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Thispaperpresentsthecharacteristicsofsinglephase—to—earthfaultinsmallcurrentneutralgroundingsystemandreviewsthedevelopinghistoryoftherelayabouttheselectionofsinglephase-to-earthfault1ineinsmallcurrentneutralgroundingsystemallovertheworld,aswellastraitsandrestrictionsofvariousselectingcriteriaareanalyzedindetail.However,theoreticalanalysisandoperatingexperiencesindicatethateachcriterionhaslimitsandshortages,noonecanselectthefaultlinecorrectlyinallkindsofconditions.Then,itintroducesanewtypeof

principleabouttheselectionoffauIt1ineandthelocationoffaultpointinthissystem--thespecialsignalinjectionmethod.

Keyword：

Smallcurrentneutralgroundingsystemsinglephase—to—earthFaultselectionoffaultlineprotectiverelayingarcsuppressingcoilsspecialsignalinjectionmethod

III

目 录

第一章小电流接地系统单相接地故障选线研究现状

1.1国外研究概况 1

1.2国内研究现状 1

第二章 小电流接地系统分析

2.1小电流接地方式的主要特点 3

2.2小电流接地系统三种接地方式介绍 3

2.2.1中性点不接地方式 3

2.2.2中性点经消弧线圈接地方式 5

2.2.3中性点经高阻接地方式 7

2.3小电流单相接地故障的判断与分析 8

第三章各种单相接地选线保护方案

3.1利用接地故障暂态特征分量的选线方案 9

3.2利用接地故障稳态特征分量的选线方案 10

3.3利用其它特征量的选线方案 14

第四章 电流接地系统单相接地故障过程分析

4.1小电流接地系统单相接地故障时的稳态量分析 16

4.1.1单条线路网络 16

4.1.2多条线路网络 17

4.2小电流接地系统单相接地故障时的暂态量分析 19

第五章 “S注入法”单相接地选线保护

5.1“S注入法”选线原理 22

5.2“S注入法”定位原理 23

5.3S注入法的应用情况 24

5.4基于“s注入法”及其Matlab仿真 24

5.4.1接地过渡电阻为100W时的仿真 25

5.4.2接地过渡电阻为1KW时的仿真 27

结 论 31

武汉大学珞珈学院本科毕业论文

1.1国外研究概况[1]

国外对小电流接地系统的应用及研究十分广泛。

在前苏联，二十世纪以来小电流接地系统应用较多，主要采用中性点不接地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。

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。

在日本，小电流接地系统在供电、钢铁、化工用电中应用比较普遍，多为中性点不接地或经有效电阻接地系统，但电阻接地方式居多。

因此，选线原理也比较简单，采用了基波无功方向继电器。

在美国，由于其电网中性点主要采用电阻接地方式，也利用零序过电流保护瞬间切除故障线路。

小电流接地系统中单相接地保护被认为是难以实现的，而且引起的过电压非常严重。

因此，他们一般不采用小电流接地系统而宁愿在供电网络上多投资以保证供电的可靠性。

但是近年来，在IEEE的专题报告上也认为应当加强小电流接地系统保护的研究。

三十年代德国首次提出利用零序电流的首半波极性来判断接地线路，相继有多篇论文发表，并有几代产品问世。

现在，他们又研制出一种便携带式接地报警装置。

而挪威一家公司则利用测量空间电场和磁场的相位，反应零序电流和零序电压的相位，研制出悬挂式接地指示器，分段悬挂在线路和分叉点上。

上世纪90年代以来，随着法国，波兰等欧洲国家逐渐将中压电网由中性点经低阻接地方式改为谐振接地方式，对小电流接地保护装置进行了许多研究和现场实验。

如应用有功电流法，法国电力公司（EDF）开发出DESIR保护装置。

应用零序导纳法，波兰有公司研制了导纳接地保护装置，已在国内推广应用，到

1996年为止，已有多套投入中压电网运行。

1.2国内研究现状

在我国，6～35KV配电网系统常采用小电流接地系统，其中大多数是中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统。

接地选线方案也从最初的零序电流保护发展到零序无功方向保护，从基波方案发展到五次谐波方案，以及利用首半波极性方案，并先后推出几代产品。

最早出现的小电流接地系统保护装置是绝缘监视装置，从20世纪五十年代就开始对接地保护原理和装置的研究，研制出了根据接地电流的首半波极性进行选线定位的小电流接地系统的保护装置和利用零序电流五次谐波原理的接地选线装置。

七十年代后期，上海继电器厂和许昌继电器厂等单位研制出一批具有选择性的接地信号装置，如适应中性点不接地系统的ZD-4型零序功率方向保护和适用于中性点经消弧线圈接地系统的ZD-5，ZD-6，ZD-7型五次谐波零序功率方向保护装置等。

八十年代中期以来随着微机的应用和推广，我国又相继研制出一批微机型接地选线装置，随之也出现了适合微机实现的选线理论，其中有南京自动化研究院的利用比较零序电流五次谐波的大小和方向的小电流接地系统单相接地选线装置：

东北电力学院研制出通过无线电接收谐波电流，利用

32

比相原理而实现的单相接地选线装置；

山东大学（原山东工业大学）研制出的基于零序电流群体比幅原理的单相接地选线装置；

华北电力学院研制出的基于群体比幅比相原理的MLl型以及利用零序电流五次谐波比相原理的MLA-98型小电流接地选线装置；

话安交通大学则提出了利用零序电流的3，5，7次谐波分量之和的相对比较法和自适应独立判别法进行选线的原理等等。

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”，“接地残留增量法”等原理的新型选线装置，并且分析故障暂态特征，应用DSP技术的基于小波理论的选线装置也已产生。

2.1小电流接地方式的主要特点

在我国6～35kV电力系统中普遍采用中性点不接地或经消弧线圈接地的小电流接地系统方式，当系统发生单相接地故障时，由于不能构成低阻抗短路回路，接地故障电流往往很小，系统线电压的对称性并不遭到破坏，系统还可继续运行一段时间，规程规定一般为l～2h，为防止系统事故扩大，在接地运行的这段时间里必须设法排除接地点。

该接地方式的主要特点：

（1）、电流信号很小

小电流系统单相接地时产生的零序电流是系统电容电流，其大小与系统规模大小和线路类型（电缆或架空线）有关，数值甚小。

对于10kV架空线路来说，每30公里线路大约产生1安培的零序电流，电缆线路产生的零序电流稍大一些。

这样微弱的故障信号混杂在上百安培的负荷电流中，使得传统的基于过流、方向、距离等原理的继电保护装置根本不可能正确反映故障情况。

经中性点接入消弧线圈补偿后，其数值更小，且消弧线圈的补偿状态（过补偿、欠补偿、完全补偿）不同，接地基波电容电流的特点与无消弧线圈补偿时相反或相同，对于有消弧线圈的小电流系统采用5次谐波电流或零序电流有功功率方向检测，而5次谐波电流比零序电流又要小20～50倍。

（2）、干扰大、信噪比小

小电流系统中的干扰主要包括两个方面：

一是在变电站和发电厂的小电流系统单相接地保护装置的装设地点，电磁干扰大；

二是由于负荷电流不平衡造成的零序电流和谐波电流较大，特别是当系统较小，对地电容电流较小时，接地回路的零序电流和谐波电流甚至小于非接地回路的对应电流。

（3）、随机因素的影响不确定

我国配电网一般都是小电流系统，其运行方式改变频繁，造成变电站出线的长度和数量频繁改变，其电容电流和谐波电流也频繁改变；

此外，母线电压水平的高低，负荷电流的大小总在不断地变化；

故障点的接地电阻不确定等等。

这些都造成了零序故障电容电流和零序谐波电流的不稳定。

（4）、电容电流波形不稳定

小电流系统的单相接地故障，常常是间歇性的不稳定弧光接地，因而电容电流波形不稳定，对应的谐波电流大小随时在变化。

2.2小电流接地系统三种接地方式介绍

2.2.1中性点不接地方式

（1）原理综述

中性点不接地方式，即中性点对地绝缘，结构简单，运行方便，不需任何附加设备，投资省，适用于农村lOkV架空线路长的辐射形或树状形的供电网络。

该接地方式在运行中，若发生单相接地故障，流过故障点的电流仅为电网对地的电容电流，其值很小，不形成短路回路。

但是长时间的接地运行，极易形成两相接地短路；

弧光接地还会引起全系统过电压，这种过电压能量大，持续时间长，同时在持续过程中，电网的单相接地还可能发展为两点接地短路，使事故进一步扩大。

中性点不接地系统发生单相接地故障时，其接地电流很小，若是瞬时故障，一般能自动消弧，非故障相电压升高不大，不会破坏系统的对称性，可带故障连续供电1～2h，从而获得排除故障时间，相对地提高了供电的可靠性。

（2）运行状况分析

简单网络图（单条线路）如下图2.1所示：

2.1中性点不接地系统单相接地示意图

不论是架空线路还是地下电缆，各相导线之间以及每相导线与大地之间都存在着分布电容。

一般来说，线路零序电容的大小与线路的长度、导线的半径、几何均距以及线路与地面的距离等因素有关。

在考虑线路充分换位的情况下，相间电容是相等的，并且三相的对地电容也是对称的。

当系统发生单相接地时，中性点电位与地电位不等，中性点对地绝缘，必然存在对地电容，此电容很小，因此中性点对地阻抗很大，从而系统中任一点的零序阻抗都很大。

对零序电流而言，线路或者其他元件的串联阻抗，比以线路对地导纳表示的并联阻抗小得多。

因此在小电流接地选线问题的研究中，忽略这些串联阻抗，主要分析各相对地的电容组成的回路。

（3）系统特点

1比较零序电流的幅值，幅值最大的即为故障线路；

2如果系统中某一相发生故障，那么系统中该相各元件对地的电容电流趋于0；

3在非故障线路上有零序电流，其数值等于本线路对地电容电流，电容性无功功率的方向为由母线流向线路；

4在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件零序电流之和，电容性无功功率的方向为由线路流向母线；

5零序回路基本上呈纯容性，所有非故障线路上的零序电流同相，超前零序电压90°

，故障线路上零序电流等于非故障线路上零序电流之和，滞后零序电压90°

，即故障线路和非故障线路的零序电流方向为反向。

[2]

中性点不接地方式对于低压配电网具有运行维护简单、经济，单相接地时

允许带故障运行两个小时，供电连续性好等优点。

目前，国内35kV以下电网还采用该运行方式。

在该运行方式下，接地电流为线路及设备的电容电流。

但是，由于该方式对电网电容电流及负荷水平有严格的限制，超过一定数值后将引起电弧接地过电压，故该方式已经不再适应配电网的发展。

中性点不接地方式的主要缺陷有：

①对电容电流有严格的要求，根据电力规程，对35kV及以下系统，规定当

3～10kV电网电容电流小于30A，20kV以上电网电容电流小于lOA时，可采用中性点不接地运行方式。

②中性点不接地电网发生单相接地时，中性点电位偏移，过电压水平高，持续的时间长。

而目前在我国随着经济发展，城镇配电网中大量采用电流和各类封闭组合电器，甚至进口设备，这些设备绝缘水平一般较低，且一旦被击穿很难修复，因而不宜带单相接地故障持续运行。

③单相接地时，避雷器长时间在工频过电压下运行，易发生损坏，甚至爆炸。

目前采用提高氧化锌避雷器运行电压的方法，可以避免爆炸事故的发生，但这并不经济，因而这种接线方式不利于无间隙氧化锌避雷器的推广应用。

④从保证人身安全的角度来说，不宣采用中性点不接地系统来保证供电的连续性。

2.2.2中性点经消弧线圈接地方式

采用中性点经消弧线圈接地方式，即在中性点和大地之间接入一个电感消弧线圈。

由于导线对地电容的存在，中性点不接地系统中一相接地时，接地点接地相电流属于容性电流。

而且随着网络的延伸，电流也愈益增大，以致完全有可能使接地点电弧不能自行熄灭并引起弧光接地过电压，甚至发展成严重的系统性事故。

在系统发生单相接地故障时，利用消弧线圈的电感电流对接地电容电流进行补偿，使流过接地点的电流减小到能自行熄弧范围，其特点是线路发生单相接地时，按规程规定电网可带单相接地故障运行1～2小时。

对于中压电网，因接地电流得到补偿，单相接地故障并不发展为相间故障，因此中性点经消弧线圈接地方式的供电可靠性，大大的高于中性点经小电阻接地方式。

随着工农业、城市建设的迅速发展，大容量负荷中心的增多及城网建设电缆化，不但每个站的出线增多了，而且架空线路逐步为电缆所代替，单相接地电容电流相应增大，因弧光不能自动熄灭而产生相问短路或因间歇性弧光引起的过电压事故也增多。

为提高供电可靠性，按有关规程规定，以架空线路为主的10kV系统电容电流超过30A（近年又提高要求为10A）以上者，必须改为中性点经消弧线圈接地的补偿方式。

中性点经消弧线圈接地系统单相接地的电流分布如图2.2所示。

2.2消弧线圈接地电网中单相接地时的电流分布

当发生单相接地时，非故障线路电容电流的大小、方向与中性点不接地系统一样；

但对故障线路而言，接地点增加了一个电感分量的电流。

从接地点流

. . . . . .

回的总电流ID为：

ID=IL+ICS式中：

IL为消弧线圈的补偿电流，ICS为全系统

. . .

的对地电容电流。

由于，IL和ICS相位相差为180°

。

ID将随消弧线圈的补偿程度而变，因此，故障线路零序电流的大小和方向也随之改变。

. .

消弧线圈对电容电流的补偿，有三种方式：

一是IL=ICS（全补偿），二是

. . . .

IL<

ICS（欠补偿），三是IL>

ICS（过补偿）。

全补偿是置Xt=Xc，正是电流谐振条件，一旦中性点对地出现过电压，就会产生很大的电流，使消弧线圈上产生很大的电流，造成设备损坏。

欠补偿时，若发生单相接地时有部分线路处于断

开状态，致使接地电容电流减小，碰巧时可能出现IL=ICS，造成全补偿，因此，在实际上都采用过补偿。

正常时因中性点对地电压为零，没有电流流过，既保

证电弧容易熄灭，又不至于过渡到全补偿。

1零序电流相位关系受到消弧线圈影响，而不受接地电阻的影响；

零序电流的幅值受接地电阻的影响；

2零序回路基本上呈纯感性，所有非故障线路上的零序电流同相，超前零序电压90°

，故障线路上零序电流等于非故障线路上零序电流之和，滞后零序电压90°

当接地电容电流超过允许值时，可采用消弧线圈补偿电容电流，保证接地电弧瞬间熄灭，以消除弧光间隙接地过电压，中性点经消弧线圈接地，在大多数情况下能够迅速地消除单相的瞬间接地电弧，而不破坏电网的正常运行。

接地电弧一般不重燃，从而把单相电弧接地过电压限制到不超过2.5‰。

很明显，

在很多单相瞬时接地故障的情况下，采用消弧线圈可以看作是提高供电可靠性的有力措施，目前随着电网规模和负载越来越大，运行方式经常变化，消弧线圈也应当经常作相应的调整，以补偿相应的电容电流。

因而出现了以实现消弧线圈调整自动化为目的的消弧线圈自动调谐装置，这种装置扩大了消弧线圈在大电网、多运行方式下的适应能力。

中性点经消弧线圈接地方式的主要缺陷有：

①、采用中性点经消弧线圈接地方式，不仅减小了线路的故障电流，而且故障线路的零序电流方向也发生了变化，给接地保护的正确选线提出了更高的要求。

②、中性点经消弧线圈接地方式易发生谐振，且消弧线圈的补偿容量不易随电容电流的增加而增加。

③、消弧线圈的阻抗较大，既不能释放线路上的残余电荷，也不能降低过电压的稳态分量，因而对其它形式的操作过电压不起作用。

2.2.3中性点经高阻接地方式

中性点经电阻接地方式，即中性点与大地之间接入一定阻值的电阻。

该电阻与系统对地电容构成并联回路，由于电阻是耗能元件，也是电容电荷释放元件和谐振的阻压元件，对防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，有一定优越性。

在中性点经电阻接地方式中，一般选择电阻的阻值较小，在系统单相接地时，控制流过接地点的电流在500A左右，也有的控制在100A左右，通过流过接地点的电流来启动零序保护动作，切除故障线路。

中性点经高阻接地方式以限制单相接地故障电流为目的，并可防止阻尼谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，主要用于200MW以上大型发电机回路和某些6～10kV配电网。

（1）运行特点

由于中性点经电阻接地可以迅速判断故障，对于90％以上是电缆线路的城市电网，需要采用此种接地方式。

另外，在人口稠密地区，架空线一相导线落地会对人身安全造成极大的威胁，因而也应考虑这种电阻接地方式。

中性点经电阻接地在国内部分电网已开始应用，并取得了良好的效果。

这种接地方式的优越性具体表现为：

①、有效地降低单相接地工频过电压和弧光接地过电压水平，是消除电压

互感器铁磁谐振过电压的最有效的措施。

只要R£

1（3wC0）（C0为线路对地电容

总和），弧光接地过电压能被限制在2．2UF以下。

对于不同的系统，对地电容不同，电阻取值不同。

对R无论是低阻还是高阻都能达到抑制电压互感器谐振电压和断线谐振电压的目的，当然R愈小，过电压水平愈低，但同时应兼顾通过人体的接地电流不明显增加。

②、可简化继电保护，实现快速切除故障，缩短电压持续时问。

这样，限制带故障运行有助于性能优良的无间隙氧化锌避雷器的推广应用。

从保证保护具有足够的灵敏度的角度来考虑，要求R不宜太大，对接地过流继电器，如果架空线电网中性点电阻电流为100A，则故障线中总零序电流比其它回路的电容电流大得多，从而保证了动作的选择性。

对接地方向继电器，零序电流的功率因数是影响灵敏度的重要因素，当接地电流的有功分量与电容电流之比大于2时，接地方向继电器才能可靠工作。

（2）中性点经电阻接地方式的缺陷有：

①、对于有架空线的配电网，一般配有自动重合闸，中低阻接地方式在单相接地时，开关的跳闸率将大大增加，但绝大多数接地故障是由于架空线接地引起的，并且70％～80％的单相接地跳闸可以重合成功，只是对开关的性能提出了更高的要求；

然而由于电缆线路不设置重合闸，采用小电阻接地方式的电缆网络不会使跳闸次数有明显的增加。

②、关于过渡电阻。

如果单相接地不是金属性的，而是经过一过渡电阻接地，当