【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 線是指對(duì)于有多條出線的配電網(wǎng)在發(fā)生線路接地故障尤其是單相接地故障時(shí)，通過一定的方法對(duì)故障信息的分析、判斷，選出故障線路的保護(hù)技術(shù)，選線主要應(yīng)用于小電流接地系統(tǒng)中 ]6[ ]7[ ?，F(xiàn)代選線裝置要求能夠配合小電流接地技術(shù)，在電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí)及時(shí)、準(zhǔn)確的選出故障線路，使運(yùn)行人員根據(jù)需要斷開故障線路進(jìn)而排除故障。選線是在小電流接地技術(shù)發(fā)展、成熟的過程中逐漸發(fā)展完善的，現(xiàn)代微機(jī)、電子技術(shù)、信號(hào)處理、通訊技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)以及測(cè)量技術(shù) 的進(jìn)展對(duì)現(xiàn)代選線技術(shù)的發(fā)展提供了足夠的技術(shù)支持，目前它已經(jīng)成為小電流接地系統(tǒng)中必不可少的技術(shù)。 但選線和小電流接地方式尤其是諧振接地方式在對(duì)接地電流的要求方面是矛盾的：小電流接地方式要求流過故障點(diǎn)的電流小，越小越有利于熄??；而選線要求流過故障點(diǎn)的電流大，越大越有利于突出故障特征，選線越準(zhǔn)確。在小電流接地系統(tǒng)中，一方面用于選線的故障信號(hào)較弱，有效故障信號(hào)難以采集；另一方面故障線路的零序電流與非故障線路故障電流的分布趨于一致，故障線路的故障特征不明顯，加之各出線的參數(shù)不盡相同，選線裝置很難在這種情況下準(zhǔn)確選出故障線路。到目前為止，小電流接地選線問題仍然是本領(lǐng)域內(nèi)比較棘手的問題 ]7[ 。許多選線裝置目前雖然廣泛使用，但沒有一種裝置能 100%的檢測(cè)出故障線路，選線技術(shù)需進(jìn)一步改進(jìn)和提高。 就選線問題而言，配電網(wǎng)中性點(diǎn)不同的接地方式對(duì)選線的準(zhǔn)確度影響也很大。采用不同接地方式的配電網(wǎng)在發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流的特性有很大差異，故障電流的特性對(duì)選線裝置的準(zhǔn)確度有較大影響。 在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，選線裝置主要依據(jù)故障線路零序電流的大小和方向是一個(gè)容易檢測(cè)的故障特征量這一特點(diǎn)，采用幅值、相 位或綜合比較的方法確定故障線路。由于故障信號(hào)弱、線路參數(shù)分布不均勻、接地情況復(fù)雜，致使中性點(diǎn)中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 不接地系統(tǒng)中選線裝置的準(zhǔn)確度很難保證 ]2[ 。 諧振接地系統(tǒng)中的選線要比不接地系統(tǒng)中的選線更為復(fù)雜。這主要是其兩方面的特點(diǎn)決定的：一方面是其動(dòng)作特性的影響，由于消弧線圈的快速補(bǔ)償作用，接地電流被迅速補(bǔ)償，使各回線的零序電流值差別不大，并且即便是在故障時(shí)刻也難以取得接地電流的較大故障分量，用于選線的故障信息不明顯，很難檢測(cè)判斷故障線路。另一方面，消弧線圈常常有欠補(bǔ)償、全補(bǔ)償和過補(bǔ)償 三種運(yùn)行方式，運(yùn)行方式的不同使故障線路零序電流的大小、方向差異很大，很多選線裝置的選線精度受消弧線圈補(bǔ)償方式的影響很大；另外，消弧線圈種類很多，單獨(dú)開發(fā)的選線裝置通常難以與各種消弧線圈配合。因此，要求在諧振接地方式下運(yùn)行的選線裝置能夠根據(jù) 消弧線圈的特點(diǎn)運(yùn)行，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性并能準(zhǔn)確識(shí)別故障線路]2[ 。本文將就諧振接地方式下的選線問題作詳細(xì)的理論分析。 選線技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 選線必須適合相應(yīng)的接地方式，在諧振接地方式下，選線技術(shù)在很大程度上與消弧線圈的運(yùn)行特性 有關(guān)，因此，首先要介紹一下消弧線圈的發(fā)展概況。 1）消弧線圈技術(shù)的發(fā)展 中性點(diǎn)諧振接地系統(tǒng)中的自動(dòng)調(diào)諧消弧線圈是一種基于諧振原理運(yùn)行的可調(diào)電感線圈補(bǔ)償裝置 ]1[ 。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，消弧線圈和系統(tǒng)的對(duì)地總電容共同與接地點(diǎn)構(gòu)成諧振電流通路，消弧線圈提供的電感電流能自動(dòng)補(bǔ)償電網(wǎng)的對(duì)地電容電流，使接地點(diǎn)的故障電流限制在規(guī)定值（例如 5A）以下，以熄滅接地電弧。 當(dāng)故障點(diǎn)電弧熄滅后，消弧線圈還可以降低故障相接地電弧兩端的恢復(fù)電壓的速度及其幅值，從而減小電弧重燃的可能性。 目 前廣泛應(yīng)用的自動(dòng)補(bǔ)償消弧線圈裝置能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)地電容電流，并根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行方式的變化，及時(shí)、快速地調(diào)節(jié)消弧線圈的電感值，使脫諧度始終處于規(guī)定的范圍內(nèi)，國(guó)內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，這種消弧線圈的消弧效果良好，目前已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的消弧線圈 ]1[ ]5[ 。消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置根據(jù)運(yùn)行方式 ,可以分為預(yù)調(diào)式和隨調(diào)式兩種 ]8[ ： ① 預(yù)調(diào)式消弧線圈：在接地故障發(fā)生前，調(diào)整消弧線圈靠近諧振點(diǎn)運(yùn)行，在此條件下 為使中性點(diǎn)的位移電壓不大于 15 %額定電壓，需要串聯(lián)或并聯(lián)一定數(shù)值的限壓電阻。調(diào)匝式消弧線圈由于靠有載開關(guān)調(diào)節(jié)檔位，動(dòng)作較慢 ,一般采用預(yù)調(diào)式工作方式。 ② 隨調(diào)式消弧線圈：在正常運(yùn)行情況下，消弧線圈遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)運(yùn)行，中性點(diǎn)位移電壓較低，而在接地故障發(fā)生后，迅即調(diào)整到位，故不需要加裝限壓電阻。相控式消弧線圈通過可控硅控制，動(dòng)作速度快，一般采用隨調(diào)式工作方式。 本文主要針對(duì)預(yù)調(diào)式消弧線圈接地電網(wǎng)接地選線進(jìn)行研究。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 2）選線技術(shù)的發(fā)展概況 小電流接地系統(tǒng)的故障選線問題在電力行業(yè)領(lǐng)域有著悠久的歷史。長(zhǎng)期以來(lái)，很多 專業(yè)人士對(duì)此進(jìn)行了深入的研究。 到目前為止，許多學(xué)者提出了多種故障選線原理，按所用故障信號(hào)的來(lái)源可以分為：利用故障信號(hào)本身的方法和利用外加信號(hào)的方法。其中利用故障信號(hào)本身的方法又可分為利用故障信號(hào)的穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量?jī)煞N。利用故障信號(hào)穩(wěn)態(tài)分量的方法主要有：零序電流幅值法，零序電流方向法，無(wú)功方向法，有功分量法，群體比幅比相法， 5 次諧波法，殘流增量法，增量函數(shù)法，負(fù)序電流法以及零序?qū)Ъ{法；利用故障信號(hào)暫態(tài)分量的方法主要有小波法，首半波法。外加注入信號(hào)法主要有 S 注入法和變頻注入法。近年新興的方法傾向于綜合選線方 法，代表有應(yīng)用信息融合技術(shù)的證據(jù)理論選線方法、應(yīng)用模糊模式識(shí)別的選線方法和人工智能技術(shù)選線方法 。其中，零序電流幅值法、零序電流相位法、無(wú)功方向法、基波群體比幅比相法在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中應(yīng)用效果明顯；而對(duì)于中性點(diǎn)諧振接地的系統(tǒng)，現(xiàn)有基于穩(wěn)態(tài)分量的選線方法一般采用有功分量法、注入法、 5 次諧波法、殘流增量法、增量 函數(shù)法、負(fù)序電流法以及零序?qū)Ъ{法；基于暫態(tài)分量的選線方法不受消弧線圈補(bǔ)償度的限制，在諧振接地系統(tǒng)中同樣有效 ]2[ 。本文將在第三章和第四章對(duì)各種選線方法進(jìn)行分析與比較 。 選線問題的難點(diǎn) ]2[ ]3[ 在小電流接地方式下，選線問題的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三方面：故障的復(fù)雜性、信息采集問題、選線原理的科學(xué)性。 故障本身的復(fù)雜性： 主要是故障信息本身的構(gòu)成、電網(wǎng)運(yùn)行方式比較復(fù)雜： 1）電流信號(hào)太小，故障特征不明顯 小電流接地系統(tǒng)在單相接地時(shí)各回線的零序電流基本上是本線路的對(duì)地電容電流，其大小不但與系統(tǒng)規(guī)模和線路類型 (電纜或架空線 )有關(guān)，而且與系統(tǒng)出線數(shù)目有關(guān)，往往電流數(shù)值甚?。唤?jīng)消弧線圈 補(bǔ)償后，不但其數(shù)值更小，而且零序電流在各回線上的分布比較一致，加之這一小電流又疊加在較大的負(fù)荷電流之上，現(xiàn)有電流互感器很難準(zhǔn)確檢出。在高阻接地時(shí)，故障電流呈現(xiàn)更為復(fù)雜的小電流特性，準(zhǔn)確檢測(cè)高阻接地故障是所有選線裝置提高精度的首要問題。 2）干擾大、信噪比小 小電流接地系統(tǒng)中的干擾主要包括兩方面：一是在變電站和發(fā)電廠的小電流接地系統(tǒng)的單相接地保護(hù)裝置的裝設(shè)地點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾相對(duì)很大；二是中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 由于負(fù)荷電流不平衡造成的零序電流較大和電弧接地時(shí)的諧波電流較大，特別是當(dāng)系統(tǒng)較小，對(duì)地電容電流較小時(shí)，接地回路的零序電 流和諧波電流甚至小于非接地回路的對(duì)應(yīng)電流。加上零序回路對(duì)高次諧波及各種暫態(tài)量的放大作用 ,使得檢出的故障成分信噪比非常低。 3）接地故障的多樣性 實(shí)際上，存在于電網(wǎng)中的故障并不僅僅是單相接地故障，也有一些兩相接地故障、三相短路故障、斷線故障以及其它一些不常見的故障。故障類型的繁多給選線裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大困難。選線方案往往是依據(jù)單相接地的特征整定的，對(duì)于隨機(jī)出現(xiàn)的其它類型的接地故障，選線裝置很難保證選線精度。 4）電容電流波形不穩(wěn)定 a、接地電弧的不穩(wěn)定性 按照故障的性質(zhì)來(lái)看，主要是瞬時(shí)接地故障和永久接地故障 。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，小電流接地配電網(wǎng)的接地故障大多數(shù)為瞬時(shí)性故障，特別是架空線電網(wǎng)和架空線電纜混合電網(wǎng)。瞬時(shí)接地故障常常容易形成間歇性弧光接地。實(shí)踐證明，如果接地電流大于 30A 時(shí)，將形成持續(xù)性電弧接地，容易造成電器設(shè)備的燒毀甚至引起相間短路。如果接地電流大于 5~10A 而小于 30A，則有可能形成間歇性電弧，間歇性電弧不但幅值不穩(wěn)定，而且電弧中含有大量不穩(wěn)定的諧波分量，很難獲取。目前投入使用的許多選線裝置在原理上均采用基于穩(wěn)態(tài)電流的選線方法，對(duì)于間歇性電弧接地的情況不一定有效，而采用暫態(tài)電流選線的裝置目前應(yīng)用較少。 b、運(yùn)行方式的不確定性 電網(wǎng)的容量擴(kuò)大，接線越來(lái)越復(fù)雜，而大多數(shù)選線方案是按照變電站星形出線方式考慮的，不同的接線方式對(duì)選線的準(zhǔn)確度也有一定影響。我國(guó)小電流接地系統(tǒng)的運(yùn)行方式頻繁改變，造成變電站出線的長(zhǎng)度和數(shù)量也隨之改變，其電容電流和諧波電流也頻繁改變；此外，母線電壓水平的高低、負(fù)荷電流的大小也總在不斷變化；故障點(diǎn)的接地電阻不確定等等都造成了零序故障電容電流和零序諧波電流的不穩(wěn)定。 信息采集問題 主要表現(xiàn)在故障信息的獲取困難方面。目前的絕大多數(shù)選線裝置均依靠零序電流作為選線裝置的判斷信號(hào)，零序電 流互感器的精度對(duì)選線準(zhǔn)確度有至關(guān)重要的影響。而現(xiàn)有零序電流互感器的容量往往按照接地電容電流的全負(fù)荷選擇，在容量較大的情況下，很難保證小電流情況下的精度，而小電流情形恰恰是選線最為關(guān)心的。 另外，在電流信號(hào)從電流互感器向微機(jī)選線裝置傳遞的過程中，不免有衰減和受到干擾； AD 轉(zhuǎn)換的精度以及濾波算法對(duì)信息采集結(jié)果的影響也比較大。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 選線原理的科學(xué)性 選線原理必須根據(jù)接地方式、故障特點(diǎn)、信息采集裝置的特點(diǎn)、電壓等級(jí)和電網(wǎng)接線方式等確定。各種不同因素的影響使選線原理必須在一些矛盾的問題之間做出取舍，有些選線原理 只能用于特定的接地方式或配合特定的消弧線圈使用，在其他地方使用的時(shí)候，就失去了其原理的科學(xué)性，因此必須根據(jù)實(shí)際需要來(lái)確定選線原理，而不能將其在不同環(huán)境中籠統(tǒng)應(yīng)用。 選線的基本要求 ]2[ ]3[ 1）準(zhǔn)確 這是選線的首要要求。小電流接地選線裝置既要在小信號(hào)情況下工作，又要選得準(zhǔn)。這個(gè)要求很多選線裝置難以達(dá)到。 2）適合相應(yīng)的接地方式 選線裝置必須與具體的接地方式配合使用，脫離了具體的接地方式，其選線原理就可能失去了可靠性的前提 。目前許多選線裝置采用了多種選線方法，在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候可以根據(jù)不同的接地方式采用相應(yīng)的判據(jù)。 3）追加投資小 選線裝置的實(shí)際應(yīng)用還受到追加投資的影響，一般選線裝置是與消弧線圈配套選購(gòu)的，用戶希望在追加投資不大的情況下，得到消弧選線一體化裝置。 4）快速 雖然我國(guó)有關(guān)規(guī)程規(guī)定，小電流接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障后允許繼續(xù)運(yùn)行的時(shí)間可達(dá) 2 小時(shí)，為檢查故障、轉(zhuǎn)移負(fù)荷贏得了時(shí)間，對(duì)選線裝置的實(shí)時(shí)性要求不高。但從減小故障危害的角度考慮，仍然要求選線裝置在盡可能短的時(shí)間內(nèi)選出故障線路，以進(jìn)行故障隔離和負(fù)荷轉(zhuǎn)移。因此，快速 性也是對(duì)選線的基本要求。 論文的主要工作 1）分析了諧振接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)穩(wěn)態(tài)零序電流的分布和特點(diǎn)，得出一些可供我們故障選線的結(jié)論，形成本文工作的理論基礎(chǔ)。 2）論述當(dāng)前各種小電流接地選線方法的基本原理及其局限性。分別討論了基于故障穩(wěn)態(tài)量的零序電流比幅法、零序功率方向法、基波群體比幅比相法、五次諧波分量法、注入信號(hào)法、殘流增量法，以及基于故障暫態(tài)量的小波分析法和首半波法。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 3）針對(duì)預(yù)調(diào)式消弧線圈接地電網(wǎng)的特點(diǎn)，進(jìn)一步論述了基于有功分量的選線方案，包括有功分量法和能量函數(shù)法。 4）通過應(yīng)用 Matlab 軟件的 simulink 仿真工具包，建立了一個(gè)諧振接地系統(tǒng)的多回路仿真模型，分別對(duì)五次諧波分量法、注入信號(hào)法、有功分量法、能量函數(shù)法四種選線方法進(jìn)行了仿真。 5）結(jié)論與展望。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 2 諧振接地系統(tǒng)單相接地故障的理論分析 中性點(diǎn)諧振接地系統(tǒng)在發(fā)生穩(wěn)態(tài)單相接地故障時(shí)的電流分布如圖 所示，兩條線路的三相對(duì)地電容相同，分別為 01C 和 02C 。正常運(yùn)行情況下，三相電壓對(duì)稱，對(duì)地電容 電流之和等于零。 圖 諧振接地單相接地故障時(shí)電流分布 假設(shè)某個(gè)時(shí)刻線路 2 發(fā)生了單相金屬性接地故障， A 相某點(diǎn)接地，對(duì)地電容被短接，各電壓、電流的相量關(guān)系如圖 所示。 ?aE?bE?cE?0U?cI ?bI?cgU?bgU?fI?bI 圖 單相接地故障電壓、電流相量圖 其中， A 相對(duì)地電壓變?yōu)榱悖枪收舷?B 相和 C 相電壓分別變?yōu)橄鄬?duì) A 相的線電壓，幅值升高至 3 倍，中性點(diǎn)電壓由零上升為 ??aU 。 故障點(diǎn)零序電壓為： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) ????? ?????acgbgagf EUUUU )(310 （ ） 若忽略負(fù)載不對(duì)稱引起的不平衡電流及對(duì)地電容電流在線路及電源阻抗上的電壓降，則在整個(gè)系統(tǒng)中， A 相對(duì)地電壓均為零，非故障相電壓幅值升高至 3 倍，即對(duì)地電容電流也隨之升高至 3 倍。同時(shí)，消弧線圈的電感電流經(jīng)故障點(diǎn)沿故障線返回，因此故障點(diǎn)的電