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小电流接地系统发生单相接地
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小电流接地系统发生单相接地时,可短时间继续运行,(不超过2小时)对重要负荷进行切换.减少损失.但是对电网危害性较大,原因是接地点间隙性电弧会造成电网电压振荡,危害发电机和高压电机的运行.

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小电流接地系统接地保护
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1 中性点不接地电网的接地保护

电力电网小接地系统大部分为中性点不接地系统,而单相接地保护的变化已从传统接地保护发展到无人值守变电所配合综合自动化装置的接地保护、接地选线装置等,其保护目前主要有以下几种:

(1) 系统接地绝缘监视装置:

绝缘监视装置是利用零序电压的有无来实现对不接地系统的监视。

将变电所母线电压互感器其中一个绕组接成星形,利用电压表监视各相对地电压,另一绕组接成开口三角形,接入过电压继电器,反应接地故障时出现的零序电压。

当发生单相接地故障时,开口三角形出现零序电压,过电压继电器动作,发出接地信号。

该保护只能实现监测出接地故障,并能通过三只电压表判别出接地的相别,但不能判别出是哪条线路的接地。要想判断故障线路,必须经拉线路试验,必将增加了对用户的停电次数。且若发生两条线路以上接地故障时,将更难判别。

装置可能会因电压互感器的铁磁谐振、熔断器的接触不良、直流的接地、回路的接触不良而误发或拒发接地信号。(2) 零序电流保护:零序电流保护是利用故障线路的零序电流比非故障线路零序电流大的特点来实现选择性的保护,如DD-11接地电流继电器和南自厂的RCS-955系列保护。

该保护一般安装在零序电流互感器的线路上,且出线较多的电网中更能保证它的灵敏度和选择性。但由于零序电流互感器的误差,线路接线复杂,单相接地电容的大小、装置的误差、定值的误差、电缆的导电外皮等的漏电流等影响,发生单相接地故障线路零序电流二次反映不一定比非故障线路大,易发生误判断、误动。

(3) 零序功率保护:

零序功率方向保护是利用非故障线路与故障线路的零序电流相差180°来实现有选择性的保护。如传统的零序功率方向继电器,无人值守综自所应用的如南瑞DSA113、119系列零序功率方向保护。

零序功率方向保护没有死区,但对零序电压零序电流回路接线等要求比较高,对系统中有消弧线圈的需用五次谐波功率原理。

(4) 小电流接地选线综合装置:

随着电力科技的发展,近年来小电流接地电力系统逐步应用了独立的小接地电流选线装置。将小电流系统所有出线引入装置进行接地判断及选线,如华星公司的MLX系列。MLX系列选线装置的原理是用电流(消弧线圈接地采用五次谐波)方向判断线路,选电流最大的三条线路在进行方向比较,从而解决了零序电流较小、各种装置LH误差、测量误差、电力电缆潜流、消弧线圈、电容充放电过程等影响,能正确判别或切除故障线路。

2 接地保护安装调试注意事项

(1) 在无选择性零序电压保护装置及零序功率方向保护装置中,电压互感器一次、二次中性点必须可靠接地,一次绕组中性点接地不仅是安全接地而且是工作接地。若中性点接地不可靠,二次系统则不能正确反映一次系统发生接地故障时不平衡电压零序功率方向,因此开口三角形电压极性必须正确。

(2) 在利用零序电流互感器(多为电缆出线)构成的接地保护装置中,当电网发生接地故障时,故障电流不仅可能经大地流动,而且也经电缆导电外皮和铠装流动。因此,零序电流互感器上方电缆头保安接地线必须沿电缆方向穿过LH在线路侧接地。

零序互感器下方电缆皮接地则不需穿过零序互感器,避免形成短路环,电缆固定夹头与电缆外壳、接地线绝缘、零序电流互感器变比、极性误差应调整一致、正确,以减少互感误差。

(3) 在经消弧线圈接地的电网单相接地保护通常利用反映谐波的电缆电容的五次谐波分量保护和暂态电流速动保护,其实现选择性较困难。可在发现接地故障时投入有效电阻,以增加故障电流有功分量方法,利用零序电流保护、方向保护有选择地切除故障。

(4) 在电容器自投切系统中,补偿电容器应接成中性点不接地Y或D接法。发生接地后,三相负载仍保持对称运行,从而不影响零序电流,保证接地保护的灵敏性、正确性。

(5) 在同一系统电缆线路和经电缆线路出线的架空线路中,它们单相接地电容电流大小存在差别,零序电流保护定值应充分考虑。

(6) 利用三个电流互感器构成的零序电流滤过器,必须克服其不平衡电流的影响。

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小电流接地系统电压异常处理
相关内容: 系统 异常 处理 电流 电压 接地
2009年3月8日,浙江省浦江县110 kV城中变电站35kV母线电压发生异常现象,当时城中变电站为正常运行方式,两台主变并列运行。110 kV变压器为两台三圈变压器,SZZ9-40000/110,容量为40 MVA,110 kV母线为内桥接线,110 kV母线分段运行,35 kV母线为单母线分段,正常接线运行时35 kV母线分段运行;10 kV母线为单母分段接线。

故障当天为雷雨天气,35 kVⅠ段电压A相为37 kV,B相为0 kV,C相为37 kV,35 kVⅡ段电压A相为37 kV,B相为27 kV,C相为23 kV,光字牌显示35 kVⅠ段母线接地,35 kVⅡ段母线接地。

1 事故原因分析

35 kV母线电压异常一般为系统谐振,线路单相接地或断相,消弧线圈档位不当等;还有可能测量回路故障导致35 kV母线电压异常,如母线电压互感器高压熔丝熔断,低压熔丝熔断或二次回路异常,母线电压互感器异常等。如35 kV系统故障引起电压异常,那么所有与之相连的电压互感器电压显示值都异常,必须快速处理;如仅是测量回路异常引起指示值不准确,则一般只是发生在变电站的电压互感器。

为了在系统发生电压波动时能够明确区分故障类型,及时处理故障,保障电网安全运行,现就分别以系统谐振、线路断线、单相接地、消弧线圈档位不当、熔丝熔断、二次回路异常等故障情况下系统的不同特征进行分析。

1.1 系统发生谐振

谐振过电压引起的三相电压不平衡有两种。一种是基频谐振,即一相电压降低,另两相电压升高,特征类似于单相接地;另一种是分频谐振或高频谐振,特征是三相电压同时升高。理论计算说明,谐振过电压一般不超过1.5~2倍相电压,特殊情况可高达3.5倍,持续时间十分之几秒甚至一直存在。

谐振处理通常是采用拉合35 kV母分断路器或35 kV空载线路,调整运行方式,改变网络参数,破坏谐振条件,消除谐振过电压后再行恢复正常运行方式。

1.2 线路发生断相

线路发生断相(一相或两相)时,相电压特征是三相电压不平衡,断线相电压和中性点电压升高,非断线相电压降低,供电功率减少,有时发出接地信号。线路断相时,负荷侧母线电压异常,通过电源侧和负荷侧两侧的电压测量值进行判别。

一般处理方法为线路检修,由检修单位进行巡查。

1.3 线路单相接地

接地相电压明显降低,而其余两相相电压升高为线电压,并发出母线接地信号。需要注意的是发出母线接地信号并不能说明35 kV线路肯定发生单相接地故障,如果其余两相电压没有升高为线电压,则应是高压熔丝熔断所引起。高压熔丝熔断与单相接地故障主要表现在全网是否异常、电压是否升至线电压。

1.4 消弧线圈档位不适当

装有35 kV中性点消弧线圈的变电站,在档位不适当时(通常调档后发生异常),三相电压不平衡,但差别不大,此时,也有可能发出母线接地信号。

由于不同变电站采用的母线电压互感器接线方式不一致,相应的电压测量值都不一致,必须结合具体情况进行分析和调整档位。

1.5 高压熔丝熔断

高压熔丝熔断时,熔断相二次电压将显著降低,并发出母线接地信号。但是,如果高压熔丝未完全熔断,则可能不会发出母线接地信号。

两相高压熔丝熔断时,熔断的两相相电压很小或接近于零,未熔断一相的相电压接近于正常相电压。熔断的两相相间电压为零(即线电压为零),其它线电压降低,但不为零。

一般处理方法为检修时更换高压熔丝。

1.6 低压熔丝熔断

低压熔丝熔断时,二次电压将显著降低,开口三角无电压,不会发出母线接地信号。会不会发出母线接地信号是判别高压熔丝还是低压熔丝熔断的一个主要依据。

低压熔断器熔丝两相熔断时,熔断的两相相电压降低很多,但不为零,未断的一相电压正常。熔丝熔断的两相间电压为零,其它线电压降低,但不为零。

1.7 二次电压回路异常

除高低压熔丝熔断外的母线电压互感器及以下回路异常。发生这种现象时,电压情况无法预测。其形成原因复杂,通常有二次小线烧断、碰线、回路接错、表计异常等。处理办法一般为母线电压互感器改检修后交检修单位检查处理。

2 事故处理

虽则110 kV城中变电站35 kV中性点经消弧线圈接地,但根据记录当时消弧线圈未进行任何操作,并根据电压表指示值,可以判定电压不平衡非消弧线圈档位不当引起。

故障现象表明35 kVⅠ段母线B相电压为零,而A、C相电压升高,类似于谐振过电压现象。

2.1 拉开35 kV母分断路器

故障现象改变为35 kVⅠ段电压A相电压为22 kV,B相电压为22 kV,C相电压为21 kV,35 kVⅡ段电压A相电压为37 kV,B相电压为2 kV,C相电压为3 kV,光字牌显示35 kVⅡ段母线接地。

故障现象表明35 kVⅠ段母线恢复正常,35 kVⅡ段母线电压未变。

由于改变了网络参数,破坏了谐振条件,因此可以判定35 kVⅡ段母线电压三相不平衡非系统谐振过电压所引起。

根据35 kVⅡ段母线三相电压指示值、接地信号,因A相电压升高至线电压,最低相相电压接近正常值,可以判定高压熔丝正常,系统有接地现象。

2.2 检查35 kVⅡ段母线电压互感器

根据35 kVⅡ段母线电压B相电压为2 kV、C相电压为3kV的现象可分析出,系统接地的同时存在35 kVⅡ段母线电压互感器B、C相低压或高压熔断器故障。现场检查发现35 kVⅡ段母线电压互感器B、C相低压熔丝熔断,更换35 kVⅡ段母线电压互感器B、C相低压熔丝后。故障现象改变为35 kVⅡ段母线电压A相电压为36 kV、B相电压为3kV、C相电压为37 kV,光字牌显示35 kVⅡ段母线接地。

电压指示值显示故障为典型的单相接地特征,可断定B相接地。

2.3 试拉35 kVⅡ段母线出线

2.3.1 两条线路同名相接地

两条输配电线路同名相发生接地时,绝缘监视一相对地电压表指示不平衡,出现接地信号,变电所值班员按规定顺序逐条切断线路时,应注意断开每条线路时,绝缘监视装置三相对地电压表指示的变化,若依次断开线路,三相对地电压指示没有变化,说明线路不是有单相接地故障,是变电所内设备接地。若依次断开线路,三相对地电压指示有变化时,应考虑有两条输配电线路同相发生单相接地(含断线)故障。

2.3.2 两条线路异名相接地

这种故障多数发生在雷雨、大风、高寒和降雪的天气,主要现象是同一母线供电的两条线路同时跳闸或只有一条线路跳闸,说明电网有单相接地现象。若两条线路都跳闸,电网接地现象消除;若两条线只有一条跳闸时,电网仍有接地现象,但单送其中一条时电网单相接地相发生改变,这是判断是否存在两条线路异名相接地故障的必要依据。

2.3.3 多条线路同名相接地

多条线同名相接地是指同一母线供电的两条以上的线路发生的同名相接地,这种现象一般只发生在线路三角排列下雪天气的情况。多条线路同名相接地时,电网三相对地电压不平衡,出现接地信号,值班人员在断开线路时,每选断开接地线路,对地电压就发生变化,有几条线路发生单相接地,三相对地电压就发生几次改变,若把这些电压有变化的线路停掉,电网接地消除,这就可判断出是三条或以上同名相接地故障。

经试拉城黄3526后,电压变化为A相电压为21 kV、B相电压为21 kV、C相电压为21 kV,线电压恢复正常,可判断为城黄3526线路B相接地。

35 kVⅡ段母线上出线城黄3526B相单相接地,同时,35 kVⅡ段母线电压互感器B、C相低压熔丝熔断。

3 结束语

正确判断和迅速处理35 kV系统电压异常情况,是变电站现场值班人员必须掌握的基本技能。为了确保电网系统的安全、稳定、可靠运行,值班人员应先根据35 kV系统电压波动的规律判断故障类型,分隔故障范围,依照故障的轻重缓急分别处理。

根据35 kV电压异常原因及其危害,处理顺序依次是:系统谐振、低压熔丝熔断、单相接地、高压熔丝熔断、二次回路异常。

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小电流接地微机选线装置的工作原理
相关内容: 微机 装置 原理 电流 工作 接地
小电流接地选线装置首先通过测量母线的零序电压判断哪段母线接地,然后通过各条线路的零序电流与零序电压比较,零序电流落后零序电压90°,确定接地线路.
    还有一种方式是判断母线接地后,通过探索跳闸,经重合闸延时后重合闸动作,自动合上开关,当零序电压仍然存在,并表明"本线路未接地";当零序电压不存在,并表明"本线路接地"。
只有在中性点不接或经消弧线圈接地欠补偿时故障线路与非故障线路的零序电流才不一致。当经消弧圈过补偿时无法判别。其次接地时利用停电后再重合是不允许的,因为造成短时停电。
对中心点不接地电网中的单相接地故障又以下结论:
1、单相接地时,全系统都将出现零压;
2、在非故障的元件上有零流,其数值等于本身的对地电容电流,电容性无功功率的实际方向为:母线->线路;
3、故障线路上,零流为全系统非故障元件对地电容电流之和,数值一般较大,电容性无功功率的实际方向为:线路->母线;
 
  随着小电流接地自动选线不断研究和改进,微机技术和数字技术的应用,其性能在逐步提高,在不接地及消弧线圈接地系统已广泛 应用。其选线的正确率有了很大的提高。
  目前了解到的选线方法压有:
1、 零序电压、零序电流突变量和功率方向法;
2、 残流增量及有功功率法;
3、 并联电组法
4、 五次谐波窄带选频,同时提取基波成分、利用相位关系判断故障线路;所有线路同时采样。
5、 利用暂态小波分析、稳态过程谐波分析及能量分析等综合判断故障线路。
从上述选线方法可以看出,目前的选线装置多个判量综合分析的方法,所以使其选线正确明显提高。

小电流接地自动选线装置存在的问题:
1、 作为判据的信号量小,相对测量误差偏大;
2、 零序PT、CT的误差及长距离二次电缆引起测量误差;
3 、干扰大、信噪比小;一是电磁干扰,二是系统负荷不平衡造成的零序电流和谐波电流较大;
4、随机因素影响的不确定
运行方式改变、电压水平、负荷电流的变化、接地故障 形式和接地点过度电组的千变万化 ;
5、小电流接地自动选线装置本身的性能不够完善。
   利用电网稳态电气量特征提供的故障信息构成的选线方法:1、基于基波的选线方法:零序电流比幅法,零序功率方向法,群体比幅比相法,零序导纳法,有功电流法,零序电容电流补偿法,相间工频电流变化量法,有功分量法。2、基于谐波的选线方法——五次谐波电流法。3、其他方法:最大投影差值,残流增量法。
利用电网暂态电气量特征提供的故障信息构成的选线方法:1、零序暂态电流法,能量法。2、能量法。3、小波分析法。
利用其他方法:1、注入法。2、注入变频信号法。3、负序电流法。4、利用不对称因素的u,i 综合选线法。
 
1、小电流接地系统单相接地故障选线诸方法原理及利弊探讨
2、中性点经消弧线圈接地系统的单相接地故障选线
3、基于故障分量有功功率的选择性漏电保护
4、小电流接地系统单相电弧接地选线的小波方法
5、高压供电系统单相接地故障综合选线分析
6、新型小电流接地故障选线装置的设计
7、新型小电流接地选线装置的开发与应用
8、谐波方向原理在矿井高压电网接地选线系统中的应用
9、零序有功选线与消弧线圈接地系统单相接地故障处理过程优化
10、小电流接地系统单相接地暂态保护判据研究
11、基于故障相电流的接地选线保护原理及应用研究
12、基于零序功率方向选择性漏电保护系统的研究

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小电流接地系统的接地选线
相关内容: 系统 电流 接地
35kV及以下系统通常采用中性点不接地或经消弧线圈接地系统,该系统正常运行时,三相对地电压等于相电压。发生单相接地时,接地相对地电压小于相电压,其它两相对地电压大于相电压。接地点流过较小的电容电流,因此称此系统为小电流接地系统。小电流接地系统最大的优点是发生单相接地故障时,并不破坏系统电压的对称性,且故障电流值较小,不影响对用户的连续供电,系统可运行1~2h。但长期运行,由于非故障的两相对地电压升高倍,可能引起绝缘的薄弱环节被击穿,发展成为相间短路,使事故扩大,影响用户的正常用电。同时,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,当发生单相接地故障时,必须及时找到故障线路予以切除。小电流接地系统发生单相接地故障时会出现零序电流及零序电压,通过检测不同的量就构成了技术特点不同的小电流接地系统绝缘监察及选线装置。目前,小电流接地信号及选线装置的设计判据主要有以下几种:1反映零序电压的大小;2反映工频电容电流的大小、方向;3反映零序电流有功分量;4反映接地时5次谐波分量;5反映接地故障电流暂态分量首半波;6信号注入法;7群体比幅比相法等,本文对锡林郭勒地区电网的小电流接地系统绝缘监察及选线装置谈些认识。
1 小电流接地系统发生单相金属性接地时的特点
      ①电网各处故障相对地电压均为零,中性点对地电压值为相电压,未故障相对地电压升高到相电压的倍,即等于线电压;电网中会出现零序电压,零序电压大小等于电网正常工作时的相电压。②故障线路与非故障线路出现零序电流,故障线路零序电流3I大小等于所有非接地线路零序电流之和,电容性无功功率的方向为线路流向母线;非故障线路零序电流大小等于本线路对地电容电流,其电容性无功功率的方向为母线流向线路。③非故障线路的零序电流超前零序电压90°;故障线路的零序电流滞后零序电压90°,故障线路的零序电流与非故障线路的零序电流方向相反,相位相差180°。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)的接地电容电流的总和,并超前零序电压90°。
2 利用电压互感器构成的绝缘监察装置
      锡林浩特一电厂、二电厂及锡林郭勒地区电网早期投运的35kV变电站、110kV变电站,均采用了这种绝缘监察装置。该装置利用接于公用母线的三相五柱式电压互感器,其一次线圈及主二次线圈均接成星形,附加二次线圈接成开口三角形。接成星形的二次线圈供电给绝缘监察用的电压表、保护及测量仪表;接成开口三角形的二次线圈供电给绝缘监察继电器。正常情况下,系统三相电压对称,三相电压之和为零,二次每相绕组电压100V,开口三角每相绕组电压是100/3V,两端电压接近于零,电压继电器不动作。当发生单相接地故障时,一次故障相电压降为0,非故障相电压升高到线电压。二次故障相电压降为0其他两相绕组升高到100V,三个电压表中故障相电压表指示为0,另两相指示线电压,由此得知故障相开口三角绕组电压降到0,其他两相升高到100/V,三角形开口两端电压升高到100V,加在电压继电器上的电压由正常时的0V升高到100V,电压继点器动作发出预告信号。
      这种绝缘监察装置投资小,接线简单,操作及运行维护方便;其缺点是只能判断某一电压等级系统有接地,而不能指出故障点所在的线路,所以为了找出故障点,运行人员必须依次短时断开各条线路开关,这样影响了非故障线路的连续供电。近年来随着经济的快速发展,该种无选择性的绝缘监察装置已不适应城乡经济对供电可靠性的要求。锡林郭勒地区电网早期投运的变电站已开始逐步改造,这种绝缘监察装置将逐渐退出使用,被具备选线功能的微机选线装置所替代。
3 具有选线功能的微机选线装置
      近年来随着电力科技的发展,在综合自动化变电站中小电流接地系统应用了独立的小电流接地选线装置,小电流接地系统的选线问题一直是近年电力系统的一个难题,反映单一判据的选线装置运行中经常发生误判。目前在技术上日渐成熟的市场上形成主导产品的小电流接地系统选线装置多采用"相对原理"、"多重判据"构成,多重判据即为用二种及以上原理为判据,增加可靠性和抗干扰性能力,减少受系统运行方式、长短线、接地电阻等的影响。目前选线装置主要基于零序功率方向原理,零序电流的幅值原理等。锡林郭勒地区电网近年来新投运和改造的几座综合自动化变电站中均使用了独立的微机选线装置,220kV锡林浩特变电站、明安图变电站、温都尔变电站使用了BW-ML196H型微机选线装置;110kV东郊变电站使用了MLX-620型微机选线装置;西郊变电站使用了  DF3285型微机选线装置;220kV元上都变电站及即将投运的10kV明珠开闭站使用了HY-ML2000型微机选线装置,根据实际运行情况这些装置运行安全可靠,故障选线基本准确。下面以河北博为BW-ML196H型微机选线装置和北京华星HY-ML2000型小电流接地系统保护装置为例对微机选线装置原理、功能及特点进行介绍。
      河北博为BW-ML196H型微机选线装置采用谐波分析法,结合暂态过程的小波分析法与稳态过程的零序能量法,采用微机实现智能选线方法,消谐采用数字技术提取谐振时零序电压的振幅、频率特征控制触发可控硅导通。其工作原理如下:当小电流系统发生单相接地时,故障线零序电流为其它非故障线零序电流之和,原则上它是这组采样值中最大的,但由于电流互感器误差、信号干扰以及线路长短差别悬殊,有可能在排序时排在第二、第三位,但不会超过前三,这一步为初选,所选用的原理是相对概念(在现行运行方式下,取前三个最大的)。第二步,在前三个信号里,采用相对概念即利用电流之间的方向或电流与电压之间的超前与滞后关系,进一步确定是前三个中哪一个故障,还是母线故障,相对的相位关系允许角度误差在±85°之间,而零序电流二次侧幅值可在1-100mA之间变化。由于采用双重判据,而且使用的都是相对原理,克服了运行方式变化、接地电阻及线路长短的影响,并且不需整定。小波分析法利用接地初试的一段波形,每条线路由于长短不一,阻抗值不同导致暂态过程中零序电流所含的谐波分量不同,线路越短,高频分量越多。小波分析法提取某一段频率段的谐波分量后,各支路的零序电流分布也满足上述结论。而且,突出的优点是,这种分析法能克服消弧线圈和电流互感器不平衡的影响,这是因为,消弧线圈在暂态过程中还未起作用,而电流互感器不平衡电流分量已被滤去(选择频段时去掉基波分量),因而达到很好的效果。
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小电流接地电网改进能量法接地选线原理
相关内容: 能量 改进 原理 电流 接地 电网
1. 引言
  我国中低压电网中,中性点一般采取不接地、经高电阻接地、或经消弧线圈接地的接地方式。这类电网在发生单相接地故障时,短路电流只能通过对地电容或阻抗形成小电流回路,所以又被称为小电流接地电网[4]。小电流接地电网发生单相接地故障后的选线困难,特别是中性点经消弧线圈接地的电网。目前小电流接地系统故障选线方法按所用电气量可以分为:利用注入信号和故障信号。其中利用故障信号的方法又可分为利用故障信号的稳态量和暂态量两种[4]。注入法需要附加信号源且注入信号给电网带来一定的影响;利用故障信号稳态量的方法存在检测信号偏小的问题,且不能判断瞬间接地和间歇性接地故障;故障信号暂态量较大,完整地反映了故障发生的过程和特点,不仅能判断稳定接地,而且能够判断瞬间接地和间歇性接地故障。本文研究了小电流接地电网单相接地故障发生后的电压和电流的特点,提出了利用能量变化方向的原理选择接地线路的方法。
2. 电网数学模型的建立
2.1 电网数学模型
  为了研究电网单相接地故障,仅仅利用实际测量的故障波形和数值是不够的。不但实际测量波形和数据较少,而且由于测量不准确或者其它的干扰影响了对电网单相接地时电压电流等物理量特征的归纳研究。所以要建立一个既便于分析又能够反映实际电网特征的模型。 

在中低压电网中,线路的长度较短,与电压电流波的波长相比相差几个数量级的情况下,电路网络可以用集中参数模型。单相接地故障中,要研究暂态接地和稳定接地的过渡过程中各个物理量的变化规律,就不能忽略线路的电感,相间电容,线路电阻和线路对地导纳,对地电容可以是不平衡的。本文中所建立的电网模型如图 1。模型中忽略了线路并联电导和线路互感。忽略线路并联电导是因为在三相线路中用并联电导来表示线路电压引起的有功功率损耗,而电压为110kV以下的架空线路,与电压有关的有功功率损耗主要是由绝缘子表面泄露电流所引起的,一般可以忽略不计。忽略线路线间互感是因为相对于相间电容来讲,线路相间互感很小,可以忽略不计。模型的建立也是希望用软件模拟实际电网正常运行或者故障状态的情况,忽略了影响小的过分细节的因素,抓住问题的主要部分。
  以暂态量作为研究对象,所以此时定义的零序电流不再是传统意义上的三序电流中的零序分量,而是三相电流瞬时值之和的1/3。同样零序电压也为三相电压之和的1/3,即:

根据图1电网数学模型列写出电压、电流状态方程,接地采用开关串联电阻的模型进行数值计算。
2.2 模型验证
  为检验所建模型是否正确,作者查阅大量资料。由于间歇性电弧接地是单相接地中过程最为复杂的,若在模型上做的间歇性电弧接地仿真符合实际测得各个物理量的波形特征,那么可验证所建立的模型是正确的。
  文献[6]根据对20kV电网测量的将近500次的单相接地故障的实际数据发现,小电流接地电网中单相间歇性电弧接地的接地电阻主要在200到400 欧姆和2000到4000欧姆这两个区间。所以我们就接地故障电阻在上述两个区间的间歇性电弧接地故障运用MATLAB仿真软件做了大量的仿真计算。图2 为文献[6] 中芬兰工程师在20kV电网采样率为3500HZ时录入的故障线路零序电流和中性点电压波形。图3为作者在仿真20kV电网采样率为 3500HZ时发生间歇性电弧接地故障(电弧重燃五次)计算得到故障线路零序电流和中性点电压波形。从仿真波形图3和实测波形图2看,两者特征十分相近,说明所建立的仿真模型能够反映实际电网情况。在此电网模型上做的仿真研究得到的规律和结果是正确的。 


3. 对接地现象的分析研究
  电网线路与大地之间存在对地电容,三相存在相间电容。一般情况下,各相对地电容。所以电网正常运行时中性点呈现一定数值的对地电位差,即"不对称电压",此时的电网为不对称电网或不平衡电网[1]。如果线路经过良好的换位,使得三相对地电容与相间电容分别相等,中性点电压在电网正常运行时应该为零,此时的电网为对称电网或平衡电网[2]。不管平衡电网还是不平衡电网,发生单相接地故障后,都表现为中性点电压和相电压以及各条线路零序电流发生变化。而且能够直接测量的物理量也只有这些,如何利用这些量来进行故障选线值得深入研究。
  电网发生单相接地故障后,故障相电压降低,非故障相电压和中性点电压升高,零序电流增大。故障相电压,中性点电压和各线路的零序电流这三个物理量完全可以反映故障情况。对于小电流接地电网,各条线路的零序电流值都比较小,以往单单以零序电流的特点作为选线判据势必分辨率低。而以零序电流乘以中性点电压所得的零序功率以及零序功率积分得到的零序能量[3][5]没有反映到故障相电压的变化情况。当金属性接地故障时故障相电压降到零,中性点电压上升到相电压,此时零序能量有较高的分辨率;但当接地电阻很大时,故障相电压下降不多,中性点电压幅值较小,线路零序电流也很小,此时零序能量法不能很好地判别故障线路。所以拟定以中性点电压与故障相电压的差作为电压量,再与零序电流做积分求得的能量来研究接地故障。即:

式中采用(u0-ua)代替零序能量中的,保证在高阻接地故障时能量的数值较大,可以提高了分辨率。根据电网模型列写电压和电流状态方程,接地采用开关串联电阻的模型进行数值计算,求得中性点电压,各相电压和各条线路的零序电流。电网模型参数的不同,计算出不同情况下的各条线路的能量,并绘制能量曲线来研究该能量的特点。
  图4 为平衡电网在不同接地电阻和不同的故障发生时刻下各条线路的能量,其中(a)为故障发生在故障相电压较大时刻且接地电阻较大的情况,(b)为故障发生在故障相电压接近过零点时刻且接地电阻较小的情况。从图4中可以看出当发生小电阻接地故障时故障线路的能量瞬间变化很快,接地电阻大时变化相对较慢。而对于所有线路,不同的接地电阻和不同的接地时刻影响能量幅值,能量曲线的形状基本不变:未发生故障时能量为零,发生故障后,故障线路能量为负而非故障线路能量为正;且从能量大小上,故障线路能量大而非故障线路能量小。这与文献[3]中的方法具有相同的规律。


  图5为不平衡电网在不同接地电阻和不同的故障时刻下各条线路的能量。(a)中B相对地电容最小,A相和C相对地电容相同,故障发生时故障相电压大,接地电阻小;(b)中A相对地电容最小,B相和C相对地电容相同,故障发生时故障相电压小,接地电阻大。从图中可以看出,不平衡电网在正常运行时中性点有一定的对地电位,零序电流不为零,所以未发生故障时各条线路的能量不为零。虽然三相对地电容不相同的情况不同,使得正常情况下的能量方向不同,但只要是没有故障发生,各条线路的能量符号是相同的(都是正的或者都是负的)。发生故障后线路能量的正负不能确定:(a)中线路3和线路1能量由负变正,线路2 保持负值;(b)中线路3 和线路1 能量保持正值,而线路2 由正变负。所以此时不能以能量的方向来判断故障线路。同时线路2 的能量大小也不再是最大的,所以能量的大小也不能作为选线依据。
  经过大量的计算,发现不管是平衡电网还是不平衡电网,不管故障发生在何时,故障后故障线路的能量曲线的斜率为负数而非故障线路能量曲线的斜率为正数。所以得出结论:以能量曲线的斜率来判断故障线路。如果各条线路的能量曲线斜率符号相同则未有故障发生,或者发生母线接地故障,此时需要中性点电压幅值的进一步判断(如果中性点电压超过相电压的15%则发生故障);如果有线路能量曲线斜率与其他线路的能量曲线斜率不同,那么该线路即为故障线路。 


4 能量变化方向选线原理
4.1 能量变化的定义
  将能量曲线斜率定义为能量变化。根据上面的分析总结,能量变化方向选线原理阐述为故障线路的能量变化与非故障线路的能量变化方向是不相同的,以此判断出故障线路。
  线路j的能量变化算式为:

即:

4.2仿真验证
  用MATLAB软件仿真了各种电网条件下的情况证明上述选线原理均正确。以下是电网不平衡度较大时,比较极端条件下的仿真结果。
  仿真条件:线路1的对地电容为1,线路2的对地电容为4,线路3的对地电容为15,A相对地电容最小,B相和C相对地电容相等。电网的电压等级为 6kV,正常运行时中性点电压为相电压的13%,阻尼率为5%,脱谐度为0。在t=0.155s时线路2 发生第一次燃弧接地,熄弧后又重燃5次,弧道电阻为5欧姆。
  图6为不平衡电网发生间歇性电弧接地故障时各条线路的能量曲线。从图上可以看出,未发生故障时3条线路的能量曲线斜率符号相同,而发生故障后非故障线路的能量曲线斜率是正的,故障线路的能量曲线斜率是负的,即故障发生后线路能量变化方向是可以判断出故障线路的。图7为不平衡电网发生间歇性电弧接地故障时各条线路的工频周期内能量变化曲线。从该图中更容易看出故障线路与非故障线路能量变化方向相反的特点,因为不断的燃弧和熄弧,所以曲线呈现锯齿状。特别值得注意的是,在图6 中每次燃弧时能量曲线都有一个突变:非故障线路能量曲线突然快速上升,故障线路能量曲线突然快速下降。这样甚至可以判断燃弧次数和时刻。可见,能量变化方向是可以在比较复杂的故障情况下有效地判断出故障线路的。传统的能量原理认为发生故障线路能量小于零,而图5显示故障线路与非故障线路能量的符号是不定的。其他大量的仿真分析也证明了证明传统的能量原理在电网不平衡度较大时存在死区。能量变化方向选线原理无死区,且比能量原理的分辨率高(图6中能量变化方向十分明显)。 


4.3可行性分析
  在实际应用中,由于受到硬件条件和制造成本的限制,为了降低采样率,中性点电压、故障相电压和各条线路的零序电流量须经过低通滤波器滤波调理后再采样,用滤波后的电气量计算是否还满足上述原理呢?图7是对仿真得到的电气量经过2阶截止频率为100Hz采样率为1000Hz低通滤波器后的能量曲线图,从图上可以看出滤波后能量变化方向原理仍然可以准确判断故障线路。这意味着采用低成本的单片机系统有可能实现上述选线原理。
5.结论
  利用中性点电压,故障相电压和零序电流求得的能量在故障前后变化的特点可以准确区别故障线路。该方法在电网不平衡度较大情况和暂态接地故障情况都有效。在实际应用中对硬件条件要求不高,选线分辨效果明显。

查阅全文... http://dg.28xl.com/7/29257/1.htm


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