毕业论文-小电流接地系统故障自动选线仿真及研究.docx

. . 山东农业大学毕 业 论 文 小电流接地系统故障自动选线仿真及研究 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化5班 届 次 2015届 学生姓名 学 号 指导教师 二一五年六月五日装订线. . . . . . . 目 录摘要IAbstractII1 引言11.1 课题研究的背景及其意义11.2 小电流接地系统单相接地故障选线研究现状11.2.1 国外研究现状11.2.2 国内研究现状12 小电流接地系统单相接地故障特征分析22.1 电力系统中性点接地方式概述22.2 小电流接地系统单相接地故障稳态特征分析22.2.1 中性点直接接地系统22.2.2 中性点不接地系统22.2.3 中性点经消弧线圈接地系统52.3 小电流接地系统单相接地故障暂态特征分析72.3.1 暂态电容电流82.3.2 暂态电感电流92.3.3 暂态接地电流93 小电流接地系统选线方法综述103.1 利用电网稳态电气量提供的故障信息构成的自动选线法103.1.1 零序电流比幅法103.1.2 零序电流群体比幅比相法103.1.3 基于五次谐波分量的选线方法103.1.4 零序电流有功分量法113.1.5 零序电流无功功率方向法113.1.6 最大或()法113.1.7 能量法113.2 利用电网暂态电气量提供的故障信息构成的自动选线法123.2.1 基于小波分析的选线方法123.2.2 首半波法123.3 其他方法123.3.1 拉线法123.3.2 注入信号法124 小电流接地系统自动选线仿真124.1 基于零序电流比幅法原理选线的仿真124.1.1 多回路的架空线路仿真124.1.2 多回路电缆线路仿真154.2 基于零序功率方向法原理选线的仿真184.2.1 架空线路的仿真184.2.2 电缆线路的仿真194.3 基于五次谐波电流法原理选线的仿真204.3.1 接地电阻为100时204.3.2 接地电阻为400时215 结论23参考文献24致谢25附录26ContentsAbstractII1 Introduction11.1 Background and significance of the research11.2 Research status of single phase grounding fault line selection for small current grounding system11.2.1 Foreign research status quo11.2.2 Domestic research status quo12 Analysis of single phase grounding fault in small current grounding system22.1 Overview of neutral point grounding in power system22.2 Analysis of the steady state characteristics of single-phase grounding fault in small current grounding system22.2.1 Neutral point direct earthing system22.2.2 Neutral point is not grounded system22.2.3 Earthing system of the neutral point via the arc suppression coil52.3 Transient characteristic analysis of single phase to earth fault in small current grounding system72.3.1 Transient capacitance current82.3.2 Transient inductance current92.3.3 Transient grounding current93 Overview of the selection of small current grounding system103.1 Automatic wire selection method based on the fault information provided by power grid steady electrical quantity103.1.1 Zero sequence current ratio method103.1.2 Zero sequence current group ratio phase method103.1.3 Line selection based on five harmonic components103.1.4 Active component method for zero sequence current113.1.5 Zero sequence current reactive power direction method113.1.6 The maximumor()method113.1.7 Energy method113.2 Automatic wire selection method based on the fault information provided by power grid transient electric quantity123.2.1 Line selection based on wavelet analysis123.2.2 First half wave method123.3 Other methods123.3.1 Pull method123.3.2Injection signal method124 Automatic wire selection simulation for small current grounding system124.1 Simulation of line selection based on zero sequence current ratio method 124.1.1 Simulation of multi circuit overhead line124.1.2 Simulation of multi circuit cable line154.2 Simulation of the line selection based on zero sequence power direction method184.2.1 Simulation of aerial line184.2.2 Simulation of cable line194.3 Simulation of line selection based on five harmonic current method204.3.1 Ground resistance of 100204.3.2 Ground resistance of 100215 Conclusion23Reference24Acknowledgement25Appendix26iv小电流接地故障系统自动选线仿真及研究王希涛 （山东农业大学 机械与电子工程学院 泰安 271018）摘要：本文首先论述了课题的背景和意义，概括国内和国外的研究状况，分析了小电流单相接地故障的特征，包括暂态和稳态故障信息，并对基于此故障信息的选线方法，对其进行了包括原理在内的简要介绍和比较，随后选取了几种选线方法，运用Matlab中的Simulink软件包进行了仿真，根据仿真结果和分析，分析当前自动选线法存在的问题及今后的展望。关键词：小电流接地系统 单相接地故障 选线 注入法 MatlabSimulation and Research of Automatic Wire Selection for Small Current Fault SystemXitao Wang(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018)Abstract First of all, this paper discusses the background and significance of the topic, throughout the domestic and foreign research situation, analyzes the small current single phase grounding fault features, including the steady state and transient fault information, and based on the methods of fault line selection in the fault information and the the principle, brief introduction to and comparison, then select the several methods of fault line selection and use a kind of software package for the simulation in MATLAB, according to the simulation results and analysis, analysis of problems and future prospect of the automatic line selection method.Keywords: the small current grounding system; single phase ground fault; line selection; injection method; Matlab261 引言1.1 课题研究的背景及其意义 根据电力系统里中性点接地方式的不同，可将其划分为两大类：大电流接地方式和小电流接地方式。其中在小电流接地方式（也被称为中性点非有效接地方式）中,主要包括中性点经消弧线圈接地、中性点不接地和中性点经高电阻接地等1。 根据实际故障情况的反馈和分析来看，单相对地短路故障在小电流接地系统的故障中占相当大的比重，也称为小电流接地故障。当发生故障时，故障电流很小,故保护装置不用马上动作跳闸,而且瞬间故障时，短路点可自行灭弧，恢复绝缘，从一定程度上来说，这对于提高系统运行可靠性具有积极的意义。然而另一方面，往往会因接地电弧不稳定和间歇性拉弧，导致电流波形发生严重畸变，出现系统过电压，对系统绝缘造成威胁。因此，为了避免这情况，必须尽快找到故障线路,排除故障。选线问题是多年来一直未能很好解决的一个难题,虽然关于此方面的研究一直没停止,也曾经先后提出过多种解决方案,但从实际应用效果来看，现有的选线装置的选线正确率依然很低,而且有较多的供电部门依旧沿用传统的拉路法来确定故障线路。随着配电网自动化水平的不断提高,自动选线也愈来愈得到关注,从近几年的发展来看，也有很多学者在通过各种方式在尝试解决这个问题。因此，研究自动选线技术和研制自动选线装置,不仅有很强的实用性,而且市场需求也很广泛。1.2 小电流接地系统单相接地故障选线研究现状1.2.1 国外研究现状世界各国各地区在对待中性点接地方式问题时，主要是依据当地实际情况和累积的实践经验来处理。在美国，主要是中性点经电阻接地；德国大多采用经消弧线圈接地方式，前苏联地区采用不接地或经消弧线圈接地方式，法国主要采用经低电阻接地及自动消谐的消弧线圖接地。因此,各国的保护方式也各不相同。前苏联保护方式主要是利用零序过电流的保护瞬间来切除故障线路，但这样往往会导致其对高阻接地系统仅有报警功能，适用范围狭窄。日本多采用电阻接地方式,选线的原理比较简单,不接地系统主要采用功率方向继电器,电阻接地系统处理方面和前苏联类似。美国电网中性点主要采用电阻接地方式,依旧利用零序过电流保护原理，来瞬间切除故障线路。在法国，接地方式主要经低电阻接地及自动消谐的消弧线圈接地。低电阻接地采用零序序过电流原理实现接地地故障保护；消弧线圈接地则釆用Prony方法和和小波分析方法提取故障信息2。1.2.2 国内研究现状在我国，拉线法是沿用比较久的也是比较传统的选线方法，选线的依据是通过检测母线上的零序电压数值，以此来判断是否发生单相接地故障，若确实发生故障，则采用人工作业，即逐条线路拉闹的方法来判断哪条线路出现故障。通过故障线路被断开时，接地故障指示消失的方法来确定故障线路。自1958年以来,国内关于选线原理和装置的研究一直没有中断,保护方案也从零序功率最大法、首半波法，注入信号法慢慢发展,一直到现在，仍在不断研究中，也出现了许多新的原理和方案，但是其本质仍未发生变化，主要是结合当下科技的发展来进一步推进电网的改革。尽管对于小电流接地选线这一问题，已经有多种的算法和原理，但是在投入到实际应用时，依旧存在许多问题，选线准确率还是比较低，所以我们有必要进一步探索更高效精确合理的方法。2 小电流接地系统单相接地故障特征分析 在解决问题之前，必须先对发生故障时，电路的参数变化进行分析，抓住问题的本质。关于此，可以从故障发生时，系统稳态信息和暂态信息两个方面着手。2.1 电力系统中性点接地方式概述电力系统的接线方式一般有三种：中性点直接接地方式、中性点不接地方式以及中性点经消弧线圈接地方式。在我国，中性点直接接地方式主要应用110KV及以上等级；中压配电网即35KV等级主要采用中性点不接地或者中性点经消弧线圈接地方式；10KV、6KV等级多釆用中性点不接地方式。2.2 小电流接地系统单相接地故障稳态特征分析2.2.1 中性点直接接地系统EA当中性点采用直接接地方式，发生单相接地故障时，会形成单相回路短路，由于阻抗很小，短路电流会很大，如下图所示。EB EC图2-1 中性点直接接地系统单相接地短路这种方式的优点是当发生单相接地故障时，由于中性点电位不变，未接地相电位也不会升高，这就大大降低了电网造价，且电压等级越高，经济效益越明显。但是发生故障时，其电流值很大，必须立刻切除故障相，这样会造成电网的供电连续性中断，可靠性降低3。2.2.2 中性点不接地系统中性点不接地系统中，当发生单相接地故障时，会依靠对地电容来构成回路。这种接地方式结构简单，不用在中性点附加任何接地设备，因此在我国的低电网中，主要采取这种接地方式。 下面来分析其发生单相接地故障时的稳态故障特征。如图2-2、图2-3所示，正常运行时三相对地相电压等于相电压，电网中没有零序电压存在，各相电容电流均相等且超前电压90。因此也不存在零序电流分量。当发生A相对地短路时，A相对地电压变为0，这也可以看成是产生了一个与大小相等方向相反的电压，此时各相电压为： （2.1） 而相间电压为： （2.2） CBAU0故障点图2-2 小电流接地系统中单相接地故障示意图A0 BCB1C1图2-3 中性点不接地系统单相接地故障向量图 由式(2.1)和(2.2)可知，中性点直接接地系统发生单相接地故障时，接地相相电压变为0，其他两相则升髙为线电压；但是相间电压不变，相位关系也不变，只要用电设备工作条件也不发生改变，即使发生接地故障，系统仍可持续工作1-2小时。发生单相接地故障后，由于正常相对地电容未发生改变，其相电压升髙为原来的倍，因此电容电流与也变为原来的倍。而故障相（A相）的电容会短接，其电流为,因此故障相的电容电流会变为原来的3倍4。对于多回路的情况，如图2-4所示，在中性点不接地系统中，有N条出线。如果第N条出线的A相发生了单相接地故障，则电网中各线路基波电容电流的分布情况如图所示，用“ ”表示。CBA线路13I线路23I3I线路N故障点图2-4 中性点不接地系统单相接地故障电流分布对非故障线路1来说，三相对地电容电流为： （2.3） 式(2.3)中，、分别在线路1中是三相对地电容电流，是电网角频率，是线路1三相对地电容，、分别是B相与C相对地电压。由此线路1的基波零序电流为： (2.4) 由（2.4）式可知，线路1的零序电流为三相电容电流的和，也是故障前每相电容电流的3倍，方向是从母线流向线路。 线路2到线路N-1的基波零序电流推导方式与线路1相同，均是三相对地电容电流和，方向由母线流向线路。 对线路N,由于前面已经推导出非故障线路电容电流、.，而总的回路电流，因此，流经故障点的电容电流为：推导知，故障点电容电流大小为所有非故障线路电容电流总和，方向由线路流向母线。综上所述，现对中性点不接地系统单相接地故障稳态特征总结如下：(1)当发生单相接地故障时，正常线路会存在零序电流，大小等于三相电容电流之和，相角超前零序电压90方向由母线流向线路。(2)故障线路的零序电流大小为所有非故障线路电容电流总和，相角滞后零序电压90，方向由线路流向母线。因此，故障线路的零序电流与非故障线路的故障电流相差180。2.2.3 中性点经消弧线圈接地系统由上节分析知，在中性点不接地系统中，线路出线越多，故障线路电容电流越大，当此电容电流超过一定数值时，故障点电弧不易熄灭，必须采用中性点经消弧线圏接地方式。在发生单相接地故障时，将消弧线圈装在设备的中点处会使故障点产生电感电流，故可以补偿电容电流，大大地减小了接地点电流。另外，还能有效地减慢故障电压的恢复速度，使接地电弧不易重燃，有效提髙供电可靠性。A如图2-5所示，故障电流超前零序电压90,而电感电流则滞后90。因此，与相差180。因此可以用电感电流抵消电容电流，叫做对故障电流的补偿作用。如果对消弧线圈的面数选择适当，可以完全抵消掉电容电流。0 CB01C1B1图2-5 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障向量图先说明两个物理量：补偿度k和脱谐度。在中性点经消弧线圈接地系统中，发生单相接地故障时，消弧线圈产生的电感电流与电容电流的比值叫做补偿度，即。而脱谐度是电感电流与电容电流的差与电容电流值的比值，即。通常我们用补偿度k来描述电感电流对电容电流的补偿程度。当k=1时成为全补偿，k1为过补偿。在实际应用中，应根据实际情况选择补偿方式，以期达到理想效果。图2-6显示了在中性点经消弧线圈接地系统中发生单相接地故障后，电网中各条线路中基波电容电流分布情况如图所示。同图2-4一样，这里同样假设正常情况下三相电压对称平衡，并用“ ”表示电网中电容电流分布情况。从图中可以看出，发生单相接地故障后，非故障相的零序电流与中性点不接地系统故障零序电流相同。 可是，由于存在消弧线圈产生的电感电流的补偿作用，故障点的电容电流与中性点不接地系统相比发生了改变。它是电容电流与电感电流补偿后的差值，其值为：方向根据电感电流的补偿程度而定，当消弧线圈采用欠补偿时，零序电流方向由线路流向母线；当采用全补偿时，方向与中性点位电移电压相同；当采用过补偿时，方向由母线流线路。CBA线路1线路2线路N故障点图2-6 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障时电流分布情况 因此，在中性点经消弧线圈接地系统中，发生单相接地故障后，故障点的电流方向根据采用不同补偿方式而不同。但由于过补偿时，故障线路零序电流与非故障线路零序电流的方向相同，均为由母线流向线路。因此，在故障选线判据上，不能使用零序电流，只能选择其他的方法，比如5次谐波分量法等。 综上所述，中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，稳态特征大致如下： （1）消弧线圈的作用是产生电感电流对电容电流做出补偿，根据补偿程度不同，可以分为欠补偿、全补偿以及过补偿三种方式。 （2）在非故障线路上存在零序电流，其大小等于三相电容电流之和，相角超前零序电压90，方向是从母线流向线路。 （3）故障线路的零序电流为电感电流补偿电容电流的残流，方向由补偿程度来决定。2.3 小电流接地系统单相接地故障暂态特征分析 一般而言，发生单相接地故障后稳态分量一般数值比较小，因此对于暂态信息的研究就显得比较重要。当经消弧线圈接地系统发生单相接地故障后，其故障的暂态信息可用图2-7所示等值电路来分析。这时候电网中存在的暂态量包括暂态电感电流和暂态电容电流。图中R表示电路中的等值电阻，C为各条线路三相对地电容总和，L为三相线路和变压器在等值电路中的等值电感，为消弧线圈的电感，r为消弧线圈等值电阻。rRLU0CL0图2-7 暂态过程等值电路2.3.1 暂态电容电流由于,因此在计算暂态电容电流的过程中忽略与r的影响。此时，对暂态过程的分析就是对由R、L、C构成的串联回路在电源作用下的暂态过程进行分析。因此，当时,电容电流的过渡过程具有周期性的震荡和衰减的特性；当时，则有非周期性的衰减特性。由于一般的架空线路中，L较大，C较小，因此故障点电流具有周期性的震荡衰减特性。根据测量可知，其自由震荡的频率为300-1500Hz，而相对于电缆线路，其L一般比较小，C较大，故暂态电流的震荡频率相比要高得多，一般为1500-3000Hz。下面开始对暂态电容电流进行计算。根据图2-7列出电压平衡方程式： 其特征方程为： 求解得到： 其中：为自由分量的衰减系数；为自由振荡频率当时，有,则令,此时,该微分方程的解可看作由强制分量与自由分量叠加而成。其中自由分量为：强制分量为： 所以： 再根据初始条件：当t=0时，i=0，=0,。可以求得未知数A和，得到，因此又由于，因此可以近似认为，则： 由上式我们可以看出，接地瞬间相电压的瞬时值影响电容电流的最大值。若故障出现在相电压的瞬时值过零附近时，电容电流的暂态分量会很小。2.3.2 暂态电感电流暂态电感电流由两部分构成：暂态直流分量和稳态交流分量。表达式为：,式中为电感回路的时间常数；。电感电流暂态过程幅值与接地瞬间电源相角的关系是：时，其值最大；时，其值最小。暂态过程角频率与电源角频率相等。根据研究来看，暂态过程的时间长短与多个因素相关，包括贴芯饱和程度、接地瞬间电压相角。当时，时间常数较小，电感电流衰减完毕大约只需要一个工频周波；当时，时间常数变大，一般需要2-3个周波。2.3.3 暂态接地电流 暂态接地电流是由暂态电容电流与暂态电感电流叠加而成的。其中，为电容电流稳态分量；是电容时间常数；是暂态自由震荡分量角频率；是电感电流稳态分量；是电感时间常数5。 暂态电容电流与暂态电感电流的二者频率相差较大，不能简单的进行叠加补偿6。在开始阶段，暂态接地电流主要由暂态电容电流来决定。而为了平衡暂态电感电流中的直流分量，暂态接地电流会产生一个直流分量，它与电感电流直流分量大小相等，方向相反。 综上所述，对暂态电流特征总结如下： （1）不管是不接地系统还是经消弧线圏接地系统，在故障初期，暂态接地电流主要由暂态电容电流决定，暂态电感电流的影响较小。 （2）暂态电容电流的幅值与故障发生时间有关。当故障发生在相电压接近最大值附近，暂态电容电流有最大值；当故障发生在相电压瞬时值过零附近，暂态电容电流值最小7。 （3）暂态接地电流由暂态电容电流与暂态电感电流叠加而成，但二者频率相差较大，不能简单的叠加补偿。3 小电流接地系统选线方法综述 当前基于故障信号进行选线的方法，主要分为利用故障信号稳态分量法和暂态分量法网两类，例如故障线路零序电流最大原理,零序功率方向法,首半波法,谐波电流方向原理,零序电流有功分量方向原理,注入法,能量函数法等。在选线方案选择上,除常规的绝对定值保护方案外,还有群体比幅比相方案、群体比幅方案、人工智能技术接地选线、最大方案等。下面对常用的几种接地故障选线方法进行简要分析：3.1 利用电网稳态电气量提供的故障信息构成的自动选线法3.1.1 零序电流比幅法此方法的原理依据是利用发生单相接地故障时，故障线路的零序电流会比非故障线路的零序电流大,这种方案操作简单易行。但是测量非常敏感，易受到多方面的影响，比如互感器的不平衡电流、出线多少和过渡电阻大小等，甚至与系统运行的方式都有关。而且若线路长度差异很大,即其分布电容的大小与系统总的分布电容相差不大时,或接地点过渡电阻较大时,装置可能拒动，而且原理上来讲，此方法不适于谐振接地的系统。3.1.2 零序电流群体比幅比相法 利用群体比幅比相法时，先进行零序电流幅值比较,选出几个幅值较大的作为候选,然后再进行相位比较,选出方向与其它不同的,即为故障线路。但由于时针效应,当某条接地线路接地电流很小时,相角误差会较大,不能排除不平衡电流和过渡电阻大小的影响。不适于消弧线圈的过补偿运行方式，若加些特殊措施可获得较满意效果。3.1.3 基于五次谐波分量的选线方法 发生单相接地故障时,由于系统中存在非线性元件，受其影响,导致配电网电流中会存在大量谐波信号,其中大部分是五次谐波，根据这一特点提出了该选线方法。根据分析可知，消弧线圈对于五次谐波的补偿作用仅相当于工频时1/25,故可以忽略其对电网的作用,认为故障线路的五次谐波比非故障线路的幅值都大且方向相反,然后通过比幅、比相等各种方法来确定故障线路。但实际上尽管五次谐波含量占的比重较大，相比于故障电流来看，一般情况下要小于故障电流，而且在发生电弧时稳定性很差,不能排除互感器的不平衡电流等带来的不利影响，而且非线性元件问题更难解决,而且在电力电子的装置应用较多的环境中,这一点更是明显，幅值波动较大,给选线的准确度带来很大的影响，可靠性也不是很稳定。虽然能在一定程度上克服单次谐波信号小的缺点,但不能从根本解决问题。3.1.4 零序电流有功分量法由于线路和消弧线圈对地存在一定的电导，因此导致故障电流中会含有一定的有功分量，而且在发生故障时，故障线路和非故障线路的有功分量方向是相反的，故障线路的幅值要大于非故障线路,借助于这个特点可实现系统故障的选线。但零序电流中的分量较小,现象不鲜明，不利于选线,而且该法仍会受到互感器不平衡电流的影响。3.1.5 零序电流无功功率方向法 此法依据零序电流无功分量的相角不同来进行区分，其中故障线路要滞后于零序电压90,而非故障线路则会超前于零序电压90,即二者相差180，由此可知，取母线到线路为功率的参考正方向，则当无功功率小于 0时，那条线路必为故障线路。然而该方法无法避免过渡电阻所带来的影响,尤其是但其阻值较大时，对于零序电压的检测来讲，是非常困难的。另一方面，方法比较受限，如果零序电流较小，则误判的概率很大,可靠性差，也不适用于谐振接地的系统。3.1.6 最大或法利用一中间参考正弦信号,如果在检测完母线电压后，确认存在故障,则根据零序电流和母线电压的相角关系,依次进行测量和分析，然后把所有线路的故障前、后的零序电流都投影到对应的的零序电流的理论方向上,计算出各出线故障前、后的投影值之差,通过比较找出差值最大的,即最大的8。若0,则线路K为故障线路,否则为母线故障。虽然一定程度上克服了不平衡电流的影响,减少误判的可能性,但受线路结构、运行方式影响,需要参考信号,计算量过大。3.1.7 能量法单相接地故障发生后，根据零序电流、电压来构成能量函数9。根据分析可知，网络上的能量流动方向都是从故障线路流向非故障线路，这就决定了二者的的能量函数的值是异号的，而且故障线路的绝对值大小，等于其他线路（包括消弧线圈）能量函数的总和。又由于消弧线圈的能量函数的极性是与非故障线路相同的,都是大于0零的，则故障线路的能量函数总小于零,因此可以通过比较函数的方向和大小，来间接的判别接地线路。3.2 利用电网暂态电气量提供的故障信息构成的自动选线法3.2.1 基于小波分析的选线方法 当发生单相接地时,故障暂态过程持续时间短，且含丰富的特征量,而稳态时数值较小,小波分析由此产生。小波分析的判据主要是通过对信号进行精确分析,通过小波分析法来进行分解成不同的小波，即叠加之和,通过对暂态零序电流的特征分量进行小波变换,会看出故障线路上分量的幅值包络线要高于非故障线路,而且相位也彼此相反,。尽管经过理论的证明和分析，此法准确度较高，但实际运行时的情况往往是很复杂的,很可能会发生暂态量小于稳态量,这时只要通过对母线的零序电压和各出线零序电流，来进行提取小波的系数，然后可以类似地进行构造选线判据。3.2.2 首半波法因系统中单相接地大部分是在雷击或者相电压的峰值附近发生,故障相的电容电荷经过线路对故障点进行放电,使故障线路和非故障线路二者的短路电流首半波方向相反。对谐振接地系统而言,由于电感的存在，电流的变化必然会经过一个暂态变化过程；而在电压的过零点附近时,短路回路由于没有暂态过程,导致故障线路、非故障线路二者的零序电流方向相同。当发生两点接地时,可能不反映后接地故障，其保护装置适用范围受限,保护动作可靠性较差。3.3 其他方法3.3.1 拉线法 拉线法是最早应用到单相接地故障的方法，主要是在监测到故障信号后,确认发生故障，然后由工作人员通过顺序拉闸来依次检验每条线路,若切除某条线路后，故障信号消除,则认为此线路发生故障。但拉闸的过程中,会使得一些正常线路的用户短时停电,不仅降低供电的可靠性,增加误操作可能性。3.3.2 注入信号法在发生故障后，人为的向配电系统中注入某个确定的频率和幅值的信号电流,依靠特定的信号电流探测器来追踪和查找故障点。另外根据单相接地故障时相电压互感器的特点,向系统注入信号电流,根据寻迹原理,来检测和跟踪该信号电流的通路，实现选线。根据只有故障线路的故障相才会有此信号电流的特点,从而判断出接地故障线路。4 小电流接地系统自动选线仿真4.1 基于零序电流比幅法原理选线的Matlab仿真4.1.1 多回路的架空线路仿真 根据电路原理来讲,输电线路的参数应该均匀分布,即便是很小一段,都要有相应的电阻、电抗、电纳、电导。由于电网系统中存有各种非线性的电力电子元器件,还有负荷频繁切换等因素造成三相参数的不平衡,故采用集中参数模型就会存在着较大的误差。通常根据各自的应用要求,对等值电路进行不同程度的简化。本文利用SimPowerSystem工具箱分布参数的线路模型来进行仿真。该模型充分了考虑分布参数LC电路的两个特性值:波阻抗和波速。架空线路的参数选用如下: 正序电阻0.17/km，零序电阻0.23 /km; 正序电感7.6e-3 H/km，零序电感34.4e-3 H/km ; 正序电容6.1e-8F/km，零序电容3.8e-8F/km 。根据实际情况而言，系统输电线路一般都比较短,选定五条线路长度依次为5km、8km、10km、15km、16km。线路故障发生在第五条线路的末端。其中三相电源容量无限大,A相初相角为0,频率为50Hz,电感为0.5H，电阻为2。变压器内部采用Y-g方式。负载:频率50Hz,电压等级10KV,三相感性无功功率，三相有功功率。仿真模型图为五回路架空线的仿真，如图4-1所示(见附录)： 仿真参数的设置：仿真开始时间为0秒,结束时间为0.16秒；微分方程解算器选择变步长（Variable-step),ode23s(stiff/Mod.Rosenbrock);相对容差为(1e-3),其余都选择自动方式。假设系统在t=0.05秒发生A相接地故障,其仿真频率50Hz,接地电阻为100。仿真结果如图4-2到4-8： 图4-2 非故障线路（Line1）零序电流 图4-3 非故障线路（Line2）零序电流 图4-4 非故障线路（Line3）零序电流 图4-5 非故障线路（Line4）零序电流图4-6 故障线路（Line5）零序电流图4-7 系统零序电压图4-8 系统三相对地电压通过改变接地电阻值，增加回路数，再经由波形变化可看出:只有在系统发生单相接地故障后，零序电压和电流才会产生。而且由波形可以看出，线路愈长，各非故障相零序电流幅值会愈大，这是因为线路对地电容随长度变长而愈大，随之容抗愈小，所以对地放电电流就愈大。观察图形可知，Line4的长度是最长的，且电流幅值也最大，明显大于其余线路，也说明了这点。另外，各非故障相的零序电流相位大致相同5。故障线路保护安装处流过的零序电流是非故障线路的总和，其数值较大，而且相位与非故障线路相反10。而且在不接地电网中出现单相金属性接地时，电网故障处相对地的电压会降为零，非故障的相对地电压则升高至线电压，电网会有零序电压，大小为正常时的相电压。当存在接地电阻，故障相的对地电压将不为零，会有残压产生，电阻越大，则残压也越大。如图4-6所示。4.1.2 多回路电缆线路仿真电力电缆凭借其占地少、可靠和对人身安全等优点，以慢慢占据现在的配电输电线市场。电力电缆与架空线的电气参数有很大的不同:无论是缆芯之间，还是缆芯与护套之间的间距电力电缆都要比架空线路小的多，且由于其高介电常数，导致电力电缆单位长度的电容远大于架空线路11。 架空线路的相间距远大于电缆线路，由于这个原因，导致电缆的单位长度电感要小于架空线路。 本节选用图4-1所示模型对电力电缆构成的一个多回路不接地系统进行仿真，依据接地电阻不同，分为100和400两种情况。(1)当接地电阻为100时,根据文献，将电力电缆仿真模型参数设置如下; 正序电阻:0.024/km，零序电阻:0.196/km; 正序电感:5.16e-4 H/km，零序电感:3.98e-3H/km; 正序电容:3.08e-7 F/km，零序电容:2.03e-7 F/km。其余仿真参数设置保持不变。仿真图形:图4-9 非故障线路（Line1）零序电流 图4-10 非故障线路（Line2）零序电流 图4-11 非故障线路（Line3）零序电流 图4-12 非故障线路（Line4）零序电流 图4-13 故障线路（Line5）零序电流图4-14 系统的零序电压图4-15 系统的三相对地电压 （2)当接地电阻改为400时，仿真结果如下图。其中非故障线路Line4最长，零序电流最大，与故障线路对比有较强说服力，下面列出Line4和Line5的波形图。图4-16 故障线路（Line5）零序电流 图4-17 非故障线路（Line4）零序电流 图4-18 系统的三相对地电压 通过观察和分析波形看出： 由于架空线对地电容小于电缆,因此电缆非故障相和故障相的零序电流的幅值要明显大于架空线,但相互间比值的关系与架空线相同。 当发生故障时,因为电缆对地的电容比较大,会导致另外两相对地暂态电压变化会较大。当接地电阻变大时,非故障相和故障相零序电流都变小,故障相的残余电压增加,这样不利于正确的选线12。 回路较少时,非故障相和故障相的零序电流幅值会比较小。当回路较多、线路长时,比值可适当变大。 当发生金属性接地时,系统故障的相电压会变为零,由于接地电容的电流较大,电弧不容易熄灭。接地电阻较大时,尽管接地电流会比较小,但是零序电流会变小,选线也相对比较困难。若接地电阻达到1,那么该方法会基本失效13。4.2 基于零序功率方向法原理选线的仿真 本节在图4.1仿真模型基础上增加一乘法器（product模块）,取零序电流和零序电压的乘积即得零序功率来进行模拟仿真。4.2.1 架空线路的仿真仿真结果如下图： 图4-19 非故障线路(Line4)零序功率图4-20 故障线路（Line5）零序功率4.2.2 电缆线路的仿真 仿真结果如下图： 图4-21 非故障线路（Line4）零序功率图4-22 故障线路（Line5）零序功率仿真模型中的零序电压都相同,零序功率的差别主要取决于零序电流的差别。和零序电流比幅法一样,零序功率可从大小和相位方向的两方面来区分线路。当过渡电阻变大时,故障线路与非故障线路的零序电流差别会减小,故功率间的差距也会随之减小,但当零序电流乘以零序电压,在电压一致的情形下，会相当于对零序电流的数值进行放大,这样功率间数值的差别就会比较明显了。但也有负面影响，尤其当外界干扰信号时，比较严重14。4.3 基于五次谐波电流法原理选线的仿真本节在图4-1仿真模型基础上，通过增加接地消弧线圈的方式来进行仿真。根据实际情况，消弧线圈多采用过补偿方式,选择补偿度。求出消弧线圈电感为15,并在图4-1仿真基础上增加傅立叶分析器的模块,采集各线路零序电流的五次谐波。4.3.1 接地电阻为100时（1）对架空线路,仿真参数设置如4.1.1。仿真结果如下：图4-23 非故障线路（Line4）五次谐波零序电流幅值图4-24 故障线路（Line5）五次谐波零序电流幅值（2）对电缆线路,仿真参数设置如4.1.2。仿真结果如下：图4-25 非故障线路（Line4）五次谐波零序电流幅值图4.26 故障线路（Line5）五次谐波零序电流幅值图4-27 五次谐波零序电压幅值4.3.2 接地电阻为400时（1）对架空线路,仿真参数设置如4.1.1。仿真结果如下：图4-28 非故障线路（Line4）五次谐波零序电流幅值图4-29 故障线路（Line5）五次谐波零序电流幅值（1）对电缆线路,仿真参数设置如4.1.2。仿真结果如下：图4-30 非故障线路（Line4）五次谐波零序电流幅值图4-31 故障线路（Line5）五次谐波零序电流幅值 根据观察和分析图形可知,在系统不存在谐波源的理想情况下: 五次谐波零序电流幅值比较小。接地电阻为100时：非故障架空线路中电流最大的（Line4）幅值不超过0.2A,故障架空线路的电流幅值会小于0.45A,故障电缆线路的电流幅值会小于1.2A；接地电阻为400时：非故障架空线路中的电流最大的（Line4）幅值不超过0.12A,故障架空线路电流幅值会小于0.3A,故障电缆线路电流幅值会小于0.4A。而在实际应用中，这么小的电流会被干扰信号淹没,这对于检测设备提出了较高的要求。 检测时间短。由图可知:当故障发生在t=0.05秒时,五次谐波零序电流和电压持续了不到0.03秒,在t=0.08秒时就没有了信号。而且随着过渡电阻的增大,信号持续时间会更小,也就要求检测设备必须有较快的检测性。5 结论 本文对小电流接地系统进行了简要的介绍，然后通过分析其发生单相接地故障时，线路的暂态和稳态特征，并对基于此的选线方法进行了原理和其局限性的分析和探讨。随后在仿真平台下，建立了多回路的一个小电流接地的仿真模型，选择了其中较有代表性的选线方法进行仿真并分析，比较其各自的优缺点。主要的研究结论如下： 1、配电网结构经常是复杂多样，而且瞬息多变的,尤其是当发生故障时，伴随着电气稳态量和暂态量的变化,往往会有丰富的电气特征：稳态量的幅值较小,如零序电流有时会仅仅几个安培,易被干扰信号淹没；暂态量的幅值虽然比稳态量大,但是变化比较剧烈,持续的时间较短,测量有一定的难度16。 2、基于Matlab的小电流接地系统单相接地故障仿真,比较真实的再现故障发生的时候，系统零序电流、电压等参数的变化。其中，小电流接地系统的对地电流主要是电容电流,但由于配电网所处环境的不同，往往会对线路的对地电容产生一定的影响,从而间接影响系统零序电流的大小,也影响着故障时过渡电阻的大小。另外,输电线路的负荷不平衡程度如果比较大,则易形成系统固有的较大的零序电流和零序电压,会对选线造成非常严重的干扰。3、没有一种选线方法适用于所有的小电流接地系统，比如零序电流比幅法就不能用于中性点经消弧线圈接地系统，五次谐波法不能用于干扰严重的系统中等等。目前的研究趋势更加倾向于综合选线，把各种选线的优点进行融合，来形成互补型的结构，充分发挥各自的优势，不断提升选线的准确率，同时提高自动选线水平来适应当前及今后配电网的发展。参考文献1要焕年，曹梅月.电力系统谐振接地M.北京：中国电力出版社，2000.2贺家礼，宋从矩.电力系统机电保护原理M.北京：中国电力出版社，1994.3Seppo Hanninen. 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