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This is because the grounding current of low current systems is small, and they are easily affected by external interference and changes in the parameters of the line itself. For decades, people have conducted comprehensive research on this topic, proposing many principles and methods for line selection. However, each method has its own scope of applicability and limitations. In recent years, with the development of computer technology and electronic technology, transient fault signals can be quickly extracted, providing a prerequisite for fault line selection. Practice has proven that a single line selection method can no longer meet the requirements of actual line selection. With the development and application of intelligent control theory, the method of comprehensive line selection by analyzing fault information from multiple aspects and integrating the characteristics of various physical quantities has improved the accuracy of line selection. The fault line selection of low current grounding systems, especially neutral point grounding systems through arc suppression coils, is difficult to guarantee due to the small amplitude of zero sequence current; The line selection scheme based on external signals is susceptible to the influence of transition resistance. A fault line selection strategy for low current grounding systems using additional inductors is proposed to address the above issues. By sequentially adding additional inductors to each line after a single-phase grounding fault occurs, and using a cyclic judgment method based on the changes in zero sequence voltage at the bus, the faulty line is determined to achieve fault line selection. Theoretical derivation and simulation verification based on PSCAD/EMTDC show that the proposed line selection strategy only requires the collection of zero sequence voltage, with low measurement requirements. It can accurately and reliably determine the fault line under different grounding modes of the system, and has strong resistance to transient resistance.Keywords: low current grounding system; Single phase grounding fault; Neutral point grounding method; Additional inductance; Zero sequence voltage; Fault line selection目录基于零序电压的小电流接地系统故障选线研究 1摘要 1Abstract 21 绪论 31.1 课题来源及其意义 31.1.1 课题研究的意义 31.1.2 课题研究的意义 41.2 小电流接地的研究现状 51.2.1 国外的研究状况 51.2.2 国内的研究状况 61.2.3 小电流接地系统的难点 61.3 研究内容 72故障选线方法 72.1 基于故障信息的选线方法 82.1.1 基于故障信息稳态选线法 82.1.2 基于故障信息暂态选线法 92.2 外部注入信号选线法 102.2.1 注入单频信号法 102.2.2 注入变频信号法 102.3 拉线法 103 基于附加电感的单相接地故障分析 113.1 小电流接地系统单相接地故障电路模型 113.2小电流接地系统单相接地故障分析 123.3 附加三相电感投入方案 133.4 基于三相电感的故障分析 143.5 单相接地故障选线模型 163.5.1 单相接地故障选线判据及流程 163.5.2 性能分析 174 仿真与验证 194.1 仿真模型 194.2 仿真结果 195结论 20参考文献 21致谢语 221 绪论1.1课题来源及其意义1.1.1 课题研究的意义小电流接地系统中性点采用非有效接地方式主要有经消弧线圈接地、不接地两种接地方式[1-2]当发生单相接地故障时故障信号微弱如何准确选线依然是目前研究面临的难题[3]。特别是经消弧 线圈接地系统由于消弧线圈过补偿使得故障电流幅值减少导致故障线路与健全线路零序电流差异 进一步减小选线困难[4]。1.1.2 课题研究的意义随着经济建设的全面发展电力的需求越来越大配电网络越来越密集。安全可靠优质经济是电力系统运行的基本要求。电力线路的运行关乎国民生产人民生活的各个方面。但是电力系统不同的运行方式关系到供电的可靠性设备的安全性运行的经济性等等。供电首先要保证的是安全可靠由于自然因素的影响造成的配电线路停电起火等事故给人民的生活生产带来巨大损失。电力系统的中性点是指三相星形连接的电源或者变压器的中性点?2。电力系统的运行方式主要有两类:一类是中性点有效接地它是指中性点直接接地或者经低阻接地称作大电流接地方式。这种方式下发生单相接地时接地点和中性点构成回路故障电流很大继电器立即跳闸切断故障线路。大电流接地方式供电的安全性很高但供电的可靠性差;另外一类是中性点非有效接地它是指中性点不接地经消弧线圈接地或者是经过高阻的接地方式。这种方式下的接地电流小所以称之为小电流运行方式。小电流系统发生单相接地故障时供电的可靠性好但是安全性差。我国的35kv以下的配电系统一般采用小电流接地方式。依据电力部门的资料显示配电网络发生的故障中有很大一部分是单相接地它占到所有故障的80%以上3]。在这种中性点非有效接地的系统中发生单相接地时候由于不能构成底阻抗的短路回路所以接地的短路电流很小。如何迅速精确的有效的找到接地的故障线路就成为一个人们研究的课题这就是故障选线。当发生小电流单相接地时由于系统的线电压保持对称按照电力部门的运行规则可以继续运行1-2个小时不必立即跳闸。但是非故障相电压升高长时间会破小电流接地系统中性点采用非有效接地方式主要有经消弧线圈接地、不接地两种接地方式当发生单相接地故障时故障信号微弱如何准确选线依然是目前研究面临的难题。特别是经消弧线圈接地系统由于消弧线圈过补偿使得故障电流幅值减少导致故障线路与健全线路零序电流差异进一步减小选线困难。针对单相接地的故障选线以往选线方法通过提取特征较明显的暂态信号构建选线判据这些方法主要有小波分析法、基于暂态能量法。此类基于暂态信号的选线方法判定阈值不易选取过程较短暂对数据采集要求高同时在高阻接地时暂态信号不再明显选线比较困难。随着人工智能的兴起越来越多的智能算法应用到故障选线中文献[11-18]提出了一系列遗传算法与神经网络的故障选线方法但此类方法受自身结构及应用场景影响较大限制了选线效率与准确性。文献采用零序电压调节零序电流的选线方法其原理是利用了零序电压来调节零序电流阈值但高阻接地时受测量精度的影响较大文献[20]利用各条线路的零序电流与相位特征构建选线判据在高阻接地时仍然能够准确选线但仅对集中式保护装置有效母线故障时易发生误判目前针对小电流接地系统故障选线问题所提选线策略均存在高阻接地故障时适应性不足的难题。文献通过一次设备的投切在二次设备中获取稳定的电气量用于故障选线这种一二配合的方式在工程中较为广泛也为本研究提供了选线思路。本研究提出一种基于附加电感的零序电压型故障选线方法首先建立小电流接地系统的电路模型分析单相接地故障特征提出附加三相电感投入方案其次根据故障线路三相电感投入前后母线处零序电压变化明显而非故障线路三相电感投入前后母线处零序电压变化较小的特征以此实现对故障线路进行判断同时在高阻接地情况下可靠、准确的选线最后通过理论分析与仿真均验证了所提方法的正确性。坏绝缘对配电设备造成伤害也要防止发生两相或三相接地事故这就要求在规定时间内查明故障线路排除接地线路保证系统的稳定运行。几十年来科研人员提出好几十种选线原理也研制出不少故障选线的装置。但是精确度不高有时候会发生误判。1989年的中国机电工程学会配电自动化学术会议中就肯定了小电流系统单相接地故障检测是配电自动化的一个难题。1.2 小电流接地的研究现状1.2.1 国外的研究状况国外对小电流接地研究的比较早不同的国家小电流接地处理方式各不相同。例如:前苏联采用中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式主要采用零序功率方向原理和首半波原理进行选线。日本采用高阻抗接地方式和不接地方式其高阻接地方式比较多他们的选线原理也较为简单不接地系统主要采用功率方向继电器高阻接地系统采用零序过电流保护瞬间切除故障线路。近些年来一些国家在如何获取零序电流以及接地点分区段方面取得了一些成绩并已将人工神经网络应用于接地选线中来。美国的电网中性点运行方式主要采用电阻接地利用零序过电流保护方式它的故障跳闸仅用于中性点经低阻接地系统对高阻接地系统仅有报警功能。法国过去以地电阻接地方式居多采用零序过电流原理来实现接地故障保护但是现在随着城市电缆线路的运用电容电流迅速增大已开始采用自动调谐的消弧线圈接地方式以补偿电容电流。为了解决此种系统的接地选线问题他们提出了利用 prony 方法和小波变换来提取故障暂态信号中的信息(如频率、幅值、相位)以区分故障线路与非故障线路但还未应用于具体装置。挪威一家公司采用测量零序电压与零序电流空间电场和磁场相位的方法研制了一种悬挂式接地故障指示器分段悬挂在线路和分叉点上。加拿大一公司研制的微机式接地故障继电器也采用了零序过电流的保护原理它的软件算法一部分采用了沃尔什函数来提高计算接地故障电流有效值的速度。90年代国外出现有将人工神经网络及专家系统应用于小电流接地选线的文献。1.2.2 国内的研究状况我国故障选线法的研究是最近几十年才开始研究的相对于国外的研究比较落后。国内的配电网大型工矿企业的供电系统大都采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式近年来城市的发展对电网进行了改造一些城市电网改用电阻接地运行方式。矿井 6~10kv电网过去一直采用中性点不接地方式随着井下供电线路的加长电容电流增大。近年来矿并普遍采用消弧线圈的接地方式并且主要采用消弧线圈并、串电阻的接地方式。我国的单相接地保护原理研究开始于1958年保护方案从零序电流到无功方向保护从基波方案发展到五次谐波方案从步进式继电器到群体比幅比相以及首半波方案。先后推出了几代产品运用比较多的产品有:许昌继电器厂的zd系列产品北京自动化设备厂的 xjd 系列装置中国矿大的 μp-1 型微机检漏装置和华北电力大学研制的系列微机选线装置等。1998年山东工业大学桑在中教授提出了“注入法选线方法。近几年来随着计算机技术和电子技术以及智能控制技术的发展人们提出采用综合法智能法来进行故障选线。人工神经网络模糊控制拓扑形象学可拓扑理论粗糙集理论的大量应用使得智能化选线有了进一步提高。1.2.3 小电流接地系统的难点经过这么多年的探索和研究小电流选线理论日趋成熟一些选线装置也越来越多的应用到实际的电力系统中但是选线的准确性不好经常发生误判或者错判的情形。造成故障选线困难的原因主要有以下几个方面:(1)地信号的故障特征不明显单相接地时故障稳态零序电流一般小于30A甚至只有几安培。其中有功分量和谐波分量更小一般不到接地电流的10%。由于配电网结构复杂对于不同的电网其含量也不同所以在发生单相接地故障时故障特征有时明显有时不明显。故障暂态信号虽然幅值比稳态信号大但是其持续时间短故而很难检测到所以基于单一故障特征的选线方法很难实现对各种故障情况达到选线正确率都较好的想法。(2)稳定故障电弧的形响现场单相接地故障大多数是瞬时接地或者是间歇性接地此类也就是弧光接地故障。弧光接地的难点在于它的接地故障不稳定故障的不确定性使得难以获取一个稳定的接地电流信号这样基于稳态信号法的选线理论就失去了其作用。有些选线产品在实验中效果很好但是实际没有那么理想原因是在试验中的接地都采用人工方式线路与导体之间发生金属性接触与实际中的绝缘击穿现象不同。(3)随机因素的影响配电网运行方式改变频繁造成变电站出线长度和数量频繁改变其电容电流和谐波电流亦随之变化。另外母线电压的高低变化、负荷电流的大小变化、故障点的接地电阻不确定等因素都造成故障零序电流不稳定。这些随机因数的影响是不确定的是难以预测到的给选线带来更多的困难。1.3 研究内容研究小电流接地系统在发生单相接地故障时的电气特性特别是零序电压的变化规律。通过对健全线路和故障线路的零序电压的变化进行研究提出一种基于零序电压的小电流接地系统故障选线方法。基于PSCAD仿真软件搭建小电流接地系统模型并进行仿真分析进一步验证所述方法的正确性和有效性。2故障选线方法2.1 基于故障信息的选线方法在发生小电流接地故障时各条线路的电压、电流等信号会出现不同的变化基于故障特征法主要是检测零序电流和零序电压信号测算其幅值和相位在故障线路和非故障线路的不同来进行选线。因此基于故障信息法也叫做主动选线法。2.1.1 基于故障信息稳态选线法(1)零序电流幅值法在中性点不接地的系统中故障线路的零序电流幅值远远大于非故障线路的零序电流。所以依据不同线路零序电流的大小来判断接地线路的方法就是零序电流比幅法。当发生单相接地时流过故障点的零序电流在数值上等于所有非故障元件对地的电容电流之和。零序电流幅值法是早期的继电保护原理的运用适用于中性点不接地的系统中。该方法简单只需出各条出线的零序电流进行比较即可这种判断方法单一它受到系统的运行方式输电线路的长短接地电阻大小等参数变化的影响以及电流互感器(CT)的不平衡影响。从而出现某条非故障线路的零序电流大于故障零序电流的情况就发生误判。(2)零序电流相位法发生单相接地时正常电流是从母线流向线路而故障电流是从线路流向母线。故障线路的零序电流和非故障线路的零序电流相位相反相差180度根据检测到的零序电流相位进行判断的方法就是零序电流比相法。该方法单一、简单。但是在经大电阻接地或线路较短时零序电压、零序电流均较小容易产生“时针效应”使相位难以判断。而且电流互感器不平衡电流、过渡电阻大小、继电器工作死区及系统运行方式都会影响相位法的判断使之容易发生误判。对于中性点经消弧线圈接地的系统零序电流比相法失效。(3)群体幅相法121]群体幅相法是前两种方法的综合判断。先进行零序电流比较选出几个幅值较大的作为候选然后在此基础上进行相位比较如果某条线路方向与其他线路不同则其为故障线路如果所有零序电流同相位则为母线故障。这种方法是中性点不接地系统的常用选线方法大多数选线装置都采用这一办法。该方法相对于前两种方法有一定的提高在一定程度上解决了前两种方法单一化的问题但同样存在的问题是电流互感器的不平衡性过渡电阻的随机变化性对选线的影响而且“时针效应”仍然可能存在。(4)五次谐波法:故障点和线路设备等非线性因素会产生谐波电流其中以五次谐波分量为主。由于消弧线圈是按基波整定的消弧线圈对五次谐波的补偿作用仅相当于基频时 125。因此一般条件下故障线路的五次谐波电流比非故障线路的大且方向相反根据比幅比相算法便可以确定故障线路。由于接地电流中的谐波分量较小(一般小于 10%)不利于检测且负荷中的五次谐波源、CT 不平衡电流和过渡电阻的大小都会一定程度上影响谐波法选线结果。(5)功率法电网线路特别是消弧线圈串联、并联的非线性电阻将产生一定有功电流而且不能被消弧线圈补偿。故障线路零序电流有功分量或有功功率比健全线路大且流向相反利用该特征可选出故障线路。功率选线法的故障信息同样是不够突出。受 CT不平衡、线路长短、过渡电阻大小的影响也较大。并且由于三相电容平衡引起“虚假有功电流分量”对有功分量算法的影较大。2.1.2 基于故障信息暂态选线法(1)首半波法首半波法是基于这一假设:接地故障发生在相电压接近最大值瞬间。它利用故障线路暂态零序电流和电压初始阶段极性有一段时间相反而健全线路两者相同的特点实现选线。该方法可适用于不接地和经消弧线圈接地系统可检测不稳定接地故障。但是极性关系成立的瞬间很短暂且受线路参数、故障初相角、过渡电阻大小的因素影响。(2)小波分析法利用合适的小波和小波包对暂态零序电流进行小波变换根据故障线路上暂态零序电流某频段分量的幅值包络线高于健全线路而且二者极性相反的关系选择故障线路。小波选线方法对中性点不接地和中性点经消弧线圈接地的电网都适用。特别适用于故障状况复杂、故障波形杂乱的情况这与稳态变量选线方法形成优势互补。由于小波算法采用的暂态信号受过渡电阻、故障时刻等多种因素影响暂态信号呈随机性、局部性和非平稳性特点有可能出现暂态过程不明显的情况在这种情况下小波算法就要和其他方法联合使用进行综合信息选线。2.2 外部注入信号选线法外部注入信号法和前述的利用故障线路的本身信息进行选线是截然不同的方法它是通过电压互感器的二次侧向一次侧注入某一频率的信号通过检测返回来的信号来判断故障线路这种方法不依赖于故障本身的微弱信号。2.2.1 注入单频信号法注入单频信号法是利用单相接地时原边被短接、暂时闲置的故障相电压互感器(TV)向接地线路注入一特定电流信号利用电流探测器在开关柜后对每条出线进行探测探测到注入信号的线路即故障线路。这种方法利用处于不工作状态的接地相电压互感器 TV注入信号不增加一次设备且不影响系统运行但注入信号的强度受电压互感器容量限制接地电阻较大时线路上分布电容会对注入的信号分流给选线和定位带来干扰;如果接地点存在间歇性电弧现象注入的信号在线路中将不连续且会破坏信号特征给检测带来困难。2.2.2 注入变频信号法通过消弧线圈电压互感器(接地电阻较大时)或故障相电压互感器(接地电阻较小时)发送可变频的恒流信号测量各条出线阻尼率来选择故障线路。这种方法可一定程度上克服注入单频信号方法在高阻接地时存在的问题但当接地电阻较小时信号电流大部分流经故障线路导致非故障线路上阻尼率误差较大。2.3 拉线法