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基于零序基波时序鉴别原理的

基于零序基波“时序鉴别”原理的

谐振接地选线方法与装置

目录

摘要…………………………………………………………..3

引言…………………………………………………………..4

一、鲁兴谐振接地选线装置的构成原理…………………….....6

1.装置结构图示……………………………………………8

2.装置工作原理……………………………………………8

2．1小电流接地接地故障基本特征………………………………8

2.1.1中性点不接地系统…………..............................................9

2.1.2谐振接地系统………….....................................................9

2.1.3中性点非直接接地系统零序等效网路及矢量图…………...9

2．2小电流接地系统单相接地故障特征小结……………………10

二、时序鉴别器和零序基波时序鉴别法则………………………..12

三、鲁兴谐振接地选线装置的其它功能……………………....13

四、实际应用情况………………………………………………13

五、鲁兴谐振接地选线装置的主要优点……………………...14

六、参考文献………………………………………………….....16

提要：

简述谐振接地系统和单相接地选线技术的发展概况，介绍一种基于“零序基波时序鉴别”原理的单相接地选线方法与装置，着重阐明其性能特点、技术方案、工作原理和应用效果，该技术成果已获实用新型专利。

关键词：

谐振接地系统单相接地故障选线零序电流时序鉴别EDAispASIC

引言

我国3KV～35KV电力网，都属于小电流接地系统，主要包括中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经高阻接地三种方式。

其中，中性点经消弧线圈接地系统又称谐振接地系统，也叫接地补偿系统。

十几年前，我国厂矿企业的中压电网大多采用中性点不接地方式，其单相接地保护通常采用零序功率方向原理，或零序基波电流相位比较、幅值比较方法；而近十余年来，谐振接地技术有了突飞猛进的发展，在现代高新技术的支持下，自动跟踪调谐的补偿装置克服了传统消弧线圈手动调节方式的缺点；加上各种新型微机接地保护或自动选线装置的配合，使谐振接地系统的优点更加突出，相应电网的运行特性得以优化，各项技术经济指标有了显著的改善与提高（文献1，p114～115）。

消弧线圈一般都采用过补偿运行方式（文献2，P11~12或文献1，P52）。

在此情况下，单相接地故障支路与非故障支路的零序电流（基波）无论在数值上还是相位上都变得界限模糊、难以分辨。

这就使得以往在中性点不接地电网中应用得较成熟的，基于零序基波幅值比较、相位比较或基波零序功率方向原理的选线装置，在过补偿的谐振接地系统中，其接地选线的准确性很低乃至不起作用，无法满足谐振接地电网安全运行的要求。

于是，人们普遍认为，基波零序分量无法解决谐振接地（过补偿）电网的单相接地故障选线问题；有些业内人士的科技论文中也常有“经消弧线圈接地的电网，基波不再满足选线判据”之类的“结论”（见文献9，P77）。

国内如此，国外也大致如此。

因此，近十几年来，国内外科技人员都避开（绕过）零序基波去探究谐振接地（过补偿）电网单相接地新的故障判断方法和微机选线装置，从而创立了有功分量法、负序分量法、谐波分量法（主要是五次谐波法）、暂态分量法（如首半波法、小波分析法）、零序导纳法、残流增量法、模式识别法、注入信号法（S注入法和注入变频信号法）等。

这些新的选线方法的创立体现了接地保护技术的进步，由这些选线方法构成的单相接地选线装置也各有其特点和优点；但实践表明，其中不少品种在谐振接地系统中的应用效果不理想，有待进一步研究、完善与优化。

本文旨在介绍一种与上述诸种判断方法、选线原理不同的接地故障选线方法与装置。

该选线装置至少具有三个最基本的创新点：

一是在谐振接地系统中首次运用“零序基波”信号，通过“时序鉴别法”，辅以幅值鉴别和重复判断，实现了谐振接地（过补偿）电网单相接地故障的准确选线；二是应用近几年来迅速发展起来的电子设计自动化技术（EDA）和在系统可编程逻辑器件（isp器件）开发专用集成电路（ASIC）即“时序鉴别器”，用“时序鉴别器”取代单片机或信号处理器的故障诊断和选线功能，也就是用硬逻辑系统取代以软件程序为主导的MPU，实现接地故障线路辨识；三是采用并行处理、分散监控方案，取代通常的集中监控、顺序查询方案，并设定每4路中压馈出线共用一个“时序鉴别器”，从而使通常监护数十路馈出线的接地故障保护装置如同“多CPU并行处理系统”。

该装置已经获得国家知识产权局授予的实用新型专利权，专利号为ZL02237567.8。

因此，为叙述简便起见，下文将具有上述三个特点的新型谐振接地选线装置（专利产品），简称为“鲁兴谐振接地选线装置”。

正文

一、鲁兴谐振接地选线装置的构成原理

图1右部是鲁兴谐振接地选线装置的结构原理图，左部虚线框内为中压谐振接地电网的有关接线。

该选线装置的关键部件是以“时序鉴别器”为核心的“鲁兴接地选线模块”。

一台选线装置应具有若干个选线模块，这里只画了一块，如图1所示，选线模块是从中压电网三相母线上的电压互感器PT开口三角侧取出零序电压u0，经小变压器ST降压后，U0信号送入选线模块内；同时，从同一段母线各馈出线的零序电流互感器CT二次侧取出零序电流I0，经各自的负载电阻R进行I/û变换后，各I0信号分别送入选线模块的8个I0输入端（每个模块至多接8路I0）。

图1鲁兴谐振接地选线装置的原理图

鲁兴接地选线模块的构成原理如图1实线框内的方块图所示，它主要由零序电压信号处理电路、零序电流信号处理电路、时序鉴别器、接地选线信号输出电路，以及单片机接口电路等组成，其中“时序鉴别器”是该模块的核心。

每个时序鉴别器分管4路馈出线，故每个选线模块包含两个时序鉴别器。

时序鉴别器是籍用EDA技术和isp器件开发的专用集成电路ASIC。

在选线模块内，零序电压输入信号U0分为两路：

一路经低通滤波、阻容移相、鉴幅、整形和光电隔离后变成UOf，作为零序电压的幅值鉴别信号；另一路经低通滤波、阻容移相后再分为两个支路，分别对U0正半波和U0负半波进行整形和光电隔离，变成脉宽为180度的两个相位相反的零序电压基准信号U0J+和U0J-，作为时序鉴别的参考信号。

各路零序电流信号i0，分别经低通滤波、鉴幅、整形、光电隔离后变成相位和脉宽可变的故障信号I0i（i=1，2，3┄）。

UOJ、U0f和4路I0信号分别送入时序鉴别器的对应输入端。

当电网某馈出线发生单相接地时，时序鉴别器依据内部设定的时序鉴别法则（图2），对各路信号进行并行处理与辨识，从而迅速判别出接地故障线路和非故障线路。

若为非故障线路，时序鉴别器无信号输出；若为接地故障线路，则经时序鉴别器判定后，就有对应的故障选线信号输出，实现故障信息的音响报警、灯光和数字显示，语音报警，还可作用于跳闸（若用户需要），所有这些功能都不需单片机参与，由此构成鲁兴GJXB和KGLJ（A）型产品；如果用户还需要接地选线装置对故障信息进行汉字显示、自动记录或联网通讯，则可通

过接口加配专用单片单板机及有关外设来实现，从而构成鲁兴GJWJ和KGLJ（B）型产品。

1.装置结构图示

2.装置工作原理

鲁兴6～35KV电网单相接地漏电选线保护装置（实用新型专利号ZL02237567.8），采用山东科技大学教授傅桂兴发明的零序基波时序鉴别选线原理（发明专利，公开号CN1453916A），是本公司应用自主知识产权、独特的选线方法和最新科技成果研究开发的新产品（含Ⅲ型与Ⅳ型）系列。

2．1小电流接地接地故障基本特征

2.1.1中性点不接地系统，如图2.1.1所示。

图2.1.1

2.1.2谐振接地系统（中性点经消弧线圈接地补偿），如图2.1.2所示。

图2.1.2

2.1.3中性点非直接接地系统零序等效网路及矢量图

中性点非直接接地系统发生单相接地故障时，其零序等效网络如图4.1.3所示。

以A相接地为例，Rg为接地点过度电阻，K1、K2为中性点接地方式模拟开关，在分析中性点不接地网络时，K1、K2都断开，对应于4.1.1；在分析中性点经消弧线圈接地网络时，K1、闭合，K2断开，对应于图4.1.2；消弧线圈阻抗ZL=RL+jXL,RL为消弧线圈回路电阻，XL为消弧线圈感抗；分析中性点经高阻接地时，K1、断开，K2闭合，RN为中性点接地电阻。

母线零序电压为U0。

由图可知，故障线路Ⅲ始端所反映的零序电流为：

Ì0Ⅲ=-[（Ì0Ⅰ+Ì0Ⅱ）+Ì0N]

（1）

非故障线路Ⅰ、Ⅱ始端反映的零序电流为：

Ì0Ⅰ=jωCⅠÙ0Ì0Ⅱ=jωCⅡÙ0

图2.1.3中性点非直接接地系统零序等效网路

中性点不同接地方式和不同补偿状态下单相接地时各线路零序电流的相位关系，如图2.1.4所示。

（a）中性点不接地（b）中性点经高阻接地

（c）中性点经消弧线圈接地欠补偿（d）经消弧线圈接地全补偿（e）经消弧线圈接地过补偿

图2.1.4

中性点不同接地方式及不同补偿状态下，单相接地故障零序电流与零序电压矢量图

（1）中性点不接地方式下Ì0N=0，式

（1）变为：

Ì0Ⅲ=-（Ì0Ⅰ+Ì0Ⅱ）

（2）

故障线路和非故障线路中均流过容性电流，它们与零序电压的矢量关系如图2.1.4（a）所示。

（2）中性点经高阻接地方式下Ì0N=Ù/RN，故障线路中有阻性（有功）电流和容性电流，非故障线路中只有容性电流，它们与零序电压间关系的矢量图如图2.1.4（b）所示。

（3）中性点经消弧线圈接地方式下Ì0N=Ù0/（RL+jXL）=ÌRL+jÌXL,不管消弧线圈运行于过补偿、欠补偿或跟踪补偿（等补偿）状态，故障线路中均有有功电流和无功（感性或容性）电流，非故障线路中只有容性电流。

欠补偿时，各支路零序电流与零序电压的矢量图如图2.1.4（c）所示；全补偿时，各支路零序电流与零序电压的矢量图如图2.1.4（d）所示；过补偿时，各支路零序电流与零序电压的矢量图如图2.1.4（e）所示。

2．2小电流接地系统单相接地故障特征小结

2.2.1中性点不接地系统故障特征小结

（1）、非故障线路零序电流为本线路对地电容电流，电容性零序电流的方向由母线流向线路。

（2）、故障线路零序电流为所有健全线路和母线的电容电流之和，电容性无功功率的方向由线路流向母线。

2.2.2谐振接地系统故障特征小结

线路对地电容性电流的分布规律与中性点不接地系统相同。

但本系统（见图2.1.2谐振接地系统图）增加了消弧线圈。

消弧线圈产生的电感性电流经故障点沿故障线返回，故障点的电流增加一个电感分量的电流ÌL，由于ÌL与ÌC∑相位相反，因此，故障点电流将因消弧线圈电感电流的补偿而减少，故障点电流方向（相位）将随补偿程度而变化。

当采用过补偿方式时，由于ÌL>Ìc，流经故障线路的零序电流的实际方向不再是由线路流向母线，而是由母线流向线路，和非故障线路的方向一样；并且故障线路的零序电流幅值很可能比非故障线路的零序电流还小，因此，基于相位比较法和幅值比较法的选线装置都不再适用。

这就是谐振接地（过补偿状态下）故障选线装置面临的技术难题。

国内外有关专家学者为此研究了多种选线理论和技术方案，但都各有优缺点。

鲁兴基于零序基波“时序鉴别”的选线方法较好地解决了此难题。

二、时序鉴别器和零序基波时序鉴别法则

图2是鲁兴研究所用以实现谐振接地系统单相接地选线的“时序鉴别器”的工作原理，即基于“零序基波时序鉴别”选线法的示意图。

图中，U0J是由零序电压变换来的180度规则方波，作为时序鉴别的基准信号。

I0是由零序电流变换来的脉宽和相位不确定的方波，I0的脉宽一般为180度（如图2的a、b、c），但若零序电流幅值过小，则I0的脉宽将远小于180度（如图2的d、e）甚至为零；I0相对于U0J的相位随消弧线圈是无补偿（断开消弧线圈）、欠补偿（图2b）还是过补偿（图2a），而从左向右变动。

当电网发生单相接地故障时，若某条线路的零序电流对应的I0方波与U0J方波的时序关系同时满足以下两个条件的，则该线路为单相接地故障线路，如图2中a、b所示。

这两个条件是：

（1）零序电流I0上升沿滞后于零序电压U0J上升沿而超前零序电压U0J下降沿，即零序电流I0上升沿界于零序电压U0J的上升沿与下降沿之间；

（2）零序电流I0下降沿滞后于零序电压U0J下降沿须大于0度而小于180度。

图2时序鉴别选线法的基本原理图

不能同时满足这两个条件的则为非故障线路，如图2中的c、d、e所示。

上述内容就是应用“时序鉴别法”进行单相接地故障选线的主要判据。

这里必须指出，虽然零序功率方向原理及零序电流比相法也都应用零序基波信号，但“时序鉴别法”和通常的相对相位法（比相法），或者说“时序鉴别原理”与零序功率方向原理，二者应用零序基波的出发点和最终效果是根本不同的。

例如图2中d所示的I0与U0J的方波关系，按照零序功率方向原理或比相法应判定为故障线路；而运用时序鉴别原理则应判为非故障线路。

三、鲁兴谐振接地选线装置的其它功能

鲁兴选线装置除上述单相接地故障选线这一主要功能外，其还籍助自研发的几种不同的ASIC实现其它几个基本功能，主要有：

整机性能的自检演示功能，三相不平衡电压或零序电压的监测显示功能，零序CT二次回路完好性检验功能，单相接地瞬间性故障和永久性故障的分辨功能，接地故障线路编号的数字显示及语音报警功能。

此外，还可增加单相接地选相和PT断相监视功能。

限于篇幅，不再详述。

四、实际应用情况

鲁兴谐振接地选线装置有GJWJ-IV、GJXB-IV、KGLJ-IV（A）、KGLJ-IV（B）四种型号，前两种通用于厂矿地面变电站，后两种为矿用型，适用于矿井中央变电所。

2002年10月，首台GJWJ-IV-24/2进入齐鲁石化公司炼油厂35KV炼北变电站，在6KV谐振接地系统安装使用。

为全面检验该选线装置的技术性能，2002年10月26日至27日，在齐鲁石化公司有关部门（公司电力调度室、炼油厂电气分厂等）、自动消弧线圈厂家（天津航博）、谐振接地选线装置研制单位（鲁兴测控）三方共同参与下，进行了11次人工接地试验（人工接地试验接线图如图3所示），其中，中性点不接地方式（断开消弧线圈）试验两次，中性点经消弧线圈接地调谐于欠补偿状态试验两次，重点是消弧线圈过补偿状态下试验7次（其中两次的接地点在下一级开闭所）。

接地故障点的零序电流值最大28.5A，最小3.5A。

试验结果是11次人工接地试验，鲁兴选线装置都可靠动作、准确选线，声光报警、数字显示与自动记录都正确指明唯一的故障线路（详见文献4）。

从2002年10月投入运行以来，该变电站6KV系统先后发生过4次单相接地事故（其中一次是断续性弧光接地）都被一一准确选线，这对及时排除故障、确保电网安全运行和保证炼油厂的连续生产具有很重要的意义。

由于鲁兴谐振接地选线装置技术先进，运行稳定可靠，故障选线准确，2003年以来，齐鲁石化公司先后在炼油厂、氯碱厂、热电厂多个变电站的中压系统又投运了鲁兴选线装置十多台，其中一台用于热电厂35KV系统。

此外，山东兖矿集团东滩煤矿两个变电所、河南平煤集团电务厂两个变电站、河南平顶山飞行化工集团四个变电站的谐振接地系统也先后投运鲁兴接地选线装置。

鲁兴产品的大多数还是应用到中性点不接地电网，在过补偿谐振接地系统的应用还算刚刚开始。

2005年3月以来鲁兴小电流接地选线装置又在山东多个市县供电公司的下属变电站架空电网投入应用。

图3人工接地试验接线图（图中馈出线零序电流互感器的连接线只画了一路）

五、鲁兴谐振接地选线装置的主要优点

鲁兴谐振接地选线装置由于在选线方法、核心器件、系统方案、运作模式、功能设置等方面有独特的创新点，因此，该装置性能方面具有若干特色和优点：

1、由于采用时序鉴别法，避免了繁琐的数学分析与运算，比同类装置中的小波分析法、残留增量法、模式识别法、△I*sinφ法等要简单明了，不必用单片机，更不需信号处理器（DSP）。

鲁兴选线装置如果需要单片机（GJWJ型），仅仅用来实现自动记录、联网通讯、汉字显示、事故追忆等“后勤任务”，而大多数企业变电所并不要求这些功能，只需要准确找出故障线路，使用GJXB型、KGLJ-（A）型就能满足用户要求。

2、由于采用ASIC取代单片机或DSP，并采用多ASIC并行处理方案，因而在故障处理速度、抵抗强电磁干扰能力、以及系统可靠性方面都有重大突破和显著优势。

3、时序鉴别法中I0相对于U0J有近1700移相范围，因而不仅能保证过补偿电网接地选线的准确性，而且可以通用于小电流接地系统的无补偿（中性点不接地电网）、欠补偿、全补偿、过补偿等各种运行状态。

4、时序鉴别法本身既具有“先天性”滤除强干扰脉冲（或脉冲列）的能力（如图二之d、e所示意），又具有配合I0鉴幅，排除电流通道微弱波动信号的能力。

5、鲁兴选线装置除具有“时序鉴别器”这一核心器件外，还拥有其他几种ASIC，籍以实现PT断相监视功能、单相接地选相功能、零序CT二次断线的鉴别功能、瞬间性故障和永久性故障分辨功能以及数码显示和语音报警功能。

6、由于采用零序基波时序鉴别法和ASIC，鲁兴小电流接地保护装置还可做成单路继电器型式，直接安装在开关柜或配电屏内，或者选作其他自动化装置或综合保护装置的组件。

六、参考文献：

1、要焕年、曹梅月，电力系统谐振接地，中国电力出版社，2001。

2、电力系统继电保护实用技术问答（第二版），中国电力出版社，2003。

3、傅桂兴、付英、张文生，基于时序鉴别方法的新型单相接地选线装置，继电器，2003，

（2），P43。

4、牛洪波、朱有志、傅桂兴，基于时序鉴别原理的选线装置在谐振接地系统中的试验与运行，2003年中国石化股份公司电气技术研讨会齐鲁石化公司交流材料，2003。

5、肖白、束洪春，小电流接地系统单相接地故障选线方法综述，继电器，2001，（4），P16。

6、马珂、张保会，中性点非直接接地系统故障选线原理的发展与展望，继电器，2003，（5），P65。

7、潘贞存、桑在中，单相接地故障信号注入选线法，电力系统自动化，1996，

（2）。

8、葛耀中、窦乘国，非直接接地系统中检出单相接地线路的新方法，继电器，2001，（9），P1。

9、李冬辉、史临潼，非直接接地系统单相接地故障选线方法综述，继电器，2004，（18），P74。