零序电流接地选线原理与方法研究毕业设计论文.docx

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零序电流接地选线原理与方法研究毕业设计论文

零序电流接地选线原理与方法研究

摘要

我国配网普遍采用小电流接地方式，其中，配网单相接地故障占配网故障的80%左右。

由于单相接地故障的复杂性，在相当多的电弧接地情况下，稳态分量很小而暂态分量成分很高，因此，可以利用零序电流中暂态分量的丰富信息来判断故障馈线。

本论文首先分析了小电流接地系统发生单相接地的情况，指出了单相接地故障的选线难点，进而综述了当前的研究现状。

之后本文深入分析了小电流接地系统发生单相接地故障稳态过程和暂态过程，为选线方法寻找理论依据。

然后，通过小电流接地模拟电网在不同条件下发生单相接地故障时的实录波形分析与处理，得到了小电流接地系统发生单相接地故障时暂态特征。

结合单相接地故障时的暂态特征，本文研究了现有的选线方法，利用实录波形和仿真波形对选线判据进行验证，比较分析了各种选线算法的优缺点。

鉴于模拟电网的局限性，本论文采用MATLAB7.1/Simulink6.3软件平台搭建具有10kV五出线的仿真电网进行大量的单相接地故障仿真实验。

为消除工频分量的影响，本文对采样数据进行基于单零点非递归算法的陷波处理，提取出暂态高频信号。

最后，本论文提出基于零序暂态电流首半波比值的选线判据，并对该方法进行大量不同条件下仿真实验，进一步验证该判据的正确性。

关键词：

小电流接地选线；单相接地故障；零序电流；暂态分量；Simulink

ABSTRACT

InChina，theindirectlyearthedpowersystemarecommonlyusedindistributionnetwork.Andsingle-phaseearthfaultaccountedforabout80%ofallthefailuresindistributionnetwork.Duetothecomplexityofsingle-phaseearthfaultsandthearctogroundwhenfaultsoccursinindirectlyeartheddistributionsystem,formostcasesthesteadystatecomponentoffaultcurrentissmallorapproximatestozeroandthetransientcomponentishigh.Therefore,zero-sequencetransientcurrentcanbeusedforfaultfeederdetection.Firstofall,thispaperanalyzestheoccurrenceofsingle-phaseearthfault,pointingoutthedifficultiesforfaultfeederselection,andthenanoverviewofcurrentresearch.Inordertosearchforthetheoryfoundationoflineselection,theauthoranalyzessteady-stateandtransientprocessin-depth.Afteranalyzingalotofexperimentaldatafromthesimulationof6kVpowernetwork,theauthorobtainsthefeaturesofzero-sequencetransientcurrentsinfaultyfeederarcingfaultandhealthyfeederswhilearcingfaultoccurs.Onthisbasis,thispaperstudytheprincipleofmanyexistedmethodsofsingle-phasegroundedfeederdetection,anduserecordingwaveformandsimulationwaveformstoverifytheirlinesectioncriteria,thenacomparativeanalysisoftheiralgorithmforfeederdetection.Duetothelimitationthesimulationof6kVpowernetwork,thispaperuseMATLAB7.1/Simulink6.3softwareplatformtobuildaroundoffive10kVfeederforthesimulationofalargenumberofsingle-phasetogroundfault.Inordertoeliminatetheimpactsof50Hzcurrent,theauthorusenotchprocesseddatatoextractionthetransienthigh-frequencysignals.Finally,theauthorintroduceanewmethodofsingle-phasegroundedfeederdetectioninindirectlyearthedpowersystembasedontheratioofthefirsthalf-waveofzero-sequencetransientcurrent,andalargenumberofsimulationexperimentsunderdifferentconditionstofurtherverifythevalidityofthemethod.

Keywords:

indirectlyearthedpowersystem;single-phaseearthfault;zero-sequencetransientcurrent;Simulink

1绪论

我国电力系统中性点接地方式有两种，即中性点直接接地方式和中性点非直接接地方式。

110kV及以上电网采用中性点直接接地方式，在这种系统中，发生单相接地时，短路电流很大，故称大电流接地系统。

电压等级在110kV以下、6kV以上的中低压配电网络中，其中性点接地方式主要为非直接接地方式，即不接地或者经过消弧线圈接地，这样的系统一般称为小电流接地系统[1]。

小电流接地系统直接面向用户。

根据电力运行部门统计，其发生单相接地故障的几率最高，可占总故障的80%左右，这时供电仍能保证线电压的对称性，且故障电流较小，不影响对负荷连续供电，故不必立即跳闸，规程规定可以连续运行1~2h。

尤其在瞬时故障下，短路点可以自行灭弧，恢复绝缘，不需要运行人员采取什么措施，这对于减少用户短时停电次数具有积极意义[2]。

但是，随着配电网的迅速发展，电网中电缆线路的比例上升，缆线混合线路越来越多，系统线路也增多，系统单相接地故障电流增大，长时间运行就容易使故障扩大成两点或者多点接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行，所以运行人员必须及时查明故障线路，以便采取相应对策解除故障，恢复系统正常运行。

配电网发生单相接地时，一般只要求继电保护能选出发生接地的线路并及时发出信号，而不必理解跳闸，但当单相接地对人身和设备的安全造成危险时，则应动作于跳闸。

这就提出了配电网的单相接地故障选线问题。

1.1小电流接地系统单相接地故障研究现状

对于故障选线的研究，在前苏联，小接地电流系统得到了广泛应用，并对其保护原理和装置给予了很大重视，研制了几代装置，在供电和煤炭行业得到了应用，保护原理从过电流、无功方向发展到了群体比幅。

装置由电磁式继电器，晶体管发展到了模拟集成电路和数字电路，而微机构成的装置较少。

日本在供电、钢铁、化工用电中普遍采用中性点不接地或经电阻接地系统，选线原理简单，采用基波无功方向法。

近年来，在如何获取零序电流信号以及接地点分区段方面投入不少力量，采用光纤研制的架空线和电缆零序互感器试验成功。

德国多使用中性点经消弧线圈接地系统，并于20世纪30年代就提出了反映故障开始暂态过程的单相接地保护原理，研制了便携式接地报警装置。

法国使用中性点经电阻接地系统几十年后，现在正以中性点经消弧线圈接地系统取代中性点经电阻接地系统，同时开发了高新技术产品：

零序导纳接地保护。

20世纪九十年代初，国外已将人工神经网络原理应用于单相接地保护，并有文献提到应用专家系统方法，随着小波分析的出现和发展，国内外均有文献提及，利用小波分析良好的时频局部性，分析故障暂态电流的高频分量的方法。

我国从1958年起，就一直对小电流接地系统单相接地故障的选线问题进行研究，提出了多种选线方法，并开发了相应的装置。

20世纪50年代我国有根据首半波极性研制成功的接地保护装置和利用零序电流五次谐波研制成功的接地选线定位装置。

70年代后期，上海继电器厂和许昌继电器厂等单位研制生产了一批有选择性的接地信号装置，如反映中性点不接地系统零序功率方向保护ZD-4型保护，反映经消弧线圈接地系统5次谐波零序功率方向的ZD-5、ZD-6型保护。

有些运行部门还采用反映零序电流增大的零序电流保护来选线。

近几年来，随着微机在电力系统中的推广，相继又出现了一些微机型接地选线装置和适合微机实现的选线理论。

其中有南自研究院研制的微机小电流接地系统单相接地选线装置，其主要原理是比较线路零序电流5次谐波的大小和方向；华北电力大学利用零序电流的5次谐波比相原理研制的ML98型小电流接地系统单相接地微机选线装置[2]。

到目前为止，基于不同选线理论已经先后推出了几代产品。

但在实际应用中，对于中性点不接地系统采用比幅、比相原理选线可以达到很高的准确率。

但对于中性点经消弧线圈接地系统，基于稳态特征分量的选线效果就不很理想，所以此问题有必要进一步研究。

1.2小电流接地系统单相接地故障选线难点

中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障选线问题之所以难以解决，主要原因有以下几点：

（1）故障边界太复杂、随机，难以用单一统计模型描述。

（2）故障稳态分量小，给信号的检测和选线判断造成困难。

特别是经消弧线圈接地系统，流过故障线路的电流十分微弱，甚至比健全线路感受到的电流变化还小。

故障信号叠加在负荷电流上，稳态幅值小，现有的电流互感器很难准确检出，而且环境电磁干扰相对较大，加上零序回路对高次谐波及各种暂态量的放大作用，使得检出的故障稳态分量信噪比非常低[2]。

（3）影响小电流将接地系统故障选线准确性和可靠性的因素很多。

①补偿电网失谐度的影响。

对于中性点经消弧线圈接地系统，失谐度表示电流谐振等效回路的不同工作状态和偏离谐振的程度。

当电流谐振回路恰好在谐振工作点时，即全补偿状态时，残流中仅含有有功分量，此残流幅值最小，且与零序性质的中性点位移电压同相位。

欠补偿状态时，残流中不仅含有有功分量，同时含有容性无功电流分量，其幅值明显大于全补偿状态时的幅值，残流的相位领先于零序性质的中性点位移电压。

当电流谐振回路工作于过补偿状态时，残流中含有有功分量和感性无功分量，残流相位滞后于中性点位移电压。

②线路长短及结构的影响。

③故障合闸角的影响。

小电流接地系统单相接地故障一般发生在相电压峰值附近，可以产生明显的暂态电流，但是单相接地故障也可能发生在相电压过零附近，此时故障零序电流中高频