毕业设计（论文）谐振基地系统单相接地故障选线研究

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1、 学号_ _ 密级_ 武汉大学本科毕业论文 谐振基地系统单相接地故障选线研究院（系）名 称：电气工程学院专 业 名 称 ：电气工程及其自动化学 生 姓 名 ：指 导 教 师 ： 二一二年三月BACHELORS DEGREE THESIS OF WUHAN UNIVERSITYResonator base system single-phase grounding fault line selection researchCollege ：Electrical engeering collegeSubject ：Electrical engeering and automationName ：

2、Directed by ：Yuan Jiaxin Vice professor March 2012郑 重 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘 要本文所研究的课题主要涉及到 35kV、10kV 及其以下的中低压配电网，最主要的是 10kV 中压配电网。配电网络(Distribution Network)是电力

3、系统中二次降压变电所低压侧降压后直接向用户供电的网络，一般由多条出线（架空线路或电缆线路）、降压变压器、断路器与各种开关、接地装置、通信与控制设备、测量与计量仪表及继电保护与选线装置等构成，按照一定的规则运行，以高质量的电能持续满足用户的需求。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，

4、不但严重威胁着电力系统安全和人身安全，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。关键词：谐振接地，单相接地，故障，选线AbstractThis project mainly involves 35kV, 10kV and below in the low voltage dist

5、ribution network, the most important is 10kV medium voltage distribution network. Distribution network ( Distribution Network ) is the power system of two substation low pressure side pressure directly to user power supply network, generally consisting of a plurality of outlet ( overhead line or cab

6、le ), a step-down transformer, circuit breaker and switch, grounding device, communication and control equipment, measurement and meter and relay protection and line selection device and so on, according to certain rules of operation, to high quality power can continue to meet the needs of users.In

7、the rapid development of modern society, electrical equipment is ceaseless grow in quantity, not only for the electricity demand is bigger and bigger, and the power supply reliability requirements are also getting higher and higher, especially in the low voltage distribution power network capacity e

8、xpansion, its limits is ceaseless and outspread, line branch, to the complex, cable line is increasing, in the design of construction quality can not be guaranteed, on one hand the operation reliability of power grid is reduced,operation of the grounding fault probability increases greatly, on the o

9、ther hand, capacitance to ground of the network is more and more big, when grounding fault occurs, easily in the grounding arc, not only seriously threaten the safety of power system and security of the person, but also greatly affects the reliability of power supply, must be restricted earth fault

10、harm and timely and accurate troubleshooting. Selection of suitable grounding mode is restricted earth fault hazard in an effective way, and meet the line selection and fault location is an important means of troubleshooting.Operation experience suggests, voltage level is low, grounding fault more.

11、From the point of fault types, the most common is the single-phase grounding fault, occupy 80% above about. Single phase to ground fault in distribution network are often more complicated, in single phase to ground fault line selection problems under ground fault processing of the most representativ

12、e problem.Key Words: Resonant grounding, grounding, fault, line selection目 录第1章 绪论 1.1 配电网接地方式的发展趋势11.2 小电流接地方式对选线的影响21.3 选线问题的难点41.3.1 信息采集问题51.3.2 选线原理的科学性51.3.3 选线的基本要求5第2章 谐振接地系统单相接地故障的理论分析及Matlab建模2.1 谐振接地系统单相接地故障的理论分析72.1.1 稳定接地时中性点位移电压的变化规律82.1.2 电抗折算112.1.3 消弧线圈的工作原理132.2 谐振接地电网的Matlab建模14第3

13、章 小电流接地系统选线技术的分析与讨论3.1 故障信号的来源163.2 小电流接地系统选线方法的分析与评述163.2.1 谐振接地方式下的选线方法173.3 小电流接地选线装置的发展趋势20第4章 基于调节脱谐度的选线方案 4.1基于调节脱谐度的选线判据214.1.1 零序电流幅值的增减型判据214.1.2 零序电流幅值的比值型判据244.2 仿真验证26结论33致 谢34参考文献35第1章 绪论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的方式，也称大电流接地方式

14、，包括中性点直接接地和中性点经小电阻接地；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 (Neutral Ungrounded System, NUS)，中性点经消弧线圈接地（即谐振接地）系统 (Neutral Resonant Grounded System, NES )，经高阻或中阻接地系统(Neutral Resistor Grounded System, NRS )，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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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。1.2 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

21、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

22、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。

23、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。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

24、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。总之，要求选线装置能够在小电流接地条件下实现准确选线，并能根据不同的接地方式采用相应的选线原理。1.3 选线问题的难点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

25、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

26、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

27、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，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

28、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。1.3.1 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

29、度以及滤波算法对信息采集结果的影响也比较大。1.3.2 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。1.3.3 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

30、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。第2章 谐振接地系统

31、单相接地故障的理论分析及Matlab建模2.1 谐振接地系统单相接地故障的理论分析本课题研究的最终目的是得出一个比较实用的选线算法，并将其应用到实际装置中去。不同接地方式的系统在发生单相接地时有不同的特点，作为提出选线方法以及验证各种算法的基础，有必要进行深入的理论分析与仿真验证。首先画出中性点谐振接地多出线系统在发生稳态单相接地故障时的等效电路图，如图 2.1 所示。图2.1 谐振接地多出线系统在发生单相接地时的等效电路图为了进行故障状态下的稳态分析，在等效电路图中做了一些简化，说明如下：1）对于中压配电网，其主变压器一般为Yd 接法，本文所研究的配电网处于变压器的副方，没有中性点，因此消弧

32、线圈一般通过接地变压器接到三根母线上，本图中为简单起见，直接接于三相电源的中性点。变压器在三相电路中的漏感及接地变压器的感抗可以折算到消弧线圈电感L中。2）线路的电感、电阻以及对地电容、电阻均为分布参数，为简单起见，按集中参数处理，不会影响选线原理的正确性。3）图中计及了线路的电感、电阻、消弧线圈的等值损耗电阻、线路对地电阻。通常，为突出消弧线圈的补偿原理以及选线原理，这些参数均可忽略。4）仅考虑接地电阻为一个线性电阻的情况。2.1.1 稳定接地时中性点位移电压的变化规律中性点位移电压在电网的理论分析中起了十分重要的作用，电网中性点电压的变化规律为提出准确的选线方法以及选定消弧线圈的启动判据都

33、提供了理论依据。通常采用对称分量法分析图 2.1所示的电路，但是采用对称分量法的前提是未发生故障时三相线路参数完全对称这种特殊情形，对于一般情形应该采用电路的基本定律分析电路，得出一般等效电路。假设 A 相发生单相接地故障，根据基尔霍夫定律，用节点电压法表示中性点位移电压（即 N 点对地电压）为： （2.1）说明： 为A相所有线路电感、电阻与线路对地电阻、电容的等效电抗，即式中为 A 相所有线路的等效电阻，为A相所有线路的等效电感，为 A 相所有线路的等效对地泄漏电阻，为A相所有线路的等效对地电容；类似；分别为三相电源电动势。设，则，。将三相电势表示为：,，其中为A相相电压。根据（2.1），当

34、补偿电网无单相接地故障时，在不引入消弧线圈的情况下，中性点电压为： (2.2)称为由三相对地电容和泄漏电阻不平衡引起的中性点不对称电压。由此式2.1化为： (2.3)于是可以绘出经故障电阻接地时补偿电网的等效零序回路图，如图 2.2 所示。 图2.2经接地时补偿电网的零序回路等效电路图图2.2 清晰的揭示了在发生单相接地故障时电网零序回路中各电抗之间的连接关系，为简单分析中性点位移电压的变化规律提供了依据，也为提出实用的选线算法供了参考。同时也可以看出，在发生单相接地故障时，故障点不但同各条回线的对地电容（或者并联对地电阻）构成回路，而且也同消弧线圈支路构成回路，故障点接地电流等于系统对地电容

35、电流与消弧线圈电流之和，由于消弧线圈的补偿作用，使本来就不明显的故障接地电流变得更小，增加了测量与选线的难度。在电网正常运行情况下，图 2.2 中的Rf为无穷大，此时系统中性点电压由三路对地参数不对称导致的决定。当发生单相接地故障时，系统中性点电压由和共同决定。但一般认为电气设备三相绝缘运行条件和污秽情况大致相同、架空线路经过充分的换位，即三相对地泄漏总电阻和对地总电容大致相等，这样很小，并且一般配电网线路中各相对地的泄漏电导比对地电容的导纳小得多，在进行中性点位移电压的粗略估算时，可忽略对地电导与消弧线圈等值损耗电阻，并设为系统对地总电容。因此式（2.3）可以简化为： （2.4）写成有效值的

36、形式，为： (2.5)式中为相电压有效值。由公式（2.4）可以得出位移电压的轨迹是关于的一段半圆圆弧。绘出电压的矢量变化图如下： 图2.3 从到0变化时，系统三相对地电压及中性点位移电压的向量变化 图2.3是在消弧线圈的感抗大于系统对地容抗的情形下的电压向量关系图，是中性点位移电压的方向与本图关于横轴对称。由图可见：1）中性点位移电压随着接地电阻阻值从到0变化，在零到故障相的负的额定值之间以向量的形式变化。2）故障相的电压值随接地电阻的变化，在额定值和零之间变化。3）非故障相的电压值，通常情况下不相等，其中一相先上升后下降，另一相电压先下降后上升，两者最终都达到3倍额定相电压值。系统中发生接地

37、故障时，意味着 从突变到一个有限值，也随之突变，因此中性点位移电压的突变可以反映系统发生了接地故障，突变量的大小可以指示接地电阻的大小。故可用中性点位移电压的突变量作为消弧线圈的启动判据以及估算接地电阻大小的依据。对于接地故障发生在线路中间以及末端的情况，其等效电路比较复杂，但仍可用的突变量作为消弧线圈的启动判据以及估算接地电阻大小的依据，而其对选线结果的影响可以在线路防震的时候验证。另外，需要说明的是，对于输配电系统没有自然中性点的情况，可以认为引出一个中性点。常用的办法是在三相线上接一个三相曲折形联接的中性点接地变压器，如图2.4所示。 图2.4 经接地变压器引出中性点的补偿电网等值接线图

38、心思电力变压器相同，但是每个心柱上仅有一个绕组，并分为二部分，三个心柱上的半部分绕组互相联接，单相接地故障发生时，同一心柱上的二半部分绕组中的电流方向相反，大小近似相等，因此不产生扼流效应，从而允许流经消弧线圈的电流可以自由地由接地变压器的中性点流入电网线路中。因此，本质上图2.4与图2.1两情况无差别，因此，前面推导的公式对经接地变压器中性点谐振接地的补偿电网同样适用。2.1.2 电抗折算在实际应用中并不关心线路的电感、电阻等线路参数，我们关心的是线路的对地电容、电阻等对地参数。线路的对地电容、电阻的大小与线路长短、离地高低（架空线）、导线材料等有关，但其余参数均可折算到长度参数中。采用电抗

39、折算符合消弧装置的实际运行过程，可以更清晰的揭示消弧线圈的运行原理以及方便推导选线算法。对于消弧线圈的阻抗模型，用等效变换原理对其进行并联变换，有： (2.6)反过来有 (2.7)于是有 (2.8)公式（2.1）中的，也须进行并联变换，折算成对地电容、电阻的并联的形式： (2.9)式中的折算形式与类似。图2.5为折算之后的等效电路图，它简单直观，更容易分析。图2.5 电抗折算之后的等效电路图2.1.3 消弧线圈的工作原理消弧线圈是基于谐振原理运行的可调电抗装置。图 2.5中、均很大，很小，在分析消弧线圈的工作原理时可以忽略。由此绘出简化的等效电路图如下：图2.6 消弧线圈的工作原理图由上图可见

40、，中性点谐振接地的系统在发生单相接地故障时，若实时调节消弧线圈的电感，使之与系统对地电容在基波频率下并联谐振，就可以使流过接地电阻的电流（主要是工频电流）变得很小，从而起到消弧的作用。现在所开发的自动调谐消弧线圈一般都是在发生接地故障之后立即调节（减小）其电感，使其在谐振值附近运行。这种消弧线圈主要包括两个方面的运行：对地电容检测和自动调谐。在系统无接地故障时一般都要进行对地电容检测，此时消弧线圈在回路中呈现很大电感；在发生接地故障时，其自动控制系统立即根据此前所测的系统对地总电容来调节消弧线圈的电感，使感抗值大致等于容抗值，利用电感电流补偿接地电容电流，使接地点的故障电流迅速减小直至电弧熄灭

41、，之后消弧线圈停止补偿，切换到正常工作状态也就是对地电容检测状态。这两个运行状态的切换是依靠检测中性点位移电压是否大于阀值电压UTH进行的4750。在实际的对地电容检测算法中，均是检测中性点处对地呈现的总电容，线路参数已经折算在对地参数之中。2.2 谐振接地电网的Matlab建模为验证并比较已知的各种选线算法，本文采用Matlab仿真软件对前述的等值接线图建立了仿真模型。Matlab 仿真软件的Simulink工具箱中的SimPowersys模块为观测有多条出线的电网在单相接地时的电流、电压变化规律提供了直观的依据。仿真模型主要考虑以下几个方面：1）忽略电源及变压器影响，采用理想和无穷大电源和

42、变压器模型；2）将系统的复杂出线等效为 24 条出线，各出线的参数按长度折算；3）将线路的分布参数按一定长度下的集中参数处理。4）各线路参数取电缆线路的参数：线路电阻取0.09，线路电感取0.28mH/km，对地电容0.21F/km，系统阻尼率取4%；也可以取架空线的参数：线路电阻取0.23/km，线路电感取5.4mH/km，对地电容6F/km，系统阻尼率取4%；消弧线圈电感为0.824H；其等值损耗电阻取为消弧线圈感抗的4%；按照消弧线圈的全负荷容量800kVA取对地总电容为63.5F。利用选取的仿真参数根据前述公式利用Matlab的绘图函数绘出电路中电压、电流的变化规律。当检测到接地故障发

43、生时，中性点电压的幅值发生突变，消弧线圈根据是否大于而决定是否投入补偿。根据式（2.31），可以得知在电网对地总电容及消弧线圈电感一定的情况下（），中性点电压幅值随接地电阻变化的规律。用仿真参数代入，绘图如下： 图2.8 突变电压随接地电阻变化曲线图根据公式可以得知在接地电阻不同时，故障线路和正常线路零序电流幅值的变化规律。代入仿真参数（取接地电阻10,100,500,1000），绘制故障线路和正常线路零序电流幅值曲线图如下：图2.9 故障线路、正常线路零序电流随接地电阻、脱谐度变化曲线图图中f10表示故障线路10接地，m10表示正常线路10接地，余者类似。可见利用Matlab仿真工具，可以进

44、一步得出谐振接地系统中各相关量的变化规律，为探讨以及建立选线算法提供了依据。第3章 小电流接地系统选线技术的分析与讨论3.1 故障信号的来源故障信号的来源共有以下几种：1）接地故障引起的中性点电压突变2）各回线零序稳态电流3）各回线的零序暂态电流4）各回线的负序电流 5）外加的注入电流3.2 小电流接地系统选线方法的分析与评述在此主要对目前比较流行的选线方法做一讨论，为提出本文所采用的选线方案提供参考。首先分析适用中性点不接地系统的选线方法，因为在各种选线方法中，中性点不接地系统的选线方法是其余接地方式下选线方法的基础，各种选线方法都是在分析比较中性点不接地系统选线方法的基础上提出来的。将图2

45、.1以及2.2中的消弧线圈电感支路去掉，重画中性点不接地系统中零序电流分布图如下： 图3.1 中性点不接地系统中各回线零序电流分布图图中省略了由于系统对地参数不对称引起的不平衡电压。由图3.1可见，在发生单相接地故障时，系统中各支路电流有如下的关系： （3.1）而故障线路零序电流与其余线路的零序电流有如下的关系： （3.2）式（3.1）、（3.2）中为流过接地电阻的电流，为故障线路本身的零序对地电容、对地电阻电流，为非故障线路所检测到的零序电流，而为故障线路所检测到的零序电流。由式（3.1）可见，当中性点不接地系统发生单相接地故障时，接地电阻同所有回线的对地电容和并联的对地电阻构成回路，故障点

46、的接地电流恒等于系统总的对地电容、电阻电流之和；由式（3.2）可见，故障线路的零序电流等于所有非故障线路零序电流之和，故障线路零序电流的方向与非故障线路零序电流之和的方向相反，是由非故障线路流向故障线路。因此，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。这是中性点不接地系统的一个非常重要的特点，目前绝大多数的不接地系统的选线方案都是基于这一特点提出来的。精确检测出这一电流是实现准确选线的关键，也是最大的难点。这主要是由于配电网对地电容电流一般很小，系统单相接地故障电流不大，当然这也是所有选线方法的共同问题。3.2.1 谐振接地方式下的选线方法1）5次谐波法考虑到系统正常运行时存在一

47、定的谐波，其中3倍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次谐波感抗是基波的5倍，系统对地电容总容抗却变为基波的1/5，所以消弧线圈远远不能补偿系统中的5次谐波电流。因而在谐振接地系统中，可以近似为故障线路的5次谐波电流大小等于所有非故障线路的5次谐波电流之和，方向与非故障线路的电流方向相反。通过对

48、零序5次谐波电流作幅值或相位比较，可以实现故障选线。2）有功分量法这种方法是基于消弧线圈只能补偿故障点的容性无功电流而不能补偿有功电流这一特点提出来的。一般来说，在谐振接地系统中，当发生单相接地时，同正常线路相比，故障线路中零序电流所含有功分量较大。这一有功分量主要来自消弧线圈本身的电阻损耗和接地点电弧的有功功率损耗。根据有功分量的分布特点，选线装置可以采集系统中性点位移电压和各回线的零序电流，进行分析处理，有功分量最大者即为接地线路。这种方法与零序电压、零序电流的极性无关，一般故障线与非故障线有功分量大小差别较大。但是它受电网结构影响较大，当电网出线较少，各线路零序阻抗差异较大时，不能保证正

49、确性；有功分量也存在幅值太小的问题，而且受零序电流互感器不平衡电流影响很大。3） 残流增量法残流增量法基本原理是，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档前后零序电流的变化量，其中最大者即为接地线路，因为它等于改变消弧线圈脱谐度前后电感电流的改变值，而其他线路基本不变。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。但这种方法是以损失一些

50、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，并且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；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。本文将对这一方法进行理论上的深入探讨，并提出改进的选线方法。4）注入信号法目前实际应用的主要是“S注入法”，其电路接线图如图3所示。此方法不利用小电流接地系统在单相接地故障时产生的故障信号，而是利用单相接地时原边被短接暂时处于不工作状态的接地相的电压互感器，人为向系统注入一个特殊信号电

51、流（例如220Hz的电流），用寻迹原理跟踪该信号的通路来实现接地故障选线。当系统发生单相接地时，注入信号电流仅在接地线路的接地相中流动，并经接地点流入地。利用一种只反映注入信号而不反映工频及其谐波成分的信号探测器，对注入电流进行寻踪，就可实现单相接地故障选线与接地点定位。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。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；接地电阻较大时线路上分布电容会对注入的信号分流，给选线带来很大干

52、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。图3.2 S注入法原理图5）注入变频信号法为解决“S注入法”在高阻接地时存在误判的问题，文献3提出注入变频信号法。其原理是根据故障后位移电压大小的不同，选择向消弧线圈电压互感器副边注入谐振频率恒流信号还是向故障相电压互感器副边注入频率为70Hz的恒流信号，然后监视各回线上注入信号产生的零序电流功角、阻尼率的变化，比较各回线阻尼率的大小，再计及线路受

53、潮及绝缘老化等因素，得出选线判据。这种方法同样有S注入法的一些缺陷，并且当接地电阻较小时，70Hz信号电流大部分都经故障线路流通，非故障线路电流幅值较小，阻尼率误差较大。6）增量函数法根据该方法，构造函数在所有非故障线路中均为0，在故障线路中不为0。其构造函数的实质是将发生接地故障前后的各回线对地电抗值分别相减，故障线路由于接地后附加了接地电阻，使增量函数不为0；而非故障线路对地参数未发生变化，增量函数恒为0。这一方法除了采用各回线的稳态零序电流作为故障信号来源，还采用了中性点位移电压，精度较其它方法有所提高。基于构造函数的方法还有文献提出的能量法以及改进能量法。7）暂态分量法暂态分量法是一类

54、方法的总称。它既适合于中性点不接地系统也适用于谐振接地系统，目前其主要应用以谐振接地系统为主。它主要分为暂态分量幅值、暂态分量方向等方法。暂态分量幅值法是根据故障线路暂态分量幅值等于非故障线路之和，即故障线路幅值大于非故障线路原理进行选线。暂态分量方向法根据故障线路暂态分量方向与非故障线路相反的原理工作，基本过程与暂态分量幅值法相同，也可以同时使用暂态分量的幅值和方向信息。近年来引入的小波分析方法，为许多基于暂态分量的选线方法注入了新的活力，使得基于暂态分量的方法日益受到广泛关注。但目前使用暂态分量有着较大的不足：金属性接地时暂态分量只在接地后的首半波出现，不会重现，不易捕捉；故障信息容易受暂

55、态信号的干扰；暂态信号频率较高，受技术条件限制，对暂态信号进行实时检测比较困难；目前选线装置都是利用零序电压越限来启动选线程序，很多故障都是渐进过程，故障最初暂态过程发生一段时间后零序电压才越限，此时记录的波形已经不满足暂态信号选线的前提。当前，采用暂态分量法的选线装置大部分停留在理论分析和试验阶段，投入使用的产品很少。3.3 小电流接地选线装置的发展趋势顺利实现接地故障选线的关键在于如何能够有效的在幅值很小的故障信号中找寻故障线路和非故障线路的差别。为解决这一问题，学术界主要从以下几个方面开展研究：1）装置精确度的提高选线装置要提取的故障信号主要是各回线的零序电流信号，而在小电流接地系统中，

56、往往故障零序电流信号很小，当它低于零序变换器容许下限时，必然会受到变换器非线性特性的影响。零序变换器的特性是影响该问题的重要因素，在这方面，日本利用光导纤维研制出了光电零序互感器OZCT；我国也有学者业已开始这方面的研究。2）方法研究无论是稳态量的计算，还是暂态量的提取，均需要一个行之有效的方法。新兴数学工具和数字信号处理技术的广泛应用，为方法研究提供了很好的基础。恰当选取一个合适的计算方法或工具，是该方向取得进展的关键。根据新兴数学工具的推广应用，提出了应用小波分析、模糊推理或模式识别来实现故障选线的多种方法，取得了比较好的效果。随着人工智能技术在电力工程中应用的发展，提出将贝叶斯决策和多层

57、前馈神经网络分别用于故障线路选择，仿真实验都获得了令人满意的结果。3）故障定位的要求随着自动化水平的提高，电力运行部门对故障选线问题提出了更高的要求要求在正确选线的基础上能够进行故障定位，国内外已有学者进行了这一方面的研究，近两年 IEEE 的文章已经开始把目光聚集在于故障定位的问题上，主要着眼于新技术、新方法的应用。总之，小电流接地选线的研究主要集中在新技术、新方法、新工具的应用上，整体上朝着综合、智能、集成的方向发展。第4章 基于调节脱谐度的选线方案4.1基于调节脱谐度的选线判据4.1.1 零序电流幅值的增减型判据令、分别为线路、对地电抗占系统对地总电抗的比值，当各回线的参数基本相同即时，

58、的倒数就是系统出现数目。为一个纯实数，令,式（2.18）可以表示为，因此不但表征了接地电阻引起的附加阻尼率，而且其倒数表征了其串联分压比。考虑简化之后的情形，可以化为： (4.1) (4.2)根据式（4.1）和（4.2）可以通过 Matlab 绘图函数绘出各线路零序电流幅值变化趋势图。下面的四幅图是采用两组参数绘制的： 这是根据式（4.1），在参数为电压6000V，接地电阻100，20条线路，系统总容抗51，阻尼率d=0.04的情况下画的随脱谐度变化的Matlab计算图。而根据式（4.2），在此参数下的变化图如下：在电压600V，4条线路，每条线路对地电容均为，接地电阻为50，阻尼率d=0.0

59、4的情况下，随脱谐度变化的Matlab计算图则如下图所示：在此参数下，的变化图如下：上面四幅图表明，故障线路的零序电流随脱谐度的变化趋势因出线数目、接地电阻附加阻尼率的不同而有较大差异，当改变消弧线圈脱谐度时，其零序电流的幅值并不单调增大或单调减小，有可能完全不变；正常线路零序电流的变化趋势大致相似，均关于原点对称。在线路较少、接地电阻较大的情况下，故障线路和非故障线路的零序电流在0.2 表现出大致相同的变化趋势。而在线路较多、接地电阻较小的情况下，故障线路和非故障线路的零序电流在脱谐度由0向1变化时增减趋势不同，可以利用这一特点选出故障线路。式（4.1）、（4.2）以及图 4.3、4.4 中

60、出现的最大值、最小值现象，表现在线路中就是当消弧线圈的脱谐度由全补偿向两侧变化时，消弧线圈电感和对地总电容的并联电抗值均逐渐变小，其分压值即中性点位移电压值减小，接地电阻分压值增大（参见图2.6），且全补偿时故障线路的电容电流分量大于电阻电流分量。当脱谐度由全补偿向欠补偿方向（由0向1）调节时，流过接地电阻的电流与本线路的对地电容电流方向相反，产生抵消，所以在=附近达到最小值；继续向欠补偿方向变化时，电阻电流增大的幅度超过电容电流减小的幅度，故障线路的总零序电流逐渐增大。正常线路的零序电流幅值则因中性点位移电压值的减小而一直减小。当脱谐度由全补偿向过补偿方向调节时，流过接地电阻的电流和本线路的对地电容电流方向相同，开始时电阻电流的幅值由于接地电阻分压的增大而增大，增大的幅度超过了因中性点位移电压减小带来的线路对地电容电流减小的幅度，故障线路的电流呈增大趋势；后来则因接地电阻电流幅值增大的幅度逐渐小于线路对地电容电流减小的幅度而使故障线路总零序电流在到达最大值以后逐渐减小。简言之，从全补偿向两侧调节脱谐度时，故障线路的零序电流的分量有两种变化趋势，一方面其电阻电流分量因接地电阻分压增大而增大，另一方面其电容电流分量因中性点位移电压减小而减小，且增大、减小的幅度前后