变电站设计 说明书论文

*大学本科毕业论文（设计） 第83页前 言 本设计是根据中华人民共和国电力公司发布的电气工程电气设计手册编写的。电能是现代社会中最重要，也是最方便的能源，它是目前世界各国能源消费的主要形式之一。电能具有许多优点，它可以方便地转化为别的形式的能，它的输送和分配易于实现，它的应用规模也很灵活。电能作为一种特殊的商品，不能大量储存，它的生产、输送、销售和消费是同时完成的。变电站是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。电气主接线是发电厂变电所的主要环节，电气主接线的拟定直接关系着全厂（所）电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是变电站电气部分投资大小的决定性因素。本次设计为220KV变电站初步设计，重点在小课题的分析和研究（章节前面加表示为重点）。本设计共分为任务书、说明书、计算书、图纸四部分，该变电站有2台主变压器，分为三个电压等级：220kv、110kv、10KV，220kv和110kv采用双母带旁路母线的主接线方式供电；10kv采用单母分段接线供电。本次设计中进行了短路电流计算，主要设备选择及校验（断路器、隔离开关）。说明书包括：电气主接线，主变选择、短路电流计算结果、电气设备的选择、小课题（小电流接地选线）的分析。计算书包括：短路电流计算，主要设备选择。图纸包括：电气主接线图1张，综合自动化配置图1张。所设计的内容力求概念清楚，层次分明。本设计是在贵州大学牛凤鸣老师的指导下完成的，重点是对小电流接地选线进行分析,在撰写的过程中，曾得到牛老师和同学们的支持，并提供大量的资料和有益的建议，对此表示衷心的感谢。由于我本人还是刚要毕业的学生，对变电站的设计还比较陌生，所以在设计中不免有很多不妥当之处，还望老师批评指正。2007年6月说明书第一章 变电所主接线的设计1-1 变电所主接线的原则一、变电所主接线设计依据 1、主变电所在系统中的地位和作用电力系统中的变电所有系统枢纽变电所、地区重要变电所和一般变电所三重类型。一般系统枢纽变电所汇集多个大电源，进行袭用功率交换和以中压供电，电压为330500KV。全所停电后，将使系统稳定破坏，电网瓦解，可靠性、灵活性要求较高。一般装设两台主变，根据负荷增长需要分期投运，经过技术经济比较认为合理时也可装设34台。地区重要变电所电压为220330KV，位于地区网络的枢纽点上，高压侧以交换或接受功率为主，供电给地区的中压侧和附近的低压侧负荷。全所停电后将引起地区电网瓦解，影响整个地区供电。主变一般装设两台，主变型式选择同系统枢纽变电所。一般变电所多为终端和分支变电所，降压供电给附近用户或一个企业。电压为110KV，但也有220KV。主变一般为两台，当只有一个电源时，也可只装一台主变。主变型式一般为双绕组或三绕组变压器。2、变电所的分期和最终建成规模 变电所根据510年电力系统发展规划进行设计。一般装设两台主变；当技术经济比较合理时，330500KV枢纽变电所也可装设34台主变；终端或分支变电所如果只有一个电源时，可以只装设一台主变。3、负荷大小和重要性 对于一级负荷必须有两个独立的电源供电，且当一个电源失去后，能保证对全部一级负荷不间断供电；对于二级负荷一般要有两个独立电源供电，且当一贯电源失去后，能保证对全部或大部分二级负荷的供电；对于三级负荷一般只要求一个电源供电。4、系统备用容量大小 对装有两台及以上主变的变电所，其中一台事故断开，其余主变的容量应该保证该所70%的全部负荷，在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷。二、主接线设计的基本要求 1、可靠性 （1）断路器检修时不影响系统的供电。 （2）断路器或母线故障及母线检修时尽量减少停电的回数及停电时间，确保一级负荷及大部分二级负荷的供电。 （3）尽量避免发生全所停电的可能。2、灵活性 （1）调度时能灵活地投切主变和线路。 （2）检修时能方便地停运我们的断路器母线及保护设备，保证其安全。 （3）扩建时能方便地从初期接线过渡到最终规模。3、经济性 （1）投资省 a.主接线力求简单，以节省断路器、隔离开关等一次设备。 b.要使继电保护和二次回路简单，以节省二次设备和控制电缆。 c.限制短路电流，以便于选择价廉的电气设备或轻型电器。 （2）占地面积少主接线设计要为配电装置布置创造条件，尽量使占地面积减少。 （3）电能损失少经济合理地选择主变的种类（双绕组、三绕组或自耦变）、容量、数量，要避免因两次变压而增加的电能损失。 1-2 6KV220KV基本接线及适用范围一、单母线接线W 图1-1 单母线接线1、 主要优缺点（1） 优点：接线简单清晰，设备投资节省，扩建方便，便于采用成套配电装置。（2） 缺点：可靠性、灵活性较差。2、 适用范围 （1）610KV配电装置的出线回路数不超过5回。 （2）3563KV配电装置的出线不超过3回。 （3）110220kv配电装置的出线回路数不超过2回。二、单母线分段接线WIIWI 图1-2 单母线分段接线 1、主要优缺点 （1）优点：当一段母线鼓掌或母线及隔离刀闸检修时，该段负荷要在该期间停电，但另一段仍然继续供电。 （2）缺点：在母线及隔离刀闸检修时该段要停电；当出线为双回路时，常使架空线路出现交叉跨越；扩建时候需向两个方向均衡扩建。2、适用范围 （1）610kv出线回路数为6回及以上时。 （2）3563kv出线回路数为48回时。 （3）110220kv出线回路数为34回时。三、双母线接线WIIWI 图1-3 双母线接线 1、主要优缺点 （1）优点：与以上两者比较，供电可靠、调度灵活、扩建方便、便于实验。 （2）缺点：增加投资（隔离刀闸）；当母线故障或检修时，隔离刀闸作为倒换操作电器，容易误操作。 2、适用范围 （1）10kv出线多，短路电流比较大，出线带电抗器（双层或三层布置）。 （2）35kv出线超过8回，负荷容量比较大。 （3）110 220kv出线为5回及以上时。四、双母带旁路母线接线 图1-4 双母带旁路母线接线 1、主要优缺点 （1）优点：供电可靠性高，当工作母线或一台断路器检修时不会使该段上的负荷停电。 （2）缺点：投资较大，接线比较复杂。 2、适用范围 主要用于供电可靠性要求比较高的高压输电网中，为110kv及以上电压等级。根据规定，当110kv出线在6回以上、220kv出线在4回以上时，宜采用带专用旁路断路器的旁路母线。五、原始资料分析和主接线方案根据原始资料可知:220kv侧有两路电源,均从500kv铜仁出线,供电点最大短路容量4311MVA,最小短路容量为3748MVA；6回出线，一期1回建成。110kv侧有9回出线，一期建成，总负荷200MW；10kv侧共8回出线，其中4回为负荷，共40MW，另外4回为无公补偿，电容器容量为45.4Mvar。可以看出该变电站的出线较多，可靠性要求也较高，根据变电站主接线的设计原则，预拟订以下两个方案以供选择。方案一：220kv母线为双母接线，110kv母线为双母接线，10kv母线为单母分段接线方案二：220kv母线为双母带旁路接线，110kv母线为双母带旁路接线，10kv母线为单母分段接线1-3 主变压器的选择1、主变台数的确定（1）对于大城市郊区的一次变电所，在中、低压侧已构成环网的情况下，变电所以装设两台主变为宜。（2）对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所，在设计时应考虑装设三台主变的可能性。（3）对于规划只装设两台主变的变电所，其变压器基础宜按大于变压器容量的1 2级设计，以便负荷发展时更换变压器的容量。2、主变型式的选择 （1）主变一般选用三相变压器，在运输条件限制时220kv的变电所才采用单相变压器组合。 （2）具有三个电压等级的变电所，一般采用三绕组变压器。 （3）在现在的技术水平下，自动控制装置的发展趋于成熟，变压器的调压方式一般都选用有载调压。3、主变容量的确定 （1）根据电力系统的规定，按5 10年的发展规划来确定。 （2）一台的容量按全所的负荷的70%来考虑 = 负荷的同时系数 按负荷统计的综合负荷 =0.7 =20.7 当一台停运，主变一般允许过负荷40%，所以一台能保证全所98%的负荷供电。在本设计中，资料给出了两台三圈变，型号如下： SFPSZ7-120000/220 100/100/50 22081.25%/121/10 YN/Yn0/-11 =13.24% =22.51% =7.85%1-4 方案比较 方案比较主要从经济性、可靠性、灵活性来比较。通过前面对主接线型式的描述，综合资料给出的负荷条件，确定两个方案进行比较。方案一：因为220kv有6回出线，110kv有9回出线，负荷较大，可用双母接线。主接线图见下图：6回出线9回出线10kv110kv220kv 图1-5 方案一主接线图方案二：以方案一为基础，多增加一部分投资，设立一条带专用旁路断路器的旁路母线。主接线图见下图：10kv110kv220kv9回出线6回出线 图1-6 方案二主接线图根据电力系统规定，在110kv及以上高压配电装置中，因为电压等级高，输送功率大，送电距离较远，停电影响较大，同时高压断路器每台检修通常都需要57天的较长时间，因而不允许因为检修断路器而长期停电，故设置旁路母线，从而使检修与它相连的任一回路的断路器时该回路可以不停电，保证供电的可靠性。从接线图可以看出方案二比方案一多了17台隔离开关和一台断路器。虽然方案二比方案一投资更大，但考虑到220kv出线有6回，110kv出线有9回，供电的可靠性有特殊的要求，且假设资金比较充裕。综合比较后本设计决定采用方案二。第二章 短路电流计算短路电流计算的目的是 ：（1）电气主接线比选。（2）选择电器和导体。（3）确定中性点接地方式。（4）验算接地装置的接触电压和跨步电压。（5）选择继电保护装置和进行整定计算。一般规定：（1）验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按本工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划。 确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列的接线方式。（2）选择导体和电器时候，对不带电抗器回路的计算短路点，应选择在正常接线方式时候的短路电流为最大的地点。（3）导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流，一般按三相短路验算。2-1 电路元件参数的计算一、基准值基准容量： =100MVA基准电压： =1.05 （KV）： 10.5 37 115 230基准电流： = （KA）： 5.5 1.56 0.502 0.251基准电抗： = （）： 1.1 13.7 132 529二、各元件参数的标幺值的计算S1S2计算结果见下等值网络图：图2-1 2-2 三相短路电流计算一、短路点选取 在选择220kv侧、110kv侧和10kv侧断路器和隔离开关时要按可能发生最大短路电流的正常接线方式。当变压器三个绕组侧短路时的短路电流最大，为+,在实际中各母线上短路时候的值与它相差不大，为方便计算，所以选取4个短路点：在220kv母线上、在110kv母线上、在10kv母线上、在10kv出线末端。 为选择10kv出线断路器和隔离开关而设。最终按最大和最小方式下，通过网络的简化，算出各短路点的、（和无穷大时候的电流差不多，可代替无穷大时电流使用） ，并列表分类。 在本设计中，两个电源都是无限大电源，则不考虑短路电流周期分量的衰减，此时： （2-1） = （2-2） = （2-3）式中 电源对短路点的等值电抗标幺值； 额定容量下的计算电抗； 电源额定容量（MVA）； 电源对短路点0秒时的电流标幺值，与0.4秒时和时相等； 短路容量（MVA）；冲击电流（不计周期分量衰减时）按下式计算： = （24）式中 冲击系数，取1.80。二、计算结果表 运行方式短路点jKVIjKA电源名称标幺值有名值（）大方式合计合计合计合计表运行方式短路点jKVIjKA电源名称标幺值有名值（）小方式合计合计合计合计2-不对称短路电流计算不对称短路计算一般采用对称分离法。三相网络内任一组不对称量（电流、电压等）都可以分解为三组对称分量。由于三相对称网络中对称分量的独立性，即正序电势只产生正序电压和正序电流，负序和零序亦然。因此，可利用重叠原理，分别计算，然后从对称分量中求出实际的短路电流或电压。一、序网 短路种类X1XXEX1XX1XXX1XXEE符号序网组合单相短路两相短路两相接地短路（）（）（，）一般来说按最小方式下进行计算，利用正序、负序、零序网络化简求出相应的、和，再按相应的短路公式求出短路点合成电流、零序电流。对于零序电流主要计算短路点的和流过变压器中性线的电流。各序网公式如下：合成电流： （24）零序电流： （25） = （26）单相接地：=+ ， =3两相接地：=/（+） ，=两相短路：= =最后将计算结果列表分类。二、最后计算结果表运行方式类型短路点短路点电流零序分支电流（KA）零序电流（）Id=I0.2=I0.4In(1)In(2) IO小方式单相接地两相短路两相接地短路第三章高压电器的选择电器选择的一般要求一、一般原则（）应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展；（）应当按当地环境条件校核；（）应该力求技术先进和经济合理；（）要与整个工程的建设标准协调一致；（）同类设备应该尽量减少品种；（）选用的新产品均应具有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格。在特殊情况下，选用未经鉴定的新产品时，应经上级批准。由于选题的不同，在被设计中主要选择断路器和隔离开关。利用最大方式下的三相短路计算的结果进行选择和校验。为了在以后的运行和维护管理方便,在本设计中每一个电压等级侧的断路器和隔离开关都采用相应的统一型号。主要要求： .t （热稳定条件） （动稳定条件）高压断路器一、一般技术要求（）有频率要求的主要是针对进出口产品。（）断路器的额定关合电流，不应小于短路冲击电流值。（）关于分合闸时间，对于kv以上的电网，当电力系统稳定要求快速切除故障时，分闸时间不宜大于.s。用于电器制动回落的断路器，其合闸时间不宜大于.s.（）变压器中性点绝缘等级低于相电压的系统中，断路器的分合闸操作不同期时间宜小于ms。（5）不应选用手动操作机构。对于断路器型式的选择，除应满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑便于施工调试和运行维护，并经技术经济比较后确定。二、型式选择在配电装置中，安置场所不同，可按以下型式选择：（）kv及以下：少油断路器、真空断路器、多油断路器。（）kv: 少油断路器、六氟化硫断路器、空气断路器。（）kv以上：六氟化硫断路器、空气断路器、少油断路器。三、选择结果（）侧：LW25-252W 型户外高压防污型断路器主要技术参数见下表：表型号额定电压（kv）最高工作电压（kv）额定电流（）额定开断电流（Ka）动稳定电流（峰值）（KA）s热稳定电流（）固有分闸时间（s）全开断时间（s）合闸时间（s）LW25-252W（）侧：型户外高压LW25-126W防污型断路器主要技术参数见下表表型号额定电压（kv）最高工作电压（kv）额定电流（）额定开断电流（Ka）动稳定电流（峰值）（KA）s热稳定电流（）固有分闸时间（s）全开断时间（s）合闸时间（s）LW25-126W（）侧：ZN28-10户内成套式高压真空断路器主要技术参数见下表表型号额定电压（kv）最高工作电压（kv）额定电流（）额定开断电流（Ka）动稳定电流（峰值）（KA）s热稳定电流（）固有分闸时间（s）全开断时间（s）合闸时间（s）ZN28-10高压隔离开关一、参数选择（1）正常工作条件：电压、电流、频率、机械负荷；（2）短路稳定性：动稳定电流、热稳定电流和持续时间；（3）承受过电压能力：对地和断口间的能力、泄露比距；（4）操作性能：分合小电流、旁路电流和木线环流、单柱式隔离开关的接触区、操作机构；（5）环境条件：温度、最大风速、覆冰厚度、污秽、海拔高度、电磁干扰等。二、型式特点目前电力系统用的较多的是GN和GW系列，GN是户内型，多为单极，分为手动操作和电动操作；GW型是户外系列，其中GW4型在220kv及以下达到的系列较全，双柱式，可高型布置，重量较轻，可手动和电动操作，在220kv几以下的配电装置中常用。三、操作机构 屋内式8000A以下隔离开关一般采用手动操作机构；8000A以上宜采用电动机构。 屋外式220kv几以下隔离开关和接地刀闸一般采用手动操作机构；220kv高位布置的隔离开关和330kv几以上的隔离开关宜采用电动机构或液压机构，当有压缩空气系统时，也可采用气动机构。四、开断小电流 选择隔离开关应具有一定的切合电感、电容性小电流的能力，并应能可靠切断断路器的旁路电流及母线环流。 用隔离开关切合空载母线或短路，将产生较高过电压，并引起避雷器多次动作。设计时候应注意避免这种操作或采取相应的保护措施。隔离开关一般可以开断其额定电流下的环流。但在开断的过程中，断口间的恢复电压不得超过450V。五、接地刀闸 为保证电器和母线的检修安全，每段母线上宜装设12组接地刀闸或接地器；63kv及以上的短路器两侧的隔离开关和线路隔离开关的线路侧，宜配置接地刀闸。应尽量选用一侧或两侧带接地刀闸的隔离开关。安装单柱隔离开关时，一般在主母线侧需配置单独的接地器。 对于35kv及以上的隔离开关的接地刀闸，应根据其安装处的短路电流进行动、热稳定校验。接地闸刀允许通过的热稳定电流，比一定与主闸刀的额定热稳定电流相同。校验时应向制造部门查询接地闸刀的允许数值。六、选择结果 根据前面短路点的计算数据，经过相应的筛选和动、热稳定校验后，选择以下型号的隔离开关：（1）220kv侧：GW4-220WD2型户外防污型双接地隔离开关主要技术参数见下表：表3-4型号额定电压（kv）最高工作电压（kv）额定电流(A) 动稳定电流（峰值）（KA）热稳定电流（）母线最大水平拉力（N）1s5s10sGW4-220WD2（2）110kv侧：GW4-110WD2型户外防污型双接地隔离开关主要技术参数见下表：表3-5型号额定电压（kv）最高工作电压（kv）额定电流(A) 动稳定电流（峰值）（KA）热稳定电流（）母线最大水平拉力（N）1s5s10sGW4-110WD2 第四章 小电流系统接地选线 4-1 前言一、国外小电流接地系统中接地选线的历史和现状 国外对小电流接地保护的处理方式各比相同。前苏联采用中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式，保护主要采用零序功率方向原理和 首半波原理。日本采用高阻抗接地方式和不接地方式，但电阻接地方式居多，其选线原理较为简单，不接地系统主要采用功率方向继电器，电阻接地系统采用零序过电流保护瞬间切除故障。近年来一些国家在如何获取零序电流信号及接地分区段做了不少工作并将人工神经网络应用于接地保护。美国电网中性点主要采用电阻接地方式，利用零序过电流保护瞬间切除故障线路，但故障跳闸仅用于中性点经低阻接地系统，对高阻接地系统，接地时候仅有报警功能。法国过去以地电阻接地方式居多，利用零序过电流原理实现接地故障保护，随着城市电缆的不断投入，电容电流迅速增大，以开始采用自动调谐的消弧线圈以补偿电容电流，并为解决几种系统的接地选线问题，提出了利用 Prony方法和小波变换以提取故障暂态信号中的信息（如频率、幅值、相位），以区分故障与非故障线路的保护方案，但还未应用以具体装置。挪威一公司采用测量零序电压与零序电流空间电场和磁场的方法，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，其软件算法部分采用了沃尔什函数，以提高计算接地故障电流有效值的速度。90年代，国外有将神经网络及专家系统方法应用于保护的文献。二、国内对小电流接地系统接地选线的介绍 我国在对10-35kv配电网中主要采用小电流接地方式，主要为中性点不接地和经消弧线圈接地方式。在早期中普遍使用绝缘监察装置进行接地故障的监察。绝缘监察装置利用接于公用母线的三相五柱式电压互感器，其一次线圈均接成星型，附加二次线圈接成开口三角形。接成星型的二次线圈供给绝缘监察继电器。系统正常时候，三相电压正常，三相电压之和为零，开口三角形的二次线圈电压为零，绝缘监察继电器不动作。当发生单相接地故障时，开口三角形的二次端出现零序电压，电压继电器动作，发出系统接地故障的预警信号。变电运行人员在观察到接地故障信号后，根据经验和故障处理规定进行接地故障线路的查找，并对故障线路进行停电，排除接地故障。这是目前变电站使用最多、应用最广泛的绝缘监察装置。其优点是投资少、接线简单、操作及维护方便。但只发出系统接地的无选择预警信号，不能准确判断发生接地的故障线路。运行人员需要通过推拉分割电网的实验方法才能近一步判定故障线路，影响非故障线路的连续供电，由于对故障现象的观察和分析需要经验，并且在排除未接地的线路后，需要对怀疑接地线路进行停电实验，并通过观察仪表进行判断，势必造成用户的短时停电。 小电流接地选线装置自20世纪80年代问世以来，已经经历了多次技术更新换代，其选线的准确性不断提高，尽管厂方宣称100%选线正确率，但工程实际中均存在误判率较高的问题，使许多用户有一种不用麻烦，用了也麻烦的感觉，故现场好多情况都是选线设备闲置退出而采用手动拉闸实验的原始方法查找接地线路。 目前选线装置的选线原理主要基于小电流系统单相接地时的运行状态： 故障线路流过的零序电流是全系统的电容电流减去自身的电容电流，而非故障线路流过的零序电流是该线路的电容电流；故障线路的零序电流是从线路流向母线，而非故障线路的零序电流是从母线流向线路，两者方向相反。 小电流接地系统接地信号装置的分类，基于小电流接地系统发生单相接地是的特点，目前，小电流接地系统单相接地短路都应装有零序过电流保护和功率方向保护，以便于切除故障线路和发出预警信号。而小电流接地信号装置的设计判据主要有以下8种：（1）反映零序电压的大小；（2）反映工频电容电流的大小；（3）反映工频电容电流的方向；（4）反映零序电流有功分量；（5）反映接地时候5次谐波分量；（6）反映接地故障电流暂态分量前半波；（7）信号注入法；（8）群体比幅比相法。 目前小电流接地选线装置中采用的选线方式主要有零序电压电流工频分量法、谐波法、负序分量法、注入信号法等，在应用中这些方法存在一定的缺点：（1）基于零序电压电流工频分量法检测灵敏度低且受到消弧线圈的影响；（2）基于零序信号5次谐波或以上的方式虽然不受消弧线圈的影响，但信号中谐波分量过小，灵敏度受到很大的限制；（3）基于负序分量的方法不受消弧线圈的影响，但信号的获得相对困难且易受负荷变化的影响；（4）注入信号法在实际应用中有一定的效果，但安装信号注入装置也不方便。三、目前选线装置在检测中存在的问题： 在目前小电流接地选线装置中出现选线不正确以及误判较多的情况，除选线判据选择的方面存在一定缺陷外，在工程应用中也存在检测等方面的问题。从小电流系统单相接地时与正常工作时状态信息的不同看，故障线路的判定似乎非常容易，然而事实并非如此，其原因主要有以下四点：（1）电流信号太小 电流系统单相接地时产生的零序电流是系统电容电流，其大小与系统规模大小和线路类型（电缆或架空线）有关，数值甚小，经中性点接入消弧线圈补偿后，其数值更小。（2）干扰大、信噪比小 小电流中的干扰主要包括两个方面：一是在变电站和发电厂的小电流系统单相接地保护装置的装设地点，电磁干扰大；二是由于负荷电流不平衡造成的零序电流和谐波电流较大，特别是当系统较小，对地电容电流较小时，接地回路的零序电流和谐波电流甚至小于非接地回路的对应电流。（3）随机因素影响的不确定 我国配电网一般都是小电流系统，其运行方式改变频繁，造成变电站出线的长度和数量频繁改变，其电容电流和谐波电流也频繁改变；此外，母线电压水平的高低，负荷电流的大小总在不断的变化；接地点的接地电阻不确定等等。这些都造成了零序电流和零序谐波电流的不稳定。（4）电容电流波形的不稳定 小电流系统的单相接地故障，常常是间歇性的不稳定弧光接地，因而电容电流波形不稳定，对应的谐波电流大小随时在变化。四、本课题研究的主要工作 根据目前使用的大多数选线装置原理是基于故障时系统稳态零序电流和电压的检测和分析，由于稳态故障电流小，致使检测灵敏度不高，选线正确率很低所以现场仍采用“拉路法”进行故障选线。再此状态下，我们以装置原理入手，阅读相关质料后着手准备研究工作。主要是对基于频率特性对小电流接地系统选线研究，研究工作体现在以下几个方面：1、小电流接地系统在单相接地时的故障分析；2、根据线路等效网络图，建立其数学模型（传递函数）；3、根据线路传递函数用频率法分析其对数幅频特性和相频特性；4、从中性点不接地系统的频率特性求出单相接地时的幅值最大而且为容性的暂态零序电流SFB频段（）5、根据SFB频段的特点，求出小电流接地系统接地选线的原理及方法。4-2 小电流接地系统单相接地时的故障分析 中压电网中中性点不接地供电网络的不断扩大及电缆馈线回路的增加,单相接地电容电流也在不断的增加,改造电网中性点接地方式、合理选择电网中性点接地方式，已是关系到电网运行可靠性关键的技术问题。一、中性点不同接地方式的分析在我国中压电网以35kv、10kv、6kv三个电压等级的应用较为普遍，其均为中性点非接地系统，但是随着供电网络的发展，特别是采用电缆线路的用户日益增加，使得系统单相接地电容电流不断增加，导致电网内单相接地故障扩展为事故，我国电气设备设计规范中规定35kv电网如果单相接地电容电流大于10A、310kv电网如果接地电容电流大于30A，都需要采用中性点经消弧线圈接地的方式，而城市电网规划设计导则中规定“35kv、10kv城网，当电缆线路较长、系统电容电流较大时，也可采用电阻方式”，因此在中压电网的中性点接地方式，世界各国也有不同的观点和运行经验，就我国而言，对此在理论界、工程界也是热点讨论的问题。在中压电网改造中，其中性点的接地方式问题，引起多方面的关注，面临发展方向的决策问题。 在我国中压电网的供电系统中，大部分为小电流接地系统（即中性点不接地或经消弧线圈接地或电阻接地系统） 。我国采用经消弧线圈接地方式运行多年，但近几年有部分地区采用中性点经小电阻接地方式，其中中性点 经消弧线圈接地方式和中性点不接地应用最多，所以在本设计中主要对这两种接地方式进行分析。二、中性点不接地系统单相接地时故障分析 中性点不接地电网，在正常运行时，各相对地电压是对称的，中性点对地电压为零。由于三相对地电容相，在相电压的作用下，各相电容电流相等，并超前于相应相电压，如图41所示，这时变压器中性点与电容中性点同相位。 图 4-1 小电流接地正常时的向量图 假设当电网中A 相发生单相接地短路时，如图 4-2所示，设电源的三相电动势分别为、。为了分析简便，不计电源内部电压降、负荷电流和电容电流在线路阻抗上的电压降。电源每相电动势的有效值等于电网正常工作时候的相电压，电源两相电动势之差等于电网的线电压。在分析单相接地时候的零序电流电压时，不计负荷电流（三相对称的）影响。在单相接地时，线路I、II、III各相对地的电容分别为、。见下图： 图 4-2 单相接地时电容电流的分布下面分析线路III A相接地时的情况：电网中各处A相对地电压： =+=0因此，电源中性点N对地电压：= ，=，B相对地电压：=+=，=C相对地电压：=+=，=母线上的零序电压为： =（+）=（0+） = =根据以上分析，可以画出图4-3所示的向量图。 图4-3 电网单相接地时的电流电压向量非故障线路 I的A相电流： =0 B相电流： = C相电流： =线路 I的三倍零序电流为： =+=0+ （4-2） = =同样对于非故障线路 II： =0，=，= = （4-3） =故障线路 III的A相电流为： =（+） B相电流： = C相电流： =线路 III的三倍零序电流为： =+=（+）+ + =（+）=（+） （4-4）根据以上分析，可以画出图4-3 （b）所示的向量图。当电网发生单相接地时，线路上两个非故障相的电容电流之向量和称为接地电容电流。非故障线路I的接地电容电流为： =+=+ = = （4-5） = （4-6）同样非故障线路 II的接地电容电流为： = （4-7） = （4-8）故障线路 III的接地电容电流为： =+=+ = （4-9） = （4-10）接地故障处的电流等于电网中所有线路（包括故障线路和非故障线路）的接地电容电流的总和：=+=+= （4-11）= （4-12）综合以上分析,可以得出以下结论:(1) 在中性点不接地的电网中发生单相接地时，故障相对地电压为零，非故障相对地电压为电网的线电压，电网中出现零序电压，它的大小等于电网正常工作时的相电压。(2) 非故障线路的大小等于本线路的接地电容电流；故障线路的大小等于所有的非故障线路的之和，也就是所有非故障线路的接地电容电流之和。(3) 非故障线路的零序电流超前零序电压；故障线路的零序电流滞后零序电压；故障线路的零序电流与非故障线路的零序电流相位相差。(4) 接地故障处的电流大小等于所有线路（包括故障线路和非故障线路）的接地电容电流之和，并超前零序电压。三、中性点经消弧线圈接地系统单相接地时的故障分析 我国35kv电网,如果单相接地时接地电容电流总和大于10A,3-10KV电网如果大于30A,都需要采用中性点经消弧线圈接地。 如图 4-2 所示为消弧线圈接地电网线路III A相接地时候的状况： 图 4-4 经消弧线圈接地电网单相接地时电容电流的分布下面分析线路 III A相接地短路时的情况：电网各处A 相电压为零，电源中性点N对地电压= ，B相对地电压为 ，C相对地电压为 ，母线上的零序电压为 =，非故障线路 I的=，非故障线路 II的=，故障线路 III的接地电容电流=。这些电流、于电网中性点不接地时完全相同。所不同的主要有以下几点：（1） 如果消弧线圈的电感为，电抗为，由于它两端的电压为= =，因此通过它的电流为： = （4-13） = （4-14）（2）由于接地电容电流和都要流过接地点，因此接地点的电流为：=+=+ （4-15） 超前，滞后，二者相位相反，因此接地点的电流比电网接地电容电流的总和小得多，消弧线圈起到补偿作用，接地点的电流残余电流。 根据对地电容电流的补偿度不同，消弧线圈可以有完全补偿、欠补偿及过补偿三种补偿方式。（a）全补偿方式是使=，接地点的电流近似为0，从消除故障点的电弧，避免出现弧光过电压的角度看，这种补偿方式是最好的，但从其他的方面来看，则存在严重缺点。在完全补偿时，=，正是电感和三相对地电容对50HZ交流串联谐振的条件，这样在正常情况下，如果架空线路三相的对地电容不完全相等，则电源中性点对地之间产生的电压偏移，以及在断路器合闸三相触头不同时闭合时，产生的零序分量电压，都是串联在和之间，其将在串联谐振回路中产生很大的电压降落，从而使电源中性点对地电压严重升高，因此在实际中不能采用这种方式。（b）欠补偿方式就是使，补偿后的接地电容电流仍然是容性的。采用这种方式仍然不能避免串联谐振的问题，当系统运行方式发生变化时，如某个元件被切除或因发生故障而跳闸，则电容电流就将减少，这时可能出现=的情况，从而引起过电压，因此欠补偿方式一般也不采用。（c）过补偿方式是使，补偿后的残余电流是感性的，采用这种方式不会产生串联谐振的问题，在实际中得到广泛的应用。 采用过补偿方式时， 。过补偿多少以补偿度来表示，其定义为： = 补偿度一般为510% 。 从上式可得： =（1+） 因为的相位与的相反，所以： =（1+） 得出：=+ = （1+）= （4-16） 如果=100%，则接地点的残余电流只有电网接地电容电流总和的10%，比没有消弧线圈补偿要小得多。（3）由于故障线路 III的 =，=+，因此故障线路的应为： =+=+=+ （4-17） 得出： =+ = （4-18） 根据以上分析，可以画出图4-5（a）和图4-5（b）的向量图。 图4-5经消弧线圈接地电网单相接地时的电流电压向量图综合以上分析，可以得出以下结论：（1） 在消弧线圈接地电网中发生单相接地故障时，故障相对地电压为零，非故障相的对地电压为电网的线电压，电网中出现零序电压，其大小等于电网正常工作时的相电压。（2） 消弧线圈两端电压为零序电压，消弧线圈的电流也要通过接地故障点和故障线路的故障相，但它不通过非故障线路。（3） 接地故障点残余电流的大小等于补偿度与电网接地电容电流总和的乘积，它滞后零序电压，残余电流的数值往往很小。（4） 非故障线路的的大小等于本线路的接地电容电流，在过补偿的情况下，故障线路的的大小等于残余电流与本线路接地电容电流之和。（5） 非故障线路零序电流超前零序电压，在过补偿的情况下，故障线路的零序电流也超前零序电压，故障线路的零序电流与非故障线路的零序电流相位一致。 4-2 小电流接地系统的频率特性一 、电流接地系统的频率特性1 、单线路的传递函数如图 4-3 的形网络为一条线路的等效电路图，其中C为线路对地分布电容，L为线路的电感，R为电阻。图4-6 线路等效电路图用复阻抗法来求图4-3所示等效电路的传递函数：= = （4-19）（ 式中：= = ）把式（4-19）与标准二阶系统表达式比较：= = =式中： 自然无阻尼振荡频率阻尼比 可知单线路形等效电路的传递函数为一个典型的二阶惯性环节。二、二阶系统的频率特性分析 二阶系统的频率特性为：= 幅频特性为： = 相频特性为： =二阶系统的频率特性的Bode图为图4-7所示： 图4-7二阶滞后因子的Bode图（上为幅频特性、下为相频特性）由二阶系统的幅频及相频特性Bode图可对应于不同的（与线路的参数有关）仍然满足在频段幅值大，在等于线路谐振频率时幅值达到最大，线路阻抗体现为容性：在频段线路幅值衰减快，线路阻抗体现为感性的特性。三、典型二阶系统的暂态响应的分析： 二阶系统的暂态性能对于高阶系统具有一定的代表性，因此许多高阶系统的暂态性能可以用相应的二阶系统来近似代表。 典型二阶系统及其暂态响应： 由基本二阶滞后因子描述的系统称为二阶系统，如： = （4-20）式中： 自然无阻尼振荡频率 =阻尼比 （4-20）表明，典型二阶系统的性质，完全由两个参数和所决定，此外，对该式进行变换可表示为： =式中： 开环传递函数，其值为： =， 式（4-20）表明，典型二阶系统也是单位反馈控制系统，这时系统的传递函数又可称为闭环传递函数，对应的传递函数方框图表示如下图： 图4-8 典型二阶系统典型二阶系统的闭环传递函数是完全表征的，因此该传递函数的特征方程： 1+=+=0 （4-21）也是所属系统的特征方程。闭环传递函数的零、极点，称为闭环零、极点；开环传递函数的零、极点，称为开环零、极点。对于典型二阶系统来说，闭环极点也是系统的特征根。由（4-21）可求出： =（）为求出系统的暂态响应，取=带入（4-20）中，则得频域响应： =将此式展开为部分分式，然后进行拉氏变换，即可得时域响应。典型二阶系统的各相性能，与阻尼比的关系尤为密切，按的取值大小，有如下三种情况：1、 欠阻尼（01） 这时闭环极点是两个共轭复数极点 = = =，=式中，分别代表闭环极点的实部与虚部，称为阻尼振荡频率（角频率）由于0，共轭复数极点的、都位于左半S平面上，这时的系统称为欠阻尼系统。其暂态响应表示为： =1式中： =， 0 ，01欠阻尼系统的暂态响应呈现出阻尼振荡的形式，其振荡频率为。阻尼越小，振荡越激烈，过调量也随之增大。当=0时，闭环极点位于虚轴上，其实部为零。而暂态响应也变为不衰减的等幅振荡： =1这时的振荡频率为自然振荡频率。2、 临界振荡（=1） 这时闭环极点是位于左半实轴线上的重极点： =对应的系统称为临界阻尼系统，它的暂态响应为： =1临界阻尼系统的暂态响应特征是从有振荡向无振荡过渡的一个临界状态。3、 过阻尼（1）这时闭环极点是位于左实半轴线上的两个不相等的实极点 =（+）；=（）其暂态响应中包括两个衰减的指数项： =1（） 根据前面分析可得出各种不同相应的暂态响应曲线簇。即为不同线路的暂态响应曲线。 图4-8 典型二阶系统暂态响应曲线根据暂态响应曲线图4-8可知，暂态过程的长短及暂态分量的大小与有关。如图所示对应于不同的其暂态响应均表现为在低频段的暂态分量较大。并可求出暂态分量的最大值，谐振峰值及暂态过程的时间(即暂态过程的结束时间)。 = 00.707 4= 由分析可知道小电流接地系统在低频段的暂态分量大，故可以选用小电流系统在低频段的暂态信号作为小电流接地选线的分析信号源。 对于单相接地时的暂态零序电流，主要是非故障相的充电电流。对于经消弧线圈接地的系统，因为暂态电感电流的最大值相应与接地故障发生在相电压过零值的瞬间，而大多数接地故障都发生在相电压最大值的瞬间，在故障瞬间，电感电流=0。所以在同一电网中不论中性点不接地或经消弧线圈接地，在故障瞬间暂态过程近似相同，并且均为容性电流。 从频率与阻抗的关系来分析，在低频段小而大，线路阻抗表现为容性，当R较小时，在整条线路可等效为一个电容。 从以上分析对小电流接地系统利用低频段，幅值较