经消弧线圈接地系统单相接地故障选线的研究.docx

1、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

2、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Title The Research on Fault Line Selection of Single-phase Earth Fault through Extinction Coil AbstractThe fast development of social economy sees the growing importance of electrica

3、l power system. Therefore, a lot of attention has been paid on the safe operation of power system. And among the plenty kinds of fault circumstances, the single-phase earth fault is most likely to happen. This paper mainly concentrates on the simulation of single-phase fault by MATLAB software, thro

4、ugh which we can get the simulation waveforms, and to use the relevant variable to select the fault line. This paper mainly uses zero-sequence current, zero-sequence power and five harmonic wave to select the fault line. And at last, I analysis the advantages and disadvantages of each method.Keyword

5、s extinction coil single-phase earth fault MATLAB simulation fault line selection zero-sequence current 目 次1 引言 11.1 研究意义 11.2 研究现状 21.3 本文内容 32 小电流接地方法综述 42.1 特殊信号分析法 42.2 故障稳态信号选线法 52.3 故障暂态信号选线法 73 MATLAB的应用 103.1 MATLAB概述 103.2 MATLAB在电力系统中的应用 124 经消弧线圈单相接地故障仿真与分析 134.1 选线原理 134.2 线路模型建立 154.3 仿

6、真波形及分析 165 几种方法比较与分析 295.1 零序电流幅值比较法 295.2 零序电流相位比较法 305.3 零序功率比较法 305.4 5次谐波比较法 315.5 四种选线方法的适用性比较 315.6 尚需解决的问题 32结 论 33致 谢 34参 考 文 献 351 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，110 kV及以上电压等级网络属输电网，360 k

7、V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12 小时。随着配电网规模扩大及城网、农网进一

8、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。11 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

9、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

10、，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。12 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

11、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

12、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

13、(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。=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

14、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

15、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。13 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

16、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21 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

17、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

18、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7

19、0 Hz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。22 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

20、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

21、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

22、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,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