1、 昆明理工大学成人高等教育毕 业 设 计（论文）小电流接地系统接地选线研究姓 名： 王远 学 号： 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 学习形式： 函授 夜大 脱产 学习层次：高起本 专升本 高起专 函 授 站： 目 录摘 要 .- 1 -Abstract.- 2 -1.绪论 .- 3 -1.1 引言 .- 3 -1.2 当前研究现状 .- 3 -1.2.1 国外发展现状 .- 3 -1.2.2 我国发展现状 .- 4 -1.3 选题意义 .- 5 -1.4 主要研究内容 .- 6 -2.小电流接地系统分析 .- 9 -2.1 引言 .- 9 -2.2 中压电网接地方式介绍 .- 9 -2
2、.2.1 中性点不接地 .- 9 -2.2.2 中性点经消弧线圈接地 .- 10 -2.2.3 中性点经高值电阻接地 .- 10 -2.2.4 中性点经小电阻接地 .- 11 -2.3 谐振接地系统单相接地故障分析 .- 12 -2.3.1 暂态电容电流 .- 14 -2.3.2 暂态电感电流 .- 15 -2.3.3 暂态接地电流 .- 16 -2.4 本章小结 .- 17 -3.选线技术和原理比较研究 .- 19 -3.1 引言 .- 19 -3.2 利用零序分量的选线技术 .- 19 -3.2.1 群体比幅比相法 .- 19 -3.2.2 五次谐波法 .- 20 -3.2.3 有功分量法
3、、能量函数法及零序导纳法 .- 21 -3.2.4 电流增量法 .- 23 -3.2.5 首半波法 .- 26 -3.2.6 小波法 .- 28 -3.3 不利用零序分量的选线技术 .- 28 -3.3.1 拉线法 .- 28 -3.3.2 负序电流法 .- 28 -3.3.3 信号注入法 .- 28 -3.4 本章小结 .- 29 -4.ZXJ-II 综合故障诊断及录波装置 .- 31 -4.1 引言 .- 31 -4.2 ZXJ-II 综合故障诊断及录波装置采用了如下创新和诊断方法 .- 31 -4.3 ZXJ-II 综合故障诊断及录波装置特点 .- 31 -5.模拟电网及接地波形实录 .
4、- 37 -5.1 小电流接地动态模拟电网结构 .- 37 -5.2 模拟电网接地波形实录 .- 38 -6.装置现场运行数据示例 .- 43 -6.1 引言 .- 43 -6.2 赣西沙土变综诊数据分析 .- 43 -6.2.1 故障综述 .- 43 -6.2.2 典型故障分析 .- 48 -结 论 .- 53 -总结与体会 .- 54 -致 谢 .- 55 -参考文献 .- 56 -附录：外文翻译 .- 57 -设计（论文）专用纸4摘 要在中压电网中，单相接地故障占总故障的 80以上，对单相接地危害的治理非常重要。在各种治理方式中，通过利用微机选线加上自动跟踪补偿的消弧线圈，在供电可靠性、
5、人身安全、设备安全和通信干扰等方面良好运行特性的基础上，克服了早先谐振接地需人工调谐等缺点，成为比较理想的中性点接地方式。谐振接地系统属于小电流接地系统，目前在这类系统中采用的接地选线原理可分为利用零序分量的选线技术和不利用零序分量的选线技术两大类。由于接地故障复杂多变，目前还未有一种理想的接地选线装置能够有效地适用于所有的实际接地故障的选线。本文首先分析了小电流接地系统单相接地过程的暂态过程，重点分析了经消弧线圈接地方式的情况。在此理论基础上，对现有选线技术和原理进行逐一分析，最后着重介绍本公司接地选线装置所采用的选线原理及实际现场应用情况。关键词：小电流，选线、小电流接地系统、单相接地故障
6、 设计（论文）专用纸5AbstractIn medium voltage networks, more than 80% of the faults happened are single phase to earth faults, thus the importance to deal with this kind of fault type is obvious. Among all the treatments, using a compensated neutral with an automatic tracing and compensating arc-suppression
7、coil aided by a set of faulty feeder location system has become a promising protection method, for it has many advantages in such aspects: reliability of power supply, human safety, equipment safety and communication system interference, etc.Compensated neutral system belongs to the group of small c
8、urrent neutral grounding system. The basic theory used to perform faulty feeder location in these networks nowadays can be summarized as two categories: the line selection technology of using zero sequence component and the line selection technology of not using zero sequence component. Due to the v
9、ariety and complexity of the practical faults happened in reality, a perfect location strategy that meets all kinds of circumstances is not yet discovered.Firstly, this thesis analyzed the fault transient course of small current grounded systems, especially when those systems with arc suppression co
10、il. On the based of these theory, this thesis studyed and analysised the existing curcuit selecting methods. Finally, this thsis will mainly talk about the choice wire adopted by location strategy in our company and practical application.KEY WORDS: small current, faulty feeder location, Small Curren
11、t Grounded System,single phase earth fault.设计（论文）专用纸6绪论1.1 引言我国 666kV 配电网络，大部分采用中性点不直接接地方式，因其发生单相接地故障时，流过接地点电流很小，故障点电弧能够自行熄灭，所以被称为小电流接地系统。它包括中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统和中性点经电阻接地系统。由于小接地电流系统发生单相接地故障时，故障点的电流很小，并且相与相之间的线电压仍保持对称，不影响对负荷的供电，因此在一般情况下允许再运行12 个小时而不必立即跳闸，这也是小电流接地系统一个主要优点。但随着城市配电网的高速发展，电缆线路的增多，电容电流数
12、值大幅度增加，长时间运行就易使故障扩大成两点或多点接地短路，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，因此，迅速确定故障线路并予以及时排除对馈线系统的安全运行意义重大。1.2 当前研究现状1.2.1 国外发展现状配电网接地方式的问题在世界各国是一个很有争议的热点。为了减少单相接地故障造成的危害，各国采用了不同的方法。第一次世界大战时期（1916）年，德国人彼得逊首先提出并随后发明了消弧线圈，提出了经消弧线圈接地的电力系统谐振接地方式，于是当时该国在各种电压等级的电网中性点广泛的采用了经消弧线圈接地方式，电网电压范围为 30220kV，后因 220kV 电网中事故较多，19
13、世纪 60 年代初就不再应用消弧线圈了。在柏林市的 30kV 电网中，共有电缆 1400km，其电容电流高达 4kA，也采用了经消弧线圈接地方式。前苏联曾规定 366kV 电网中性点采用经消弧线圈接地方式，莫斯科市配电电缆网络至今仍是中性点经消弧线圈接地的运行方式。美国在上世纪 20 年代中期到 40 年代中期，在 2270kV 电网中，中性点直接接地方式占多数(72)，且发展很快，逐步取代了不接地的运行方式，一直延续至今。英国 66kV 电网中性点采用电阻接地方式，而对 33kV 及以下由架空线路组成的配电网，中性点逐步由直接接地改为消弧线圈接地；由电缆组成的配电网，仍采用中性点经小电阻接地
14、方式。日本 20kV 电缆和架空线路混合电网，1950 年以来一直采用中性点不接地方式，设计（论文）专用纸7随着电缆的增加，为防止接地继电器的误动、拒动和中性点位移，采用经4090低值电阻器接地方式。 1969 年改用经 40460电阻器接地方式，0.7s短接 460电阻器确保迅速准确选线断开单相接地故障线路。1975 年统计，1133kV 配电网中性点不接地占 40，经消弧线圈接地占 28，经电阻接地占30，直接接地占 2。其采用电阻接地方式一般限制接地电流数值为 100200A。东京电力公司所属配电网，其中性点接地方式为 66kV 电网分别采用电阻、电抗和消弧线圈接地；22kV 系统采用电
15、阻接地方式。法国电力公司（EDF）从 1962 年开始，将城市配电网的标称电压定为 20kV，其中性点采用电阻或经电抗接地方式，限制接地故障电流数值如下：大城市电缆配电网 1A，其他配电网为 300A。故障线路要求快速跳闸，但不考虑故障发生到故障切除这段时间中的接触电压和跨步电压。至 80 年代，法国电力公司对 20kV 配电网中性点接地方式提出新要求，即瞬时接地故障电流应降低到 4050A，同时要求考虑接触电压、跨步电压和对低压设备绝缘危害等问题。对 20kV 电网对地电容电流小于50A 时，采用中性点经 120电阻器接地方式，对电容电流在 50200A 之间则在电阻器旁并联补偿电抗器（消弧
16、线圈） 。随着并联补偿电抗器技术的改进（自动跟踪调节系统的应用） ，已将最大接地电流降至 40A，其中 20A 是阻性电流供零序有功功率继电器工作之用。又如意大利、加拿大、瑞典、日本和美国等在中压电网升压运行后，大部分电网中性点都采用直接接地的运行方式。世界各国的配电网中性点在 50 年代前后，大都采用不接地或经消弧线圈接地方式；到六十年代以后，有的采用直接接地和低电阻接地方式，有的采用经消弧线圈接地方式。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的研究给予了很大的重视，发表了多篇论文，研制了几代装置，在供电和煤炭行业中得到了应用，保护原理从过流、无功方向
17、发展到了群体比幅；装置由电磁式继电器、晶体管发展到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，所以选线原理简单，采用基波无功方向方法，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了不少力量，利用光导纤维研制的架空线和电缆零序互感器 OZCT试验获得成功。德国多使用谐振接地系统，并于 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。法国在使用中性点经电阻接地系统几十年后，现在正以谐振接地系统取代中性点经电阻接地系统，同时开发出了高新技术产品：零序导纳接地保护。而挪威一公司则利用测量
18、空间电场和磁场设计（论文）专用纸8的相位，反映零序电压和零序电流的相位，研制了悬挂式接地指示器。90 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，国外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 6-12。1.2.2 我国发展现状近年来，我国引进了大量的国外设备，由于各国的接地方式不同，各国设备的设计标准也不一致，特别是设备的耐压不同，要使用这些设备，首先必须决定电力系统的接地方式。因此在对接地方式的选择上引起了我国专家的争论。有的大城市已局部将配电网的中性点不接地方式改为小电阻接地方式，以消除弧光接地
19、过电压的产生，减少异相接地的发生。也有的改为大电阻接地方式，以消除谐振接地过电压的危害。但大部分仍主张改为经消弧线圈接地方式，补偿系统的电容电流，使得单相弧光接地时，故障点电流减少，降低故障相电压的恢复速度，达到熄弧效果，从而避免了单相瞬时接地故障的跳闸，提高系统运行的可靠性。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，并开发出了相应的装置。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
20、接地系统零序功率方向的 ZD-4 型保护和反映经消弧线圈接地系统五次谐波零序功率方向的 ZD-5、ZD-6、ZD-7 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。80 年代中期，我国又研制成功了微机型小电流接地系统单相接地选线装置，近几年来，随着微机在电力系统应用的推广，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。其中由南京自动化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五次谐波的大小和方向；华北电力大学利用零序电流的五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等。1.3 选题意义长期以来，小电流接
21、地电网的单相接地故障，由于缺少可靠的故障线路选择（保护）方法，许多供电企业不得不用人工拉路的方法选择故障线路。人工拉路会造成非故障线路供电短时中断，影响用户用电设备的正常工作，这在越来越重视电能质量的今天十分不可取。目前，我国供电企业正在积极应用配电自动化技术，以提高供电质量及管理效率。配电自动化的一个重要内容是自动故障定位、隔离及非故障线路恢复供电。配电网故障大部分是单相接地故障，已经上马的配电自动化系统大多不能可靠的定位小电流接地故障，使其提高供电可靠性的作用大打折扣。因设计（论文）专用纸9此，电力部门迫切希望能够开发出可靠实用的小电流接地故障保护技术。自 20 世纪 80 年代中期微机型
22、选线投入运行以来，各厂家相继提出了很多选线原理，并研制出基于这些选线原理的多种产品。90 年代初期选线装置的研制达到高潮，大量选线装置投入运行。但是，自动选线装技术在 90 年代末期陷入低谷，很多地区选线装置退出率达到 90以上，又退回到原始的手动逐条线路拉线的选线方法，这充分说明了故障选线问题的复杂性。小电流接地故障的检测与选线之所以困难，其主要原因在于：（1） 、故障电流小，特别是经消弧线圈接地系统，流过故障线路的稳态电流十分微弱，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，现有电流互感器很难准确检出，而环境电磁干扰相对很大，加上零序回路对高次谐波及各种暂态量
23、的放大作用，使得检出的故障分量信噪比非常低，这些严重影响基于稳态量方法的故障分辨正确性；（2）单相接地点电弧不稳定。在馈线接地点汇聚小电流接地系统的全部对地电容电流，一旦在接地处燃起电弧，接地电弧是一高度非线性时变过程，电弧包含电阻及等值的电感电容分量，具体形态随电弧电流、电弧长度、周围环境的变化而千差万别。电弧接地是一个熄弧、拉弧过程，可能引起系统运行方式的改变，导致电弧能的强烈振荡和积聚，产生波及全网的电弧过电压。故障点不稳定电弧，将使故障电压电流信号严重畸变，这亦影响着利用故障稳态信号的选线方法分辨故障的正确性；（3）人们对小电流接地故障暂态特性尚缺乏深入的了解。由于小电流接地故障稳态特
24、征较为简单，分析亦相对透彻，而其暂态特征极其复杂，目前人们掌握的还远远不够，正因为如此，严重影响着人们对小电流接地故障暂态特性以及暂态信号的利用。此外，利用零序暂态信号的首半波法和小波分析法应用效果亦不理想。其原因在于，目前的选线装置都是利用零序电压启动选线程序，而很多单相接地故障都是渐进过程，故障的最初暂态过程发生一段时间后零序电压才越限，这时记录的波形已不满足故障暂态信号选线的前提，另外，只进行一次选线加大了误选的可能性。现有的选线技术都还仅仅是利用故障的部分有用信息，因此都存在一定的局限性，不可能对所有故障情况都适用。近三年来，小电流接地故障选线的研究又掀起了高潮，国内外学者将诸如小波分
25、析、Prony 方法、ANN 方法、信息融合、模糊方法等引入到小电流接地保护中。但是，如果过于依赖数学分析工具而忽略了故障特征本身的透彻分析，对问题的解决无疑于舍本逐末。小电流接地系统单相接地故障多发生在相电压的峰值附近，此时故障零序电流中的暂态电容电流分量较大，且故障线路暂态电容电流的极性正好与非故障线路相设计（论文）专用纸10反。但是故障发生在相电压过零点附近时的情况也时有发生，应当研究此种情况下如何检出单相接地故障问题。现有的小电流接地保护不能从根本上解决小电流接地的选线问题，这与电力系统提高供电可靠性的要求与呼声背道而驰。因此，开发、研制出性能优越的小电流接地保护必然成为当今电力部门迫
26、切需要解决的技术难题。1.4 主要研究内容基于多年来研究的小电流接地系统故障选线各种方法的局限性，本课题将多种选线方法进行融合，极大的提高了选线的准确性。首先，对小电流接地系统及其单相接地故障特征从原理上进行深入的分析，以便对解决问题的对象有一个清楚的认识；其次，建立用于仿真的小电流接地系统，对各种选线技术进行比较验证，研究各种选线方法的优缺点，并找出各种选线方法的失效范围，为建立优化的选线方案作好基础；再次，对故障情况进行分类，分为大、小故障角的情况，对于大故障角的情况，重点研究利用电流分解的自适应选线新方法；而对于小故障角的情况下，重点研究利用衰减直流分量的新方法；最后，全面考虑正确进线的因素，将选线方法进行融合，进行完善的小电流接地系统单相接地故障选线技术。
