小電流系統(tǒng)單項(xiàng)接地綜合選線研究

目錄TOC\o"1-2"\h\u139191緒論 1234291.1研究目的及意義 1282441.2國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀 387831.3本論文主要工作 4101392小電流接地系統(tǒng)單相接地故障特征 6165642.1電力系統(tǒng)中性點(diǎn)的接地方式 652162.2小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的特點(diǎn) 7119432.3小電流接地系統(tǒng)各種選線原理的分析與比擬 1124002.4各種測(cè)距方法的分析 13622.5本章小結(jié) 15152263小電流系統(tǒng)接地故障特征量分析 16193133.1中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)接地故障特征量分析 16130473.2中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)接地故障 19247894小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線仿真 26270994.1仿真模型的建立 2659074.2仿真算例 27302094.3本章小結(jié) 34100245小電流接地系統(tǒng)單相接地故障行波測(cè)距仿真 35258065.1行波的故障特征 35183655.2行波故障測(cè)距仿真算例 36239965.3本章小結(jié) 3826639參考文獻(xiàn) 3912096致謝 401緒論總的來(lái)說(shuō)是為了提高供電可靠性和平安性，節(jié)省人力物力。提高配電網(wǎng)的綜合自動(dòng)化水平隨著配電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大及城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)改造的進(jìn)一步深化，整個(gè)系統(tǒng)的對(duì)地電容電流越來(lái)越大，使弧光接地引起的過(guò)電壓倍數(shù)甚高；下面以10KV配電線路單相接地故障為例對(duì)其危害和影響進(jìn)行分析

1、對(duì)變電設(shè)備的危害

：10

kV配電線路發(fā)生單相接地故障后，變電站10

kV母線上的電壓互感器檢測(cè)到零序電流，在開(kāi)口三角形上產(chǎn)生零序電壓，電壓互感器鐵芯飽和，勵(lì)磁電流增加，如果長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，將燒毀電壓互感器。接地故障發(fā)生后，也可能產(chǎn)生諧振過(guò)電壓。幾倍于正常電壓的諧振過(guò)電壓，危及變電設(shè)備的絕緣，嚴(yán)重時(shí)使變電設(shè)備絕緣擊穿，造成更大事故。

2、對(duì)配電設(shè)備的危害

:

單相接地故障發(fā)生后，可能發(fā)生間歇性弧光接地，造成諧振過(guò)電壓，產(chǎn)生幾倍于正常電壓的過(guò)電壓，將進(jìn)一步使線路上的絕緣子擊穿，造成嚴(yán)重的短路事故，同時(shí)可能燒毀局部配電變壓器，使線路上的避雷器、熔斷器絕緣擊穿、燒毀,也可能發(fā)生電氣火災(zāi)事故。3、對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的危害

：嚴(yán)重的單相接地故障，可能破壞區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定，造成更大事故。4、對(duì)人畜危害

：對(duì)于導(dǎo)線落地這一類單相接地故障，如果配電線路未停運(yùn)，對(duì)于行人和線路巡視人員(特別是夜間)，可能發(fā)生跨步電壓引起的人身電擊事故，也可能發(fā)生牲畜電擊傷亡事故。5、對(duì)供電可靠性的影響

：發(fā)生單相接地故障后，一方面要進(jìn)行人工選線，對(duì)未發(fā)生單相接地故障的配電線路要進(jìn)行停電，中斷正常供電，影響供電可靠性；另一方面發(fā)生單相接地的配電線路將停運(yùn)，在查找故障點(diǎn)和消除故障中，不能保障用戶正常用電，特別是在莊稼生長(zhǎng)期、大風(fēng)、雨、雪等惡劣氣候條件，和在山區(qū)、林區(qū)等復(fù)雜地區(qū)，以及夜間、不利于查找和消除故障，將造成長(zhǎng)時(shí)間、大面積停電，對(duì)供電可靠性產(chǎn)生較大影響。上述是小電流接地系統(tǒng)的故障的危害，然而當(dāng)我們實(shí)地深入研究小電流單相接地故障以后，采取適當(dāng)?shù)姆桨阜椒〞?huì)更好預(yù)防和快速的切除故障，從而把危害降到最低。下面是一那么保護(hù)可靠選線準(zhǔn)確的成功案列

襄樊科能公司在湖北省電力局和襄樊供電局的大力支持下與某單位合作，不僅有了技術(shù)信息和試驗(yàn)設(shè)備；而且還得到了科研經(jīng)費(fèi)補(bǔ)助。從上世紀(jì)80年代末組織了一批在電力系統(tǒng)長(zhǎng)期從事發(fā)、配電工作的工程技術(shù)人員，開(kāi)展了近20年的研究工作，對(duì)國(guó)內(nèi)外這類裝置選線不可靠的原因，進(jìn)行了深入細(xì)致地分析，實(shí)地調(diào)查了很多變電站、開(kāi)關(guān)站，掌握了大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了各種理論在使用過(guò)程中存在的問(wèn)題。總結(jié)出了接地狀態(tài)時(shí)，電流、電壓和各種干擾信號(hào)的變化規(guī)律，根據(jù)“模糊理論〞的原理，綜合采用了“首半波〞、“無(wú)功功率方向〞、“諧波電流的方向和大小〞以及“小波分析〞等多種原理和方法。通過(guò)采集接地狀態(tài)時(shí)多種數(shù)據(jù)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，運(yùn)用模糊理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用邏輯關(guān)系和模糊加權(quán)運(yùn)算方法以及自主開(kāi)發(fā)的程序軟件；在硬件方面選用了從美國(guó)進(jìn)口的大規(guī)模集成電路和高速電腦工控機(jī)；結(jié)構(gòu)上是分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，多位處理器同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)跟蹤，多種數(shù)據(jù)同步采集和運(yùn)算處理，快速得出判斷結(jié)果。

同時(shí)，該公司還研制成功了與單相接地保護(hù)裝置配套的具有高精度和高靈敏度的LXMZ-10型母線式零序電流互感器和電纜式零序電流互感器。從多方面保證了保護(hù)選線的可靠性。從1989年開(kāi)發(fā)成功第一代選線裝置〔原名稱：?jiǎn)蜗嘟拥靥剿鲀x、單相接地故障在線監(jiān)測(cè)儀〕，于1993年通過(guò)了水利電力部低壓電器質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心的檢驗(yàn)測(cè)試；并在華中網(wǎng)局和湖北省電力工業(yè)局的共同組織下召開(kāi)了技術(shù)成果鑒定會(huì)，得到了與會(huì)三十多位專家、工程師的好評(píng)。該工程的主要技術(shù)人員現(xiàn)又對(duì)該裝置進(jìn)行了全面升級(jí)，功能更加強(qiáng)大，選線的可靠性得到了進(jìn)一步提高，從早期70-80﹪的選線準(zhǔn)確率，提高到現(xiàn)在的100﹪；既解決了中性點(diǎn)完全不接地系統(tǒng)保護(hù)選線的需要；又解決了中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈或電阻接地系統(tǒng)的保護(hù)選線需要；還能夠滿足多段母線多種組合并列或分段運(yùn)行方式時(shí)，多條線路同時(shí)發(fā)生接地時(shí)的保護(hù)選線。當(dāng)接地時(shí)的過(guò)渡電阻較高或系統(tǒng)有諧振發(fā)生時(shí)，也能到達(dá)選線準(zhǔn)確無(wú)誤?，F(xiàn)已在二百多座變電站安裝使用了這種裝置，從用戶反響的使用情況來(lái)看，效果很好，滿足了電力系統(tǒng)對(duì)可靠性的要求，具有世界領(lǐng)先水平。因此，從根本上解決了小接地電流系統(tǒng)單相接地保護(hù)選線可靠性差的世界性難題，為提高電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平作出了創(chuàng)新性的奉獻(xiàn)。因此有必要和意義研究小電流接地系統(tǒng)的故障和選線?！?〕在美國(guó)，由于其電網(wǎng)中性點(diǎn)主要采用電阻接地方式，也利用零序過(guò)電流保護(hù)瞬時(shí)切除故常線路。小電流接地系統(tǒng)中單相接地保護(hù)被認(rèn)為是難以實(shí)現(xiàn)的，而且引起的過(guò)電壓非常嚴(yán)重。因此，他們一般不采用小電流接地系統(tǒng)寧愿在供電網(wǎng)絡(luò)上多投資以保證供電的可靠性。但是今年來(lái)，在EIEE的專題報(bào)告上也認(rèn)為應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)小電流接地系統(tǒng)保護(hù)的研究?！?〕法國(guó)在使用中性點(diǎn)進(jìn)電阻接地系統(tǒng)〔NRS〕幾十年后，現(xiàn)在正以NES取代NRS，同時(shí)開(kāi)發(fā)出高新技術(shù)產(chǎn)品，零序?qū)Ъ{接地保護(hù)。另外，挪威一公司那么利用測(cè)量空間電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相位，反映零序電壓和零序電流的相位，研制了掛式接地指示器。〔3〕在前蘇聯(lián)，二十世紀(jì)以來(lái)小電流接地系統(tǒng)應(yīng)用較多，主要采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式，保護(hù)主要采用零序功率方向原理和首半波原理。起選線原理比擬簡(jiǎn)單，不接地系統(tǒng)主要功率方向繼電器。日本在供電、鋼鐵、化工用點(diǎn)中普遍采用NUS或NRS，所以選線原理簡(jiǎn)單。采用基波無(wú)功方向方法。今年來(lái)，在如何獲取零序電流信號(hào)以及接地點(diǎn)分區(qū)段方面投入了不少力量，利用光導(dǎo)纖維研制的架空線路和電纜零序互感器0ZCT試驗(yàn)獲得成功?！?〕三十年代德國(guó)首次提出利用零序電流的半波極性來(lái)判斷接地線路，相繼有多篇論文發(fā)表，并有幾代產(chǎn)品問(wèn)世。現(xiàn)在他們又研制出一種攜帶式接地報(bào)警裝置。而挪威一家公司那么利用空間電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相位，反映零序電流和零序電壓的相位，研制出懸掛式接地指示器，分段懸掛在線路和分叉點(diǎn)上?！?〕90年代，外國(guó)已將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理應(yīng)用于NUGS單項(xiàng)接地故障保護(hù)，并在有關(guān)文獻(xiàn)提到應(yīng)用專家系統(tǒng)方法。隨著小波分析的出現(xiàn)和開(kāi)展，國(guó)外有文獻(xiàn)提及利用小波分析良好的時(shí)頻局部性，分析故障暫態(tài)電流的高頻分量的方法。〔6〕在我國(guó)，6-35KV配電網(wǎng)常采用小電流接地系統(tǒng)，其中大多數(shù)是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。已經(jīng)提出的選線方法均以零序電壓來(lái)啟動(dòng)保護(hù)或選線裝置，因此可以根據(jù)是否利用故障電流來(lái)把它們分類，第一類包括：比幅法、比相法、群體比幅比相法、首半波法、諧波電流方向法、五次諧波分量法、有功分量法、能量法，還有近幾年出現(xiàn)的利用小波分析最大原理、模糊推理或模式識(shí)別來(lái)實(shí)現(xiàn)故障選線的多種方法；第二類包：拉線法注入信號(hào)跟蹤法等。〔7〕隨著選線原理的開(kāi)展，各種選線裝置也相繼研制成功。50年代我國(guó)有根據(jù)首半波極性研制成功的基地保護(hù)裝置和零序電流五次諧波研制成功的接地選線定位裝置。70年代后期，上海繼電器廠和許昌繼電器廠等單位研制生產(chǎn)了一批有選擇性的接地信號(hào)裝置，如反映中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)零序功率方向的ZD-4型保護(hù)和反映消弧線圈接地系統(tǒng)五次諧波零序功率方向的ZD-5型，ZD-6型ZD-7型保護(hù)。有些運(yùn)行部門還采用反映零序電流增大的零序電流保護(hù)來(lái)選線。80年代中期，我國(guó)又研制成功了微機(jī)型小電流系統(tǒng)單相接地選線裝置，近幾年來(lái)，隨著微機(jī)在電力系統(tǒng)應(yīng)用的推廣，相繼出現(xiàn)了一些型接地選線裝置和適合微機(jī)實(shí)現(xiàn)的選線理論。其中南京自動(dòng)化院的利用比擬零序電流五次諧波的的大小和方向的小電流接地系統(tǒng)單相接地選線裝置；東北電力學(xué)院研制出通過(guò)無(wú)線電接收諧波電流，利用比相原理而實(shí)現(xiàn)的單相接地選線裝置；山東大學(xué)研制出基于群體比幅比相原理的ML-1型以及利用零序電流五次諧波比相原理的MLA-98型小電流選線裝置；西安交通大學(xué)那么提出了利用零序電流的3、5、7次諧波分量之和的相比照擬法和自適應(yīng)獨(dú)立判別法進(jìn)行選線的原理等等。九十年代至今，又先后推出了基于有功功率法，S注入法，小波分析法及接地殘留增量法等原理的新型選線裝置，并且分析故障暫態(tài)特征，應(yīng)用DPS技術(shù)的基于小波理論的選線裝置已經(jīng)產(chǎn)生?！?〕到目前為止，基于上述不同的選項(xiàng)原理，已經(jīng)先后推出了幾代產(chǎn)品但在實(shí)際應(yīng)用中，效果不十分理想。而小電流接地系統(tǒng)故障測(cè)距問(wèn)題的研究相對(duì)較少，真正用于實(shí)際的裝置跟少見(jiàn)，這同配網(wǎng)自動(dòng)化水平不相適應(yīng).因此小電流接地系統(tǒng)故障定位問(wèn)題還有必要進(jìn)一步研究。本課題的研究對(duì)象是小電流接地系統(tǒng)即中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)，主要解決的是在小電流接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地時(shí)的故障選線和故障測(cè)距問(wèn)題。由于單相接地時(shí)的暫態(tài)分量往往比穩(wěn)態(tài)分量大幾倍到幾十倍，容易測(cè)量，且消弧線圈相當(dāng)于開(kāi)路，對(duì)暫態(tài)分量幾乎沒(méi)有影響，因而選用一種適合分析暫態(tài)信號(hào)的方法將有助于提高選線的正確率。由于小波變換具有良好的時(shí)頻局部化特性，非常適合分析電力系統(tǒng)的暫態(tài)信號(hào)。本文將小波變換引入到配電網(wǎng)的單相接地故障檢測(cè)中，實(shí)現(xiàn)故障選線和測(cè)距，其主要內(nèi)容如下：(1)簡(jiǎn)述國(guó)內(nèi)外小電流接地系統(tǒng)單相接地故障定位的研究現(xiàn)狀和開(kāi)展趨勢(shì)，目前廣泛采用的各種選線和測(cè)距方法。(2)對(duì)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)零序電流的特點(diǎn)及暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行分析和總結(jié)。(4)對(duì)本文所采用的選線和測(cè)距算法從原理上做詳細(xì)論述。對(duì)故障后的零序電流進(jìn)行小波變換，通過(guò)比擬小波變換模極大值的大小和極性實(shí)現(xiàn)故障選線，在選線的根底上，利用小波變換的奇異性檢測(cè)理論檢測(cè)初始行波波頭及故障點(diǎn)反射波的到達(dá)時(shí)刻實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距。(5)利用MATLAB/simulink中的電力系統(tǒng)仿真工具箱搭建小電流接地系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)本文提出的選線和測(cè)距算法進(jìn)行驗(yàn)證。2小電流接地系統(tǒng)單相接地故障特征我國(guó)配電網(wǎng)一般都采用中性點(diǎn)不直接接地方式(NUGS)，因其發(fā)生單相接地故障時(shí)流過(guò)故障點(diǎn)的零序電流很小，所以又稱為小電流接地系統(tǒng)，它包括中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)(NUS)、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)(NES)和中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)(NRS)。通常講的中性點(diǎn)不接地，實(shí)際上是經(jīng)過(guò)集中于電力變壓器中性點(diǎn)的等值電容(絕緣狀態(tài)欠佳時(shí)還有泄漏電阻)接地的，其零序阻抗多為一有限值，而且不一定是常數(shù)。如在工頻零序電壓作用下，零序阻抗可能呈現(xiàn)較大的數(shù)值，因此零序電流數(shù)值較小，而在3次或更高次諧波的零序電壓作用下，零序容抗銳減，高次諧波電流驟增，有時(shí)甚至在正常運(yùn)行情況下也可引起通信干擾。中性點(diǎn)不接地方式即中性點(diǎn)對(duì)地絕緣，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行方便，不需任何附加設(shè)備，投資省，適用于農(nóng)村10kV架空線為主的輻射形或樹(shù)狀形的供電網(wǎng)絡(luò)。在中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，線電壓仍保持對(duì)稱，可以繼續(xù)運(yùn)行1~2小時(shí)，不影響對(duì)用戶供電。當(dāng)線路不長(zhǎng)時(shí)，接地電容電流值較小，不至于形成穩(wěn)定的接地電弧，一般均能迅速自動(dòng)熄滅而無(wú)需跳閘。而當(dāng)線路較長(zhǎng)時(shí)，電容電流大于規(guī)程規(guī)定的10A時(shí)，容易產(chǎn)生一種不穩(wěn)定的間歇性接地電弧而引起幅值較高的弧光接地過(guò)電壓?；」膺^(guò)電壓持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)中絕緣薄弱的設(shè)備威脅較大，容易使事故擴(kuò)大。我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T620－1997?交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕了通路，同時(shí)電阻對(duì)系統(tǒng)的諧振起阻尼作用，其主要優(yōu)點(diǎn)是：(1)可以有效抑制弧光接地過(guò)電壓，從而降低設(shè)備的絕緣水平要求，提高經(jīng)濟(jì)效益；(2)從根本上抑制了系統(tǒng)諧振過(guò)電壓；(3)運(yùn)行方式靈活，對(duì)電容電流的適用范圍大，不會(huì)因?yàn)轲伨€的增多而改變電阻；(4)發(fā)生永久接地時(shí)，能迅速切除故障，具有明顯的平安性。但中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，特別是現(xiàn)有以架空線路為主的配電網(wǎng)(尤其是農(nóng)網(wǎng))單相接地時(shí)，跳閘次數(shù)會(huì)大大增加。如果尚未實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)供電，那么停電次數(shù)將還會(huì)增加，使供電可靠性降低。同時(shí)頻繁跳閘，增加了斷路器的負(fù)擔(dān)，大大加重了維護(hù)、檢修的工作量。2.2.1中性點(diǎn)不接地方式(NUS)如圖2-1所示的中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中，每條線路對(duì)地均有電容存在，以，，等集中電容來(lái)表示。當(dāng)線路III發(fā)生A相接地后，如果不計(jì)及三相對(duì)稱負(fù)荷電流和電容電流在線路阻抗上壓降的影響，那么全系統(tǒng)A相對(duì)地電壓均等于零。因而各元件A相對(duì)地的電容電流也等于零，而B(niǎo)相和C相的對(duì)地電壓和電容電流都升高?，F(xiàn)分析如下：電網(wǎng)各處A相對(duì)地電壓〔2-1〕因此，電源中性點(diǎn)N對(duì)地電壓：〔2-2〕B相對(duì)地電壓為〔2-3〕C相對(duì)地電壓為〔2-4〕母線上的零序電壓為〔2-5〕非故障線路IA相電流：〔2-6〕B相電流：〔2-7〕C相電流：〔2-8〕零序電流為：〔2-9〕同理，非故障線路II零序電流為：〔2-10〕故障線路III零序電流為：〔2-11〕當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)，線路上兩個(gè)非故障相的電容電流之向量和稱為接地電容電流非故障線路I的接地電容電流為：〔2-12〕同理，非故障線路II的接地電容電流為：〔2-13〕故障線路III的接地電容電流為：〔2-14〕電網(wǎng)中所有線路的接地電容電流總和為：〔2-15〕接地故障處的電流就是接地電容電流總和，即綜合以上分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：(1)在中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中發(fā)生單相接地時(shí)，故障相對(duì)地電壓為零，非故障相對(duì)地電壓為電網(wǎng)的線電壓，電網(wǎng)出現(xiàn)零序電壓，它的大小等于電網(wǎng)正常工作時(shí)的相電壓；(2)非故障線路大小等于本線路的接地電容電流；故障線路大小等于所有非故障線路的接地電容電流之和；(3)非故障線路的零序電流超前零序電壓90°；故障線路的零序電流滯后零序電壓90°；故障線路的零序電流與非故障180°90°90°線路的零序電流相位相差180°；(4)接地故障處的電流大小等于所有線路的接地電容電流的總和，并超前零序電壓90°。2.2.2中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式(NES)在我國(guó)，35kV電網(wǎng)，如果單相接地時(shí)，接地電容電流的總和大于10A，3~10kV電網(wǎng)如果大于30A，都需要采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，保證接地電弧瞬時(shí)熄滅，以消除弧光間隙接地過(guò)電壓。電網(wǎng)各處A相對(duì)地電壓為零，電源中性點(diǎn)N對(duì)地電壓：〔2-16〕B相對(duì)地電壓：〔2-17〕C相對(duì)地電壓：〔2-18〕母線上的零序電壓：〔2-19〕非故障線路I：〔2-20〕非故障線路II：〔2-21〕故障線路III的接地電容電流：〔2-22〕這些電流、電壓與電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地時(shí)完全相同。所不同的，主要有以下幾點(diǎn)：如果消弧線圈的電感為L(zhǎng)，由于它兩端的電壓為〔2-23〕因此通過(guò)它的電流為(不計(jì)消弧線圈的功率損耗)：〔2-24〕由于接地電容電流和都通過(guò)接地點(diǎn)，因此接地點(diǎn)的電流為：〔2-25〕超前而滯后，二者相位相反，因此接地點(diǎn)的電流比電網(wǎng)接地電容電流的總和小得多，消弧線圈起到了補(bǔ)償作用，接地點(diǎn)的電流成為剩余電流。在電網(wǎng)的運(yùn)行中，為了減少接地電流，并防止鐵磁共振過(guò)電壓，一般采用過(guò)補(bǔ)償方式，使。過(guò)補(bǔ)償多少以補(bǔ)償度P表示，它的定義：〔2-26〕償度一般為5%~10%。又由于的相位與相反，可得〔2-27〕〔2-28〕如果P=10%，那么接地點(diǎn)的剩余電流只有電網(wǎng)接地電容電流總和的10%，比沒(méi)有消弧線圈補(bǔ)償要小得多。與每條線路的電容電流接近，因此，反響故障電流穩(wěn)態(tài)值的簡(jiǎn)單保護(hù)將無(wú)法采用。(3)由于故障線路III：〔2-29〕因此故障線路的應(yīng)為：〔2-30〕根據(jù)以上的分析，可以得到以下結(jié)論：(1)消弧線圈接地電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障相對(duì)地電壓為零，非故障相對(duì)地電壓為電網(wǎng)相電壓；電網(wǎng)出現(xiàn)零序電壓，它的大小等于電網(wǎng)正常工作時(shí)的相電壓。(2)消弧線圈兩端電壓為零序電壓，消弧線圈的電流也通過(guò)接地故障點(diǎn)和故障線路的故障相，但它不通過(guò)非故障線路。(3)接地故障點(diǎn)剩余電流的大小等于補(bǔ)償度與電網(wǎng)接地電容電流的乘積，它滯后于零序電壓90°；剩余電流的數(shù)值很小。(4)非故障線路的大小等于本線路接地電容電流；在過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r下，故障線路的大小等于剩余電流與本線路接地電容電流之和。(5)非故障線路零序電流超前零序電壓90°；在過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r下，故障線路的零序電流也超前零序電壓90°；故障線路的零序電流與非故障線路的零序電流相位一致，但是由于電感電流不能突變，在故障瞬間，零序電流主要表現(xiàn)為容性，相位仍然與非故障相相反。按照所使用的電氣量不同，小電流接地系統(tǒng)的選線方法可分為穩(wěn)態(tài)分量法、暫態(tài)分量法、注入信號(hào)法等?！?〕基波零序電流比幅法零序電流比幅法利用的是流過(guò)故障元件的零序電流在數(shù)值上等于所有非故障元件的對(duì)地電容電流之和，即故障線路上的零序電流最大，所以只要通過(guò)比擬零序電流幅值大小就可以找出故障線路。但這種方法受CT不平衡、線路長(zhǎng)短、出線多少、系統(tǒng)運(yùn)行方式及過(guò)渡電阻大小的影響，不適用于經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)?！?〕基波零序電流相對(duì)相位法零序電流相對(duì)相位法利用故障線路零序電流與非故障線路零序電流流動(dòng)方向相反的特點(diǎn)，找出故障線路。但這種方法在線路較短時(shí)，零序電壓、電流均較小，相位判斷困難，且受CT不平衡電流、過(guò)渡電阻大小的影響，并且不適用于消弧線圈的過(guò)補(bǔ)償運(yùn)行方式?！?〕零序諧波分量法發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流中存在的諧波信號(hào)以5次諧波為主。由于消弧線圈是按照基波整定的，因此可忽略消弧線圈對(duì)5次諧波產(chǎn)生的補(bǔ)償效果，再利用5次諧波電容電流群體比幅比相法，就可以解決經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的選線問(wèn)題。但故障電流中5次諧波含量較小〔小于故障電流10%〕，且受CT不平衡電流和過(guò)渡電阻的影響，選線的準(zhǔn)確度也不是很穩(wěn)定?！?〕有功分量法其原理是利用自動(dòng)補(bǔ)償電網(wǎng)中消弧線圈上并聯(lián)或串聯(lián)阻尼電阻的特點(diǎn)，在發(fā)生接地故障后，電阻產(chǎn)生的有功分量只流過(guò)故障線路，且其方向與非故障線路的零序有功漏電流方向相反，在數(shù)值上故障線路的有功電流比非故障線路的有功電流大，據(jù)此，只要以零序電壓作為參考向量，將此有功電流取出，就可以方便地實(shí)現(xiàn)接地選線保護(hù)。該方法不僅受消弧線圈串聯(lián)或并聯(lián)的電阻的影響，同時(shí)也受接地電阻和CT不平衡的影響?！?〕基于負(fù)序電流的選線方法當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，基波負(fù)序電流分量與中性點(diǎn)接地方式無(wú)關(guān)，故障線路基波負(fù)序電流分量的有效值，與所有非故障線路者相比，前者不僅數(shù)值最大，而且比后者高出許多，同時(shí)故障與非故障線路的負(fù)序電流分量的相位相反，據(jù)此可構(gòu)成選線判據(jù)。但負(fù)序信號(hào)獲取困難且易受負(fù)荷變化的影響。首半波法首半波法是基于接地故障發(fā)生在相電壓接近最大值瞬間這一假設(shè)。用故障線路中故障后暫態(tài)零序電流第一個(gè)周期的首半波與非故障線路相反的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)選線。但該原理不能反映相電壓較低時(shí)的接地故障，且受接地過(guò)渡電阻影響較大，同時(shí)也存在工作死區(qū)。PRONY算法PRONY算法對(duì)于接地故障電流的分析具有很高的準(zhǔn)確性，它是一種用指數(shù)項(xiàng)擬合模型很有效的頻譜分析方法。小電流接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流暫態(tài)分量的頻率、幅值、阻尼和相位等參數(shù)與故障特性有清晰的相關(guān)性，利用PRONY算法分析高頻分量的頻率和直流分量的阻尼來(lái)實(shí)現(xiàn)的故障定位方法是有效和準(zhǔn)確的。此算法的計(jì)算量較大，但配置一般的微機(jī)即可。暫態(tài)能量法定義為故障線路的能量函數(shù)，呈單調(diào)上升，而非故障線路的負(fù)序電流很小，能量函數(shù)相應(yīng)很小，但在一個(gè)周波內(nèi)的計(jì)算能量為負(fù)。因此故障線路的計(jì)算能量遠(yuǎn)大于非故障線路，二者符號(hào)相反；前者為正，后者為負(fù)。通過(guò)比擬線路暫態(tài)能量的大小和符號(hào)即可進(jìn)行接地保護(hù)。在相電壓過(guò)零附近故障或過(guò)渡電阻較大時(shí)，暫態(tài)過(guò)程較為微，暫態(tài)分量缺乏，選線失效。小波分析法單相接地故障發(fā)生后，故障電壓和電流的暫態(tài)過(guò)程持續(xù)時(shí)間短，并含有豐富的特征信息，且比穩(wěn)態(tài)值大，因此選擇適宜的分析方法分析暫態(tài)信號(hào)，將有利于故障選線。小波變換具有時(shí)頻同時(shí)局部化的特點(diǎn)，能夠很好地提取故障暫態(tài)特征。小波變換是把一個(gè)信號(hào)分解成不同尺度和位置的小波之和，利用適合的小波和小波基對(duì)暫態(tài)零序電流的特征分量進(jìn)行小波變換后，易看出故障線路上暫態(tài)零序電流特征分量的包絡(luò)線高于非故障線路，且其特征分量的相位也與非故障線路的相反，這樣就能構(gòu)造出利用暫態(tài)信號(hào)的選線判據(jù)。原理的選線方法最大原理的本質(zhì)是尋求緩大零序無(wú)功功率突變量的代數(shù)值，從理論上根本消除了電流互感器不平衡電流的影響。小電流接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)有較大突變，可通過(guò)一中間參考正弦信號(hào)，使各線路故障前的零序電流對(duì)故障母線在故障后的零序電壓亦能找出相位關(guān)系，由此再把所有線路故障前、后的零序電流都投影到故障線路零序電流的理論方向上。然后計(jì)算出各線路故障前、后的投影值之差找出差值最大的即最大的。假設(shè)，那么線路k為故障線路，否那么為母線故障。此法有兩個(gè)缺陷：首先，計(jì)算，過(guò)程中需取一參考信號(hào)，假設(shè)該信號(hào)出問(wèn)題，將造成該算法失效；其次，該算法在計(jì)算過(guò)程中需求出有關(guān)相量的相位關(guān)系，計(jì)算量太大。對(duì)于只裝設(shè)兩相CT的架空出線，難以得到零序電流，需用新的方法。首先定出故障的相別，然后向接地相注入信號(hào)電流，其頻率可取在各次諧波之間，使其不反響工頻分量及高次諧波。故障時(shí)接地相的PT副邊處于被短路的狀態(tài)，由副邊感應(yīng)來(lái)的信號(hào)電流沿接地線路的接地相流動(dòng)并經(jīng)接地點(diǎn)入地。用信號(hào)電流探測(cè)器在開(kāi)關(guān)柜后對(duì)每一條出線進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)到注入信號(hào)的線路即為故障線路。該方法利用處于不工作狀態(tài)的接地相PT注入信號(hào)，不增加一次設(shè)備，不影響系統(tǒng)運(yùn)行。但其困難是注入信號(hào)的強(qiáng)弱受電壓互感器容量限制，接地電阻較大時(shí)線路分布電容會(huì)對(duì)注入的信號(hào)分流，給選線和定點(diǎn)帶來(lái)干擾，如果接地點(diǎn)存在間歇性電弧現(xiàn)象，注入的信號(hào)在線路中將不連續(xù)且會(huì)破壞信號(hào)特征，給檢測(cè)帶來(lái)困難。2.3.5拉路法 拉路法即傳統(tǒng)采用的無(wú)選擇性絕緣監(jiān)視裝置方法。小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置動(dòng)作，此時(shí)繼電器不跳閘，只是發(fā)出報(bào)警信號(hào)。值班人員聽(tīng)到報(bào)警裝置后，逐次斷開(kāi)各線路的斷路器，當(dāng)斷開(kāi)某一線路時(shí)，假設(shè)報(bào)警信號(hào)不消失，那么說(shuō)明該線路不是故障線路，立即合上線路，恢復(fù)供電；假設(shè)報(bào)警信號(hào)消失，那么該線路即為故障線路。該方法的缺點(diǎn)是故障后需短時(shí)停電才能確定故障線路。在電網(wǎng)發(fā)生單相永久接地故障的情況下，假設(shè)增大消弧線圈的失諧度(或改變限壓電阻的阻值)，那么只有故障線路中的零序電流會(huì)隨之改變，因此只要對(duì)失諧度變化前、后各條饋線的零序電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，比照找出剩余電流明顯變化的饋線，便可確定為故障線路。小電流接地系統(tǒng)故障測(cè)距問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外均有研究。根據(jù)暫態(tài)行波在輸電線路有固定的傳播速度這一特點(diǎn)(約為光速的98%)，國(guó)外學(xué)者早在五十年代就提出了數(shù)種行波故障測(cè)距方法，并成功研制A，B，C，D四種類型的行波故障測(cè)距儀；七十年代初期，瑞典ASEA公司和美國(guó)BPA公司聯(lián)合進(jìn)行了利用暫態(tài)行波構(gòu)成超高速機(jī)電保護(hù)的可行性研究，通過(guò)大量的故障計(jì)算證實(shí)利用故障產(chǎn)生行波實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)是可能的，并于1976年研制成功第一套行波保護(hù)裝置。分析包括波過(guò)程在內(nèi)的電磁暫態(tài)數(shù)值計(jì)算方法是建立在流動(dòng)波根底上的網(wǎng)格法和Bergeron特征線法。目前已提出了諸如：阻抗測(cè)距法，行波測(cè)距法，及基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字式測(cè)距方法。根據(jù)實(shí)現(xiàn)原理，故障測(cè)距研究的方法大致可以分為三類。配電系統(tǒng)饋線故障分析測(cè)距法是利用故障發(fā)生后，測(cè)距安裝端可獲得的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)準(zhǔn)確定位的方法。目前，故障分析法主要是阻抗法。利用測(cè)量信息計(jì)算故障阻抗的測(cè)距算法是建立在阻抗法或電抗法的原理根底上的，計(jì)算方法比擬復(fù)雜，如利用牛頓拉夫遜方法、傅立葉級(jí)數(shù)方法、最小二乘估計(jì)等，但由于不能消除過(guò)渡電阻的影響以及系統(tǒng)建模、參數(shù)簡(jiǎn)化、分量提取等環(huán)節(jié)勢(shì)必產(chǎn)生一定的原理性誤差和小電流接地系統(tǒng)不同于中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，其故障前后基頻分量變化很小，且絕大多數(shù)是間歇性瞬時(shí)故障，暫態(tài)波形畸變嚴(yán)重，不可能精確提取基頻分量，故基于基頻分量的測(cè)距方法誤差必然較大，在這種情況下，采用時(shí)域采樣的測(cè)距方法，誤差將會(huì)更大，探測(cè)精度不高。利用高頻暫態(tài)電流電壓的行波在線路中的傳播或在故障后用脈沖頻率調(diào)制雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)間接判斷故障點(diǎn)的距離。行波測(cè)距法的研究始于60年代。人們根據(jù)電壓和電流行波在線路上有固定的傳播速度〔約為光速的98%〕這一特點(diǎn)，提出了許多種行波故障測(cè)距方法。目前該方法大致可分為三類，第一類根據(jù)故障點(diǎn)出現(xiàn)的行波到達(dá)母線后反射到故障點(diǎn)，再由故障點(diǎn)反射回母線的時(shí)間差來(lái)測(cè)距；第二類是根據(jù)故障點(diǎn)出現(xiàn)的行波到達(dá)兩側(cè)母線的時(shí)間并借助專用通道來(lái)實(shí)現(xiàn)；第三類是根據(jù)故障后人為施加高頻或直流信號(hào)，利用雷達(dá)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。為解決故障測(cè)距問(wèn)題，有許多學(xué)者引入優(yōu)化方法、卡爾曼濾波技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、概率和統(tǒng)計(jì)決策、模糊理論和光纖測(cè)距、模擬退火算法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，但目前都處于研究階段。小電流接地系統(tǒng)的故障測(cè)距問(wèn)題的研究相對(duì)較少，現(xiàn)有的故障測(cè)距方法都有一定的局限性，真正用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的測(cè)距裝置更是少見(jiàn)，這同配電網(wǎng)自動(dòng)化的水平不相適應(yīng)，很有必要對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步的研究隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化整體水平的提高，新的數(shù)學(xué)工具和技術(shù)的不斷出現(xiàn)，研究高性能的測(cè)距方法是必然的，基于故障特征法實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距將是有效的。本章首先對(duì)電力系統(tǒng)小電流系統(tǒng)中的中性點(diǎn)接地方式的種類及各種方式的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹，分析了中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)零序分量的產(chǎn)生機(jī)理、特點(diǎn)和相互系，對(duì)其暫態(tài)特性進(jìn)行了分析，可作為選線和測(cè)距的依據(jù)。旨在通過(guò)分析零序分量的特點(diǎn)來(lái)找出它們?cè)诠收暇€路和非故障線路上的差異，為指定和實(shí)施選線和測(cè)距奠定根底。3小電流系統(tǒng)接地故障特征量分析中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)中，中性點(diǎn)電壓升高的原因主要有：?jiǎn)蜗嘟拥?、鐵磁諧振、單相單相斷線等。根據(jù)接地故障的時(shí)間和接地電阻的穩(wěn)定性，單相接地故障可以分為穩(wěn)定單相接地故障和不穩(wěn)定單相接地故障。其中穩(wěn)定故障是指接地電阻穩(wěn)定于某值或者電弧持續(xù)穩(wěn)定的燃燒，這時(shí)根據(jù)接地電阻的大小又可以分為高電阻接地故障、低電阻〔或者是金屬性接地〕接地故障。而不穩(wěn)定接地是指接地故障不定持續(xù)的，是瞬間的或者是時(shí)斷時(shí)續(xù)的，這時(shí)又可以分為瞬間電弧接地和間歇性電弧接地。這種故障可以引起間歇性電弧過(guò)電壓。在正常運(yùn)行中，由于三相對(duì)地電容的不對(duì)稱，電網(wǎng)中性點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)位移電壓。我們這里假設(shè)故障以外的電網(wǎng)中的元件都是對(duì)稱的。對(duì)于中性點(diǎn)絕緣電網(wǎng)，為無(wú)窮大?？勺銐驕?zhǔn)確的認(rèn)為零序電流和零序電壓以及中性點(diǎn)電壓只取決于零序阻抗和電弧電阻R；又認(rèn)為零序電阻中對(duì)應(yīng)泄漏電導(dǎo)的有功電流只約為電容電流的。當(dāng)忽略有功分量后，為電網(wǎng)中每相對(duì)地電容。圖3-1中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)單相接地等效序網(wǎng)圖圖3-2單相接地故障發(fā)生后零序回路簡(jiǎn)化電路圖假設(shè)C相發(fā)生接地故障，中性點(diǎn)電位偏移關(guān)系式為:正序電流、負(fù)序電流、零序電流相等由序網(wǎng)圖得到零序穩(wěn)態(tài)電流值為：〔3-1〕〔3-2〕特別地，當(dāng)發(fā)生單相金屬性接地時(shí)，接地相電壓為零，對(duì)地電容被短接。Rg=0,那么零序電流和電壓為：〔3-3〕兩個(gè)非故障相對(duì)地電壓升高倍，對(duì)地電容電流也相應(yīng)升高倍，兩相電壓及兩相電流之間的相位差均為60度。因此，電網(wǎng)將出現(xiàn)零序電壓，幅值等于電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)單相對(duì)地電壓。在非故障線路上，零序電流幅值等于正常運(yùn)行時(shí)單相對(duì)地電容電流，方向從母線指向線路;而故障線路上，由于同一母線各條出線的對(duì)地電容電流都要經(jīng)過(guò)接地點(diǎn)返回電源，零序電流幅值等于所有非故障線路零序電流之和(即大于任一條非故障線路零序電流)，方向從線路指向母線。接地電流為：〔3-4〕當(dāng)接地點(diǎn)存在一定過(guò)渡電阻時(shí)，接地相電壓不再為零，其幅值隨過(guò)渡電阻增大而增加。系統(tǒng)零序電壓和各條出線零序電流也隨之減小，但它們之間的相位關(guān)系不變。由式(5-2)可做出中性點(diǎn)及三相電壓隨過(guò)渡電阻變化的相量軌跡圖如圖15。從相量圖可以看出當(dāng)C相發(fā)生接地故障時(shí)，C相電壓一定降低，超前于C相的B相電壓一定升高，而滯后于C相的A相電壓可能升高也可能降低，C相電壓可能大于A相電壓，也可能小于A相電壓。C相電壓與A相電壓的大小關(guān)系由接地電阻的阻值決定。中性點(diǎn)絕緣電網(wǎng)中單相接地引起的暫態(tài)過(guò)程使健全相產(chǎn)生高頻振蕩電壓，并使振蕩回路中電流突升，它會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)金屬性接地時(shí)的穩(wěn)態(tài)電流。這一暫態(tài)過(guò)電流有時(shí)會(huì)給繼電保護(hù)和其他設(shè)備帶來(lái)影響。圖3-3單相接地時(shí)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)等值電路暫態(tài)過(guò)程中，零序電流和電壓間的關(guān)系可以表示如下：〔3-5〕電壓電流都有兩局部組成，一個(gè)是以電源頻率變化的和稱強(qiáng)制分量，另一個(gè)是以振蕩的自由分量。自由分量包括兩項(xiàng)，它們之間的相角差為，而。式中：〔3-7〕為了對(duì)電壓最大值有個(gè)概念，我們假定b很小，，由此可得：理論上的電壓電流的最大值，其幅值為：〔3-8〕(3-9)當(dāng)時(shí)，因此我們得到〔3-10〕〔3-11〕電容上的最大暫態(tài)電壓為穩(wěn)態(tài)電壓最大值的兩倍，但是回路的暫態(tài)電流會(huì)比穩(wěn)態(tài)電流最大值會(huì)更大。圖3-4單相接地故障發(fā)生時(shí)電網(wǎng)等效電路圖圖3-5不同的單相接地故障時(shí)中性點(diǎn)電壓波動(dòng)曲線從中性點(diǎn)電壓曲線上，可以看到不同的單相接地故障類型，中性點(diǎn)電壓呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性穩(wěn)定接地故障時(shí)，中性點(diǎn)電壓迅速地上升到相電壓幅值，然后穩(wěn)定的呈正弦波形；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生經(jīng)大電阻單相永久接地故障時(shí)，由于系統(tǒng)附加阻尼率很小，在預(yù)調(diào)式消弧線圈阻尼電阻切除或在隨調(diào)式消弧線圈工作在靠近諧振點(diǎn)工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)消弧線圈串聯(lián)諧振過(guò)電壓；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生瞬間接地故障時(shí)，由于故障時(shí)間很短暫，中性點(diǎn)電壓上升到一定的數(shù)值后，慢慢再次衰減到正常運(yùn)行狀態(tài)；而間歇性單相接地故障是最復(fù)雜的一種單相故障中性點(diǎn)電壓在故障后呈現(xiàn)不規(guī)律的幅值波動(dòng)，并且隨著電弧熄滅和重燃的次數(shù)和時(shí)間的不同，波形有很大差異。圖3-6諧振接地系統(tǒng)單相接地故障發(fā)生時(shí)電容電流分布〔1〕電壓變化特點(diǎn)在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，假設(shè)各相的對(duì)地電壓是對(duì)稱的，電源中性點(diǎn)對(duì)地電壓等于零。對(duì)于完全換位的系統(tǒng)，其三相對(duì)地電容相同，在對(duì)稱電壓的作用下產(chǎn)生的三相電容電流也是對(duì)稱的，并超前相應(yīng)電壓90度。因此三相對(duì)地電壓之和與三相電容電流之和都為零，所以電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)無(wú)零序電壓和零序電流。當(dāng)單相接地故障發(fā)生后，接地故障相電壓降低，非故障相對(duì)地升高，中性點(diǎn)電壓升高，計(jì)及輸電線路等元件的零序電容〔對(duì)地電容〕，出現(xiàn)故障零序電容電流，根據(jù)線路的等效電路得到序網(wǎng)的等效電路，如圖3-6，、分別為線路1和線路2的對(duì)地電容。當(dāng)線路2的K點(diǎn)A相接地短路時(shí)，做出復(fù)合序網(wǎng)。因各個(gè)序網(wǎng)阻抗在線路上形成的壓降很小，可以忽略不計(jì)，所以正序負(fù)序網(wǎng)絡(luò)中阻抗近似為零，零序網(wǎng)絡(luò)中有對(duì)地電容和消弧線圈電感，假設(shè)接地電阻為。圖3-7單相接地故障零序回路等效電路由序網(wǎng)的等效電路得到單相接地時(shí)隨過(guò)渡電阻變化，中性點(diǎn)電壓大小為：〔3-12〕因此，中性點(diǎn)電壓偏移的軌跡是一個(gè)半圓，過(guò)補(bǔ)償時(shí)電壓向量圖分別如下列圖所示。 圖3-8中性點(diǎn)電壓偏移的軌跡〔2〕電流變化特點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)等效于在中性點(diǎn)不接地情況下疊加一個(gè)感性分量。由圖3-6由于接地電阻的分壓作用，使,的減小使得電網(wǎng)各局部零序電流的幅值減小。非故障線路、故障線路始端、故障點(diǎn)電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的零序電流及接地點(diǎn)總電流的表達(dá)式具有類似形式，即零序電流與零序電壓的相位關(guān)系不變。投入消弧線圈后，電容電流的大小和分布與不接地時(shí)候一樣，不同之處是在接地點(diǎn)又增加了一個(gè)感性電流分量,因此接地點(diǎn)的總電流為：由于和的相位相差180度，所以接地點(diǎn)電流因?yàn)橄【€圈的補(bǔ)償而減小。如果忽略線路對(duì)地電導(dǎo)，那么消弧線圈的感性電流只流過(guò)接地點(diǎn)和接地線路。消弧線圈在單相接地時(shí)一般工作在過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)下，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的故障線路的零序電流方向與非故障線路相同。如果消弧線圈工作在欠補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)下，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的故障線路的零序電流方向與非故障線路相反，但是在穩(wěn)態(tài)下基頻幅值明顯減小。單相接地故障發(fā)生的瞬間，流過(guò)故障點(diǎn)的暫態(tài)接地電流由暫態(tài)的電容電流和暫態(tài)的電感電流兩局部組成。由于暫態(tài)過(guò)程中消弧線圈等效感抗非常大，而且暫態(tài)電感電流和電容電流頻率不同，即兩者不能互相償。圖3-9單相接地暫態(tài)電流的等值回路其中C為補(bǔ)償電網(wǎng)三相對(duì)地電容，三相線路和電源變壓器等在零序回路中的等值電感，零序回路中的等值故障點(diǎn)的接地電阻和弧道電阻，、分別為消弧線圈的有功損耗電阻和電感，零序電源電壓。〔1〕暫態(tài)電容電流根據(jù)等值電路圖3-9，暫態(tài)特性因其自由振蕩頻率一般較高，消弧線圈電感，，可以不予考慮，得如下方程式：〔3-13〕當(dāng)時(shí)，回路電流的暫態(tài)過(guò)程具有周期性振蕩及衰減特性，當(dāng)時(shí)，回路電流那么具有非周期性振蕩衰減特性，并逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。架空線路自由振蕩頻率一般為300～1500Hz，電纜線路電感遠(yuǎn)小于架空線路，對(duì)地電容較架空線路大許多倍，故其自由振蕩頻率為1500～3000Hz，持續(xù)時(shí)間很短。因?yàn)闀簯B(tài)電容電流是由暫態(tài)自由振蕩分量和穩(wěn)態(tài)工頻分量?jī)删植拷M成的，利用t=0時(shí)電容電流為這一初始條件和的關(guān)系，經(jīng)過(guò)拉氏變換等運(yùn)算可得：〔3-14〕式中：相電壓的幅值，為電容電流的幅值；為暫態(tài)自由振蕩分量的角頻率；，為自由振蕩分量的衰減系數(shù)，其中的為回路的時(shí)間常數(shù)。假設(shè)系統(tǒng)的運(yùn)行方式不變，那么為一常數(shù)。當(dāng)較大時(shí)，自由振蕩衰減較慢；反之，那么衰減較快。因?yàn)樯鲜街泻泻蛢蓚€(gè)因子，故從理論上講，在相角為任意值時(shí)發(fā)生接地故障，均會(huì)產(chǎn)生自由振蕩分量。當(dāng)時(shí)，其值最小，當(dāng)時(shí)，其值最大。此時(shí)，當(dāng)故障相在電壓峰值、即接地，電容電流自由振蕩分量的振幅出現(xiàn)最大值?！?-16〕可見(jiàn)，暫態(tài)自由振蕩電流分量的幅值與自振角頻率和工頻角頻率之比成正比?！?〕暫態(tài)電感電流消弧線圈電感電流由暫態(tài)的直流分量和穩(wěn)態(tài)的交流分量組成，表達(dá)式為：〔3-17〕暫態(tài)電感電流振蕩角頻率與電源的角頻率相等，幅值與接地瞬間電源電壓的相角有關(guān)，時(shí)其值最大，時(shí)，其值最小。4小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線仿真本文采用的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，是一個(gè)簡(jiǎn)單110/10kV的變電站，有5條出線，當(dāng)開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)時(shí)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)開(kāi)關(guān)K閉合時(shí)為中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)消弧線圈接地系統(tǒng)。圖4-1具有5條出線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖線路正序參數(shù)為：，，；零序參數(shù)為：，，；變壓器參數(shù)為：雙繞組變壓器，電壓等級(jí)為110kV/10kV，變壓器容量為50MVA，線路長(zhǎng)度分別為：=5km，=15km，=l0km，=25km，=20km。消弧線圈的電感值按照系統(tǒng)的對(duì)地電容電流之和計(jì)算。由參考文獻(xiàn)可以計(jì)算出該系統(tǒng)的單相對(duì)地電容電流：〔4-1〕當(dāng)完全補(bǔ)償時(shí)流過(guò)消弧線圈的電感電流值也是23.3A，將消弧線圈等效為電感的串聯(lián)，參數(shù)按110%的過(guò)補(bǔ)償整定：L=1.501H。由于架空輸電線路的參數(shù)R、L、C是沿線路均勻分布的，一般不能當(dāng)作集中參數(shù)元件處理，而必須采用分布參數(shù)的電路模型。電力系統(tǒng)仿真工具箱元件庫(kù)powerlib提供了兩種三相長(zhǎng)輸電線路的數(shù)學(xué)模型，分別是集中參數(shù)Π型模型和分布參數(shù)貝杰龍數(shù)學(xué)模型，仿真模型中采用分布式參數(shù)的貝杰龍數(shù)學(xué)模型。在這里我們采用MATLAB自帶的ode23t函數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，仿真參數(shù)(Simulation/Parameters)設(shè)置如下：SolverOptions：Variable-stepode23tStarttime：0.0Stoptime：0.10RelativeTolerance：le-3AbsoluteTolerance：le-2參數(shù)設(shè)置之后啟動(dòng)仿真，就可以得到各出線的三相電壓，電流的波形。4.2仿真算例小電流接地系統(tǒng)單相接地故障電流僅為線路對(duì)地電容電流，數(shù)值非常小，而且故障狀況復(fù)雜，使零序電流故障成分信噪比擬低，而零序電壓數(shù)值很大，信噪比相對(duì)較高，所以本文識(shí)別故障線路時(shí)以零序電壓信號(hào)為基準(zhǔn)，根據(jù)電壓信號(hào)小波變換模極大值點(diǎn)，確定故障時(shí)刻。4.2.1.1算例1線路L5在距離母線10km處，t=0.024s時(shí)，發(fā)生A相接地故障，故障電阻R=100Ω，得到的母線零序電壓波形如圖4-2所示。圖4-2母線零序電壓圖對(duì)得到的母線零序電壓用db15小波分解六層，再對(duì)第一層的高頻局部D1進(jìn)行重構(gòu)，根據(jù)重構(gòu)后的高頻分量確定故障時(shí)刻，小波變換圖如圖4-3所示。由圖5-4可以看出，故障發(fā)生在x=1925點(diǎn)處，經(jīng)過(guò)計(jì)算，可知，故障發(fā)生的時(shí)刻是T＝0.024062s時(shí)刻處，誤差為T=0.000062s，可見(jiàn)接地電阻對(duì)確定故障時(shí)刻影響不大。圖4-3母線零序電壓的小波變換圖線路L5在距離母線10km處，T=0.024s時(shí)，發(fā)生A相接地故障，故障電阻R=1000Ω，得到的母線零序電壓波形如圖4-4所示。圖4-4母線零序電壓圖對(duì)得到的母線零序電壓用db15小波分解六層，再對(duì)第一層的高頻局部D1進(jìn)行重構(gòu)，根據(jù)重構(gòu)后的高頻分量確定故障時(shí)刻，小波變換圖如圖4-5所示。經(jīng)過(guò)計(jì)算，可知，故障發(fā)生的時(shí)刻是T＝0.025725s時(shí)刻處，誤差為T=0.001725s，可見(jiàn)隨著故障電阻的增加，母線零序電壓奇異性降低，誤差有所增加，但對(duì)后面的故障選線影響不大。圖4-5母線零序電壓的小波變換圖4.2.2.1算例1母線在T=0.01s時(shí)發(fā)生A相接地故障，故障電阻為R=10Ω，仿真得到的各條線路零序電流波形如圖4-6所示。圖4-6各出線零序電流圖對(duì)各線路零序電流進(jìn)行小波變換，結(jié)果如圖4-7所示。由圖4-7可以看出，在故障時(shí)刻，各線路零序電流突變極性相同，且幅值都不大，根據(jù)第二章的選線判據(jù)，可以得到正確的選線結(jié)果：母線發(fā)生了接地故障。圖4-7各零序電流的小波變換圖4.2.2.2算例2母線在T=0.01s時(shí)發(fā)生A相接地故障，故障電阻為R=100Ω，仿真得到的各條線路零序電流波形如圖4-8所示。圖4-8各出線零序電流圖對(duì)各零序電流進(jìn)行小波變換，如圖4-9所示。從圖4-9可以看出，各線路零序電流突變極性相同，且幅值都不大，可知發(fā)生了母線故障。 圖4-9各零序電流的小波變換圖由仿真結(jié)果可知，隨著故障電阻的不斷增大，穩(wěn)態(tài)零序電流的幅值明顯減小，這使得傳統(tǒng)的基于穩(wěn)態(tài)零序電流幅值和相位的選線方法不能正確判斷出故障線路。對(duì)于小波選線的方法，當(dāng)故障電阻增大時(shí)，各線路零序電流的暫態(tài)分量也會(huì)明顯減小，經(jīng)過(guò)小波變換后的系數(shù)也隨之減小，但這并不會(huì)影響選線的結(jié)果，仿真結(jié)果也說(shuō)明，在經(jīng)高阻接地故障時(shí)，仍能得出正確的選線結(jié)果。因此，該方法不受故障電阻的影響。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障后，故障線路零序電流較大，相位與非故障線路相反，選線比擬容易，下面進(jìn)行仿真。4.2.3.1算例1線路5在距母線10km處，T=0.025s時(shí)A相發(fā)生金屬性接地故障〔此時(shí)故障相電壓接近最大值〕，各線路的零序電流圖如圖4-10所示。圖4-10各線路零序電流圖對(duì)各零序電流進(jìn)行小波變換，如圖4-11所示。由圖4-11可以看出，線路5的零序電流突變極性與其它線路相反，且幅值最大，可知線路5發(fā)生了接地故障。圖4-11各線路零序電流的小波變換圖4.2.3.2算例2線路4在距母線25km處，T=0.01s時(shí)A相發(fā)生接地故障，接地電阻為1000Ω，各線路的零序電流圖如圖4-12所示。圖4-12各線路零序電流圖對(duì)各零序電流進(jìn)行小波變換如圖4-13所示。由圖4-13可以看出，線路4的零序電流突變極性與其它線路相反，且幅值最大，可知線路4發(fā)生了接地故障。圖4-13各線路零序電流的小波變換圖 本章主要討論了利用小波分析進(jìn)行小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線的原理，以及在MATLAB6.5/Simulink仿真平臺(tái)下，小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的建模和仿真。綜合上面的仿真結(jié)果可以看出，該選線算法不僅適用于永久性金屬接地故障，而且對(duì)于間歇性弧光接地故障也有很好的效果。可見(jiàn)，本文將小波分析應(yīng)用于小電流接地系統(tǒng)中單相接地故障選線，實(shí)驗(yàn)證明用小波分析提取小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的暫態(tài)特征，識(shí)別故障線路的方法是現(xiàn)實(shí)可行的，其選線算法具有良好的適應(yīng)性，選線結(jié)果也是令人滿意的。5小電流接地系統(tǒng)單相接地故障行波測(cè)距仿真波的反射和折射是線路行波的重要特征，在電力系統(tǒng)中，均勻線路只在一定條件下存在。當(dāng)行波沿導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)時(shí)，假設(shè)線路的參數(shù)或波阻抗在某一接點(diǎn)處突然改變，在該點(diǎn)處就會(huì)產(chǎn)生波的折射和反射。輸電線路故障后，故障點(diǎn)將產(chǎn)生沿線路運(yùn)動(dòng)的電壓和電流行波，由于波阻抗不連續(xù)，行波在故障點(diǎn)、故障線路母線以及故障線路相連的其它線路末端母線發(fā)生折、反射，行波的故障特征正是有行波分量之間的折反射關(guān)系所確定。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，單根無(wú)損耗線路上的電壓和電流是位置和時(shí)間的函數(shù)，它們滿足波動(dòng)方程：〔5-1〕解方程得：〔5-2〕其中,L、C分別為單位長(zhǎng)度電感和電容；為行波的傳播速度，本論文中取光速；為波阻抗；為沿x負(fù)方向傳播的反行波；為沿x正方向傳播的前行波。根據(jù)上式可得：正向行波：〔5-3〕反向行波：〔5-4〕正向行波是只反映來(lái)自母線方向的方向行波。反向行波只反映來(lái)自故障線路方向的方向行波，它攜帶著重要的故障距離和位置的信息，由文獻(xiàn)知道，對(duì)于反向行波，在初始行波之后所出現(xiàn)的行波分量不是來(lái)自故障點(diǎn)的反射波就是來(lái)自于對(duì)端母線的反射波，而且來(lái)自故障點(diǎn)的反射波與初始行波同極性，來(lái)自與對(duì)端母線的反射波與初始行波反極性。據(jù)此，就可以區(qū)分反射波和折射波，構(gòu)造出行波測(cè)距的理論，這將在下面詳細(xì)討論。根據(jù)文獻(xiàn)可以總結(jié)出各種行波的根本故障特征：1．隨著各種行波陸續(xù)到達(dá)母線，行波出現(xiàn)“突變〞，分別標(biāo)志著故障發(fā)生、行波從故障點(diǎn)到檢測(cè)母線往返一次的時(shí)間等；2．突變的幅值取決于故障發(fā)生時(shí)刻故障點(diǎn)初始電壓的大小、波阻抗間斷點(diǎn)(像母線、故障點(diǎn)等)的折、反射系數(shù)和行波的衰減特性；3．突變的極性取決于故障發(fā)生時(shí)故障點(diǎn)初始電壓的極性和波阻抗的間斷性質(zhì)。一般說(shuō)來(lái)，行波極性具有下述特點(diǎn)：(1)來(lái)自于故障點(diǎn)的反射電壓、電流行波和初始行波同極性；(2)線路兩端的初始電壓或者電流行波同極性；(3)對(duì)應(yīng)于來(lái)自母線方向的正向方向行波和來(lái)自故障線路方向的反向方向行波，它們的初始行波和反射行波具有相同的極性。上述根本特征構(gòu)成了行波繼電保護(hù)的根底，但是，從故障檢測(cè)的角度看，從實(shí)際故障后的數(shù)據(jù)中提取出上述特征是非常困難的，因?yàn)槿嗑€路存在藕合；故障的非金屬性使得行波在故障點(diǎn)會(huì)發(fā)生折射；其它非故障線路出現(xiàn)折射行波，并在故障線路上表現(xiàn)出來(lái)；線模行波和零模行波具有不同的傳播速度；行波在傳播過(guò)程中存在衰耗；母線電容對(duì)于行波的分流作用;噪聲干擾的存在等等。上述因素使得故障特征模糊，保護(hù)構(gòu)成困難，這是目前行波測(cè)距和行波保護(hù)性能不好的主要原因。根據(jù)上面的分析，反向行波帶有豐富的故障信息，而故障電壓行波、電流行涉及正