【正文】 學院畢 業(yè) 設 計 (論 文) 任 務 書專業(yè)班級1003 層次高起專 姓名 趙麒 學號10017439010110 一、畢業(yè)設計（論文）題目 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法的分析研究 二、畢業(yè)設計（論文）工作自2011 年12月28日起至 2012 年 3 月21日止三、畢業(yè)設計（論文）基本要求： 論文的總體結構應分為以下部分：題目、摘要、目錄、前言、正文、結論、參考文獻和附錄等幾部分組成。該方法綜合了兩種具體的區(qū)段定位方法：基于特征頻帶的暫態(tài)零序電流方向比較法和零序電流有功分量幅值比較法，前者提取首容性頻帶內暫態(tài)零序電流分量用于電流流向比較，適用于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的強故障與中性點不接地系統(tǒng)的所有故障；后者通過比較各個檢測點處零序電流有功分量大小選擇故障區(qū)段，適用于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生弱故障的情況。 課題背景及研究意義 單相接地故障的危害及其研究意義隨著國民經(jīng)濟和電力工業(yè)的發(fā)展，我國城鄉(xiāng)電網(wǎng)迫切需要實現(xiàn)配電自動化，以提高供電質量和可靠性。雖然單相接地不會造成供電中斷，帶單相接地故障長時間運行就易使健康相絕緣薄弱處發(fā)生對地擊穿，造成兩相接地短路故障，弧光接地還會引起全系統(tǒng)過電壓，進而損壞設備，破壞系統(tǒng)連續(xù)運行。在政策的支持下，近十年來我國的配電自動化有較大的發(fā)展，在一些經(jīng)濟發(fā)達、較發(fā)達地區(qū)建設起了不同規(guī)模的配電自動化系統(tǒng)。當發(fā)生故障時，電力工作人員可以根據(jù)故障指示器的指示信息和工作經(jīng)驗沿線路查找故障區(qū)段，并利用負荷開關人工隔離故障區(qū)段和供電恢復操作。但是投資較大，對通信系統(tǒng)的可靠性和通信速率要求很高。 單相接地故障定位的研究現(xiàn)狀分析單相接地故障定位要解決的主要問題包括三部分:（1）當母線上有很多出線時，首先需要進行故障選線。 監(jiān)測定位法監(jiān)測定位法就是在配電線路的主要節(jié)點加裝故障探測器，將故障信息加以匯總分析，得到故障所在區(qū)段。這些文獻展示了國外的一些研究方向和具體應用。文獻[12]提出類似的方法，不過不是基于相量和，而是基于區(qū)段零序電流的有效值法。故障測距的算法是基于暫態(tài)電壓（為故障后總電壓和故障前穩(wěn)態(tài)電壓的差值），并結合特殊的濾波技術，準確的從被測故障信號中提取基頻相位。國外的研究主要關注問題：變化的負荷模型；過渡阻抗；相不平衡；多分支；沿線為架空線和電纜線的混合。文獻[20]假設Z為純阻性，采用了線路分布參數(shù)模型，精確考慮了分布電容對測距算法的影響。上述方法總的缺點：所利用的電氣量為工頻量。所用電氣量為暫態(tài)的某些分量。并提出克服故障瞬時角影響因素的校正算法。行波法具有不受系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)運行方式變化，線路不對稱及互感器變換誤差等因素的影響,在電子技術日益發(fā)展的今天,利用故障產(chǎn)生的行波信息實現(xiàn)配電網(wǎng)故障測距具有重要研究意義。優(yōu)點：適合于線路上只安裝2相電流互感器的系統(tǒng)。文獻[40]在利用系統(tǒng)傳遞函數(shù)作為故障分析的基本方法的基礎上,提出了解決多分支配電網(wǎng)接地故障定位的特征向量法。本文所做的工作如下：（1）對中性點非直接接地系統(tǒng)的單相接地故障進行暫態(tài)過程分析，尋找故障區(qū)段和非故障區(qū)段暫態(tài)電氣分量的特征差異，及存在特征差異的頻帶。在中性點非直接接地系統(tǒng)單相接地故障時，存在一個明顯的暫態(tài)過程，電氣量中含有大量豐富的高頻分量和直流分量。發(fā)電機端的零序電流為 （23）其有效值為 （24）即發(fā)電機零序電流為其本身的電容電流，電容性無功功率的方向為母線流向線路，這個特點與非故障線路是一樣的。通過對中性點不接地（或經(jīng)消弧線圈接地）系統(tǒng)零序電流的分析，可知：（1）當中性點不直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，全系統(tǒng)將出現(xiàn)零序電壓。而當發(fā)生接地故障時，接地電容電流的暫態(tài)分量比穩(wěn)態(tài)量大很多倍，因此可以考慮利用暫態(tài)分量來實現(xiàn)故障區(qū)段定位。因此，零序電壓源發(fā)出的工頻零序電壓，在中性點連接消弧線圈的變壓器里，被畸變?yōu)橐唤M串聯(lián)的零序奇次諧波電壓源，其幅值隨諧波次數(shù)的增加而減小。而電路結構突變和鐵芯飽和產(chǎn)生諧波電壓的過程，都對電壓的相角沒有太大改變。如以線路長度l代入x，則可得線路始端的電壓、電流為 （213）本文分析的是線路零序輸入阻抗。的感性頻帶。綜合觀察圖23，可發(fā)現(xiàn)線路參數(shù)和線路長度共同影響著阻抗值的大小，而影響阻抗角的變化周期（即容性頻帶或感性頻帶的長度）卻只有線路長度?？梢?，消弧線圈的感性補償作用在系統(tǒng)過補償時，能使故障線路零序電流基波分量由一個幅值較大的容性電流變?yōu)橐粋€幅值較小的感性電流。 區(qū)段的暫態(tài)零序電流特性分析 配電系統(tǒng)的結構從拓撲結構上，配電網(wǎng)可分為輻射狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和環(huán)狀網(wǎng)，如圖24所示。在區(qū)段定位中，需要分析線路中每個檢測點處的暫態(tài)信號特征：（1）健全線路上：各檢測點檢測的零序阻抗是下游線路自身阻抗，仍然可以看作末端開路的均勻傳輸線。的容性頻帶，以第二個交變頻帶為首的偶數(shù)次頻帶都是阻抗角為90176。 特征頻帶上下限的確定對中性點不接地和經(jīng)高阻接地系統(tǒng)，SFB 可選為從0 到該檢測點檢測零序阻抗的最小串聯(lián)諧振頻率的頻帶范圍。從以上分析可知，所有檢測點的零序阻抗最終用幾條簡單線等效串聯(lián)來界定其大致范圍，從而進一步確定上限截止頻率。由于整個系統(tǒng)有無數(shù)串聯(lián)諧振過程，暫態(tài)故障電流中含有的諧振電流也有無數(shù)多。而且，因為暫態(tài)信號特征分量內包含了暫態(tài)過程的主諧振分量即暫態(tài)信號的主要能量，可以保證保護的可靠性和靈敏性。定義故障線路故障點上游各檢測點為第一類檢測點，此中包括；健全線路及故障線路下游檢測點為第二類檢測點，此中包括。此外，任何單一暫態(tài)零序電流幅值比較的故障選線方法都有其局限性，不能適合所有的故障狀況。在此基礎上可通過綜合比較各檢測點處的電流方向確定故障區(qū)段。為防止健全線路電流微弱受干擾影響發(fā)生誤判，判據(jù)可定為： （36）式中：——整定值。如此例中有[0 ]，確定故障點在檢測點1下游。 實現(xiàn)算法對各檢測點（設為檢測點k）的零序電壓、零序電流作如下處理：1）確定特征頻帶范圍，獲得特征電壓和特征電流；2）計算特征電流無功分量；3）計算該處參量； （312）式中：——采樣間隔。 零序電流有功分量幅值比較的方法 算法原理經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時，由于消弧線圈的并（串）電阻會在故障線路中產(chǎn)生有功分量電流，而且消弧線圈本身的有功成分較大（實測單相接地時其有功電流達2~3A），在故障線路中會有較大的零序有功分量電流。需要進一步的判斷，因第一類檢測點和第二類檢測點的值大小差別很大，所以可以根據(jù)兩類檢測點的量值的相關性進行進一步區(qū)分：求比值，若（文中?。瑒t認為二檢測點相關，故障點在下游檢測點的下游。2）經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，在弱故障（零序電流工頻量所占比例大）時，采用零序電流有功分量方法；強故障（零序電流工頻量所占比例?。r，采用暫態(tài)零序電流方向比較方法。圖32 綜合區(qū)段定位算法的流程框圖 EMTP仿真研究 EMTP仿真模型的建立本文中的仿真工作，全部是用ATP（Alternative Transients Program）仿真計算程序和ATPDraw 圖形化仿真平臺程序完成的。b 變壓器參數(shù)原邊電壓110kV，；，電感；低壓側單相線圈電阻，電感；勵磁電流，勵磁磁通，磁路電阻。本文給出4種典型故障條件下的接地故障實驗。（2）弱故障情況 (系統(tǒng)中性點運行在經(jīng)消弧線圈接地方式)對于仿真系統(tǒng)發(fā)生區(qū)段3，A相接地故障,故障點距3檢測點（初始角=10176。（3）強故障情況（系統(tǒng)中性點運行在不接地方式）對于仿真系統(tǒng)發(fā)生區(qū)段5，A相接地故障,故障點距5檢測點（初始角=80176。（4）弱故障情況 (系統(tǒng)中性點運行在不接地方式)對于仿真系統(tǒng)發(fā)生區(qū)段3，A相接地故障,故障點距3檢測點（初始角=10176。這些數(shù)據(jù)結果表明:1）利用暫態(tài)零序電流方向比較方法，在初相角大，過渡電阻小的時候適用。在工頻量所占比例大時，能有效利用電流值較大的低頻電流分量，而且利用低頻分量的有功分量，去除消弧線圈感性電流的影響；否則，能自動選擇第一個容性頻帶內的暫態(tài)電流分量進行幅值比較，而且所選擇的第一個容性頻帶也會自動適應系統(tǒng)參數(shù)和故障模式的變化。在配電網(wǎng)中，故障測距所存在的問題不同于輸電系統(tǒng)，最關鍵的是在單相地故障時難于找到準確的表征故障位置的電氣變量和故障特征。過去配網(wǎng)中故障點定位的方法為：定出線后，由巡線人員沿線尋找。 小結暫態(tài)零序電流的容性分量方向一致，而流向故障區(qū)段前后不同檢測點處流向不同，本章基于此特征提出了基于暫態(tài)零序特征電流方向的綜合區(qū)段定位方法。2）比較各出線端檢測點處值，即所建立矩陣第0行對應值，此處為[0 ]：。2）比較各出線端檢測點處值，即所建立矩陣第0行對應值，此處為[0 ]：。3）進一步比較故障線路檢測點1下游相鄰檢測點，即矩陣的第1行對應值 [1 0]。2）比較各出線端檢測點處值，即所建立矩陣第0行對應值 [0 ]：。根據(jù)線路參數(shù)及長度可計算出消弧線圈電感為。所用變壓器中性點通過接地開關和消弧線圈相連，開關閉合為消弧線圈接地系統(tǒng)，打開為不接地系統(tǒng)。（5）求各線路濾波前后電流有效值的比值K=。但是所利用的電流值很小，容易受測量誤差和計算誤差影響。圖31 求取零序電流有功分量 故障區(qū)段具體判別方法，判斷故障區(qū)段過程（仍以圖210中區(qū)段c內故障為例）：1） 建立檢測點關聯(lián)矩陣，并將各檢測點對應零序電流低頻有功分量值寫入矩陣； 2） 比較各出線端檢測點處值，即所建立矩陣第0行對應值，此例中為[0 ]。這時，暫態(tài)電容電流的工頻分量較大，非故障線路暫態(tài)零序電流的能量主要集中在低頻帶：0～50Hz（此時故障特征很不明顯，可以稱為弱故障）。由前面分析知，第一類檢測點和第二類檢測點處的值大小差別很大，所以可以根據(jù)兩類檢測點的量值的相關性進一步區(qū)分。以圖210配電系統(tǒng)為例： （310）表示沒有下接檢測點。在特征頻帶內，對于各檢測點的零序無功電流，對應的負荷都可以等效為集中參數(shù)電容。故障點上游及下游檢測點處暫態(tài)零序電流的極性呈現(xiàn)一定特性: 1）第一類檢測點（即故障線路故障點上游各檢測點）的容性電流從線路流向母線。 從而各檢測點處特征頻帶內暫態(tài)零序電流有如下特性：1）第一類檢測點（即故障線路故障點上游各檢測點）的容性電流均從線路流向母線。 特征頻帶內暫態(tài)零序電流的分布特點以兩條出線的小電流接地系統(tǒng)為例，兩出線分為6個區(qū)段，設系統(tǒng)的區(qū)段e發(fā)生單相接地。可以表示為[44]： （227）式中：、—— 分別為整個零序網(wǎng)絡的線路電感、電阻和分布電容。故障后先計算暫態(tài)零序電流的主諧振頻率，確定為在主諧振頻率基礎上加一預設閾值。文獻[44]已對兩條線路串聯(lián)，兩條線路并聯(lián)的情況進行了分析，下面對串并聯(lián)的復雜情況進行了分析。零序諧波電流的相角主要取決于諧波電流的通路阻抗，線路阻抗的頻率特性自然也影響到線路電流諧波的性質。其入端阻抗及其特性分析的基本思路是：從背側網(wǎng)絡的每一個末梢開始，利用線路串聯(lián)和并聯(lián)阻抗特性分析方法依次遞推每個中間節(jié)點的阻抗表示形式及特性，直至該檢測點。所在位置在圖25以符號標示。需要注意的是第一個頻帶，由線路阻抗特性可知這個頻帶是容性的。（2）消弧線圈對零序諧波電流的影響消弧線圈的電感值，是針對故障穩(wěn)態(tài)下的系統(tǒng)對地容性電流作過補償整定的。的過零點頻率對應于阻抗值的最低點（此時線路發(fā)生串聯(lián)諧振），阻抗角由90176。S/km)1線路28 + 2線路15 + 3線路15 + 圖23 低頻帶（0～10kHz）內不同長度、參數(shù)線路的阻抗頻率特性可見線路零序阻抗的相頻特性（見圖23左側三個小圖）是在正負90176。對于低頻帶的線路阻抗分析，使用長線－均勻分布參數(shù)模型可保證其精確性。以上分析的是故障零序電流諧波的幅值情況。則零序電流的時變波形中存在一個先突變、后衰減的暫態(tài)過程。電容性無功功率的實際方向為由線路流向母線；2）若為經(jīng)消弧線圈補償系統(tǒng)，零序電流為全系統(tǒng)所有非 故障元件對地電容電流與消弧線圈電流之和。(a) (b)圖21 中性點非直接接地系統(tǒng)中，單相接地時的電流分布(a) 用三相系統(tǒng)表示 (b) 零序等效網(wǎng)絡中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，在接地點要流過全系統(tǒng)的對地電容電流，如果此電流比較大，就會在接地點燃起電弧，引起弧光過電壓，從而使非故障相的對地電壓進一步升高，容易使絕緣損壞，形成兩點或多點接地，造成停電事故。本章的主要工作即尋找故障區(qū)段和非故障區(qū)段暫態(tài)電氣分量的特征差異，及存在特征差異的頻帶。（4）提出利用配電自動系統(tǒng)實現(xiàn)單相接地的故障定位技術方案。將模擬電路故障診斷理論應用于分布參數(shù)傳輸網(wǎng)故障診斷,提出利用單相接地后的故障電壓和電流的特點進行測距和定位,從端口方程出發(fā),通過施加音頻正弦信號,以比較傳輸網(wǎng)可測端口故障前后測試信號的變化量為根據(jù),實現(xiàn)自動在線定位故障分支。文獻[37]詳細推導了三相配電線路接地故障定位的傳遞函數(shù)表達式。在發(fā)生接地故障后,通過三相電壓互感器的中性點向接地線路注入特定頻率的電流信號,注入信號會沿著故障線路經(jīng)接地點注入大地,用信號尋跡原理即可