小电流接地系统单相接地故障选线方法的分析研究 毕业论文

目前国内外对故障定位的研究大多数集中在第一部分。故障选线问题经过多年的研究已经取得了不少的研究成果，而如何确定故障区段和故障点位置却缺乏成熟的研究成果。为了不断适应配电自动化水平的要求，许多学者对配电网的故障定位作了大量研究，定位方法主要可以分为三类：
（1）利用户外故障探测器检测的故6～35kV电网大多数采用中性点不直接接地方式：中性点经消弧线圈接地、经大电阻接地和不接地方式。在发生单相接地(用 表示)时，这种运行方式的接地电流往往比负荷电流小得多，而且故障点处的电弧通常能够自行熄灭，因此这样的系统常称为小电流接地系统。
在小电流接地电网中发生单相接地故障时，故障点电位为大地的电位，中性点电位升为相电压，非故障相导线对地电压升高为原来的 倍，三相线电压仍三相对称，不影响对用户的正常供电，而且故障电流又较小，因此单相接地保护只动作于信号，允许电网继续运行1～2h,这在一定程度上保证了供电的连续性[1]。
以上三种方式的故障隔离和恢复供电都是在发生相间短路时起作用的，对于单相接地，因单相接地故障电流较小，不需要立即停电，单相接地故障的识别只能依靠变电站中的接地选线装置实现。在馈线上安装具有测量和通信功能的新型配电开关，能获取大量的线路电量信息，为新方法的采用提供了可能。本文的区段定位研究也正是基于此种技术条件，在测量一条馈线上各开关处的零序电流和零序电压的基础上，实现区段定位。
（1）出线开关具有开断短路故障电流的能力，线路分段开关具备开断正常工作电流的能力；
（2）出线开关、线路分段开关具有三相电流电压传感器，以获取三相电流、电压信号。
出线开关、线路分段开关具有以高性能单片机为核心、有远程通信接口的控制器，该控制器具有相应的硬件接口电路将三相电压、电流信号转换为零序电压、零序电流信号。
此外，在电缆线路故障定位的研究中，文献[7]研制了用于配电网故障监测的光电式零序电流电压传感器，采用零序功率相角监测的方法定位故障分支。文献[8]使用光纤传感器实现电缆线路各个节点故障后零序电容电流的测量，由此确定发生故障的区段。这些文献展示了国外的一些研究方向和具体应用。但是根据我国配网特点，及投资成本，这些方法在实用上还存在一些问题。
配电自动化的一个主要功能和实施目标：故障定位、隔离及供电恢复。是故障处理的三个过程，是减小停电范围、缩短停电时间、提高供电可靠性的关键所在。
按照配电自动化的发展过程和故障处理的具体形式，配电自动化大概可以分为人工处理模式、分布智能模式和集中智能模式等三种模式[2][3]。
（1）人工处理模式
人工处理模式的相应的设备条件为：出线开关采用断路器，分段开关和联络开关采用无遥控功能的负荷开关，并在负荷开关和线路分支处安装故障指示器。当发生故障时，电力工作人员可以根据故障指示器的指示信息和工作经验沿线路查找故障区段，并利用负荷开关人工隔离故障区段和供电恢复操作。这种模式自动化水平也较低，故障处理所需的停电时间比较长，系统的供电可靠性不高，但是对系统及用户的冲击小，因此这种处理模式仍普遍存在于我国配电网中。
（3）集中智能模式
集中智能模式的主要设备是有遥控功能的开关设备、馈线终端单元(Feeder Terminal Unit，即FTU)、通信信道和主站系统。这种模式通过现场的FTU将检测到的故障信息通过通讯设备上传到主站，由主站通过接收到的故障指示信息和配电网的实时拓扑信息，按照一定的故障处理算法确定故障区域，并下达操作指令给相应的FTU跳闸隔离故障区域，并根据供电恢复策略确定恢复方案，对非故障区域进行供电恢复。这种模式的自动化水平较高，能够一次完成定位和隔离，故障处理时间迅速，避免开关多次投切，适用于任何复杂的配电网，并且可以考虑负荷水平和网络约束。但是投资较大，对通信系统的可靠性和通信速率要求很高。
随着国家投资力度的加大，我国配电网得到了大力的改造，配电自动化系统在全国范围逐渐推广，得到了广泛的应用，很多地方的自动化系统的通信条件得到了极大的改善，通信可靠性基本得到了保障，为集中智能模式的实施创造了条件。集中智能模式能够凭借智能算法和软件对网络实时分析和判断，得到可行的、优选的故障处理方案。
FTU是基于FTU的馈线自动化系统的核心设备，具有以下特性[4]:
4．仿真结果验证了以上方法的有效性和方案的可实现性。
关键词：中性点非直接接地系统；小电流接地系统；故障区段定位；故障点定位；参数辨识
论文类型：应用研究
4.4.3EMTP仿真理论分析和验算……………………………………………………44
4.5本章小结…………………………………………………………………………..46
1．针对故障区段定位问题，提出一种综合区段定位方法。该方法综合了两种具体的区段定位方法：基于特征频带的暂态零序电流方向比较法和零序电流有功分量幅值比较法，前者提取首容性频带内暂态零序电流分量用于电流流向比较，适用于中性点经消弧线圈接地系统的强故障与中性点不接地系统的所有故障；后者通过比较各个检测点处零序电流有功分量大小选择故障区段，适用于中性点经消弧线圈接地系统发生弱故障的情况。综合区段定位方法适合于各种故障类型，具有很高的灵敏度和准确性。
1.2单相接地故障定位的研究现状分析
单相接地故障定位要解决的主要问题包括三部分:（1）当母线上有很多出线时，首先需要进行故障选线;（2）选出故障线后，因为一条配电线上可能有很多分支线，需要确定故障点所在的分支或者故障区段;（3）在故 障分支或者故障区段中确定故障点位置。
在传统的故障定位过程中，配电网一般采用逐条线路拉闸停电的方法来确定故障线路，在选出故障线路后，再派工作人员到现场沿线查找故障区段和故障点，然后切除故障，这种方法由于人工的介入，所需的停电时间比较长，不能适应人们对配电网自动化水平的新要求。
广义上，配网自动化DSA(Distribution System Automation)指利用现代先进的信息技术实现对配电网正常运行时的控制、检测和故障时的快速处理(故障检测，故障定位、隔离及供电恢复，以及配电的生产管理、设备管理的自动化，即SCADA/DMS系统。狭义上，配网自动化指故障检测、故障定位、隔离及供电恢复等几个过程，称为配电自动化DA (Distribution Automation),包括变电站自动化SA(Substation Automation)和馈线自动化(Feeder Automation)。
但随着城市配电网的高速发展，配网结构越来越复杂，电缆线路占供电线路总长度的比例逐年上升，使得配网的电容电流数值大幅度增加。加之小电流接地系统的配电线路不设避雷线，而且离地高度低、耐受过电压的能力低、网络拓扑结构和周围环境较为复杂，因而经常发生故障，其中单相接地占配电网故障的80%以上。
虽然单相接地不会造成供电中断，带单相接地故障长时间运行就易使健康相绝缘薄弱处发生对地击穿，造成两相接地短路故障，弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统连续运行。所以及时地确定故障点并排除故障便显得非常重要。
（2）在线路端点处测量确定故障距离为目的的故障分析法；
（3）故障发生后通过向系统注入信号实现寻迹的信号注入法。
1.2.1监测定位法
监测定位法就是在配电线路的主要节点加装故障探测器，将故障信息加以汇总分析，得到故障所在区段。目前常用的户外故障探测器有线路故障指示器和线路FTU两种，都是根据故障点前后故障信息的不同确定故障所在区段。
（2）分布智能模式
分布智能模式的主要设备是断路器、重合器和分段器。这种模式是通过智能化开关设备的相互配合进行开关的分合操作，以实现故障区段的就地自动隔离和非故障区段的自动恢复供电。但是由于受原理的限制，存在一些不足之处:①故障处理过程需要开关多次分洽操作，对系统及用户冲击大；②当运行方式发生改变时，需要改变重合器的整定参数；④故障点下游的重合闭锁要依靠检测故障时的异常电压来作为闭锁条件，当故障不同时，异常电压的特征变化较大，难以自动恢复供电。
2．针对故障点定位问题，提出一种参数辨识法。该方法采用集中参数的配网模型，在此模型基础上建立了单相接地故障的故障点定位时域方程，并利用暂态时域信息通过最小二乘优化算法来辨识出故障点位置。该方法更充分地利用了单相接地故障时的暂态故障信息。
3．最后，提出了利用现有的配电自动化系统设备解决故障定位的实现方案：首先利用综合区段定位方法进行故障区段定位，然后在故障区段内应用参数辨识法进行故障点定位。
1.1.2配电自动化现状及其处理模式
在长期的发展过程中，由于经济发展不平衡，我国各地配电网自动化水平也不平衡，配电网自动化水平相对比较低。在政策的支持下，近十年来我国的配电自动化有较大的发展，在一些经济发达、较发达地区建设起了不同规模的配电自动化系统。随着现在工农业的高度电气化、高度自动化以及信息产业的不断发展，配电网的规模也在不断扩大，人们对电力供应的安全可靠性提出了越来越高的要求，减小停电范围、缩短停电时间、全面建设配电自动化系统成了配电网改造和建设的重要任务。
摘要
故障定位是配电自动化的重要功能之一，由于单相接地故障是配电网中最常见的故障，研究单相接地故障定位方法对于减小停电范围、缩短停电时间及提高供电可靠性具有重要意义。
我国中低压配电网一般都采用中性点非直接接地方式，即中性点不接地或者经消弧线圈接地方式，单相接地故障时故障定位面临的主要困难是：工频故障电流微弱与电弧不稳定，为此本文分析了小电流接地系统发生单相接地故障时电气量中暂态分量的特性，利用现有配电网自动化系统的设备条件，着重解决单相接地故障定位中的故障区段定位和故障点定位两个问题，本文的主要研究工作如下：
国内的单相接地故障指示器主要是基于五次谐波电流法[9]。五次谐波电流法是根据故障点前向支路、后向支路和非故障支路的零序电压、零序电流的特点，通过测量空间电场和磁场的5次谐波并分析其幅值和相位关系判断小电流接地系统单相接地故障点。但由于5次谐波幅值较小，不易检测，如何提高检测装置的灵敏度和抗干扰能力，是其推广应用的关键。
单相接地故障指示器是安装在配电架空线路、开关柜出线上用于指示故障电流流通的装置。架空线故障指示器是基于测量线路零序电流产生的磁场进行故障点检测的设备[5][6]，发生接地故障时，接地故障点前的线路周围存在由负荷电流产生的垂直磁场和由接地故障电流产生的水平磁场，由于接地故障电流产生的磁场比负荷电流产生的磁场的垂直衰减速度慢，基于此可以检测出接地故障电流产生的磁场，接地点后将检测不到此磁场信息。由于零序电流与电网的分布电容大小及接地方式有关,此方法探测精度不高。国内关于这方面的文献不多，国外对此已有研究和应用，如挪威分段悬挂在线路和分叉点上的悬挂式接地故障指示器等，其投资较大，不利于大面积推广。
1绪论
本章简单地介绍了配电自动化的基本内容，结合我国配电网的特点介绍配电网单相接地故障定位的研究内容和研究意义，最后在全面介绍国内外单相接地故障定位方法研究现状的基础上提出本文要做的研究工作。
1.1课题背景及研究意义
1.1.1单相接地故障的危害及其研究意义
随着国民经济和电力工业的发展，我国城乡电网迫切需要实现配电自动化，以提高供电质量和可靠性。配电系统中发生机率最大的故障是单相接地故障。所以实现配电自动化的一个重要的研究课题，便是如何准确地检测并尽快消除单相接地故障。
传统的做法是由运行人员采取顺序拉闸的方式寻找故障线路，转移负荷后将故障线路切除。显然，这种方法使得一些非故障线路的用户也会短时停电，降低了供电的可靠性，延长了系统带单相接地运行的时间，增大了扩大故障和误操作的可能性。
随着配电网规模的不断扩大、用户对供电质量要求的不断提高，人们对配电网自动化水平提出了更高的要求，配电网单相接地故障定位问题更加突出，迫切需要从根本上予以解决。从配电网自动化的角度说，不仅要求正确地选出故障线路，而且要求能够自动确定故障线路区段，并进一步确定故障点，尽快消除故障。现代计算机技术和通信技术的不断发展，为实现新的故障定位方法提供了保障，因此研究配电网单相接地故障的定位方法具有很重要的实际意义。