （圖3-2a .不接地電網(wǎng)故障饋線）（圖3-2b.不接地電網(wǎng)非故障饋線）（圖3-2c.全補(bǔ)償電網(wǎng)故

38、障線路）（圖3-2d.全補(bǔ)償電網(wǎng)非故障線路）（圖3-2a. 故障饋線展開波形）（圖3-2b.非故障饋線展開波形）（圖3-2c.全補(bǔ)償電網(wǎng)故障線路展開波形）（圖3-2d.全補(bǔ)償電網(wǎng)非故障線路展開波形）由于不同電網(wǎng)或同一電網(wǎng)的不同時(shí)刻發(fā)生單相接地故障時(shí)暫態(tài)零序電流、電壓的頻率均不同，因此不能采用帶有濾波功能的算法，而只能先對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行濾波，然后再計(jì)算判斷。本文采用單零點(diǎn)非遞歸算法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行了50hz基波陷波處理，得到處理后波形如下圖所示。（圖3-2e.處理后故障饋線）（圖3-2f.處理后非故障饋線）（圖3-2g.處理后全補(bǔ)償故障饋線）（圖3-2h.處理后全補(bǔ)償非故障饋線）（圖3-2e.處理后

39、故障饋線展開波形）（圖3-2f.處理后非故障饋線展開波形）（圖3-2g.處理后全補(bǔ)償故障饋線展開波形）（圖3-2h.處理后全補(bǔ)償非故障饋線展開波形）通過分析，觀察以上波形圖，通過試驗(yàn)得到的結(jié)果與前面理論分析結(jié)論是一致的: 小電流接地系統(tǒng)通過消弧線圈全補(bǔ)償?shù)姆绞较掳l(fā)生單相接地故障時(shí)，由于零序電流中含有大量高頻暫態(tài)分量，此時(shí)消弧線圈電感很大，可以等效為開路（經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證這是合理的）。因此，小電流接地系統(tǒng)是否接入消弧線圈不影響利用暫態(tài)分量進(jìn)行判斷的結(jié)果。同時(shí)，我們通過試驗(yàn)得到小電流接地電網(wǎng)發(fā)生單相電弧接地故障時(shí)相關(guān)特征8：（1）電弧接地時(shí)，每一次起弧均有暫態(tài)分量出現(xiàn)。暫態(tài)分量的頻率和衰減速度與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

40、，變壓器線圈參數(shù)，過渡電阻等因素有關(guān)，但與中性點(diǎn)是否經(jīng)消弧線圈接地?zé)o關(guān)。（2）暫態(tài)分量的幅值主要由單相接地發(fā)生的時(shí)刻決定，也與電網(wǎng)對(duì)地電容、線路電感以及故障點(diǎn)電阻有關(guān)。故障發(fā)生在相電壓最大值附近時(shí)，高頻衰減的暫態(tài)零序電流最大，發(fā)生在相電壓最大值區(qū)間內(nèi)，暫態(tài)分量遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)分量，發(fā)生在相電壓過零點(diǎn)附近時(shí)最小。（3）非故障線路，暫態(tài)零序測(cè)量電流的大小正比于本線路對(duì)地電容，方向?yàn)槟妇€流向線路；故障線路，暫態(tài)零序電流等于所有非故障線路對(duì)地電容的充電電流之和，方向?yàn)榫€路流向母線。（4）對(duì)于消弧線圈全補(bǔ)償電網(wǎng)，故障暫態(tài)分量是疊加在工頻穩(wěn)態(tài)分量上的。雖然暫態(tài)分量較穩(wěn)態(tài)分量大很多，但由于暫態(tài)分量衰減速度快，持續(xù)

41、時(shí)間短，衰減完后將主要由穩(wěn)態(tài)分量起作用。4 基于暫態(tài)零序電流信號(hào)特征分量的選線方法研究4.1暫態(tài)零序電流幅值比較法4.1.1選線原理9,10對(duì)于中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)中暫態(tài)零序電流的分析可知，當(dāng)單相接地故障發(fā)生時(shí)，流經(jīng)故障線路的暫態(tài)零序電流為其他非故障線路暫態(tài)零序電流之和，這對(duì)任一頻率的暫態(tài)電流分量都是成立的，即； (4.1)式中：, 為故障線路j，非故障線路i上任意頻率f的暫態(tài)零序電流分量；i=1m，m為出線數(shù)。特別的，在非故障線路相位一致的頻帶上，各線路暫態(tài)零序電流的幅值有如下關(guān)系：； (4.2)； (4.3)即； (4.4)因此，在健全線路暫態(tài)零序電流相位一致的頻帶內(nèi)，故障線路暫態(tài)零序電流

42、幅值等于所有出線暫態(tài)零序電流幅值和（記為）的一半，而健全線路暫態(tài)零序電流幅值小于。當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，設(shè)計(jì)如下選線方法進(jìn)行判斷：（1）提取故障后各線路（m條出線）一周波內(nèi)零序電流的故障分量。（2）在各條饋線上（m條），求零序電流的有效值，并求m條饋線的平均值。若線路i中有0.5均成立，且線路1的綜合相關(guān)系數(shù)最小，均可準(zhǔn)確判定線路1為故障線路。求解e1和e2的過程中，由于濾除了各線路零序電流中極為相似的不對(duì)稱分量和相似性較強(qiáng)的工頻穩(wěn)態(tài)分量，提高了選線保護(hù)裕度。4.4 選線方法對(duì)比基于零序電流幅值的選線算法較簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可以利用單片機(jī)開發(fā)選線裝置，具有較高的使用價(jià)值。暫態(tài)信號(hào)比較豐富

43、時(shí)，具有很高的準(zhǔn)確率。然而，選線算法是基于特征頻帶內(nèi)暫態(tài)電流進(jìn)行故障線路的判斷，特征頻帶受系統(tǒng)參數(shù)和故障情況的影響較大。該算法不適用母線故障時(shí)選線判斷?；诹阈驎簯B(tài)電流極性比較的方法選線算法較簡單，計(jì)算耗時(shí)少，可用以在單片機(jī)上開發(fā)選線裝置。該方法對(duì)于富有暫態(tài)分量的選線電弧接地故障等式很有效的，而對(duì)暫態(tài)分量很小的穩(wěn)態(tài)接地故障和暫態(tài)衰減很快并且幅值不高的高祖接地故障，選線效果難以保證。該算法不具有獨(dú)立性?；凇肮收暇€路零序電流和健全線路零序電流差異最大”原理的相關(guān)分析故障選線方法，利用故障暫態(tài)信號(hào)的幅值、相位綜合信息，具有較好的選線效果。但是隨著纜線混合線路的增多，當(dāng)短路故障時(shí)，健全對(duì)地電容最大線

44、路的零序電流與故障對(duì)地電容較小線路的大小有可能相近，而由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，故障線路和健全線路的零序電流相位也有可能接近，因此，利用零序電流之間的相似性有可能產(chǎn)生誤判。為克服系統(tǒng)不平衡電流和穩(wěn)態(tài)工頻分量的對(duì)線路保護(hù)裕度的影響，本算例對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了陷波處理。5 選線新方法原理與仿真5.1基于暫態(tài)零序電流首半波比值選線方法小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地接地故障時(shí)，不同對(duì)地電容值，不同接地故障電阻值條件下將會(huì)得到不同的實(shí)驗(yàn)波形。某些條件下，得到的故障線路與非故障線路零序電流幾乎不含有穩(wěn)態(tài)工頻電流（見圖3-2a，圖3-2b），某些條件下是穩(wěn)態(tài)工頻電流和暫態(tài)電流的疊加（見圖3-2c，圖3-2d），但穩(wěn)態(tài)

45、工頻電流遠(yuǎn)低于暫態(tài)電流。單相接地故障每起弧一次，非故障線路與故障線路均有一零序高頻衰減電流，并且該零序高頻衰減電流幅值很大，易被測(cè)量，應(yīng)該可以用來判斷故障饋線。圖3-2（e，f，g，h）是經(jīng)過單零點(diǎn)非遞歸算法處理后零序測(cè)量電流波形。顯然，除故障暫態(tài)零序測(cè)量電流的特征頻率分量外，還有許多其他頻率信號(hào)成分。這對(duì)正確做出選線會(huì)有一定影響，但滿足如下算法要求。結(jié)合暫態(tài)電流極大值選線相關(guān)原理，給出基于暫態(tài)電流幅值比值的選線方法。算法描述如下：（1） （2） 判據(jù)描述如下：首先進(jìn)行（1）式判斷，如果零序暫態(tài)電流最大值與次暫態(tài)最大值點(diǎn)積結(jié)果s0，則不進(jìn)行（2）式判斷，判定為母線故障；如果s0,則進(jìn)行（2）式判斷，如果，那么可以判定線路是故障線路，式中閾值k的選取視具體的電網(wǎng)而定，一般電網(wǎng)如果不含有純電纜線路或者纜線混合線路中電纜線路長占比例不超過50%，k可取為0.350.4；如果含有純電纜線路或者纜線混合線路中電纜線路長所占比例較高，k可取為0.40.45。n值一般只要接近或者大于等于暫態(tài)電流半周波采樣點(diǎn)數(shù)即可。5.2 matlab仿真及實(shí)現(xiàn)14,15,16本論文采用matlab來模擬小電流接地系統(tǒng)單相接地故障。仿真系統(tǒng)為一個(gè)11