小电流接地系统单相接地故障选线方法研究

摘要 本文在总结小电流接地系统的特点及研究现状的基础上, 进一步 摘 建模仿真分析研究了小电流接地系统发生单相接地故障时零序电流、零序电压、 电压相模变换、电流相模变换的特征。为解决从变电站出口选出单相接地故障线 路的问题, 提出了基于电压互感器注入信号干扰零序电流的波形识别法及其与 小波分析法、能量法结合的综合选线法。

1. 小电流接地系统单相接地故障研究现状

国内外采用的小电流接地选线方法很多, 归纳起来有以下几种: 绝缘监测 法、有功电流接地保护法、功率方向接地保护法、暂态电流接地保护法、残流增 量接地保护法、用模糊神经网络理论改进的传统“零序电流比幅法、零序有功分 量比幅法、 能量法” 注入信号寻迹法、 、基于小波分析的选线方法, 客观地说, 这 些方法都存在一定的缺陷。近年又研究出了几种新方法, 归纳起来有: 阻抗法、S 注入法、智能法、区段查找法和行波法等几种。阻抗法的原理是基于输电线为 均匀线, 即假设故障回路阻抗或电抗与测量得到故障点的距离成正比。 根据计算 的信息的来源不同可分为单端阻抗法与双端阻抗法。由于故障点过渡电阻、分布 电容、线路不完全对称, 以及电压、电流变换误差的影响, 使阻抗法的测距误差远远不能满足实际使用的需要。

S 注入法的原理是, 系统发生故障时向系统注入一个特殊的电流信号, 通 过检测注入信号的路径和特征来实现测距, 称之为 “S 注入法” 与阻抗法一样, 。 都是通过电流电压计算测量点到故障点阻抗, 它们的区别仅仅在于信号的检测 方法上。为解决故障测距问题, 许多学者引入优化方法、卡尔曼滤波技术、模式 识别技术、概率和统计决策、模糊理论、模拟退火法、分形分维分析、人工神经 网络、专家系统等智能分析方法和手段。基于规则的人工神经网络和专家系统的 发展为智能法测距提供了新的途径, 但目前还处于研发阶段。 区段查找法, 通过 馈线终端(RTU , FTU ,DTU ) 检测各段开关处的电气量, 进行故障区段的判断, 实现将故障区段迅速隔离, 一定程度上缩小故障范围, 缩短了故障查找时间。 此 法的测距作用是有限的。行波法是利用高频故障暂态电流、电压的行波或断路器 断开或重合时产生的暂态信号等等来间接判断故障点的位置。 直到20 世纪90 年 代, 随着时频分析技术的发展, 行波测距才真正受到关注。 电力系统中主要用于 输电线路的故障测距, 因输电线路分支少行波测距精度高, 不受过渡电阻、 系统 参数、串补电容、线路不对称及互感器变换误差的影响。由于配电线路节点、分 枝多, 利用自然高频暂态信号行波法实现配电网的测距几乎没有优势。 小电流接 地系统高压电网利用小波分析行波构建选线、 测距装置正处在理论分析阶段和试验阶段。 总之, 阻抗法、 注入法、 S 智能法、 区段查找法和行波法在故障测距中, 随着不同的环境(对象) 体现出各自的优缺点。 针对小电流接地系统本身的特点, 选择一种合适的方法, 不是一件容易的事情, 有待人们进一步探索。

2. 需要解决的问题

几十年来人们不断研究小电流接地系统单相接地故障定位原理, 已经取得 了很多成果, 积累了许多经验。但是, 由于配电网结构复杂, 节点多, 分支多, 树状接线多, 特别是农网; 加上配电网的运行方式复杂多变; 还有人们对小电 流接地系统单相接地故障特征没有完全认识; 根据目前故障选线及测距原理制造的

故障选线装置及测距装置还不能适应各种运行情况, 误、 漏判率也不低, 一些问 题急待解决:

(1) 全面认识小电流接地系统单相接地故障的特点, 研究更有效的单相接 地故障原理, 制造出效果更好的选线装置;

(2) 研究适合配电网的故障测距原理, 制造出效果更好的测距装置;

(3) 利用现代信息技术、计算机技术、信号处理技术及网络技术, 提高在线 故障定位的自动化水平和准确性。

3. 小电流接地电网单相接地过渡过程的特点

当发生单相接地故障时, 接地电容电流的暂态分量可能较稳态分量值大很 多倍。 在一般情况下, 由于电网中绝缘被击穿而引起的接地故障, 经常发生在相 电压接近于最大值的瞬间, 因此, 可以将暂态电流看成是如下两个电流之和:

(1) 由于故障相电压突然降低而引起的放电电容电流, 它通过母线流向故 障点,放电电流衰减很快, 其频率高达数千赫兹, 振荡频率主要决定于电网中的 线路参数、故障点的位置以及过渡电阻。

(2) 由于非故障相电压突然升高而引起的充电电容电流, 它主要通过电源 而形成回路。 由于整个流通回路的电感较大, 因此, 充电电流衰减很慢, 振荡频 率也很低(仅数百赫兹)。 对于中性点经消弧线圈接地的电网, 由于暂态电感电流 的最大值应出现在接地故障发生时相电压过零值瞬间, 而当故障发生在相电压 接近最大值时, 暂态电感电流为零, 因此, 暂态电容电流较暂态电感电流大很 多, 所以在同一电网中, 不论中性点绝缘或是经消弧线圈接地, 在相电压接近 于最大值时, 发生故障的瞬间, 其过渡过程是近似相同的。 暂态接地电流的幅值 和频率特性均主要由电容电流的特性决定。

4. 小电流接地电网单相接地故障选线新方法

故障选线新方法是以电压互感器注入信号为基础的、以波形识别法为核心 的、与小波分析法、能量分析法结合的小电流单相接地故障综合选线法, 特别是其中的波形识别法, 它不用复杂的计算、简单直观实用、耐高接地阻抗, 选线效 果较好。

5. 波形识别法的原理依据及可行性分析

5. 1 波形识别法原理与依据理论分析 小电流接地系统发生单相接地后, 系统出现零序通路, 从故障点加入的零 序电压将在零序网络中产生零序电流。 在接地故障期间, 假设过渡电阻是不变的, 系统中将产生稳态的零序电流; 通过电流互感器注入脉冲信号后, 电网中将会 出现电流脉冲。根据电路叠加原理, 电路中各支路的零序电流是两个电流的叠 加。电网正常运行时, 电压互感器二次侧电压为UAN = UBN =U CN = 100ö 3 V ,ULN = 0V。当A 相发生单相接地故障时, 则有UAN = OV ,UBN = U CN = 100V。ULN = 100V。 此时, 系统将产生接近或高于系统相电压的零序电压, 从电压互感器开口 三角绕组测出零序电压, 接地保护装置根据系统出现的零序电压ULN= 100V , 及 接地相线路的特点, 自动判别接地的相别为A 相。 此时, 接地相电压互感器原边 处于被短路的状态, 因此从电压互感器故障相二次侧A、N 两端子之间注入的信 号可以在原边感应出较高的电压, 影响相电压的波形及各条线路零序电压的波 形。 方法是从注入脉冲信号影响零序电流的角度来选择故障线路的, 被注入的脉 冲信号为幅值50V 到100V 之间的工频信号, 它是通过高频开关截取的持续宽度 为3m s 到15m s 之间的一个脉冲。三相五柱式电压互感器接线如图1。

5. 2 可行性分析

5. 2. 1 接地继电保护装置通过电压互感器, 反映电力系统一次电压的变化, 因此, 电压互感器对短路过渡过程的影响直接关系到继电保护的正常工作。 中等 电压等级的电网中, 一般多采用电磁式电压互感器。 这种电压互感器的时间常数 很小, 电力系统短路而使一次电压降到很小时, 在电力系统中储存的能量将迅 速释放, 因而产生的电压自由分量衰减很快。 所以, 对电压互感器的过渡过程无 须特别注意。 这样对有电压互感器加入的信号不会产生很多的延迟, 对采样的时 间比较好控制。

5. 2. 2 对于3～ 66KV 配电网, 即中压网的绝缘裕度较大,它允许带故障运 行2 小时, 它的最大工作电压为线电压, 它能够耐受操作过电压、雷电过电压、 谐振过电压。 电网设备能耐受各种试验(试验过电压及试验时间)。 例如, 10kV 电 网, 设备最高电压12kV 有效值、16kV 幅值, 标准短时间工频耐受电压有效值 28kV、幅值40kV; 标准雷电冲击耐受电压有效值60kV、幅值84kV。工频耐受试验 电压的波形接近正弦波, 试验电压的频率为45～ 50Hz, 加一次额定工频耐受电 压(有一效值) , 其持续时间为1m in。本方法加入信号后, 使系统中出现的高压 幅值不会超过40kV , 持续时间远远小于1m in, 因此, 加入信号后对系统的安全 没有影响。

5. 2. 3 对继电保护和电能影响几乎不用考虑。

5. 2. 4 避雷器对所加脉冲的吸收也很小。综合以上分析该方法可行。

6. 系统仿真建模及分析

6. 1 系统仿真建模

图2 为10kV 电压等级配电网四条出线系统, 图中只标注主要电力设备元件, 电压互感器接在母线上, 图中已省略, 接地电阻仿真时在接地开关中设置, 图 中未单独画出。其它仿真参数 在各算例中, 分别设置。

6. 2 仿真研究注入信号后各线路零序电流波形

6. 2. 1 线路单相接地时各线路零序电流波形分析设线路IV 出现A 相单相 接地故障, 四条线路I (L 1)、II(L 2)、III(L 3)、IV (L 4) 长度分别为10km , 20km , 30km , 20km , 使用分布参数输电线路做高压输电线路, 全带80% 的负 载。部分参数设置说明如下: 电源为理想电压源, 线电压10kV , 频率50HZ, 相 角为0, 内部连接方式Y, 三相电源电阻0. 3128 , 三相电源电感6. 63e- 3H。线 路单位长度正序电阻为0. 012738、零序电阻为0. 38648 , 线路单位长度正序电 容为12. 74e- 9F、线路单位长度零序电容为4. 1264e- 3F, 线路单位长度正序 电感 为0. 9377e- 3H、零序电感为7. 751e- 3H。接地电阻的设置见图3 标注。图3 中 的信号分别在0. 04s与0. 06s 时刻注入, 注入信号长度3m s, 仿真分析不同接 地电阻情况下, 四条线路的零序电流波形变化。图中纵坐标表示电流, 单位为安培; 横坐标为时间, 单位为秒。

从图3 中得出以下结论: ①外加电压信号会引起所有线路零序电流发生变化, 故障线路的变化体现低频特性而非故障线路体现高频特性; ②接地电阻越小, 零序电流变化的幅度也越大, 随着接地电阻由大到小故障线路零序电流(信号加 入点) 由三角弧形变成半圆弧形, 而非故障线路零序电流(信号加入点)总是呈 现高频振荡状态(接地电阻越小振荡幅度越大) ; ③接地电阻接近零欧时, 故障 线路零序电流与信号加入时刻同步变化,而非故障线路零序电流变化滞后信号加 入时刻(接地电阻越小滞后时间越长) ; ④故障期间(未加入信号时) , 非故障线 路零序电流波形呈现同相变化与故障线路零序电流反相(以上波形由于被纵向压 缩, 特征不明显) ; ⑤故障发生时刻, 故障线路与非故障线路零序电流发生反 向突变, 而非故障线路零序电流都同相变化。 在多次改变注入信号的宽度, 改变 接地电阻的大小的情况下, 进行仿真试验, 得出相似的规律。

6. 2. 2 简要分析注入信号后母线电压的变化经过大量仿真得出以下结论: ①对于中性点不接地系统, 注入信号(一次侧10kV ) 后, 接地电阻为零时, 零 序电压幅值最高可达40kV , 正常相的相电压幅值不超过20kV; 接地电阻2000欧 时, 零序电压幅值不超过1. 5kV , 正常相的相电压幅值不超过30kV ; ②对于中 性点经消弧线圈接地系统, 正常相的相电压幅值及零序电压幅值都远远小于不 接地系统的值。

7. 综合选线方案方法及判据

(1) 故障选相法: 故障相电压最低; 但经过渡电阻接地时, 一相电压升高 但不超过线电压, 其余两相降低但不相等, 对于中性点不接地电网, 升高的下 一相为接地相, 对于过补偿网络, 升高的上一相为接地相。

(2) 利用系统零序电压的变化量, 判断系统是否发生单相接地故障, 零序 电压突变的时刻即为故障发生的时刻。 正常情况下, 故障选线装置不间断地采集 母线零序电压及各线路的零序电流数据, 采集的数据按顺序存放在循环寄存器 中, 按每个采样周期的数据计算零序电压的幅值, 如果计算值超过整定值, 则 认为故障发生, 以该时刻为标志确定原始采样数据序列, 把此时以前两个周期及此时刻以后两个周期的数据作为算法分析的对象。 启动小波变换模极大值算法, 求各线路零序电流同一尺度下的小波变换的模极大值极性加以比较, 如果故障 发生时刻小波变换的模极大值极性全部相同, 则判定为母线故障; 如果某条线 路的模极大值极性与余下全部线路的相反, 则这条线路故障。

(3) 利用系统零序电压的变化量, 确定系统已经发生单相接地故障后, 启 动故障选线装置通过电压互感器向系统故障相注入信号脉冲, 以注入信号脉冲 时刻为采样时刻, 采集此时刻以后一个或两个周期的数据存储起来, 启动零序 电流能量法计算各线路外加信号后的零序电流能量加以比较, 启动相位法, 计 算各线路零序电流的相位加以比较。 不经消弧线圈接地的系统, 能量大的或呈现 负相位的为故障线路, 反之为正常线路。 对于经消弧线圈接地的系统, 加脉冲前 后相位增量最大的为故障线路, 反之为非故障线路。反复多次效果更好。

(4) 利用系统零序电压的变化量, 判断系统已经发生单相接地故障后, 启 动故障选线装置通过电压互感器向系统故障相多次(间隔时间半个周期左右) 注 入信号脉冲, 以第一次注入信号脉冲时刻为计时标志, 采集此时后几个周期各 线路零序电流, 启动图形(识别) 算法, 绘制各线路零序电流波形图, 加以比 较。 中性点不接地系统故障线路零序电流正弦波形与非故障线路的零序正弦波形 反相, 而非故障线路的同相。 中性点经消弧线圈接地过补偿电网通过外加信号影 响产生的特征予以判断。 对于所有类型小电流接地电网注入信号后, 各线路的零 序电流在信号注入时刻后都发生变化, 非故障线路零序电流呈现基波叠加高频 振荡, 而故障线路呈现半圆形或高频振荡伴随严重变形半圆的形状(半圆畸变度 随着接地电阻增大而增加)。

8. 小结

本文提出了简单直观实用、 耐高接地阻抗、 选线效果较好的波形识别选线法, 提出了基于电压互感器注入信号的类能量法、 平均相位法。 首先, 进行理论分析, 然后, 用算例进行仿真验证各种方法的正确性, 在验证各种方法正确性的基础 上, 提出了以电压互感器注入信号为基础的、以波形识别法为核心的、与小波分 析法、类能量分析法结合的小电流单相接地故障综合选线法。最后, 阐述了综合 选线法判据及其实现的方案、步骤。

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