毕业设计（论文）预调式消弧线圈接地电网接地选线方法研究

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1、中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： XXX 学 号： 学 院： 信息与电气工程学院 专 业： 电气工程与自动化 设计题目： 预调式消弧线圈接地电网接地选线方法研究 专 题： 指导教师： XXX 职 称： 教授 2009年 6 月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院信电学院专业年级电气工程与自动化2005-3班学生姓名 XXX 任务下达日期： 2009年 2 月 16 日毕业设计日期： 2009 年 2 月 16 日至 2009 年 6 月 20 日毕业设计题目： 预调式消弧线圈接地电网接地选线方法研究毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：1 弄清并理解配电网的中性点接地方式和它们

2、各自的特点，消弧线圈的工作原理、作用和特点。2 弄清并熟悉预调式消弧线圈接地电网中稳态零序电流的分布和特点。3 了解和熟悉小电流接地选线的各种原理，在此基础上提出适合于预调式消弧线圈接地电网中稳态零序电流分布特点的选线算法。4 微机数字信号处理方法实现所提算法。5 用Matlab软件工具搭建预调式消弧线圈接地电网，并用Matlab软件工具设计和搭建微机数字信号处理实现“预调式消弧线圈接地电网接地选线”的电路。院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及

3、工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要我国

4、中低压配电网广泛采用小电流接地方式，这种接地方式有助于提高供电可靠性，但因故障电流小而增加了接地故障检测的难度。对接地线路的准确检测一直是小电流接地系统的一个重要研究课题。谐振接地方式的广泛应用，使得深入研究并解决该接地方式下的选线问题越来越重要。本文是针对谐振接地系统中采用预调式消弧线圈接地时的选线方法进行研究的，在深入分析谐振接地系统发生单相接地故障时零序电流分布规律的基础上，详细地讨论了目前各种小电流接地系统选线方法的原理及优缺点，旨在进一步探索谐振接地方式下更为有效的选线方案。针对预调式消弧线圈接地电网的特点，本文又深入讨论了基于有功分量的选线方案。首先分析了谐振接地系统中有功分量产生

5、的原因及分布特点，在此基础上提出了有功分量方向法和能量函数法两种选线方法，均适用于预调式消弧线圈接地电网。最后建立了MATLAB仿真模型，分别对五次谐波分量法、注入信号法、有功分量方向法和能量函数法进行仿真。并设置了不同的线路参数、过渡电阻值，以验证这四种选线方法的有效性。关键词：谐振接地系统；预调式消弧线圈；选线；MATLABABSTRACTNeutral ineffectively grounded modes are widely employed in medium and low voltage distribution networks of China.They can cont

6、ribute to the reliability of power supply,on the other hand the weak currents caused by them make it hard to detect ground fault.It is an important research subject in neutral ineffectively grounded systems that detecting the ground fault accurately.The situation that the neutral resonant grounded s

7、ystems were mostly employed makes it more and more important to study thoroughly and solve the ground fault detection in this mode.This paper studies on the detection methods of the pre-coordinated arc-suppression coil in neutral resonant grounded systems.Based on a deep analysis on distribution of

8、zero sequence currents when neutral resonant grounded systems have single-phase- to-ground fault,the principle and advantages and disadvantages of various detection methods having existed in neutral ineffectively grounded systems are detailed discussed.All this wok aim at further exploring more effe

9、ctive detection methods in neutral resonant grounded systems.Considered the features of grounded network with pre-coordinated arc-suppression coil,this article deeply discusses detection methods based on active component.Firstly,the reason and characteristic of active component in neutral resonant g

10、rounded systems are analysed,and then,two detection methods,including active component direction method and energy function method,which are all suitable for grounded network with pre-coordinated arc-suppression coil are proposed.Lastly,the MATLAB simulation model is created to simulink quintuple ha

11、rmonics method,signal injection method,active component method and energy function respectively.Different parameters of lines and cross resistance are set to prove the effectiveness of these four detection methods.Keywords: Neutral Resonant Grounded System; Pre-coordinated Arc-suppression Coil; Grou

12、nd Fault Detection; MATLAB目 录1 绪论11.1课题背景及意义11.1.1配电网接地方式的发展趋势11.1.2小电流接地方式对选线的影响31.1.3选线技术的现状与发展41.2选线问题的难点51.2.1故障本身的复杂性：51.2.2信息采集问题61.2.3选线原理的科学性71.3选线的基本要求71.4论文的主要工作72 谐振接地系统单相接地故障的理论分析93 小电流接地系统选线技术的分析与讨论113.1零序电流比幅法113.2零序功率方向法123.3基波群体比幅比相法123.4 五次谐波分量法133.5注入信号法133.6残流增量法（扰动原理）153.7暂态分量法15

13、4 基于有功分量的选线方案174.1零序电流有功分量方向法174.2能量函数法185 谐振接地系统单相接地故障的MATLAB仿真195.1基于五次谐波分量法选线的MATLAB仿真195.1.1多回路的架空线路仿真195.1.2多回路的电缆线路仿真235.2基于注入信号法选线的MATLAB仿真275.2.1接地电阻为100时的仿真285.2.2接地电阻为1K时的仿真305.3基于有功分量方向法选线的MATLAB仿真325.3.1接地电阻为100时的仿真325.3.2接地电阻为1K时的仿真335.4基于能量函数法选线的MATLAB仿真345.4.1接地电阻为100时的仿真345.4.2接地电阻为1

14、K时的仿真346 总结与展望376.1主要研究结论376.2待解决的问题和展望38致 谢39参考文献40翻译部分42中文译文42英文原文54第67页中国矿业大学2009届本科生毕业设计1 绪论1.1课题背景及意义在快速发展的现代社会，用电设备不断增多，不但对电能需求量越来越大，而且对供电可靠性的要求也越来越高，电网尤其是中低压配电网的容量不断扩大，其范围不断延伸，线路分支、走向复杂，电缆线路日益增多，在设计施工中质量不易保证，一方面使电网的运行可靠性降低，运行中发生接地故障的几率大大增加，另一方面电网的对地电容越来越大，一旦发生接地故障，很容易在接地点产生电弧，不但严重威胁着电力系统安全和人身

15、安全，而且极大影响着供电可靠性，必须限制接地故障造成的危害并及时准确的排除故障。选择合适的接地方式是限制接地故障危害的有效途径，与之配合的选线或故障定位是排除故障的重要手段。运行经验表明，电压等级越低，接地故障越多。从故障类型来看，最常见的是单相接地故障，约占80%以上。单相接地故障状况往往比较复杂，配电网在单相接地故障下的选线问题是接地故障处理中最具代表性的问题。1.1.1配电网接地方式的发展趋势电力系统中性点的接地方式是一个涉及到技术、经济、安全等多个方面的综合问题。它可划分为两类，凡是需要断路器遮断单相接地故障者，属于中性点有效接地方式，也称大电流接地方式，包括中性点直接接地和经小电阻接

16、地；凡是单相接地电弧能够自行熄灭者，属于中性点非有效接地方式，也称小电流接地方式。小电流接地系统包括中性点不接地（中性点绝缘）系统、中性点经消弧线圈接地（即谐振接地）系统、经高阻或中阻接地系统、经高阻抗接地系统以及由控制装置控制的灵活接地系统(即根据电网运行情况在线改变系统接地方式或接地元件如线圈、电阻的大小)。大电流接地方式的优点是在系统发生单相接地故障时，系统的对地过电压小，电气设备的绝缘等级可以按相电压选择；故障点和中性点构成短路回路，故障线路的故障电流很大，线路的零序继电保护可以迅速、准确的将故障线路从系统中切除。但在大电流接地方式下无论瞬时性故障还是永久性故障，故障线路的继电保护均跳

17、闸，跳闸次数大大增加，供电可靠性低；投入的继电保护设备成本较高。小电流接地方式中最有代表性的是中性点不接地和谐振接地方式。中性点不接地方式是我国配电网采用最早、运用最多的一种方式，同时也是小电流接地方式中最具代表性的接地方式。采用该接地方式的系统在发生单相接地故障时，在接地点和电网中性点之间不会形成短路回路，故障电流较小；虽然非故障相电压升高，但系统三相之间的线电压仍然对称，短时间内不影响用户的正常用电，供电可靠性高。但在采用这种接地方式的系统中，线路及各种电气设备的绝缘要按线电压设计，造成绝缘投资所占比重加大；当输电线路（尤其是城市电缆）比较长时，对地电容电流会很大，易导致间隙性电弧或弧光接

18、地而不能自行熄灭，引起弧光接地过电压或谐振过电压，对设备绝缘造成威胁甚至引起多相短路，造成严重事故。我国在国家电力行业标准（DLT620-1997）中规定：310kV配电网中单相接地电容电流大于10A时即要求在中性点安装消弧线圈，即采用谐振接地方式。谐振接地方式是在电力系统的中性点加装自动调谐消弧线圈的新型接地方式，其主要优点是能够自动限制接地故障点的电流，使接地电弧瞬间自动熄灭，对消除占绝大部分的瞬间单相接地故障尤其有效；能使接地电流迅速达到最小，避免间歇性弧光过电压的产生；当发生永久性单相接地故障时，也可以使电网在一定时间内带故障运行，使电网具有很高的运行可靠性；不仅以较低的成本解决了配电

19、网在常见的瞬时性单相接地故障时的持续性供电问题，还从某种程度上提高了设备安全与人身安全，降低了对通信线路、铁路信号的干扰程度。可见，小电流接地系统的共同特点是发生单相接地故障时，在接地故障点和系统中性点之间仅形成小电流通路，流过故障点的电流很小，危害相对较小；系统的三相线电压仍然对称，不影响用户供电，可以带故障运行一段时间，供电可靠性较高；对人身及设备有较好的安全性，通讯干扰小。总之，大电流接地方式突出了故障线路的电流特征，配以快速继电保护装置就可以及时、准确的切除故障线路，但因其供电可靠性低，不能满足中低压配电网用户对供电可靠性越来越高的要求，而主要用于高压系统。小电流接地方式能有效限制接地

20、电流的大小，供电可靠性高。丰富的实践结果表明，在选定中低压配电网中性点的接地方式时，限制单相接地故障电流的危害性是必须首要考虑的问题，限制故障电流是接地技术发展的总趋势。因此，小电流接地方式符合接地技术的发展趋势，在中低压配电网中的应用越来越广泛。在小电流接地方式中，中性点不接地方式在电网容量扩大、对地电容电流不断增大的新形势下，难以限制并熄灭故障电弧，且故障选线困难，限制了它的应用；谐振接地方式能够根据运行需要在故障时和非故障时灵活的切换，兼具其它小电流接地方式的优点，从综合经济技术指标来看，谐振接地方式优于其他小电流接地方式，是一种很有前途的新型接地方式，具有良好的应用前景。我国在简化了电

21、压等级后，将中低压配电网的中性点接地方式统一为中性点不接地和谐振接地方式，不但提高了供电可靠性，而且积累了丰富的经验。在电网技术快速发展的今天，谐振接地方式已成为我国中低压配电网的主要接地方式。多年实践表明，谐振接地方式在提高供电可靠性、改善电能质量、保障人身安全、防止设备损坏、降低通信干扰等方面的作用是非常显著的，但谐振接地方式下的故障选线问题一直没有得到妥善解决，成为限制谐振接地方式发展的重要因素。因此，研究在谐振接地方式下的选线问题是接地技术发展趋势的要求，具有重要的现实意义。1.1.2小电流接地方式对选线的影响在配电网接地故障的处理中，逐渐形成了两个方向：一是采用大电流接地方式并在配电

22、网各出线上配以快速继电保护，在出现短路电流时立即动作，迅速准确的切除故障线路，从时间上限制接地故障的危害；二是采用小电流接地方式配以集中选线装置，使电网在发生接地故障后继续运行而不影响用户正常用电，通过选线装置选出故障线路后才切除故障线路，最大限度保障供电可靠性。选线是指对于有多条出线的配电网在发生线路接地故障尤其是单相接地故障时，通过一定的方法对故障信息的分析、判断，选出故障线路的保护技术，选线主要应用于小电流接地系统中。现代选线装置要求能够配合小电流接地技术，在电网发生接地故障时及时、准确的选出故障线路，使运行人员根据需要断开故障线路进而排除故障。选线是在小电流接地技术发展、成熟的过程中逐

23、渐发展完善的，现代微机、电子技术、信号处理、通讯技术、自动化技术以及测量技术的进展对现代选线技术的发展提供了足够的技术支持，目前它已经成为小电流接地系统中必不可少的技术。但选线和小电流接地方式尤其是谐振接地方式在对接地电流的要求方面是矛盾的：小电流接地方式要求流过故障点的电流小，越小越有利于熄弧；而选线要求流过故障点的电流大，越大越有利于突出故障特征，选线越准确。在小电流接地系统中，一方面用于选线的故障信号较弱，有效故障信号难以采集；另一方面故障线路的零序电流与非故障线路故障电流的分布趋于一致，故障线路的故障特征不明显，加之各出线的参数不尽相同，选线装置很难在这种情况下准确选出故障线路。到目前

24、为止，小电流接地选线问题仍然是本领域内比较棘手的问题。许多选线装置目前虽然广泛使用，但没有一种装置能100%的检测出故障线路，选线技术需进一步改进和提高。就选线问题而言，配电网中性点不同的接地方式对选线的准确度影响也很大。采用不同接地方式的配电网在发生接地故障时，故障电流的特性有很大差异，故障电流的特性对选线装置的准确度有较大影响。在中性点不接地系统中，选线装置主要依据故障线路零序电流的大小和方向是一个容易检测的故障特征量这一特点，采用幅值、相位或综合比较的方法确定故障线路。由于故障信号弱、线路参数分布不均匀、接地情况复杂，致使中性点不接地系统中选线装置的准确度很难保证。谐振接地系统中的选线要

25、比不接地系统中的选线更为复杂。这主要是其两方面的特点决定的：一方面是其动作特性的影响，由于消弧线圈的快速补偿作用，接地电流被迅速补偿，使各回线的零序电流值差别不大，并且即便是在故障时刻也难以取得接地电流的较大故障分量，用于选线的故障信息不明显，很难检测判断故障线路。另一方面，消弧线圈常常有欠补偿、全补偿和过补偿三种运行方式，运行方式的不同使故障线路零序电流的大小、方向差异很大，很多选线装置的选线精度受消弧线圈补偿方式的影响很大；另外，消弧线圈种类很多，单独开发的选线装置通常难以与各种消弧线圈配合。因此，要求在谐振接地方式下运行的选线装置能够根据消弧线圈的特点运行，具有很强的适应性并能准确识别故

26、障线路。本文将就谐振接地方式下的选线问题作详细的理论分析。1.1.3选线技术的现状与发展选线必须适合相应的接地方式，在谐振接地方式下，选线技术在很大程度上与消弧线圈的运行特性有关，因此，首先要介绍一下消弧线圈的发展概况。1）消弧线圈技术的发展中性点谐振接地系统中的自动调谐消弧线圈是一种基于谐振原理运行的可调电感线圈补偿装置。当电网发生单相接地故障时，消弧线圈和系统的对地总电容共同与接地点构成谐振电流通路，消弧线圈提供的电感电流能自动补偿电网的对地电容电流，使接地点的故障电流限制在规定值（例如5A）以下，以熄灭接地电弧。当故障点电弧熄灭后，消弧线圈还可以降低故障相接地电弧两端的恢复电压的速度及其

27、幅值，从而减小电弧重燃的可能性。目前广泛应用的自动补偿消弧线圈装置能实时监测系统对地电容电流，并根据电网运行方式的变化，及时、快速地调节消弧线圈的电感值，使脱谐度始终处于规定的范围内，国内外运行经验表明，这种消弧线圈的消弧效果良好，目前已经取代了传统的消弧线圈。消弧线圈自动跟踪补偿装置根据运行方式 ,可以分为预调式和随调式两种： 预调式消弧线圈：在接地故障发生前，调整消弧线圈靠近谐振点运行，在此条件下为使中性点的位移电压不大于 15 %额定电压，需要串联或并联一定数值的限压电阻。调匝式消弧线圈由于靠有载开关调节档位，动作较慢 ,一般采用预调式工作方式。 随调式消弧线圈：在正常运行情况下，消弧线

28、圈远离谐振点运行，中性点位移电压较低，而在接地故障发生后，迅即调整到位，故不需要加装限压电阻。相控式消弧线圈通过可控硅控制，动作速度快，一般采用随调式工作方式。本文主要针对预调式消弧线圈接地电网接地选线进行研究。2）选线技术的发展概况小电流接地系统的故障选线问题在电力行业领域有着悠久的历史。长期以来，很多专业人士对此进行了深入的研究。到目前为止，许多学者提出了多种故障选线原理，按所用故障信号的来源可以分为：利用故障信号本身的方法和利用外加信号的方法。其中利用故障信号本身的方法又可分为利用故障信号的稳态分量和暂态分量两种。利用故障信号稳态分量的方法主要有：零序电流幅值法，零序电流方向法，无功方向

29、法，有功分量法，群体比幅比相法，5次谐波法，残流增量法，增量函数法，负序电流法以及零序导纳法；利用故障信号暂态分量的方法主要有小波法，首半波法。外加注入信号法主要有S注入法和变频注入法。近年新兴的方法倾向于综合选线方法，代表有应用信息融合技术的证据理论选线方法、应用模糊模式识别的选线方法和人工智能技术选线方法。其中，零序电流幅值法、零序电流相位法、无功方向法、基波群体比幅比相法在中性点不接地系统中应用效果明显；而对于中性点谐振接地的系统，现有基于稳态分量的选线方法一般采用有功分量法、注入法、5次谐波法、残流增量法、增量函数法、负序电流法以及零序导纳法；基于暂态分量的选线方法不受消弧线圈补偿度的

30、限制，在谐振接地系统中同样有效。本文将在第三章和第四章对各种选线方法进行分析与比较。1.2选线问题的难点在小电流接地方式下，选线问题的难点主要体现在以下三方面：故障的复杂性、信息采集问题、选线原理的科学性。1.2.1故障本身的复杂性：主要是故障信息本身的构成、电网运行方式比较复杂：1）电流信号太小，故障特征不明显小电流接地系统在单相接地时各回线的零序电流基本上是本线路的对地电容电流，其大小不但与系统规模和线路类型(电缆或架空线)有关，而且与系统出线数目有关，往往电流数值甚小；经消弧线圈补偿后，不但其数值更小，而且零序电流在各回线上的分布比较一致，加之这一小电流又叠加在较大的负荷电流之上，现有电

31、流互感器很难准确检出。在高阻接地时，故障电流呈现更为复杂的小电流特性，准确检测高阻接地故障是所有选线装置提高精度的首要问题。2）干扰大、信噪比小小电流接地系统中的干扰主要包括两方面：一是在变电站和发电厂的小电流接地系统的单相接地保护装置的装设地点，现场的各种电磁干扰相对很大；二是由于负荷电流不平衡造成的零序电流较大和电弧接地时的谐波电流较大，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。加上零序回路对高次谐波及各种暂态量的放大作用,使得检出的故障成分信噪比非常低。3）接地故障的多样性实际上，存在于电网中的故障并不仅仅是单相接地故障，也有一些两相

32、接地故障、三相短路故障、断线故障以及其它一些不常见的故障。故障类型的繁多给选线装置的设计带来了很大困难。选线方案往往是依据单相接地的特征整定的，对于随机出现的其它类型的接地故障，选线装置很难保证选线精度。4）电容电流波形不稳定a、接地电弧的不稳定性按照故障的性质来看，主要是瞬时接地故障和永久接地故障。运行经验表明，小电流接地配电网的接地故障大多数为瞬时性故障，特别是架空线电网和架空线电缆混合电网。瞬时接地故障常常容易形成间歇性弧光接地。实践证明，如果接地电流大于30A时，将形成持续性电弧接地，容易造成电器设备的烧毁甚至引起相间短路。如果接地电流大于510A而小于30A，则有可能形成间歇性电弧，

33、间歇性电弧不但幅值不稳定，而且电弧中含有大量不稳定的谐波分量，很难获取。目前投入使用的许多选线装置在原理上均采用基于稳态电流的选线方法，对于间歇性电弧接地的情况不一定有效，而采用暂态电流选线的装置目前应用较少。b、运行方式的不确定性电网的容量扩大，接线越来越复杂，而大多数选线方案是按照变电站星形出线方式考虑的，不同的接线方式对选线的准确度也有一定影响。我国小电流接地系统的运行方式频繁改变，造成变电站出线的长度和数量也随之改变，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、负荷电流的大小也总在不断变化；故障点的接地电阻不确定等等都造成了零序故障电容电流和零序谐波电流的不稳定。1.2.

34、2信息采集问题主要表现在故障信息的获取困难方面。目前的绝大多数选线装置均依靠零序电流作为选线装置的判断信号，零序电流互感器的精度对选线准确度有至关重要的影响。而现有零序电流互感器的容量往往按照接地电容电流的全负荷选择，在容量较大的情况下，很难保证小电流情况下的精度，而小电流情形恰恰是选线最为关心的。另外，在电流信号从电流互感器向微机选线装置传递的过程中，不免有衰减和受到干扰；AD转换的精度以及滤波算法对信息采集结果的影响也比较大。1.2.3选线原理的科学性选线原理必须根据接地方式、故障特点、信息采集装置的特点、电压等级和电网接线方式等确定。各种不同因素的影响使选线原理必须在一些矛盾的问题之间做

35、出取舍，有些选线原理只能用于特定的接地方式或配合特定的消弧线圈使用，在其他地方使用的时候，就失去了其原理的科学性，因此必须根据实际需要来确定选线原理，而不能将其在不同环境中笼统应用。1.3选线的基本要求1）准确这是选线的首要要求。小电流接地选线装置既要在小信号情况下工作，又要选得准。这个要求很多选线装置难以达到。2）适合相应的接地方式选线装置必须与具体的接地方式配合使用，脱离了具体的接地方式，其选线原理就可能失去了可靠性的前提。目前许多选线装置采用了多种选线方法，在实际应用的时候可以根据不同的接地方式采用相应的判据。3）追加投资小选线装置的实际应用还受到追加投资的影响，一般选线装置是与消弧线圈

36、配套选购的，用户希望在追加投资不大的情况下，得到消弧选线一体化装置。4）快速虽然我国有关规程规定，小电流接地系统在发生单相接地故障后允许继续运行的时间可达2小时，为检查故障、转移负荷赢得了时间，对选线装置的实时性要求不高。但从减小故障危害的角度考虑，仍然要求选线装置在尽可能短的时间内选出故障线路，以进行故障隔离和负荷转移。因此，快速性也是对选线的基本要求。1.4论文的主要工作1）分析了谐振接地电网发生单相接地故障时稳态零序电流的分布和特点，得出一些可供我们故障选线的结论，形成本文工作的理论基础。2）论述当前各种小电流接地选线方法的基本原理及其局限性。分别讨论了基于故障稳态量的零序电流比幅法、零

37、序功率方向法、基波群体比幅比相法、五次谐波分量法、注入信号法、残流增量法，以及基于故障暂态量的小波分析法和首半波法。3）针对预调式消弧线圈接地电网的特点，进一步论述了基于有功分量的选线方案，包括有功分量法和能量函数法。4）通过应用Matlab软件的simulink仿真工具包，建立了一个谐振接地系统的多回路仿真模型，分别对五次谐波分量法、注入信号法、有功分量法、能量函数法四种选线方法进行了仿真。5）结论与展望。2 谐振接地系统单相接地故障的理论分析中性点谐振接地系统在发生稳态单相接地故障时的电流分布如图2.1所示，两条线路的三相对地电容相同，分别为和。正常运行情况下，三相电压对称，对地电容电流之

38、和等于零。图2.1 谐振接地单相接地故障时电流分布假设某个时刻线路2发生了单相金属性接地故障，A相某点接地，对地电容被短接，各电压、电流的相量关系如图2.2所示。 图2.2 单相接地故障电压、电流相量图其中，A相对地电压变为零，非故障相B相和C相电压分别变为相对A相的线电压，幅值升高至倍，中性点电压由零上升为。故障点零序电压为： （1.1）若忽略负载不对称引起的不平衡电流及对地电容电流在线路及电源阻抗上的电压降，则在整个系统中，A相对地电压均为零，非故障相电压幅值升高至倍，即对地电容电流也随之升高至倍。同时，消弧线圈的电感电流经故障点沿故障线返回，因此故障点的电流增加一个电感分量的电流，则如图

39、2.1所示流过故障点的电流是电网中所有非故障相对地电容电流与消弧线圈电感电流之和： （1.2）其中为电网单相对地所有电容的总和，式1.2表明，流过故障点的电流数值为正常运行状态下电网三相对地电容电流与消弧线圈电感电流之和，由于与反相，因此故障点电流将因增加了消弧线圈而减少。非故障线路始端的零序电流为： （1.3）式1.3表明，非故障线路始端的零序电流为线路本身的电容电流，容性无功功率方向为母线流向出线。故障线路始端的零序电流为： （1.4）即故障线路零序电流为所有健全线路电容电流与消弧线圈电感电流之和，由于与反相，其容性无功功率方向将由二者之间的大小关系决定。如果小于，电网处于欠补偿状态；等于

40、，电网处于完全补偿状态；若大于，则电网处于过补偿状态。3 小电流接地系统选线技术的分析与讨论目前国内外已出现并可利用的的小电流接地选线原理或方法有很多，根据实施选线时所采用电气量的不同，选线原理可分为利用注入信号和故障信号两大类，其中利用故障信号的方法又可分为利用故障信号稳态分量法和暂态分量法两类。在此主要对目前比较流行的选线方法做一论述，为提出预调式消弧线圈接地电网接地选线方法提供参考。3.1零序电流比幅法这一方法主要应用于中性点不接地系统，当中性点不接地系统发生单相接地故障时，流过故障线路的零序电流其数值等于全系统非故障线路对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，据此只要通过零序电流

41、幅值大小比较就可以找出故障线路。（1）基本原理对于中性点不接地系统，在故障线路首端测出的零序电流在数值上等于其它正常线路上的零序电流之和，于是可得出如下判据： ， （3.1）上式中M是母线上所有出线的集合，是每条出线首端测得的零序电流值。若存在某线路首端测得的零序电流满足上式，那么f就是故障线路；若不存在满足上式的，则断定为母线发生故障。该式表示在故障线路首端测得的零序电流数值大于同一母线下其它出线的零序电流数值。（2）局限性、零序电流的测量值可能会受到电流互感器由于饱和而产生的不平衡电流的影响。测量点电流互感器饱和引起的零序电流可能改变各条线路的零序电流的测量值，使得它们不能正确反映线路上实

42、际流过的零序电流，从而导致误判。在系统中，当线路长短差异较大时，如果短线路发生单相接地，使其零序电流与未发生接地的最长线路的零序电流差异不是很大，对系统的检测灵敏度就提出了更高的要求。、在中性点经消弧线圈接地系统中，由于消弧线圈电感电流的补偿作用，故障线路首端测得的零序电流数值可能小于某条其他线路首端测得的零序电流数值，故该方法不适用于谐振接地系统。、会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，会被各种干扰信号以及测量回路的各种误差因素，例如电流互感器的不平衡电流等淹没，这将影响到故障选线的准确性。3.2零序功

43、率方向法（1）基本原理这一方法是根据中性点不接地系统中故障线路零序电流的方向与非故障线路零序电流的方向相反这一规律提出来的。中性点不接地系统发生单相接地故障时，其故障线路和非故障线路的零序电流的方向不同，前者滞后零序电压，后者超前。据此以零序电压和零序电流的乘积作为输入信号可构成接地保护。此法在系统运行方式发生改变后无需重新整定，线路的长短影响不大。（2）局限性、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。、在经消弧线圈接地系统中，由于故障线路零序电流大小和方向的变化，该法失效。3

44、.3基波群体比幅比相法（1）基本原理先对各出线的零序电流进行大小比较，选出3条幅值较大的线路作为候选，之后对选出的3条幅值最大线路零序电流进行比相，若某电流与其它两电流反相，则判该电流对应线路为故障线路；若3者均同相，则判为母线故障。此方法实际上是结合了零序电流比幅法和零序电流方向法两种方法，通过选取零序电流数值最大的某几条线路作为研究对象，在一定程度上避免了由于零序电流数值很小而引起的误判。（2）局限性在不接地系统中，这种方法的应用效果较好，但是在线路较短以及过渡电阻阻值较高的时候，零序电流很小，相位误差很大，很难保证选线精度。对于谐振接地的系统，由于消弧线圈在实际运行时补偿度一般不大、补偿

45、方式不定，很难利用零序电流的大小、方向不同来找出故障线路。3.4 五次谐波分量法（1）基本原理系统正常运行时存在一定的谐波，其中3次谐波电流相位一致，流经变压器三相绕组或被削弱或相互抵消，余下的各次谐波中5次谐波含量最大。发生单相接地故障时，零序回路中在故障点处存在非线性过渡电阻，因而导致零序电流含有大量奇次谐波成分，5次谐波分量有一定程度的增加。在中性点谐振接地系统中，消弧线圈主要补偿的是零序基波电流，其感抗按照工频整定，大致等于系统总对地容抗，而由于消弧线圈对5次谐波感抗是基波时的5倍，系统对地电容总容抗却变为基波时的1/5，5次谐波电容电流增大为基波时电容电流的5倍，消弧线圈的5次谐波感

46、性电流减小为基波时电感电流的1/5，所以消弧线圈远远不能补偿系统中的5次谐波电流。不论消弧线圈补偿程度如何，5次谐波在电网中的分布均与中性点不接地时基波零序电流的分布几乎相同，因而在谐振接地系统中，故障线路中的5次谐波零序电流应当最大，方向与非故障线路的电流方向相反，藉此可以实现故障选线。（2）局限性选线灵敏度与电网电能质量有关，因为系统中5次谐波幅值易受过渡电阻和发电机、变压器、负荷及其他非线性元件的影响，在电能质量好的环境中，5次谐波含量较低，即便是在电能质量差的环境中，故障电流中5次谐波的含量一般也仅占基波的10%左右，在经较大过渡电阻接地的情况下数值会更小，很难满足选线灵敏度要求，所以

47、5次谐波法在如今对电能质量要求越来越高的形势下的应用受到很大的局限。另外，由于系统中5次谐波波动较大，使选线装置的参数很难整定。3.5注入信号法（1）基本原理目前实际应用的主要是“S注入法”，它是利用单相接地故障时原边被短接，暂时处于不工作状态的接地相PT人为向系统注入一个特殊信号电流，用寻迹原理通过检测、跟踪该信号电流的通路来实现接地故障选线定位，注入信号电流的基波频率位于工频n次谐波与n+1次谐波之间(n为正整数)。原理示意图如图3.1所示。正常运行时，=57.7V，=0V，主机不输出信号电流。发生单相接地故障时(以A相接地为例)，=0V，=100V。主机根据PT二次电压的变化，自动判断为

48、A相接地，并向A、N端子输出信号电流，如图3.1中虚线(1)所示。此信号电流必然感应到PT原边，其通路如图3.1虚线(2)所示，此电流沿接地线路接地相流动并经接地点入地。可见，只有故障线路的故障相才有此信号电流。因此，用寻迹原理可判断出接地故障线路及接地点位置。这种方法不需增加一次设备，不会对运行设备产生不良影响；注入信号具有不同于系统中任何一种固有信号的特征，对它的检测不受系统运行情况的影响；注入信号电流仅在接地线路的接地相流通，不影响系统的其它部位。图3.1单相接地故障时“S注入法”注入信号的流向（2）局限性注入法的缺陷在于注入信号的强度受电压互感器的容量限制，不能达到很大；接地电阻较大时

49、线路上分布电容会对注入的信号分流，给选线带来很大干扰；弧光接地时谐波含量丰富，注入的信号在线路中将不连续且会破坏信号特征；在现场高、低温恶劣运行环境下工作点容易漂移，导致收不到该电流信号；该法还易受现场强电磁场干扰；再者传感器接收的是空间信号，故障和非故障线信号差异并不很大，有时不能保证选线准确性。3.6残流增量法（扰动原理）（1）基本原理在系统发生单相接地后，通过装设于各回线的零序电流互感器采集各线路的零序电流，然后改变消弧线圈脱谐度，再采集各线路的零序电流，然后求出各线路在消弧线圈调谐前后零序电流的变化量，其中最大者即为接地线路，因为它等于消弧线圈调谐前后电感电流的改变值，而其他线路基本不

50、变。这种选线方法原理简单，不受系统电压和频率波动的影响，判据采用相对值，即零序电流的增量，与零序电流互感器的极性无关，也避免了零序电流互感器和测量回路误差及背景干扰等因素的影响，提高了灵敏度及可靠性。（2）局限性这种方法是以损失一些自动跟踪补偿消弧线圈的功能为代价的。通常认为增大脱谐度易使接地电弧重燃，减小脱谐度容易引起谐振过电压；不能在消弧线圈补偿的时候同时选线；在高阻接地或线路较少的时候，各回线的零序电流都将发生很大变化，故障线路零序电流变化量不能保证最大，在原理上存在不足，故只能配合特定的自动跟踪补偿消弧线圈工作，不能用于其它场所。3.7暂态分量法（1）首半波法首半波原理是基于接地故障发

51、生在相电压接近最大值瞬间这一假设，此时故障相电容电荷通过故障相线路向故障点放电，故障线路分布电容和分布电感具有衰减振荡特性，该电流不经过消弧线圈，所以暂态电感电流的最大值相应于接地故障发生在相电压经过零瞬间，而故障发生在相电压接近于最大值的瞬间时，暂态电感电流为零。此时的暂态电容电流比暂态电感电流大得多，不论是中性点不接地系统还是谐振接地系统，故障发生瞬间的暂态过程近似相同。利用故障线路暂态零序电流和电压首半波的幅值和方向均与正常情况不同的特点，即可实现选线。但故障发生在相电压过零值附近时，首半波电流的暂态分量值很小，以及过渡电阻的影响，易引起方向误判。（2）小波分析法单相接地时，故障电压和电

52、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。根据小波变换的模极大值理论可知，出现故障和噪声会导致信号奇异，而小波变换的模极大值点对应着采样数据的奇异点，由于噪声的模极大值随着尺度的增加而衰减，所以经过适当的尺度分解后，即可忽略噪声影响得到较理想的暂态短路信号。小波变换是把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

53、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。4 基于有功分量的选线方案对于预调式消弧线圈接地系统，由于限压电阻的存在，使得单相接地故障发生时，故障线路零序电流中的有功分量较大。在对现有接地选线保护原理进行分析比较的基础上，针对预调式消弧线圈接地系统，本文着重介绍一下基于有功分量的选线方案。4.1零序电流有功分量方向法在经消弧线圈接地电网中，系统发生单相接地故障后，接地点的电容电流得

54、到消弧线圈感性电流的补偿，使得故障点的残余电流很小，有利于接地电弧熄灭。同时因消弧线圈的补偿作用，故障线路的零序电流方向与非故障线路的方向相同，不易选线。但此时零序电流中的阻性分量与补偿无关，即故障线路的零序电流的阻性分量与非故障线路的零序电流的阻性分量方向相反，且故障线路零序电流阻性分量的绝对值最大。如果能够从线路零序电流中分解出阻性电流分量，则可以利用此值进行选线。零序电流有功分量方向法就是基于这一思想提出来的。为进一步说明零序电流有功分量方向原理，先来分析中性点经电阻接地的系统，其发生单相接地故障时零序等效网络如图4.1所示：图4.1中性点经电阻接地单相接地故障的零序网络由图所知，故障线

55、路3始端所反应的零序电流为： （4.1）非故障线路1、2的零序电流为： （4.2） （4.3）可见，流过故障线路始端的零序电流由和两部分组成，前者由中性点电阻器产生，相位滞后零序电压；后者由非故障线路对地电容产生，相位滞后零序电压。流过非故障线路的零序电流为容性电流，相位超前零序电压。由于有功电流只流过故障线路，与非故障线路无关，因此，只要以零序电压作为参考矢量，将此有功电流取出，就可十分方便地实现接地选线保护。对谐振接地系统，故障线路始端所反应的零序电流除增加一部分感性电流外，其余两部分与中性点经电阻接地系统相同。如果采用预调式消弧线圈，其本身的有功成分较大（实测单相接地时其有功电流达23A

56、），再加上限压电阻的存在，更加增大了故障线路的有功电流值，故该选线方法对预调式消弧线圈接地系统是可行的。4.2能量函数法能量函数法本质上也是对零序电流有功分量进行描述。由于电网中电容和电感只能储存能量而不能消耗能量，那么零序电流和零序电压乘积在一定时间内的积分值就是零序电流在中性点对地电阻、线路对地电导和接地电阻等阻性元件上消耗的有功能量，其特点和零序电流有功分量的特点相一致，故可以据此进行选线。定义某线路j在时间T内消耗的能量为： j=1,2,. （4.4）式中，为零序电压，为第j条线路的零序电流，T为电网工频周期。因为电感和电容只是储能元件，在整数倍工频周期内消耗的能量为零，只有线路电导、

57、中性点接地电阻等消耗能量，根据零序电流有功分量的特点，可知故障线路消耗的能量为负，非故障线路消耗的能量为正，且故障线路能量的绝对值大于非故障的。此方法对预调式消耗线圈接地系统也是可行的。5 谐振接地系统单相接地故障的MATLAB仿真本文第三、四章中介绍了各种小电流接地系统的选线方法，其中有些适用于中性点不接地系统，如：零序电流比幅法、零序功率方向法、基波群体比幅比相法；有些适用于中性点经消弧线圈接地系统，如：五次谐波分量法、注入信号法、残流增量法、暂态分量法、有功分量方向法、能量函数法和零序导纳法。为了研究预调式消弧线圈接地电网的接地选线，本文选取了几种比较适合的方法进行MATLAB仿真。5.

58、1基于五次谐波分量法选线的MATLAB仿真基于五次谐波分量法选线的基本原理及其局限性在3.4节已做了叙述，本节利用Simulink工具建立一个多回路谐振接地系统的仿真模型对该方法的适用性进行仿真。区分架空线路和电缆线路两种。5.1.1多回路的架空线路仿真根据电路理论，电力输电线路的参数严格来讲是均匀分布的，即使是极小的一段，都有相应大小的电阻、电抗、电导和电纳。由于配电网中存在着各种非线性电力电子元件，电力负荷的频繁切换等诸多因素使三相参数不可能平衡，因此采用集中参数模型就存在着较大的误差。要建立输电线路准确的数学模型，利用微分方程或差分方程求解是很困难的。通常根据各自的应用要求，对等值电路进

59、行不同程度的简化。常用的等值电路有短线路的阻抗型，中长线路的型和T型等值电路。本文选用的是SimPowersystem工具箱中的分布参数线路模型(Distributed Parnaleter-Line)。架空线路的参数选用如下：正序电阻 0.17/km，零序电阻 0.23/km；正序电感 1.21e-3H/km，零序电感 5.48e-3H/km；正序电容 9.7e-9F/km，零序电容 6e-9F/km。由于配电网输电线路一般都比较短，故模型中五条线路的长度分别设置为5km、8km、10km、15km、16km。线路故障发生在第五条线路的末端。三相电源容量为100MVA，频率为50Hz，A相初

60、相角为0，电阻为2，电感为0.5H。仿真模型图如图5.1所示：图5.1 五回路架空线路仿真模型仿真参数设置：仿真开始时间(0.0秒)，结束时间(0.1秒)；微分方程解算器选择变步长(Variable-step)，ode45(Dormand-Prince)；最大步长、最小步长、初始步长都选择自动方式(auto)；相对容差为(1e-3)，绝对容差为自动方式(auto)。假设断路器(Breaker)在t=0.035秒时刻闭合，系统发生A相接地故障，仿真频率50Hz。对接地电阻为100和1K时的情况分别进行仿真。（1）接地电阻为100时的线路仿真，结果如图5.2所示：a非故障线路（Line1）b非故障线路（Line2）c非故障线路（Line3）d非故障线路（Line4）e故障线路（Line5）图5.2架空线路五次谐波零序电流（R=100）（2）接地电阻为1K时的线路仿真，结果