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小电流接地系统接地选线研究

2019-01-25 44页 doc 108KB 16阅读

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小电流接地系统接地选线研究保密类别编号 武汉大学珞珈学院 毕业论文 小电流接地系统选线研究 系别 专业 年级 学号 姓名 指导老师 武汉大学珞珈学院 2014 年 5 月 18 日 摘要 我国的中低压配电网多采用小电流接地系统,因其在提高供电可靠性上具有得天独厚的优越性而得到广泛应用。而此系统发生最多的是单相接地故障,所以如何快速准确地检测出故障线路一直是电力系统继电保护的重要研究课题,当小电流接地系统发生单相接地故障时,长时间的接地运行极易形成两点或接地短路,弧光接地还会引起全系统过电压,破坏系统的安全运行。因此必须尽快选...
小电流接地系统接地选线研究
保密类别编号 武汉大学珞珈学院 毕业 小电流接地系统选线研究 系别 专业 年级 学号 姓名 指导老师 武汉大学珞珈学院 2014 年 5 月 18 日 摘要 我国的中低压配电网多采用小电流接地系统,因其在提高供电可靠性上具有得天独厚的优越性而得到广泛应用。而此系统发生最多的是单相接地故障,所以如何快速准确地检测出故障线路一直是电力系统继电保护的重要研究课,当小电流接地系统发生单相接地故障时,长时间的接地运行极易形成两点或接地短路,弧光接地还会引起全系统过电压,破坏系统的安全运行。因此必须尽快选出接地线路。 本文论述电流接地系统单相接地故障的特点,分别了中性点不按地系统和经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时的特征。回顾了小电流接地系统单相接地选线保护的发展历史和国内外的各种保护原理和方案,详细分类讨论了目前现有的各种选线方法的理论依据和特点及其适用范围,由于当小电流接地系统发生接地故障后,在短时间内不影响对负荷的连续供电,因此,应该尽可能多的发掘和利用单相接地故障引起的尽可能多的电气特征将之有机综合,研究有效的复合选线方法,使其能够动态的自适应的根据接地故障具体情况进行选线,从而提高选线精度。其次重点介绍了一种小电流接地系统单相接地选线与定位的新原理——“S注入法”,即在系统发生单相接地故障时,人为向系统注入一个特殊信号电流,再用寻迹原理进行选线定位. 关键词:小电流接地系统单相接地故障选线继电保护消弧线圈 S注入法 ABSTRACT Power systems with unearthed or a compensated neutral are popular in China,which can improve the reliability of power supply.The single phase to earth fault happens most frequently in distribution,thus how to detect the fault line quickly and accurately is an important subject in electronic power system protective relaying.When single—phase to earthfault occurs,it doesn't form a short circuit.The fault component is small,phase—to—phase voltage keeps symmetrical,so it needn't trip immediately andkeep operating for one or two hours.Long—time earthing operation,however,will destroy the systematic safe operation asthe result of two—point,more seriously,multipoint earthing as well as the systematic over voltage caused by arc light.Thus how to detect the fault line quickly and accurately is an important subject in power system protection,which has not been solved completely. This paper presents the characteristics of single phase—to—earth fault in small current neutral grounding system and reviews the developing history of the relay about the selection of single phase-to-earth fault 1ine in small current neutral grounding system all over the world,as well as traits and restrictions of various selecting criteria are analyzed in detail.However,theoretical analysis and operating experiences indicate that each criterion has limits and shortages,no one can select the fault line correctly in all kinds of conditions.Then,it introduces a new type of principle about the selection of fauIt1ine and the location of fault point in this system--the special signalinjection method. Keyword:Small current neutral grounding system single phase—to—earth Fault selection of fault line protective relaying arc suppressing coils special signal injection method 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) 5.3 S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100Ω时的仿真 (25) 5.4.2接地过渡电阻为1KΩ时的仿真 (27) 结论 (31) 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] 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。 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 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。 (1)原理综述 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。 (2)运行状况分析 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D I .为:...∑+=C L D I I I 式中:L I .为消弧线圈的补偿电流,∑C I . 为全系统的对地电容电流。由于,L I .和∑C I .相位相差为?180 。D I .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L I .=∑C I .(全补偿),二是L I .<∑C I .(欠补偿),三是L I .>∑C I . (过补偿)。全补偿是置c t X X =,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L I .=∑C I .,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。 (3)系统特点 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)3(10wC R ≤(0C 为线路对地电容总和),弧光接地过电压能被限制在2.2ΦU 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,当架空线路断线落地(水泥路或沥青路),甚至掉在树上,其过渡电阻有可能达到600 左右,这对接地电流有很大的影响,将使得继电保护灵敏度降低而影响系统安全运行。 2.3小电流单相接地故障的判断与分析 快速排除单相接地故障的前提是要及时准确地判定单相接地故障。常见的小电流单相接地故障有以下几种: (1)单相完全接地。在发生单相完全接地时,故障相的对地电压为零,其他两相的相电压升高了3倍,而线电压大小和相位不变,只是中性点发生偏移。 电压互感器开口三角处出现100V电压,电压继电器动作,发出接地信号。 (2)单相不完全接地。当发生一相不完全接地(即通过高电阻或电弧接地)时,故障相的对地电压降低,非故障相的对地电压升高到大于相电压而小于线电压。电压互感器开口三角处的电压达到整定值,电压继电器动作,发出接地信号。 (3)PT断线。断线即电压互感器的保护熔断器烧断,一般可以分为一次侧断线和二次侧断线。PT一次侧断线又可分为全部断线和不对称断线。全部断线时二次侧电压全部为零,电压互感器开口三角处电压也为零;不对称断线时对应故障相的二次侧无相电压,非故障相的二次电压不变,电压互感器开口三角处有电压。二次侧断线时,故障相的对地电压为零,电压互感器开口三角处无电压。 (4)空载母线假接地。用变压器对空载母线充电时开关三相合闸不同期,三相对地电容不平衡,使中性点位移,三相电压不对称,发出接地信号。这种情况只在操作时发生,只要检查母线及连接设备无异常,即可以判定,投入一条线路,接地现象即可消失。 (5)消弧线圈接地。消弧线圈是一个具有铁心的可调电感线圈,当系统中三相参数不对称,消弧线圈的补偿度调整不当,有倒运行方式时,会报出接地信号。此情况多发生在系统中有倒运行方式操作时。经汇报调度后,可先恢复原运行方式,消弧线圈停电调分接头,然后投入,重新倒运行方式。 (6)铁磁谐振。在合空载母线时,可能激发铁磁谐振使电压增大,继电器动作,报出接地信息。此情况也发生在倒闸操作时,可立即送上一条线路,破坏谐振条件,消除谐振。[3] 第三章 各种单相接地选线保护方案 由于配电网结构复杂又不尽相同,单相接地故障又具有多样性,使得现有的选线装置不能满足现场需要。多年来,继电保护工作者在这一领域进行了众多颇有成效的探索和研究,根据不同的故障机理和特征提出了多种不同的选线方案,研制出多种自动选线装置在现场投入运行,但是理论分析和运行经验表明,这些方法仍然存在各自的缺点和动作死区,有待于进一步探讨和完善。 对于目前的各种选线理论,根据其是否利用及如何利用故障电气量特征,可分为三大类,第一类:利用接地故障暂态特征分量的选线方案;第二类:利用接地故障稳态分量的选线方案:第三类:利用其他特征量的选线方案。以下将逐类进行分析讨论。 3.1利用接地故障暂态特征分量的选线方案 在一般情况下,由于电网中绝缘被击穿引起的接地故障,经常发生在电压接近于最大值瞬间,此时故障相电压下降,非故障相电压升高,因此故障相对地分布电容存在放电过程,非故障相电容存在充电过程,系统要从一个稳态过渡到另一个稳态,使得故障电流的首半波存在着剧烈的暂态过程,其信号特征极其丰富,可以用作选线判据,且不受是否经消弧线圈接地的影响。 (1)暂态分量的比幅比相法(首半波法) 由于接地故障多发生在相电压接近峰值时刻,暂态过程非常明显。不同电网暂态信号的频率一般几百到几千赫兹,衰减时间约1/4个工频周期。最大暂态电流和稳态电容电流之比近似等于暂态频率与工频频率之比,因此,暂态电流幅值可比稳态值大几倍到几十倍,达到几十到几百安培。而对于谐振接地系统,流经消弧线圈的暂态电流变化速度远小于暂态电容电流的变化。同时,消弧线圈的感抗随着频率的增高而增高,而电容的容抗同时下降,因此,采用暂态分量法可以忽略消弧线圈的影响。 暂态零序电流一般由多个按指数衰减的正弦信号组成,其中某个信号在故障线和健全线中都占主要成分,称其为主频信号,故障线路远大于健全线路,并且与所有健全线路极性相反,以此作为选线依据。 幅值比较的方法可以利用各条出线的峰值来进行幅值比较,但单一的峰值不能充分利用整个暂态信息且容易受到噪声的干扰。因此采用计算各条出线的真有效值方法,可以增加检测的灵敏度和可靠性。暂态信号的真有效值定义为:∑==N j kj k i N I 1 2001 其中:kj i 0第k 条出线第j 个采样数据,k i 0为第k 条出线暂态信号真有效值,N 为暂态信号的总采样个数。 相位比较的方法,可以选用某一单一条出线m 作为参考线路。其他所有线路依次和参考线路作暂态零序电流采样值的内积运算[4]:∑=?=N j km mj kj i i P 100 ,当 0>km P 表明第k 条出线和参考线路同极性,否则表示反极性。如果参考线路只和某一条线路反极性则该出线为故障线路;所有线路同极性则判为母线接地。由于 幅值比较法不能检测母线接地故障,而相位法当某些健全线路暂态信号过小时容易受噪声影响。将幅值和相位特性结合起来选线可以克服各自的缺点。该结合方法在稳态法中亦有所应用。 ●局限性 ①、当线路在故障相电压接近于零瞬间发生单相接地故障时,在首半波时线路中过渡电流的数值并不大。 ②、当过渡电阻数值较大时,系统中不会产生周期衰减的过渡电流,同样也达不到首半波零序电流数值最大的要求。 (2)基于小波分析的选线方法 当系统发生单相接地时,故障电压和电流的暂态过程持续时间短并含有丰富的特征量,而稳态时数值较小,因此在接地故障检测中选用一种适合分析其暂态分量的新理论,将有利于故障选线。小波分析可对信号进行精确分析,特别是对暂态突变信号和微弱信号的变化较敏感,能可靠地提取出故障特征。一个信号分解成不同尺度和位置的小波之和,利用合适的小波和小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后,易看出故障线路上暂态零序电流特征分量的幅值包络线高于非故障线路的,且其特征分量的相位也与非故障线路相反,这样就能构造出利用暂态信号的选线判据。但电力系统的实际运行是复杂多变的,可能出现暂态分量小于稳态分量的情况,这时就应对母线零序电压和各出线零序电流进行基波的小波系数提取,然后类似地构造选线判据。近来很多基于小波理论的选线方案被提出和应用。 ●局限性 尽管利用小波变换良好的时域局部性对故障电流进行分析,已取得了一定的进展。但实验表明干扰和过渡电阻对这种方法的影响比对其它方法更严重些。随着配电网的发展,电力电子装置、电弧炉、家用电器等各种非线性用电设备的增多,使得配电网的谐波问题越来越严重,这在一定程度上影响了该种方法的准确性。因此该种方法到理论上获得突破,直至实现商品化还有很长的路要走。[5] 3.2利用接地故障稳态特征分量的选线方案 (1)零序电流比幅法 中性点不接地系统单相接地短路时,流过故障元件的零序电流在数值上等于所有非故障元件对地电容电流之和,即故障线路上的零序电流最大,所以只要通过零序电流幅值大小比较就可以找出故障线路。但这种方法不能排除CT(电流互感器)不平衡的影响,受线路长短、系统运行方式及过渡电阻大小的影响,且系统中可能存在某条线路的电容电流大于其它线路电容电流之和的情况。可见此法在理论上就是不完备的,并且由于局限性大误判率高已经逐渐被新的相对比较法所取代。 (2)零序电流群体比幅比相法 所谓群体比幅比相法,是对于零序电流电压绝对值比较的一种扩展和改进。群体比幅法:当系统中任意一条线路发生单相接地故障时,接地线路中的零序电流是接于同一母线上的所有健全线路的零序电流之和,因而大于任何一条健全线路。于是把接于同一电压母线的所有线路视为一个群体,故障发生时,该群体中所有线路同时参与零序电流幅值相对比较,感受最大幅值的即判定为故障线路。其优点是采用相对幅值比较,具有“水涨船高”的特点,避免了绝对值整定等不 确定因素,选线精度较高。同理,群体比相法:即在任意一条线路接地时,接地线路零序电流相位与所有健全线路相位相反。于是将所有线路视为一个群体,故障发生时,该群体中所有线路同时参与零序电流相位相对比较,方向与其他线路相反的即判定为故障线路。由于时针效应,当某条接地线路接地电流很小时,相角误差较大,而且由于CT 的磁滞以及放大电路的角度偏差,使得比相法常常出现误差,因而在实际中得到较多应用的是群体比幅法。 (3)零序电流群体比幅比相法的扩展方法 根据零序电流电压特点进行相对比较实现选线的还有一些扩展方法: ① 三个电流方案(简称为3C 方案) 为了克服小电流系统单相接地电容电流的随机性,避免接地电阻、运行方式、电压水平和负荷的影响,使设定值具有随动系统的特点,提出了“3C 方案”,即监视零序电压,一旦出现越限,则计算零序电流并进行排队,取出前三位最大零序电流的线路,然后进行相位比较,其中一条相位与其余两条相反,则为故障线路,若全部同相位,则判为母线故障。这种只判相位的3C 方案是考虑CT 和磁滞的影响,但是投产运行后也出现动作死区,原因在于一旦3.I 较小(当系统较小或者有一两条线路较其他线路长许多),其相位误差很大,由其相位来1.I 或是2.I ,势必出现误判,因此后来又增加了4种方案。[6] ② 两个电流一个电压方案(简称为2C1V 方案) 在3.I 较小而被忽略的情况下,可以引入零序电压0.U ,若1.I 或是2. I 滞后于0.U ,则1.I 或是2.I 接地,若1.I 或是2.I 超前于0.U ,则为母线接地。 ③ 两个电流方案(简称为2C 方案) 根据前两个电流1.I 和2.I 地相对相位进行判线,如果1.I 和2.I 反相则判1.I ;如果1.I 和2.I 同相,则认为是母线接地。 ④ 一个电流一个电压方案(简称为1C1V 方案) 它是按照1.I 和0.U 的相位判线的,当1.I 滞后于电压时判1. I 接地,反之则判母线接地。该方案和无功方向继电器不同,这里已经过了群体比幅,不是每一个和电压进行比较的。 ⑤ 一个电流方案(简称lC 方案) 该方案也称之为最大电流方案,不带极性,即使是母线接地,也判1.I 接地,但是对于实际中这种方案还是有必要的,尤其是老站,因安装CT 多年,极性不清楚地情况下,可以应用该方案。 同时,为将5种选线方案和重判有机结合。采用了模糊方案和概率模型,引入不确定域,使得故障判线结果的可信度大于某一设定值时才动作于保护出口,藉此有效的利用了以上讨论的5种判据方案。 (4)基于零序无功功率方向的选线方法 由中性点不接地系统单相接地时零序电气量的特征分析可知,故障线路零序 电流方向是从母线流向线路,且其相位滞后于零序电压?90,非故障线路零序电流方向是从线路流向母线,且其相位超前于零序电压?90,由此可见,对于中性点不接地电网,其零序电流中主要是容性无功分量,且故障线路的无功分量与非故障线路相反,因此可以根据各线路零序无功功率分量来判断接地线路。由于该方法限于单条线路逐一比较。采用的是非群体判决且需要整定,因此误判几率较高。 局限性 ①、受到过渡电阻大小的影响。当过渡电阻数值很大时,中性点电压偏移很小,线路上流经的零序电流数值也很小,当数值小于一定的精度要求时,同样将会影响到故障选线的准确性。 ②、在经消弧线圈接地系统中,由于零序电流的变化,该法失效。 以上所有基于零序电流电压量比较判断的方案,均需要采集零序电流,由于系统三相所带负荷不平衡及CT 精度等因素的影响,正常情况下,线路也存在一定数量的不平衡电流。尤其是对于无法装设零序CT 的三相架空出线系统,由于三相CT 很难做到参数完全对称,中线上必然有不平衡电流,由于它的干扰,使得以上讨论的方法失去准确性。为了解决这一问题,又提出了基于最大,?sin I 或)sin (?I ?原理的选线方法。 (5)基于最大?sin I 或)sin (?I ?原理的选线方法 该方法主要针对由CT 不对称引起的不平衡电流bp I .对接地电容电流的影响,称为最大?sin I 或)sin (?I ?方案。后者是对前者缺陷的克服和改进方案,其主要做法是:通过一个中间参考正弦信号p U (经处理后的PT 线电压或所用交流电源信号)。使得各线路故障前的零序电流3.0前i I (此时仅有bp I . )对故障母线段h 故障后的3.0h U 亦能找出相位关系,由此再把所有线路故障前后的零序电流都投影到3.0F I 方向。接着,计算个线路故障前后的投影值之差i I 0?找出差值最大者k I 0?,即最大)sin (?I ?。显然,当k I 0?>0时,对应的线路为故障线路,否则为h 段母线故障。 该种方法的本质是寻求最大零序无功功率突变量的代数值,从理论上基本消除了CT 不平衡电流的影响,但也有明显缺陷:首先,计算过程需要取一个参考信号,如果该信号出现问题,将造成该算法失效;其次,该算法在计算过程中需求出有关相量的相位关系,计算量太大,并且亦无法避免“时针效应”造成的影响,一旦相位判别出线误差,则造成选线结果失效。 (6)基于五次谐波分量的选线方法 在经消弧线圈接地的系统中,由于基波零序电容电流得到有效补偿,使得基于基波零序电气量比较的选线方案失效,于是提出了基于高次谐波特征的选线方法。当小电流接地电网中发生单相接地故障时,高次谐波也随之产生。其中,主要为5次谐波分量,它在电网中的分布,与基波零序电流分布情况相同。高次谐 波电流中的容性分量与谐波次数成正比,5次谐波电容电流增大为基波时电容电流的5倍;感性分量与谐波次数成反比,消弧线圈的5次谐波感性补偿电流,减小为基波时的1/5,两者不仅不会互相补偿,甚至后者谐波的感性电流几乎可以忽略不计。这样,不论消弧线圈补偿程度如何,情况均与中性点不接地时几乎相同。因此,从理论上讲,故障线路中的5次谐波零序电流应当大,滞后5次谐波零序电压?90;非故障线路中的5次谐波零序电流较小,且超前5次谐波零序电压?90,藉此可以实现故障选线。基于该原理研制的选线装置已投入实际应用,但是由于该原理需要采5次零序谐波电压和在此电压下各线路中的5次谐波零序电流及其相角进行选线,因此受系统及电流电压互感器等非线形元件的影响。当五次谐波值较小时,这些谐波干扰将直接影响选线精度。此外,有的用户本身存在谐波源,向系统输送谐波:且在负荷不对称,特别是当系统发生相间短路或三相短路时,由于测量回路的元件饱和而产生大量的5次谐波,严重影响保护的正确动作,势必使得该原理判线失败。因此实际中应用5次谐波分量进行故障选线的装置效果很不理想。 (7)有功功率分量法 对于谐振接地系统,国内外越来越多的采用了自动跟踪补偿方式,通过实时在线测量系统电容电流,自动调整消弧线圈,实现跟踪补偿。不仅避免了人工调谐的复杂,显著提高了调谐精度,并且在电弧自熄及限制弧隙回复电压等方面起到了积极作用。同时,这些装置多在消弧线圈或其副边绕组上并联或者串联阻尼电阻来限制电网正常情况下的谐振过电压,这些限压电阻的存在成为有功功率分最法选线的基础。 当谐振接地系统发生单相接地故障时,非故障线路不与消弧线圈构成低阻抗回路,故其零序电流为本身接地电容电流;故障线路经接地点与消弧线圈构成低阻抗回路,其零序电流为所有非故障线路的电容电流及LR 串联支路的电流之向量和,即包含有流过过渡电阻的有功电流,甚至在全补偿的情况下流过故障线路中的只有有功电流,因此只要以零序电压为参考矢量,将有功分量取出进行比较,即可实现故障选线的目的。 局限性 ①、若中性点不接地系统发生金属性接地故障,这时过渡电阻为零。系统不存在故障相回路,这时无论是故障线路还是正常线路,在其首端测得的零序电流在滞后母线处零序电压180。方向上分量数值都很小,不能满足精度要求。 ②、当过渡电阻数值很大时,线路中的零序电流数值同样会很小。 为了进行高阻辨识和提高有功分量法的选线精度,目前最新提出了一种有功分量法的改进,称为DESIR 法。其原理是当发生接地故障时,首先从所有馈线中抽取零序电流的基波有功分量,算出故障点的残余有功电流,也即所有馈线零序有功电流的相量和. R I ,并选取该相量和的垂直线作为参考轴,再对所有馈线的基波零序电流在参考轴的投影上进行比较。此时,故障馈线接地电流的投影与各条非故障馈线零序电流的投影不仅相位相反,而且数值最大,据此便可检出故障馈线。 当电网发生单相永久接地故障时,残流中的基波有功分量与电压同相或相差?180,因此故障点的残余电流.δI 在零序电压上的投影便等于它自身的有功分量。DESIR 检出故障线路的唯一性,源于只用所有馈线的零序有功电流总和的相位作 为参考相位。所以,此种接地保护既不要求测量零序电压,也不需要专用的传感器,只要利用现有的电流互感器就可以了。但是该种比较方式依然受到线路长短及限压电阻值大小的影响。并且,由于该方法需要取得较精确的零序电流值,对CT 精度要求较高,应用中对国内多数变电站来说存在一定困难。 (8)能量法 利用接地后零序电流和电压构成能量函数τττd i u s T )()(0000?=。非故障线路的能量函数总是大于零,消弧线圈的能量函数与非故障线路极性相同,网络上的能量都是通过故障线路传送给非故障线路的,因此故障线路的能量函数总是小于零,且其绝对值等于其他线路(包括消弧线圈)能量函数的总和。通过比较能量函数的方向和大小可判别接地线路。 局限性 由于零序能量函数中同时存在电感能量和电容能量,并且电感和电容之间存在能量交换,系统的能量不会释放完。因此能量函数不能完全反应线路由于故障产生的能量关系。 3.3利用其它特征量的选线方案 根据网络接线的具体情况,可利用以下方式来构成单相接地保护。在发电厂和变电所的母线上,一般装设绝缘监察,它利用接地后出现的零序电压,带延时动作于信号。为此,可用已过电压继电器接于电压互感器二次成开口三角形的一侧。 只要本网络中发生单相接地故障,则在同一电压等级的所有发电厂和变电所的母线上,都将出现零序电压,因此,这种方法给出的信号是没有选择性的,要想发现故障是那一条线路上,还需要有运行人员一次短时断开每条线路,并继之以自动重合闸,将断开线路投入,当断开某条线路时,零序电压的信号消失。即表明故障是在该线路之上。 电力系统运行要求发生单相接地故障时能够迅速、准确的判断出故障线路,无数电力工作者为此作了长时间的巨大努力,由于受原理、工艺、技术等方面的限制,至今未有圆满的解决,是国内外长期存在的一大技术难题。以往当一条线路发生了接地故障,需要通过“顺序拉闸法”寻找故障线路,用人工寻线居测确定接地点的确切位置,倒闸操作复杂,造成大量用户供电中断,耗费大量人力、物力。而目前广泛应用的小电流接地系统接地选线装置普遍存在速度慢、准确性差等缺陷,小电流接地系统的单相接地选线仍然是困扰电力系统安全生产的老大难问题。 通过讨论可见,基于任何一种原理的单相接地故障选线方法,都有其各自的针对性,在某些情况下有效,在另外的情况下就可能失效。因此,可以说仅凭一种方法,或者仅凭一种故障特征量不可能对各种单相接地故障均做出正确判断。并且单一的选线方案,无论在何种情况下总是能够选出一条线路,而对这个结果可靠与否无法加以评价,不但不能给现场排除故障提供正确指导,还给现场人员造成误导麻烦,这也是现有选线装置需要解决的问题。 因此,应该尽可能多的发掘和利用单相接地故障引起的尽可能多的电气特征,充分发挥各种不同方法的优越性,扬长避短,并将之有机综合,研究有效的复合选线方法使其能够动态的自适应的根据接地故障具体情况进行选线,从而提高选 线精度。 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 4.1.1单条线路网络 如图4.1所示的小电流接地系统(中性点不接地)d 点发生A 相金属性接地 时,其向量图如图4.2,用.A E 、.B E 、.C E 表示电源的各相电动势。 4.1 中性点不接地系统单相接地示意图 4.2 A 相接地时的向量图 各相对低电压为: ?+?-=-==-==150....150..... 330 j A A C C j A A B B A e E E E U e E E E U U 可见,故障相电压为零,非故障相对地电压升高为原来的3 倍。因此,系 统的零序电压为: .......0)0(3 1)(31A C B C B A E U U U U U U -=++=++= 各相对地电容电流为: .0.150.00..150. 00..333A A j A C C j A B B E wC j I e E wC j jwC U I e E wC j jwC U I =====?? - 用?E 相电动势的有效值,则.A I 、.B I 、. C I 的有效值为: 0 33wC E I I wC E I C B A ??=== 故障线路始端的零序电流为零,即 03). (.....0=-+=++=A A C B A I I I I I I 由此可见,对于单条线路,当线路发生单相按地时,流过故障线路的零序电流为零,所以零序电流保护不起作用。 4.1.2多条线路网络 如图4.3所示 当线路II A 相d 点接地时,电容电流的分布,在图中用“→”表示。类似于简单网络的分析,在此接地电流. D I 为 4.3 两路出现系统单相接线时电容电流分布图 )()()(. ......CF BF C B C B D I I I I I I I +++++=II II I I 有效值 ∑II I =++=00003)(3C U C C C w U I F D φφ 上面两式中:. .....CF BF C B C B I I I I I I 、、、、、II II I I 分别为回路I 、II 、发电机端的非故障线路电容电流; F C C C 000、、II I 分别为非故障线路I 、II 、发电机端的对地电容之和; ∑0C 为全系统没想对地电容的总和。 下面分析各元件(发电机出线端,线路始端)的电流互感器所反应的零序电流。 非故障线路I : A 相电流为零, B 、 C 相中有本身的电容电流,因此,线路始端所反应的零序电流为: ...03I I I +=C B I I I 有效值为 I I =0033wC U I φ 即零序电流的大小为线路本身对地电容电流(电容性无功功率),方向为由母线流向线路。 故障线路II : A 相流出的电流为..D A I I -=II , B 相为.II B I , C 相为.II C I ,因此线路II 始端所反应的零序电流为: .00.0.000...0)(33)(33φφφU C C w j U wC j U C C C w j I I I I F F C B D +I II II I II II II -=+++-=++-= 有效值为 φU C C w I F )(33000+=I II 或 φU C C w I )(33000II ∑II -= 即故障线路上零序电流的大小为全系统非故障元件对地电容电流之和,其方向为由线路流向母线。 发电机δE : A 相流入电流为.D I , B 相流出为)(..II I +B B I I , C 相流出为)(. .II I +C C I I ,因此发电机出线端所反应的零序电流为 .0.033φU wC j I F F = 有效值为 φU wC j I F F 0033= 即零序电流为发电机本身的电容电流,其方向为由母线流向发电机,这个特点与非故障线路是一样的。 4.2 小电流接地系统单相接地故障时的暂态量分析 以上分析了在配电网单相接地故障稳态情况下的电容电流分布,这是目前大多数小电流接地系统中选线装置所用的稳态基波判据原理的依据。下面再对单相接地故障时的暂态量进行分析,以得出基于故障暂态量的选线判据的理论基础。 [7][8] 在一般情况下由于电网中绝缘被击穿而引起的接地故障经常发生在相电压接近于最大值的瞬间,因此可以将暂态电容电流看成是如下两个电流之和: (1)由于故障相电压突然降低而引起的放电电容电流,它通过母线而流向故障点,放电电流衰减很快,其振荡频率高达数千赫兹,振荡频率主要决定于电网中线路的参数,故障点的位置以及过渡电阻的数值。 (2)由于非故障相的电压突然升高而引起的充电电容电流,它要通过电源而成回路,由于整个流通回路的电感较大,因此,充电电流衰减较慢,振荡频率也较低,仅为数百赫兹。 对于中性点经消弧线圈接地的电网,发生接地故障时,中性点的电压要发生变化,反映到消弧线圈中的电流变化率所引起的感应电势与其平衡,由于在故障前0. ≈L I ,因此最大的电流变化率应出现在故障相电压处于最大值附近。 在暂态过程中接地电容电流分量的估算可以利用下图4.4的简单等效网络来进行。 4.4 单相接地故障简单等值电路 图4.4中表示了网络的分布参数R ,L 和C 以及消弧线圈的集中电感K L 。C 为电网的三相对地电容,L 为三相线路和电源变压器等在零序回路中的等值电感,R 为零序回路中的等值电阻(包括故障点的接地电阻),)(t u 为零序电源电压。 由于高频时由K L 引起的电抗K L fL X K π2=非常大,消弧线圈支路几乎可以看成开路。因此,实际上它不影响电容电流分量的计算,可以忽略。同时考虑到接地故障往往发生在相电压最大值的瞬间,此时消弧线圈中的感性电流约等于零。零序电容电流要比它大得多,所以同一电网中,无论中性点不接地或经消弧线圈接地,在相电压接近于最大值时发生故障的瞬间,其过渡过程是近似相同的,可以把消弧线圈忽略不计。 根据图4.4,由电路理论可以写出: )sin(10 00Φ+=++?wt u dt i C dt di L i R m t C C C 决定回路自由振荡的电阻应为接地电流沿途的总电阻值,它包括导线的电阻,大地的电阻以及故障点的过渡电阻。在忽略K L 后对暂态电容电流的分析实际上就是一个RLC 串联回路接通零序电压)sin()(Φ+=wt U t u m 时的过渡过程的分析。 对于架空线路,通常波阻抗为250Ω~500Ω。故障点的电阻较小,弧光电阻可常可忽略不计,由于L 较大,C 较小,所以满足R标准
通信口与上位机通信。 5.1 号注入原理示意图 5.2“S注入法”定位原理 系统发生单相接地时,注入的信号电流仅在母线和接地点之间的线路中流通,越过接地点后,注入信号将不再存在。即沿接地线路进行探测,注入信号电流消失点,就是接地点。 定位特别适应于多分支线的情况。对于有分支线的情况,注入信号也不会流入无接地故障的分支中。利用这一特点,可以查找出接地分支和接地点的确切位置。如下图5.2可见,只要离开分支点6m对每一分支进行探测,探测到信号电流的分支就是接地点所在的分支。 5.2 分支线接地点定位 由于小电流接地故障多种多样,其中大部分为绝缘击穿,通过一段电弧接地, 停电后电弧熄灭,即停电后绝缘恢复。此时即使注入信号电流,也不会形成回路,无法实现故障定位。只有加高压重新击穿接地点,才能再注入交流信号实现故障点定位。 如果加交流高压,最好用50Hz的交流高压。其大小应当和停电前系统的电压相当才能将接地点重新击穿。如果加IOKV高压,考虑到分布电容和线路阻抗以及过渡电阻的影响,需要约5000VA的容量,装置体积大、结构笨重。因此,考虑用加直流高压的方法。加直流高压,不存在分布电容问题,所需容量可大幅减小。 这样,在故障线路断路器出口处加直流高压击穿接地点,注入交流信号电流,对交流信号寻踪,即可找到接地点。此时,线路中流过的电流为恒定直流和注入的交流信号电流之和。 为了使高压恒定直流容量尽可能小,恒定直流的大小应尽量小。但要保证线路中始终有电流流动,才能实现寻踪。设恒定直流为d I,注入交流信号电流为i,其有效值为I,则d I和I应满足下列关系: d I>2*I 5.3 S注入法的应用情况 根据上述原理研制的通用小电流接地系统单相接地选线定位保护。具有如下特点: (1)通用性好,装有消弧线圈二相CT接线的小电流接地系统均适用。 (2)接线简单。无需序电流回路,单母线分段情况人工选线只拉2根电缆,自动选线也只需4根电缆。 (3)定位功能,能迅速查找出接地点所在分支和接地点的确切位置。 (4)查出隐形接地点,如绝缘子内部击穿,变压器内部接地,这类接地点是人工巡线目测法所找不到的。其中TY—O1行为人工探测式的选线定位保护,由于具有上述特点,投入运行后受到了各使用部门的普遍欢迎。该保护已通过省级技术鉴定,获国家发明四等奖,1996年被国家科委列为重点推广项目、国家科技新产品。然而,由于该保护需要人工探测选线、定位,因而存在着自动化、智能化程度不高、不能并用于无人值守变电站的缺点。为适应电力系统自动化的要求而研制出的TY一02型选线定位保护,自动显示故障线路号,配有远传接口,可将接地线路信号经RTU传到调度,还可以通过RS一485或RS一232标准通信口与上位机通信,实现了选线自动化。TY一01、TY一02型保护已量投入运行,遍布全国十几个省市的电力、煤炭、石油、冶金等部门,创造了显著的社会经济效益,取德了良好的使用效果。TY一04型单相接地点定位装置为停电用注入法查找接地点装置,已投入小批量生产。 5.4 基于“s注入法”及其Matlab仿真 建立Matlab环境下的Simulink仿真模型,仿真模型如图5.3 假设断路器(Breakerl)在t=0.05秒时刻闭合,系统发生A相接地故障。延迟0.05 秒,即断路器(Breaker2)在t=0.1秒时刻闭合,注入信号加到线路母线A相中,如图5.3。 注入信号电流峰值为10A,相位为?0,频率220Hz。三相电源容量为300MVA,频率为50Hz,A相初相角为?0,电阻为2Ω、电感为0.5H。三相变压器采用Y-Y不接地方式。 5.3 小电流接地系统注入法选线仿真模型图 5.4.1 接地过渡电阻为100Ω时的仿真 5.4.1故障线路A相 5.4.2故障线路B相 5.4.3故障线路C相 5.4.4非故障线路(line4)A相 5.4.5非故障线路(line4)B相 5.4.6非故障线路(line4)C相 图5.4 各线路的注入电流 各时段电流波形的物理意义: 0—0.05秒是单相故障发生前,经过50Hz滤波器的滤波作用,去掉负荷电流,故障相和非故障相的电流都为零,系统初始化电流为零。 O.05—0.08秒时段:系统在0.05秒时刻发生故障,产生大量的暂态高次谐波电流,致使电流峰值较大,周期较短。经过一个多周期,暂态谐波电流很快衰减完,电流波形只剩下稳态值,趋近于零。 0.1秒系统注入电流信号,这以后的波形是仿真的主要关注点。 如图所示:故障线路中的注入电流信号明显大于非故障线路,故障线路(图5.4.1)中的电流峰值达到2A,而最长的非故障线路1ine4(图5.4.4)中的电流峰值仅有0.2A,相差近10倍。非故障相的故障线路和非故障相线路的电流差别则较小,峰值都接近1.5A。 5.4.2接地过渡电阻为1K 时的仿真 产生的仿真波形如图5.5: 5.5.1故障线路(1ine5)A相 5.5.1故障线路(1ine5)B相 5.5.1故障线路(1ine5)C相 5.5.1故障线路(1ine4)A相 5.5.1故障线路(1ine3)A相 5.5.1故障线路(1ine2)A相图5.5 各线路的注入电流 其它非故障线路注入电流图省略。可见,当接地过渡电阻值增大时,故障线路的其余两相线路和非故障线路对注入信号的分流作用增大。当过渡电阻大于1K 时,由于其它线路的分流作用影响较大,注入法选线的有效率就很低了。 结论 本文深入分析了小电流接地系统的主要特点,包括中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统和经高阻接地系统发生单相接地故障时的暂态电气量和稳态电气量,详细分析讨论了目前存在的主要选线方法的基本原理和其局限性。在Matlab仿真平台下,建立了一个多回路的小电流接地系统的仿真模型,对注入信号法进行仿真分析。 每一种选线方法都有一定的适用范围,如零序电流比幅法就不能用于中性点经消弧线圈接地系统,五次谐波法不能用于干扰严重的系统中,当过渡电阻较大时,零序电流很小,许多基于稳态量的选线法就失效。配电网系统结构、线路对地电容等因素的不断变化,使在自动选线装置中单纯应用一种选线方法,选线的成功率是较低的。只有准确区分各种选线方法的作用域,发挥各种选线方法的互补性,才能提高选线的准确率 参考文献 [1] 牟龙华,盂庆海.供配电安全技术.北京:机械工业出版社,2003. [2] 贾清泉.非有效接地电网选线保护设计[M].北京:国防工业出版社,2007. [3] 崔凯,陈新,张兆国,小电流单相接地故障分析及系统保护原理.科技与生活, 2010 [4] 焦旭升.小电流接地选线原理分析.发电设备,2002(02). [5] 薛永端,冯祖仁,徐丙垠.中性点非直接接地电网单相接地故障暂态特征分析.西安交通大学学报V01.38 No.2。Feb.2004. [6] 张树文,李文毅等.小电流接地系统单相接地保护原理和技术综述.电力情报,1994(2). [7] 要焕年,曹梅月.电力系统谐振接地.北京:中国电力出版社2000. [8] 刘万顺.电力系统故障分析.北京:水利电力出版社1986年. [9] 朱兰,杨奇逊,张利等.小电流接地系统单相接地故障选线防止误判的有效方法探讨.现代电力V01.19№.6,Dec.2002. [10] 肖白,束洪春,高峰.小电流接地系统单相接地故障选线方法综述.继电器V01.29 N0.4,Apr.2001. [11] 肖静.中低压配电网单相接地故障检测的研究:[学位论文].山东大学2002. [12] B Michael Aucion,Robert H Jones. High impedance fault detection implementation issues.IEEE Trans on Power Delivery,1996,11(1). [13] Seppo Hanninen. A method for detection and location of high resistance earth faun.International Conference on Energy Management and Power Delivery. Singapore,March 1998. [14] 贾清泉.提高配电网单相接地故障选线保护性能的研究:[学位论文].北京:华北电力大学 2002. [15] 闰静,金黎,张志成等,小电流接地选线系统的设计与实现.高电压技术2003年12月. [16] 陈为化,杨奇逊,潘永刚等.小电流接地系统单相接地故障实验方法的研究.现代电力 V01.19 No.6 Dec.2002.
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