諧振接地系統(tǒng)故障選線新方法研究

諧振接地系統(tǒng)故障選線新方法研究第1頁/共34頁摘要

配電網(wǎng)中性點接地方式關(guān)系到供電系統(tǒng)的安全、可靠運行及對周圍環(huán)境的影響等諸多方面的技術(shù)問題。目前，我國中低壓配電網(wǎng)廣泛采用小電流接地方式，其中最有代表性的是中性點不接地和諧振接地方式。這種接地方式在保證運行維護人員的安全、過電壓水平、設(shè)備絕緣水平、經(jīng)濟性等方面存在諸多的優(yōu)點，并且有助于提高供電可靠性，但因故障電流小而增加了故障檢測的難度。對接地線路的準(zhǔn)確檢測一直是小電流接地系統(tǒng)的一個重要的研究課題。第2頁/共34頁摘要

針對諧振接地系統(tǒng)中的單相接地故障選線困難的情況，本文分析了諧振接地系統(tǒng)的接地特性，提出了一種基于零序電流比幅的諧振接地系統(tǒng)單相接地故障選線法，詳細描述了該方法的理論推理過程，通過數(shù)值仿真和實驗驗證了該方法的正確性，同時分析了該方法的使用范圍，并且研制出基于該方法的接地選線裝置。結(jié)果表明，該裝置運算速度快，抗干擾能力強，選線準(zhǔn)確，運行可靠性高。第3頁/共34頁1.1研究的目的和意義

本文所研究的課題主要是針對于35kV、10kV及其以下的中低壓配電網(wǎng)，最主要的是10kV中壓配電網(wǎng)。配電網(wǎng)絡(luò)(DistributionNetwork)是電力系統(tǒng)中二次降壓變電所低壓側(cè)降壓后直接向用戶供電的網(wǎng)絡(luò)，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(guān)、接地裝置、通信與控制設(shè)備、測量與計量儀表及繼電保護與選線裝置等構(gòu)成，按照一定的規(guī)則運行，以高質(zhì)量的電能持續(xù)滿足用戶的需求隨著小電流接地方式被廣泛應(yīng)用，其給繼電保護裝置的故障選線帶來巨大難度。這是因為小電流接地方式在發(fā)生單相接地故障時，流過電流非常小，使得傳統(tǒng)保護裝置很難準(zhǔn)確判斷出故障饋線，導(dǎo)致長期以來小電流接地系統(tǒng)故障選線問題成為一個技術(shù)難題。這也成為了限制諧振接地方式發(fā)展的重要因素。因此研究一種行之有效的可靠的小電流接地方式下的故障選線方法成為供電系統(tǒng)迫在眉睫的問題。第4頁/共34頁1.2小電流接地故障選線的研究現(xiàn)狀

近些年，很多學(xué)者做了大量的研究和實踐，取到了大量的科研成果，但是在現(xiàn)場模擬運行中也發(fā)現(xiàn)了大量的問題?，F(xiàn)在系統(tǒng)中主要運用的選線方法有零序過電流法、零序電流群體比幅法、零序電流比相法、零序電流群體比幅比相法、零序電流有功分量法、五次諧波法、注入信號法、綜合選線方法等。第5頁/共34頁1.3論文的主要工作

從小電流接地故障選線的研究現(xiàn)狀中，可以看出雖然小電流接地選線對小電流接地系統(tǒng)運行有很重要的現(xiàn)實意義，但是目前各種選線方法還存在或多或少、這樣那樣的缺陷，因此繼續(xù)對這一由來已久的問題深入研究很有必要。本論文在前人的基礎(chǔ)上，詳細分析了小電流接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時的物理過程，從而得出了小電流接地系統(tǒng)在正常運行和發(fā)生單相接地故障時系統(tǒng)主要物理量的數(shù)學(xué)關(guān)系式，為進一步分析選線方法奠定了堅實的基礎(chǔ)。第6頁/共34頁1.3論文的主要工作

除此之外，本文還做了如下主要工作：1.針對補償電網(wǎng)提出了一種新的選線方法——基于變電抗的零序電流比幅法。2.對零序電流比幅法進行了詳盡的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。3.分析了零序電流比幅法的適用范圍。4.用Matlab仿真軟件對該方法進行了仿真，并分析了仿真結(jié)果。5.根據(jù)零序電流比幅法的原理設(shè)計實際選線裝置，搭建實驗平臺，通過實驗驗證方法的正確性和有效性。第7頁/共34頁第2章小電流接地系統(tǒng)單相接地故障分析

2.1等值電路圖

在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障瞬間，可以用圖所示等效電路表示暫態(tài)回路。第8頁/共34頁

圖中，C：補償電網(wǎng)的三相對地電容；L0：三相線路和電源變壓器等在零序回路中的等值電感；R0：零序回路中的等值電阻（包括故障點的接地電阻和弧道電阻）；rL、L：分別為消弧線圈的電阻和電感；U0：零序電壓，中性點對地電壓。第9頁/共34頁2.2暫態(tài)接地電流

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，故其具體特性由兩者共同決定。即：式中第一項為接地電流穩(wěn)態(tài)分量，其余為接地電流的暫態(tài)分量。電力系統(tǒng)中，暫態(tài)電容電流的幅值一般遠大于暫態(tài)電感電流，暫態(tài)電容電流衰減的比暫態(tài)電感電流要快?？梢?，不論電網(wǎng)的中性點不接地或者經(jīng)消弧線圈接地，暫態(tài)接地電流的幅值和頻率主要由暫態(tài)電容電流所決定，其幅值同時與初相角有關(guān)。第10頁/共34頁第3章零序電流比幅式接地選線法

3.1零序電流比幅選線原理中性點經(jīng)消弧線圈接地配電網(wǎng)絡(luò)示意圖第11頁/共34頁對式(3-11)式和(3-12)式進行分析，可以看出，(3-11)式，即含故障饋線零序電流比值項會隨著消弧線圈容量的變化而改變。當(dāng)故障饋線零序電流在分子時，則當(dāng)消弧線圈容量從補償狀態(tài)退到空載，對應(yīng)電抗值變大，比值最終會從小變大；若故障饋線零序電流在分母時，則比值變化情況正好相反。(3-12)式，即非故障饋線零序電流比值與消弧線圈電抗值無關(guān)，在消弧線圈容量變化過程中維持不變。利用(3-10)式和(3-11)式隨消弧線圈容量的調(diào)節(jié)變化趨勢的不同，可以區(qū)別故障線路和非故障線路，這就是“基于變電抗的零序電流比幅式接地選線法”。這一方法考慮了線路泄漏電導(dǎo)和消弧線圈有功損耗的影響。第12頁/共34頁3.2選線方法的仿真

為驗證根據(jù)(3-10)式和(3-11)式所提出的零序電流比幅選線新方法，用Matlab仿真軟件進行了仿真計算和分析。Matlab仿真的電網(wǎng)電壓等級為10ｋV，饋線5條。電網(wǎng)總零序電容為36μF,阻尼率為3％，消弧線圈額定補償電流為70A，額定有功損耗為2%。根據(jù)計算可知該電網(wǎng)在發(fā)生單相金屬性接地時接地電流為65A。本文仿真所用的消弧線圈采用了磁閥式消弧線圈，根據(jù)可控飽和電抗器的理論，搭建了如下磁閥式消弧線圈子模塊第13頁/共34頁仿真試驗一：第1條饋線至第5條饋線零序電容均為7.2μF。第五條饋線A相在0.105s發(fā)生單相接地故障，0.6s時單相接地故障結(jié)束。圖a單相故障接地電阻為0Ω，即發(fā)生金屬性接地。圖b單相接地電阻為500Ω。總的系統(tǒng)仿真電路為：第14頁/共34頁a接地電阻為0Ω第15頁/共34頁b接地電阻為500Ω第16頁/共34頁a，b圖三條曲線分別表示、、的變化（后面的仿真試驗二~仿真試驗六也是如此），可以看出不論是金屬性接地還是接地電阻為500Ω，非故障饋線零序電流之間的比幅在發(fā)生單相接地故障前后總是保持不變，而故障線路零序電流與非故障線路零序電流之間的比幅在發(fā)生單相接地故障前后有明顯的變化趨勢，這可以作為區(qū)分故障線與非故障線的標(biāo)準(zhǔn)。需要指出的是，由于中性點電位因接地電阻增大而降低，會導(dǎo)致本文采用的可控電抗器仿真模型響應(yīng)時間增大，a、b兩圖突變時間的不同即是因為這個原因。仿真試驗二~仿真試驗五結(jié)論與此類似，所以不重復(fù)敘述。第17頁/共34頁3.3零序電流比幅式選線法的適用范圍

從本章第一節(jié)可以看出，零序電流比幅式選線法雖然考慮了配電網(wǎng)絡(luò)中零序網(wǎng)絡(luò)中很多影響因素，但是式(3-7)和(3-9)卻是在忽略對地電容的不平衡性這一前提下得出的，因此該方法在線路對地電容不平衡度較大情況下可能失去判據(jù)。當(dāng)然實際運行中的電力配電網(wǎng)絡(luò)是不允許線路對地電容不平衡度過大的，因為根據(jù)前文所敘，此時中性點電位有較大位移，對運行不利.總而言之，若考慮實際的電網(wǎng)運行情況，零序電流比幅式選線法有極強的適應(yīng)能力，可以說是一種不存在“死角”的選線方法。第18頁/共34頁第4章零序電流比幅選線法的實驗?zāi)Ｐ图膀炞C結(jié)果

實驗電路。中性點經(jīng)消弧線圈接地方式第19頁/共34頁1.本電路模擬3回路，空氣開關(guān)的投切模擬線路的通斷，與Rs連接在一起，空氣開關(guān)模擬接地的發(fā)生。2.T為三相可調(diào)隔離變壓器，400V/400V，本文用三相調(diào)壓器代替。3.R為可調(diào)電阻，模擬接地電阻。4.零序互感器采集回路零序電流信號，該信號再由采集卡采集處理。5.電容C用來模擬對地電容大小，其大小改變相當(dāng)于線路長度的變化。第20頁/共34頁實驗步驟中性點經(jīng)消弧線圈接地方式:1.搭建電路。2.將空氣開關(guān)合上，調(diào)整L值（由0調(diào)至最大值，由晶閘管的導(dǎo)通角大小來決定）。3.將Rs接上模擬線路1的A相接地故障，R分別取2個阻值（0Ω，20Ω）。對應(yīng)每個R值，通過采集卡記錄、觀察零序CT數(shù)值和波形。4.通過萬用表記錄中性點的電壓變化。5.將采集卡采集的數(shù)據(jù)保存為相對應(yīng)的text文檔。6.將text文檔的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中處理，記錄、觀察I01/I02、I02/I03波形，驗證零序電流比幅式接地選線法。第21頁/共34頁4.2實驗波形分析

以下實驗，采集卡關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下：采集方式為連續(xù)采集；通道數(shù)為3，0~2通道；采樣頻率為5K；觸發(fā)方式為內(nèi)觸發(fā)。在本模擬實驗中，可控電抗器工作電壓為150V，輸出感性電流為0.4A，系統(tǒng)工作在欠補償狀態(tài)，但是補償效果已經(jīng)較為明顯。補償效果可以從圖4.3可以看出，該圖表明在15個周波后故障線路零序電流幅值已經(jīng)最小，并且故障線路與非故障相線路的相位也變得模糊。為了實現(xiàn)饋線之間的零序電流比幅，我們將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)出至Matlab處理。第22頁/共34頁接地瞬間波形圖

約15個周波后的波形圖

第23頁/共34頁運行圖零序電流比幅選線法數(shù)據(jù)處理程序，故障線路零序電流及其幅值的變化圖如圖

故障線路零序電流及其幅值的變化圖（線路2，150V，直接接地）

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非故障線路零序電流及其幅值的變化圖（線路1，150V）

第25頁/共34頁非故障線路零序電流及其幅值的變化圖（線路3，150V）

第26頁/共34頁

線路零序電流比幅變化圖第27頁/共34頁分析圖可以看出：1.消弧線圈補償電容電流效果明顯；2.故障線路的零序電流幅值隨著消弧線圈容量的調(diào)節(jié)有明顯變化；3.故障線路與非故障線路兩者的零序電流比幅值在發(fā)生單相接地故障后隨著消弧線圈容量的調(diào)節(jié)有明顯的變化。4.非故障線路之間的零序電流比幅值在發(fā)生單相接地故障后隨著消弧線圈容量的調(diào)節(jié)沒有明顯的變化，基本上表現(xiàn)為一條直線。中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時零序電流比幅的變化特點表明，采用零序電流比幅式選線原理是可行的。第28頁/共34頁第5章接地選線裝置設(shè)計

5.2程序的結(jié)構(gòu)及流程圖開始中性點信號采集數(shù)據(jù)運算（零序電流比幅法）故障信息顯示各條饋線零序電流數(shù)據(jù)采集是否發(fā)生單相接地故障？NOY第29頁/共34頁由以上流程圖可以看出，該軟件可以按功能劃分為4個獨立的模塊：數(shù)據(jù)采集模塊（母線的三相電壓，中性點電壓、各條饋線零序電流）、數(shù)據(jù)處理模塊（算法模塊）和故障顯示模塊。第30頁/共34頁第6章總結(jié)與展望

6.1總結(jié)本文在論述小電流接地系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，詳細分析了小電流接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時的物理過程，從而得出了小電流接地系統(tǒng)在正常運行和發(fā)生單相接地故障時系統(tǒng)主要物理量的數(shù)學(xué)關(guān)系式，為進一步分析選線方法奠定了堅實的基礎(chǔ)。除此之外，本文還做了如下主要工作：1．針對補償電網(wǎng)提出了一種新的選線方法——基于變電抗的零序電流比幅法。2．對零序電流比幅法進行了詳盡的數(shù)學(xué)說明。3．分析了零序電流比幅法的適用范圍。4．用Matlab仿真軟件對該方法進行了仿真，并分析了仿真結(jié)果。5．根據(jù)零序電流比幅法的原理設(shè)計實際選線裝置，搭建實驗平臺，通過實驗驗證方法的正確性和有效性。第31頁/共34頁6.2展望小電流接地系統(tǒng)的接地選線問題由來已久，目前提出來的選線方法以很多。其中很大部分還僅停留在理論上，這種狀況有些跟所提理論本身的不完整性有關(guān)，另外一些則跟主要元器件（CPU或A/D）的數(shù)據(jù)處