【正文】 究現(xiàn)狀 對于故障選線的研究，在前蘇聯(lián)，小接地電流系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，并對其保護(hù)原理和裝置給予了很大重視，研制了幾代裝置，在供電和煤炭行業(yè)得到了應(yīng)用，保護(hù)原理從過電流、無功方向發(fā)展到了群體比幅。裝置由電磁式繼電器，晶體管發(fā)展到了模擬集成電路和數(shù)字電路，而微機(jī)構(gòu)成的裝置較少。 日本在供電、鋼鐵、化工用電中普遍采用中性點不接地或經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，選線原理簡單，采用基波無功方向法。近年來，在如何獲取零序電流信號以及接地點分區(qū)段方面投入不少力量 ，采用光纖研制的架空線和電纜零序互感器試驗成功。德國多使用中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，并于 20 世紀(jì) 30 年代就提出了反映故障開始暫態(tài)過程的單相接地保護(hù)原理，研制了便攜式接地報警裝置。法國使用中性點經(jīng)電阻接地系統(tǒng)幾十年后，現(xiàn)在正以中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)取代中性點經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，同時開發(fā)了高新技術(shù)產(chǎn)品：零序?qū)Ъ{接地保護(hù)。 20世紀(jì)九十年代初 ，國外已將人工神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理應(yīng)用于單相接地保護(hù)，并有文獻(xiàn)提到應(yīng)用專家系統(tǒng)方法，隨著小波分析的出現(xiàn)和發(fā)展，國內(nèi)外 均有文獻(xiàn)提及，利用小波分析良好的時頻局部性，分析故障暫態(tài)電流的高頻分量的方法。 中國礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 頁 我國從 1958 年起，就一直對小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的選線問題進(jìn)行研究，提出了多種選線方法，并開發(fā)了相應(yīng)的裝置。 20 世紀(jì) 50 年代我國有根據(jù)首半波極性研制成功的接地保護(hù)裝置和利用零序電流五次諧波研制成功的接地選線定位裝置。 70年代后期，上海繼電器廠和許昌繼電器廠等單位研制生產(chǎn)了一批有選擇性的接地信號裝置，如反映中性點不接地系統(tǒng)零序功率方向 保護(hù) ZD4 型保護(hù)，反映經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng) 5 次諧波零序功率方向的 ZD ZD6 型保護(hù) 。有些運行部門還采用反映零序電流增大的零序電流保護(hù)來選線。 近幾年來，隨著微機(jī)在電力系統(tǒng)中的推廣，相繼又出現(xiàn)了一些微機(jī)型接地選線裝置和適合微機(jī)實現(xiàn)的選線理論。其中有南自研究院研制的微機(jī)小電流接地系統(tǒng)單相接地選線裝置，其主要原理是比較線路零序電流 5 次諧波的大小和方向；華北電力大學(xué)利用零序電流的 5次諧波比相原理研制的 ML98 型小電流接地系統(tǒng)單相接地微機(jī)選線裝置 [2]。 到目 前為止，基于不同選線理論已經(jīng)先后推出了幾代產(chǎn)品。但在實 際應(yīng)用中，對于中性點不接地系統(tǒng)采用比幅、比相原理選線可以達(dá)到很高的準(zhǔn)確率。但對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，基于穩(wěn)態(tài)特征分量的選線效果就不很理想，所以此問題有必要進(jìn)一步研究。 小電流 接地 系統(tǒng)單相接地故障 選線難點 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障選線問題之所以難以解決，主要原因有以下幾點： （ 1）故障邊界太復(fù)雜、隨機(jī)，難以用單一統(tǒng)計模型描述。 （ 2）故障穩(wěn)態(tài)分量小，給信號的檢測和選線判斷造成困難。特別是經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，流過故障線路的電流十分微弱，甚至比健全線路感受到的電流變化還小。故障信號疊加在 負(fù)荷電流上，穩(wěn)態(tài)幅值小，現(xiàn)有的電流互感器很難準(zhǔn)確檢出，而且環(huán)境電磁干擾相對較大，加上零序回路對高次諧波及各種暫態(tài)量的放大作用，使得檢出的故障穩(wěn)態(tài)分量信噪比非常低 [2]。 （ 3） 影響小電流將接地系統(tǒng)故障選線準(zhǔn)確性和可靠性的因素很多。 ① 補(bǔ)償電網(wǎng)失諧度的影響。對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，失諧度表示電流諧振等效回路的不同工作狀態(tài)和偏離諧振的程度。當(dāng)電流諧振回路恰好在諧振工作點時，即全補(bǔ)償狀態(tài)時，殘流中僅含有有功分量，此殘流幅值最小，且與零序性質(zhì)的中性點位移電壓同相位 。欠補(bǔ)償狀態(tài)時，殘流中不僅含有有功分量，同時含 有容性無功電流分量，其幅值明顯大于全補(bǔ)償狀態(tài)時的幅值，殘流的相位領(lǐng)先于零序性質(zhì)的中性點位移電壓。當(dāng)電流諧振回路工作于過補(bǔ)償狀態(tài)時，殘流中含有有功分量和感性無功分量，殘流相位滯后于中性點位移電壓。 ②線路長短及結(jié)構(gòu)的影響。 ③故障合閘角的影響。小電流接地系統(tǒng)單相接地故障一般發(fā)生在相電壓峰值附中國礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 3 頁 近，可以產(chǎn)生明顯的暫態(tài)電流，但是單相接地故障也可能發(fā)生在相電壓過零附近，此時故障零序電流中高頻暫態(tài)量小，感性衰減直流分量很大。 ④電流互感器和電壓互感器的影響。 ⑤中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中存在瞬時功率倒相問題。由于系統(tǒng)運 行方式的改變，消弧線圈突然進(jìn)入全補(bǔ)償狀態(tài)而可能發(fā)生的“虛幻接地現(xiàn)象 ”會對準(zhǔn)確 選線造成困難。 本 論 文 研究的目的和主要內(nèi)容 本文探討的對象是小電流接地系統(tǒng)，即中性點不直接接地系統(tǒng)。主要討論的是在小電流接地系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，如何正確的進(jìn)行故障線路的選擇。 小電流接地系統(tǒng)饋線發(fā)生單相接地故障時，由于系統(tǒng)對地電容與故 障點之間的充放電，將產(chǎn)生振幅比穩(wěn)態(tài)基頻大許多的高頻暫態(tài)分量，而且，按照基頻計算的消弧線圈，對于高頻分量，其對地阻抗將成倍地增加，從而對故障后暫態(tài)高頻電流分量的影響較小，因此在故障的前幾 個周波，消弧線圈產(chǎn)生的電感電流的高頻分量的頻率與電容電流高頻分量的頻率不一致。若能提取暫態(tài)信號中的特征分量，則不僅有望顯著提高選線精度，而且可以忽略消弧線圈對選線的影響。所以，本文采用故障暫態(tài)分量，利用數(shù)字陷波處理的方法提取暫態(tài)特征，進(jìn)行故障選線。 研究的主要內(nèi)容有：首先分析了小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障穩(wěn)態(tài)過程和暫態(tài)過程，為選線方法尋找理論依據(jù)。 然后，通過 小電流接地 模擬電網(wǎng)在不同條件下發(fā)生單相接地故障時的實錄波形分析與處理，得到了小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時暫態(tài)特征。 結(jié)合暫態(tài)接地故障時的暫態(tài)特征，研 究現(xiàn)有的選線方法，對它們的原理做了分析， 對選線判據(jù)進(jìn)行了驗證， 同時也對各種選線算法的優(yōu)缺點有了深刻的理解，為尋找選線判據(jù)打下基礎(chǔ)。 本文僅對得到的實驗波形做了單零點非遞歸算法的陷波處理，提取暫態(tài)特征信號。最后，給出本文的選線判據(jù)。由于模擬電網(wǎng)實錄波形的局限性，本文采用 五 出線 的模擬電網(wǎng)，進(jìn)行此方法的驗證。 中國礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 頁 2 小電流接地選線理論基礎(chǔ) 小電流接地方式介紹 電力系統(tǒng)中性點是指電力系統(tǒng)中星形連接的發(fā)電機(jī)和變壓器的中性點 。電力系統(tǒng)中性點的 運行方式 涉及到很多因素，如絕緣水平、供電可靠性、接地保護(hù)方式、電壓等級、內(nèi)部過電壓、通信干擾、系統(tǒng)接線方式等。 變壓器 Y 線圈的中性點，目前有三種處理方式，一是不接地， 10~35Kv 系統(tǒng)多屬這類情況。二是經(jīng)過一個線性電抗線圈，即消弧線圈接地， 10~63Kv 多屬這類情況。 三是直接接地， 110kV 及以上電壓系統(tǒng)和 380/220V 三相四線低壓系統(tǒng)都屬這類情況。 此外，目前有些大城市的 10Kv 及 20Kv 系統(tǒng)的中性點也有采用經(jīng)小電阻接地的 [1]。 中性點 直接接地與經(jīng)小阻抗接地 屬于有效接地系統(tǒng) 或大電流接地系統(tǒng) ，中性點不接地 、中性點經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)高阻抗接地 屬于非有效接地系統(tǒng)或者小接地電流系統(tǒng) 。 各種接地方式優(yōu)缺點如下表所示： 表 不同接地方式的優(yōu)缺點比較 [3] 接地方式 中性點絕緣 諧振接地 純電阻接地 接地故障電流 電容接地故障電流 被中和抵消 減低了，但大于電容接地故障電流 過 電 壓 工頻 接地故障（健全相） 全線電壓，或者稍高 全線電壓 全線電壓，有時更大 相序顛倒的接地故障 可能 不大可能 不大可能 暫態(tài) 弧光接地 可能 避免 避免 操作過電壓 最高 可控制 最低 大氣過電壓 直接 沒有實際的差別 間接 產(chǎn)生中性點振蕩 中性點振蕩受到限制 暫態(tài)接地故障 電弧性電弧 受到限制 轉(zhuǎn)化為受控制的故障電流 中國礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 頁 發(fā)生單相接地時對設(shè)備的損害 可觀 避免 減輕 斷路器負(fù)載 需要經(jīng)常操作和維護(hù) 不時常操作，兩相接地故障時恢復(fù)電壓增大 經(jīng)常操作，單相接地故障時負(fù)載減輕 接地故障繼電保護(hù) 不可靠 可以做到合用，常限在動作于指示 簡單及合用 避雷器負(fù)載及性能 在正常平衡情況 負(fù)載在額定值之下 工頻序流受抑制 負(fù)載在額定值之下 接地故障間隙上的電壓，以 3E百分比表示 100105% 100% 100105% 保護(hù)性能 正常 變壓器采用分段絕緣的可能性 如果中性點對沖擊波有保護(hù)措施，到相當(dāng)程度 到相當(dāng)程度 開關(guān)的絕緣 100%避雷器的基準(zhǔn)絕緣水平 停電引起的負(fù)作用 百分比大 不正常停電 百分比大 單相接地故障時的系統(tǒng)穩(wěn)定性 不可靠 良好 通常有改善 供電可靠性 不能保證 良好 沒有特殊措施，不能保證 對系統(tǒng)布置的影響 最好有雙電源 單電源已足 宜用雙電源 采用其它接點方式系統(tǒng)的連接 要喪失原有特性 不可能，除非經(jīng)隔離變壓器 連接后的系統(tǒng)應(yīng)重新歸類，可能影響繼電保護(hù) 操作過程 簡單 要監(jiān)視調(diào)諧情況，有時候要調(diào)整接頭 簡單 對電話的干擾 問題不大 問題不大 要引起注意 對無線電的干擾 當(dāng)持續(xù)故障時，可能值得注意 要注意 接近故障點時對生命的危險 常拖延時間 可忽略 減輕 接地裝置的可靠性 —— 良好 相當(dāng)好 中國礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 6 頁 費用 —— 中等，如果忽略去雙電源就低 中等 各種接地方式單相接地故障分析 中性點不接地電網(wǎng)單相接地故障的特點 [4,6] ACIBCBI0CAEBE CEDIBICI 圖 21（ a）簡單網(wǎng)絡(luò)接線圖 AEBECE DICI BI BICDU BDU ?0U 圖 21（ b） A 相接地時的相量圖 如圖示，正常運行情況下，三相對地有相同的電容 0C ，在相電壓作用下，每一相都有超前于相電壓 090 的電容電流流入地中，而三相電容電流之和等于零。 假設(shè) A 相發(fā)生了單相接地故障，則各相對地電壓為 0ADU? ? () 中國礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁 01503。jB D B A AU E E E e ?? ??? () 01503 jC D C A AU E E E e ?? ? ? ?； () 故障點 d的零序電壓為 0 1 ( ) 。3d A D B D C D AU U U U E? ? ?? ? ? ? ? () 在非故障相中流向故障點的電容電流為 0B B DI U jwC?? ； () 0C C DI U jwC?? ； () 其有效值為 0BCI I U jw C??? ，式中 U? 為相電壓的有效值。 此時，從接地點流回的電流 D B CI I I??， 其有效值為 03DI U jwC?? ，即正常運行時，三相對地電容電流的算術(shù)和。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有發(fā)電機(jī)（ F）和多條線路存在時，每臺發(fā)電機(jī)和每條線路，每臺發(fā)電機(jī)和每條線路對地均有電容存在，設(shè)以 0fC ， 01C ， 02C 等集中電容來表示，當(dāng)線路 II A 相接地后，如果忽略負(fù)荷電流和電容電流在線路阻抗上的電壓降，則全系統(tǒng) A 相對地的電壓等于零，因而各元件 A相對地的電容電流也等于零，同時 B 相和C 相得對地電壓和電容電流也都升高 3 倍 ，仍可用式 ()至 式 ()表示。 下圖為這種情況下的電流分布： AEBECE 01C02C0 SfIBSI CSI1CI 1BI2BI 2CI2AI1CI 1BI2CI 2BICBA1線 路線 路 2 圖 22 單相接地時，用三相系統(tǒng)表示的電容電流圖 中國礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁 1線 路線 路 201C02C0 SC 01I02I0 SI0 SI01I0fUTL 圖 23 單相接地故障零序等效網(wǎng)絡(luò) 對于中性點不接地電網(wǎng)中的單相接地故障，通過上述分析可以得出結(jié)論： （ 1） 在發(fā)生單相接地時，全系統(tǒng)都將出現(xiàn)零序電壓。 （ 2） 在非故障元件上有零序電流，其數(shù)值等于本身的對地電容電流，電容性無功功率的實際方向為母線流向線路。 （ 3） 在非故障線路上，零序電流為全系統(tǒng)非故障元件對地電容電流之總和，數(shù)值一般較大，電容性無功功率的實際方向為線路流向母線 [5]。 中性點經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)單相接地故障的特點 據(jù)上述分析，當(dāng)中性點不接地電網(wǎng)中發(fā)生單相接地時，在中性點要流過全系統(tǒng)的對地電容電流，如果此電流過大，就會在接地點燃起電弧，引起弧光過電壓，從而使非故障相的