基于故障稳态小电流选线.docx

1、基于故障稳态小电流选线 毕业设计(论文)题 目 基于故障信号稳态小电流选线方法的分析 专业班级 电力系统自动化1001 学生姓名 刘德明 指导老师 杨科科 2012年 月 日河南工业职业技术学院 2010 届毕业设计（论文）任务书姓名刘德明 专业电力系统自动化班级电力1001毕业设计（论文）题目基于故障稳态信号小电流选线方法的分析研究毕业设计（论文）工作起止时间地点河南工业职业技术学院毕业设计（论文）的内容：（1）各种小电流选线方法及原理的分析（2）当前小电流接地系统单相故障现状（3）对小电流接地系统单相故障的稳态分析（4）中性点不接地系统单相接地故障的稳态分析（5）经消弧线圈接地系统单相接地

2、故障的稳态分析毕业设计（论文）的要求：1选题：使学生能够综合运用本学科的基础理论、专业知识和基本技能，进一步提高分析问题和解决问题的能力。2论文内容要求：学生应具有综合运用知识能力、文献资料的检索与阅读能力、设计（实验）能力、计算能力、绘图能力、计算机应用能力等。3撰写水平：要求概念清楚、内容正确、条理分明、语言流畅、结构严谨。4正文字数：字数不能少于1.5万字。5书写要求：正文一律用A4纸打印。论文标题用黑体3号字，正文用宋体小4号字。每页38行，每行40个字。6毕业设计（论文）的装订顺序：（1）封面（格式见附件）；（2）任务书（格式见附件）；（3）目录；（4）正文；（5）设计图纸说明； （

3、6）参考文献； 教研室主任签名： 指导教师签名： 学 生 签 名: 摘要 电力系统是由生产、输送、分配、消费电能的各种用电设备组成的统一整体。电能由发电厂发出后，通过各级变电所经高压输电网送到电力用户侧，然后经配电网供给用户。一般来说，11OKV及以上电压等级网络属于输电网，666KV电压等级属于配电网。在我囡，配电网一般采用中性点不接地或者中性点经消弧线圈接地的工作方式，因其发生接地故障时，流过接地点的电流小，一般称之为小电流接地系统或者中性点非有效接地电网。 配电网容易发生单相对地短路故障。小电流接地系统在发生单相对地短路故障时，由于大地与中性点之间没有直接电气连接或串接了电抗器，因此短路

4、电流很小，保护装置不需要动作跳闸，从而提高了系统运行的可靠性。尤其在瞬时故障条件下，短路点可以自行灭弧恢复绝缘，这对于减少用户短时停电次数具有积极意义。但是，系统发生间歇性弧光接地或者单相永久接地故障对电网设备的绝缘产生破坏作用。因此，虽然规程规定单相接地后系统可以带故障运行l2小时，但是多数供电部门都要求在30分钟内切除故障线路。 长期以来，国内外电力领域的专家学者对小电流接地系统单相接地故障选线问题进行了大量的研究。以往选线采用的检测原理大多基于故障时产生的稳态信号但是由于稳态信号比较微弱，受外界因素及运行方式影响大，致使在实际的工程应用中难以提取出有效的故障信号尤其在发生电弧接地故障时，

5、非故障线路与故障线路零序测量电流在某些条件下稳态工频电流几乎为零，某些条件下是稳态工频电流和暂态电流的叠加。由此可见，单纯基于稳态分析的选线方法准确率受到限制。而且，配电网络故障条件复杂多变，如系统中性点补偿度、各条出线长度、故障点位置、过渡电阻大小、短路点电弧的发展等，这些条件的组合，使得在一种故障情况下工作良好的装置，在另一种情况下可能失效。因此，小电流接地系统单相接地保护看似简单易行，但实践证明是十分复杂的，这也是一些国家不采用中性点非有效接地方式的主要原因之一。但毕竟小电流接地系统有着得天独厚的优越性，并在我国及其它国家被广泛采用，探索一种故障判别准确率高的计算方法成为当务之急。前言1

6、 国内外研究状况11 国内外发展状况回顾 在原苏联，小电流接地系统获得了广泛应用，并对其保护原理和装置的研究给予了很大的重视，研制了几代装置，在供电和煤炭行业中得到了应用，保护原理也从过流、无功方向，发展到群体比幅；装置由电磁式继电器、晶体管发展到模拟集成电路和数字电路，而微机构成的装置则较少。 在日本，小电流接地系统在供电、钢铁、化工用电中应用较为普遍，小电流接地系统多是中性点不接地系统和中性点经高电阻接地系统，因此，选线原理较为简单，采用了基波无功方向继电器近年来，在如何获取零序电流信号以及接地点分区段方面投入了不少力量，利用光导纤维研制的架空线和电缆零序互感器0zcT试验获得成功。 在欧

7、洲和美国，小电流接地系统中单相接地保护被认为难于实现，且引起的过电压严重，因此他们宁愿在供电网架结构上多投资以保证供电可靠性，也不采用此种接地方式，但是近年来IEEE的专题报告中也认为应当加强小电流接地系统的保护研究。 德国多使用中性点经消弧线圈接地系统，并于30年代就提出了反映故障暂态过程的单相接地保护原理，研制了便携式接地报警装置；而挪威一公司则利用测量空间电场和磁场的相位，反应零序电压和零序电流的相位，研制了悬挂式接地指示器，分段悬挂在线路和分叉点上 上世纪90年代以来，随着法国、波兰等欧洲国家逐濒将中压电网由中性点经低阻接地方式改为谐振接地方式，国外多家电力公司对小电流接地保护装置进行

8、了深入研究和现场实验。如法国电力公司(EDF)应用有功电流法开发出DESIR保护装置；波兰某电力公司应用零序导纳法研制了导纳接地保护装置。这些保护装置已在国内推广应用，到1996年为止，已有多套投入中压电网运行。12国内研究现状 国内对于小电流接地系统单相接保护原理和装置的研究自1958年以来从未间断，保护方案从零序电流过流保护到无功方向保护，从基波方案发展到五次谐波方案，从步进式继电器到微机群体比幅比相以及近期出现的注入法和人工智能方法等。 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。70年代后期，上海继电器厂和许昌继电器厂等单位研制

9、生产了反跃中性点不接地系统零序功率方向的ZV-4型保护装置和反映经消弧线圈接地系统五次谐波零序功率方向的zD一5，ZD一6，ZI)-7型保护装置。80年代中期，我国又研制成功了微机型小电流接地系统单相接地选线装置。 近几年来，随着选线理论和微机技术的不断发展，又出现了一批新的选线装置，如基于“S注入法”的选线装置、残流增量法微机选线装置等。 目前人们意识到单一的选线方法无法满足实际需要，因此选线装置的研究都趋向于综合选线方法，即利用各种选线方法的优点，如暂态、稳态、谐波等综合分析方法来提高选线精度。虽然小电流接地选线装置已经历了多次的更新换代，选线算法不断改进，但在实际应用中效果都不甚理想，所

10、以此问题还有待于进一步研究2 各种选线原理的分析 现有的选线方法有稳态分量法、暂态分量法、注入信号法、综合法等方法。其中基于稳态分量的选线方法包括零序电流比幅法、零序电流比相法、群体比幅比相法、五次谐波分量法、有功分量法，能量函数法、最大（Isina）办原理等方法；基于暂态分量的选线方法包括零序暂态电流法、首半波法、小波法、暂态能量法；基于注入法的选线方法包括S注入法、注入变频信号法等方法；综合法包括模糊神经网络法、基于小波包变换的模糊神经网络法、模式识别和多层前溃神经网络法、证据理论法、粗糙集理论法等方法。21基于稳态分量的选线方法（1）零序电流比幅法 当中性点不接地系统发生单相接地故障时。

11、流过故障线路的稳态零序电流在数值上等于所有非故障线路对地电容电流之和。故障线路上的零序电流最大，通过零序电流幅值大小比较就可以找出故障线路。在以往实现上，采用“绝对整定值”原理，利用零序电流I。与整定值Iz做比较，整定值Iz一般大于系统内任何一条出线的电容电流值，如果I。小于整定值Iz，极化继电器不动作：如果I。大于整定值Iz。极化继电器动作，信号显示该回路的编号，选线完成。但是由于系统可能存在某条线路的电容电流大于其它线路电容电流之和的情况，当这条线路发生接地故障时，就会出线拒动的情况现在使用较多的是群体比幅法，应用微机技术采集并比较接地母线所有出线上的零序电流，将幅值最大的线路选为故障线路

12、，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，但是在母线故障时会出现误判断，并且一旦故障点出线间歇性拉弧现象，没有一个稳定的接地电流，也会导致选线失败。对于谐振接地系统来说，由于谐振接地系统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，因此零序电流比幅法不适用于谐振接地系统。(2)零序电流比相法 当中性点不接地系统发生单相接地故障时，流经故障线路的稳态零序电流的方向是从线路流向母线；流经非故障线路的稳态零序电流的方向是从母线流向线路。通过比较零序电流的方向就可以找出故障线路这种方法在故障点离互感器较近、线路很短、高阻接地等情况发生时，测量到的零序电压和零序电流较小

13、，相位判别较困难，可靠性低对于间歇性接地故障来说，零序电流畸变严重，难以计算相位，容易出线误判。对于谐振接地系统来说，因为在过补偿或完全补偿状态下。故障线路的零序电流方向于非故障线路相同，因此零序电流比相法不适用于谐振接地系统。(3)群体比幅比相法 这种方法多用于中性点不接地系统，使用幅值大、波形稳定的零序电压作为参考正方向，监视零序开口电压，当零序开口电压大于电压闭锁设定值时，启动采样，进行快速傅立叶分解，按基波或五次谐波排队，取幅值较大的前三个零序电流进行比相，如果其中某个与其它两个相位相反，则为故障线，否则为母线故障嘲选择幅值较大的零序电流迸行相位的比较，在一定程度上避免了系统因受过渡电

14、阻大小及电流互感器不平衡等因素影响面导致的选线错误。但是当线路较短或者遇到故障点经过高阻接地等情况发生时，零序电流较小，其相位差将很大，可能导致选线错误。(4)五次谐波法 对于中性点经消弧线圈接地系统，基波零序电流的比幅比相法由于消弧线圈的补偿作用而失效。必须寻找其它的选线方法，五次谐波分量算法的提出在一定程度上解决了中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障的选线问题。电力系统由于变压器、线路等设备的非线性影响，线路电流中存在着谐波分量其中五次谐波含量最大发生单相接地故障时谐波分量还会有一定程度的增加。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

15、谐波所呈现的容抗却是基波的15，因此消弧线圈对五次谐波的补偿作用很小，可以忽略其影响。因此，故障线路的五次谐波零序电流幅值比非故障线路大且方向相反，由此可以选择故障线路。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。但是五次谐波的含量占基波的比例很小，且考虑到负荷中的五次谐波源、电流互感器的不平衡电流和过渡电阻的大小，都会在一定程度上影响选线的准确性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。(5)有功分量法 由于消弧线圈不能补偿零序电流有功分量，当发生单相接地故障时，提取各条线路的零序有

16、功分量，非故障线路的零序有功分量方向是由母线流向线路，大小等于线路本身的有功损耗电流值；故障线路的零序有功分量方向是由线路流向母线，大小等于非故障线路的零序有功分量和消弧线圈的零序有功分量之和当母线故障时所有线路的零序有功分量都等于线路本身的有功损耗电流值，方向是由母线流向线路。利用各条线路零序有功分量的相对大小和相位关系就可以确定故障线路或者母线故障。从原理上可见，有功分量方法有效地克服了消弧线圈补偿带来的影响。并且，在消弧线圈存在的情况下，故障线路的零序有功分量的大小比中性点不接地时更大，故障特征更明显，更利于选线。但是，由于线路的有功损耗相对较小，因此有功分量算法的故障信息同样不够突出；

17、受cT不平衡、线路长短、过渡电阻大小的影响也较大为了提高灵敏度，有的装置采用瞬时在消弧线圈上并联接地电阻来加大故障电流的有功分量，这种做法带来的问题是接地电流增大，加大对故障点绝缘的破坏，很可能导致事故扩大，对电缆线路来说，这一问题尤为严重。(6)能量函数法 当中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，由于消弧线圈的补偿作用，故障线路的零序电流方向和非故障线路的方向相同，不易选线。但是由于电感和电容只是存储能量，在整数倍工颏周期内能量差为零，只有线路的电阻和对地导纳才消耗能量，零序电流中的阻性分量与补偿无关，可得零序能量函数判据：定义中性点电压U与线路的零序电流I，乘积的积分为该线路的零序能

18、量函数。根据零序电流的参考方向和零序阻性电流的特点，可得故障线路的能量为负，非故障线路的能量为正，且故障线路的能量绝对值最大以中性点电压U与线路的零序电流I，乘积的积分为该线路的零序能量函数没有反映出故障相电压的变化情况。当发生金属性接地故障时，故障相电压降为零，中性点电压上升到相电压，此时零序能量函数法有较高的分辨率，但是当接地电阻很大时，故障相电压下降不多，中性点电压幅值较小，线路零序电流也很小，此时零序能量函数法不能很好的判别故障线路。改进的零序能量函数法采用中性点电压与故障相电压的差替代中性点电压来求零序能量函数，以能量曲线的斜率来判断故障线路，如果各条线路的能量曲线斜率符号相同则无故

19、障或者发生母线接地故障，此如果中性点电压幅值超过相电压的15则为母线接地故障；如果有线路能量曲线斜率与其它线路的能量曲线斜率符号不同，那么该线路为故障线路零序能量函数法和改进的零序能量函数法都没有考虑到测量误差和电流互感器不对称引起的零序不平衡电流，选线正确率受到限制。(7)最大（Isina）们原理 最大（Isina）原理是：把所有线路故障前、后的零序电流都投影到故障线路零序电流方向上，计算出各线路故障前、后的投影值之差，然后找出差值的最大值，即最大（Isina）。显然，当差值的最大值大于零时，对应的线路为故障线路。这种方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

20、衡的影响，但也有两个缺陷：计算过程中需选取一个中间参考正弦信号。如果该信号出现问题，如发生PT断线、交流电源失压等，将造成该算法失效；此外，这种算法在计算过程中需求出有关向量的相位关系，计算量很大22基于暂态分量的选线方法（1）零序暂态电流法 对于放射形结构的电网，暂态零序电流与零序电压的首半波之间存在着固定的相位关系。在故障线路上两者的极性相反，在非故障线路上两者的极性相同，由此可以检测出故障线路。这种方法可用于经过渡电阻接地、弧光接地等情况。但在电压过零短路时，暂态过程不明显，此法不适用。(2)首半波法 当故障发生在相电压接近于最大值瞬间时。暂态电容电流比暂态电感电流大很多，所以说故障初期

21、，电感电流和电容电流是不能相互补偿的，其暂态接地电流的特征主要是由暂态电容电流的特征所决定零序电流和零序电压首半波之间也存在着固定相位关系，对于放射性结构的电网而言，故障线路两个零序量极性相同，在非故障线路上两者极性相反首半波法的原理基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设。发生接地后的第1个半周期，故障线路零序暂态电流与正常线路零序暂态电流极性相反，但当单相接地故障发生在电源电压过零时，电流的暂态分量值很小时，易引起极性误判。(3)小波法 小波变换是一种信号的时间一频率分析方法，是一种窗口大小固定不变但形状可以改变，时间窗口和频率窗口都可以改变的时频局部化分析方法。小波交换的极大值检测

22、法是多尺度边缘检测，多尺度边缘检测是在不同尺度上先对信号进行平滑，再由光滑信号的一阶导数检测信号突变点。由小波变换的极大值检测法可知，当信号出现突变时，其小波变换后的系数具有模极大值，而且极性与信号的突变方向相同。应用小波变换对采集到的故障信号进行数据处理，求得各线路上零序电流的小波变换模极大值特征、选择合适的小波系数阈值，如果某线路Li上零序电流的小波模极值大于其它线路上零序电流的小波模极值，并且同一时刻线路Li上零序电流的小波模极值极性与其它线路相反，可判断Li为故障线路； 如果各线路上零序电流的小波模极值极性都相同，则为母线故障“”小电流接地电网单相接地故障等值电路是一个容性通路，故障的

23、突然作用在电路中产生的暂态电流通常很大；特别是发生弧光接地故障或间歇性接地故障的情况下暂态电流含量更丰富，持续时间更长小波选线方法对中性点不接地和中性点经消弧线圈接地的电网都适用；特别适应于故障状态复杂、故障波形杂乱的情况，与稳态量选线方法形成优势互补。(4)暂态能量法 为了有效减小测量误差和电流互感器不对称等因素的影响，定义每条线路的零序暂态能量增量为单相接地故障前后的中性点电压和线路零序电流的差值乘积在一个工频周期内的积分。监视中性点电压发现单相接地故障发生后，分别计算各条线路的暂态能量增量。如果某一条线路的暂态能量增量为负数，并且绝对值最大，则这条线路为故障线路；如果所有线路的暂态能量增

24、量均为正，则判断为“母线故障”由于暂态过程持续时间较短，实现起来对硬件的要求较高。23基于注入信号的选线方法(1)S注入法 S注入法选线原理不利用单相接地故障产生的信号。而是向系统注入外部信号进行选线通常从电压互感器二次侧注入电流信号，其频率取在各次谐波之间，从而保证不被工频分量及高次谐波分量干扰。注人电流信号沿接地线路的接地相流动，并经接地点入地，用信号探测装置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“”s注入法利用处于不工作状态的接地相电压互感器注入信号，不增加次设备，不影响系统运行。但是注入信号法也存在着一些问题：注入信号的功率不够大。变换到高压侧的注入信号非常微弱，很难准确

25、测量；经高阻按地对。注入信号微弱面不易检测；弧光接鲍时谐波含量丰富，注入信号极易受到干扰。(2)注入变频信号法 注入变频信号法根据故障后位移电压大小的不同，选择向消弧线圈电压互感器副边注入谐振频率恒流信号还是向故障相电压互感器副边注入谐振频率恒流信号，如莱位移电压较低，则从消弧线圈电压互感器注入谐振频率恒流信号，如果位移电压较高。则从故障相电压互感器注入谐振频率恒流信号。监视各条出线上注入信号产生的零序电流功角、阻尼率的变换，比较各条出线阻尼率的大小，再根据线路受潮及绝缘老化等因素得出选线判据。但是当接地电阻不太大时，信号电流大部分都经故障线路流通，导致非故障线路上阻尼率误差较大24综合法(1

26、)模糊神经网络法 模糊神经网络具有模糊信息处理能力，采用相对成熟的零序电流群体比幅比相法和能量函数法的结合，对其作算法上的改进并取得样本，通过模糊神经网络中的极大一极小神经网络进行训练，利用多层训练的收敛结果作为选线的判据。这种方法对电网结构和系统运行方式没有依赖性，而且比较特征量明显，选线准确率高。(2)基于小波包变换的模糊神经网络法 利用小波包分解教薄暂态信号，将信号分解成不同频带约信号，根据这些频带信号激励模糊神经网络，利用经过接地后零序电流训练的模糊神经网络来判别接地线路。这种方法不受负荷谐波、暂态过程、故障点过渡电阻等因素的影响。(3)模式识别和多层前溃神经网络法 提出用统计模式识别

27、中基于最小错误的贝时斯决策方法和入工神经网络方法进行选线这种方法将故障后各线路零序电流看作某类故障的一个模式，通过人工神经网络的训练与学习来判断故障模式，实现故障选线。(4)证据理论法 采用多重故障信息融合选线，利用单相接地故障在电网中表现出的多方面的特征，构造多个选线判据，对多判据提供的故障信息进行融合，得到准确的选线结果。文献对故障量进行特征提取，并按一定的算法进行计算，最终给出各条线路可能是故障线路的支持程度，即故障测度，选线结果由证据理论对这些判据提供的故障信息进行综合与决策而得出(5)粗糙集理论法 提出应用粗糙集理论对故障样本集进行数据挖掘和知识发现，确定各种选线方法的有效域。这种方

28、法以决策表为主要工具，对故障样本数据的信号特征进行离散化处理，对冗余信息进行知识简约，最终获得故障信号特征与选线方法之间的决策规则；对于不协调决策规则通过概率的表达形式进行有效处理。粗糙集理论能准确得到各种选线方法的有效域，为选线方法的智能融合奠定了良好的基础。2. 5 当前小电流接地系统单相接地故障现状 几十年来人们不断研究小电流接地系统单相接地故障定位原理, 已经取得了很多成果,积累了许多经验。但是, 由于配电网结构复杂, 节点多, 分支多, 树状接线多, 特别是农网; 加上配电网的运行方式复杂多变; 还有人们对小电 流接地系统单相接地故障特征没有完全认识; 根据目前故障选线及测距原理制造

29、的故障选线装置及测距装置还不能适应各种运行情况, 误、 漏判率也不低, 一些问题急待解决:(1) 全面认识小电流接地系统单相接地故障的特点, 研究更有效的单相接地故障原理, 制造出效果更好的选线装置; (2) 研究适合配电网的故障测距原理, 制造出效果更好的测距装置;(3) 利用现代信息技术、计算机技术、信号处理技术及网络技术, 提高在线故障定位的自动化水平和准确性。 3小电流接地系统单相接地故障过程分析 31小电流接地系统单相接地故障时的稳态过程在对小电流系统进行故障分析前，为了突出主要问题并简化分析，提出合理的假设；（1）不计磁路饱和、磁滞的影响。此时系统中各元件的参数恒定，可以应用叠加原

30、理。(2)系统是三相对称系统。不对称仅存在故障处。所以可应用对称分量法将各序的网络用单相等值电路分析。(3)各元件序参数的阻抗角可认为相等，进而认为系统综合阻抗角相等。(4)在进行短路电流大小计算时，一般可略去各元件的电阻。(5)负荷只作估计或作为恒定阻抗，或当作临时附加电源，视情况而定。当然，任何一条假设都是相对的，有条件的，在一种场合下不大起作为的因素，在另外一种情况下则可能显示重大的甚至是决定性的影响。在考虑小电流接地系统的线路模型时，为了精确，就要考虑系统线路的对地电容，而且用集中电容代替分布电容。小电流接地电网单相接地过渡过程的特点当发生单相接地故障时, 接地电容电流的暂态分量可能较

31、稳态分量值大很 多倍。 在一般情况下, 由于电网中绝缘被击穿而引起的接地故障, 经常发生在相 电压接近于最大值的瞬间, 因此, 可以将暂态电流看成是如下两个电流之和:(1) 由于故障相电压突然降低而引起的放电电容电流, 它通过母线流向故 障点,放电电流衰减很快, 其频率高达数千赫兹, 振荡频率主要决定于电网中的 线路参数、故障点的位置以及过渡电阻。(2) 由于非故障相电压突然升高而引起的充电电容电流, 它主要通过电源 而形成回路。 由于整个流通回路的电感较大, 因此, 充电电流衰减很慢, 振荡频 率也很低(仅数百赫兹)。 对于中性点经消弧线圈接地的电网, 由于暂态电感电流 的最大值应出现在接地

32、故障发生时相电压过零值瞬间, 而当故障发生在相电压 接近最大值时, 暂态电感电流为零。 因此, 暂态电容电流较暂态电感电流大很 多, 所以在同一电网中,不论中性点绝缘或是经消弧线圈接地, 在相电压接近 于最大值时, 发生故障的瞬间, 其过渡过程是近似相同的。 暂态接地电流的幅值和频率特性均主要由电容电流的特性决定。 311中性点不接地系统单相接地故障的稳态分析 图l中性点不接地系统单相接地故障时的电流分布图 图l中性点不接地系统单相接地故障时的电流分布图Fig1Thecircuitofsinglephase-to-groundfaultforIsolatedneutralsystem 如图l所示的中性点不接地系统，有2条馈出线。正常运行时，各相对地电