【正文】 究現(xiàn)狀 對(duì)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(duì)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(guò)電流、無(wú)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(diǎn)不接地或經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，選線原理簡(jiǎn)單，采用基波無(wú)功方向法。近年來(lái)，在如何獲取零序電流信號(hào)以及接地點(diǎn)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(yàn)成功。德國(guó)多使用中性點(diǎn)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(kāi)始暫態(tài)過(guò)程的單相接地保護(hù)原理，研制了便攜式接地報(bào)警裝置。法國(guó)使用中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)幾十年后，現(xiàn)在正以中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)取代中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，同時(shí)開(kāi)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(guó)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(zhuān)家系統(tǒng)方法，隨著小波分析的出現(xiàn)和發(fā)展，國(guó)內(nèi)外 均有文獻(xiàn)提及，利用小波分析良好的時(shí)頻局部性，分析故障暫態(tài)電流的高頻分量的方法。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁(yè) 我國(guó)從 1958 年起，就一直對(duì)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的選線問(wèn)題進(jìn)行研究，提出了多種選線方法，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的裝置。 20 世紀(jì) 50 年代我國(guó)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(hào)裝置，如反映中性點(diǎn)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(yùn)行部門(mén)還采用反映零序電流增大的零序電流保護(hù)來(lái)選線。 近幾年來(lái)，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(shí)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(shí) 際應(yīng)用中，對(duì)于中性點(diǎn)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(duì)于中性點(diǎn)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(wèn)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(diǎn) 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障選線問(wèn)題之所以難以解決，主要原因有以下幾點(diǎn)： （ 1）故障邊界太復(fù)雜、隨機(jī)，難以用單一統(tǒng)計(jì)模型描述。 （ 2）故障穩(wěn)態(tài)分量小，給信號(hào)的檢測(cè)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(guò)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(hào)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(duì)較大，加上零序回路對(duì)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(duì)于中性點(diǎn)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(diǎn)時(shí)，即全補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，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(diǎn)位移電壓同相位 。欠補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，殘流中不僅含有有功分量，同時(shí)含 有容性無(wú)功電流分量，其幅值明顯大于全補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)的幅值，殘流的相位領(lǐng)先于零序性質(zhì)的中性點(diǎn)位移電壓。當(dāng)電流諧振回路工作于過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，殘流中含有有功分量和感性無(wú)功分量，殘流相位滯后于中性點(diǎn)位移電壓。 ②線路長(zhǎng)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(guó)礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) 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(guò)零附近，此時(shí)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(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中存在瞬時(shí)功率倒相問(wèn)題。由于系統(tǒng)運(yùn) 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(huì)對(duì)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(duì)象是小電流接地系統(tǒng)，即中性點(diǎn)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(shí)，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(shí)，由于系統(tǒng)對(duì)地電容與故 障點(diǎn)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(jì)算的消弧線圈，對(duì)于高頻分量，其對(duì)地阻抗將成倍地增加，從而對(duì)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(gè)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(hào)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(duì)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(guò)程和暫態(tài)過(guò)程，為選線方法尋找理論依據(jù)。 然后，通過(guò) 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(shí)的實(shí)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(shí)暫態(tài)特征。 結(jié)合暫態(tài)接地故障時(shí)的暫態(tài)特征，研 究現(xiàn)有的選線方法，對(duì)它們的原理做了分析， 對(duì)選線判據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證， 同時(shí)也對(duì)各種選線算法的優(yōu)缺點(diǎn)有了深刻的理解，為尋找選線判據(jù)打下基礎(chǔ)。 本文僅對(duì)得到的實(shí)驗(yàn)波形做了單零點(diǎn)非遞歸算法的陷波處理，提取暫態(tài)特征信號(hào)。最后，給出本文的選線判據(jù)。由于模擬電網(wǎng)實(shí)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(yàn)證。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè) 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(diǎn)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(diǎn) 。電力系統(tǒng)中性點(diǎn)的 運(yùn)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(jí)、內(nèi)部過(guò)電壓、通信干擾、系統(tǒng)接線方式等。 變壓器 Y 線圈的中性點(diǎn)，目前有三種處理方式，一是不接地， 10~35Kv 系統(tǒng)多屬這類(lèi)情況。二是經(jīng)過(guò)一個(gè)線性電抗線圈，即消弧線圈接地， 10~63Kv 多屬這類(lèi)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(lèi)情況。 此外，目前有些大城市的 10Kv 及 20Kv 系統(tǒng)的中性點(diǎn)也有采用經(jīng)小電阻接地的 [1]。 中性點(diǎn) 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(diǎn)不接地 、中性點(diǎn)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(diǎn)如下表所示： 表 不同接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較 [3] 接地方式 中性點(diǎn)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(guò) 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(shí)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(guò)電壓 最高 可控制 最低 大氣過(guò)電壓 直接 沒(méi)有實(shí)際的差別 間接 產(chǎn)生中性點(diǎn)振蕩 中性點(diǎn)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(guó)礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) 發(fā)生單相接地時(shí)對(duì)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(shí)常操作，兩相接地故障時(shí)恢復(fù)電壓增大 經(jīng)常操作，單相接地故障時(shí)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(dòng)作于指示 簡(jiǎn)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(diǎn)對(duì)沖擊波有保護(hù)措施，到相當(dāng)程度 到相當(dāng)程度 開(kāi)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(shí)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(méi)有特殊措施，不能保證 對(duì)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(diǎn)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(lèi)，可能影響繼電保護(hù) 操作過(guò)程 簡(jiǎn)單 要監(jiān)視調(diào)諧情況，有時(shí)候要調(diào)整接頭 簡(jiǎn)單 對(duì)電話的干擾 問(wèn)題不大 問(wèn)題不大 要引起注意 對(duì)無(wú)線電的干擾 當(dāng)持續(xù)故障時(shí)，可能值得注意 要注意 接近故障點(diǎn)時(shí)對(duì)生命的危險(xiǎn) 常拖延時(shí)間 可忽略 減輕 接地裝置的可靠性 —— 良好 相當(dāng)好 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 費(fèi)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(diǎn)不接地電網(wǎng)單相接地故障的特點(diǎn) [4,6] ACIBCBI0CAEBE CEDIBICI 圖 21（ a）簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)接線圖 AEBECE DICI BI BICDU BDU ?0U 圖 21（ b） A 相接地時(shí)的相量圖 如圖示，正常運(yùn)行情況下，三相對(duì)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(duì)地電壓為 0ADU? ? () 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 01503。jB D B A AU E E E e ?? ??? () 01503 jC D C A AU E E E e ?? ? ? ?； () 故障點(diǎn) 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(diǎn)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(shí)，從接地點(diǎn)流回的電流 D B CI I I??， 其有效值為 03DI U jwC?? ，即正常運(yùn)行時(shí)，三相對(duì)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(shí)，每臺(tái)發(fā)電機(jī)和每條線路，每臺(tái)發(fā)電機(jī)和每條線路對(duì)地均有電容存在，設(shè)以 0fC ， 01C ， 02C 等集中電容來(lái)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(duì)地的電壓等于零，因而各元件 A相對(duì)地的電容電流也等于零，同時(shí) B 相和C 相得對(duì)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(shí)，用三相系統(tǒng)表示的電容電流圖 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 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(duì)于中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中的單相接地故障，通過(guò)上述分析可以得出結(jié)論： （ 1） 在發(fā)生單相接地時(shí)，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(duì)地電容電流，電容性無(wú)功功率的實(shí)際方向?yàn)槟妇€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(duì)地電容電流之總和，數(shù)值一般較大，電容性無(wú)功功率的實(shí)際方向?yàn)榫€路流向母線 [5]。 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)單相接地故障的特點(diǎn) 據(jù)上述分析，當(dāng)中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中發(fā)生單相接地時(shí)，在中性點(diǎn)要流過(guò)全系統(tǒng)的對(duì)地電容電流，如果此電流過(guò)大，就會(huì)在接地點(diǎn)燃起電弧，引起弧光過(guò)電壓，從而使非故障相的