经消弧线圈接地系统单相接地故障选线的研究.docx
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经消弧线圈接地系统单相接地故障选线的研究
南京理工大学紫金学院
毕业设计说明书（论文）
作者:
邓玲慧
学号：
070405102
系：
电子工程与光电技术
专业:
电气工程及其自动化
题目:
经消弧线圈接地系统
单相接地故障选线的研究
都洪基
副教授
指导者：
（姓名）（专业技术职务）
评阅者：
（姓名）（专业技术职务）
2011年5月
毕业设计说明书（论文）中文摘要
随着社会经济的迅猛发展，电力系统的重要性日益凸显。
因而近几年电网的安全可靠运行倍受关注。
在电力系统中发生几率最大的故障类型为单相接地故障。
而在发生故障后及时确定及切断线路故障则显得尤为重要。
本论文主要是利用MATLAB软件对单相接地故障进行仿真，再通过相应的波形来判断故障线路所在。
主要是运用零序电流、零序功率以及5次谐波来进行判断和选择。
最后分析了几种方法的优缺点及使用场合。
关键词消弧线圈单相接地故障MATLAB仿真故障选线零序电流
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleTheResearchonFaultLineSelectionofSingle-phase
EarthFaultthroughExtinctionCoil
Abstract
Thefastdevelopmentofsocialeconomyseesthegrowingimportanceofelectricalpowersystem.Therefore,alotofattentionhasbeenpaidonthesafeoperationofpowersystem.Andamongtheplentykindsoffaultcircumstances,thesingle-phaseearthfaultismostlikelytohappen.
Thispapermainlyconcentratesonthesimulationofsingle-phasefaultbyMATLABsoftware,throughwhichwecangetthesimulationwaveforms,andtousetherelevantvariabletoselectthefaultline.Thispapermainlyuseszero-sequencecurrent,zero-sequencepowerandfiveharmonicwavetoselectthefaultline.Andatlast,Ianalysistheadvantagesanddisadvantagesofeachmethod.
Keywordsextinctioncoilsingle-phaseearthfaultMATLABsimulationfaultlineselectionzero-sequencecurrent
目次
1引言1
1.1研究意义1
1.2研究现状2
1.3本文内容3
2小电流接地方法综述4
2.1特殊信号分析法4
2.2故障稳态信号选线法5
2.3故障暂态信号选线法7
3MATLAB的应用10
3.1MATLAB概述10
3.2MATLAB在电力系统中的应用12
4经消弧线圈单相接地故障仿真与分析13
4.1选线原理13
4.2线路模型建立15
4.3仿真波形及分析16
5几种方法比较与分析29
5.1零序电流幅值比较法29
5.2零序电流相位比较法30
5.3零序功率比较法30
5.45次谐波比较法31
5.5四种选线方法的适用性比较31
5.6尚需解决的问题32
结论33
致谢34
参考文献35
1引言
近几年电力系统配电网的安全可靠运行备受关注。
系统中发生几率最大的故障类型为单相接地故障。
为确保配电系统安全运行，如何快速、准确检测并隔离故障线路成为一个重要研究课题。
电力系统运行中，电能由发电厂发出后通过各级变电所经高压输电网送到用户侧，经配电网供给用户。
一般来说，110kV及以上电压等级网络属输电网，3～60kV电压等级属配电网。
配电网中性点接地方式可分为两类：
中性点直接接地（包括经小电阻接地）系统，发生单相接地故障时接地短路电流很大（称为大电流接地系统）；中性点经消弧线圈接地、经高阻接地、不接地等运行方式（称小电流接地系统）。
我国配电网接方式通常采用中性点非有效接地（NUGS），它包括中性点不接地系统（NUS），经消弧线圈接地系统（NES）和经电阻接地系统（NRS），因为这样的接线方式在发生单相接地故障时接地电流比较小，所以称其为小电流接地系统[1]。
电网发生单相接地故障时，三相电压仍对称，流过接地点的故障电流较小，不影响对用户正常供电，允许线路带故障运行1～2小时。
随着配电网规模扩大及城网、农网进一步改造，整个系统对地电容电流越来越大，使弧光接地引起的过电压倍数较高。
由于未及时排除故障，在电厂厂用电、二次变电站和大型厂矿企业高压供配电系统曾发生过电缆爆炸、毁烧TV造成发电机组停运、工艺流程中断等恶性事故，影响配电网安全供电。
为进一步提高供电可靠性和配电网综合自动化水平，应寻找一种能快速找到故障线路、排除故障的方法[8]。
1．1研究意义
经消弧线圈接地的系统，也为小电流接地系统。
其主要优点在于发生单相接地故障时，故障电流很小，90％以上的单相接地电弧都能够自行熄灭，三相线间电压依然对称，不影响负荷正常工作。
但是，系统带单相接地故障运行时，故障相对地电压降为0，非故障相电压升高为线电压，会使正常相绝缘薄弱处发生对地击穿，造成两相接地故障，破坏系统安全运行U。
这就需要对消弧线圈接地系统单相接地故障进行选线，但由于系统自身的特点，经消弧线圈接地系统故障选线问题一直未能得到很好地解决。
因此，采用规范的数学模型、一致的仿真参数，利用MATLAB程序作为仿真的统一平台，对经消弧线圈接地系统单相故障的各种选线方法进行离线仿真，就具有一定的现实意义[4]。
消弧线圈接地系统在我国35kV以及以下的电压等级的电网系统中应用非常广泛，而单相接地故障在小电流接地系统中故障率很高，且近年来随电网容量的加大接地电流也在增大，同时因单相接地故障造成的损失也更越重。
单相接地故障时非故障相对地电压升高，同时易产生系统谐振，对电网设备的绝缘产生破坏作用，这种损伤积累到一定程度会造成避雷器、PT爆炸或绝缘子闪络等情况。
通常选接地的办法是利用变电所的交流绝缘监察装置发出接地信号，然后根据接地拉闸顺序选择出接地出线柜。
没有发生单相接地的线路，也需短时间停电，这对要求连续供电的企业会造成影响。
所以研究应用迅速、准确的小电流接地选线装置意义重大，可大大提高电力供应中的安全、经济性。
1．2研究现状
在原苏联，NUGS得到了广泛应用，其保护原理从过流、无功方向，发展到了群体比幅；日本在供电、钢铁、化工用电中普遍采用NUS或NRS，所以选线原理简单，采用基波无功方向方法。
德国多使用NES，并于30年代就提出了反映接地故障开始时暂态过程的单相接地保护原理。
法国在使用NRS几十年后，现在正以NES取代NRS，同时开发出了高新技术产品，零序导纳接地保护。
90年代初，国外已将人工神经网络原理应用于保护并有文献提到应用专家系统方法[11]。
在我国，从1958年起就一直对此问题进行研究，提出了多种选线方法，并开发出了相应的装置。
已经提出的选线方法均以零序电压来启动保护或选线装置，因此可根据是否利用故障电流把它们分成两类，第一类：
如比幅法、比相法、群体比幅比相法、首半波法、谐波电流方向法、五次谐波分量法、有功分量法、能量法、还有近年出现的应用小波分析、最大
原理[8]、模糊推理或模式识别来实现故障选线的多种方法；第二类：
如拉线法、注入信号跟踪法。
随着选线理论的发展，各种选线装置也相继问世，50年代末我国就利用接地故障暂态过程研制成功了选线装置，80年代中期我国又研制成功了微机接地选线装置，最近又增添了残流增量法微机接地选线装置，到目前为止，基于上述不同选线理论已经先后推出了几代产品。
但在实际应用中的效果并不十分理想，所以此问题还有必要进一步研究。
在中性点非直接接地系统中，一条线路出现单相接地故障，整个系统都会出现零序电压和零序电流。
母线电压互感器二次开口三角形绕组电压为3倍零序电压，在此处安装绝缘监视装置监测零序电压并对故障选线装置发出启动信号。
通过过电压继电器发出接地信号，值班人员观察相应仪表，手动拉合线路，直到找到故障线路（电压表指示正常）。
该方法使一些非故障线路用户也短时间停电，降供了供电可靠性，延长了系统单相接地运行时间，增大了故障和误操作的可能性，无法满足变电站无人值班、实现综合自动化的要求。
自小电流接地故障选线问题被提出以来，相关学者及实际工程人员提出了基于不同原理的多种选线方法。
根据采用信号方式的不同，这些选线方法可以分为基于特殊信号选线方法和基于故障信号选线方法两大类[9]。
当中性点经消弧线圈接地系统发生单相故障时，所有非故障线路零序电流波形是相似的。
τ=0时，所有非故障线路零序电流的互相关系数应该是接近1的；故障线路和非故障线路零序电流波形有较大的差异，其互相关系数偏离1较远。
因此通过比较各零序电流之间的互相关系数便可以找出故障线路。
由于非故障线路零序电流波形相似，故它们的零序电流互相关系数较大；非故障线路与故障线路零序电流波形相差较大，互相关系数较小。
然而由于各线路零序TA的特性不可能完全一样，现场电磁环境复杂等原因，各线路零序电流互相关系数可能在一个较大的范围内波动。
根据试验结果，当过渡电阻较大时，暂态信号微弱，故障线路与非故障线路零序电流互相关系数可达0.8以上；当试验结果加入较大的随机噪声时，非故障线路零序电流互相关系数也降至0.9以下。
因此不能给线路零序电流互相关系数确定一个有效的阀值来判断零序电流波形是否相似以选取故障线路。
尽管如此，故障线路与非故障线路零序电流的互相关系数仍明显小于非故障线路零序电流之间的互相关系数，可以根据该特征来确定故障线路。
1．3本文内容
为提高供电可靠性，我国中、低压配电网多采用小电流接地运行方式。
本文针对小电流接地系统中最常见的单相接地故障，采用了利用各相零序电流相位和幅值的比较方法来确定故障线路。
本课题利用MATLAB的PSB工具箱对每条线路分别建立故障数学模型，各条线路同时利用采样的零序电流和零序电压的数据，对所得的仿真结果于理论想对比，确定故障线路，从而正确选线。
同时指出了未来应着重研究的方向，以提高单相故障模式下正确的故障选线率，降低误判、漏判率。
本论文的主要工作内容首先是大量搜集与小电流接地单相故障相关的资料，在了解单相故障选线的原理以后，再通过学习MATLAB进行仿真。
并且本文试图利用不同的方法，通过仿真来解决选线问题。
2小电流接地选线方法综述
2．1特殊信号法
2.1.1残流增量法
残流增量法适用于谐振接地系统，在电网发生单相接地故障时，如果增大消弧线圈失谐度（或改变限压电阻阻值），相应故障点残余电流（零序电流）随之增大。
该方法建立在微机快速处理及综合分析判断基础上。
具体选线过程：
当系统发生单相接地故障后，采集各条出线零序电流，将消弧线圈补偿度改变一档，再次采集各条出线零序电流，对比各条出线在消弧线圈换档前后零序电流变化量，其中变化量最大的线路即为故障线路。
该方法原理简单、灵敏度及可靠性较高，不受TA等测量误差影响，但增大了接地点电弧。
2.1.2“S注入法”
首先由TV三相二次电压判别故障相别[9]，再从TV副边向接地相注入信号电流，其频率一般取各次谐波之间数值，确保不被工频分量和高次谐波分量干扰。
故障时接地相TV副边处于短路状态，由副边感应的信号电流沿接地线路接地相流动并经接地点入地。
用信号电流探测器在开关柜后对每条出线进行探测，探测到注入信号的线路即为故障线路。
该方法利用处于不工作状态的接地相TV注人信号，不会对设备产生不良影响（检测不受任何固有信号影响）。
但注入信号强度受TV容量影响，经高阻接地时发信机可能产生误判[15]。
对只装设两相,CT的架空出线难于得到零序电流，须用新方法：
首先定出故障的相别，然后向接地相注入信号电流，其频率f0可取在各次谐波之间，使其不反应工频分量及高次谐波。
故障时接地相的PT副边处于被短路的状态，由副边感应来的信号电流沿接地线路的接地相流动并经接地点入地。
用信号电流探测器在开关柜后对每一条出线进行探测，探测到注入信号的线路即故障线路。
该方法利用处于不工作状态的接地相PT注入信号，不增加一次设备，不影响系统运行。
但经高阻接地时，发信机工作可能不满足要求而产生误判。
2.1.3注入变频信号法
针对“s注入法”高阻接地时存在的问题，注入变频信号可以较好解决。
其原理是根据故障后位移电压大小不同，而选择向消弧线圈电压互感器副边注入谐振频率恒流信号或向故障相电压互感器副边注入频率为70Hz恒流信号，然后监视各出线注入信号产生的零序电流功角、阻尼率的变化，比较各出线阻尼率大小，再计及受潮及绝缘老化等因素可得出选线判据。
但当接地电阻较小时，信号电流大部分经故障线路流通，导致非故障线路阻尼率较大。
2．2故障稳态信号选线法
2.2.1零序电流基波电流比幅法
流过故障线路的零序电流数值上等于所有非故障线路对地电容电流之和（故障线路零序电流最大）。
只要通过比较零序基波电流幅值和自身电容电流大小就能确定出故障线路。
分别比较每条线路零序电流和其他线路零序电流之和，相等的那条线路就是故障线路，若均不相等，则为母线故障；预先计算出每条馈线对地电容大小，单相接地时比较测得的零序电流是否与本线路电容电流大小相等，若相等为故障线路，若所有线路均相等，则为母线故障。
该方法不能排除电流互感器不平衡电流受线路长短、系统运行方式及过渡电阻的影响，检测灵敏度低。
当某一线路远远长于其他线路（分布电容与系统总分布电容相差不大）或经高阻接地时，可能发生误判，而且无法检测母线故障。
特别对经消弧线圈接地系统，由于消弧线圈的补偿故障线路零序电流很小，用该方法根本无法选线。
针对经过消弧线圈补偿后接地残流过小、难以准确选线的问题提出了零序电流比值选线方法。
根据消弧线圈容量变化前后零序电流比值变化趋势不同确定接地故障线路。
该方法不需延缓切除阻尼电阻，响应速度快、算法简单、实现容易。
2.2.2零序基波电流比相法
利用故障线路零序电流与非故障线路零序电容电流流动方向相反特点找出故障线路。
但该方法在线路较短、零序电流值较小时受“时钟效应”影响相位判断困难，易受过渡电阻和不平衡电流影响，不适用于经消弧线圈接地系统。
2.2.3零序基波电流群体比幅比相法
利用零序电流比幅法和零序电流相位比较法，先进行零序电流幅值比较，选出几个较大的零序电流，在此基础上进行相位比较，零序电流方向不同的即为故障线路。
该方法在一定程度上解决了前两种方法存在的问题，但同样不能排除电流互感器不平衡电流、过渡电阻的影响及相位判断的死区对经消弧线圈接地的小电流接地系统失效。
2.2.4零序电流有功分量法
该方法使用在自动跟踪消弧电抗器的小电流接地系统中，利用消弧线圈串联非线性电阻的特点，在发生接地故障后、非线性电阻被短接前，非故障线路不与消弧线圈构成低阻抗回路，零序电流为本身接地电容电流[4]。
故障线路经接地点与消弧线圈构成低阻抗回路，零序电流为所有非故障线路电容电流及LR串联支路电流向量之和，故障线路有功电流明显大于非故障线路，通过检测各线路零序电流有功分量大小就可确定故障线路。
该方法零序电流中有功分量较小，不利于选线，仍存在TA不平衡电流的影响。
2.2.5零序电流无功功率方向法
该方法适用于中性点不接地系统，判别依据是故障线路零序电流无功分量落后于零序电压90。
，而非故障线路零序电流无功分量超前于零序电压90。
，无功功率<0（取无功功率由母线流向线路为正方向）的线路为故障母线。
但该方法受过渡电阻影响比较大，在过渡电阻较大时检测零序电压非常困难。
该方法根据各条出线电气量来区分故障线路和健全线路，具有自举特点。
但在零序电流较小时容易误判，不适用于谐振接地系统。
2.2.6基于零序电流和零序电压相关分析法
该方法通过对一定频率下正常线路和故障线路零序等效模型分析，得出时域中各线路零序电流和电压导数关系，应用相关分析原理选线（利用故障后各线路零序电流和电压导数波形相似关系）。
仿真数据证明了方案的正确性，选线方案不受过渡电阻、故障初相角及故障位置的影响，具有自举性，可与馈线保护装置合为一体，满足自动化要求。
2.2.7零序导纳法
该方法以分析中性点不接地或经消弧线圈接地电网故障前后各线路测量参数为基础，推导出故障时测得故障线路零序导纳与实际零序导纳不同、非故障线路与实际导纳相同的结论，对小电流故障进行接地选线。
将各线路实际零序导纳、相位记忆下来，与故障时测得各线路零序导纳、相位比较，导纳大小或相位发生变化的线路即为故障线路；若所有线路的零序导纳大小、相位在故障前后都未发生变化，则判为母线故障。
该方法关键是准确测量线路实际零序导纳。
目前人们认为负荷没有零序通路，所以负荷侧零序阻抗为无穷大，负荷侧对零序网络开路。
但实际上负荷变压器等元件也存在对地电容，具体导纳未知而且是变数，因此，实际线路零序导纳数值整定困难，对该方法的选线灵敏度影响很大[2]。
2.2.8稳态5次谐波幅值相位法
经消弧线圈接地系统消弧线圈是针对基波设计，基波零序电流几乎被消弧线圈电感电流抵消。
与基波情况相比较，消弧线圈在5次谐波下感抗为基波下的5倍，通过消弧线圈的电感电流减小到1／5，而线路容抗在5次谐波下减小到1／5时5次谐波容性电流就增大到5倍，可近似认为消弧线圈对5次谐波电流是开路的。
故障点非线性因素会产生谐波电流，其中以5次谐波分量为主。
在发生单相接地时5次谐波电流在各线路上的分布与基波零序电流相同。
除基波零序分量以外，谐振接地系统中5次谐波电流最大（为非故障线路的总和）。
根据5次谐波电流大小、方向或功率方向找出故障线路[10]。
5次谐波电流大小随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％），受TA不平衡电流和过渡电阻的影响，保护装置难以整定。
有些用户存在谐波，使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5次谐波方向可能相同，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，无法区分故障线路和非故障线路。
当线路较少或线路较短时，单相接地故障线路5次谐波零序电流较小，方向也难判别。
由于有的系统中5次谐波含量很小，加之TA、TV等对5次谐波造成的附加相移，给选线带来很大困难。
2.2.9负序电流法
选择负序电流最大的线路或直接选择负序电流超越一定门槛的线路作为故障线路。
由于线路TA三相特性会有差异，由此产生的不平衡电流可能将系统实际负序电流“淹没”，大大降低选线灵敏度。
这种方法受系统负荷不对称程度影响较大，负序电流的获取也比较困难。
2.2.10人工智能选线技术
将故障后各线路零序电流看作某类故障的一个模式，通过人工神经网络训练与学习来判断故障模式，从而实现选线。
该方法虽然有一定的自适应和容错性，但得出结果精度依赖于提供样本的数量和完备性，而且获取训练样本需大量时间，对具有一定规模的配电网很难满足。
2．3故障暂态信号选线法
2.3.1首半波法
该方法基于单相接地故障发生在故障相电压接近最大值附近这一假设条件。
因为电力系统中单相接地有相当一部分是在雷击或相电压峰值附近发生，故障相电容电荷通过故障线路对故障点放电，使故障线路短路电流首半波和非故障线路方向相反。
该方法在非谐振系统中适用。
对于谐振接地系统，由于消弧线圈中电流不能突变，必须经过一个暂态过程。
这个暂态过程相当于消弧线圈不起作用，短路接地电流方向与非故障线路电容电流方向相反。
在电压过零点附近，短路回路不经过暂态过程，故障线路和非故障线路零序电流方向相同（由消弧线圈提供零序电流）。
当发生两点接地时，可能不反映后接地故障。
采用该方法做出的保护装置适用范围受到限制，保护动作可靠性较差[16]。
2.3.2小波分析法
小波分析是一种现代信号处理理论与方法，能有效分析变化规律不确定和不稳定的随机信号，从信号中提取局部化的有效成分。
小波变换是把一个信号分解成不同尺度和位置的小波之和，利用合适的小波和小波基对暂态零序电流特征分量进行变换，可知故障线路上暂态零序电流特征分量幅值包络线高于非故障线路，而且其特征分量相位也与非故障线路相反，构造出利用暂态信号进行接地选线的判据。
单相接地时，故障电压和电流的暂态过程持续时间短并含有丰富的特征量，而稳态时数值较小，因此在接地故障检测中选用一种适合分析其暂态分量的新理论，将有利于故障选线。
小波分析可对信号进行精确分析，特别是对暂态突变信号和微弱信号的变化较敏感，能可靠地提取出故障特征。
根据小波变换的模极大值理论可知，出现故障和噪声会导致信号奇异，而小波变换的模极大值点对应着采样数据的奇异点，由于噪声的模极大值随着尺度的增加而衰减，所以经过适当的尺度分解后，即可忽略噪声影响得到较理想的暂态短路信号[12]。
小波变换是把一个信号分解成不同尺度和位置的小波之和，利用合适的小波和小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后，易看出故障线路上暂态零序电流特征分量的幅值包络线高于非故障线路的，且其特征分量的相位也与非故障线路相反，这样就能构造出利用暂态信号的选线判据。
但电力系统的实际运行是复杂多变的，可能出现暂态分量小于稳态分量的情况，这时就应对母线零序电压和各出线零序电流进行基波的小波系数提取，然后类似地构造选线判据。
小波分析法的技术难点在于小波基函数及小波分解尺度选择。
电力系统实际运行很复杂，可能出现暂态分量小于稳态分量的情况。
现有多数方法仅仅给出了实现方法和仿真结果，整个算法缺乏理论基础。
小波变换尺度的选取及特征量在尺度上的定位缺乏理论根据。
应用粗集理论数据挖掘能力，对采样的零序电流信号进行增强处理，然后再用小波包对信号进行分析，从而实现故障选线。
2.3.3基于暂态特征频段的选线方法
利用暂态信号选线方法近几年有了很大发展，提出了很多方法。
如基于零序电流集中式比较选线方法和基于相电流分散式比较的选线方法；利用首容性频带内配电网单相接地故障时基本特征，提出暂态零序电流幅值、相位比较的选线方法。
这些方法在待定系统发生强故障时能正确选取故障线路，但在中性点经消弧线圈接地系统发生弱故障时，首容性频带不包含电流值较大的低频分量，存在较大测量误差。
首容性频带的上限截止频率与系统参数有关，需根据系统参数整定。
2.3.4基于最大
原理的选线方法
为消除CT不平衡电流的影响，提出
最大原理：
考虑到NUGS正常运行时，负荷在短时间内不会有较大突变，可通过一中间参考正弦信号，使各线路故障前的零序电流对故障母线在故障后的U0亦能找出相位关系，由此再把所有线路故障前、后的零序电流都投影到I0j（故障线路的零序电流）的理论方向上（见图2.1）。
然后计算出各线路故障前、后的投影值之差I0,i，找出差值最大的I0,k，即最大的
。
若I0,k>0,则线路k为故障线路，否则为母线故障。
此法的本质是寻求最大零序无功功率突变量的代数值，从理论上基本消除了CT不平衡的影响，但也
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