国内外几种先进的小电流接地系统单相接地故障选线方法分析与比较
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接地故障 。采用注入谐波频率信号的发电机定子接
地保护 ,使得消弧线圈电感及定子对地电容互相抵 消 ,其测量精度只受发电机组自身对地泄漏电阻 R0 的影响 。故障时定子对地总电阻为 :
R
=
R0 Rf , R0 + Rf
U0
= I0 R
= I0 R0 Rf R0 + Rf
式中 Rf ———故障接地电阻 。
1 国内较为领先的几种选线方法的原 理分析
1. 1 “S”注入法 “S”注入法选线定位原理是通过注入系统信号
的通路来实现的 ,即通过母线 PT向接地线路的接地 相注入信号电流 ,其基波频率处于工频 n 次谐波与 n + 1次谐波之间 ,然后利用专用的信号电流探测器 查找故障线路和故障点 。原理图如图 1所示 。
但是 ,当接地电阻不太大时 ,注入信号电流大部 分流向故障线路 ,而非故障线路流入的信号电流减 小 ,可能导致非故障线路信号功角 α的测量误差增 大 ,甚至出现故障选线误判断 。为解决上述问题 ,可 以采用如下措施 :增大注入信号电流 ;采用高精度零 序互感器 ;比相回路采用开环运算放大器 ,以提高相 位精度 。
[ Keywords] small current grounding system; single - phase ground fault; failure line selection
中性点不接地或者经消弧线圈接地的系统 ,称 为小电流接地系统 。其主要优点在于 :发生单相接 地故障时 ,故障电流很小 , 90%以上的单相接地电弧 都能够自行熄灭 ;三相线间电压依然对称 ,不影响负 荷正常工作 。但是 ,系统带单相接地故障运行时 ,故 障相对地电压降为 0,非故障相电压升高为线电压 , 会使健康相绝缘薄弱处发生对地击穿 ,造成两相接 地故障 。由于小电流接地系统的广泛使用 ,单相接 地保护原理和装置的研究自 1958年以来从未间断 。 采用的选线原理多半为比幅法 、比相法 、群体比幅比 相法 、半首波法 、谐波电流方向法 、5 次谐波分量法 等 。基于以上原理已先后推出了几代产品 ,但实际 应用效果并不理想 ,所以继续研究此问题显得非常 有必要 。针对目前国内外相对前沿的几种小电流接 地选线方法进行具体分析与评价 ,提出尚需解决的 问题 ,给出分析的结论 。
( 3 )高阻接地故障的辨识也可通过变频信号法 来进行 。高阻接地故障时 ,中性点位移电压变化较 小 ,其值较低 ,采用向零序电压互感器注入谐振频率 恒流信号 ,使得系统信号电流与消弧线圈信号电感 电流相互抵消 ,从而使系统测量电抗为零 ,系统对地 总电阻为 :
R =U0 I0
式中 U0 ———测量信号产生的零序电压 ; I0 ———信号恒流源折算到一次侧的电流 。 通过测量对地电阻信号的变化 ,可以检测高阻
第 26卷 第 11期 2005年 11月
电 力 建 设 Electric Power Construction
Vol. 26 No. 11 Nov, 2005
·41·
国内外几种先进的Biblioteka Baidu电流接地系统单相 接地故障选线方法分析与比较
张宏艳 1 ,张承学 1 ,熊 睿 2 ,王 琦 1
(1. 武汉大学 ,武汉市 , 430072; 2. 中南电力设计院 ,武汉市 , 430071)
1. 3 基于模式识别的选线方法 1. 3. 1 正向模式识别的方法
原理 :将故障后各线路的零序电流看成是某类 故障的 1个模式 ,通过神经网络对样本的训练与学 习 ,判断此故障模式所属类别选线 。其具体方法 :认 为每一类故障模式服从正态分布 ,将故障模式 X 的 分布函数式代入基于最小误差 Bayes决策公式 ,将
[摘 要 ] 分析了小电流接地系统目前国内外所采用的几种先进的单相接地故障的选线方法 :“S”注入法基本上不 受过渡电阻和运行方式的影响 ,但对信号探测器的频率特性有严格限制 ,且仪器接线复杂 ;注入变频信号法不受系统 运行方式的影响 ,且控制与保护精度高 ,抗干扰能力强 ;模式识别法具有自适应性和容错性 ,但样本的提取比较困难 , 而且现场经验不足 ; DDA法基本上消除了过渡电阻的影响 ,但对国内大多数配电网来说不利于实现 。通过比较发现应 该将这些方法相互结合起来 ,充分利用其互补性 ,并提出了利用互补性制作选线装置的设想 。 [关键词 ] 小电流接地系统 单相接地故障 故障选线
对“S”注入法的特点进行如下讨论 : (1)当系统 Ln 线路 A 相发生单相接地时 , A 相 对地电压降为 0, PT的 A 相一次绕组被短接 , A 相二 次绕组中无感应电流 ,使 PT的 A 相处于不工作的 “闲置状态 ”。此时 ,系统 B、C两相对地电压升高为
原电压的 3倍 ,其二次电压也升高 3倍 。信号发生 器通过对上述电压变化的检测 ,可以判断出 A 相接 地 ,则自动的将这一内部信号电源跨接在端子 A - N
dn
=
g
3ωCn
=
U0 g
3U0ωCn
= IR n IC n
= coαt
根据规程 ,正常架空线路的阻尼率约为 3% ～
5% ,线路受潮时可增至 10% ;电缆线路约为 2% ～
4% ,绝缘老化时可增至 10%。线路发生单相接地
故障时 ,线路对地电阻会明显下降 ,阻尼率明显上
升 ,可以通过比较各线路的阻尼率的大小 ,进行故障
( 2 )向接地线路接地相注入信号的频率是可以 选择的 ,通过选择注入频率的大小 ,确保 99. 9%的 信号沿接地线路接地相流动并且经接地点入地 ,有 利于提高选线和定位的分辨率 。
(3)注入信号的频率 f0 位于工频 n 次谐波与 n + 1次谐波之间 ,选择这种特殊信号电流作为电流 信号 ,可以躲过工频及各次谐波的干扰 。
( 3 )“S”注入 法 选线 原 理最 大的 优 势在 于 通过 PT注入信号的强度基本不受接地点过渡电阻的影 响 ,从而使检测灵敏度基本不受过渡电阻的影响 。 1. 2 注入变频信号法
注入变频信号法的原理是 ,从消弧线圈电压互
图 3 注入信号在出线上产生的电压电流向量图
计算出 n线路对于测量频率信号的阻尼率 dn :
在具体实施中 ,可以在馈线的入口处注入高频 脉冲信号 ,它可以在馈线末端 (或接地点 )反射或者 折射 ,根据馈线的结构 ,返回测量点的信号波形改 变 ,通过神经网络的模式识别 ,得知馈线的真实结构 和故障点的位置 。
对基于模式识别的方法讨论如下 : ( 1 )对于所有可能的正常运行方式下的馈线结 构 ,不能疏漏一种 ,否则 ,会被误判为故障 。 (2)注入的高频信号 ,应反复测量 ,以提高信噪 比 ,找出每种结构的代表信号 。 (3)当单相接地故障点与断路器接近时 ,很容 易被判定为同一个结构 ,只有通过培养神经元认出 同一结构测量的微小差别 。 (4)此方法的优点在于能够克服单相 、双相和 非线性负载较多的馈线所遇到的选线困难 ,同时具 有较强的自适应性和容错性 。但是 ,对于断路器出 口的单相接地故障 ,灵敏度会有所下降 。
第 11期
国内外几种先进的小电流接地系统单相接地故障选线方法分析与比较
·43·
( 2 )采用变频信号法还能够用于电容电流的测 量 。采用注入信号法测量电容电流 ,不会影响系统 正常运行 ,且不受系统运行的影响 。对于具有多个 消弧线圈的配电网 ,只需要选定一个消弧线圈 ,注入 信号并测量 ,就可以完成整个配电网脱谐度 、电容电 流的测量 ,无需通讯配合 ,该技术已获国家专利 。
2 国外较为领先的选线方法原理分析
2. 1 D ES IR选线方法 2. 1. 1 静态 DESIR 选线方法
图 4 零序电流和它们的投影
当小电流接地系统发生单相接地故障时 ,首先从 所有馈线中抽取零序电流的基波有功分量 Ires, i ,算出故 障点的残余有功电流 Iref并选取该向量和的垂直线作为 参考轴 ,再对所有馈线的接地电流的投影进行比较。
选线 。考虑 7%左右的测量误差 ,一般认为线路阻
尼率大于 17%时为故障线路 。
对注入变频信号法的特点进行如下讨论 :
(1)经消弧线圈接地系统发生单相接地故障
时 ,测量信号注入的路径是由位移电压的高低所决
定的 :当接地电阻较高 ,位移电压小于故障相电压
时 ,采用向消弧线圈电压互感器注入谐振频率恒流
Zhang Hongyan1 , Zhang Chengxue1 , Xiong Rui2 , W ang Q i1
( 1. W uhan University, W uhan City, 430072; 2. South - m iddle China Electric Power Design Institute, W uhan City, 430071)
中图分类号 : TM406 文献标识码 : B 文章编号 : 1000 - 7229 (2005) 11 - 0041 - 04
Analysis and Comparison of Several Advanced Fault L ine Selective M ethods in Small Current Grounding Power System
测量计算出的零序电流值代入判别式 ,即可判断它 是第几条馈线发生的单相接地 。
此方法本质上是对信息的并行处理 ,具有较强 的自适应性和容错性 ,比传统的比幅 、比相方法更为 有效 ,即有更高的精度 。 1. 3. 2 反向模式识别的方法
反向识别是相对于正向识别而言的 ,它是将系 统在正常 运 行 下 各 个 运 行 方 式 的 馈 线 结 构 作 为 模 式 ,在发生单相接地故障时 ,其馈线结构必然与正常 运行时的模式有所不同 ,从而达到选线的目的 。
“S”注入法选线原理优势在于 : (1)信号的注入是通过单相接地时暂时处于
“闲置状态 ”的 PT接地相注入的 ,无需增加任何一 次设备 ,也不会对运行设备产生任何不良影响 ,注入 信号仅流向接地线路接地相 ,注入效率高 。
(2)信号发生设备与一次强电系统之间通过 PT 电磁耦合 ,没有直接电的联系 ,不必考虑其绝缘问 题 ,使得控制和信号发生设备都比较简单 ,装置的接 线非常方便 。
感器或者故障相电压互感器发送可变恒流信号 ,通 过测量注入信号产生的零序电压及在各回出线上产 生的零序电流达到选线的目的 。
图 2 注入变频信号法
经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时 ,测 量注入信号产生的零序电压 U0 与各出线上产生的 零序电流 Ion之间的向量关系 ,如图 3所示 。
图 1 “S”注入法原理示意图
收稿日期 : 2005 - 06 - 13
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
·42·
电 力 建 设
第 26卷
之间 ,在 A 相 PT二次绕组产生电流信号 ,如图 1虚 线 1所示 。由于 A 相 PT一次绕组处于短接状态 ,二 次绕组中的电流必然会感应到一次侧 ,在 PT一次侧 的中性接地点与接地故障点之间形成一个信号电流 的通路 ,如图 1虚线 2 所示 。注入信号仅在接地线 路中流通 ,非接地线路中没有信号 ,这样 ,只要检测 各出线中有无注入电流的信号电流 ,就可以方便的 查找出接地故障线路 。
信号 ;当接地电阻较低 ,位移电压大于故障相电压
时 ,采用向故障相电压互感器注入频率为 70 Hz的
恒流信号 。
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
由此可以看出 :故障接地电阻越小 ,零序信号电
压下降越多 。当接地电阻与发电机组自身对地泄漏
电阻相当时 ,零序信号电压降低一半 。因此 ,通过注 入谐波信号法能够检测至少几十 kΩ 的高阻接地故 障 ,进一步用来检测定子绝缘的损坏 、定子局部放 电 ,而且不受系统运行的影响 ,即能实现发电机定子 的高灵敏度保护 。
地保护 ,使得消弧线圈电感及定子对地电容互相抵 消 ,其测量精度只受发电机组自身对地泄漏电阻 R0 的影响 。故障时定子对地总电阻为 :
R
=
R0 Rf , R0 + Rf
U0
= I0 R
= I0 R0 Rf R0 + Rf
式中 Rf ———故障接地电阻 。
1 国内较为领先的几种选线方法的原 理分析
1. 1 “S”注入法 “S”注入法选线定位原理是通过注入系统信号
的通路来实现的 ,即通过母线 PT向接地线路的接地 相注入信号电流 ,其基波频率处于工频 n 次谐波与 n + 1次谐波之间 ,然后利用专用的信号电流探测器 查找故障线路和故障点 。原理图如图 1所示 。
但是 ,当接地电阻不太大时 ,注入信号电流大部 分流向故障线路 ,而非故障线路流入的信号电流减 小 ,可能导致非故障线路信号功角 α的测量误差增 大 ,甚至出现故障选线误判断 。为解决上述问题 ,可 以采用如下措施 :增大注入信号电流 ;采用高精度零 序互感器 ;比相回路采用开环运算放大器 ,以提高相 位精度 。
[ Keywords] small current grounding system; single - phase ground fault; failure line selection
中性点不接地或者经消弧线圈接地的系统 ,称 为小电流接地系统 。其主要优点在于 :发生单相接 地故障时 ,故障电流很小 , 90%以上的单相接地电弧 都能够自行熄灭 ;三相线间电压依然对称 ,不影响负 荷正常工作 。但是 ,系统带单相接地故障运行时 ,故 障相对地电压降为 0,非故障相电压升高为线电压 , 会使健康相绝缘薄弱处发生对地击穿 ,造成两相接 地故障 。由于小电流接地系统的广泛使用 ,单相接 地保护原理和装置的研究自 1958年以来从未间断 。 采用的选线原理多半为比幅法 、比相法 、群体比幅比 相法 、半首波法 、谐波电流方向法 、5 次谐波分量法 等 。基于以上原理已先后推出了几代产品 ,但实际 应用效果并不理想 ,所以继续研究此问题显得非常 有必要 。针对目前国内外相对前沿的几种小电流接 地选线方法进行具体分析与评价 ,提出尚需解决的 问题 ,给出分析的结论 。
( 3 )高阻接地故障的辨识也可通过变频信号法 来进行 。高阻接地故障时 ,中性点位移电压变化较 小 ,其值较低 ,采用向零序电压互感器注入谐振频率 恒流信号 ,使得系统信号电流与消弧线圈信号电感 电流相互抵消 ,从而使系统测量电抗为零 ,系统对地 总电阻为 :
R =U0 I0
式中 U0 ———测量信号产生的零序电压 ; I0 ———信号恒流源折算到一次侧的电流 。 通过测量对地电阻信号的变化 ,可以检测高阻
第 26卷 第 11期 2005年 11月
电 力 建 设 Electric Power Construction
Vol. 26 No. 11 Nov, 2005
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国内外几种先进的Biblioteka Baidu电流接地系统单相 接地故障选线方法分析与比较
张宏艳 1 ,张承学 1 ,熊 睿 2 ,王 琦 1
(1. 武汉大学 ,武汉市 , 430072; 2. 中南电力设计院 ,武汉市 , 430071)
1. 3 基于模式识别的选线方法 1. 3. 1 正向模式识别的方法
原理 :将故障后各线路的零序电流看成是某类 故障的 1个模式 ,通过神经网络对样本的训练与学 习 ,判断此故障模式所属类别选线 。其具体方法 :认 为每一类故障模式服从正态分布 ,将故障模式 X 的 分布函数式代入基于最小误差 Bayes决策公式 ,将
[摘 要 ] 分析了小电流接地系统目前国内外所采用的几种先进的单相接地故障的选线方法 :“S”注入法基本上不 受过渡电阻和运行方式的影响 ,但对信号探测器的频率特性有严格限制 ,且仪器接线复杂 ;注入变频信号法不受系统 运行方式的影响 ,且控制与保护精度高 ,抗干扰能力强 ;模式识别法具有自适应性和容错性 ,但样本的提取比较困难 , 而且现场经验不足 ; DDA法基本上消除了过渡电阻的影响 ,但对国内大多数配电网来说不利于实现 。通过比较发现应 该将这些方法相互结合起来 ,充分利用其互补性 ,并提出了利用互补性制作选线装置的设想 。 [关键词 ] 小电流接地系统 单相接地故障 故障选线
对“S”注入法的特点进行如下讨论 : (1)当系统 Ln 线路 A 相发生单相接地时 , A 相 对地电压降为 0, PT的 A 相一次绕组被短接 , A 相二 次绕组中无感应电流 ,使 PT的 A 相处于不工作的 “闲置状态 ”。此时 ,系统 B、C两相对地电压升高为
原电压的 3倍 ,其二次电压也升高 3倍 。信号发生 器通过对上述电压变化的检测 ,可以判断出 A 相接 地 ,则自动的将这一内部信号电源跨接在端子 A - N
dn
=
g
3ωCn
=
U0 g
3U0ωCn
= IR n IC n
= coαt
根据规程 ,正常架空线路的阻尼率约为 3% ～
5% ,线路受潮时可增至 10% ;电缆线路约为 2% ～
4% ,绝缘老化时可增至 10%。线路发生单相接地
故障时 ,线路对地电阻会明显下降 ,阻尼率明显上
升 ,可以通过比较各线路的阻尼率的大小 ,进行故障
( 2 )向接地线路接地相注入信号的频率是可以 选择的 ,通过选择注入频率的大小 ,确保 99. 9%的 信号沿接地线路接地相流动并且经接地点入地 ,有 利于提高选线和定位的分辨率 。
(3)注入信号的频率 f0 位于工频 n 次谐波与 n + 1次谐波之间 ,选择这种特殊信号电流作为电流 信号 ,可以躲过工频及各次谐波的干扰 。
( 3 )“S”注入 法 选线 原 理最 大的 优 势在 于 通过 PT注入信号的强度基本不受接地点过渡电阻的影 响 ,从而使检测灵敏度基本不受过渡电阻的影响 。 1. 2 注入变频信号法
注入变频信号法的原理是 ,从消弧线圈电压互
图 3 注入信号在出线上产生的电压电流向量图
计算出 n线路对于测量频率信号的阻尼率 dn :
在具体实施中 ,可以在馈线的入口处注入高频 脉冲信号 ,它可以在馈线末端 (或接地点 )反射或者 折射 ,根据馈线的结构 ,返回测量点的信号波形改 变 ,通过神经网络的模式识别 ,得知馈线的真实结构 和故障点的位置 。
对基于模式识别的方法讨论如下 : ( 1 )对于所有可能的正常运行方式下的馈线结 构 ,不能疏漏一种 ,否则 ,会被误判为故障 。 (2)注入的高频信号 ,应反复测量 ,以提高信噪 比 ,找出每种结构的代表信号 。 (3)当单相接地故障点与断路器接近时 ,很容 易被判定为同一个结构 ,只有通过培养神经元认出 同一结构测量的微小差别 。 (4)此方法的优点在于能够克服单相 、双相和 非线性负载较多的馈线所遇到的选线困难 ,同时具 有较强的自适应性和容错性 。但是 ,对于断路器出 口的单相接地故障 ,灵敏度会有所下降 。
第 11期
国内外几种先进的小电流接地系统单相接地故障选线方法分析与比较
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( 2 )采用变频信号法还能够用于电容电流的测 量 。采用注入信号法测量电容电流 ,不会影响系统 正常运行 ,且不受系统运行的影响 。对于具有多个 消弧线圈的配电网 ,只需要选定一个消弧线圈 ,注入 信号并测量 ,就可以完成整个配电网脱谐度 、电容电 流的测量 ,无需通讯配合 ,该技术已获国家专利 。
2 国外较为领先的选线方法原理分析
2. 1 D ES IR选线方法 2. 1. 1 静态 DESIR 选线方法
图 4 零序电流和它们的投影
当小电流接地系统发生单相接地故障时 ,首先从 所有馈线中抽取零序电流的基波有功分量 Ires, i ,算出故 障点的残余有功电流 Iref并选取该向量和的垂直线作为 参考轴 ,再对所有馈线的接地电流的投影进行比较。
选线 。考虑 7%左右的测量误差 ,一般认为线路阻
尼率大于 17%时为故障线路 。
对注入变频信号法的特点进行如下讨论 :
(1)经消弧线圈接地系统发生单相接地故障
时 ,测量信号注入的路径是由位移电压的高低所决
定的 :当接地电阻较高 ,位移电压小于故障相电压
时 ,采用向消弧线圈电压互感器注入谐振频率恒流
Zhang Hongyan1 , Zhang Chengxue1 , Xiong Rui2 , W ang Q i1
( 1. W uhan University, W uhan City, 430072; 2. South - m iddle China Electric Power Design Institute, W uhan City, 430071)
中图分类号 : TM406 文献标识码 : B 文章编号 : 1000 - 7229 (2005) 11 - 0041 - 04
Analysis and Comparison of Several Advanced Fault L ine Selective M ethods in Small Current Grounding Power System
测量计算出的零序电流值代入判别式 ,即可判断它 是第几条馈线发生的单相接地 。
此方法本质上是对信息的并行处理 ,具有较强 的自适应性和容错性 ,比传统的比幅 、比相方法更为 有效 ,即有更高的精度 。 1. 3. 2 反向模式识别的方法
反向识别是相对于正向识别而言的 ,它是将系 统在正常 运 行 下 各 个 运 行 方 式 的 馈 线 结 构 作 为 模 式 ,在发生单相接地故障时 ,其馈线结构必然与正常 运行时的模式有所不同 ,从而达到选线的目的 。
“S”注入法选线原理优势在于 : (1)信号的注入是通过单相接地时暂时处于
“闲置状态 ”的 PT接地相注入的 ,无需增加任何一 次设备 ,也不会对运行设备产生任何不良影响 ,注入 信号仅流向接地线路接地相 ,注入效率高 。
(2)信号发生设备与一次强电系统之间通过 PT 电磁耦合 ,没有直接电的联系 ,不必考虑其绝缘问 题 ,使得控制和信号发生设备都比较简单 ,装置的接 线非常方便 。
感器或者故障相电压互感器发送可变恒流信号 ,通 过测量注入信号产生的零序电压及在各回出线上产 生的零序电流达到选线的目的 。
图 2 注入变频信号法
经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时 ,测 量注入信号产生的零序电压 U0 与各出线上产生的 零序电流 Ion之间的向量关系 ,如图 3所示 。
图 1 “S”注入法原理示意图
收稿日期 : 2005 - 06 - 13
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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电 力 建 设
第 26卷
之间 ,在 A 相 PT二次绕组产生电流信号 ,如图 1虚 线 1所示 。由于 A 相 PT一次绕组处于短接状态 ,二 次绕组中的电流必然会感应到一次侧 ,在 PT一次侧 的中性接地点与接地故障点之间形成一个信号电流 的通路 ,如图 1虚线 2 所示 。注入信号仅在接地线 路中流通 ,非接地线路中没有信号 ,这样 ,只要检测 各出线中有无注入电流的信号电流 ,就可以方便的 查找出接地故障线路 。
信号 ;当接地电阻较低 ,位移电压大于故障相电压
时 ,采用向故障相电压互感器注入频率为 70 Hz的
恒流信号 。
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
由此可以看出 :故障接地电阻越小 ,零序信号电
压下降越多 。当接地电阻与发电机组自身对地泄漏
电阻相当时 ,零序信号电压降低一半 。因此 ,通过注 入谐波信号法能够检测至少几十 kΩ 的高阻接地故 障 ,进一步用来检测定子绝缘的损坏 、定子局部放 电 ,而且不受系统运行的影响 ,即能实现发电机定子 的高灵敏度保护 。