【正文】 ZXJII 綜合故障診斷及錄波裝置特點 31 37 小電流接地動態(tài)模擬電網(wǎng)結(jié)構(gòu) 37 模擬電網(wǎng)接地波形實錄 38 43 43 43 43 48 結(jié) 論 53 總結(jié)與體會 54 致 謝 55 參考文獻 56 附錄：外文翻譯 57 小電流接地系統(tǒng)接地選線研究摘 要在中壓電網(wǎng)中，單相接地故障占總故障的80％以上，對單相接地危害的治理非常重要。在各種治理方式中，通過利用微機選線加上自動跟蹤補償?shù)南【€圈，在供電可靠性、人身安全、設(shè)備安全和通信干擾等方面良好運行特性的基礎(chǔ)上，克服了早先諧振接地需人工調(diào)諧等缺點，成為比較理想的中性點接地方式。由于接地故障復(fù)雜多變，目前還未有一種理想的接地選線裝置能夠有效地適用于所有的實際接地故障的選線。在此理論基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有選線技術(shù)和原理進行逐一分析，最后著重介紹本公司接地選線裝置所采用的選線原理及實際現(xiàn)場應(yīng)用情況。它包括中性點不接地系統(tǒng)、中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)和中性點經(jīng)電阻接地系統(tǒng)。但隨著城市配電網(wǎng)的高速發(fā)展，電纜線路的增多，電容電流數(shù)值大幅度增加，長時間運行就易使故障擴大成兩點或多點接地短路，弧光接地還會引起全系統(tǒng)過電壓，進而損壞設(shè)備，破壞系統(tǒng)安全運行，因此，迅速確定故障線路并予以及時排除對饋線系統(tǒng)的安全運行意義重大。為了減少單相接地故障造成的危害，各國采用了不同的方法。在柏林市的30kV電網(wǎng)中，共有電纜1400km，其電容電流高達(dá)4kA，也采用了經(jīng)消弧線圈接地方式。美國在上世紀(jì)20年代中期到40年代中期，在22～70kV電網(wǎng)中，中性點直接接地方式占多數(shù)(72％)，且發(fā)展很快，逐步取代了不接地的運行方式，一直延續(xù)至今。日本20kV電纜和架空線路混合電網(wǎng)，1950年以來一直采用中性點不接地方式，隨著電纜的增加，為防止接地繼電器的誤動、拒動和中性點位移，采用經(jīng)40W～90W低值電阻器接地方式。1975年統(tǒng)計，11～33kV配電網(wǎng)中性點不接地占40％，經(jīng)消弧線圈接地占28％，經(jīng)電阻接地占30％，直接接地占2％。東京電力公司所屬配電網(wǎng)，其中性點接地方式為66kV電網(wǎng)分別采用電阻、電抗和消弧線圈接地；22kV系統(tǒng)采用電阻接地方式。故障線路要求快速跳閘，但不考慮故障發(fā)生到故障切除這段時間中的接觸電壓和跨步電壓。對20kV電網(wǎng)對地電容電流小于50A時，采用中性點經(jīng)120W電阻器接地方式，對電容電流在50～200A之間則在電阻器旁并聯(lián)補償電抗器（消弧線圈）。又如意大利、加拿大、瑞典、日本和美國等在中壓電網(wǎng)升壓運行后，大部分電網(wǎng)中性點都采用直接接地的運行方式。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，并對其保護原理和裝置的研究給予了很大的重視，發(fā)表了多篇論文，研制了幾代裝置，在供電和煤炭行業(yè)中得到了應(yīng)用，保護原理從過流、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)展到模擬集成電路和數(shù)字電路 ，而微機構(gòu)成的裝置較少。德國多使用諧振接地系統(tǒng)，并于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原理，研制了便攜式接地報警裝置。而挪威一公司則利用測量空間電場和磁場的相位，反映零序電壓和零序電流的相位，研制了懸掛式接地指示器。 我國發(fā)展現(xiàn)狀近年來，我國引進了大量的國外設(shè)備，由于各國的接地方式不同，各國設(shè)備的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也不一致，特別是設(shè)備的耐壓不同，要使用這些設(shè)備，首先必須決定電力系統(tǒng)的接地方式。有的大城市已局部將配電網(wǎng)的中性點不接地方式改為小電阻接地方式，以消除弧光接地過電壓的產(chǎn)生，減少異相接地的發(fā)生。但大部分仍主張改為經(jīng)消弧線圈接地方式，補償系統(tǒng)的電容電流，使得單相弧光接地時，故障點電流減少，降低故障相電壓的恢復(fù)速度，達(dá)到熄弧效果，從而避免了單相瞬時接地故障的跳閘，提高系統(tǒng)運行的可靠性。50年代我國有根據(jù)首半波極性研制成功的接地保護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。有些運行部門還采用反映零序電流增大的零序電流保護來選線。其中由南京自動化研究院研制的微機小電流接地系統(tǒng)單相接地選線裝置，其主要原理是比較線路零序電流五次諧波的大小和方向；華北電力大學(xué)利用零序電流的五次諧波比相原理研制的ML98型小電流接地系統(tǒng)單相接地微機選線裝置等。人工拉路會造成非故障線路供電短時中斷，影響用戶用電設(shè)備的正常工作，這在越來越重視電能質(zhì)量的今天十分不可取。配電自動化的一個重要內(nèi)容是自動故障定位、隔離及非故障線路恢復(fù)供電。因此，電力部門迫切希望能夠開發(fā)出可靠實用的小電流接地故障保護技術(shù)。90年代初期選線裝置的研制達(dá)到高潮，大量選線裝置投入運行。小電流接地故障的檢測與選線之所以困難，其主要原因在于：（1）、故障電流小，特別是經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，流過故障線路的穩(wěn)態(tài)電流十分微弱，甚至比健全線路感受到的電流變化還小。在饋線接地點匯聚小電流接地系統(tǒng)的全部對地電容電流，一旦在接地處燃起電弧，接地電弧是一高度非線性時變過程，電弧包含電阻及等值的電感電容分量，具體形態(tài)隨電弧電流、電弧長度、周圍環(huán)境的變化而千差萬別。故障點不穩(wěn)定電弧，將使故障電壓電流信號嚴(yán)重畸變，這亦影響著利用故障穩(wěn)態(tài)信號的選線方法分辨故障的正確性；（3）人們對小電流接地故障暫態(tài)特性尚缺乏深入的了解。此外，利用零序暫態(tài)信號的首半波法和小波分析法應(yīng)用效果亦不理想?，F(xiàn)有的選線技術(shù)都還僅僅是利用故障的部分有用信息，因此都存在一定的局限性，不可能對所有故障情況都適用。但是，如果過于依賴數(shù)學(xué)分析工具而忽略了故障特征本身的透徹分析，對問題的解決無疑于舍本逐末。但是故障發(fā)生在相電壓過零點附近時的情況也時有發(fā)生，應(yīng)當(dāng)研究此種情況下如何檢出單相接地故障問題。因此，開發(fā)、研制出性能優(yōu)越的小電流接地保護必然成為當(dāng)今電力部門迫切需要解決的技術(shù)難題。首先，對小電流接地系統(tǒng)及其單相接地故障特征從原理上進行深入的分析，以便對解決問題的對象有一個清楚的認(rèn)識；其次，建立用于仿真的小電流接地系統(tǒng)，對各種選線技術(shù)進行比較驗證，研究各種選線方法的優(yōu)缺點，并找出各種選線方法的失效范圍，為建立優(yōu)化的選線方案作好基礎(chǔ)；再次，對故障情況進行分類，分為大、小故障角的情況，對于大故障角的情況，重點研究利用電流分解的自適應(yīng)選線新方法；而對于小故障角的情況下，重點研究利用衰減直流分量的新方法；最后，全面考慮正確進線的因素，將選線方法進行融合，進行完善的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線技術(shù)。其中的關(guān)鍵課題是如何解決中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的故障選線問題，這也是本文所要解決的問題。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，對于小電流接地系統(tǒng)單相接地故障，暫態(tài)信號中含有豐富的特征分量，如果能利用這些特征分量，則有望顯著提高選線精度。對于這幾種不同的接地方式有著各自不同的優(yōu)缺點。中心點不接地方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，運行方便，不需任何附加設(shè)備，若是瞬時故障，一般能自動熄弧，非故障相電壓升高不大，不會破壞系統(tǒng)的對稱性，單相接地電流較小，單相接地不形成短路回路，運行中可允許單相接地故障存在一段時間，電力系統(tǒng)安全運行規(guī)程規(guī)定可繼續(xù)運行1～2 個小時，從而獲得排除故障時間，若是由于雷擊引起的絕緣閃絡(luò)，則絕緣可能自行恢復(fù)，相對地提高了供電的可靠性。中性點不接地方式的缺點是因其中性點是絕緣的，電網(wǎng)對地電容中儲存的能量沒有釋放通路。此外，由于電網(wǎng)存在電容和電感元件，在一定條件下，因倒閘操作或故障，容易引發(fā)線性諧振或鐵磁諧振，這時饋線較短的電網(wǎng)會激發(fā)高頻諧振，產(chǎn)生較高諧振過電壓，導(dǎo)致電壓互感器擊穿。為了解決中性點不接地系統(tǒng)單相接地時引起的一些后果，早期曾采取過故障相自動接地的措施，但由于這一措施不能解決過電壓的問題，且無助于將故障線路選擇出來予以切除，故不久被另兩個措施取代了，即中性點經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)電阻接地。二、由于消弧線圈的作用，降低了恢復(fù)電壓的初速度，延長了故障相電壓的恢復(fù)時間，并限制了恢復(fù)電壓的最大值，從而可以避免接地電弧的重燃，達(dá)到徹底消弧的目的。中性點經(jīng)消弧線圈接地方式的優(yōu)點是：在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，流過接地點的電流較小，其特點是線路發(fā)生單相接地時，可不立即跳閘，按規(guī)程規(guī)定電網(wǎng)可帶單相接地故障運行2小時。另外，中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)還具有人身設(shè)備安全性好、電磁兼容性強和運行維護工作量小等一系列優(yōu)點。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地時，由于接地點殘流很小，且根據(jù)規(guī)程要求消弧線圈必須處于過補償狀態(tài)，接地線路和非接地線路流過的零序電流方向相同，故零序過流、零序方向保護無法檢測出已接地的故障線路。不過由于微機接地保護和微機選線裝置的出現(xiàn)，尤其是近年來，自動消弧裝置的出現(xiàn)，使得經(jīng)消弧線圈接地方式存在的這些問題都有了很好的解決，它能夠在單相接地發(fā)生時，精確補償系統(tǒng)電容電流，有效熄滅接地點的電弧，使單相接地不致發(fā)展成相間短路而引起線路跳閘，從而保證了設(shè)備安全和可靠供電。 中性點經(jīng)高值電阻接地中性點經(jīng)高值電阻接地方式，即是中性點與大地之間接入一定電阻值的電阻，該電阻與系統(tǒng)對地電容構(gòu)成并聯(lián)回路，其單相接地故障時的電阻電流被限制到等于或略大于系統(tǒng)總電容電流。高電阻接地方式是以限制單相接地故障電流為目的，并可以防止阻尼諧振過電壓和間歇性電弧接地過電壓。這種接地方式看上去與消弧線圈接地方式相似，但性質(zhì)不同，消弧線圈是接近于開路的純感性元件，感性電流與容性電流相位差180ｏ，對電容電流起補償作用：而經(jīng)高電阻接地方式以電阻為主，與容性電流接近90ｏ的相位差，接地電流是容性電流和電阻性電流的相量和。但是在中性點為高電阻接地方式的情況下，為使接地電弧瞬時熄滅，一般說來單相接地電容應(yīng)不大于10A，所以適用范圍受到限制，只宜在規(guī)模較小的10kV及以下電網(wǎng)中應(yīng)用。可見，中性點經(jīng)高阻接地方式還不如中性點不接地方式方便。但隨著電纜線路的增多，電容電流不斷增大，而我國大多中壓電網(wǎng)采用的是經(jīng)消弧線圈接地方式。鑒于以上因素，我國如上海、廣州、北京及青島等地已采用中性點經(jīng)小電阻接地方式運行了多年，取得了不少寶貴經(jīng)驗。該變電站為了減少接地變的停電幾率，單獨增設(shè)Z型接地變接于變壓器的出口處。對于暫態(tài)過程比較復(fù)雜經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，我們將著重討論其單相接地時情況。圖22諧振接地系統(tǒng)單相接地時的電流分布圖圖22中CCC5和Cf等表示各線路對地電容，Ln表示消弧線圈電感，Lr表示等效電感，Rf表示接地點的過渡電阻，F(xiàn)F2為接地點，在F1點故障即為線路故障，在F2點故障即為母線故障。由于兩者的頻率和幅值顯著不同，在暫態(tài)過程中就不能互相補償。圖23 計算單相接地暫態(tài)電流的等值回路圖23中，C表示諧振接地系統(tǒng)的三相對地電容，L0表示三相線路和電源變壓器等在零序回路中的等值電感，R0表示零序回路中的等值電阻（其中包括故障點的接地電阻和弧道電阻），rL、L分別表示消弧線圈的有功損耗電阻和電感，U0表示等效零序電源。當(dāng)發(fā)生單相金屬接地時，圖中的R0和L0可根據(jù)三相線路和電力變壓器的參數(shù)進行計算。 暫態(tài)電容電流在分析電容電流的暫態(tài)特性時，因其自由振蕩頻率一般較高，考慮到消弧線圈的電感LL0。：R0ic+L0+dt=UΦmsin(ωt+) (21)當(dāng)R02時，回路電流的暫態(tài)過程具有周期性的振蕩及衰減特性；當(dāng)R0≤2時，回路電流則具有非周期性的振蕩衰減特性，并逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。因為暫態(tài)電容電流ic是由暫態(tài)自由振蕩分量ic′和穩(wěn)態(tài)工頻分量ic″兩部分組成，利用t=0時ic′＋ic″=0這一初始條件和Icm=UФmωC的關(guān)系，經(jīng)過拉氏變換運算可得：ic= ic′＋ic″=Icm[(sinsinωt －coscost)+cos(ωt+)] (22)式中，UФm為相電壓的幅值，Icm為電容電流的幅值，ωf為暫態(tài)自由振蕩分量的角頻率，δ=1/tc=R0/2L0，為自由振蕩分量的衰減系數(shù)，其中的tc為回路的時間常數(shù)。當(dāng)tc較大時，自由振蕩衰減較慢；反之，則衰減較快。當(dāng)j＝0 (即故障發(fā)生在相電壓零值) 時，其值最小，當(dāng)j＝p/2(即故障發(fā)生在相電壓峰值) 時，其值最大，電容電流的自由振蕩分量ic′的振幅表現(xiàn)為最大Icmax′，時間為t=Tf/4(Tf =2p/ωf)，其值為： Icmax= Icm (23)由式(23)可知，暫態(tài)自由振蕩電流分量的最大幅值Icmax′與自振角頻率ωf和工頻角頻率ω之比成正比。 暫態(tài)電感電流根據(jù)非線性電路的基本理論，暫態(tài)過程中的鐵心磁通與鐵心不飽和時的方程式相同，因此，只要求出暫態(tài)過程中消弧線圈的鐵心磁通表達(dá)式，消弧線圈中的電感電流便迎刃而解了。因為在補償電流的工作范圍內(nèi)，消弧線圈的磁化特性曲線應(yīng)保持線性關(guān)系，故iL=。利用這一初始條件，同時將iL的值代入式（2－4）便可求得磁通yL的方程式：L＝L″[cos(+x)cos(ωt ++x)] (25)式中L″＝，為穩(wěn)狀態(tài)時的磁通；x＝tg1w，為補償電流的相角；Z＝，為消弧線圈的阻抗；tL為電感回路的時間常數(shù)。ωL，x＝0。當(dāng)j＝0時，其值最大；當(dāng)j＝p/2時，其值最小。由前面的分析可知，雖然兩者的gC與gL相差不大，但頻率卻差別懸殊，故兩者不可能相互補償。在暫態(tài)過程的初始階段，暫態(tài)接地電流的特性主要由暫態(tài)電容電流的特性所決定，為了平衡暫態(tài)電感電流中的直流分量，于是暫態(tài)接地電流中便產(chǎn)生了與之大小相等、方向相反的直流分量，它雖然不會改變接地電流的首半波的極性，但對幅值卻能帶來明顯的影響。綜合以上分析可知，當(dāng)單相接地故障發(fā)生后，在故障點便有衰減很快的暫態(tài)電容電流和衰減較慢的暫態(tài)電感電流流過。暫態(tài)接地電流的幅值雖然很大，但是持續(xù)時間很短，～。暫態(tài)電感電流的頻率和工頻相等，持續(xù)時間一般可達(dá)2～3個工頻周波，為了平衡該直流分量，接地電流中也伴隨產(chǎn)生大小相等、方向相反的直流分量，它只增大暫態(tài)接地電流的幅值[1]。 概述現(xiàn)有小電流單相接地故障選線的方法有多種，但是，每一種選線方法都有自己的獨到之處和局限性，本章將逐一介紹各種選線方法的基本原理、適用范圍和存在的不足。需要說明的是，零序分量嚴(yán)格說來只能針對穩(wěn)態(tài)信號，本文所說的零序暫態(tài)信號表示的是