小电流接地选线系统.doc
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毕业设计
题目：
小电流接地选线系统
院、系：
电气工程及其自动化
姓名：
指导教师：
系主任：
2014年6月8日
小电流接地选线系统
摘要
我国中低压配电网中性点广泛采用小电流接地方式，这种接地方式具有供电可靠性高的优点。
但发生单相接地故障后，由于故障电流微弱、电弧不稳定等原因，单相接地故障选线和故障定位问题长期以来没有得到很好地解决，至今许多变电站仍然使用人工拉路方法查找故障线路和自测法寻找故障点。
本论文重点研究配电网单相接地故障选线及故障定位问题。
通过对配电网单相接地故障暂态过程的深入分析得知：
线路存在串联谐振过程和并联谐振过程，线路发生谐振时，故障线路的阻抗时而程容性，时而程感性，其特性受系统出线数、各线路长度等因素的影响较大，此时故障线路零序电流与所有非故障线路零序电流关系较为复杂。
通过分析多种选线方法的优缺点，本文最终选择了信号注入法。
分析了注入信号法选线定位原理，指出注入信号法实质上是人为增加了零序电流。
讨论了注入信号的探测方法，提出用零序电流互感器探测注入信号的方法。
分析了影响注入信号电流在故障线路中流通的因素和注入信号电流的相位特征，指出注入信号电流的相位特征只能作为选线的辅助判据。
关键词小电流接地系统；单线接地故障；故障定位；信号注入
III
Thesmallcurrentgroundinglineselectionsystem
Abstract
Inourcountry,widelyusedinlowvoltagedistributionnetworkneutralsmallcurrentgroundingmethod,thegroundingmethodhastheadvantageofhighpowersupplyreliability.Butafterthesingle-phaseearthfaultoccurs,suchasweakfaultcurrentandarcstability,single-phaseearthfaultlineselectionandfaultlocationproblemforalongtimehaven'tbeensolvedwell,uptonowmanysubstationstillusemanualpullwaymethodtofindthefaultlineandtheself-testmethodtofindfaultpoint.Thispaperfocusesonpowersingle-phaseearthfaultlineselectionandfaultlocationproblem.
Throughthedistributionnetworkofsingle-phaseearthfaulttransientprocessofthethoroughanalysisthatseriesresonanceprocessandparallelresonantcircuit,circuitresonanceoccurs,theimpedanceofthefaultlineandsometimesChengRongsex,sometimesperceptualprocess,itscharacteristicstoqualifyforthesystem,thelinelengthislarger,theinfluenceofsuchfactorsasthefaultlinezerosequencecurrentwithallnonfaultlinezerosequencecurrentrelationshipismorecomplicated.
Byanalyzingtheadvantagesanddisadvantagesofavarietyoflineselectionmethod,thispaperfinallychosethesignalinjectionmethod.Analyzedtheinjectedsignalpositioningmethodoflineselectionprinciple,andpointsoutthatthesignalinjectionmethodisessentiallyartificiallyincreasedthezerosequencecurrent.Injectedsignaldetectionmethodisdiscussed,andputforwardwiththezerosequencecurrenttransformerdetectionsignalinjectionmethod.Influenceinjectionsignalcurrentisanalyzedintheflowoffactorsinthefaultlineandphasecharacteristicsofthesignalcurrentinjection,pointsoutthatthephasecharacteristicsofthesignalcurrentinjectioncanonlyasanaidinthecriterionoflineselection.
KeywordsThesmallcurrentgroundingsystem;Singlegroundfault;Faultlocation;Signalinjection
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1研究目的及意义 1
1.2国内外技术现状 1
1.3本文主要研究内容 3
第2章小电流接地系统的单相接地故障的电气特征分析 4
2.1小电流接地系统 4
2.2中性点不接地单相接地故障的电气特征 4
2.3中性点经消弧线圈接地单相接地故障电气特征 7
2.4本章小结 9
第3章接地选线技术综述 10
3.1利用稳态信号的接地选线技术 10
3.1.1零序电流幅值比较法 10
3.1.2零序电流方向法 10
3.1.3谐波法 11
3.1.4零序电流有功分量法 11
3.1.5负序电流法 12
3.1.6注入信号法 12
3.2利用暂态信号的接地选线技术 12
3.2.1幅值与极性比较法 13
3.2.2小波法 14
3.2.3暂态能量法 14
3.3本章小结 14
第4章信号注入法 15
4.1注入信号法的提出 15
4.1.1“S注入法”的提出 15
4.1.2从中性点注入信号法的提出 18
4.2注入信号源 20
4.2.1信号源及其功率 20
4.2.2注入信号电流的频率 21
4.2.3注入信号的探测 21
4.3本章小结 23
结论 24
致谢 25
参考文献 26
第1章绪论
1.1研究目的及意义
在配电网系统中，单相接地故障率最高，约占配电网故障的80%以上。
我国的配电网多为小电流接地系统，由于在小电流接地系统中发生单相接地故障时不形成短路回路，只在系统中产生很小的零序电流，三相线电压依然对称，不影响系统正常工作，所以我国的电力规程规定，小电流接地系统可带单相接地故障继续运行1-2小时[1,2]。
这样能够提高供电的持续性和可靠性，这是小电流接地系统的突出优点。
但随着馈线的增多，电容电流也在增大，长时间带故障运行就易使故障扩大为相间短路或两点及多点接地故障。
弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行，所以必须及时找到故障线路予以切除或者找到故障点进行维修。
但是由于单相接地故障产生的故障电流很小等诸多原因，单相接地故障选线定位问题一直没有得到很好的解决。
现有的小电流接地保护不能从根本上解决小电流接地的选线问题，这与电力系统提高供电可靠性的要求与呼声背道而驰。
因此，进一步研究小电流接地系统单相接地故障的诊断方法具有很好的理论和实际意义。
1.2国内外技术现状
1.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时切除故常线路。
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EIEE（电子信息与电子工程国际学术会议）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。
2.法国在使用中性点进电阻接地系统（NRS）几十年后，现在正以NES取代NRS，同时开发出高新技术产品，零序导纳接地保护。
另外，挪威一公司则利用测量空间电场和磁场的相位，反映零序电压和零序电流的相位，研制了挂式接地指示器。
3.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或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。
其选线原理比较简单，不接地系统主要功率方向继电器。
日本在供电、钢铁、化工用点中普遍采用NUS或NRS，所以选线原理简单。
采用基波无功方向方法。
今年来，在如何获取零序电流信号以及接地点分区段方面投入了不少力量，利用光导纤维研制的架空线路和电缆零序互感器OZCT试验获得成功。
4.三十年代德国首次提出利用零序电流的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携带式接地报警装置。
而挪威一家公司则利用空间电场和磁场的相位，反映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。
5.90年代，外国已将人工神经网络原理应用于NUGS单项接地故障保护，并在有关文献提到应用专家系统方法。
随着小波分析的出现和发展，国外有文献提及利用小波分析良好的时频局部性，分析故障暂态电流的高频分量的方法。
6.在我国，6-35KV配电网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。
已经提出的选线方法均以零序电压来启动保护或选线装置，因此可以根据是否利用故障电流来把它们分类，第一类包括:
比幅法、比相法、群体比幅比相法、首半被法、谐波电流方向法、五次谐波分量法、有功分量法、能量法，还有近几年出现的利用小波分析最大原理、模糊推理或模式识别来实现故障选线的多种方法;第二类包括:
拉线法、注入信号跟踪法等。
7.随着选线原理的发展，各种选线装置也相继研制成功。
50年代我国有根据首半波极性研制成功的基地保护装置和零序电流五次谐波研制成功的接地选线定位装置。
70年代后期，上海继电器厂和许昌继电器厂等单位研制生产了一批有选择性的接地信号装置，如反映中性点不接地系统零序功率方向的ZD-4型保护和反映消弧线圈接地系统五次谐波零序功率方向的ZD-5型，ZD-6型ZD-7型保护。
有些运行部门还采用反映零序电流增大的零序电流保护来选线。
80年代中期，我国又研制成功了微机型小电流系统单相接地选线装置，近几年来，随着微机在电力系统应用的推广，相继出现了一些型接地选线装置和适合微机实现的选线理论。
其中南京自动化院的利用比较零序电流五次谐波的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，利用比相原理而实现的单相接地选线装置;山东大学研制出基于群体比幅比相原理的ML-1型以及利用零序电流五次谐波比相原理的MLA-98型小电流选线装置;西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，小波分析法及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DPS技术的基于小波理论的选线装置已经产生。
8.到目前为止，基于上述不同的选项原理，己经先后推出了几代产品，但在实际应用中，效果不十分理想。
而小电流接地系统故障测距问题的研究相对较少，真正用于实际的装置很少见，这同配网自动化水平不相适应。
因此小电流接地系统故障定位问题还有必要进一步研究。
1.3本文主要研究内容
本文就上述的难题做了以下工作：
1.对单相接地故障的电气特征作了分析，总结了中性点不同接地方式的特点，为故障诊断提供理论依据。
2.通过故障后电压的变化提出判断故障相的依据，并总结了完整的选相过程。
3.分析了常用单相接地故障的选线方法的缺点和注入法的优点。
4.详细分析了传统注入法的选线定位原理。
27
第2章小电流接地系统的单相接地故障的电气特征分析
2.1小电流接地系统
我国的配电网采用小电流接地系统，小电流接地系统即中性点非直接接地系统，它包括中性点不接地系统、经消弧线圈接地系统（也称谐振接地系统）和。
由于历史原因和具体条件不同，各个国家的电网中性点处理方式不尽相同，甚至在同一国家、同一地区的同一电压也有不同接地方式并存现象。
在我国3-66kV中低压配电网系统一般采用中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统，所以本文重点分析小电流接地系统中的中性点不接地和经消弧线圈接地系统的单相接地故障特征。
2.2中性点不接地单相接地故障的电气特征
为分析方便，假设A相发生金属性接地短路，忽略负荷电流和电容电流在线路上产生的电压降。
如图2-1所示，各线路上电流方向已标注。
图2-1中性点不接地系统单相接地故障电气原理图
由以上原理图可知系统各参量变化如下：
1.电压
系统A相对地电压为：
（2-1）
B相对地电压为：
（2-2）
C相对地电压为：
（2-3）
故障点的零序电压为：
（2-4）
2.电流
非故障线路的各相电流和三倍零序电流
A相的电流为：
（2-5）
B相的电流为：
（2-6）
C相的电流为：
（2-7）
有效值为：
（2-8）
变压器T上，首先有它本身的B相和C相的对地电容电流的电源，因此，从A相中要流回故障点的全部电容电流，而在B相和C相流出各线路上同名相的对地电容电流。
此时从变压器出线端所反应的零序电流仍然为三相电流之和。
由图2-1可见，各线路的电容电流由于从A相流入后又分别从B相和C相流出了，因此相加后相互抵消，而只剩下变压器本身的电容电流，故有效值为,即零序电流为变压器本身的电容电流。
故障线路各相电流和三倍零序电流
故障相电流：
（2-9）
其有效值：
（2-10）
非故障相电流：
（2-11）
（2-12）
三倍的零序电流：
（2-13）
其效值：
（2-14）
功率
非故障线路的复功率为：
（2-15）
（2-16）
同理有故障线路：
（2-17）
根据以上分析可得到以下几点：
（1）零序网络由同级电压网络中元件对地的等值电容构成通路，与中性点直接接地系统有接地的中性点构成通路有极大的不同，网络的零序阻抗很大。
（2）发生单相接地时，相当于在故障点产生了一个其值与故障相故障前相电压大小相等，方向相反的零序电流，从而全系统都将出现零序电压。
（3）在非故障元件中流过的零序电流，其数值等于本身的对地电容电流；电容性无功功率的实际方向由母线流向线路。
（4）在故障元件中流过的零序电流，其数值为全系统非工作元件对地电容电流之总和；电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线。
2.3中性点经消弧线圈接地单相接地故障电气特征
在中性点不接地的电网中发生单相接地故障时，如图2-2所示，若接地点流过的全系统对地电容电流，若此电流过大，会使故障扩大。
为防止上述情况发生，常在中性点接入消弧线圈。
各级电压网络中，当全系统的电容电流超过下列数值时应装设消弧线圈：
3-6kV电网为30A，10kV电网为20A，22-66kV电网为。
图2-2性点经消弧线圈接地系统单相接地故障电气原理图
如图2-2所示的电网中，电源的三相电动势相等。
为了简便起见，不计电源内部的电压降和线路上的电压降，电源每相电动势的有效值等于电网正常工作时的相电压，电源两相电动势之差等于电网的线电压，变压器中性点经消弧线圈接地。
假设线路2的A相发生金属性接地故障，各线路电压变化以及非故障线路电容电流的分布与中性点不接地系统的情况相同。
由于中性点接地方式不同，此时故障点的接地电流由原来的电容电流变为由消弧线圈产生的电感电流补偿后的残流，但仍具有零序性质。
所以线路2的基波零序电流为：
（2-19）
式中为消弧线圈的补偿电流，而此时从接地点流回的总电流为:
（2-20）
式中为全系统的对地电容电流。
由于和相位相差180。
，几将随消弧线圈的补偿程度而变化，因此，故障线路零序电流的大小和方向也随之改变。
根据对电容电流补偿程度的不同，即补偿度P的大小（这里P定义为:
），可分为以下三种不同的补偿方式:
1.全补偿
全补偿时P=0即的补偿方式，它虽可使接地点的电流为零，但却有严重的缺点，因为此时刚好有式子成立，这正是工频串联谐振的条件。
但是如果三相的对地电容不相等或断路器三相非同期合闸时，出现的零序电压在串联谐振回路中产生很大的电流，此电流在消弧线圈上会产生很大的压降，使电源中性点的电压大大升高，造成设备的绝缘损坏，因而不宜采用这种补偿方式。
2.欠补偿
欠补偿就是P<0即的补偿方式。
采用这种补偿方式时，补偿后的接地点电流是容性的。
它的缺点在于系统运行方式改变时，例如某些线路因检修或跳闸退出运行时，系统的电容电流会减少，以至有可能成为完全补偿而出现危险的谐振过电压。
因此，这种补偿方式也很少采用。
3.过补偿
过补偿就是P>0即的补偿方式。
它没有发生上述过电压的危险，因而得到了广泛的应用，一般选择过补偿度值为P=5-10%。
采用过补偿以后，通过故障线路保护安装处的电流为补偿以后的感性电流，它与零序电压的相位关系和非故障线路电容电流与零序电压的相位关系相同，数值大小也和非故障线路的容性电流相差无几，因此不接地系统中常用的零序电流选线原理和零序功率方向选线原理显然已不能采用。
总结以上分析中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时的结果，可以得出如下结论:
（1）故障相的对地电压为零，非故障相的对地电压为系统的线电压。
（2）全系统出现零序电压，其大小为系统正常工作时的相电压。
（3）欠补偿时，接地故障处的电流超前零序电压90o。
过补偿时，滞后零序电压90o，小于未补偿时的值。
（4）非故障线路零序电流超前于零序电压90o，其大小等于该线路的对地电容电流。
故障线路零序电流的大小等于系统所有非故障线路总对地电容电流与消弧线圈的补偿电流的和，其相位随补偿度而异，欠补偿时滞后于零序电压90o,过补偿时超前零序电压90o[10]。
（3）故障线路始端的零序功率的有功分量和无功分量均小于零；非故障线路始端的零序功率的有功分量大于零，无功分量小于零。
2.4本章小结
本章主要分别分析了在中性点不接地方式系统中和中性点经消弧线圈接地系统中，发生单相接地故障后的线路中各电气量的变化。
第3章接地选线技术综述
3.1利用稳态信号的接地选线技术
目前，已开发出的接地选线装置大多是利用接地故障产生的稳态工频或谐波信号构成，称为稳态选线法。
此外，还有一种注人信号寻迹法，其前提是故障点永久接地，信号比较稳定，因此也归入稳态选线法。
下面简单介绍几种有代表性的稳态选线方法。
3.1.1零序电流幅值比较法
零序电流幅值比较法简称幅值法，它利用故障线路零序电流幅值比非故障线路大的特点选择故障线路。
以前的做法是使用电流继电器，电流继电器在零序电流超过整定值时动作，指示故障线路,继电器的整定值要躲过本线路可能出现的最大对地电容电流。
现在使用比较多的是群体比幅法，应用微机技术采集并比较接地母线上所有出线零序电流，将幅值最大的线路选为故障线路。
由于不需设定门槛值，群体比幅法提高了检测可靠性和灵敏度，但在母线故障时会出现误判断。
幅值法的致命问题是不适用于谐振接地电网。
由于该电网中消弧线圈补偿电流的存在，往往使故障线路电流幅值小于非故障线路；另外一个影响可靠性的因素是故障点电弧不稳定现象，小电流接地故障往往伴随有间歇性拉弧现象，由于没有一个稳定的接地电流，因此可能造成选线失败。
一些装置在试验室模拟试验，甚至在现场进行人为接地试验时选线结果很
准确，但实际应用效果却并不好，这是因为模拟试验时线路异体与地之间是金属性接触，与实际运行中的绝缘击穿现象并不完全相同。
3.1.2零序电流方向法
零序电流方向法简称方向法或相位法,它利用故障线路零序电流与非故障线路方向相反的特点选择故障线路。
一种实现方法是检测零序功率方向，如果某线路的零序无功功率方向为正，即零序电压超前零序电流90o则说明零序电容电流的方向是由线路流向母线，该线路被选为故障线路；另一种方法是群体比相法，选择3个以上幅值最大的线路零序电流，比较它们之间的相位，相位与其他线路相反的线路被选为故障线路。
与幅值法相比，方向法有较高的检测灵敏度，但仍然存在不适用于谐振接地电网的弱点。
因为在过补偿或完全补偿状态下，故障线路零序电流的方向与非故障线路相同；对间歇性接地故障来说，零序电流畸变严重，难以计算其相位，方向法比幅值法更容易出现误判断。
3.1.3谐波法
由于故障点、消弧线圈、变压器等电气设备的非线性影响，故障电流中存在着谐波信号，其中以5次谐波分量为主。
由于消弧线圈对5次谐波的补偿作用仅相当于工频时的，可以忽略其影响。
因此，故障线路的5次谐波零序电流比非故障线路的都大且方向相反，据此可以选择故障线路，称为5次谐波法。
为了进一步提高灵敏度，可将各线路的3、5、7次等谐波分量的平方求和后进行幅值比较，幅值最大的线路选为故障线路。
谐波法优点是可以克
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