電網(wǎng)故障監(jiān)測與定位 利用暫態(tài)行波的小電流接地系統(tǒng)故障監(jiān)測技術(shù)【精制材料】

1、利用暫態(tài)行波的小電流接地系統(tǒng)故障監(jiān)測技術(shù),主要內(nèi)容,概述 小電流接地系統(tǒng)故障分析 利用暫態(tài)行波的小電流接地故障選線技術(shù) 利用暫態(tài)行波的小電流接地系統(tǒng)故障定位技術(shù) 利用暫態(tài)行波的小電流接地系統(tǒng)瞬時性故障監(jiān)測技術(shù) 總結(jié),1. 概述,小電流接地系統(tǒng),中性點不接地（絕緣）系統(tǒng),諧振（消弧線圈）接地系統(tǒng),小電流接地系統(tǒng)的優(yōu)點,主要避免接地故障跳閘，提高供電可靠性。 大部分情況下，接地電弧能夠熄滅，電網(wǎng)自動恢復(fù)正常運行。 接地電流小，可防止事故進(jìn)一步擴大。,小電流接地系統(tǒng)存在的問題,單相接地故障會導(dǎo)致非故障相電壓升高，危害電網(wǎng)絕緣。 一般情況下，單相接地引起非故障相電壓升高1.732倍。 接地點間歇拉電弧

2、，線路電容反復(fù)充放電，電壓升高可達(dá)3.5倍。 接地電弧長期存在，可能燒壞接地點絕緣，造成相間短路故障，導(dǎo)致保護(hù)跳閘。,小電流接地系統(tǒng)存在的問題（續(xù)）,繼電保護(hù)配置困難： 故障電流微弱，接地電弧不穩(wěn)定，接地故障選線的問題一直沒有得到很好地解決； 小電流接地故障選線難，主要難在諧振接地系統(tǒng)； 許多供電部門仍然采用拉路法選擇接地線路。供電瞬時中斷，影響用戶用電設(shè)備正常工作，甚至可能造成停電事故。,小電流接地系統(tǒng)新技術(shù),消弧線圈自動調(diào)諧技術(shù) 可以精確地補償電容電流，使接地點電流盡可能的小，提高了電弧自動熄滅的幾率。 利用暫態(tài)行波的小電流接地故障選線保護(hù)技術(shù) 利用暫態(tài)行波的小電流接地系統(tǒng)故障定位技術(shù) 利

3、用暫態(tài)行波的小電流接地系統(tǒng)瞬時性故障監(jiān)測技術(shù),2. 小電流接地系統(tǒng)故障分析,2.1 穩(wěn)態(tài)故障分析 2.2 暫態(tài)故障分析 2.3 行波故障分析,2.1 穩(wěn)態(tài)故障分析,A相接地后,接地相電壓為零,非故障相電壓升高1.732倍,零序電壓與故障前故障點電壓大小相等，極性相反。接地點電流是正常運行時三相對地電容電流的算術(shù)和。,EA,EC,EB,U0,A,B,C,o,IC,If,IB,中性點不接地電網(wǎng) 零序等效網(wǎng)絡(luò),中性點不接地電網(wǎng)零序電流特征,故障線路零序電流是所有非故障元件（線路）電容電流之和，方向是由故障點流向母線。 非故障相零序電流等于線路本身電容電流，方向由母線流向故障。 故障線路電流大于非故障

4、線路，二者反極性。,Ih,If,諧振接地電網(wǎng) 零序網(wǎng)絡(luò),消弧線圈接地電網(wǎng)零序電流關(guān)系,Ih,If,L,過補償狀態(tài)下，故障線路電流方向與非故障線路一致，由母線流向故障點，幅值往往也小于非故障線路。 故障線路電氣量失去“唯一性”特征，這是諧振接地系統(tǒng)小電流接地故障選線難的根本原因。,2.2 暫態(tài)故障分析,暫態(tài)過程： 故障相電壓突然降低引起的放電電流，不經(jīng)過電源流向故障點，頻率在數(shù)千赫茲，衰減快； 非故障相電壓突然升高，引起的電容充電電流，經(jīng)過電源形成回路，頻率數(shù)百赫茲，衰減慢。,分析暫態(tài)過程需要使用變換矩陣是實數(shù)的模變換法 實際工程中，一般使用卡倫包爾（Karenbauer）變換。 模量1、2是兩

5、相導(dǎo)體（A、B相與A、C相）之間流動，參數(shù)與正序網(wǎng)絡(luò)一致。 模量0在三相導(dǎo)體與大地之間流動，參數(shù)與零序網(wǎng)絡(luò)一致。,接地電流計算復(fù)合模網(wǎng),接地電流計算（零序）簡化等效電路,L等于2倍的線模（正序）電感，R是3倍的過渡電阻加上線模（正序）電阻。e(t)是虛擬電壓源，與故障前故障點電壓大小相等，方向相反。,接地電阻較小時等效電路。充電過程短暫，可以忽略消弧線圈影響。,暫態(tài)電流遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)電容電流。暫態(tài)最大電流與穩(wěn)態(tài)電容電流之比，可達(dá)到幾倍到十幾倍。 暫態(tài)最大電流值與故障時電壓相角有關(guān)。一般故障都發(fā)生在電壓最大值附近。 暫態(tài)電流值不受消弧線圈的影響。,暫態(tài)接地電流特點,接地電阻較大時等效電路。充電過程長

6、，可達(dá)數(shù)十個ms，可以忽略串聯(lián)電感的影響。,接地電阻比較大時，零序電壓緩慢上升。,間歇性接地（拉?。┈F(xiàn)象,故障點往往在電壓峰值時擊穿，電流過零時熄弧，在電壓出現(xiàn)另一次峰值時又擊穿，可能在一段時間后消失，也有可能持續(xù)發(fā)生。 小電流接地系統(tǒng)對接地故障續(xù)流能力差，故障點電流微弱，易出現(xiàn)間歇性接地故障現(xiàn)象。 永久接地故障，由于接地電流小，也存在接地電弧不穩(wěn)定現(xiàn)象，故障電流有效值及過渡電阻在一個周波內(nèi)變化較大。,間歇性瞬時性接地故障錄波圖,間歇性瞬時性接地故障錄波圖,暫態(tài)故障分析仿真模型,中性點不接地和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)仿真模型,不接地系統(tǒng)仿真結(jié)果（1）,不接地系統(tǒng)故障時零模電壓和各條出線零模電流,不接

7、地系統(tǒng)仿真結(jié)果（2）,零模電壓和各出線零模電流的暫態(tài)放大圖,不接地系統(tǒng)仿真結(jié)果（3）,零模電壓和各出線零模電流的特征分量,諧振接地系統(tǒng)仿真結(jié)果（1）,消弧線圈接地系統(tǒng)故障時零模電壓和各條出線零模電流,諧振接地系統(tǒng)仿真結(jié)果（2）,零模電壓和各出線零模電流的暫態(tài)放大圖,諧振接地系統(tǒng)仿真結(jié)果（3）,零模電壓和各出線零模電流的特征分量,過零故障仿真結(jié)果（1）,經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)相電壓過零故障時零模電壓、電流信號,過零故障仿真結(jié)果（2）,零模電壓和各出線零模電流的特征分量,2.3 行波故障分析,行波故障分析仿真模型,故障行波仿真波形,3.利用暫態(tài)行波的小電流接地故障選線技術(shù),3.1 常規(guī)故障選線方法評述

8、,基于穩(wěn)態(tài)工頻量的方法,零序電流繼電器 零序電容無功功率繼電器 零序電流幅值、相位群體比較法 負(fù)序電流比較法 優(yōu)點：簡單易行 缺點： 穩(wěn)態(tài)電流小，靈敏度低。 不能用于消弧線圈接地的系統(tǒng) 受故障點不穩(wěn)定影響,基于（五次）諧波量的方法,檢測零序諧波電流、功率，檢測故障線路。 諧波量小，靈敏度低。 受故障點不穩(wěn)定影響,有功功率法,利用故障線路零序有功功率大于非故障線路且方向相反的特點選線 簡單，不受消弧線圈影響。 有功功率含量小，受TA，TV誤差影響，靈敏度得不到保證。,投入中電阻法,在中性點瞬間投入中電阻，使零序電流的有功分量明顯加大，解決靈敏度問題。 實際是將小電流接地故障轉(zhuǎn)化為大電流接地故障

9、帶來的問題是使接地電流增大，加大對接地點絕緣的破壞，可能導(dǎo)致事故擴大。對電纜線路來說，這一問題更為突出。 施工復(fù)雜、成本較高 瞬時改變消弧線圈調(diào)諧度的殘余電流增量法，與投入中電阻法類似。,注入信號尋跡法,注入225Hz信號，檢測線路中信號電流，確定故障點。 已在國內(nèi)獲得較廣泛應(yīng)用 需向系統(tǒng)注入信號，構(gòu)成較復(fù)雜，投資大。 適用于電阻較小的穩(wěn)定接地故障,3.利用暫態(tài)行波的小電流接地故障選線技術(shù),3.2 暫態(tài)行波選線法,暫態(tài)行波選線方法的起源,1995年，山東科匯公司研制出利用暫態(tài)行波的集中式輸電線路行波故障測距裝置，首次提出暫態(tài)行波選線方法。 2000年，山東科匯公司將暫態(tài)行波選線方法用于小電流接

10、地系統(tǒng)，并在行波測距裝置的基礎(chǔ)上研制出XJ-100小電流接地故障選線裝置。,暫態(tài)行波選線基本原理（1）,暫態(tài)行波電流幅值比較法 比較同一母線所有出線暫態(tài)零模行波電流的幅值（均方根值） 幅值最大者被選定為故障線路 缺點：不能確定母線接地,暫態(tài)行波選線基本原理（2）,暫態(tài)行波電流極性比較法 比較同一母線所有出線暫態(tài)零模行波電流的極性 與其它線路極性相反的選定為故障線路 所有線路極性相同，則為母線接地 用幅值比較先進(jìn)行篩選，防止幅值小的健全線路的干擾作用,暫態(tài)行波選線基本原理（3）,暫態(tài)行波電流方向法 零模行波電壓特征分量求導(dǎo) 所有出線暫態(tài)零模行波電流與零模行波電壓導(dǎo)數(shù)比較極性 極性相反的選定為故障

11、線路 所有線路極性相同，則為母線接地 用幅值比較先行篩選，防止幅值小線路的干擾作用,暫態(tài)行波選線基本原理（4）,暫態(tài)行波無功功率方向法 零模行波電壓特征分量進(jìn)行Hilbert變換 計算所有出線暫態(tài)零模行波電流與零模行波電壓Hilbert變換之間的平均功率 功率為負(fù)的選定為故障線路 所有線路功率均為正，則為母線接地 作用與電流方向法相同，但具有明確的物理含義,暫態(tài)行波選線基本原理（5）,暫態(tài)行波綜合選線方法 利用幅值比較，篩選出幅值較大的線路 若線路數(shù)=3，利用極性比較法選線 若線路數(shù)3，利用電流方向法選線,暫態(tài)行波選線的優(yōu)點,優(yōu)點 可利用所有暫態(tài)信息，所利用信號強度大，選線可靠性高 不受消弧線

12、圈的影響，適用不接地和諧振接地系統(tǒng) 不受故障點不穩(wěn)定的影響，在弧光接地和間歇性接地故障時，選線可靠性更高。 可利用瞬時性故障對線路絕緣狀況提出預(yù)警信息 受TA傳變誤差影響小 安全性、適用性、便利性、經(jīng)濟性等方面也具有較好的表現(xiàn),零模電壓行波電流信號原始波形,暫態(tài)行波選線示例（1）,各出線零模特征行波電流,暫態(tài)行波選線示例（2）,暫態(tài)行波選線示例（3）,3.利用暫態(tài)行波的小電流接地故障選線技術(shù),3.3 暫態(tài)行波選線關(guān)鍵技術(shù),暫態(tài)行波傳變技術(shù),1）電磁式電壓互感器（TV） ua，ub，uc，3u0 2）電磁式電流互感器（TA） ia, ib, ic, 3i0,高速行波采集技術(shù),nP為觸發(fā)前的 采樣

13、數(shù)據(jù)個數(shù),行波特征提取技術(shù),1）小波變換 2） Hilbert變換,3.利用暫態(tài)行波的小電流接地故障選線技術(shù),3.4 XJ-100小電流接地故障選線及監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu),選線裝置采集故障信息、選擇故障線路、上報選線結(jié)果。 分析機主要用于存儲、統(tǒng)計、分析數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集、選線裝置,安裝在現(xiàn)場的XJ-100小電流接地故障監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)主要功能,選擇故障線路 選擇故障相 利用瞬時性故障對線路絕緣狀態(tài)監(jiān)測提供有益信息 歷史故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計,主要技術(shù)特點,利用故障產(chǎn)生的暫態(tài)信號，檢測可靠性和靈敏度高 剔除了暫態(tài)信號中不支持選線要求的分量，原理更先進(jìn) 不受消弧線圈影響，可適用于不接地/消弧線圈接地 不受不穩(wěn)定電

14、弧影響，弧光接地或間歇性接地時檢測更可靠 不受系統(tǒng)規(guī)模和線路結(jié)構(gòu)變化影響，適用配網(wǎng)自動化要求 采用普通電壓電流互感器，不需要安裝專用耦合設(shè)備和其他高壓設(shè)備 選線結(jié)果可以多種方式上報調(diào)度或控制中心 可對瞬時性故障分析統(tǒng)計，利用其對線路絕緣狀況監(jiān)測提供有益信息 不需要增加任何一次設(shè)備，安全性高 記錄故障波形，便于事后分析,主要技術(shù)指標(biāo),選線結(jié)果正確率 95% 監(jiān)視的出線數(shù)：每套系統(tǒng)可監(jiān)測4段母線共32路出線（可擴充至4段母線共64路出線） 故障數(shù)據(jù)掉電不丟失 系統(tǒng)可存儲最大數(shù)據(jù)容量：僅受硬盤容量限制 數(shù)據(jù)上傳接口：支持串口、Modem和網(wǎng)卡 數(shù)據(jù)上傳規(guī)約：支持IEC-870-5-103 和 DNP

15、3.0,產(chǎn)品分布：福建、山東、上海、寧夏、山西、江西、河北、黑龍江、安徽、內(nèi)蒙等 80%的系統(tǒng)為經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng) 已成功檢測永久接地故障百余次， 捕捉的瞬時性接地故障兩千次 永久接地故障的檢測成功率大于90,現(xiàn)場運行結(jié)果,通過樹枝接地形成的間歇性故障,通過樹枝接地，零序電壓很?。?V）,典型欠阻尼故障,故障線路,典型過阻尼故障,故障線路,典型弧光接地故障,故障線路,典型間歇性故障,故障線路,典型母線接地故障,典型過零故障,過零,故障線路,典型高阻接地故障,典型瞬時性接地故障,4.利用暫態(tài)行波的小電流接地系統(tǒng)故障定位技術(shù),故障定位的作用,故障點定位的作用 對永久故障來說，減少停電范圍，縮短修復(fù)

16、時間。 對瞬時性故障來說，可及時采取措施消除隱患，防止故障再次發(fā)生。 是提高供電可靠性、保證供電質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù) 是配電網(wǎng)運行管理的重要組成部分,故障定位的特殊之處,星羅棋布、接線方式復(fù)雜多變、T接線與分支線多 高阻、間歇性故障多 小電流接地系統(tǒng)單相接地電流微弱 故障監(jiān)測設(shè)備成本要低,故障定位方法,行波故障選線 行波故障分段 配網(wǎng)（饋線）自動化（FTU） 行波故障指示器 行波故障測距,饋線自動化遠(yuǎn)方終端（FTU）,饋線自動化的重要組成部分 一般和開關(guān)（斷路器）聯(lián)合構(gòu)成終端 功能： SCADA（四遙） 遙測 遙信 遙控 遙調(diào) 故障檢測和管理 故障的檢測，故障的隔離，健全區(qū)段恢復(fù)供電 集中智能模式：

17、依賴通訊系統(tǒng)，檢測結(jié)果上報主站 分布智能模式：不依賴通訊系統(tǒng)，檢測結(jié)果不上報主站 國內(nèi)大中城市已有大量應(yīng)用,故障指示器（1）,安裝在配電線路（架空線、電纜）上的指示故障電流的裝置 故障定位方式： 人工巡查故障指示結(jié)果 利用GPRS、電話撥號通信讀取故障指示器結(jié)果，實現(xiàn)自動故障定位。 在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用。我國已有近百萬只投運。,故障指示器（2）,故障指示器（3）,故障指示器（4）,行波故障測距（1）,行波測距原理：利用故障行波在線路上的傳播時間測距 1950年代提出，1990年代我國開發(fā)出利用電流行波的故障測距裝置，將行波測距技術(shù)實用化。 在國內(nèi)外輸電網(wǎng)獲得了廣泛應(yīng)用,行波故障測距（2）,測量故障

18、初始電流/電壓的行波到達(dá)線路兩端的時刻計算故障距離,故障點距變電所S的距離：,L 線路長度；V 行波速度,故障點距變電所R的距離：,TS,TR,變電所 S,變電所 R,行波故障測距（3）,線路兩端的行波測距裝置記錄故障產(chǎn)生的行波信號。 故障行波數(shù)據(jù)經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)送到調(diào)度中心的分析主站 分析主站保存、處理數(shù)據(jù)，計算故障距離。,分析主站,行波測距裝置,WAN 通信網(wǎng)絡(luò),調(diào)度控制中心,行波故障測距（4）,測距精度高達(dá)300米 測距結(jié)果不受故障電阻、線路負(fù)荷等因素影響 能夠測量小電流接地故障距離 投資較大，主要用于重要的長距離高壓配電線路、鐵路電力線路。,4.利用暫態(tài)行波的小電流接地系統(tǒng)瞬時性故障監(jiān)測,瞬時性故障與電網(wǎng)絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測,交聯(lián)聚乙烯電纜對地絕緣層破壞后，形成帶水份的樹狀裂痕。在電纜絕緣被高電壓擊穿時，故障點電流引起的發(fā)熱造成水氣蒸發(fā)，樹狀裂痕變的干燥起來。在接地電弧熄滅后，過電壓消失，電纜絕緣恢復(fù)，電網(wǎng)繼續(xù)維持正常運行。 采用小電流接地方式，在出現(xiàn)瞬時性故障時，電弧自動熄滅，避免供電中斷，提高了供電可靠性。,一次瞬時性接地故障的電壓錄波圖,