基于注入法的配电网单相接地故障诊断.docx

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基于注入法的配电网单相接地故障诊断

基于注入法的配电网单相接地故障诊断

摘要

本文主要针对配电网中单相接地故障定位困难的问题对单相接地故障的电气特征进行了分析，同时设计了从单相接地故障的选相到选线，最后精确定位到故障点的完整的单相接地故障诊断过程。

由于小电流接地系统的自身特点，发生单相接地故障时，所产生的故障信号本身较弱，容易受到电磁干扰和谐波污染，导致信号失真，这些都直接影响了选线的选择性和准确性，甚至会造成选线装置的误动。

结合工作的实际情况并参考各种装置的实际特点，本文采用了比较电压的变化的方法来判断故障相，选用采用注入法信号的选线和定位方法作为配电网单相接地故障诊断方法，同时比较了交流注入法和直流注入法的优缺点，总结了一套完整的配电网单相接地故障诊断方法，最后对直流注入法作了两步改进，较为成功的解决了配电网单相接地故障选线和定位困难的问题。

关键词：

单相接地故障故障定位信号注入选相选线

Abstract

Thisarticlemainlyaimsattheproblemindistributionnetworkone-phasegroundfaultlocationforphase-to-groundfaultelectricalcharacteristicsanalysis,anddesignsthefaultlocationfromphase-to-groundtophase-selectionprecisepositioningtobreakdowncompletephase-to-groundfaultdiagnosisprocess.Duetothesmallcurrentgroundingsystem'scharacteristics,theone-phasegroundfaulthappens,theresultingfaultsignalitselfisweak,thevulnerabletoelectromagneticinterferenceandharmonicpollutioncausessignaldistortion,allthesedirectlyaffecttherouteofselectivityandaccuracy,andevencausethemaloperationofthelocationdevice.

Combinedwiththeactualsituationofreferenceworkofallsortsofdevicesandactualcharacteristics,thispaperadoptsthemethodsofcomparativevoltagechangeswhichisjudgedbyfaultphasesinjectionmethods,choosetherouteandpositioningmethodofsignalpowerandsingle-phasegroundingasfaultdiagnosissolvingways.Comparedwiththeexchangeinjectionmethod,includingtheadvantagesanddisadvantagesofdcinjectionmethod,finallysummedupasetofcompletepowerphase-to-groundfaultdiagnosismethods,thuscomestotheconclusionofdcinjectionmethodandtwostepsofhowtoimprove,whichwillsolvetheproblemofnetworkdistributionaboutphase-to-groundfaultlocationmoresuccessfully.

Keywords:

single-phase-to-earthfaultfaultlocationintegrationlocationmethodLocationphase-selectionfaultlinedetection

1绪论

1.1选题的研究意义

在配电网系统中，单相接地故障率最高，约占配电网故障的80%以上。

我国的配电网多为小电流接地系统，由于在小电流接地系统中发生单相接地故障时不形成短路回路，只在系统中产生很小的零序电流，三相线电压依然对称，不影响系统正常工作，所以我国的电力规程规定，小电流接地系统可带单相接地故障继续运行1-2小时[1,2]。

这样能够提高供电的持续性和可靠性，这是小电流接地系统的突出优点。

但随着馈线的增多，电容电流也在增大，长时间带故障运行就易使故障扩大为相间短路或两点及多点接地故障。

弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行，所以必须及时找到故障线路予以切除或者找到故障点进行维修。

但是由于单相接地故障产生的故障电流很小等诸多原因，单相接地故障选线定位问题一直没有得到很好的解决。

现有的小电流接地保护不能从根本上解决小电流接地的选线问题，这与电力系统提高供电可靠性的要求与呼声背道而驰。

因此，进一步研究小电流接地系统单相接地故障的诊断方法具有很好的理论和实际意义。

1.2配电网单相接地故障研究现状

配电网单相接地选线和定位是个世界性的难题，在上世纪80年代到90年代初配电网还是以架空线路为主。

研制的单相接地选线装置，基本上是采用稳态分量法即零序电流比幅法[3]和电容电流比幅比相法[3]，单相接地选线的准确性还是很高的。

但是随着配电网的发展，城乡电网的改造，电缆线路不断增加，接地电容电流也增加很多，这样就需要在变电站安装消弧线圈[3]。

由于消弧线圈的补偿作用在接地线路上电容电流和电感电流抵消，所以采用态分量法即零序电流比幅法[4]和电容电流比幅比相法[4]的选线装置就不能正确选择接地线路了。

而后针对中性点经消弧线圈接地的系统又出现了暂态零序电流检测方法和五次谐波法，但是暂态过程非常短暂检测装置易出现误动作，而五次谐波法也因信号微弱和负荷谐波的影响而出现误判断。

近年来，小电流接地系统相线对接地故障检测取得了很大成就，但到目前为止，研究的重点主要是集中在选线技术，在小电流接地系统的故障点定位方面，国内外虽然有一些研究，也提出了一些理论方法，但实用定位的方法其实并不多。

人工巡线仍然是目前配电网故障定位最常用的方法，这就导致了故障持续时间的延长和人力资源的浪费，增加了无谓的损失故障，降低了供电可靠性。

随着配电自动化系统配电自动化系统的开发，一些故障段定位和隔离法的出现在国内外已成功地应用到现场，但是由于配电自动化系统是在运用中国并不广泛，目前在注入方法的基础上逐步对地故障定位方法改进是比较实用和有效的方法之一。

传统的注入法能够较为准确的定位，但在自动化程度，容错和设备性能等方面，仍有许多问题有待进一步改善。

1.3本课题主要研究的内容

本文就上述的难题做了以下工作：

（1）对单相接地故障的电气特征作了分析，总结了中性点不同接地方式的特点，为故障诊断提供理论依据。

（2）通过故障后电压的变化提出判断故障相的依据，并总结了完整的选相过程。

（3）分析了常用单相接地故障的选线方法的缺点和注入法的优点。

（4）详细分析了传统注入法的选线定位原理，将交流注入法和直流注入法进行了比较，改进了直流注入选线定位法，并在理论上作了分析和实验计算。

2小电流接地系统的单相接地故障的电气特征分析

2.1小电流接地系统

我国的配电网采用小电流接地系统，小电流接地系统即中性点非直接接地系统，它包括中性点不接地系统、经消弧线圈接地系统（也称谐振接地系统）和经高阻接地系统[5,6,7]。

由于历史原因和具体条件不同，各个国家的电网中性点处理方式不尽相同，甚至在同一国家、同一地区的同一电压也有不同接地方式并存现象。

在我国3-66kV中低压配电网系统一般采用中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统，所以本文重点分析小电流接地系统中的中性点不接地和经消弧线圈接地系统的单相接地故障特征。

2.2中性点不接地单相接地故障的电气特征

为分析方便，假设A相发生金属性接地短路，忽略负荷电流和电容电流在线路上产生的电压降。

如图2-1所示，各线路上电流方向已标注。

图2-1中性点不接地系统单相接地故障电气原理图

由以上原理图可知系统各参量变化如下：

（1）电压

系统A相对地电压为：

（2-1）

B相对地电压为：

（2-2）

C相对地电压为：

（2-3）

故障点的零序电压为：

（2-4）

（2）电流

①非故障线路

的各相电流和三倍零序电流

A相的电流为：

（2-5）

B相的电流为：

（2-6）

C相的电流为：

（2-7）

有效值为：

（2-8）

所以三倍的零序电流为：

（2-9）

②对于变压器T上，首先有它本身的B相和C相的对地电容电流的电源，因此，从A相中要流回故障点的全部电容电流，而在B相和C相流出各线路上同名相的对地电容电流。

此时从变压器出线端所反应的零序电流仍然为三相电流之和。

由图2-1可见，各线路的电容电流由于从A相流入后又分别从B相和C相流出了，因此相加后相互抵消，而只剩下变压器本身的电容电流，故

有效值为

即零序电流为变压器本身的电容电流。

③对于故障线路

各相电流和三倍零序电流

故障相电流：

（2-10）

其有效值：

（2-11）

非故障相电流：

（2-12）

（2-13）

三倍的零序电流：

（2-14）

其效值：

（2-15）

（3）功率

非故障线路的复功率为：

（2-16）

（2-17）

同理有故障线路：

（2-18）

根据以上分析可得到以下几点结论[8,9]：

（1）零序网络由同级电压网络中元件对地的等值电容构成通路，与中性点直接接地系统有接地的中性点构成通路有极大的不同，网络的零序阻抗很大。

（2）发生单相接地时，相当于在故障点产生了一个其值与故障相故障前相电压大小相等，方向相反的零序电流，从而全系统都将出现零序电压。

（3）在非故障元件中流过的零序电流，其数值等于本身的对地电容电流；电容性无功功率的实际方向由母线流向线路。

（4）在故障元件中流过的零序电流，其数值为全系统非工作元件对地电容电流之总和；电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线。

2.3中性点经消弧线圈接地单相接地故障电气特征

图2-2中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障电气原理图

在中性点不接地的电网中发生单相接地故障时，如图2-2所示，若接地点流过的全系统对地电容电流，若此电流过大，会使故障扩大。

为防止上述情况发生，常在中性点接入消弧线圈。

各级电压网络中，当全系统的电容电流超过下列数值时应装设消弧线圈：

3-6kV电网为30A，10kV电网为20A，22-66kV电网为10A[10]。

如图2-2所示的电网中，电源的三相电动势相等。

为了简便起见，不计电源内部的电压降和线路上的电压降，电源每相电动势的有效值等于电网正常工作时的相电压

，电源两相电动势之差等于电网的线电压，变压器中性点经消弧线圈接地。

假设线路2的A相发生金属性接地故障，各线路电压变化以及非故障线路电容电流的分布与中性点不接地系统的情况相同。

由于中性点接地方式不同，此时故障点的接地电流由原来的电容电流变为由消弧线圈产生的电感电流补偿后的残流，但仍具有零序性质。

所以线路2的基波零序电流为：

（2-19）

式中

为消弧线圈的补偿电流，而此时从接地点流回的总电流

为:

（2-20）

式中

为全系统的对地电容电流。

由于

和

相位相差180。

，几将随消弧线圈的补偿程度而变化，因此，故障线路零序电流的大小和方向也随之改变。

根据对电容电流补偿程度的不同，即补偿度P的大小（这里P定义为:

），可分为以下三种不同的补偿方式:

（1）全补偿

全补偿时P=0即

的补偿方式，它虽可使接地点的电流为零，但却有严重的缺点，因为此时刚好有式子

成立，这正是工频串联谐振的条件。

但是如果三相的对地电容不相等或断路器三相非同期合闸时，出现的零序电压在串联谐振回路中产生很大的电流，此电流在消弧线圈上会产生很大的压降，使电源中性点的电压大大升高，造成设备的绝缘损坏，因而不宜采用这种补偿方式。

（2）欠补偿

欠补偿就是P<0即

的补偿方式。

采用这种补偿方式时，补偿后的接地点电流是容性的。

它的缺点在于系统运行方式改变时，例如某些线路因检修或跳闸退出运行时，系统的电容电流会减少，以至有可能成为完全补偿而出现危险的谐振过电压。

因此，这种补偿方式也很少采用。

（3）过补偿

过补偿就是P>0即

的补偿方式。

它没有发生上述过电压的危险，因而得到了广泛的应用，一般选择过补偿度值为P=5-10%。

采用过补偿以后，通过故障线路保护安装处的电流为补偿以后的感性电流，它与零序电压的相位关系和非故障线路电容电流与零序电压的相位关系相同，数值大小也和非故障线路的容性电流相差无几，因此不接地系统中常用的零序电流选线原理和零序功率方向选线原理显然已不能采用。

总结以上分析中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时的结果，可以得出如下结论:

（1）故障相的对地电压为零，非故障相的对地电压为系统的线电压。

（2）全系统出现零序电压，其大小为系统正常工作时的相电压。

（3）欠补偿时，接地故障处的电流超前零序电压90o。

过补偿时，滞后零序电压90o，小于未补偿时的值。

（4）非故障线路零序电流超前于零序电压90o，其大小等于该线路的对地电容电流。

故障线路零序电流的大小等于系统所有非故障线路总对地电容电流与消弧线圈的补偿电流的和，其相位随补偿度而异，欠补偿时滞后于零序电压90o,过补偿时超前零序电压90o[10]。

（5）故障线路始端的零序功率的有功分量和无功分量均小于零；非故障线路始端的零序功率的有功分量大于零，无功分量小于零。

3单相接地故障的选相

当A相发生金属性接地故障时，由以上分析可知，A相的电压为0，非故障相B相和C相的电压会上升为原来的

倍。

但是系统发生单相接地故障时接地点有过渡电阻的存在，下面就分析经过渡电阻接地的情况时，在不同的中性点接地方式系统中是怎样由电压的变化来进行故障相的判断的。

3.1中性点不接地系统的选相判断依据

图3-1为中性点不接地电网系统原理示意图,其中C为一相对地电容。

当系统正常运行时,三相电压为

、

、

对称,三相电流也基本平衡其和为零。

当A相经过渡电阻

接地时,忽略线路自身阻抗,并假设各相对地电容相等如图3-1所示。

图3-1中性点不接地系统A相经过渡电阻接地原理图

此时各相对地导纳为:

（3-1）

（3-2）

由于系统中性点不接地,发生接地后系统中性点将发生偏移，偏移电压为

可由以下公式计算：

（3-3）

计算出偏移电压表达式为:

（3-4）

故障后,A、B、C三相对地电压将发生变化,相对地电压分别为:

（3-5）

电网发生单相接地故障后中性点发生偏移,此时将系统进行等效变化,其等效电路如图3-2所示。

图3-2中性点不接地系统A相经过渡电阻接地等效图

当发生单相接地故障后,系统各相对地电压将不再对称,在系统运行方式确定后,各相对地电容也就确定了,此时中性点偏移电压即中性点对地电压将是过渡电阻

单值函数,过渡电阻

变化,中性点的偏移量也会随之变化,由式3-4可以算出d点的轨迹是以

的幅值为直径的右半圆，其相量图如图3-3所示，当

=0时即为金属性接地,此时中性点对地电压变为故障相对地电压；

为无穷大时，三相电压仍然对称，为正常运行状态。

通过相量图分析还能知道,对于中性点不接地系统,当发生单相接地故障时,故障相的超前相对地电压最高,滞后对地电压相次之,故障相对地电压最低，因此通过对各相电压的幅值大小进行比较便可判断出短路相[11]。

图3-3中性点不接地系统A相经过渡电阻接地时电压变化相量图

3.2中性点经消弧线圈接地系统的选相判断依据

图3-4中性点经消弧线圈接地系统A相经过渡电阻接地原理图

对于中性点经消弧线圈接地系统,如图3-4所示,当A相发生经过渡电阻接地故障时,根据电路理论可得出中性点偏移的电压有下列公式计算:

（3-6）

化简后：

（3-7）

其中:

L为消弧线圈的电感。

如果

此时系统为欠补偿,如果电网的运行方式变化出现完全补偿时电网负荷波动变化会导致电网发生谐振，通常情况下补偿电网采用过补偿方式运行,即

[11]。

可以做出电网三相对地电压的相量图,如图3-5所示。

图3-5中性点经消弧线圈接地系统A相经过渡电阻接地时电压变化相量图

由图3-5知,对于过补偿电网发生单相故障后可以算出d点的轨迹是以

的幅值为直径的左半圆。

三相对地电压的幅值满足:

（3-8）

此时和中性点不接地系统相反,B相对地电压最高,这时可以判断对地电压最高的超前相即为接地故障相。

但是,对于欠补偿方式运行的电网来说,故障相的判断和中性点不接地系统的判断方法相似，和过补偿运行方式的电网相反[11]。

综上所述，对于中性点不接地系统和采用全补偿方式运行的电网判断故障相的方法相同，测试三相电压后比较大小，电压最大相的滞后相为故障相。

例如：

=9.6KV,

=5.7KV,

=4.5KV，此时的接地相不是电压最低相C相，而是B相。

对于中性点采用过补偿方式运行的电网，选相的判断方法与上述两种方式的判定方法相反，测试三相电压后比较大小，电压最大相的超前相为故障相。

例如：

=5.6KV,

=9.7KV,

=5.5KV,此时的故障相是A相。

3.3单相接地故障选相过程的原理分析

第二章的分析表明，当发生单相接地故障时全系统的零序电压会升高，所以可以通过检测零序电压的变化来判断是否发生了单相接地故障，然后发出选相的信号。

为了取得零序电压，通常采用如图3-6所示的接线方式，采用三个单相式电压互感器，将其一次绕组接成星形并将中性点接地，其二次绕组接成开口三角形，这样从m、n端子得到的输出电压为

。

图3-63倍零序电压测量方法原理图

完整的选相过程的原理图如图3-7所示。

图3-7单相接地故障选相过程原理图

三绕组电压互感器的一组接成Yn形感应母线电压，另外两组一组接成开口三角形用于测量3倍零序电压，另一组接成Y形用于测量各相电压大小。

当某条线路发生单相接地故障时，母线上是零序电压将发生变化，当3U0大于整定值USET时设备发出选相信号，测量设备测出各相电压并比较其幅值的大小，然后由判断装置判断出故障相并发出信号。

3.4本章小结

本章主要分别分析了在中性点不接地方式系统中和中性点经消弧线圈接地系统中，发生单相接地故障后的电压变化情况，并根据电压的变化给出判断依据判断出故障相，然后总结了单相接地故障选相过程的原理。

4单相接地故障选线和定位

当发生单相接地故障后，系统的电压电流都会发生很大变化，常用的一些选线方法一般为测量系统中电压或电流的变化来判断故障线路的，而本文采用了一种更为精确的选线方法——注入法，注入法不受配电网中性点接线方式的影响，而且可以完成选线和定位两步故障检测工作。

本章节对常用的选线方法作了简单叙述并对注入选线法的原理作了详细介绍，然后在定位方法上做了理论上的改进。

4.1小电流接地系统常用选线和定位方法

（1）零序电流检测法

采用零序电流检测法检测单相接地故障的选线装置和故障指示器，其检测原理是基于：

对于中性点不接地系统在发生永久性单相接地故障时，非接地线路的零序电流等于该线路三相的对地电容电流的向量和，方向是从母线流向线路。

而接地线路的零序电流等于所有非故障线路零序电流的向量和，方向是从线路流向母线。

由上述分析，在中性点不接地的电网中，接地选线装置和单相接地故障指示器是利用零序电流的方向和幅值的变化是可以检测到故障线路的。

但零序电流法也存在如下问题影响其选择性和准确性：

①在采用检测零序电流的变化进行单相接地判断的选线装置和单相接地故障指示装置时，需要使用零序互感器或零序电流滤波器来采样零序电流的变化，其结构复杂，安装不方便，不能广泛的应用于10kV架空线路[12，13]。

单相接地选线装置仅能用于中性点不接地电力系统中变电站、10kV开关站（开闭所）以及电缆分接箱的单相接地选线，在线检测线路零序电流，不能安装在架空线路上指示的单相接地故障[12]。

②一般零序电流互感器精度低。

当互感器的原边零序电流在5A以下时，许多厂家生产的零序电流互感器，带上规定的二次负荷后，变比的误差就会达到10％以上，角误差达20'以上，当一次零序电流小于1A时二次侧基本上无电流输出，这样就无法保证接地检测的准确度[12]。

③工程实际中使用的零序过滤器大多为三相保护用电流互感器的组合，即用三相保护电流合成零序电流，众所周知零序滤序器本身固有的不平衡输出使其准确性较低，而且一般保护用电流互感器额定一次电流值多在几百安以上，在接地电容电流小于10A的小电流接地系统使用零序滤序器，单相电容电流仅为保护用互感器一次额定电流的0.6％，互感器综合误差根本无法保证[13]。

④但在电网最小运行方式下，只有当故障点的总电容电流达到最长线路电容电流的几倍是才能保证接地选线装置和接地故障指示器的选择性。

（2）零序电流无功功率方向法[14，15]

它的判别依据是非故障线路的零序电流无功分量超前于零序电压90°，而非故障线路的零序电流无功分量滞后于零序电压90°。

但是这种方法受接地过渡电阻的影响比较大，在发生金属性短路时，零序电压最大；在接地电阻为无穷大时，零序电压为0。

所以在接地电阻较大时，检测零序电压就很困难。

而且这种方法不适用于中性点经消弧线圈接地的系统中，因为在过补偿和欠补偿的运行方式时，零序电流无功分量方向是相反的[12]。

（3）五次谐波选线法[14，15，16]

在经消弧线圈接地的系统中，基波零序电流几乎被消弧线圈的电感电流抵消；而消弧线圈的设计是针对基波的，相比较基波的情况，消弧线圈在五次谐波下感抗为基波下的五倍，可以近似认为消弧线圈对五次谐波电流来说是开路的，通过消弧线圈的电感电流减小到五分之一；而在五次谐波下线路的容抗减小到五分之一，五次谐波容性电流就增大到五倍。

在发生单相接地时五次谐波电流在各线路上的分布情况和基波零序电流是相同的，除了基波零序分量以外，谐振接地系统中五次谐波电流最大，是非故障线路的总和，可以采用五次谐波电流大小、方向或功率方向来找出故障线路。

五次谐波电流的产生的原因是由于电源电动势中存在高次谐波分量：

变压器、电压互感器等设备铁芯非线性的影响,也必然造成电网中包含一系列高次谐波分量,其中以为五次谐波分量为主；负荷的非线性也会产生五次谐波分量。

五次谐波电流的大小随着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%），再加上受CT不平衡电流和过度电阻的影响，使得保护装置难于整定；而且，有些用户含有大量谐波分量，如用户的电弧炉、整流设备等谐波源，在故障时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五次谐波方向有可能是相同的，这样故障线路中5次谐波电流不一定总是最大,相位关系也不一定成