小电流接地系统单相接地故障选线装置的设计说明.docx

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小电流接地系统单相接地故障选线装置的设计说明

0引言

电力系统中性点接地方式可划分为两大类：

大电流接地方式和小电流接地方式。

在大电流接地方式中，主要有：

中性点直接接地方式，中性点经低电阻、低电抗或中电阻接地方式；在小电流接地方式中，主要有:

中性点经消弧线圈接地方式，中性点不接地方式和中性点经高电阻接地方式等[1,2]。

小电流接地系统发生单相接地故障时的情况比较复杂，各物理量的变化与系统中性点接地方式、接地点位置、接地电阻值、燃弧和熄弧情况等因素都有关系。

不过接地故障发生后总是先引起各相电压的变化，然后导致各相电流发生变化。

我国6~66kV配电网一般为小电流接地方式。

单相接地故障是配电网中发生频率较高的故障，故障发生后，由于大地与中性点之间没有直接电气连接或串接了电抗器，因此短路电流很小，保护装置不需要立刻动作跳闸，从而提高了系统运行的可靠性，特别是在瞬时故障条件下，短路点可以自行灭弧恢复绝缘，有利于减少用户短时停电次数。

但如果故障是永久性的，系统仅允许在故障情况下继续运行1~2小时，此时必须尽快查明接地线路，以便采取相应措施排除故障，恢复系统正常运行[3,4]。

因此提出小电流接地系统的单相接地故障选线问题。

小电流接地系统的优点是接地故障零序电流小，但微弱的零序电流常混杂在各种干扰信号中，为准确选线排除故障增加了难度。

针对这个问题已有大量的研究，基于不同的原理，提出了许多解决方案，并开发出选线装置在实际工作中取得了一定的应用。

在研究选线算法的初期，主要针对某一具体算法，如适用于中性点不接地系统的群体比幅比相算法，适用于经消弧线圈接地系统的谐波法、能量法、小波法等。

从现场应用情况来看，这些传统的算法的选线效果并不理想，主要原因有：

（1）接地状况复杂，故障状况不同，产生的故障特征量在数值上、变化规律上相差很大；

（2）故障电流微弱，测量精度难以保证；（3）现场的电磁干扰以及工频负荷电流干扰使测量的故障成分信噪比非常低。

受各种干扰因素的影响,故障选线装置测量到的故障特征量（如零序电流、零序功率方向等）具有很大的模糊性和不确定性，同一干扰信号对不同的故障检测手段的影响相差较大，没有哪种单一选线方法对所有故障类型都有效。

另外，由于小电流接地系统的特殊性，运行中因改变运行方式而出现谐振过电压的几率较高，过电压不仅影响设备的安全运行，并且会启动选线装置，造成选线装置误动，影响故障处理。

因此，分析研究各种选线算法，提取特征信息确定选线算法的有效性，将各种选线算法智能融合，分析谐振引起的虚幻接地现象，有效区别谐振过电压和单相接地故障，形成适应性强的选线算法，并为算法的实现建立计算快速、灵敏的硬件平台，实现小电流接地系统单相接地故障快速、可靠选线，将具有重要的理论和实际意义。

1绪论

1.1小电流接地系统研究现状

世界各国的配电网中性点在50年代前后，大都采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式；到60年代后，有的采用直接接地和低电阻接地方式，有的采用经消弧线圈接地方式。

对于故障选线的研究，在前苏联，小电流接地系统得到了广泛应用，并对其保护原理和装置的研究给予了很大的重视，发表了多篇论文，研制了几代装置，在供电和煤炭行业中得到了应用，保护原理从过流、无功方向发展到了群体比幅；装置由电磁式继电器、晶体管发展到模拟集成电路和数字电路，而微机构成的装置较少。

日本在供电、钢铁、化工用电中普遍采用中性点不接地或经电阻接地系统，所以选线原理简单，采用基波无功方向方法，近年来，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和电缆零序互感器OZCT试验获得成功。

德国多使用谐振接地系统，并于30年代就提出了反映故障开始暂态过程的单相接地保护原理，研制了便携式接地报警装置。

法国在使用中性点经电阻接地系统几十年后，现在正以谐振接地系统取代中性点经电阻接地系统，同时开发出了高新技术产品零序导纳接地保护。

而挪威一家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，研制了悬挂式接地指示器。

90年代初，国外已将人工神经网络原理应用于单相接地保护，并有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。

我国从1958年起，就一直对小电流接地系统单相接地故障的选线问题进行研究，提出了多种选线方法，并开发出了相应的装置。

50年代我国有根据首半波极性研制成功的接地保护装置和利用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型保护和反映经消弧线圈接地系统五次谐波零序功率方向的ZD-5，ZD-6，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接地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，相继又出现了一些微机型接地选线装置和适合微机实现的选线理论。

其中由南京自动化研究院研制的微机小电流接地系统单相接地选线装置，其主要原理是比较线路零序电流五次谐波的大小和方向；华北电力大学利用零序电流的五次谐波比相原理研制的ML98型小电流接地系统单相接地微机选线装置等等。

另外，信号注入式接地选线、定位保护利用对外加诊断信号的寻踪实现选线、定位，已在电力系统中获得较为广泛的应用。

为提高选线的正确率国内研究人员不断进行探索，有文献从信息融合的思路出发，提出充分利用多方面的故障信息，探索多种选线方法使之相互融合来提高故障选择判断能力，并提出一种应用D-S证据理论实现的多重故障特征融合选线方法。

在证据理论的应用中，将多信息综合选线问题转化为证据推理问题，使选线结果最大程度得到各个故障信息的共同支持，同时抑止了受到干扰的不良数据的影响。

然而这种综合选线方法运用于现场并不实用，不能解决配电网高阻故障选线困难等根本问题，仅对选线的可靠性做出了改善。

1.2小电流接地系统研究的意义

长期以来，人们针对小电流故障选线问题进行了大量的研究，基于不同的原理，提出了许多解决方案，有的已经开发出选线装置并在实际工作中取得了一定的应用，但现场应用效果都不理想。

美国、日本等国的配电电网采用低电阻接地方式居多，人工增大故障点的接地电流，利用零序过电流保护瞬间切除故障线路，不需要配置单相接地选线装置，美国电力行业一般承认小电流系统技术上的优点，但是出于经济方面的考虑（存在许多私营电力企业，全面的改造在经济上不合算），目前仍保持低电阻接地方式。

在法国由于地下电缆的显著增加和对用户提供电能标准的提高，为能更好地控制接地故障期间的过电压水平，法国电力公司（EDF）通过现场试验和运行考验后做出决定，将全部中压电网的中性点改为谐振（小电流）接地方式。

在采用小电流接地配电系统的俄罗斯、挪威、加拿大等国一直以来使用零序功率方向、零序过电流继电器，也研制了微机式接地故障继电器，但都是单条线路的保护，由于技术方面的原因接地保护被认为难以实现，并没有在选线方面做进一步的研究，而是宁愿在供电网架的结构上增加投资以保证供电可靠性。

继电保护的选择性等因素在一定程度上影响了小电流接地方式在一些国家和地区的应用与发展。

我国由于本身电网的网络结构薄弱从50年代就开始了对小电流接地系统接地选线原理和装置的研究，并且相继推出了几代产品，在该领域发展很快，对该项技术研究处于国际领先水平。

国内接地保护和选线装置经历了继电器式产品、半导体集成电路装置、微机装置的发展阶段。

但是，很多装置因为数据采集速度慢，或者因为数据计算处理、选线速度无法满足实时性要求，或者因为选线原理有一定的缺陷，在灵敏度和可靠性方面尚欠理想，装置在实际使用中的表现不能令人满意。

作为选线技术的发源地，我们小电流接地系统单相接地故障选线课题组对选线技术进行了长期的研究，并且取得了相当大的成就。

2001年1月-2001年12月，课题组建立了国内第一个小电流接地选线的10kV物理模拟实验室，经过多次的实验研究，找到了改进原有选线理论及装置的方法和措施，成功研制出基于工控机技术的小电流接地系统单相接地选线装置。

该装置业已投入现场运行，选线成功率高，充分的验证了选线原理和选线判据的有效性和可靠性。

基于工控机技术的小电流故障选线装置虽然具有速度快、内存大、硬盘大等优点，但是由于存在易损元件、环境适应性差、成本较高，不利于该项技术的进一步推广。

相反，采用单片机控制不仅能够大大降低成本，而且可以提高装置的可靠性。

尤其是近年来，随着计算机硬件的发展，高速度、高性能的单片机产品的出现以及相关应用系统的日臻完善，单片机的应用正在不断地走向深入，这为基于单片机控制的小电流故障选线装置的实现提供了非常好的硬件基础。

各种单片机控制的小电流选线装置纷纷投入运行。

但是现有的单片机控制的小电流选线装置中，因为内存空间不够大或者速度跟不上，导致选线算法单一，不能很好的满足小电流选线实时接收数据、实时判断的要求，从而选线精度大打折扣。

所以，进一步深入研究装置的单片机实现方式是十分有必要的。

本文提出了基于单片机方式的硬件电路的开发方案和软件系统设计方案，尝试了使用C8051F120单片机来解决小电流故障选线问题，具有成本低、体积小、速度快、内存大等优点。

其CPU速度为100MIPS，A/D采样速率达每周期50个点，完全满足小电流选线技术对速度的要求。

而且扩展的内存空间达1M，外存采用128M的FLASH芯片，分别满足了选线程序及故障录波的需要。

2小电流接地系统单相接地故障分析

2.1概述

电力系统的中性点接地方式指的是变压器星型绕组中性点与大地的电气连接方式。

在电力系统网络结构中，中性点接地方式对于系统运行、绝缘、继电保护等各方面都有着决定性的影响。

由于对各种电压等级电网的运行指标的要求日益提高，中性点接地方式的正确选择及其在不同条件下的实施就具有越来越重要的实际意义。

一般而言，中性点接地方式直接影响到：

供电可靠性；线路和设备的绝缘水平；单相短路电流对设备损伤程度；继电保护装置的功能；对通信和信号系统的影响等等。

在小电流接地方式中，主要有：

中性点谐振接地方式（经消弧线圈接地）；中性点不接地方式；中性点经高电阻接地方式等。

小电流接地系统的特点：

1、由于中性点非有效接地，当系统发生单相短路接地时，故障点不会产生大的短路电流，因此允许系统短时间带故障运行；

2、此系统对于减少用户停电时间，提高供电可靠性非常有意义；

3、当系统带故障运行时，非故障相对地电压将上升很高，容易引发各种过电压，危及到系统绝缘，严重时将会导致单相瞬时性接地故障发展成单相永久接地故障或两相故障。

对于110kV以下的中压电力系统，设备的绝缘裕度受经济因素的制约相对较小，降低绝缘水平成为一个相对次要的因素，主要矛盾则转化为单相接地故障电流的危害性，包括供电可靠性、人身与设备安全性，以及对通信干扰等问题的考虑。

所以中压配电网接地方式的选择一般采用中性点非有效接地方式即小电流接地方式。

在我国配电网中，66kV和35kV电网主要采用中性点经消弧线圈接地方式，3kV~10kV电网则以中性点不接地方式为主，个别地区如上海以及北京、广州等的部分城市电网采用小电阻接地方式。

在小电流接地系统中，由于中性点非有效接地，当系统发生单相短路接地时，单相短路接地故障将不会形成大电流的回路，故障电流主要由线路对地电容提供。

这个电流在数值上是很小的。

对于10kV架空线路来说，每30公里线路产生大约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，使得准确找出故障线路成了一个技术难题。

通过对小电流接地系统的单相接地故障机理分析，我们发现虽然接地电流数值上很小，但各线路电容电流的分布具有一定的规律性，所以通过这种可循的规律性就可以依据一定的选线原理确定出故障线路。

2.2小电流接地系统不同接地方式的比较

2.2.1中性点不接地方式

中性点不接地系统，实现起来简单，不需要在中性点接任何装置。

发生单相接地故障时，其接地电流很小，而且不会破坏系统的对称性，故一般允许其带故障继续运行1～2小时。

由于单相接地时故障点电流很小，跨步电压和接触电压都较低，使人身伤亡显著降低，邻近通信线路干扰较小。

但它存在较严重的缺点：

1）发生间歇电弧接地时，会产生高幅值过电压；

2）在单相接地的暂态过程中，会产生较大的过电流。

中性点不接地系统发生单相接地时的特点为：

1）中性点不接地系统发生单相接地后，故障相对地电压为零，非故障相对地电压为电网线电压。

整个系统将出现零序电压，零序电压由零上升至电网正常工作时的相电压，电网中各处的零序电压基本相等，线电压仍然保持对称；

2）故障线路和非故障线路上均会出现零序电流，非故障线路的零序电流数值上等于本线路对地电容电流，方向由母线流向线路，故障线路的零序电流数值上等于所有非故障线路的零序电流之和，方向由线路流向母线；

3）所有非故障线路的零序电流的相位相同，超前于零序电压90度；故障线路零序电流的相位滞后零序电压90度；即故障线路零序电流与非故障线路零序电流相位相差180度。

中性点不接地电网中单相接地的电流为电容电流，对于规模不大的3～35kV电网，该电流只有几个安培，单相接地实际并不影响向用户供电，因为线电压三角形没有改变，从减少跳闸次数保证连续供电来看，采用中性点不接地方式是合理的。

2.2.2中性点经消弧线圈接地方式

对于出线较多，线路长度较长，或者包含大量电缆线路的系统，当其电容电流超过一定数值时，单相接地故障时电弧不易熄灭，这时应采用中性点经消弧线圈接地的方式运行。

消弧线圈是一个装设于配电网中性点的可调电感线圈，当发生单相接地时，可形成与接地电流大小接近但方向相反的感性电流以补偿容性电流，从而使接地处的电流变得很小或接近于零。

中性点经消弧线圈接地故障时，整个系统也出现数值为电网正常运行时的相电压的零序电压，并且故障线路和非故障线路上均会出现零序电流，非故障线路的零序电流在数值上等于自身线路对地电容电流，方向由母线流向线路，故障线路的零序电流数值上等于所有非故障线路的零序电流与电感电流之和，方向不定，视补偿电流大小而定，如果线路零序电流谐波分量方向均流向母线，则为母线接地。

由于接地点残流很小，故很难检测出故障线路。

中性点经消弧线圈接地的系统，其消弧线圈通常安装于各枢纽变电所内，接在零序电抗小、零序漏磁通小的变压器中性点上或接地变压器中性点上且消弧线圈处于过补偿状态，使得故障时电弧重燃的次数大为减少，从而使高幅值的过电压出现的概率减小。

2.2.3中性点经电阻接地方式

中性点经电阻接地分为高电阻接地、中电阻接地、低电阻接地三种方式。

中性点电阻的值，从不同角度考虑差别很大，可归纳为三种取值原则：

（1）限制间歇电弧接地过电压；

（2）限制单相接地电流使其小于三相短路电流；

（3）限制通信干扰。

此种接地方式的优缺点是：

1）可以降低单相接地时非故障相的过电压以及抑制弧光接地过电压，对设备绝缘等级要求较低，其耐压水平可以按相电压来选择；

2）接地时，由于流过故障线路的电流较大，可以比较容易地检出故障线路；

3）有利于消除谐振过电压和断线过电压，避免使单相接地发展为相间故障；

4）当发生单相接地故障时，无论是永久性的还是非永久性的，均作用于跳闸，使线路的跳闸次数大大增加，降低了供电可靠性。

2.3小电流接地系统不同接地方式的故障分析

2.3.1中性点不接地方式的故障分析

中性点不接地（绝缘）是指中性点没有人为与大地连接。

经电位指示装置或测量装置或其它高阻抗接地除外。

事实上，这样的电网是通过电网对地电容接地。

中性点不接地系统发生单相接地故障分析：

电力系统中性点对地绝缘，即为典型的不接地系统,如果发生单相接地，若不记元件对地的电容，那么接地电流为零，不影响对用户供电。

实际上各元件对地都存在电容，特别各相导体之间及相对地之间都存在沿全线路均匀分布的电容。

为了讨论方便，认为三相是对称的，并用集中电容代替分布电容，各相之间的电容对我们讨论的问题没有影响，可以作为三相对称的电容负载处理，这样就可把三相中性点不接地系统单相故障等值简化成图2.1。

图2.1中性点不接地系统单相接地图

Fig2.1Single-PhasePermanentearthinginisolatedneutialsystem

正常运行时，各相对地电压是对称的，中性点对地电压为零，电网中无零序电压。

由于各相对地电容相同,在相电压的作用下，各相电容电流相等并超前于相电压

。

这时，无论采用三角形接法或星形接法,线电流中不存在零序分量，相电压和零序电流的向量图，如图2.2.1所示。

当发生单相接地故障后，三相电路的对称性受到破坏,故障点就出现明显的不对称，当A相发生单相接地故障后，A相对地电压变为零，其对地电容被短接，而B相和C相对地电压升高,对地电容电流相应增大。

过渡接地点f的电流为所有线路电容电流的总和，系统电容电流的分布和向量图，如图2.2.2所示。

图2.2.1相电压和零序电流的向量图

Fig2.2.1VectordiagramofPhasevoltageandzero-sequencecurrent

图2.2.2系统电容电流的分布向量图

Fig2.2.2Vectordiagramofcapacitancecurrentofsystem

当发生金属性接地（即

）故障时，为了便于分析，下面仅考虑故障线路。

显然从图2.2中可以看出：

A相电压：

（2-1）

B相电压：

（2-2）

C相电压：

（2-3）零序电压：

（2-4）

各相电容电流和本线路流过接地点的电流为：

（2-5）

（2-6）

（2-7）

当系统有多条出线时，流过故障点的电流

为：

（2-8）

其中

，j=1,2,3...N为线路对地电容，N为出线的条数。

由此可见，接地电流

超前零序电压

，并由线路流向母线。

故障电流

为正常电容电流的3倍，相电压升高到原来的

倍，零序电压由零上升为正常时的相电压，可用此特征来选择接地相。

正常线路1的零序电流：

（2-9）

在不考虑线路电阻及接地电阻的情况下,3

超前

。

故障线路2的零序电流：

（2-10）

由此可见，故障线路的零序电流除了B、C相分布电容电流，还多了一项从故障点流向母线的故障电流

，使得故障线路零序电流在相位上比零序电压滞后

，幅值比正常线路大。

我们可以利用这一点来确定故障线路。

然而在实际小电流接地故障中，大部分接地故障都是经过渡电阻接地，假设接地电阻为

，根据等效发电机原理（赫尔姆霍斯-戴维南定理），可将其进行等效，等效过程如图2.3。

图2.3中性点不接地系统故障后等效过程示意图

Fig2.3Equivalentfaultdiagramofisolatedneutralsystem

其中：

（2-11）

（2-12）

（2-13）从

两端看进去，等效电容为3C。

所以电网零序电压为：

（2-14）

故障电流为：

（2-15）

当

时为金属相接地，即金属性接地。

随着

的增加,零序电压随着减小，给选线带来困难，但是零序电流与零序电压之间的相位关系没有变化。

通过以上的分析中性点不接地系统具有两个主要优点：

l）运行方面：

电网发生单相接地故障时稳态工频电流小。

2）如雷击绝缘闪络瞬时故障可自动消除，无需跳闸。

3）如金属性接地故障，可单相接地运行，电网可以不间断供电，提高了供电可靠性。

4）接地电流小，降低了地电位升高；减少了跨步电压和接触电压；减小了对信息系统的干扰；减小了对地压网的反击。

5）经济方面：

节约了接地设备或接地系统导体的开支。

6）另外，中性点不接地系统具有四个主要缺点：

l）弧光过电压的危害：

中性点不接地系统发生单相接地时，流过接地点的接地电流是系统总的电容电流，即正常每相电容电流的三倍，这一电流随着电网线路的增加，电网的扩大而不断增大。

另一方面，接地点的电弧也较难熄灭，如果出现稳定电弧，有可能烧坏设备，甚至引起三相短路而扩大事故；在一定条件下，接地点还可能出现间歇电弧（周期性熄灭和重燃的电弧），因为电网总是具有电容和电感，可能形成振荡回路而产生谐振过电压，这种由间歇电弧产生的过电压，称为弧光过电压，其值可达2.5~3倍相电压，对绝缘有非常大的威胁，对弱绝缘击穿概率大。

2）当经过大过渡电阻接地时，零序电流很小，所以故障定位难，不能够正确迅速切除接地故障线路。

3）绝缘水平要求高。

单相接地后，健全相对地电压升高

倍，所以系统的绝缘要按线电压考虑，在绝缘上投资相应要增加。

4）单相接地不能长期运行，虽然绝缘是按线电压设计的，单相接地后，设备绝缘并不危险，可是当单相接地后，长期运行可能引起正常相的绝缘薄弱点击穿而接地，这就造成了两相异地接地短路，出现很大的短路电流，可能造成设备损坏，扩大事故范围。

2.3.2中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障分析

中性点不接地系统发生单相接地,流过接地点的接地电流是电容电流，属小电流接地系统，可是随着系统增大，线路的电容电流增大，使越来越多的瞬时接地故障不能自动消除，而间歇电弧接地引起的弧光过电压使得绝缘受到严重的威胁。

当电容电流超过规定值（（3~10kV）电网为30A；20kV及以上电网为10A），为了防止间歇电弧，可采用中性点经消弧线圈接地的运行方式。

我国部分地区，由于近几年城市建设步伐加快，架空线路不断下地，电缆路的比重逐年上升。

但随着电缆线路的增多，电容电流不断增大，而我国大多数中压电网采用的是经消弧线圈接地方式。

图如图2.4。

图2.4中性点经消弧线圈接地系统

Fig2.4Single-phasepermanentearthinginpterson-coilsystem

正常运行时，各相对地电压是对称的，中性点对地电压为零，电网中无零序电压，消弧线圈中没有电流流过。

各电量特征与中性点不接地一样。

发生单相接地故障时，三相电路的对称性受到破坏，故障点就出现明显的不对称，如当A相发生单相接地故障时，A相对地电压变为零，而B相和C相对地电压升高，对地电容电流相应增大。

同时，故障线路中将有电流流过，接地点f的电流

为所有线路电容电流

和电感电流

的总和。

为了更加清晰地分析电容电流和电感电流的分布特点，可作出如图2.5所示的零序等效网络图。

图2.5等效零序网络图

Fig2.5Equivalentzerosequencenetworkdiagram

中性点经消弧线圈接地电网发生单相接地故障后，其零序电压及非故障线路接地电容电流的特点与中性点不接地电流完全一样。

不同之处在于通过故障线路中的电流包含经消弧线圈接地而产生的电感电流。

在有多条线路情况下，当发生金属性接地时，流过消弧线圈的电流为：

（2-16）

当经过渡电阻接地时，同理，故障点的总电流可根据等效发电机原理来确定，等效过程示意图如图2.6所示。

从

两端看进去,等效阻抗为：

电网的零序电压为：

（2-17）

当

从

，

从

，可利用此特点进行确定故障相。

流过故障点的电流为：

（2-18）

图2.6等效过程示意图

Fig2.6Schematicplotofequivalentproces