毕业设计小电流接地系统单相接地保护选线方案的研究.docx

毕业设计小电流接地系统单相接地保护选线方案的研究.docx

《毕业设计小电流接地系统单相接地保护选线方案的研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计小电流接地系统单相接地保护选线方案的研究.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

毕业设计小电流接地系统单相接地保护选线方案的研究

论文

对小电流接地系统单相接地保护选线方案的研究

学科（专业）：

电力系统及其自动化

摘　要

小电流接地方式由于在保证运行维护人员的安全、过电压水平、设备绝缘水平、经济性等方面存在诸多的优点，所以一直被应用于我国的中低压电网中。

在生产实际中，中低压线路的故障，有70%以上都是单相接地故障，所以，寻找一种选线准确率高的保护装置，仍然具有相当重要的理论和实用价值。

文章主要针对小电流系统单相接地选线方法进行了分析，研究了小电流接地故障暂态算法和稳妥算法，并重点分析了多判据信息融合选线方法。

文章最后进行了小电流系统选线方法问题的分析。

关键词：

小电流接地系统；单相接地；故障选线；多判据

论文类型：

应用研究

Title：

Projectoflineselectionforsmallcurrentgroundingsystemofsingle-phasegroundingprotectionresearch

Speciality：

Electricityanditsautomation

Applicant：

XiongShuwei

Supervisor：

DuanJiandong

ABSTRACT

Sincesmallcurrentgroundingoperationandmaintenancepersonnelinensuringthesafetyofover-voltagelevels,equipmentinsulationlevels,andthereexistmanyeconomicadvantages,ithasbeenappliedtolow-voltagepowergridinChina.Inactualproduction,thelow-pressurelinefailure,morethan70%aresingle-phasegroundfault,therefore,tofindaselectlineofhighaccuracyoftheprotectiondevice,stillhasaveryimportanttheoreticalandpracticalvalue.

Thisarticlemainlycurrentsystemofsmallsingle-phaselineselectionmethodofanalysisofthesmallcurrentgroundingfaulttransientalgorithmandsecurealgorithm,andanalyzedthewaveletanalysisanditselectricpowersystem.Finallyasimulationstudy.

KEYWORDS：

systemwithnon-effectivelyearthedneutral；single-phase-to-groundfault；faultlineselection；

TYPEOFTHESIS：

application

声明

1绪论

一.1课题研究背景与意义

电力系统常用的系统接地方式有四种：

中性点直接接地，中性点经电阻接地，中性点不接地和中性点经消弧线圈接地。

而上述的四种方法可归结为三类接地系统：

中性点直接接地或经一低阻抗接地的系统，这种系统称为有效接地系统；不接地或经高阻抗接地的系统，这种系统称为非有效接地系统；经消弧线圈接地的系统，称为消弧线圈接地系统也称谐振接地系统。

在我国城乡3～66kV配电网络中，大多数是中性点非直接接地系统。

此类系统零序阻抗很大，通常为正序阻抗的4～5倍，因此发生单相接地短路时，流过接地点的故障电流较小，所以称其为小电流接地系统。

小电流接地系统包括中性点不接地系统（NUS）、中性点经消弧线圈接地系统（NES，也称为谐振接地系统）及中性点经高阻接地系统（NRS）[1]。

在中性点直接接地系统中，一旦某条出线发生单相接地短路故障，就会产生很大的单相接地故障电流，从而启动保护装置动作跳闸。

由于配电线路绝大部分故障为单相接地故障，并且很多都是瞬时性的，而小电流接地系统发生单相接地故障时，不构成短路回路，只是经线路对地电容形成小电流回路，接地故障电流比负荷电流小得多，特别是中性点经消弧线圈接地系统接地电流更小，并且由于三相线电压仍然保持对称关系，不影响对负荷连续供电，因此定可以继续运行1～2小时，而不必立即跳闸，所以小电流接地系统提高了运行的可靠性[2]。

尤其是在瞬时故障条件下，短路点可以自行灭弧并恢复绝缘，不需要运行人员采取什么措施，这对于减少用户短时停电次数具有积极意义。

但随之而来的问题是，如果故障是永久性的，系统仅仅允许在故障情况下继续运行1～2个小时，非故障相对地电压升高了

倍，增加了对线路绝缘性能的要求，容易发生非故障相对地闪络，造成两相接地短路，其危害较大，可能引发电缆爆炸、电压互感器和母线烧毁、电厂机组停运等事故。

此时运行人员必须尽快查明短路线路和短路点，以便采取相应对策解除故障，恢复系统正常运行。

因此，这就提出了小电流接地系统的单相接地故障选线问题。

在发生单相接地故障后，能够迅速确定接地故障位置对配电网的安全运行意义重大。

而在小电流接地系统单相故障选线中，过小的零序电流恰恰成了一个非常不利的因素。

人们针对这个问题做了大量的研究，基于不同的原理，提出了许多解决方案，有的已经开发出选线装置并在实际工作中取得了一定的应用。

但是从现场使用情况来看，这些方法的选线效果并不十分理想，普遍存在着误选、漏选的情况。

其主要原因在于：

（1）对金属性接地选线正确率很高，但对非金属性接地选线正确率非常低，误判、漏判几率非常大，实际中不得已还得采用逐线拉闸的方式。

出现这种情况的主要原因是小电流接地系统发生单相接地故障时接地电流很小，各种电磁干扰很容易把它淹没，特别由于电流互感器三相不可能完全一致，二次侧产生不平衡电流，很难与单相接地故障产生的零序电流区分开；直接使用零序电流互感器是可以解决这一问题的，对于电缆线路直接在出线安装零序电流互感器尚可行，而对于架空线路，在每条出线上安装电磁式零序电流互感器是不现实的。

另外，网络结构的多变性及接地点、接地电阻、接地性质的多变性进一步增加了选线的难度。

（2）当前的各种选线方法都是通过检测零序稳态量实现的，但零序稳态量并不是唯一故障信息，实际上小电流系统单相接地稳态量一般都很小，不易测得，而故障暂态阶段零序量相对较大，更容易测量，应充分利用。

（3）尽管使用微机选线装置避免了繁琐的倒闸操作，提高了可靠性，但人工查找故障点仍是一项耗时耗力的工作。

若能在正确选线的基础上进一步较准确地给出故障位置将是更理想的。

（4）零序电流的获取困难。

零序电流需要由星接三相CT的中性点取得，对于只有两相CT的系统，装置的应用受到限制。

（5）缺乏选线方法的综合判据和有效性判定。

有鉴于此，我们认为仍然有必要对中性点非直接接地系统单相接地故障选线问题进行进一步的分析研究，以期找出更有效的解决方案，这正是本论文选题的出发点。

一.2课题研究现状

小电流接地系统单相接地故障后的信号中含有各种各样的故障信息，如稳态基波分量，高频暂态分量，现在的各种算法就是利用了各种故障信息构成的故障判据。

然而对不同故障条件下的故障信息分析表明，随着故障条件的不同，故障信息也会有变化，有些算法可能会失效，所以根据不同算法做出的判断结果准确度也往往不同。

理论和实践都表明，没有一种选线方法能够保证对所有故障类型都有效，每种选线判据都有一定的适用范围，也都有各自的局限性，需要满足一定的适用条件。

所以，仅靠一种判据进行选线是不充分的。

迄今为止还不存在万能型、无条件选线判据，因为如果存在，选线问题就已经解决了。

在这种现实状况下，一种可行的办法是使用多重选线判据来构成综合判据，利用各种判据选线性能上的互补性扩大正确选线的故障范围，提高选线结果的可靠性。

因为每一种选线判据的适用条件是不同的，针对某个故障样本，一种判据的适用条件可能不满足，但另一种判据的适用条件可能能够满足，几种判据覆盖的总的有效故障区域必然大于单个判据的有效故障区域。

而信息融合作为一门研究信息综合分析处理技术的新兴边缘学科，强调在自动控制领域中利用多源信息进行综合分析推理以提高控制的精度和鲁棒性。

因此能满足我们的要求。

近年来，用于信息融合的计算智能方法主要包括：

模糊理论、神经网络、粗糙集理论等。

其中模糊理论是用数学方法研究和处理具有“模糊”现象的一门科学。

这里所谓的模糊性主要是指有关事物差异的中间过度的不分明性，这种属性也反映在小电流故障选线中。

例如“某一故障特征的明显程度”、“某一方法的有效性”等等均没有精确的度量，存在一定的模糊性。

模糊理论能通过建立相应的隶属函数有效地处理这种模糊性，将不分明性转换为确切的数值描述。

所以，本文对现有的各种小电流系统单相接地选线方法进行简要的分析，并在第三章对小波法进行详细说明，并进行算例仿真。

通过运用小波法很大程度上能够达到准确选线的目的，但还是存在死区。

因此，将多种选线方法或判据，考虑应用模糊理论解决算法有效性并进行多判据融合，这也是小电流接地系统故障选线发展的一个方向。

一.3论文的主要内容

论文的主要工作内容如下：

（1）文章主要进行了针对小电流系统单相接地选线方法的分析，

（2）研究了小电流接地故障暂态算法和稳妥算法。

（3）重点分析了多判据信息融合选线方法。

（4）最后进行了小电流系统选线方法问题的分析。

2小电流接地系统单相接地选线方法分析与探讨

2.1小电流接地故障稳态算法

在电力系统发展的初期，考虑到绝缘方面的因素，电力系统中性点直接接地（大电流接地系统），相应的继电保护装置一般根据稳态的电流来整定。

随着电力系统规模的增大和用户对供电要求的提高，我国的配电网开始采用小电流接地系统，针对单相接地故障，人们也习惯从稳态量方面去考虑并根据这些稳态量，特别是根据零序分量相关特性提出了一系列的算法并开发出了相应的装置。

2.1.1零序电流幅值比较法

零序电流幅值比较法简称幅值法，它利用故障线路零序电流幅值比非故障线路大的特点选择故障线路。

以前的做法是使用电流继电器，电流继电器在零序电流超过整定值时动作，指示故障线路，继电器的整定值要躲过本线路可能出现的最大对地电容电流；现在使用比较多的是群体比幅法，应用微机技术采集并比较接地母线上所有出线零序电流，将幅值最大的线路选为故障线路。

由于不需设定门槛值，群体比幅法提高了检测可靠性和灵敏度，但在母线故障时会出现误判断。

幅值法的致命问题是不适用于谐振接地电网。

由于该电网中消弧线圈补偿电流的存在，往往使故障线路电流幅值小于非故障线路；另外一个影响可靠性的因素是故障点电弧不稳定现象，小电流接地故障往往伴随有间歇性拉弧现象，由于没有一个稳定的接地电流，因此可能造成选线失败。

一些装置在试验室模拟试验，甚至在现场进行人工接地试验时选线结果很准确，但实际应用效果却并不好，这是因为模拟试验时线路导体与地之间是金属性接触，与实际运行中的绝缘击穿现象并不完全相同。

2.1.2零序电流方向法

零序电流方向法简称方向法或相位法，它利用故障线路零序电流与非故障线路方向相反的特点选择故障线路。

一种实现方法是检测零序功率方向，如果某线路的零序无功功率方向为正，即零序电压超前零序电流90°，则说明零序电容电流的方向是由线路流向母线，该线路被选为故障线路；另一种方法是群体比相法[3]，选择3个以上幅值最大的线路零序电流，比较它们之间的相位，相位与其他线路相反的线路被选为故障线路。

与幅值法相比，方向法有较高的检测灵敏度，但仍然存在不适用于谐振接地电网的弱点。

因为在过补偿或完全补偿状态下，故障线路零序电流的方向与非故障线路相同；对间歇性接地故障来说，零序电流波形畸变严重，难以计算其相位，方向法比幅值法更容易出现误判断。

2.1.3谐波法

由于故障点、消弧线圈及变压器等电气设备的非线性影响，故障电流中存在着谐波信号，其中以5次谐波分量为主，并且消弧线圈对5次谐波的补偿作用仅相当于工频时的1/25，可以忽略其影响。

因此，故障线路的5次谐波零序电流的幅值比非故障线路的都大且方向相反，据此可以选择故障线路，称为5次谐波法[4]。

为了进一步提高灵敏度，可将各线路的3、5、7次等谐波分量的平方求和后进行幅值比较，幅值最大的线路选为故障线路。

谐波法的优点是可以克服消弧线圈补偿的影响，但实际应用效果并不理想。

主要原因是故障电流中的5次谐波含量较小（小于10%），检测灵敏度低；多次谐波平方和法虽然能在一定程度上克服单次谐波信号小的缺点，但并不能从根本上解决问题。

2.1.4零序电流有功分量法

零序电流有功分量法[5,6]是根据线路存在对地电导以及消弧线圈存在电阻损耗，故障电流中含有有功分量来选择故障线路。

非故障线路和消弧线圈的有功电流方向相同且都经过故障点返回，因此，故障线路有功分量比非故障线路大且方向相反。

根据这一特点，可选出故障线路。

在设计具体的选线装置时，可利用零序电压与零序电流计算并比较各线路零序有功功率的大小与方向来确定故障线路。

有功分量法的优点是不受消弧线圈的影响，但由于故障电流中有功分量非常小并且受线路三相参数不平衡的影响，检测灵敏度低，可靠性得不到保障。

为了提高灵敏度，有的装置采用瞬时在消弧线圈上并联接地电阻的做法加大故障电流中的有功分量。

这样做带来的问题是使接地电流增大，加大对故障点绝缘的破坏，很可能导致事故扩大。

而且对电缆线路来说，这一问题更为突出。

2.1.5负序电流法

因为小电流接地故障的负序电流具有与零序电流相同的分布特征，所以负序电流法[7]也可以通过比较各线路负序电流的大小与方向选择故障线路。

由于负序电源阻抗比较小，故障线路负序电流绝大部分流入了电源回路，使得非故障线路的负序电流比较小，有利于接地选线。

但正常运行时线路中也会存在较大的负序电流，并且负序电流的获取远不如零序电流来得简单、准确，所以负序电流法的实际应用效果并不会比零序电流法好。

2.1.6零序导纳法

小电流接地系统的零序网络可以等效为一空载均匀传输线，一般可以忽略线路的阻抗，零序电流主要为对地电容电流和电导泄露电流。

零序导纳法[8，9]通过在馈线端口测量零序电流与电压来获得故障时各条线路的零序导纳，根据故障相线路的零序导纳分布在第2、第3象限和正常相的零序导纳分布在第一象限这一特点来选择故障线路。

该算法具有较好的准确性和适应性，但是对于间歇瞬时性接地故障几乎失效。

2.2小电流接地故障暂态算法

小电流接地系统中稳态电流幅值小，易受到接地电阻、电弧和电流互感器不平衡电流的影响，其灵敏度低，所以选线的效果并不好。

然而小电流接地故障暂态电流幅值是稳态对地电容电流的几倍到十几倍，数值在数十安培到数百安培之间，并且不受消弧线圈影响。

因此，利用暂态信号进行接地选线可以克服稳态选线法存在灵敏度低以及受消弧线圈影响的缺点。

暂态保护技术的实施关键是接地电容电流的暂态特征分量的提取和暂态保护判据的建立，而暂态量的成分和大小都受到系统的运行方式、故障类型及故障时刻等多种因素的影响[10]。

由于暂态过程短，且受线路结构、参数及故障条件的影响，暂态量算法在实用中还有待实践检验。

20世纪70年代以来，微机继电保护技术在电力系统中的应用越来越广泛。

借助现代微电子技术，可以很方便地实现接地故障暂态信号的高速采集、记录及分析，利用暂态信号的接地选线技术已取得了重大进展。

下面将介绍几种比较新的利用暂态信号的选线方法。

2.2.1暂态零序能量法

暂态零序能量法[11]对故障后各线路零模瞬时功率进行积分，得到零模能量函数。

故障线路的能量函数幅值最大，极性为负，与非故障线路的相反，据此可选择接地线路。

暂态能量法实质上是零模有功功率法在暂态信号上的应用。

由于暂态电流中有功分量所占的比例比较小，因此，暂态能量法对暂态信号的利用不充分，检测灵敏度低。

2.2.2暂态零序相位法

暂态零序相位法就是根据故障时,故障相的暂态零序电流与非故障相的电流相位相反来判断故障线路。

文献[12]提出的首半波法实际就是利用接地故障基波暂态电流的相位信息，该算法对于电弧性接地和接地时的相位信息非常敏感，在实际应用中抗干扰能力不强。

文献[12～14]通过分析暂态谐波在一定频段既选频带（SFB）内的相频特性：

故障相暂态零序电流的相位与非故障的相位相反，利用小波分析这部分谐波的相位关系，通过各个谐波的相频特性来判断故障线路。

该算法通过不同频段的相位信息采用计数累加的方式判断故障线路，理论上很完美，但抗干扰能力不强是此类方法的本质不足，特别是对于瞬时性接地故障尤其容易引起误判。

2.3基于现代信号处理技术的故障选线算法

小电流接地故障选线是一种利用弱信号做出辨识的技术。

仅利用以往电流幅值大小与相位相反等常规方法难以取得令人满意的结果，所以研究者开始把现代信号处理技术与人工智能应用于这一难题的分析。

像小波变换、神经网络及模糊理论等理论用来对故障信号进行分析与处理。

3多判据信息融合选线方法

3.1引言

各种选线原理针对的故障特征量各不相同，因此在实际选线中可能会由于某些故障特征量的信号微弱或差异不显著而造成某些选线原理不能得出正确结果。

因此为了最大限度地提高选线准确率，应该在保证满足选线时限要求的情况下，尽量多地选用有互补性的选线原理来综合选线。

下面分别为NUS、NES和NRS选出三种使用效果较好且彼此间互补性较好的选线原理。

3.2选线原理选择

3.2.1中性点不接地方式下选线原理选择

对于NUS，选用零序无功功率法、零序电流比幅法、零序电流比相法这三种选线原理。

（1）零序无功功率法：

由以上分析可知，该选线原理对于NUS选线准确率较高，因此选择作为第一种选线原理；

（2）零序电流基波比幅法：

由于零序无功功率法只是抽取了各条线路零序电流中的无功部分进行比较，在某些情况下可能会受到相位测量的影响。

而零序电流基波比幅法则会充分利用“故障时故障线路零序电流等于其它所有线路零序电流的向量和"这一原理，而且其中的相位判断只要能显示为容性或者感性即可，误差容忍度很大。

因此选择零序电流比幅法作为第二种选线原理，与零序无功功率法配合可以实现对零序电流幅值信息的充分利用；

（3）零序电流比相法：

前面两种选线原理在判断时都是以零序电流量的幅值为侧重点，兼顾了其相位反映出来的容性或者感性的性质，但均没有充分利用零序电流的相位信息，这样有可能会同时出现误判。

例如，在同一母线的各条出线长度相差比较悬殊的情况下，短线路上发生单相接地故障时，长线路上的零序电流相对故障线路来说零序电流也比较大，在实际测量中其有效值甚至可能大于故障线路的值，此时仅仅通过简单判断各线路零序电流容性或者感性的性质，就有可能出现误判了。

因此选择零序电流比相法作为第三种选线原理，与前两种方法配合可以实现对零序电流幅值和相位信息的充分利用。

3.2.2谐振接地方式下选线原理选择

对于NES，选用突变量检测法、零序有功功率法、零序导纳法这三种选线原理。

（1）突变量检测法：

该方法去噪与选线相结合，抗干扰强，计算精度受采样频率影响较小，计算量小，精度高，因此选择作为第一种选线原理；

（2）零序有功功率法：

由于NES中消弧线圈自身电阻及串并联电阻的影响，使得零序有功功率法具有较高的灵敏度，因此选择作为第二种选线原理；

（3）零序导纳法：

该方法利用中性点不接地系统或中性点谐振接地系统发生单相接地时，测得的故障线路零序导纳大小和相位发生变化的原理进行故障选线，根据各线路实际零序导纳设定整定值，选线更加灵敏和可靠，作为第三种选线原理。

3.3综合选线方案

回顾小电流接地系统单相接地故障自动选线技术的发展历程，自动选线技术已经经历了三个阶段。

第一个阶段是孤立选线方式阶段，典型方法是零序电流过流保护和零序无功方向保护。

孤立选线方式的特点是，当发生单相接地时，各条线路只依据本线路的故障信号独立判断本线路是否发生故障，线路之间没有信号联络。

孤立选线方式配置简单，常规继电器即可实现，不需要专门的选线装置。

但孤立选线方式对故障信息的利用率太低，无法适应复杂的小电流单相接地故障。

第二个阶段是群体选线方式阶段，典型方法是群体比幅比相法。

群体选线方式实现了被识别对象中多源信息的沟通。

选线装置综合利用电网中各线路的测量数据做出选线识别，使选线性能大幅度提高。

但由于现有的群体选线方法利用的故障信息形式单一，仍未能很好地解决选线问题。

从信息融合的观点看，群体选线方式可以理解为具备了低级的融合含义。

群体选线方式的信号处理与选线识别过程。

群体选线方式可以认为是一种特征级的融合。

在这种选线方式中，整个电网各条线路的测量数据汇集在一起，共同参与了选线，使得选线决策能够从被识别对象全局状况出发，而不是像孤立选线那样，仅根据一个测点的数据做出判断。

从这个意义上说，群体选线方式具有优良的性质。

第三阶段是将多种选线方法简单融合，采用“举手表决"机制。

继承和发扬了上述选线方式的优点，研究如何进行多判据的信息智能融合。

多判据智能融合希望每个判据能够输出表征一条线路表现出故障特征程度的数值属性描述，融合层需要对各个判据的数值属性进行智能融合，这也需要对每种方法的有效性做出一个数值描述，最后得出一个综合选线结果。

3.4模糊选线

模糊选线是运用模糊理论实现多判据选线信息融合，根据判据规则建立各选线方法的故障测度隶属函数（表征一条线路表现出故障特征程度的数值属性描述）和各选线方法的权系数隶属函数（表征一种方法的可信度）。

多种选线方法可能有多种的选线结果，因为它们选线的依据是不同的故障特征，故障特征在不同的故障条件下的表现程度是不一样的。

显然某一选线方法所依据的特征相对明显时，我们应给予这种判据更多的重视。

这样，方法融合时的权系数就不能设为定值，而应根据实际情况而变化。

最后对各个判据的数值属性进行融合，得出一个综合选线结果。

4小电流系统选线问题

4.1检测信号原因分析

在目前小电流接地选线装置中出现选线不正确以及误判较多的情况，除从选线判据选择的方面存在一定缺陷外，在工程应用中也存在检测等方面的问题。

从小电流系统单相接地时与正常运行时，状态信息的不同看，故障线路的判定似乎非常容易，然而事实并非如此，其原因主要有以下四点：

（1）电流信号太小小电流系统单相接地时产生的零序电流是系统电容电流，其大小与系统规模大小和线路类型（电缆或架空线）有关，数值甚小，经中性点接人消弧线圈补偿后，其数值更小，且消弧线圈的补偿状态（过补偿、欠补偿、完全补偿）不同，接地基波电容电流的特点与无消弧线圈补偿时相反或相同，对于有消弧线圈的小电流系统采用5次谐波电流或零序电流有功功率方向检测，而5次谐波电流比零序电流又要小20～50倍，此问题对于SFB频段不存在。

（2）干扰大、信噪比小小电流系统中的干扰主要包括2方面：

一是在变电站和发电厂的小电流系统单相接地保护装置的装设地点，电磁干扰大；二是由于负荷电流不平衡造成的零序电流和谐波电流较大，特别是当系统较小，对地电容电流较小时，接地回路的零序电流和谐波电流甚至小于非接地回路的对应电流。

（3）随机因素影响的不确定我国配电网一般都是小电流系统，其运行方式改变频繁，造成变电站出线的长度和数量频繁改变，其电容电流和谐波电流也频繁改变；此外，母线电压水平的高低，负荷电流的大小总在不断地变化；故障点的接地电阻不确定等等。

这些都造成了零序故障电容电流和零序谐波电流的不稳定。

（4）电容电流波形的不稳定小电流系统的单相接地故障，常常是间歇性的不稳定弧光接地，因而电容电流波形