硕士学位论文小电流接地系统单相接地故障选线研究

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1、重庆大学硕士学位论文 中文摘要基于MATlAB Simulink的小电流接地系统单相接地故障选线研究摘 要国内外666Kv配电网中性点广泛采用小电流接地(包括不接地、经消弧线圈接地和经高电阻接地)方式，以避免发生单相接地故障(又称为小电流接地故障)时跳闸造成供电中断。对于小电流接地故障，由于故障电流微弱、电弧不稳定和随机因素影响等原因，接地故障选线比较困难，一直缺乏可靠的故障选线方法和高准确度的小电流接地故障选线装置，至今许多变电站仍然使用人工拉路方法查找故障线路。随着人们对配电网自动化水平要求的提高，小电流接地故障自动选线问题更加突出，迫切需要从根本上予以解决。因此，研究高准确度、高可靠性的

2、自动选线技术，对于提高供电可靠性、减少停电损失和提高配电自动化水平具有重要的意义。本文在分析小电流接地系统单相接地故障特征基础上，阐述了小电流接地系统的理论基础以及在不同中性点接地方式下单相接地故障表现出的稳态及暂态故障特征，并对常用及最新的各种选线原理进行了综合评估，指出了各自的优、缺点及适用范围。同时，应用MATLAB Simulink仿真软件的PSB工具箱, 参照实际配电网参数，建立了小电流接地系统仿真模型。结合数字信号处理中的相关分析技术。利用db小波包对小电流接地系统发生单相接地故障后的暂态零序电流进行适当频带宽度的分解，自适应的选出各条线路上故障能量最大的特征频段，对各线路故障特征

3、频段对应小波包分解系数的波形进行两两相关分析，获得相关矩阵，并求出各线路的综合相关系数，最后给出按接地故障发生可能性大小排列的选线结果。大量仿真结果表明这种基于小波包多频带相关分析的选线方法改进了现有的基于小波包和传统首半波法的故障选线技术，提高了小电流接地系统单相接地故障选线的正确率。并且利用信息融合技术对单相接地故障电流信号中蕴藏的各种暂态及稳态信息进行融和，提出了基于小波包多频带相关分析法、基波比幅比相法、5次谐波比幅比相法和有功法的多判据融合选线方法。采用信息融合技术综合利用现有各种原理进行选线，能够充分发挥其各自优势，相互补充，扩大选线的范围。这种多判据融合法较单一的选线方法具有更强

4、的适应性和容错能力，提高了小电流接地系统单相接地故障选线的准确度，保证了选线结果的可靠性。 关键词：小电流接地系统 单相接地故障 小波包 相关分析 信息融合72重庆大学硕士学位论文 英文摘要AbstractNeutral insulated or Peterson coil earthed power network is widely used in Chinas 666kV distribution networks. It can play an important role in improving power supply reliability of distribution ne

5、tworks. But when single-phase-to-earth fault occurs in this kind of network, the faulty line detection is very difficult to be realized because of the low fault current. In order to solve this problem, many researches are carried out mainly in two fields. One is to improve the precision and sensibil

6、ity of detecting elements, and the other is to adopt mathematical methods or tools to analyze original fault information in different ways ,so as to find new faulty line detection theory. Great achievements are made after researches of many decades, a lot of kinds of detecting elements and faulty li

7、ne detection theories are brought forward, but there is no perfect solution till now. In this background , this paper comprehensively expatiated the basal theoretics of small current grounding power system and detailedly described the characteristics of steady and transient state of single-phase-to-

8、earth fault occur in it . Also, this paper introducted every aspects of faulty line detection technology and commented on the strengths and weakness of each theory. And then ,a simulation model based on PSB toolbox of MATLAB Simulink is established ,which is referring to the actual parameters of a d

9、istribution networks.Aim at the faulty line detection theory based on wavelet packets ,which is the most popular topic of faulty line detection research nowadays, an improved faulty line detection method is proposed in this paper by applying both the wavelet packets technology and the correlation an

10、alysis technology of digital signal processing. Firstly, each lines transient zero sequence current, which appears in the small current neutral grounding power system when a single-phase-to-earth fault occurring, is decomposed to obtain the suitable outputs of specific frequency bands. And the chara

11、cteristic frequency band of each line, in which the transient capacity current is most concentrated, is chosen out adaptively according to the view of maximum energy. Secondly, the correlation analysis between each lines waveform of wavelet packets decomposition coefficient corresponding to its char

12、acteristic frequency band is carried out, so as to acquire the correlation matrix and then get each lines integrated correlation coefficient. Finally, the result of faulty line detection is obtained, which is arranged by the size of the probabilities to occur the grounding fault. Large numbers of MA

13、TLAB simulation result showed that this method based on correlation analysis of wavelet packet muti-frequency had ameliorated the existent faulty line detection technology based on the first semiwave method or on the traditional wavelet packets method. It had made great progress in enhancing the acc

14、uracy of faulty line detection. But many experiences showed that there is no single faulty line detection method suitable for all kings of practial situation. So this paper introduced information fusion technology to fully make use of all the steady-state and transient-state information of sing-phas

15、e-to-earth fault current and proposed a multi-criterion fusion faulty line detection method. Large numbers of MATLAB simulation result showed that this method based on information fusion technology had integrated many useful faulty line detection method and can exert the excellences of each one, enl

16、arge the range of right estimation for faulty line. It has more strong adaptability and fault tolerant capability than the single method, and made more progress in enhancing the accuracy of faulty line detection. It ensured the reliability of faulty line detection and has great perspective in the fu

17、ture. Keywords: small current neutral grounding system, single-phase-to-earth fault, wavelet pachet, correlation analysis, information fusion 重庆大学硕士学位论文 目录目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1课题的目的及意义11.2 选线技术的国内外研究现状21.2.1选线技术中的故障信息采集元件21.2.2选线技术中的选线原理31.3小电流接地故障选线存在的问题81.4 本论文的研究内容92 小电流接地系统理论基础及基于Matlab仿真的系

18、统建模112.1 引言112.2 小电流接地系统理论基础112.2.1 中性点接地方式112.2.2 小电流接地系统单相接地故障的稳态特征分析132.2.1小电流接地系统单相接地故障的暂态特征分析172.3 基于MATLAB 的小电流接地系统仿真建模212.3.1 MATLAB /Simulink PSB简介212.3.2 MATLAB Simulink的仿真过程及解法222.3.3 基于实际小电流接地系统的MATlAB Simulink PSB仿真原理图242.3.4 模块主要参数设置272.4 小结283 基于小波包多频带相关性分析的选线方法293.1 引言293.2小波包理论基础293.

19、2.1小波变换293.2.2小波变换的数学定义293.2.3多分辨率分析303.2.4离散序列的小波分解313.2.5小波包的基本原理323.2.6小波包的数学定义323.2.7小波包分解过程333.2.8 DB(Daubechies)正交小波包的性质343.3 相关技术353.4基于小波包多频带相关性分析的选线方法363.4.1选线原理及步骤363.4.2基于Matlab仿真的故障选线分析383.5 小结434基于信息融合技术及模糊理论的多判据融合选线方法444.1 引言444.2 信息融合基本理论444.2.1信息融合的产生与发展444.2.2 信息融合的功能和层次454.2.3 信息融合

20、的方法454.3 信息融合在故障选线中的应用474.3.1 基于模糊理论的多判据融合选线基本思想484.3.2 选线原理及步骤494.3.3 基于Matlab仿真的故障选线分析544.4 小结625 结论63致 谢65参考文献66附 录69重庆大学硕士学位论文 1绪论1 绪 论1.1课题的目的及意义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(中性点有效接地方式)和小电流接地1方式(中性点非有效接地方式)。在大电流接地方式中，主要有：中性点直接接地、中性点经低电阻、低电抗或中电阻接地；小电流接地方式中，主要有：中性点经消弧线圈接地、中性点不接地和中性点经高电阻接地等。电力系统中性点接地

21、方式的选择是一个系统工程问题，选择哪一种接地方式，必须充分考虑地区特点、电网结构、供电可靠性、继电保护技术要求、电气设备的绝缘水平、过电压水平、人身安全、对通讯的影响以及运行经验、历史因素等，通过技术经济比较，加以确定。我国6kV66kV配电网多数为小电流接地方式，其中66kV和35kV电网主要采用中性点经消弧线圈接地方式；6kV10kV电网部分采用中性点不接地方式，部分采用中性点经消弧线圈接地方式。个别地区如上海以及北京、广州等地部分城市电网采用小电阻接地方式。就小电流接地方式的优越性和世界各国所来用的中性点接地方式以及发展趋势来看，中性点采用小电流接地方式仍是一种典型的、有竞争力的接地方式

22、，不会被大电流接地方式取代。在中国，至少在较长的一段时间内，小电流接地方式仍将占主要地位。小电流接地系统的故障绝大多数是单相对地短路故障。小电流接地系统在发生单相接地故障时，由于大地与中性点之间没有直接的电器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。尤其在瞬时故障条件下，短路点可以自行灭弧、恢复绝缘，不需要运行人员采取什么措施，这对于减少用户短时停电次数具有积极的意义。但是，小电流接地系统在发生单相接地故障时，非故障相对地电压升高，在发生间歇性弧光接地2时，能够引起弧光过电压，系统绝缘受到威胁，容易扩大为相间短路。因此应尽快找到故障线路，尽快

23、排除故障。为了确定故障线路，传统的方法是通过检测母线上零序电压的数值来判断是否发生单相接地故障，若发生接地故障，则采用人工逐条线路拉闸的方法3判断哪条线路出现故障。当故障线路被断开时，接地故障指示消失，这样就可以确定故障线路。人工拉路的选线方法使正常线路也会瞬间停电；若自动重合闸动作不成功，停电时间将延长；拉路还会对电网形成冲击，容易产生操作过电压和谐振过电压，可能引起断路器或PT损坏；对于无人值班变电站，需远方遥控操作，更增加了事故的危险性和设备的负担。综上所述，小电流接地系统单相接地故障选线技术将对提高供电可靠性、提高供电部门和用户的经济效益和维护电网设备，具有重要的意义。每年都有新的选线

24、装置投入运行，选线已成为配电网中一种非常重要的技术4,5。但是，小电流接地系统故障选线是多年来一直未能很好解决的一个难题，尽管国内外学者己经研究出许多检测技术，自动选线装置也层出不穷，但实际中还存在不少问题，现有的小电流接地故障选线装置的选线正确率依然很低6，很多供电部门仍在使用拉路法确定故障线路。随着人们对配电网自动化水平要求的提高，小电流接地故障自动选线问题更加突出，迫切需要从根本上予以解决，因此如何可靠的实现配电网单相接地故障自动选线，已经成为改善电能质量，提高供电可靠性，全面实现配网自动化的关键问题之一，须要对其进行更加深入的研究。1.2 选线技术的国内外研究现状二十世纪八十年代以来，

25、随着微机技术的不断成熟，多种微机在线自动选线装置7被研制开发出来，目前国内生产选线装置的厂家达到几十家。虽然各厂家都宣称自己的装置选线准确，但从用户方面返回的意见却是选线效果普遍不好。*供电局对自动选线装置的使用情况进行过统计，发现该局共安装选线装置170台，因选线效果极差退出运行146台，退出率达86%。在其他地区调查的情况也基本类似，这说明选线技术目前并不成熟，其原因就是故障电流信号微弱。对此，人们主要从两方面着手进行了研究，其一是提高故障特征量采集元件的精度和灵敏度，以期获得更为准确的故障信息；其二是提出新的选线原理，即运用数学手段对现有条件下获得的故障信息进行不同角度的分析，发掘出新的

26、故障判据。而经过国内外数十年的研究发展，针对故障信号中各种各样的故障特征信息，已有多种选线原理产生，其大致可划分为利用接地故障特征分量和不利用接地故障特征分量的选线方法。其中利用接地故障特征分量的选线方法又可分为利用故障稳态特征分量以及利用故障暂态特征分量的方法。在现代研究中，主要致力于对各种原理的信息融合及与新兴数学方法的结合。1.2.1选线技术中的故障信息采集元件小电流接地系统发生单相接地故障后，全系统将产生与接地相接地前相电压相反的零序电压。将变电站母线处具有绝缘监察功能的三相五柱式电压互感器的附加二次线圈接为开口三角形即可准确获取该电压，并可靠启动选线元件。在该零序电压作用下，故障及非

27、故障线路中将流过仅为线路对地电容电流的零序电流。工程实际中普遍采用传统的电磁式专用零序电流互感器(TA)8直接获取该零序电流，或由三相电磁式电流互感器（CT）组合构成零序滤过器合成获得。电磁式电流互感器易受铁芯磁饱和影响，当故障电流低于其下限值时，测量结果波形失真、相位滞后9-11严重。同时，现场电磁干扰以及零序回路对高次谐波及各种暂态量的放大作用，将令测量误差进一步加剧。并且，因三相电流互感器不可避免的存在参数误差，由零序滤过器合成的零序电流中往往含有不平衡电流，这些因素都将导致故障信息采集不准，以至选线发生误判或漏判。近年来随着光学材料和光学技术的发展，光学电流传感器12,13（optic

28、al current transducer,缩写为OCT）应运而生。光学材料的法拉第磁光效应表明处于磁场中的光导材料会使在场中纵向传播的线偏振光偏振面发生旋转，旋转角与磁场强度及光路长度成正比，即，为光导材料费尔德（Verdet）常数。当光路环绕电流导体时，则有：= （1.1）式中，为导体中流过的电流。可见正比于，OCT通过测量偏振光旋转角即可测量电流。在此基础上，对应于电磁式专用零序电流互感器及零序电流滤过器，人们设计了两种类型的零序光学电流传感器ZOCT应用于小电流接地系统单相接地故障电流的测量。其中，组合型ZOCT适用于电缆线路，全光纤型ZOCT适用于架空线路。较之传统的电磁式零序电流互

29、感器，ZOCT具有测量范围宽、绝缘简单可靠、线性度好、无磁饱和、抗电磁干扰能力强的特点，较好的解决了电磁式零序电流互感器磁饱和以及暂态精度不高的难题。然而，目前ZOCT在恶劣的现场环境中运行，易受温度及振动的影响，输出不够稳定，有待进一步完善。1.2.2选线技术中的选线原理 利用故障稳态特征分量的选线原理（1）零序电流比幅法利用中性点不接地系统故障线路工频零序电流幅值比健全线路大的特点，选择工频零序电流幅值超越一预设门槛的线路、或者选择零序电流幅值最大的线路为故障线路。也可将故障后线路的零序电流与自身对地电容电流作幅值比较，选择有变化的线路为故障线路。这种选线方法检测灵敏度较低14，除了不能排

30、除电流互感器(TA)不平衡影响和不能检测母线接地故障外，还受系统运行方式、线路长短和过渡电阻大小等许多情况的影响，从而导致误选、多选、漏选。从整定方式上看，这种整定方式可能导致死区15，不能满足系统多变的情况。（2）零序电流相对相位法利用中性点不接地系统故障线路工频零序电流方向与健全线路相反的特点，选择与其它线路电流相位相反的线路为故障线路。这种选线方法在经大电阻接地或线路较短时，零序电压、零序电流均较小，容易产生“时钟效应16”使相位判断困难，而受电流互感器不平衡电流、受过渡电阻大小、继电器工作死区及系统运行方式的影响，容易发生误判，并且不能适应谐振接地时完全补偿、过补偿运行方式17，检测可

31、靠性受接地电弧不稳定的影响。（3）零序电流群体比幅比相法其原理是先进行零序电流比较，选出几个幅值较大的作为候选，然后在此基础上进行相位比较，如果某条线路方向与其他线路不同，则其为故障线路，如果所有零序电流同相位，则为母线故障。该方法是中性点不接地系统的常用选线方法，被大多数选线装置所采用。该方法在一定程度上解决了前两种方法存在的问题，但同样不能排除电流互感器不平衡电流及过渡电阻大小的影响。（4)零序无功功率方向法18利用中性点不接地系统故障线路零序电流相位滞后零序电压90。、而健全线路超前90。的特点，选择无功功率小于零(流向母线)的线路为故障线路。该方法也是比较传统的方法，在欧洲应用较为广泛

32、。该方法也是利用了容性电流的幅值与方向，所以从本质上，无功功率法与比幅比相方法同出一辙，两者的优缺点是一致的。（5）能量法19在理论上解决了经消弧线圈接地系统的接地选线问题。根据叠加原理，系统发生单相接地故障后可分解为正常运行系统和故障分量系统。故障分量系统为一单激励、无源、零状态网络，系统故障后的零序电压、电流均由其决定。故障瞬间，等效于t=0时刻在系统零序网络上添加一假想电源-，故障分量系统各元件所消耗的能量均由其提供。因故障分量网络为无源网络，故其只能从等效电源吸收能量。考虑零序电流的参考方向，则非故障线路及消弧线圈吸收能量，其能量函数总大于零；而网络上的能量均通过故障线路传送给非故障线

33、路，因此故障线路能量函数总小于零，其绝对值等于非故障线路及消弧线圈能量函数值的代数和。根据能量函数的方向特性即可实现选线。（6）最大法通过一个中间参考正弦信号，使得各线路故障前的 3 (此时仅为)，对故障母线在故障后的3亦能找出相位关系，再把所有线路故障前、后的 3都投影到故障线路故障后的3的理论方向上。计算出各线路故障前、后的投影值之差，其中最大值，即为最大。若0，则线路k为故障线路，否则为母线故障。此法实质为寻求最大零序无功功率突变量的代数值，基本消除了CT不平衡的影响。但有关相量的相位关系计算量巨大，且参考信号易出问题，一旦相位判别出错，则选线失败。同时，上述分析取参考信号为基波分量，对

34、经消弧线圈接地系统不再适用，需引入5次谐波分量代替。（7）零序电流有功分量或有功功率法电网线路、特别是消弧线圈串/并联的非线性电阻将产生一定有功电流且不能被消弧线圈补偿。故障线路零序电流有功分量或有功功率比健全线路大且流向相反，利用该特征可选出故障线路。因为该方法的故障信息同样是不够突出。受CT不平衡、线路长短、过渡电阻大小的影响20也较大。并且，由于三相电容不平衡引起“虚假有功电流分量”对有功分量算法的影响较大。 （8）残流增量法在单相永久接地故障的情况下，如果改变消弧线圈的失谐度(或限压电阻的阻值)，则只有故障线路中的零序电流(故障点的残余电流)会随之改变。因此，通过对各条出线在失谐度改变

35、前后零序电流的变化进行对比，变化最大的即为故障线路。可消除TA等带来测量误差的影响，可重复计算、重复判断。和消弧线圈的自动调节配合使用，对瞬间熄灭电弧和故障选线十分有利。该方法的灵敏度、可靠性也较高。缺点是对不接地和消弧线圈不能自动调节的系统不能使用。（9）负序电流法发生单相接地短路时，负序电流在系统中的分布与零序电流相似，故比较各出线负序电流的大小和方向可完成接地保护。此法抗弧光接地能力强，适合就地安装并满足配电自动化要求，不受中性点接地方式的影响。但单相接地短路的复合序网为三个串连的序网，负序电流分量和零序分量幅值相等，当故障电流很小时，负序电流的获取比零序电流更加困难。并且，配电网负荷电

36、流极不对称，对系统中的负序电流分布影响极大，因此该法在实际应用中效果不佳。（10）零序导纳法21根据电网正常运行时的零序回路，利用消弧线圈适当的失谐状况和位移电压的相应改变，可计算出每条出线的对地导纳和导纳系数，将其作为相应出线的参考值存储起来。故障时相当于电网附加了一个不对称电源，会引起出线导纳系数的改变。比较每条线路故障前后导纳系数的变化可以确定故障线路。该方法灵敏度较高，已在欧洲国家使用，我国也已引进多套装置。但需要消弧线圈配合使用，不适用不接地或消弧线圈不能自动调谐的系统。（11）五次谐波分量法故障点和线路设备等非线性因素会产生谐波电流，其中以五次谐波分量为主。由于消弧线圈是按基波整定

37、的，消弧线圈对五次谐波的补偿作用仅相当于工频时1/25。因此一般条件下故障线路的五次谐波电流比非故障线路的大且方向相反，根据比幅比相算法便可以确定故障线路。接地电流中的谐波分量较小(一般小于10%)，不利于检测，且负荷中的五次谐波源、CT不平衡电流和过渡电阻的大小，都会一定程度上影响选线结果。（12)各次谐波综合法将零序电流3、5、7等多次谐波分量求和后再根据五次谐波理论进行选线。虽然能一定程度上克服单次谐波信号小的缺点，却不能从根本上解决问题。（13)DESIR法故障后从所有出线中的零序电流中提取基波有功分量，计算出故障点残余有功电流，将每一出线零序电流在故障点有功电流垂直轴上进行投影比较，

38、故障馈线零序电流的投影与其他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。该方法是有功分量方法的改进，优点是不需要零序电压信号。缺点是对零序电流的精度要求很高，一般TA不易满足。 基于故障暂态信息的选线方法（1）首半波法首半波法原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设，它利用故障线路暂态零序电流和电压初始阶段极性有一段时间相反而健全线路相同的特点实现选线。可适用于不接地和经消弧线圈接地系统;可检测不稳定接地故障。但极性关系成立的时间很短，且受线路参数、故障初相角、过渡电阻大小的因素影响。（2) PRONY算法PRONY算法对于接地故障电流的分析具有很高的

39、准确性，它是一种用指数项拟合模型的频谱分析的方法。小电流接地系统发生接地故障时，故障电流暂态分量的频率、幅值、阻尼和相位等参数与故障特征有清晰的相关性，利用PRONY算法分析高频分量的频率和直流分量的阻尼，从而实现故障定位的方法是有效的，但此算法的计算量较大。（3）小波方法由于暂态过程极为短暂，且暂态信号包含复杂的频率成份，而小波变换在频域和时域同时具有良好的局部化特性，尤其对暂态突变信号和微弱信号的变化较敏感，因此小波工具被广泛的应用于利用暂态特征的故障选线。1)小波分解法首半波法是基于对暂态故障电流的感性认识，所用暂态信号是基波、多种频率成分及现场噪声的叠加。但决定选线过程的是暂态电容电流

40、，因配电网结构参数不同，故暂态电容电流的能量集中频段各异；且首半波持续时间极短，变化剧烈，故使用笼统的暂态信号，易发生误判。正交小波变换的Mallat塔式快速算法可将一个离散信号分解成不同尺度和位置的小波系数之和,其细节系数对应于信号的高频分量，近似系数对应于信号的低频分量，不同尺度对应于相应的频段。由Mallat算法特点可知，随分解尺度的增加，对应尺度上的小波系数波形得以整肃而变得平稳，每一尺度下的信号幅值及相位特征更易识别。将暂态故障电流进行小波分解至合适尺度易看出，在最大尺度对应频段上，故障线路暂态电容电流的幅值包络线高于所有非故障线路,相位与其相反,由此可得选线判据。2)小波包分解法

41、Mallat算法将信号分解为等频带宽度的高频和低频子带后，仅对低频子带继续等分，对高频子带不再分解，故暂态电流信号高频部分蕴藏的故障信息不能被深化分析。而小波包分解可对Mallat算法未分解的高频部分进行再分解，其分辨率在一定频域内可根据信号特性和分析要求任意选定，弥补了小波分解的不足。目前，较完备的小波包分解选线方法为：以适当频率带宽对各线路的暂态零序故障电流进行适当层数的分解，得到其在不同频段下的输出序列结果。按照能量最大的观点确定各条线路暂态零序电流能量分布最集中的特征频段。若各条线路特征频段一致，直接根据该频段下各线路暂态零序电流小波包分解结果的极性关系比较实现选线。判据为：既有较大能

42、量且极性与其它线路相反的线路为故障线路；若所有线路极性相同，为母线故障。若特征频段不一致，依次选取各线路的特征频段，比较各线路暂态零序电流在该频段下的小波包分解结果的极性，最后综合各特征频段下的比较结果来确定故障线路12。3)小波奇异性检测法小波及小波包分解法着眼于利用小波及小波包的分频特性，而小波奇异性检查法则着眼于利用小波变换的模大极值理论：定义函数(或信号)在某个局部点处间断或某阶导数不连续, 则称该函数在处有奇异性。用满足一定条件的低通平滑函数的导函数作小波母函数,对应的小波变换实质为先对信号平滑滤波,再求变化率。在奇异点处,信号变化率很大,小波变换在这些点上将出现局部模极大值，其能够

43、反映信号的突变或奇异状况。由此可知,单相接地故障瞬间，系统中会产生一个零序突变量，即奇异量。因故障线路零序电流突变的极性与所有非故障线路相反，故障线路零序电流突变的幅值等于所有非故障线路零序电流突变幅值之和，故与之对应的小波模极大值将表现出相应幅度和极性的变化。可得选线判据为：若某出线小波变换模极大值的极性与其它线路相反,且幅值为最大,则该线路为故障线路；若各条线路零序电流小波变换模极大值的极性都相同,则为母线故障 13。 不利用故障特征分量的选线原理（l）注入单频信号法22利用单相接地时原边被短接、暂时闲置的故障相电压互感器(TV)向接地线路注入一特定电流信号。由于注入信号将沿接地线路经接地

44、点返回，利用信号电流探测器在开关柜后对每一条出线进行探测，探测到注入信号的线路即故障线路。该方法利用处于不工作状态的接地相电压互感器TV注入信号，不增加一次设备且不影响系统运行，但注入信号的强度受电压互感器容量限制，接地电阻较大时线路上分布电容会对注入的信号分流，给选线和定位带来干扰;如果接地点存在间歇性电弧现象，注入的信号在线路中将不连续且会破坏信号特征，给检测带来困难。（2）注入变频信号法通过消弧线圈电压互感器(接地电阻较大时)或故障相电压互感器(接地电阻较小时)发送可变频的恒流信号，测量各条出线阻尼率来选择故障线路。该方法可一定程度上克服注入单频信号方法在高阻接地时存在的问题，但当接地电

45、阻较小时，信号电流大部分流经故障线路，导致非故障线路上阻尼率误差较大。 综合选线原理（1）神经网络法采用零序电流群体比幅法和能量函数法结合, 对其作算法上的改进并取得样本，以模糊神经网络中的极大极小神经网络训练获得的收敛结果作为选线判据。利用小波包将故障电流信号分解为不同频带的信号激励模糊神经网络,利用不同故障电流样本训练模糊神经网络来实现选线。提出利用统计模式识别中基于最小错误的贝叶斯(Bayes)决策方法，将各线路的故障电流看作某类故障的一个模式,通过多层前馈神经网络法的训练与学习来判断故障模式,实现选线。这些方法可不受电网结构，系统运行和过渡电阻的影响，具有较强的自适应性和容错性。（2)

46、基于信息融合技术的选线方法小电流接地系统单相接地故障情况复杂，每一种选线技术都有各自的应用条件，不能适用所有的故障情况。所以，利用专家系统、证据理论、神经网络、模糊理论、遗传算法和粗糙集理论的信息融合故障选线方法应运而生。该方法充分利用了各种故障特征，使选线的可靠性大大提高。目前，该方法尚处在研究阶段，尚需做进一步研究。1.3小电流接地故障选线存在的问题尽管已有数十种故障选线方法提出并应用到现场，但由于实际使用效果均不理想，相当多的故障还是依靠人工拉路的方法实现故障线路选择。因此，小电流接地故障可靠选线仍然是一个棘手并急需解决的问题。究其原因，小电流接地故障选线主要存在以下困难和问题。(1)信

47、号的故障特征不明显单相接地时故障稳态电流一般小于30A，甚至只有几安培19。其中有功分量和谐波分量更小，一般不到接地电流的10%。但是由于配电网结构复杂，对于不同的电网其含量也不同，所以在发生单相接地故障时，故障特征有时明显有时不明显；故障暂态信号虽然幅值比稳态信号大，但是由于其持续时间短，有时很难检测到。所以基于单一故障特征的选线方法很难实现对各种故障情况选线正确率都较高。(2)不稳定故障电弧的影响现场的单相接地故障中，绝大多数为瞬时性接地或间歇性接地，其故障点普遍为电弧接地。即使对于金属性永久接地故障，其故障的一般发展过程为：间歇性电弧接地稳定电弧接地一金属性接地。根据实测可知，间歇性电弧

48、接地持续时间可达0.22s，频率可达300300Hz;稳定电弧接地持续时间可达210s；最后故障点被烧熔成金属性接地，即所谓永久性故障接地。因此，弧光接地在单相接地故障中较为普遍。弧光接地故障的发展机理较为复杂，一般的理论认为电弧在接地电流过零时可能熄灭，而在电压接近峰值时可能重燃。弧道电阻也随着电压和电流的变化而发生非线性变化。因此，弧光接地故障大多是不稳定的。对于弧光接地、特别是间歇性电弧接地，由于故障点不稳定，没有一个稳定的接地电流(包括注入的电流)信号，使得基于稳态信息的检测方法失去了理论基础。虽然有些产品在模拟试验时的效果尚可，但由于模拟试验大多采用人工接地方法，线路导体与地发生金属

49、性接触，与实际运行中的绝缘击穿现象并不完全相同，因此，这些产品在实用中的效果就不如在试验中那么理想。(3)随机因素的影响我国配电网运行方式改变频繁，造成变电站出线长度和数量频繁改变，其电容电流和谐波电流亦随之变化。另外，母线电压的高低变化、负荷电流的大小变化、故障点的接地电阻不确定等因素都造成故障零序电流不稳定。1.4 本论文的研究内容通过上一节小电流接地系统单相接地选线的分析可以看出:每种方法都有其有效域，也就是说每一种方法都有其适用的范围，某种方法在这种情况下的使用效果较好，在另一种情况下可能根本无法使用。所以本文提出了一种全新而有效的基于小波包多频带相关性分析的选线方法和基于信息融合技术

50、的多判据融合选线方法。在本文中，针对这种新型的小电流系统单相接地选线方法，将进行以下几个方面的研究: （1）详尽的阐述了小电流接地系统的理论基础以及在不同中性点接地方式下单相接地故障表现出的稳态及暂态故障特征。使用MATLAB软件中的Simulink为平台建立新型小电流接地选线装置仿真模型，并对仿真模型整体以及各模块功能、参数设置进行了介绍。（2）结合数字信号处理中的相关分析技术与小波包分解技术，提出了一种改进的故障选线方法。即：利用db小波包对小电流接地系统发生单相接地故障后的暂态零序电流进行适当频带宽度的分解，自适应的选出各条线路上故障能量最大的特征频段。然后，对各线路故障特征频段对应的小

51、波包分解序列波形进行两两相关分析，获得相关矩阵，并求出各线路的综合相关系数。最后给出按接地故障发生可能性大小排列的选线结果。（3）利用信息融合技术对单相接地故障电流信号中所蕴藏的各种暂态及稳态特征进行融和，提出了基于小波包多频带相关分析法、基波比幅比相法、5次谐波比幅比相法和有功法的多判据融合选线方法。MATLAB仿真结果表明其较单一的选线方法具有更强的适应性和容错能力，提高了小电流接地系统单相接地故障选线的正确率。 重庆大学硕士学位论文 2小电流接地系统理论基础及基于Matlab仿真的系统建模2 小电流接地系统理论基础及基于Matlab仿真的系统建模2.1 引言 本章详细的介绍了小电流接地系

52、统的理论基础，对在不同中性点接地方式下发生单相接地故障，小电流接地系统将经历的稳态及暂态过程进行了细致分析。取得各种故障信息的特征和规律，为评价各种选线算法的优劣和界定适用范围提供条件。在此基础之上，参照真实配电网络，应用MATLAB Simulink仿真软件PSB工具箱建立了一个贴近实际的小电流接地系统仿真模型，并对其仿真原理、模块功能及参数设置进行了简要说明。2.2 小电流接地系统理论基础2.2.1 中性点接地方式 中性点不接地配电网中性点不接地(绝缘)是一种最简单的方式14。在这样的系统中，变压器中性点悬空，与大地完全没有电气连接。当这种系统发生单相接地故障时，依靠线路对地电容构成故障回

53、路，流经接地点的电流主要是电容电流，接地电流的大小取决于变电所出线的类型和长度。由于没有任何感性电流补偿，接地电流有可能会较大，特别是出线较多，线路较长，或者包含大量电缆线路(电缆要比同样长度架空线的电容电流大2550倍)的变电所，接地的容性电流会达到几十安培甚至上百安培，给系统安全带来隐患，所以此种接地方式主要应用在变电站出线以架空线路为主、单相接地故障大多是可恢复的绝缘故障、对运行的可靠性要求较高、而系统的对地电容较小的系统中。我国中、低压电网中性点一般采用不接地方式，它的特点是简单、不需要在中性点增加任何设备，适用于单相接地电容电流较小(一般不大于10A)的系统。但是，中性点不接地电网在

54、单相接地的暂态过程中会产生谐振过电压和弧光接地过电压，同时会产生较大的过电流。谐振电压主要是由于电压互感器和线路电容产生谐振，产生过电压或过电流。弧光接地过电压是由于电网发生单相接地电弧重燃引起的，接地电弧能量大，持续时间长，可能损坏绝缘，烧坏导线，甚至烧坏相间绝缘而引起相间短路 中性点经消弧线圈接地对出线较多，线路较长，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，在单相接地故障时电弧不易熄灭，必须采用中性点经消弧线圈接地的方式运行16。中性点经消弧线圈接地的电力系统，称为谐振接地系统。因为消弧线圈是一种补偿装置，故通常又称为补偿系统。消弧线圈是德国彼得生 (W.Petersen)

55、于1916年发明的，所以有时称为彼得生线圈。在美国又称为补偿装置(Ground FanitNeutrallzer)等。消弧线圈是具有一定容量的单相电感线圈，一般是一个带铁芯的扼流线圈，外形类似变压器。它接在变压器的中性点与大地之间，构成另一个回路，使接地点的接地相电流中增加了一个感性电流分量，它与流过接地点的容性电流分量相抵消，大大减小了接地点的电流，使电弧易于自行熄灭，接地电弧不能重燃，从而将单相电弧接地过电压限制在2.33.2倍额定相电压以内，提高了供电可靠性。同时，采用消弧线圈接地的系统还可以有效地防止电压互感器的铁磁谐振过电压。因此，这种接地方式得到了广泛的应用。根据对电容电流补偿度的

56、不同，消弧线圈有完全补偿、欠补偿和过补偿三种工作方式。为了避免电网正常运行时出现谐振过电压，消弧线圈一般工作在过补偿方式。对于预调式的消弧线圈一般工作在过补偿方式;对于随调式的消弧线圈一般工作在接近完全补偿方式。小电流接地系统发生单相接地故障时，电网的零序电压升高，可根据零序电压的大小来判断电网是否发生了单相接地故障。由于各出线的零序电压是相等的，若要选出哪条出线发生了故障，利用零序电压的故障特征是无法判断的，而各出线的零序电流信号是不同的，可以根据各出线的零序电流信号来判断哪条出线发生了故障。下面对小电流接地故障时零序电流的稳态、暂态和谐波故障特征进行分析。 中性点经电阻接地中性点经电阻接地

57、分为高电阻接地、中电阻接地、低电阻接地等三种方式4。中性点电阻的阻值，从不同角度考虑差别很大，可归纳为三种取值原则即：限制间歇电弧接地过电压；限制单相接地电流使其小于三相短路电流；限制通信干扰。中性点经电阻接地方式的优缺点为：（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）发生单相接地时，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

58、可靠性。由于历史原因和具体条件迥异，究竟采用那种接地方式各个国家的处理方式不尽相同。美国、英国以直接接地和小电阻接地为主；德国一般都采用谐振接地方式；前苏联、日本多采用不接地或经消弧线圈接地方式；法国过去是小电阻接地，近年来逐步朝谐振接地方向发展。而充分考虑我国地区特点、电网结构、供电可靠性、继电保护技术要求、电气设备的绝缘水平、过电压水平、人身安全、对通讯的影响以及运行经验、历史因素等因素可以发现，长期以来，在我国 666kV 配电网中，最广泛采用的是中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式。2.2.2 小电流接地系统单相接地故障的稳态特征分析图2.1 简单网络示意图Fig.2.1 Sketc

59、h of simple network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，其等效的集中电容的大小与线路长度、导线半径、几何均距及线路对地距离等因素有关。通常在考虑线路充分换位的情况下，相间电容是相等的，即，同时，三相的对地电容也是对称的，即。对于零序网络而言，则相同线路的三相等效零序电容均为。而小电流接地系统中性点对地阻抗大，故系统中任一点的零序阻抗均很大。其中，线路或其他元件的零序串联阻抗，比以线路对地导纳表示的零序并联阻抗小得多，可忽略不计，故在研究选线问题时，可将每条线路简化为各相对地零序电容组成的回路。图2.2 A相接地向量图Fig.2.2

60、Vectors at phase A to earth fault对中性点不接地系统，如图2. 1所示的最简单的网络接线，在系统正常运行状态下，每相都有一超前于相电压的电容电流流入地中，而三相电容电流之和为0。假设A相发生单相接地故障（金属性短路），其对地电容被短接，A相对地电压降为0，B、C两相对地电压升高为原来的倍，对地电容电流也相应的增大倍，向量关系如图2. 2所示。可知各相对地电压为： (2.1) (2.2) (2.3)故障点零序电压为 (2.4)非故障相B相和C相中电容电流为 (2.5) (2.6)其有效值为，式中,为相电压有效值。此时，故障点电流为，其有效值为，即正常运行时，三相对

61、地电容电流的算术和。图 2.3小电流接地系统单相接地故障稳态电流分布Fig.2.3 Sing-phase-to-earth fault steady-state current distribution of small current grounding power system假设电网中有n条线路存在，用、表示各条线路单相对地集中电容，当线路2 发生A相单相接地故障时，忽略负荷电流和电容电流在线路阻抗上的电压降，则全系统A相对地电压为0，各元件A相对地电容电流为0， B、C相对地电压及电容电流升高倍，由(2. 1)(2. 6)式关系可知， 由图2. 3可见，在非故障线路1上，A相电流为0,

62、 B、C相中流有本身的电容电流，因此，在线路始端CT安装处所反应出的零序电流为 （2.7）其有效值为 （2.8）即线路1零序电流为自身对地电容电流，电容性无功功率的方向为由母线流向线路。同理，上述结论可适用于电网中每一条非故障线路，即对于非故障线路n，在线路始端CT安装处所反应出的零序电流为 （2.9）其有效值为 （2.10）对于故障线路2，其非故障相B、C相与非故障线路相同，均有其自身对地电容电流和流过。但不同之处在于，其A相电流不再为0，而是将流过等值于系统B、C相对地电容电流之和的故障电流： （2.11）其有效值为 （2.12）式中，为全系统单相对地电容的总和。经接地点从故障线路A相流回，故A相电流可表示为，则在线路2始端CT安装处所反应出的零序电流为