五次谐波法对小电流接地系统的故障定位.docx
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五次谐波法对小电流接地系统的故障定位
【摘要】
在我国3~66kV配电网中，广泛采用小接地电流系统，而此系统发生最多的是单相接地故障，所以如何快速准确地检测出故障线路一直是电力系统继电保护的重要研究课题。
小电流接地系统是我国35kV及以下电网最常用的接线方式，而对于小电流接地系统的故障定位又有许多方法，有零序电流比幅比相法，有功法，残流增量法，“S”注入法等等。
通过对这些方法的分析，总结了影响接地故障选线准确性的因素。
而本文则是根据故障点前后零序电流五次谐波大小的不同，设定一定的门槛值，通过相邻两个测量点数据比较，就可以判断故障点的位置，无须母线端信息采集、分析。
是运用了五次谐波法来对小电流接地系统的故障定位。
针对基于五次谐波电流的单相接地故障选线装置,由于系统中五次谐波含量不高,以及负荷中谐波源的影响,整定困难,实际选线精度不高的问题。
系统地分析了发生单相接地前后故障回路、非故障回路中五次谐波电流变化特点,提出了基于五次谐波电流变化特征的单相接地故障选线方法,仿真结果表明,该方法有效可行。
关键字：
小电流接地系统；谐波；相位；无线；五次谐波；消弧线圈
【Abstract】
Inourcountry3~66kVindistributionnetwork,widelyusedinsmallcurrentgroundingsystem,andthissystemisthelargestsingle-phasegroundingfault,sohowtodetectthefaultlinequicklyandaccuratelyisalwaystherelayprotectionofpowersystemtheimportantresearchtopic.Smallcurrentgroundingsystemisourcountry35kVandbelowthepowersystemthemostcommonlyusedconnectionmode,andforsmallcurrentgroundingsystemfaultlocationandtherearemanyways,zerosequencecurrentratioamplitudephasemethod,method,theremnantcurrentincrementmethod,"S"intothemethod.Throughtheseanalyses,summarizestheeffectsofgroundfaultlineselectionaccuracyfactors.Butthisarticleisaccordingtothefaultpointandzerosequencecurrentfiveharmonicsofdifferentsizes,thesettingofacertainthresholdvalue,throughtwoadjacentpointsofmeasurementdata,wecanjudgethefaultpoint,nobusterminalinformationcollection,analysis.Istheuseofthefiveharmonicmethodforsmallcurrentgroundingsystemfaultlocation.Basedonthefiveharmoniccurrentofsingle-phasegroundingfaultlineselectiondeviceinthesystem,thefiveharmoniccontentisnothigh,andtheeffectofloadharmonicsources,tuningdifficulties,theactualalignmentprecisionproblem.Systemanalysisofthesinglephasegroundingfaultcircuit,beforeandafterthefaultloopoffiveharmoniccurrentcharacteristics,basedonthefiveharmoniccurrentchangescharacteristicofsinglephasegroundingfaultlineselectionmethod,thesimulationresultsshowthat,themethodisfeasibleandeffective.
Keywords:
smallcurrentgroundingpowersystem;harmonic;phase;wireless;Fiveharmonic;arcsuppressioncoil
目录
1引言....................................................1
2小电流接地系统的简介....................................2
2.1小电流接地系统的接地特点............................2
2.2小电流接地系统单相接地的概述........................3
2.2故障分析............................................4
3仿真测试................................................7
3.1设计原理............................................7
3.2判定方法............................................8
3.3五次谐波法原理......................................9
3.4五次谐波选线法基本原理简介..........................9
3.5仿真实验及分析......................................11
4总结....................................................17
4.1结论................................................17
4.2小电流接地系统的选线技术与发展......................17
致谢.......................................................18
参考文献...................................................19
1引言
我国大多数配电网均采用中性点不直接接地系统（NUGS），即小接地电流系统，它包括中性点不接地系统（NUS），中性点经消弧线圈接地系统（NES，也称谐振接地系统），中性点经电阻接地系统（NRS）。
近年来，随着自动跟踪消弧电抗器的广泛使用，为解决系统于故障瞬间出现的谐振问题，开始采用消弧线圈与非线性电阻串（或并）联以及与避雷器并联的行方式。
NUGS发生单相接地故障的几率最高，这时供电仍能保证线电压的对称性，且故障电流较小，不影响对负荷连续供电，故不必立即跳闸，规程规定可以继续运行1~2h。
但随着馈线的增多，电容电流也在增大，长时间运行就易使故障扩大成两点或多点接地短路，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。
由于小电流接地电网发生单相接地故障时对电力设备和人身危害小，并且三相之间的线电压基本保持不变。
因此可允许电网在此情况下继续运行一段时间。
小电流接地故障尽管不会影响电网的正常运行，但由此引起的过电压会危害电网绝缘，可能导致短路故障使事故扩大。
因此，当发生了小电流接地故障后需要尽快选出故障线路，以便运行人员及时采取措施加以处理。
但由于此时产生的故障电流微弱，以及故障点电弧不稳定等原因，使小电流接地电网的单相接地故障选线比较困难。
我国配电网，普遍采用中性点不接地或者中性点经消弧线圈接地方式，在这些电网中单相接地故障是最常见的故障之一，故障率最高。
快速准确的发现故障，排除故障，利于电网安全，可靠，经济运行，利于配电自动化的实现。
小电流接地系统故障定位包括接地故障选线以及测距两个方面的内容，一要选准故障支路，二要测出监测装置到故障点的距离。
由于配电网节点和支路繁多，并且呈多级辐射状分布，确定故障点到测量点的电气距离与找准故障支路，难度很大，本文通过比较相邻测量点零序电流五次谐波的大小，达到故障点精确判位的目的。
对于中性点经消弧线圈接地的系统，消弧线圈对五次谐波所呈现的感抗是基波的5倍，而线路分布电容对五次谐波所呈现的容抗却是基波的1/5，因此消弧线圈基本上不能补偿五次谐波的电容电流。
所以在消弧线圈接地系统中，对于五次谐波分量，依然可以近似认为，故障线路的电流大小等于所有非故障线路的电流之和，方向与非故障线路的电流方向相反。
五次谐波法的一个严重不足是故障电流中五次谐波含量仅占基波的10%左右，在经过渡电阻接地的情况下数值就会更小，易造成误判。
2小电流接地系统的简介
110KV及以上电压等级电网属于输电网，6—66KV电压等级属于配电网。
输电网一般采用中性点直接接地运行方。
配电网采用中性点不接地或经消弧线圈接地运行方式。
由于此系统发生单相接地时接地时电流小，因此配电网又称小电流接地电网。
中性点非直接接地电网中发生单相接地时，故障点的电流很小，而且三相间的线电压仍然对称，接地相电压为零，电源中性点对地压升高为相电压，其它两相的对地电压升高行倍，这时的电网仍然稳定运行，但是一旦又出现某点接地，那么就会引起严重的短路事故。
当中性点不接地电网发生单相接地时，在接地点要流过全系统的对地电容电流，如果此电流过人，就会和接地点燃起电弧，引起弧光过电压，从而使非故障相的对地电压进一步升高，因此，使绝缘损坏，形成两点或多点的接地短路，造成停电事故。
为了解决这个问题，通常在中性点接入一个电感线圈，这样单相接地时，在接地点就会有一个电感分量的电流流过，此电流和原系统中的电容电流相互抵消，就可以减少流经故障点的电流，因此，称它为消弧线圈。
2.1小电流接地系统的接地特点
变电站小电流接地，一般都装设有绝缘监察装置。
当6到10千伏线路单相接地时，由于线电压的大小，相位不变，按照规程规定，一般可以继续运行，但不要超过2小时，因为其他非故障相对地电压相对要升到约倍，这样对电网系统的绝缘薄弱环节可能造成威胁。
由于单相接地点可能接触不良，因此会接地点可能产生瞬间弧光放电，甚至产生谐振电压，对整个6到10千伏电网系统的稳定构成威胁。
因此要求尽快排出故障，确保电网稳定运行。
6到10千伏线路单相接地的特点：
1：
当6到10千伏配电系统发生单相接地故障时，变电站绝缘装置的警铃报警，母线接地光子牌灯亮。
2：
接地故障相电压会降低或者接近零，另外两相电压会大于相电压或者接近线电压。
如果接地相电压指示稳定，表明线路是稳定接地；反之电压表指针来回摆动，表明线路是间歇接地。
3：
若6到10千伏线路发生弧光接地产生过电压时，非故障相电压会上升很高，电压表指针可能会打至表头，甚至会烧断电压互感器熔断器熔体。
6到10千伏线路单相接地故障的判断：
1：
根据实际经验，若电压互感器高压侧熔断器有一相熔断发出接地信号，另外两相电压升高，线电压不变，则表明是单相接地故障。
2:
6到10千伏线路因单相导致断线，大负荷单相设备启动投运等也会因三相负荷
严重不平衡，从而导致中性点电压升高，此时绝缘监察装置也会发出接地信号，但电网并没有发生接地。
3：
在给母线充电合闸时，由于励磁感抗与对地电抗产生铁磁谐振而产生过电压，也会发出接地信号，而系统并没有发生接地故障。
4：
因变电站母线或者架空线路的不对称排列，线路中有一相熔断器熔断等，会造成三相对地不平衡，从而造成中性点电压升高发出接地信号，这时系统并没有接地。
5：
当6到10千伏线路遭遇雷击时，故障相会产生弧光接地，而非故障相电压会升高，这时的绝缘监察装置会发出接地信号，实际电网并没有接地。
2.2小电流接地系统单相接地的概述
在小电流接地系统中，发生单相接地故障时，系统出现零序电压，线路上有零序电流通过。
对于中性点不接地系统发生单相接地故障，非故障线路上通过的零序电流在数值上等于线路本身对地电容电流,其相位超前零序电压90°，容性无功功率的方向是由母线流向线路；故障线路出口通过的零序电流是非故障元件对地电容电流之和,其相位滞后零序电压90°，容性无功功率的方向是由线路流向母线。
对于中性点经消弧线圈接地的系统发生单相接地故障，流过接地点的电流除了全系统对地电容电流之和外，还有消弧线圈产生的电感电流，此电流与电容电流相抵消大大减小了流经接地点的电流。
为防止线路发生串联谐振，补偿方式通常采用过补偿，这样故障线路与非故障线路零序电流方向一致，故障线路零序电流的大小发生了变化，给选线增加了难度。
中性点经小电阻接地方式的特点是，一旦发生单相接地故障，故障线路立即被切除，保护选择性好。
但由于不能区分瞬时单相接地故障与永久性单相接地故障，使瞬时单相接地故障也跳闸，影响了供电可靠性。
同时，采用这种方式，需具备性能良好的开关设备及备用电源等条件，否则跳闸停电频繁，供电可靠性差，开关的维护工作量加重。
对于架空线电网，该方式将对通信线路产生电磁干扰。
因此，采用中性点经消弧线圈接地的方式具有供电可靠性高等优点，但不足的是在系统发生单相接地故障时残流小，实现继电保护选线较为困难。
中性点经小电阻接地的方式具有继电保护选择性好的优点，可快速切除接地故障线路，但跳闸率
高，供电可靠性差，对设备冲击较大。
2.3故障分析
小电流接地电网发生单相接地故障后，假设故障电阻为0，则故障相电压为0，非故障相电压升高√3倍。
小电流接地电网单相接地故障稳态零序等效网络图如下：
图2-1小电流接地电网单相接地故障稳态零序等效电路
消弧线圈引入前，即中性点对地绝缘电网的接地电流分布特点如图1所示。
图1中，
、
、
，代表三条支路，
分别是安装在各支路的零序电流互感器。
设每条支路各相对地分布电容相等，分别以集中参数
，表示。
设
支路的A相发生接地故障。
这时，电网各故障参数存在如下关系：
（1）流过非故障支路零序电流互感器原边的电流为本支路的电容电流，其相位超前零序电压90度（
表示零序电压），可以表示为
式中，i=1,2,3为支路号，ω为角频率。
（2）接地点电流为所有支路电容电流之和。
即：
式中:
为各支路对地总电容。
（3）流过故障支路零序电流互感器的电流流是所有非故
障支路电容电流之和，其相位滞后
90度，可表示为：
式中：
k为故障支路号。
图2-2中性点对地绝缘电网的接地电流分布
由于电流之和可能很大，将会损害电网，所以一般都采用引入消弧线圈得到感应电流，用来补偿容性电流。
图2-3引入消弧线圈后的接地电流分布
接地故障时，中性点电压为
，通过消弧线圈与地相联，产生一个感性电流，
与接地电流叠加，使接地电流变成
。
且根据L值不同分为完全补偿、过补偿、欠补偿三种情况。
对于五次谐波来说，五次谐波电容电流是五次电感电流的25倍，即使消弧线圈过补偿，也远不能补偿五次谐波电容电流。
所以，装设消
弧线圈并高阻后，五次谐波分量在电网中的分布规律也不会受到影响，这样，可以相邻测量点五次谐波的大小来判断故障点的位置。
3仿真测试
仿真实验没有普通意义上实验的必备器材，因此用软件模拟实验条件就成了可行性非常高的一条路。
事实上，很多仿真实验软件早就开发出来了，在很多大学、全国重点高中、初中也已经应用开来。
仿真软件通过图形化界面联系理论条件与实验过程，同时运用一定的编程达到模拟现实的效果。
目前主要包括物理仿真实验和化学仿真实验两种。
我将要运用到的是仿真软件中MATLAB的软件来完成五次谐波法对小电流接地系统的故障定位的仿真。
3.1设计原理
故障点前的测量点测到的零序电流5次谐波为:
电流滞后零序电压90度，故障点后或非故障线路的电流为
超前零序电压90度。
基本上流过故障点前测量点的五次谐波电流等于所有非故障线路的电容电流，而故障点后的五次谐波电流等于故障支路的电容电流。
除非故障线路的对地电容比其他线路对地电容和还要大（这种情犹很少），那么故障点前后测到的五次谐波电流将有明显区别。
而非故障线路测到的就是本支路的五次谐波电流，前后的差值为中间线路流向地的电流，但是不会太大。
设定一定的判定条件就可以判断故障范围，考虑到不同负载、不同线路位置会有不同的谐波，比较相邻测量点的谐波电流，通过幅值以及比例判断故障范围，设置某比例为门槛。
仿真仅设置了2条支路，故障点
前后的五次谐波如图3-1和图3-2所示。
图3-1故障点前的五次谐波
图3-2故障点后的五次谐波
3.2判定方法
判定方法：
每个测量点把本测量点的零序电流信息用无线传到上一级测量点，并且结合下
一测量点的电流信息进行分析：
（1）如果差值在门槛值以上，就可以判定故障点和本测量点和下个测量点之间，于是向上一级发发现故障的信号；
（2）如果差值在门槛值以下，且收到了发现故障的信号，则显示故障在后面，然后继续向上一级传递发现故障的信号；
（3）如果差值在门槛值以下，且没有收到发现故障的信号，则不做显示。
这种方法对暂态和稳态的五次谐波都是有效的。
有无消弧线圈对这种方法影响也不大，暂态，稳态的现象一致。
这个设备正常时侯不工作，当发生故障时，高频的零序电流触发单片机工作，保证了设备的使用寿命工作时间。
通过无线向上一级的测量点发送数据。
井接受下一级的测量点数据进行计算。
这里采用nRF401无线收发芯片并结合高增益天线用于数据交换，有效半径口J选1km。
3.3五次谐波法原理
五次谐波法原理主要用在经消弧线圈接地的系统。
因为在经消弧线圈接地时，工频零序电容电流，基本上被消弧线圈补偿，采用零序无功电流难以判断，但五次谐波不会被补偿，发生单相接地后，其五次谐波电容电流的分布基本上与中性点不接地系统中基波电容电流的分布规律相同。
故障线路五次谐波电容电流之和，故障线路五次谐波电容电流方向与非故障线路相反。
根据以上特点可以通过比较五次谐波电流大小，方向或功率方向来区分故障线路和非故障线路。
3.4五次谐波选线法基本原理简介
中性点经消弧线圈接地的小电流系统原理框图如图3-3所示，由于系统正常运行时，三相系统参数很难做到完全对称，使得系统中总存在一定量的零序电压，但幅
值较小。
系统发生单相接地故障时（如图中回路N的A相d点发生金属性接地故障）系统的零序电压
将变为：
式中，EA是A相的相电动势；UA、UB、UC是各相对地电压。
图3-3消弧线圈接地系统原理示意图
可见，系统发生单相接地故障后，系统的零序电压发生了明显改变，导致系统的零序电流也改变。
故障前流经消弧线圈的电流IK≈0，故障后由于非故障线路对地电容电流增大，因而要求消弧线圈的感性电流也要增大以补偿电容电流。
目前，大多数应用于小电流系统的消弧线圈都采用自动跟踪补偿技术，做到带电自动在线调节自身线圈电感量，使其产生的感性电流与电网的容性电流相补偿，极大地减
小了系统的接地电流，使接地点仅剩下数值很小的有功电流。
当小电流接地系统中发生单相接地故障时，由于过电压所产生的弧光接地，高次谐波电压导致产生高次谐波电流，这其中主要为五次谐波分量。
它在电网中的分布，与基波零序电流分布情况相同。
高次谐波电流中的容性分量是指流经线路及中性点对地电容回路的电流。
由于容抗（电容阻抗）是与频率反相关的，在对地电容
基本不变的条件下，即容抗幅值
是与谐波次数成反比的，五次谐波频率增高为基波的5倍，则谐波容抗减少为基波1/5倍，进而五次谐波电容电流增大为基波时电容电流的5倍；而对消弧线圈而言，尽管消弧线圈可以做到自身在线调节，但补偿的是基波分量。
而五次谐波感性补偿电流，由于感抗与容抗刚好相
反，前者是与频率正相关的，感抗增加为基波的5倍，感性电流减小为基波时的1/5，因此感性电流和容性电流两者不仅不会互相补偿，甚至消弧线圈五次谐波的感性电流补偿几乎可以忽略不计。
因此，不论消弧线圈补偿程度如何，情况均与中性点不接地时几乎
相同：
故障线路中的五次谐波零序电流应当最大，非故障线路中的
五次谐波零序电流较小，由此可以实现故障选线。
3.5仿真实验及分析
我国配电网中性点广泛采用不接地与经消弧线圈接地这两种非有效接地方式，习惯上称为小电流接地方式，当小电流接地电网发生单相接地故障时，其故障电流很小，故称为小电流接地故障。
由于小电流接地故障对电力设备、通信和人身危害小，并且三相之间的线电压基本保持不变，不影响对负载的供电，因此可允许电网在单相接地情况下继续运行一段时间，以避免供电突然中断对用户的影响[1]。
随着人们对供电可靠性的要求越来越高并且小电流接地系统使配电网结构复杂，故障选线成为一个公认的难题，但由于系统自身的特点，小电流故障选线问题一直未能得到很好的解决。
目前已有的主要方法：
五次谐波法、零序无功功率方向法、首半波法、PRONY算法、基于小波变化的零序电流比较法、能量法等选线方法。
本文主要通过已有的零序电流比幅比相法对仿真波形进行暂态信息的提取、分析比较验证结论的正确性。
应用暂态信息是因为故障发生时的暂态信号往往强于稳态信号，特征量明显，并且基本上不受中性点接地方式的影响。
Matlab环境下的Simulink是用于对复杂动态系统进行建模和仿真的图形化交互式平台，运行于Simulink下的SimpowerSystem工具箱是用微分方程刻画的电力系统动态过程的电力系统仿真工具箱。
对于SimpowerSystem工具箱，国内外许多研究人员都对其进行了拓展。
在做完一切准备之后，接下来就开始做最关键的仿真实验并分析了，运用MATLAB软件，来完成以下实验。
首先，先把最基础的接线图在MATLAB中画出来，然后在每个测量点上安装各种测量仪表，以便方便进行最后分析时的测量。
下图便是利用MATLAB软件来绘制的线路接线图。
图3-4仿真模型简图
根据上面的分析，建立Matlab环境下的Simulink仿真模型，如图3-4所示，通过仿真来验证分析五次谐波选线法的应用范围。
基本思路是根据系统的接线原理图，建立了一个有9条线路的简单小电流接地系统仿真模型。
假设断路器（Breaker1）在t=9.4s时刻闭合，系统发生C相接地故障。
第一种情况：
采用分布参数模型，选用电缆线路的标准参数：
正序电阻0.17Ω/km，电感1.36e-3H/km，电容6.1e-8F/km；零序电阻0.216Ω/km，电感3.872e
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