小電流接地系統(tǒng)故障自動選線仿真及研究
小電流接地系統(tǒng)故障自動選線仿真及研究,電流,接地,系統(tǒng)故障,自動,仿真,研究,鉆研
……………………. ………………. …………………
山東農(nóng)業(yè)大學(xué)
畢 業(yè) 論 文
小電流接地系統(tǒng)故障自動選線仿真及研究
院 部 機(jī)械與電子工程學(xué)院
專業(yè)班級 電氣工程及其自動化5班
屆 次 2015屆
學(xué)生姓名 王希濤
學(xué) 號 20110763
指導(dǎo)教師 李有安 副教授
二О一五年六月五日
裝
訂
線
……………….……. …………. …………. ……………. …… ……………. ………. ………. ……
目 錄
摘要 I
Abstract II
1 引言 1
1.1 課題研究的背景及其意義 1
1.2 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線研究現(xiàn)狀 1
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 1
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1
2 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障特征分析 2
2.1 電力系統(tǒng)中性點接地方式概述 2
2.2 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障穩(wěn)態(tài)特征分析 2
2.2.1 中性點直接接地系統(tǒng) 2
2.2.2 中性點不接地系統(tǒng) 2
2.2.3 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng) 5
2.3 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)特征分析 7
2.3.1 暫態(tài)電容電流 8
2.3.2 暫態(tài)電感電流 9
2.3.3 暫態(tài)接地電流 9
3 小電流接地系統(tǒng)選線方法綜述 10
3.1 利用電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電氣量提供的故障信息構(gòu)成的自動選線法 10
3.1.1 零序電流比幅法 10
3.1.2 零序電流群體比幅比相法 10
3.1.3 基于五次諧波分量的選線方法 10
3.1.4 零序電流有功分量法 11
3.1.5 零序電流無功功率方向法 11
3.1.6 最大或△()法 11
3.1.7 能量法 11
3.2 利用電網(wǎng)暫態(tài)電氣量提供的故障信息構(gòu)成的自動選線法 12
3.2.1 基于小波分析的選線方法 12
3.2.2 首半波法 12
3.3 其他方法 12
3.3.1 拉線法 12
3.3.2 注入信號法 12
4 小電流接地系統(tǒng)自動選線仿真 12
4.1 基于零序電流比幅法原理選線的仿真 12
4.1.1 多回路的架空線路仿真 12
4.1.2 多回路電纜線路仿真 15
4.2 基于零序功率方向法原理選線的仿真 18
4.2.1 架空線路的仿真 18
4.2.2 電纜線路的仿真 19
4.3 基于五次諧波電流法原理選線的仿真 20
4.3.1 接地電阻為100時 20
4.3.2 接地電阻為400時 21
5 結(jié)論 23
參考文獻(xiàn) 24
致謝 25
附錄 26
Contents
Abstract II
1 Introduction 1
1.1 Background and significance of the research 1
1.2 Research status of single phase grounding fault line selection for small current grounding system 1
1.2.1 Foreign research status quo 1
1.2.2 Domestic research status quo 1
2 Analysis of single phase grounding fault in small current grounding system 2
2.1 Overview of neutral point grounding in power system 2
2.2 Analysis of the steady state characteristics of single-phase grounding fault in small current grounding system 2
2.2.1 Neutral point direct earthing system 2
2.2.2 Neutral point is not grounded system 2
2.2.3 Earthing system of the neutral point via the arc suppression coil 5
2.3 Transient characteristic analysis of single phase to earth fault in small current grounding system 7
2.3.1 Transient capacitance current 8
2.3.2 Transient inductance current 9
2.3.3 Transient grounding current 9
3 Overview of the selection of small current grounding system 10
3.1 Automatic wire selection method based on the fault information provided by power grid steady electrical quantity 10
3.1.1 Zero sequence current ratio method 10
3.1.2 Zero sequence current group ratio phase method 10
3.1.3 Line selection based on five harmonic components 10
3.1.4 Active component method for zero sequence current 11
3.1.5 Zero sequence current reactive power direction method 11
3.1.6 The maximumor△()method 11
3.1.7 Energy method 11
3.2 Automatic wire selection method based on the fault information provided by power grid transient electric quantity 12
3.2.1 Line selection based on wavelet analysis 12
3.2.2 First half wave method 12
3.3 Other methods 12
3.3.1 Pull method 12
3.3.2Injection signal method 12
4 Automatic wire selection simulation for small current grounding system 12
4.1 Simulation of line selection based on zero sequence current ratio method 12
4.1.1 Simulation of multi circuit overhead line 12
4.1.2 Simulation of multi circuit cable line 15
4.2 Simulation of the line selection based on zero sequence power direction method 18
4.2.1 Simulation of aerial line 18
4.2.2 Simulation of cable line 19
4.3 Simulation of line selection based on five harmonic current method 20
4.3.1 Ground resistance of 100 20
4.3.2 Ground resistance of 100 21
5 Conclusion 23
Reference 24
Acknowledgement 25
Appendix 26
vi
小電流接地故障系統(tǒng)自動選線仿真及研究
王希濤
（山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院 泰安 271018）
摘要：本文首先論述了課題的背景和意義，概括國內(nèi)和國外的研究狀況，分析了小電流單相接地故障的特征，包括暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)故障信息，并對基于此故障信息的選線方法，對其進(jìn)行了包括原理在內(nèi)的簡要介紹和比較，隨后選取了幾種選線方法，運用Matlab中的Simulink軟件包進(jìn)行了仿真，根據(jù)仿真結(jié)果和分析，分析當(dāng)前自動選線法存在的問題及今后的展望。
關(guān)鍵詞：小電流接地系統(tǒng) 單相接地故障 選線 注入法 Matlab
Simulation and Research of Automatic Wire Selection for Small Current Fault System
Xitao Wang
(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong 271018)
Abstract First of all, this paper discusses the background and significance of the topic, throughout the domestic and foreign research situation, analyzes the small current single phase grounding fault features, including the steady state and transient fault information, and based on the methods of fault line selection in the fault information and the the principle, brief introduction to and comparison, then select the several methods of fault line selection and use a kind of software package for the simulation in MATLAB, according to the simulation results and analysis, analysis of problems and future prospect of the automatic line selection method.
Keywords: the small current grounding system; single phase ground fault; line selection; injection method; Matlab
32
1 引言
1.1 課題研究的背景及其意義
根據(jù)電力系統(tǒng)里中性點接地方式的不同，可將其劃分為兩大類：大電流接地方式和小電流接地方式。其中在小電流接地方式（也被稱為中性點非有效接地方式）中,主要包括中性點經(jīng)消弧線圈接地、中性點不接地和中性點經(jīng)高電阻接地等[1]。
根據(jù)實際故障情況的反饋和分析來看，單相對地短路故障在小電流接地系統(tǒng)的故障中占相當(dāng)大的比重，也稱為小電流接地故障。當(dāng)發(fā)生故障時，故障電流很小,故保護(hù)裝置不用馬上動作跳閘,而且瞬間故障時，短路點可自行滅弧，恢復(fù)絕緣，從一定程度上來說，這對于提高系統(tǒng)運行可靠性具有積極的意義。然而另一方面，往往會因接地電弧不穩(wěn)定和間歇性拉弧，導(dǎo)致電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，出現(xiàn)系統(tǒng)過電壓，對系統(tǒng)絕緣造成威脅。因此，為了避免這情況，必須盡快找到故障線路,排除故障。
選線問題是多年來一直未能很好解決的一個難題,雖然關(guān)于此方面的研究一直沒停止,也曾經(jīng)先后提出過多種解決方案,但從實際應(yīng)用效果來看，現(xiàn)有的選線裝置的選線正確率依然很低,而且有較多的供電部門依舊沿用傳統(tǒng)的拉路法來確定故障線路。隨著配電網(wǎng)自動化水平的不斷提高,自動選線也愈來愈得到關(guān)注,從近幾年的發(fā)展來看，也有很多學(xué)者在通過各種方式在嘗試解決這個問題。因此，研究自動選線技術(shù)和研制自動選線裝置,不僅有很強(qiáng)的實用性,而且市場需求也很廣泛。
1.2 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線研究現(xiàn)狀
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
世界各國各地區(qū)在對待中性點接地方式問題時，主要是依據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況和累積的實踐經(jīng)驗來處理。在美國，主要是中性點經(jīng)電阻接地；德國大多采用經(jīng)消弧線圈接地方式，前蘇聯(lián)地區(qū)采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式，法國主要采用經(jīng)低電阻接地及自動消諧的消弧線圖接地。
因此,各國的保護(hù)方式也各不相同。前蘇聯(lián)保護(hù)方式主要是利用零序過電流的保護(hù)瞬間來切除故障線路，但這樣往往會導(dǎo)致其對高阻接地系統(tǒng)僅有報警功能，適用范圍狹窄。日本多采用電阻接地方式,選線的原理比較簡單,不接地系統(tǒng)主要采用功率方向繼電器,電阻接地系統(tǒng)處理方面和前蘇聯(lián)類似。美國電網(wǎng)中性點主要采用電阻接地方式,依舊利用零序過電流保護(hù)原理，來瞬間切除故障線路。在法國，接地方式主要經(jīng)低電阻接地及自動消諧的消弧線圈接地。低電阻接地采用零序序過電流原理實現(xiàn)接地地故障保護(hù)；消弧線圈接地則釆用Prony方法和和小波分析方法提取故障信息[2]。
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
在我國，拉線法是沿用比較久的也是比較傳統(tǒng)的選線方法，選線的依據(jù)是通過檢測母線上的零序電壓數(shù)值，以此來判斷是否發(fā)生單相接地故障，若確實發(fā)生故障，則采用人工作業(yè)，即逐條線路拉鬧的方法來判斷哪條線路出現(xiàn)故障。通過故障線路被斷開時，接地故障指示消失的方法來確定故障線路。自1958年以來,國內(nèi)關(guān)于選線原理和裝置的研究一直沒有中斷,保護(hù)方案也從零序功率最大法、首半波法，注入信號法慢慢發(fā)展,一直到現(xiàn)在，仍在不斷研究中，也出現(xiàn)了許多新的原理和方案，但是其本質(zhì)仍未發(fā)生變化，主要是結(jié)合當(dāng)下科技的發(fā)展來進(jìn)一步推進(jìn)電網(wǎng)的改革。
盡管對于小電流接地選線這一問題，已經(jīng)有多種的算法和原理，但是在投入到實際應(yīng)用時，依舊存在許多問題，選線準(zhǔn)確率還是比較低，所以我們有必要進(jìn)一步探索更高效精確合理的方法。
2 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障特征分析
在解決問題之前，必須先對發(fā)生故障時，電路的參數(shù)變化進(jìn)行分析，抓住問題的本質(zhì)。關(guān)于此，可以從故障發(fā)生時，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)信息和暫態(tài)信息兩個方面著手。
2.1 電力系統(tǒng)中性點接地方式概述
電力系統(tǒng)的接線方式一般有三種：中性點直接接地方式、中性點不接地方式以及中性點經(jīng)消弧線圈接地方式。在我國，中性點直接接地方式主要應(yīng)用110KV及以上等級；中壓配電網(wǎng)即35KV等級主要采用中性點不接地或者中性點經(jīng)消弧線圈接地方式；10KV、6KV等級多釆用中性點不接地方式。
2.2 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障穩(wěn)態(tài)特征分析
2.2.1 中性點直接接地系統(tǒng)
EA
當(dāng)中性點采用直接接地方式，發(fā)生單相接地故障時，會形成單相回路短路，由于阻抗很小，短路電流會很大，如下圖所示。
EB
EC
圖2-1 中性點直接接地系統(tǒng)單相接地短路
這種方式的優(yōu)點是當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，由于中性點電位不變，未接地相電位也不會升高，這就大大降低了電網(wǎng)造價，且電壓等級越高，經(jīng)濟(jì)效益越明顯。但是發(fā)生故障時，其電流值很大，必須立刻切除故障相，這樣會造成電網(wǎng)的供電連續(xù)性中斷，可靠性降低[3]。
2.2.2 中性點不接地系統(tǒng)
中性點不接地系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，會依靠對地電容來構(gòu)成回路。這種接地方式結(jié)構(gòu)簡單，不用在中性點附加任何接地設(shè)備，因此在我國的低電網(wǎng)中，主要采取這種接地方式。
下面來分析其發(fā)生單相接地故障時的穩(wěn)態(tài)故障特征。
如圖2-2、圖2-3所示，正常運行時三相對地相電壓等于相電壓，，電網(wǎng)中沒有零序電壓存在，各相電容電流均相等且超前電壓90°。因此也不存在零序電流分量。當(dāng)發(fā)生A相對地短路時，A相對地電壓變?yōu)?，這也可以看成是產(chǎn)生了一個與大小相等方向相反的電壓，此時各相電壓為：
（2.1）
而相間電壓為：
（2.2）
C
B
A
U0
故障點
圖2-2 小電流接地系統(tǒng)中單相接地故障示意圖
A
0
B
C
B1
C1
圖2-3 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障向量圖
由式(2.1)和(2.2)可知，中性點直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，接地相相電壓變?yōu)?，其他兩相則升髙為線電壓；但是相間電壓不變，相位關(guān)系也不變，只要用電設(shè)備工作條件也不發(fā)生改變，即使發(fā)生接地故障，系統(tǒng)仍可持續(xù)工作1-2小時。
發(fā)生單相接地故障后，由于正常相對地電容未發(fā)生改變，其相電壓升髙為原來的倍，因此電容電流與也變?yōu)樵瓉淼谋丁６收舷啵ˋ相）的電容會短接，其電流為,因此故障相的電容電流會變?yōu)樵瓉淼?倍[4]。
對于多回路的情況，如圖2-4所示，在中性點不接地系統(tǒng)中，有N條出線。如果第N條出線的A相發(fā)生了單相接地故障，則電網(wǎng)中各線路基波電容電流的分布情況如圖所示，用“ ”表示。
C
B
A
線路1
3I
線路2
3I
3I
線路N
故障點
圖2-4 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障電流分布
對非故障線路1來說，三相對地電容電流為：
（2.3）
式(2.3)中，、、分別在線路1中是三相對地電容電流，是電網(wǎng)角頻率，是線路1三相對地電容，、分別是B相與C相對地電壓。
由此線路1的基波零序電流為：
(2.4)
由（2.4）式可知，線路1的零序電流為三相電容電流的和，也是故障前每相電容電流的3倍，方向是從母線流向線路。
線路2到線路N-1的基波零序電流推導(dǎo)方式與線路1相同，均是三相對地電容電流和，方向由母線流向線路。
對線路N,由于前面已經(jīng)推導(dǎo)出非故障線路電容電流、.......，而總的回路電流，因此，流經(jīng)故障點的電容電流為：
推導(dǎo)知，故障點電容電流大小為所有非故障線路電容電流總和，方向由線路流向母線。
綜上所述，現(xiàn)對中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障穩(wěn)態(tài)特征總結(jié)如下：
(1)當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，正常線路會存在零序電流，大小等于三相電容電流之和，相角超前零序電壓90°方向由母線流向線路。
(2)故障線路的零序電流大小為所有非故障線路電容電流總和，相角滯后零序電壓90°，方向由線路流向母線。因此，故障線路的零序電流與非故障線路的故障電流相差180°。
2.2.3 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)
由上節(jié)分析知，在中性點不接地系統(tǒng)中，線路出線越多，故障線路電容電流越大，當(dāng)此電容電流超過一定數(shù)值時，故障點電弧不易熄滅，必須采用中性點經(jīng)消弧線圏接地方式。
在發(fā)生單相接地故障時，將消弧線圈裝在設(shè)備的中點處會使故障點產(chǎn)生電感電流，故可以補(bǔ)償電容電流，大大地減小了接地點電流。另外，還能有效地減慢故障電壓的恢復(fù)速度，使接地電弧不易重燃，有效提髙供電可靠性。
A
如圖2-5所示，故障電流超前零序電壓90°,而電感電流則滯后90°。因此，與相差180°。因此可以用電感電流抵消電容電流，叫做對故障電流的補(bǔ)償作用。如果對消弧線圈的面數(shù)選擇適當(dāng)，可以完全抵消掉電容電流。
0
C
B
01
C1
B1
圖2-5 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障向量圖
先說明兩個物理量：補(bǔ)償度k和脫諧度。
在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障時，消弧線圈產(chǎn)生的電感電流與電容電流的比值叫做補(bǔ)償度，即。
而脫諧度是電感電流與電容電流的差與電容電流值的比值，即。
通常我們用補(bǔ)償度k來描述電感電流對電容電流的補(bǔ)償程度。當(dāng)k=1時成為全補(bǔ)償，k<1為欠補(bǔ)償，k>1為過補(bǔ)償。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實際情況選擇補(bǔ)償方式，以期達(dá)到理想效果。
圖2-6顯示了在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障后，電網(wǎng)中各條線路中基波電容電流分布情況如圖所示。同圖2-4一樣，這里同樣假設(shè)正常情況下三相電壓對稱平衡，并用“ → ”表示電網(wǎng)中電容電流分布情況。
從圖中可以看出，發(fā)生單相接地故障后，非故障相的零序電流與中性點不接地系統(tǒng)故障零序電流相同。
可是，由于存在消弧線圈產(chǎn)生的電感電流的補(bǔ)償作用，故障點的電容電流與中性點不接地系統(tǒng)相比發(fā)生了改變。它是電容電流與電感電流補(bǔ)償后的差值，其值為：
方向根據(jù)電感電流的補(bǔ)償程度而定，當(dāng)消弧線圈采用欠補(bǔ)償時，零序電流方向由線路流向母線；當(dāng)采用全補(bǔ)償時，方向與中性點位電移電壓相同；當(dāng)采用過補(bǔ)償時，方向由母線流線路。
C
B
A
線路1
線路2
線路N
故障點
圖2-6 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障時電流分布情況
因此，在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障后，故障點的電流方向根據(jù)采用不同補(bǔ)償方式而不同。但由于過補(bǔ)償時，故障線路零序電流與非故障線路零序電流的方向相同，均為由母線流向線路。因此，在故障選線判據(jù)上，不能使用零序電流，只能選擇其他的方法，比如5次諧波分量法等。
綜上所述，中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，穩(wěn)態(tài)特征大致如下：
（1）消弧線圈的作用是產(chǎn)生電感電流對電容電流做出補(bǔ)償，根據(jù)補(bǔ)償程度不同，可以分為欠補(bǔ)償、全補(bǔ)償以及過補(bǔ)償三種方式。
（2）在非故障線路上存在零序電流，其大小等于三相電容電流之和，相角超前零序電壓90°，方向是從母線流向線路。
（3）故障線路的零序電流為電感電流補(bǔ)償電容電流的殘流，方向由補(bǔ)償程度來決定。
2.3 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)特征分析
一般而言，發(fā)生單相接地故障后穩(wěn)態(tài)分量一般數(shù)值比較小，因此對于暫態(tài)信息的研究就顯得比較重要。
當(dāng)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，其故障的暫態(tài)信息可用圖2-7所示等值電路來分析。這時候電網(wǎng)中存在的暫態(tài)量包括暫態(tài)電感電流和暫態(tài)電容電流。圖中R表示電路中的等值電阻，C為各條線路三相對地電容總和，L為三相線路和變壓器在等值電路中的等值電感，為消弧線圈的電感，r為消弧線圈等值電阻。
r
R
L
U0
C
L0
圖2-7 暫態(tài)過程等值電路
2.3.1 暫態(tài)電容電流
由于,因此在計算暫態(tài)電容電流的過程中忽略與r的影響。此時，對暫態(tài)過程的分析就是對由R、L、C構(gòu)成的串聯(lián)回路在電源作用下的暫態(tài)過程進(jìn)行分析。
因此，當(dāng)時,電容電流的過渡過程具有周期性的震蕩和衰減的特性；當(dāng)時，則有非周期性的衰減特性。由于一般的架空線路中，L較大，C較小，，因此故障點電流具有周期性的震蕩衰減特性。根據(jù)測量可知，其自由震蕩的頻率為300-1500Hz，而相對于電纜線路，其L一般比較小，C較大，故暫態(tài)電流的震蕩頻率相比要高得多，一般為1500-3000Hz。下面開始對暫態(tài)電容電流進(jìn)行計算。根據(jù)圖2-7列出電壓平衡方程式：
其特征方程為：
求解得到：
其中：為自由分量的衰減系數(shù)；為自由振蕩頻率
當(dāng)時，有,則令,此時,該微分方程的解可看作由強(qiáng)制分量與自由分量疊加而成。其中自由分量為：
強(qiáng)制分量為：
所以：
再根據(jù)初始條件：當(dāng)t=0時，i=0，=0,?？梢郧蟮梦粗獢?shù)A和，得到，，因此
又由于，因此可以近似認(rèn)為，則：
由上式我們可以看出，接地瞬間相電壓的瞬時值影響電容電流的最大值。若故障出現(xiàn)在相電壓的瞬時值過零附近時，電容電流的暫態(tài)分量會很小。
2.3.2 暫態(tài)電感電流
暫態(tài)電感電流由兩部分構(gòu)成：暫態(tài)直流分量和穩(wěn)態(tài)交流分量。表達(dá)式為：,式中為電感回路的時間常數(shù)；。
電感電流暫態(tài)過程幅值與接地瞬間電源相角的關(guān)系是：時，其值最大；時，其值最小。暫態(tài)過程角頻率與電源角頻率相等。根據(jù)研究來看，暫態(tài)過程的時間長短與多個因素相關(guān)，包括貼芯飽和程度、接地瞬間電壓相角。當(dāng)時，時間常數(shù)較小，電感電流衰減完畢大約只需要一個工頻周波；當(dāng)時，時間常數(shù)變大，一般需要2-3個周波。
2.3.3 暫態(tài)接地電流
暫態(tài)接地電流是由暫態(tài)電容電流與暫態(tài)電感電流疊加而成的。其中，為電容電流穩(wěn)態(tài)分量；是電容時間常數(shù)；是暫態(tài)自由震蕩分量角頻率；是電感電流穩(wěn)態(tài)分量；是電感時間常數(shù)[5]。
暫態(tài)電容電流與暫態(tài)電感電流的二者頻率相差較大，不能簡單的進(jìn)行疊加補(bǔ)償[6]。在開始階段，暫態(tài)接地電流主要由暫態(tài)電容電流來決定。而為了平衡暫態(tài)電感電流中的直流分量，暫態(tài)接地電流會產(chǎn)生一個直流分量，它與電感電流直流分量大小相等，方向相反。
綜上所述，對暫態(tài)電流特征總結(jié)如下：
（1）不管是不接地系統(tǒng)還是經(jīng)消弧線圏接地系統(tǒng)，在故障初期，暫態(tài)接地電流主要由暫態(tài)電容電流決定，暫態(tài)電感電流的影響較小。
（2）暫態(tài)電容電流的幅值與故障發(fā)生時間有關(guān)。當(dāng)故障發(fā)生在相電壓接近最大值附近，暫態(tài)電容電流有最大值；當(dāng)故障發(fā)生在相電壓瞬時值過零附近，暫態(tài)電容電流值最小[7]。
（3）暫態(tài)接地電流由暫態(tài)電容電流與暫態(tài)電感電流疊加而成，但二者頻率相差較大，不能簡單的疊加補(bǔ)償。
3 小電流接地系統(tǒng)選線方法綜述
當(dāng)前基于故障信號進(jìn)行選線的方法，主要分為利用故障信號穩(wěn)態(tài)分量法和暫態(tài)分量法網(wǎng)兩類，例如故障線路零序電流最大原理,零序功率方向法,首半波法,諧波電流方向原理,零序電流有功分量方向原理,注入法,能量函數(shù)法等。在選線方案選擇上,除常規(guī)的絕對定值保護(hù)方案外,還有群體比幅比相方案、群體比幅方案、人工智能技術(shù)接地選線、最大方案等。下面對常用的幾種接地故障選線方法進(jìn)行簡要分析：
3.1 利用電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電氣量提供的故障信息構(gòu)成的自動選線法
3.1.1 零序電流比幅法
此方法的原理依據(jù)是利用發(fā)生單相接地故障時，故障線路的零序電流會比非故障線路的零序電流大,這種方案操作簡單易行。但是測量非常敏感，易受到多方面的影響，比如互感器的不平衡電流、出線多少和過渡電阻大小等，甚至與系統(tǒng)運行的方式都有關(guān)。而且若線路長度差異很大,即其分布電容的大小與系統(tǒng)總的分布電容相差不大時,或接地點過渡電阻較大時,裝置可能拒動，而且原理上來講，此方法不適于諧振接地的系統(tǒng)。
3.1.2 零序電流群體比幅比相法
利用群體比幅比相法時，先進(jìn)行零序電流幅值比較,選出幾個幅值較大的作為候選,然后再進(jìn)行相位比較,選出方向與其它不同的,即為故障線路。但由于時針效應(yīng),當(dāng)某條接地線路接地電流很小時,相角誤差會較大,不能排除不平衡電流和過渡電阻大小的影響。不適于消弧線圈的過補(bǔ)償運行方式，若加些特殊措施可獲得較滿意效果。
3.1.3 基于五次諧波分量的選線方法
發(fā)生單相接地故障時,由于系統(tǒng)中存在非線性元件，受其影響,導(dǎo)致配電網(wǎng)電流中會存在大量諧波信號,其中大部分是五次諧波，根據(jù)這一特點提出了該選線方法。根據(jù)分析可知，消弧線圈對于五次諧波的補(bǔ)償作用僅相當(dāng)于工頻時1/25,故可以忽略其對電網(wǎng)的作用,認(rèn)為故障線路的五次諧波比非故障線路的幅值都大且方向相反,然后通過比幅、比相等各種方法來確定故障線路。但實際上盡管五次諧波含量占的比重較大，相比于故障電流來看，一般情況下要小于故障電流，而且在發(fā)生電弧時穩(wěn)定性很差,不能排除互感器的不平衡電流等帶來的不利影響，而且非線性元件問題更難解決,而且在電力電子的裝置應(yīng)用較多的環(huán)境中,這一點更是明顯，幅值波動較大,給選線的準(zhǔn)確度帶來很大的影響，可靠性也不是很穩(wěn)定。雖然能在一定程度上克服單次諧波信號小的缺點,但不能從根本解決問題。
3.1.4 零序電流有功分量法
由于線路和消弧線圈對地存在一定的電導(dǎo)，因此導(dǎo)致故障電流中會含有一定的有功分量，而且在發(fā)生故障時，故障線路和非故障線路的有功分量方向是相反的，故障線路的幅值要大于非故障線路,借助于這個特點可實現(xiàn)系統(tǒng)故障的選線。但零序電流中的分量較小,現(xiàn)象不鮮明，不利于選線,而且該法仍會受到互感器不平衡電流的影響。
3.1.5 零序電流無功功率方向法
此法依據(jù)零序電流無功分量的相角不同來進(jìn)行區(qū)分，其中故障線路要滯后于零序電壓90°,而非故障線路則會超前于零序電壓90°,即二者相差180°，由此可知，取母線到線路為功率的參考正方向，則當(dāng)無功功率小于 0時，那條線路必為故障線路。然而該方法無法避免過渡電阻所帶來的影響,尤其是但其阻值較大時，對于零序電壓的檢測來講，是非常困難的。另一方面，方法比較受限，如果零序電流較小，則誤判的概率很大,可靠性差，也不適用于諧振接地的系統(tǒng)。
3.1.6 最大或法
利用一中間參考正弦信號,如果在檢測完母線電壓后，確認(rèn)存在故障,則根據(jù)零序電流和母線電壓的相角關(guān)系,依次進(jìn)行測量和分析，然后把所有線路的故障前、后的零序電流都投影到對應(yīng)的的零序電流的理論方向上,計算出各出線故障前、后的投影值之差,通過比較找出差值最大的,即最大的[8]。若>0,則線路K為故障線路,否則為母線故障。雖然一定程度上克服了不平衡電流的影響,減少誤判的可能性,但受線路結(jié)構(gòu)、運行方式影響,需要參考信號,計算量過大。
3.1.7 能量法
單相接地故障發(fā)生后，根據(jù)零序電流、電壓來構(gòu)成能量函數(shù)[9]。根據(jù)分析可知，網(wǎng)絡(luò)上的能量流動方向都是從故障線路流向非故障線路，這就決定了二者的的能量函數(shù)的值是異號的，而且故障線路的絕對值大小，等于其他線路（包括消弧線圈）能量函數(shù)的總和。又由于消弧線圈的能量函數(shù)的極性是與非故障線路相同的,都是大于0零的，則故障線路的能量函數(shù)總小于零,因此可以通過比較函數(shù)的方向和大小，來間接的判別接地線路。
3.2 利用電網(wǎng)暫態(tài)電氣量提供的故障信息構(gòu)成的自動選線法
3.2.1 基于小波分析的選線方法
當(dāng)發(fā)生單相接地時,故障暫態(tài)過程持續(xù)時間短，且含豐富的特征量,而穩(wěn)態(tài)時數(shù)值較小,小波分析由此產(chǎn)生。小波分析的判據(jù)主要是通過對信號進(jìn)行精確分析,通過小波分析法來進(jìn)行分解成不同的小波，即疊加之和,通過對暫態(tài)零序電流的特征分量進(jìn)行小波變換,會看出故障線路上分量的幅值包絡(luò)線要高于非故障線路,而且相位也彼此相反,。盡管經(jīng)過理論的證明和分析，此法準(zhǔn)確度較高，但實際運行時的情況往往是很復(fù)雜的,很可能會發(fā)生暫態(tài)量小于穩(wěn)態(tài)量,這時只要通過對母線的零序電壓和各出線零序電流，來進(jìn)行提取小波的系數(shù)，然后可以類似地進(jìn)行構(gòu)造選線判據(jù)。
3.2.2 首半波法
因系統(tǒng)中單相接地大部分是在雷擊或者相電壓的峰值附近發(fā)生,故障相的電容電荷經(jīng)過線路對故障點進(jìn)行放電,使故障線路和非故障線路二者的短路電流首半波方向相反。對諧振接地系統(tǒng)而言,由于電感的存在，電流的變化必然會經(jīng)過一個暫態(tài)變化過程；而在電壓的過零點附近時,短路回路由于沒有暫態(tài)過程,導(dǎo)致故障線路、非故障線路二者的零序電流方向相同。當(dāng)發(fā)生兩點接地時,可能不反映后接地故障，其保護(hù)裝置適用范圍受限,保護(hù)動作可靠性較差。
3.3 其他方法
3.3.1 拉線法
拉線法是最早應(yīng)用到單相接地故障的方法，主要是在監(jiān)測到故障信號后,確認(rèn)發(fā)生故障，然后由工作人員通過順序拉閘來依次檢驗每條線路,若切除某條線路后，故障信號消除,則認(rèn)為此線路發(fā)生故障。但拉閘的過程中,會使得一些正常線路的用戶短時停電,不僅降低供電的可靠性,增加誤操作可能性。
3.3.2 注入信號法
在發(fā)生故障后，人為的向配電系統(tǒng)中注入某個確定的頻率和幅值的信號電流,依靠特定的信號電流探測器來追蹤和查找故障點。另外根據(jù)單相接地故障時相電壓互感器的特點,向系統(tǒng)注入信號電流,根據(jù)尋跡原理,來檢測和跟蹤該信號電流的通路，實現(xiàn)選線。根據(jù)只有故障線路的故障相才會有此信號電流的特點,從而判斷出接地故障線路。
4 小電流接地系統(tǒng)自動選線仿真
4.1 基于零序電流比幅法原理選線的Matlab仿真
4.1.1 多回路的架空線路仿真
根據(jù)電路原理來講,輸電線路的參數(shù)應(yīng)該均勻分布,即便是很小一段,都要有相應(yīng)的電阻、電抗、電納、電導(dǎo)。由于電網(wǎng)系統(tǒng)中存有各種非線性的電力電子元器件,還有負(fù)荷頻繁切換等因素造成三相參數(shù)的不平衡,故采用集中參數(shù)模型就會存在著較大的誤差。通常根據(jù)各自的應(yīng)用要求,對等值電路進(jìn)行不同程度的簡化。
本文利用SimPowerSystem工具箱分布參數(shù)的線路模型來進(jìn)行仿真。該模型充分了考慮分布參數(shù)LC電路的兩個特性值:波阻抗和波速。
架空線路的參數(shù)選用如下:
正序電阻0.17/km，零序電阻0.23 /km;
正序電感7.6e-3 H/km，零序電感34.4e-3 H/km ;
正序電容6.1e-8F/km，零序電容3.8e-8F/km 。
根據(jù)實際情況而言，系統(tǒng)輸電線路一般都比較短,選定五條線路長度依次為5km、8km、10km、15km、16km。線路故障發(fā)生在第五條線路的末端。
其中三相電源容量無限大,A相初相角為0°,頻率為50Hz,電感為0.5H，電阻為2。變壓器內(nèi)部采用Y-g方式。
負(fù)載:頻率50Hz,電壓等級10KV,三相感性無功功率，三相有功功率。
仿真模型圖為五回路架空線的仿真，如圖4-1所示(見附錄)：
仿真參數(shù)的設(shè)置：仿真開始時間為0秒,結(jié)束時間為0.16秒；微分方程解算器選擇變步長（Variable-step),ode23s(stiff/Mod.Rosenbrock);相對容差為(1e-3),其余都選擇自動方式。假設(shè)系統(tǒng)在t=0.05秒發(fā)生A相接地故障,其仿真頻率50Hz,接地電阻為100。
仿真結(jié)果如圖4-2到4-8：
圖4-2 非故障線路（Line1）零序電流
圖4-3 非故障線路（Line2）零序電流
圖4-4 非故障線路（Line3）零序電流
圖4-5 非故障線路（Line4）零序電流
圖4-6 故障線路（Line5）零序電流
圖4-7 系統(tǒng)零序電壓
圖4-8 系統(tǒng)三相對地電壓
通過改變接地電阻值，增加回路數(shù)，再經(jīng)由波形變化可看出:
①只有在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，零序電壓和電流才會產(chǎn)生。而且由波形可以看出，線路愈長，各非故障相零序電流幅值會愈大，這是因為線路對地電容隨長度變長而愈大，隨之容抗愈小，所以對地放電電流就愈大。觀察圖形可知，Line4的長度是最長的，且電流幅值也最大，明顯大于其余線路，也說明了這點。另外，各非故障相的零序電流相位大致相同[5]。
②故障線路保護(hù)安裝處流過的零序電流是非故障線路的總和，其數(shù)值較大，而且相位與非故障線路相反[10]。而且在不接地電網(wǎng)中出現(xiàn)單相金屬性接地時，電網(wǎng)故障處相對地的電壓會降為零，非故障的相對地電壓則升高至線電壓，電網(wǎng)會有零序電壓，大小為正常時的相電壓。當(dāng)存在接地電阻，故障相的對地電壓將不為零，會有殘壓產(chǎn)生，電阻越大，則殘壓也越大。如圖4-6所示。
4.1.2 多回路電纜線路仿真
電力電纜憑借其占地少、可靠和對人身安全等優(yōu)點，以慢慢占據(jù)現(xiàn)在的配電輸電線市場。電力電纜與架空線的電氣參數(shù)有很大的不同:
①無論是纜芯之間，還是纜芯與護(hù)套之間的間距電力電纜都要比架空線路小的多，且由于其高介電常數(shù)，導(dǎo)致電力電纜單位長度的電容遠(yuǎn)大于架空線路[11]。
②架空線路的相間距遠(yuǎn)大于電纜線路，由于這個原因，導(dǎo)致電纜的單位長度電感要小于架空線路。
本節(jié)選用圖4-1所示模型對電力電纜構(gòu)成的一個多回路不接地系統(tǒng)進(jìn)行仿真，依據(jù)接地電阻不同，分為100和400兩種情況。
(1)當(dāng)接地電阻為100時,根據(jù)文獻(xiàn)，將電力電纜仿真模型參數(shù)設(shè)置如下;
正序電阻:0.024/km，零序電阻:0.196/km;
正序電感:5.16e-4 H/km，零序電感:3.98e-3H/km;
正序電容:3.08e-7 F/km，零序電容:2.03e-7 F/km。
其余仿真參數(shù)設(shè)置保持不變。仿真圖形:
圖4-9 非故障線路（Line1）零序電流
圖4-10 非故障線路（Line2）零序電流
圖4-11 非故障線路（Line3）零序電流
圖4-12 非故障線路（Line4）零序電流
圖4-13 故障線路（Line5）零序電流
圖4-14 系統(tǒng)的零序電壓
圖4-15 系統(tǒng)的三相對地電壓
（2)當(dāng)接地電阻改為400時，仿真結(jié)果如下圖。其中非故障線路Line4最長，零序電流最大，與故障線路對比有較強(qiáng)說服力，下面列出Line4和Line5的波形圖。
圖4-16 故障線路（Line5）零序電流
圖4-17 非故障線路（Line4）零序電流
圖4-18 系統(tǒng)的三相對地電壓
通過觀察和分析波形看出：
①由于架空線對地電容小于電纜,因此電纜非故障相和故障相的零序電流的幅值要明顯大于架空線,但相互間比值的關(guān)系與架空線相同。
②當(dāng)發(fā)生故障時,因為電纜對地的電容比較大,會導(dǎo)致另外兩相對地暫態(tài)電壓變化會較大。當(dāng)接地電阻變大時,非故障相和故障相零序電流都變小,故障相的殘余電壓增加,這樣不利于正確的選線[12]。
③回路較少時,非故障相和故障相的零序電流幅值會比較小。當(dāng)回路較多、線路長時,比值可適當(dāng)變大。
④當(dāng)發(fā)生金屬性接地時,系統(tǒng)故障的相電壓會變?yōu)榱?由于接地電容的電流較大,電弧不容易熄滅。接地電阻較大時,盡管接地電流會比較小,但是零序電流會變小,選線也相對比較困難。若接地電阻達(dá)到1,那么該方法會基本失效[13]。
4.2 基于零序功率方向法原理選線的仿真
本節(jié)在圖4.1仿真模型基礎(chǔ)上增加一乘法器（product模塊）,取零序電流和零序電壓的乘積即得零序功率來進(jìn)行模擬仿真。
4.2.1 架空線路的仿真
仿真結(jié)果如下圖：
圖4-19 非故障線路(Line4)零序功率
圖4-20 故障線路（Line5）零序功率
4.2.2 電纜線路的仿真
仿真結(jié)果如下圖：
圖4-21 非故障線路（Line4）零序功率
圖4-22 故障線路（Line5）零序功率
仿真模型中的零序電壓都相同,零序功率的差別主要取決于零序電流的差別。和零序電流比幅法一樣,零序功率可從大小和相位方向的兩方面來區(qū)分線路。當(dāng)過渡電阻變大時,故障線路與非故障線路的零序電流差別會減小,故功率間的差距也會隨之減小,但當(dāng)零序電流乘以零序電壓,在電壓一致的情形下，會相當(dāng)于對零序電流的數(shù)值進(jìn)行放大,這樣功率間數(shù)值的差別就會比較明顯了。但也有負(fù)面影響，尤其當(dāng)外界干擾信號時，比較嚴(yán)重[14]。
4.3 基于五次諧波電流法原理選線的仿真
本節(jié)在圖4-1仿真模型基礎(chǔ)上，通過增加接地消弧線圈的方式來進(jìn)行仿真。根據(jù)實際情況，消弧線圈多采用過補(bǔ)償方式,選擇補(bǔ)償度。求出消弧線圈電感為[15],并在圖4-1仿真基礎(chǔ)上增加傅立葉分析器的模塊,采集各線路零序電流的五次諧波。
4.3.1 接地電阻為100時
（1）對架空線路,仿真參數(shù)設(shè)置如4.1.1。仿真結(jié)果如下：
圖4-23 非故障線路（Line4）五次諧波零序電流幅值
圖4-24 故障線路（Line5）五次諧波零序電流幅值
（2）對電纜線路,仿真參數(shù)設(shè)置如4.1.2。仿真結(jié)果如下：
圖4-25 非故障線路（Line4）五次諧波零序電流幅值
圖4.26 故障線路（Line5）五次諧波零序電流幅值
圖4-27 五次諧波零序電壓幅值
4.3.2 接地電阻為400Ω時
（1）對架空線路,仿真參數(shù)設(shè)置如4.1.1。仿真結(jié)果如下：
圖4-28 非故障線路（Line4）五次諧波零序電流幅值
圖4-29 故障線路（Line5）五次諧波零序電流幅值
（1）對電纜線路,仿真參數(shù)設(shè)置如4.1.2。仿真結(jié)果如下：
圖4-30 非故障線路（Line4）五次諧波零序電流幅值
圖4-31 故障線路（Line5）五次諧波零序電流幅值
根據(jù)觀察和分析圖形可知,在系統(tǒng)不存在諧波源的理想情況下:
①五次諧波零序電流幅值比較小。接地電阻為100時：非故障架空線路中電流最大的（Line4）幅值不超過0.2A,故障架空線路的電流幅值會小于0.45A,故障電纜線路的電流幅值會小于1.2A；接地電阻為400時：非故障架空線路中的電流最大的（Line4）幅值不超過0.12A,故障架空線路電流幅值會小于0.3A,故障電纜線路電流幅值會小于0.4A。而在實際應(yīng)用中，這么小的電流會被干擾信號淹沒,這對于檢測設(shè)備提出了較高的要求。
②檢測時間短。由圖可知:當(dāng)故障發(fā)生在t=0.05秒時,五次諧波零序電流和電壓持續(xù)了不到0.03秒,在t=0.08秒時就沒有了信號。而且隨著過渡電阻的增大,信號持續(xù)時間會更小,也就要求檢測設(shè)備必須有較快的檢測性。
5 結(jié)論
本文對小電流接地系統(tǒng)進(jìn)行了簡要的介紹，然后通過分析其發(fā)生單相接地故障時，線路的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)特征，并對基于此的選線方法進(jìn)行了原理和其局限性的分析和探討。隨后在仿真平臺下，建立了多回路的一個小電流接地的仿真模型，選擇了其中較有代表性的選線方法進(jìn)行仿真并分析，比較其各自的優(yōu)缺點。主要的研究結(jié)論如下：
1、配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)經(jīng)常是復(fù)雜多樣，而且瞬息多變的,尤其是當(dāng)發(fā)生故障時，伴隨著電氣穩(wěn)態(tài)量和暫態(tài)量的變化,往往會有豐富的電氣特征：穩(wěn)態(tài)量的幅值較小,如零序電流有時會僅僅幾個安培,易被干擾信號淹沒；暫態(tài)量的幅值雖然比穩(wěn)態(tài)量大,但是變化比較劇烈,持續(xù)的時間較短,測量有一定的難度[16]。
2、基于Matlab的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障仿真,比較真實的再現(xiàn)故障發(fā)生的時候，系統(tǒng)零序電流、電壓等參數(shù)的變化。其中，小電流接地系統(tǒng)的對地電流主要是電容電流,但由于配電網(wǎng)所處環(huán)境的不同，往往會對線路的對地電容產(chǎn)生一定的影響,從而間接影響系統(tǒng)零序電流的大小,也影響著故障時過渡電阻的大小。另外,輸電線路的負(fù)荷不平衡程度如果比較大,則易形成系統(tǒng)固有的較大的零序電流和零序電壓,會對選線造成非常嚴(yán)重的干擾。
3、沒有一種選線方法適用于所有的小電流接地系統(tǒng)，比如零序電流比幅法就不能用于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，五次諧波法不能用于干擾嚴(yán)重的系統(tǒng)中等等。目前的研究趨勢更加傾向于綜合選線，把各種選線的優(yōu)點進(jìn)行融合，來形成互補(bǔ)型的結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，不斷提升選線的準(zhǔn)確率，同時提高自動選線水平來適應(yīng)當(dāng)前及今后配電網(wǎng)的發(fā)展。
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致謝
四年的本科學(xué)習(xí)生活馬上就要過去了，總感覺自己還有許多事沒有做，還有知識沒有學(xué)完、學(xué)會，覺得自己懂得東西太少了，臨近畢業(yè)的這段日子讓我更加懷念和同學(xué)們、老師們在一起的日子，謝謝有你們的陪伴，讓我的生活更精彩。
本論文在完成的過程中得到了李有安老師的悉心指導(dǎo)，在大學(xué)的四年里，李老師一直陪伴著我們，李老師在學(xué)習(xí)上要求嚴(yán)格，有著淵博的學(xué)識，對待工作一絲不茍，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度一直給我留有深刻的印象。在論文即將完成之際，謹(jǐn)向李有安老師表達(dá)深深的敬意和感謝！
回首自己大學(xué)四
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