基于注入法的配电网单相接地故障诊断毕业论文

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1、存档日期： 存档编号：本科生毕业论文（设计）论文题目: 基于注入法的配电网单相接地故障诊断 姓 名: 院 系： 电气工程与自动化学院 专 业： 电气工程与其自动化 班 级：指导老师：30 / 34摘 要本文主要针对配电网中单相接地故障定位困难的问题对单相接地故障的电气特征进行了分析，同时设计了从单相接地故障的选相到选线，最后精确定位到故障点的完整的单相接地故障诊断过程。由于小电流接地系统的自身特点，发生单相接地故障时，所产生的故障信号本身较弱，容易受到电磁干扰和谐波污染，导致信号失真，这些都直接影响了选线的选择性和准确性，甚至会造成选线装置的误动。结合工作的实际情况并参考各种装置的实际特点，本

2、文采用了比较电压的变化的方法来判断故障相，选用采用注入法信号的选线和定位方法作为配电网单相接地故障诊断方法，同时比较了交流注入法和直流注入法的优缺点，总结了一套完整的配电网单相接地故障诊断方法，最后对直流注入法作了两步改进， 较为成功的解决了配电网单相接地故障选线和定位困难的问题。关键词： 单相接地故障 故障定位 信号注入 选相 选线AbstractThis article mainly aims at the problem in distribution network one-phase ground fault location for phase-to-ground fault el

3、ectrical characteristics analysis, and designs the fault location from phase-to-ground to phase-selection precise positioning to breakdown complete phase-to-ground fault diagnosis process. Due to the small current grounding systems characteristics, the one-phase ground fault happens, the resulting f

4、ault signal itself is weak, the vulnerable to electromagnetic interference and harmonic pollutioncauses signal distortion, all these directly affect the route of selectivity and accuracy, and even cause the maloperation of the location device. Combined with the actual situation of reference work of

5、all sorts of devices and actual characteristics, this paper adopts the methods of comparative voltage changes which is judged by fault phases injection methods, choose the route and positioning method of signal power and single-phase grounding as fault diagnosis solving ways. Compared with the excha

6、nge injection method ,including the advantages and disadvantages of dc injection method, finally summed up a set of complete power phase-to-ground fault diagnosis methods, thus comes to the conclusion of dc injection method and two steps of how to improve, which will solve the problem of network dis

7、tribution about phase-to-ground fault location more successfully.Keywords: single-phase-to-earthfaultfaultlocation integration locationmethodLocation phase-selectionfaultlinedetection目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1选题的研究意义11.2配电网单相接地故障研究现状11.3本课题主要研究的容22 小电流接地系统的单相接地故障的电气特征分析32.1小电流接地系统32.2中性点不接地单相接地故障的电气特

8、征32.3中性点经消弧线圈接地单相接地故障电气特征63 单相接地故障的选相93.1中性点不接地系统的选相判断依据93.2中性点经消弧线圈接地系统的选相判断依据113.3单相接地故障选相过程的原理分析123.4本章小结144 单相接地故障的选线和定位154.1小电流接地系统常用选线和定位方法154.2注入法选线和定位原理174.3直流注入法选线和定位234.4改进后的直流注入法选线定位的原理总结294.5本章小结305 结论31致33参考文献341 绪论1.1选题的研究意义在配电网系统中，单相接地故障率最高，约占配电网故障的80%以上。我国的配电网多为小电流接地系统，由于在小电流接地系统中发生单

9、相接地故障时不形成短路回路，只在系统中产生很小的零序电流，三相线电压依然对称，不影响系统正常工作，所以我国的电力规程规定，小电流接地系统可带单相接地故障继续运行1-2小时1,2。这样能够提高供电的持续性和可靠性，这是小电流接地系统的突出优点。但随着馈线的增多，电容电流也在增大，长时间带故障运行就易使故障扩大为相间短路或两点与多点接地故障。弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行，所以必须与时找到故障线路予以切除或者找到故障点进行维修。但是由于单相接地故障产生的故障电流很小等诸多原因，单相接地故障选线定位问题一直没有得到很好的解决。现有的小电流接地保护不能从根本上解决小电流接

10、地的选线问题，这与电力系统提高供电可靠性的要求与呼声背道而驰。因此，进一步研究小电流接地系统单相接地故障的诊断方法具有很好的理论和实际意义。1.2配电网单相接地故障研究现状配电网单相接地选线和定位是个世界性的难题，在上世纪80年代到90年代初配电网还是以架空线路为主。研制的单相接地选线装置，基本上是采用稳态分量法即零序电流比幅法3和电容电流比幅比相法3，单相接地选线的准确性还是很高的。但是随着配电网的发展，城乡电网的改造，电缆线路不断增加，接地电容电流也增加很多，这样就需要在变电站安装消弧线圈3。由于消弧线圈的补偿作用在接地线路上电容电流和电感电流抵消，所以采用态分量法即零序电流比幅法4和电容

11、电流比幅比相法4的选线装置就不能正确选择接地线路了。而后针对中性点经消弧线圈接地的系统又出现了暂态零序电流检测方法和五次谐波法，但是暂态过程非常短暂检测装置易出现误动作，而五次谐波法也因信号微弱和负荷谐波的影响而出现误判断。近年来，小电流接地系统相线对接地故障检测取得了很大成就，但到目前为止，研究的重点主要是集中在选线技术，在小电流接地系统的故障点定位方面，国外虽然有一些研究，也提出了一些理论方法，但实用定位的方法其实并不多。人工巡线仍然是目前配电网故障定位最常用的方法，这就导致了故障持续时间的延长和人力资源的浪费，增加了无谓的损失故障，降低了供电可靠性。随着配电自动化系统配电自动化系统的开发

12、，一些故障段定位和隔离法的出现在国外已成功地应用到现场，但是由于配电自动化系统是在运用中国并不广泛，目前在注入方法的基础上逐步对地故障定位方法改进是比较实用和有效的方法之一。传统的注入法能够较为准确的定位，但在自动化程度，容错和设备性能等方面，仍有许多问题有待进一步改善。1.3本课题主要研究的容本文就上述的难题做了以下工作：（1）对单相接地故障的电气特征作了分析，总结了中性点不同接地方式的特点，为故障诊断提供理论依据。（2）通过故障后电压的变化提出判断故障相的依据，并总结了完整的选相过程。（3）分析了常用单相接地故障的选线方法的缺点和注入法的优点。（4）详细分析了传统注入法的选线定位原理，将交

13、流注入法和直流注入法进行了比较，改进了直流注入选线定位法，并在理论上作了分析和实验计算。2 小电流接地系统的单相接地故障的电气特征分析2.1小电流接地系统我国的配电网采用小电流接地系统，小电流接地系统即中性点非直接接地系统，它包括中性点不接地系统、经消弧线圈接地系统(也称谐振接地系统)和经高阻接地系统5,6,7。由于历史原因和具体条件不同，各个国家的电网中性点处理方式不尽一样，甚至在同一国家、同一地区的同一电压也有不同接地方式并存现象。在我国3-66kV中低压配电网系统一般采用中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统，所以本文重点分析小电流接地系统中的中性点不接地和经消弧线圈接地系统的单相接地故障

14、特征。2.2中性点不接地单相接地故障的电气特征为分析方便，假设A相发生金属性接地短路，忽略负荷电流和电容电流在线路上产生的电压降。如图2-1所示，各线路上电流方向已标注。图2-1 中性点不接地系统单相接地故障电气原理图由以上原理图可知系统各参量变化如下：（1）电压系统A相对地电压为： （2-1）B相对地电压为： （2-2）C相对地电压为： （2-3）故障点的零序电压为： （2-4）（2）电流非故障线路的各相电流和三倍零序电流A相的电流为： （2-5）B相的电流为： （2-6）C相的电流为： （2-7）有效值为： （2-8）所以三倍的零序电流为： （2-9）对于变压器T上，首先有它本身的B相和C

15、相的对地电容电流的电源，因此，从A相中要流回故障点的全部电容电流，而在B相和C相流出各线路上同名相的对地电容电流。此时从变压器出线端所反应的零序电流仍然为三相电流之和。由图2-1可见，各线路的电容电流由于从A相流入后又分别从B相和C相流出了，因此相加后相互抵消，而只剩下变压器本身的电容电流，故有效值为,即零序电流为变压器本身的电容电流。对于故障线路各相电流和三倍零序电流故障相电流： （2-10）其有效值： （2-11）非故障相电流： （2-12） （2-13）三倍的零序电流： （2-14）其效值： （2-15）（3）功率非故障线路的复功率为： （2-16） （2-17）同理有故障线路： （2-

16、18）根据以上分析可得到以下几点结论8,9：（1）零序网络由同级电压网络中元件对地的等值电容构成通路，与中性点直接接地系统有接地的中性点构成通路有极大的不同，网络的零序阻抗很大。（2）发生单相接地时，相当于在故障点产生了一个其值与故障相故障前相电压大小相等，方向相反的零序电流，从而全系统都将出现零序电压。（3）在非故障元件中流过的零序电流，其数值等于本身的对地电容电流；电容性无功功率的实际方向由母线流向线路。（4）在故障元件中流过的零序电流，其数值为全系统非工作元件对地电容电流之总和；电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线。2.3中性点经消弧线圈接地单相接地故障电气特征图2-2 中性点经消弧

17、线圈接地系统单相接地故障电气原理图在中性点不接地的电网中发生单相接地故障时，如图2-2所示，若接地点流过的全系统对地电容电流，若此电流过大，会使故障扩大。为防止上述情况发生，常在中性点接入消弧线圈。各级电压网络中，当全系统的电容电流超过下列数值时应装设消弧线圈：3-6kV电网为30A，10kV电网为20A，22-66kV电网为10A10。如图2-2所示的电网中，电源的三相电动势相等。为了简便起见，不计电源部的电压降和线路上的电压降，电源每相电动势的有效值等于电网正常工作时的相电压，电源两相电动势之差等于电网的线电压，变压器中性点经消弧线圈接地。假设线路2的A相发生金属性接地故障，各线路电压变化

18、以与非故障线路电容电流的分布与中性点不接地系统的情况一样。由于中性点接地方式不同，此时故障点的接地电流由原来的电容电流变为由消弧线圈产生的电感电流补偿后的残流，但仍具有零序性质。所以线路2的基波零序电流为： （2-19）式中为消弧线圈的补偿电流，而此时从接地点流回的总电流为: （2-20）式中为全系统的对地电容电流。由于和相位相差180。，几将随消弧线圈的补偿程度而变化，因此，故障线路零序电流的大小和方向也随之改变。根据对电容电流补偿程度的不同，即补偿度P的大小(这里P定义为:)，可分为以下三种不同的补偿方式:（1）全补偿全补偿时P=0即的补偿方式，它虽可使接地点的电流为零，但却有严重的缺点，

19、因为此时刚好有式子成立，这正是工频串联谐振的条件。但是如果三相的对地电容不相等或断路器三相非同期合闸时，出现的零序电压在串联谐振回路中产生很大的电流，此电流在消弧线圈上会产生很大的压降，使电源中性点的电压大大升高，造成设备的绝缘损坏，因而不宜采用这种补偿方式。（2）欠补偿欠补偿就是P0即的补偿方式。它没有发生上述过电压的危险，因而得到了广泛的应用，一般选择过补偿度值为P=5-10%。采用过补偿以后，通过故障线路保护安装处的电流为补偿以后的感性电流，它与零序电压的相位关系和非故障线路电容电流与零序电压的相位关系一样，数值大小也和非故障线路的容性电流相差无几，因此不接地系统中常用的零序电流选线原理

20、和零序功率方向选线原理显然已不能采用。总结以上分析中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时的结果，可以得出如下结论:（1）故障相的对地电压为零，非故障相的对地电压为系统的线电压。（2）全系统出现零序电压，其大小为系统正常工作时的相电压。（3）欠补偿时，接地故障处的电流超前零序电压90o。过补偿时，滞后零序电压90o，小于未补偿时的值。（4）非故障线路零序电流超前于零序电压90o，其大小等于该线路的对地电容电流。故障线路零序电流的大小等于系统所有非故障线路总对地电容电流与消弧线圈的补偿电流的和，其相位随补偿度而异，欠补偿时滞后于零序电压90o,过补偿时超前零序电压90o10。（5）故障线路始端

21、的零序功率的有功分量和无功分量均小于零；非故障线路始端的零序功率的有功分量大于零，无功分量小于零。3 单相接地故障的选相当A相发生金属性接地故障时，由以上分析可知，A相的电压为0，非故障相B相和C相的电压会上升为原来的倍。但是系统发生单相接地故障时接地点有过渡电阻的存在，下面就分析经过渡电阻接地的情况时，在不同的中性点接地方式系统中是怎样由电压的变化来进行故障相的判断的。3.1中性点不接地系统的选相判断依据图3-1为中性点不接地电网系统原理示意图,其中C为一相对地电容。当系统正常运行时,三相电压为、对称,三相电流也基本平衡其和为零。当A相经过渡电阻接地时,忽略线路自身阻抗,并假设各相对地电容相

22、等如图3-1所示。图3-1 中性点不接地系统A相经过渡电阻接地原理图此时各相对地导纳为:（3-1）（3-2）由于系统中性点不接地,发生接地后系统中性点将发生偏移，偏移电压为, 可由以下公式计算：（3-3）计算出偏移电压表达式为:（3-4）故障后,A、B、C三相对地电压将发生变化,相对地电压分别为:（3-5）电网发生单相接地故障后中性点发生偏移,此时将系统进行等效变化,其等效电路如图3-2所示。图3-2 中性点不接地系统A相经过渡电阻接地等效图当发生单相接地故障后,系统各相对地电压将不再对称,在系统运行方式确定后,各相对地电容也就确定了,此时中性点偏移电压即中性点对地电压将是过渡电阻单值函数,过

23、渡电阻变化,中性点的偏移量也会随之变化,由式3-4可以算出d点的轨迹是以的幅值为直径的右半圆，其相量图如图3-3所示，当=0时即为金属性接地,此时中性点对地电压变为故障相对地电压；为无穷大时，三相电压仍然对称，为正常运行状态。通过相量图分析还能知道,对于中性点不接地系统,当发生单相接地故障时,故障相的超前相对地电压最高,滞后对地电压相次之,故障相对地电压最低，因此通过对各相电压的幅值大小进行比较便可判断出短路相11。图3-3 中性点不接地系统A相经过渡电阻接地时电压变化相量图3.2中性点经消弧线圈接地系统的选相判断依据图3-4 中性点经消弧线圈接地系统A相经过渡电阻接地原理图对于中性点经消弧线

24、圈接地系统,如图3-4所示,当A相发生经过渡电阻接地故障时,根据电路理论可得出中性点偏移的电压有下列公式计算:（3-6）化简后：（3-7）其中:L为消弧线圈的电感。如果,此时系统为欠补偿,如果电网的运行方式变化出现完全补偿时电网负荷波动变化会导致电网发生谐振，通常情况下补偿电网采用过补偿方式运行,即11。可以做出电网三相对地电压的相量图,如图3-5所示。图3-5 中性点经消弧线圈接地系统A相经过渡电阻接地时电压变化相量图由图3-5知,对于过补偿电网发生单相故障后可以算出d点的轨迹是以的幅值为直径的左半圆。三相对地电压的幅值满足: （3-8）此时和中性点不接地系统相反,B相对地电压最高,这时可以

25、判断对地电压最高的超前相即为接地故障相。但是,对于欠补偿方式运行的电网来说,故障相的判断和中性点不接地系统的判断方法相似，和过补偿运行方式的电网相反11。综上所述，对于中性点不接地系统和采用全补偿方式运行的电网判断故障相的方法一样，测试三相电压后比较大小，电压最大相的滞后相为故障相。例如：=9.6KV,=5.7KV,=4.5KV，此时的接地相不是电压最低相C相，而是B相。对于中性点采用过补偿方式运行的电网，选相的判断方法与上述两种方式的判定方法相反，测试三相电压后比较大小，电压最大相的超前相为故障相。例如：=5.6KV,=9.7KV,=5.5KV,此时的故障相是A相。3.3单相接地故障选相过程

26、的原理分析第二章的分析表明，当发生单相接地故障时全系统的零序电压会升高，所以可以通过检测零序电压的变化来判断是否发生了单相接地故障，然后发出选相的信号。为了取得零序电压，通常采用如图3-6所示的接线方式，采用三个单相式电压互感器，将其一次绕组接成星形并将中性点接地，其二次绕组接成开口三角形，这样从m、n端子得到的输出电压为。图3-6 3倍零序电压测量方法原理图完整的选相过程的原理图如图3-7所示。图3-7 单相接地故障选相过程原理图三绕组电压互感器的一组接成Yn形感应母线电压，另外两组一组接成开口三角形用于测量3倍零序电压，另一组接成Y形用于测量各相电压大小。当某条线路发生单相接地故障时，母线

27、上是零序电压将发生变化，当3U0大于整定值USET时设备发出选相信号，测量设备测出各相电压并比较其幅值的大小，然后由判断装置判断出故障相并发出信号。3.4本章小结本章主要分别分析了在中性点不接地方式系统中和中性点经消弧线圈接地系统中，发生单相接地故障后的电压变化情况，并根据电压的变化给出判断依据判断出故障相，然后总结了单相接地故障选相过程的原理。4 单相接地故障选线和定位当发生单相接地故障后，系统的电压电流都会发生很大变化，常用的一些选线方法一般为测量系统中电压或电流的变化来判断故障线路的，而本文采用了一种更为精确的选线方法注入法，注入法不受配电网中性点接线方式的影响，而且可以完成选线和定位两

28、步故障检测工作。本章节对常用的选线方法作了简单叙述并对注入选线法的原理作了详细介绍，然后在定位方法上做了理论上的改进。4.1小电流接地系统常用选线和定位方法（1）零序电流检测法采用零序电流检测法检测单相接地故障的选线装置和故障指示器，其检测原理是基于：对于中性点不接地系统在发生永久性单相接地故障时，非接地线路的零序电流等于该线路三相的对地电容电流的向量和，方向是从母线流向线路。而接地线路的零序电流等于所有非故障线路零序电流的向量和，方向是从线路流向母线。由上述分析，在中性点不接地的电网中，接地选线装置和单相接地故障指示器是利用零序电流的方向和幅值的变化是可以检测到故障线路的。但零序电流法也存在

29、如下问题影响其选择性和准确性：在采用检测零序电流的变化进行单相接地判断的选线装置和单相接地故障指示装置时，需要使用零序互感器或零序电流滤波器来采样零序电流的变化，其结构复杂，安装不方便，不能广泛的应用于10kV架空线路12，13。单相接地选线装置仅能用于中性点不接地电力系统中变电站、10kV开关站（开闭所）以与电缆分接箱的单相接地选线，在线检测线路零序电流，不能安装在架空线路上指示的单相接地故障12。一般零序电流互感器精度低。当互感器的原边零序电流在5A以下时，许多厂家生产的零序电流互感器，带上规定的二次负荷后，变比的误差就会达到10以上，角误差达20以上，当一次零序电流小于1A时二次侧基本上

30、无电流输出，这样就无法保证接地检测的准确度12。工程实际中使用的零序过滤器大多为三相保护用电流互感器的组合，即用三相保护电流合成零序电流，众所周知零序滤序器本身固有的不平衡输出使其准确性较低，而且一般保护用电流互感器额定一次电流值多在几百安以上，在接地电容电流小于10A的小电流接地系统使用零序滤序器，单相电容电流仅为保护用互感器一次额定电流的0.6，互感器综合误差根本无法保证13。但在电网最小运行方式下，只有当故障点的总电容电流达到最长线路电容电流的几倍是才能保证接地选线装置和接地故障指示器的选择性。（2）零序电流无功功率方向法14，15它的判别依据是非故障线路的零序电流无功分量超前于零序电压

31、90，而非故障线路的零序电流无功分量滞后于零序电压90。但是这种方法受接地过渡电阻的影响比较大，在发生金属性短路时，零序电压最大；在接地电阻为无穷大时，零序电压为0。所以在接地电阻较大时，检测零序电压就很困难。而且这种方法不适用于中性点经消弧线圈接地的系统中，因为在过补偿和欠补偿的运行方式时，零序电流无功分量方向是相反的12。（3） 五次谐波选线法14，15，16在经消弧线圈接地的系统中，基波零序电流几乎被消弧线圈的电感电流抵消；而消弧线圈的设计是针对基波的，相比较基波的情况，消弧线圈在五次谐波下感抗为基波下的五倍，可以近似认为消弧线圈对五次谐波电流来说是开路的，通过消弧线圈的电感电流减小到五

32、分之一；而在五次谐波下线路的容抗减小到五分之一，五次谐波容性电流就增大到五倍。在发生单相接地时五次谐波电流在各线路上的分布情况和基波零序电流是一样的，除了基波零序分量以外，谐振接地系统中五次谐波电流最大，是非故障线路的总和，可以采用五次谐波电流大小、方向或功率方向来找出故障线路。五次谐波电流的产生的原因是由于电源电动势中存在高次谐波分量：变压器、电压互感器等设备铁芯非线性的影响, 也必然造成电网中包含一系列高次谐波分量,其中以为五次谐波分量为主；负荷的非线性也会产生五次谐波分量。五次谐波电流的大小随着运行方式的变化而变化，而且故障电流中5次谐波含量较小（小于故障电流的10%），再加上受CT不平

33、衡电流和过度电阻的影响，使得保护装置难于整定；而且，有些用户含有大量谐波分量，如用户的电弧炉、整流设备等谐波源，在故障时故障线路和非故障线路都向系统送出谐波电流，故障线路和非故障线路的五次谐波方向有可能是一样的，这样故障线路中5次谐波电流不一定总是最大,相位关系也不一定成立，就无法区分出非故障线路和故障线路了。而且单相接地故障线路的五次谐波零序电流在线路较少或线路较短时较小，其方向也难判别。此外,由于有的系统中5次谐波本身含量很小,加之CT、PT对5次谐波造成的附加相移,往往就会造成判断不准17，18。（4）行波法19行波法是利用线路上行波的传输特点来进行故障定位的方法。行波法进行故障定位可分

34、为单端行波测距和双端行波测距：单端行波测距是分析母线处检测到的行波信号，判断出来自故障点的反射波，通过测量反射波在故障点和母线之间往返一次所需要的时间，计算故障点与母线之间的距离。信号有不同的产生方式：故障瞬间可能会产生暂态行波信号；人工在故障线路中注入脉冲信号也会产生的行波信号。双端行波测距法是在线路的两端同时检测故障产生的行波信号，根据故障波到达线路两端的时间差来确定故障位置19。4.2注入法选线和定位原理传统注入法又称S注入法，由大学提出并研究的（注入的是交流电流信号），通过PT二次侧向线路注入某一频率的交流电流信号，由于信号只在故障线路流通，延线路查找此信号就可达到选线和定位的目的。这

35、是一种将单相接地选线与故障点的定位结合起来的方法，而且它不受中性点接线方式的影响，相对于其他的选线方法注入法精确度最高，所以本文选用注入法作为单相接地故障诊断的方法。根据注入信号的性质可将注入法分为交流注入法和直流注入法，两种注入法都有自己的优缺点，但因线路的分布电容的影响，交流信号的误差一般比直流的要大，本节将交流注入法和直流注入法作了比较，选用了直流注入法作为选线的方法并作了改进，下面就交流注入法和直流注入法的原理、选线误差进行分析，最后将改进措施作了详细分析。4.2.1交流注入选线法原理交流信号注入法的基本思想：当发生单相接地故障后，首先将故障线路从电网中断开，此时线路处于离线状态，再从

36、首端向故障相注入特定频率的交流电流信号。理想情况下，接地电阻近似为零，该信号仅在线路首端、故障路径和故障点之间形成的回路流动，非故障分支和故障点后的线路上没有交流信号，通过对该信号的检测即可判断故障位置。图4-1 交流注入选线法原理图如图4-1所示配电线路，线路有多个分支，F点发生单相金属性接地故障。在线路首端A点向故障相注入特定频率的交流电流信号，则该信号通过A-B-F，然后从返回，其他分支没有电流通过，通过检测分支处以与支路上的交流信号，就可确定故障位置18，19。具体如下：（1）确定故障分支：在图4-1中，在分支节点处分别检测各分支方向上的交流电流大小，如在B点处分别检测BC分支和BE分

37、支；由于BC分支为非故障分支，故该分支方向的检测结果为零或很小。故障点在BC分支方向上，由于是金属性接地故障，注入的交流信号基本都经故障点流入，故BC分支方向的交流电流很大。通过比较分支点处各分支方向上交流电流的大小，便可确定故障分支。（2）确定故障点：沿BC支路连续检测线路上电流信号，故障点前的电流很大，故障点后电流很小或几乎没有，故电流信号发生突然变化的点即为故障点。4.2.2交流注入法的误差分析鉴于线路电感和线路电阻很小对注入信号的分流并无太大影响，简化时可以将其忽略20，21；而分布电容对注入信号产生了相当大的分流作用，应予保留。据此对线路进行如下简化：只画出单相线路，去掉分布电感，把

38、故障点前、后的分布电容分别用集中电容来代替，与接地电阻构成并联电路,得出适用于注入交流信号时稳态电路分析的线路集总参数模型，如图4-2(a)为等效后的线路结构图。(a)(b)(c)图4-2 交流注入法等效线路图若线路上发生经电阻接地故障，流过接地电阻的电流会在电阻上产生一定的压降，由于线路压降的存在，会在线路上产生电容电流，线路的电容电流会确定故障分支和故障点造成一定的影响22。下面从定故障分支和定故障点两方面，来分析线路分布电容和接地电阻对交流信号注入法定位可靠性的综合影响。（1）对确定故障分支的影响设线路总长度为L，单位对地电容为，AB方向线路总长度为，BC方向线路总长度为,BE方向线路总

39、长度为,在F点发生故障，接地电阻为，假设线路首端注入的总电流为1。将线路再次进行等效，AB支路等效为电容，BC支路等效为电容和电阻Rg的并联，BE支路等效为电容，所有线路总的等效电容为，上面线路等效为一个电阻和三个电容的并联电路，AB支路、BC支路、BE支路的导纳分别为、和等效后电路如图4-2(b)所示。BC方向的电容电流: （4-1）BC方向的电阻电流: （4-2）BC方向的总电流: （4-3）BE方向的电容电流： （4-4）分支处两边的电流模值比： （4-5）通过以上分析可以得出如下结论：若故障发生在长分支上，即，则，可以很容易判别出故障路径。若，则故障发生在短分支上，当非故障分支较长、接

40、地电阻较大时，值较小，的值可能小于1或者略大于1，很难判别出故障分支。确定分支的可靠围与注入信号的频率成反比，当注入信号频率增大时，会随着的减小而相应减小，增加了判断分支的困难程度。（2）对确定故障点的影响设线路总长度为L公里，单位对地电容，故障点前的线路长度为，故障点后线路长为公里。F点发生故障，接地电阻为R，为方便计算，设线路首端注入总电流为单位1。等效后的线路如图4-3所示，故障点前线路的等效电容为，故障点后线路的等效电容为,故障点后线路的等效电容为：接地电阻R的电流: （4-6）故障点后的电容电流: （4-7）总的电容电流 （4-8）故障点前后电流模值比 （4-9）通过以上分析可以得出

41、如下结论：定位可靠性与所注入信号的频率成反比，同等条件下，信号频率越小，定位可靠性越高。定位可靠性受接地电阻大小的影响为：当接地电阻较小时，定位可靠性较高；当接地电阻较大时，定位可靠性降低。定位可靠性与故障点后的线路长度有关。故障点前线路长度越长，定位可靠性越高；反之定位可靠性越低。4.2.3交流注入法选线原理总结图4-3 交流注入法选线过程原理图选线装置一般和选相装置配备在一起，都接在变电站里，并利用了选相装置的电压互感器从二次侧注入信号，选相完成后跳开变压器故障相的断路器，此时注入信号，同时还要发出闭锁信号将选相的测量装置屏蔽。如图4-3所示，在实际工程应用上检测装置一般由人员手持到个线路

42、分支点检测，也可以在分支点的各线路的三相上都装设检测装置，感应到电流后并通过无线信号传回调度室，如图4-3所示在F点发生单相短路，感应器应检测到在A-B-C-D方向上有较大注入的信号电流，而在其他分支和DI、DJ分支上没有检测到注入信号，将检测结果发回调度室经分析判断故障点在CD段。4.2.4试验分析交流注入法选线的有效性和误差配电网单相接地故障类型很多，有金属性接地、断线搭地、树枝搭线，还有经电杆击穿等。不同类型的接地故障，其接地电阻差异很大，如表4-1所示。表4-1 不同类型故障的过渡电阻阻值金属性接地树枝搭线绝缘子击穿经电杆的接地10左右1005001k左右1030k由上节的分析可知接地

43、电阻越大对故障定位的影响越大，所以本文着重分析经高阻接地短路时的情况。为了验证交流信号注入法的有效性和误差，进行了下面的实验。 图4-4 某10KV电网的分支等效线路图实验1:如图4-4所示的某10 KV电网的分支线路图，该线路有两个分支，AB长10km，BC长20km，BD长10km在F点发生单相接地故障，BF长15km.通过交流信号注入法来确定故障位置，注入交流电流100mA，60Hz。线路参数=4.17/km，。经不同过渡电阻接地时在A、B、C三处检测各分支方向的电流幅值见表4-2。表4-2 不同过渡电阻接地时各方向上电流幅值/mA接地过渡电阻AB方向BC方向BD方向500 10085.

44、54.510 k10066.821.420 k10055.824.130 k10052.7925.4从表4-2的数据可以看出，当发生小电阻接地故障时，非故障和故障分支线路信号电流的差别比较明显，采用交流信号注入法可以实现有效选择出故障分支线路。但是当单相接地故障的接地过渡电阻逐渐增大时，故障分支的信号电流将逐渐减小，当非故障分支线路较长时或分支点的分支线路很多时，等效的线路的分布电容值就会很大，此时的分流现象就会很明显，甚至会出现非故障分支线路的信号电流大于故障分支线路的情况，此时交流注入法将会出现误判断。4.3直流注入法选线定位在接地电阻较小时，绝大部分交流电流都流入了故障点，线路分布电容的

45、分流很小，交流信号注入法可以取得很好的定位效果。但随着接地电阻的增大，线路上的分布电容对交流信号的分流作用增强，交流信号注入法的可靠性逐渐降低。若为绝缘子或电力杆塔击穿故障，离线状态下的接地过渡电阻可达到几十k，此时交流信号注入法已无法有效定位。为了克服线路分布电容和接地电阻的影响，本文选用直流信号注入法作为单相接地故障诊断的方法。直流信号对电容相当于开路，完全不受线路分布电容的影响，而且接地电阻的大小对线路的电容分流没有影响，直流电流仍只存在注入点到接地点的唯一通路，可以解决大电阻接地问题。对直流注入法的误差影响最大的就是变压器三相之间串通的问题，针对配电变压器三相之间的串通问题，提出了改进

46、的直流信号注入法，保证了该方法定位的可靠性23。4.3.1直流注入选线法原理该方法的主要思路是，首先向故障相线路首端注入直流电流，然后通过检测分支节点处各个分支的直流电流大小确定故障路径,直到最终定位故障点。对于直流电路来讲，配电线的电感、电容都不起作用，线间电导非常小，也可以忽略不计，因此解决接地电阻和线路分布电容的影响，此外该方法还具有以下优点18，19，20:（1）直流电流信号在中途没有衰减，并且故障路径和非故障路径信号差别非常明显，为准确判别故障区段提供了条件。（2）可以解决分支众多和长短分支的问题。交流信号注入法由于线路长度导致分布电容电流较大，信号电流分流到了非故障相，影响了定位的

47、可靠性。但对于直流信号注入法而言，非故障分支和故障点下游相当于开路，所检测到的直流信号几乎为零。（3）线路分布电容对于直流信号来说相当于开路，所以线路的分布电容不影响定位效果，所以线路的长度对定位的精确度没有影响。（4）不受故障点过渡电阻的影响。当故障点过渡电阻较大时，接地电流在接地点产生很高的电压，若注入交流信号，这个高电压在线路上将产生对地电容电流，导致注入信号的分流。由于注入的是直流信号，线路分布电容对直流相当于开路，故接地点的直流电压不会通过电容分流，克服了过渡电阻的影响。通过调整电源输出电压的大小保证直流电流信号为100mA，进而保证直流信号注入法定位的可靠性。（5）架空线路中有一段

48、电缆或者多个电缆都不影响直流信号注入法的定位效果。对直流电流来说架空线路和电缆线路都只考虑电阻大小。（6）无功补偿电容对直流信号相当于开路，也不影响定位效果。4.3.2直流注入法的误差分析直流信号注入法虽然不受线路分布电容和接地电阻的影响，但该方法在使用过程中出现电流在A、B、C三相之间通过配电变压器串通问题，与交流信号注入法只在故障相有电流流通不同。原因在于变压器在交流条件下是个大电抗，交流信号电流不能在三相之间串通，而在直流条件下是个小电阻，直流注入信号在三相之间很容易相互串通20，造成非故障分支、故障点之后也可能检测到直流信号。如图4-5(a)所示线路，为配电变压器，在F点发生A相单相接

49、地故障。(a)(b)图4-5 直流注入法变压器串通原理图直流电流信号从A点的故障相注入，在B点向BC、BD分支分流，简化原理图如图4-5（b）分流可由下列公式计算， （4-10） （4-11） （4-12） （4-13）式中：表示BD单相线路的电阻；表示B点到短路点单相线路的电阻；表示C点到短路点单相线路的电阻；表示短路点的过渡电阻；表示注入的总电流。由上述公式可知，线路的支路电阻和接地的过渡电阻对电流的分流情况均有影响，由于配电网分支线路通常会很多，支路的电阻关系应为并联，因此线路的电阻可能会比过渡电阻小，此时过渡电阻的影响较为明显20。所以本节只分析过渡电阻对单相接地故障判断的影响，并由以

50、下实验说明过渡电阻的变化对对分流大小的具体影响。实验2：如图4-5（a）某10KV线路的一段支路，AB长为10km,BD和BC长都为6km，故障点在BC线路上，距B点2km，线路参数1.38/km。在发生不同过渡电阻接地故障后，在首段A点注入大小为100mA的直流电流，测量分支电流值，由于配电变压器的存在，导致部分直流电流在非故障相中流通。如图4-5（a）标注，在分支BC、BD方向测量线路上的故障相直流电流大小，测量结果见表4-3。表4-3 配电线路支路直流电流测量值/mA过渡电阻大小BC方向故障相电流BD方向故障相电流50088.7511.3110k71.6528.2220k64.8835.

51、0530k61.4338.55由上表可知，随着过渡电阻的增加非故障相的分流影响越明显，当过渡电阻的阻值较高时，线路的电阻可以忽略，各支路的电流大小将有可能近似相等。此时就无法判断出故障支路。4.3.3直流注入法的改进仍是上节的实验参数，测量过渡电阻为20k左右的支路各相和故障点前后的直流电流大小,其中负号表示反向，如表4-4所示，表4-4 配电线路直流电流测量值/mA测量点位置A相B相C相分支点BC相60.3519.2219.22分支点BD相39.75-19.31-19.42故障点前60.3419.4219.22故障点后-39.6519.2219.32改进1：由表4-4知，只测量分支线路的故障

52、相电流大小时，由于分流的作用较为明显，很可能出现误判。但是如果将各分支线路的三相直流电流相加，就会出现明显差别，故障线路的三相电流之和基本上等于注入电流的大小，而非故障线路的三相电流之和基本为零。此方法也适用于多分支是线路，不管有多少线路分流，非故障线路的三相直流电流之和都近似为零。因此，改进方法为：在各分支点处安装测量线路各方向三相信号电流之和的装置，但不需要精确测量电流大小，只要判断出是否有明显的信号电流流过即可，判断出故障支路后通过发出报警信号。改进2：表4-3显示出在故障线的故障相上，故障点前后的直流电流的变化是很大的，传统的方法是当选相和选线完成后，将故障围缩小到了某一分支线路，接下

53、来由维修人员在故障分支上查找故障点，在线路各点测量注入信号，当出现某一点前后检测信号突变时，该点就为故障点。但是当故障支路很长时，人工查找的还是方法很缓慢，在排查的过程中单相故障可能会扩大为两相或相间短路，所以还是要通过对注入信号的分析判断出故障点的精确位置，然后再由维修人员去故障点排查故障。本文在理论上提出了一种直流注入法和阻抗法结合的一种精确定位方法，可称为双端注入法。其原理如下：由以上的单端直流注入法可以准确的定位到故障支路区段，之后采用双端注入法来判断出故障点的位置。如在图4-5(a)中确定短路发生在BC支路上，为了精确定位，我们把C点的故障相也断开，这样故障相线路就完全脱离了系统网络

54、，等效为图4-6(a) (a) (b)图4-6 直流双端注入法原理图确定故障点的位置实质就是计算出从注入点到接地点的线路长度，由于接地的过渡电阻不确定，所以只从一端注入信号并测量电压电流不能确定两个未知量，而采用双端注入法的实质就是增加了一组方程，所以能解出各未知量的大小。双端注入法原理如图4-6（b）所示，计算公式如下： （4-14） （4-15） （4-16）式中：、为A点注入直流电压和电流，、为C点注入直流电压和电流。在实际工程测量中，A点为变电站很容易装备注入和检测设备，C点为用户端的变压器，要由维修人员去人工注入和测量。公式中和是已知的，可以由线路的长度和参数可求得。于是可以求出公式

55、中的未知量、，在由线路的参数可算出故障点的位置。4.4改进后的直流注入法选线定位的原理总结图4-7 改进直流注入法选线定位原理图假设单相短路故障出现在线路三的某一条支路上，选相装置判断出短路相后，断开变压器出线短路相的断路器，然后从母线向短路相注入直流电流信号。如图在线路的各分支处，装设了直流信号感应装置，此装备不必精确测量直流电流信号大小，只是将三相线路中的直流信号相加，然后和设定的阀值比较，当三相直流电流信号之和大于阀值时发出信号给调度室。例如上图，当注入信号为100mA时，设定阀值为80mA。1号，2号，3号线路表是变电站连接母线上的出线，其它支路表示3号出线上的子网支路，此时发出信号的

56、装置有：3号支路，AB支路，BC支路，CD支路。由收集到的信号调度很容易就判断出故障点在C和D点之间。然后，根据双端注入理论在支路的两端再次注入信号同时测量断点注入信号电流电压大小便可确定故障点，可选择在DI支路的变压器的高压侧向故障相注入信号并测量信号的电压电流大小，最后将数据传送给调度，利用式4-14，式4-15和式4-16计算出故障点位置。改进直流注入法采用各个分支线路都装设直流信号感应装置，不需测量各分支线路上信号精确值，不需维修人员到各分支点去检测信号电流大小，只需到线路端点注入和检测信号，大大节省了排查故障线路的时间，而且在定位方面理论上不存在误差，只有测量误差，大大提高了故障定位

57、的精确度。4.5本章小结本章对交流和直流注入法原理进行了分析，并通过实验分析了误差。选用直流注入法作为选线定位的方法，在理论上进行了两个改进：（1）检测信号由原来的故障相单相检测改为三相信号相加的检测方法。（2）定位时将原来的单端注入改为双端注入。5结论配电网发生单相接地故障后可带故障运行1-2个小时，在此阶段必须与时查找到故障线路上的故障点以防故障扩大。为了能更精确更迅速的查找到故障位置，本文提出了一个完整的故障定位方法基于直流注入法的单相接地故障诊断法。当配电网发生单相接地故障后，首先由三倍零序电流判断出发生了单相接地故障，并启动选相装置开始选相，将故障相退出运行后再启动选线装置开始选线，

58、由线路上的感应器反馈信号确定了故障线路后，最后进行精确定位，此方法可由人工去操作也可以在线路的每个端点出都装设注入和检测设备，综合所测得的数据判断出故障点具体位置，由维修人员到达故障点排查故障。其流程可由图5-1表示。图5-1 直流注入法单相接地故障诊断流程图基于直流注入法的单相接地故障诊断方法虽然在理论上能精确定位故障点，但是在工程应用时需要增加多个注入和检测设备因而增加了资金消耗，不能广泛应用于配电网中。随着各种电子设备小型化和智能化，注入设备和检测设备也更易配备在各个等级变电站的变压器进出线上，也更容易装设在各级架空线路上，而且随着无线通信技术的普与，信号传递也越来越方便，节省了人员沿线

59、路检测的时间，因此注入法在单相接地故障诊断方面将会渐渐普与，应用于各级配电网中。参考文献1 要焕年,梅月.电力系统谐振接地M.:中国电力,2001:1-20.2 孟祥萍，高嬿.电力系统分析M.：高等教育.2004.23 法中压配电网:法国电力公司采用新的中性点接地方式J.梅月译.电力技术.1997:29-36.4D.Griffel,VLeitloff.A new deal for safety and quality on MV networks.IEEE Transactionson Power DeliveryC,Vol.12,No.4,Oct 1997:1428-1433.5 王一宇.城

60、市配电网中性点接地方式讲座J.第三讲:配电网中性点接地方式的应用.供用电,1997,14(1):53-56.6 王一宇.城市配电网中性点接地方式讲座J,第一讲:配电网各种中性点接地方式的特点(上).供用电,1996,13(5):50-53.7 王一宇.城市配电网中性点接地方式讲座J,第二讲:配电网各种中性点接地方式的特点(下).供用电,1996,13(6):49-52.8 要焕年.城市电网中性点接地方式J.电网技术,1991,15(3):15-18.9 中华人民国电力行业标准.DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合M.中华人民国电力工业部.1997.10 保会，项根.电力系统继电保护M.：中国电力,2009.1211 宗剑.1035kV电网单相接地故障选相J.应用技术学院报.2008,8(2):91-94.12 齐,以涵.中性点非有效接地系统单相接地