3-徐丙垠-配电网故障自愈技术

接地电流完全动态补偿示意图
110 kV T 10kV R L C 消 弧 线 圈 R 电力电子 L C R 故障点 L C
iQ
消弧线圈 补偿后残流
全补偿后残流
系统电容电流 不接地系统残流
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RCC接地故障补偿装置
由瑞典Neutral公司开发生产，可对接地电流进行全 补偿。 1992年在瑞典Goltland首先投运 至2005年，已在瑞典、德国等国推广应用50多套。
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小电流接地故障暂态信号特征
充电
C B A
If
放电
利用故障产生的暂态信号选线 接地时，相电压突然降低引起放电电流，故障相电压 突然升高，引起电容充电电流。 暂态接地电流持续约一个周波，幅值远大于稳态电容 电流， 且不受消弧线圈的影响。
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小电流接地故障暂态信号特征
i0
暂态接地电流特点：

暂态电流远大于稳态电容电流。暂态最大电流与稳态 电容电流之比，可达到几倍到十几倍。 暂态最大电流值与故障时电压相角有关。一般故障都 发生在电压最大值附近。 暂态电流值不受消弧线圈的影响。
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全电流跟踪补偿
利用电力电子设备产生宽频补偿电流，从中性点处 注入。 实现包括有功电流、谐波电流在内的接地电流的全 补偿 通过控制故障熄弧后电压恢复速度，可降低重燃几 率，抑制接地过电压。
& I CB & I CC & I CC & I CB & I CA
& I comp
& I r
& I f
22
26
一次实际的间歇性接地故障录波图
非故障线路零序电流
故障线路零序电流
故障相电压
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小电流接地选线技术已趋于成熟
近年来取得突破性进展，实际成功率在90%以上。
中电阻：在中性点瞬间投入一中值电阻 扰动法：瞬间调整补偿失谐度，检测零序电流的变化。 注入信号法：注入间谐波（225Hz）电流 利用故障暂态信号的方法（暂态法）
消弧补偿技术 过电压抑制 选线与故障定位
短路故障自愈控制
继电保护：切除故障 馈线自动化：故障定位、故障隔离与自动恢复供电
6
配电网故障自愈的作用
提高供电可靠性
减少停电次数（包括短时停电次数) 减少停电时间 减少停电范围
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配电网故障自愈的作用
研究并推广配电网故障自愈技术对于提高供电可靠性意义 重大：
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暂态法选线结果
零序电压
故障线路 零序电流
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接地选线技术总结
小电流接地故障选线技术已经成熟，成功率在90% 以上，满足现场应用要求。 投入中电阻法、信号注入法、暂态法在国内外都有 一定的应用面 暂态法由于不需要在中性点并入电阻或安装信号注 入设备，不改动一次回路，简单、安全性好、成本 低，不受电弧不稳定影响，应用前景良好。 高阻故障接地选线有待于进一步探讨
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暂态选线法的优点
暂态接地电流数倍于稳态值，有时达十几倍，灵敏 度高。 不受消弧线圈的影响 不受故障点不稳定的影响 可以检测瞬时性故障
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传统暂态选线法----首半波法
u0
i0
1950年代国外提出零序（模）电压电流初始极性比 较法 1970年代国内研制出首半波法的接地保护装置 极性正确时间短，受电网参数、短路相角影响。 受当时技术条件限制，处理方法简单。
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现代暂态选线法
计算机、微电子技术的发展，为开发暂态电气量选 线新技术创造了条件。 自上世纪90年代起，利用暂态电气量的选线法又引 起了人们的重视。 已开发出新型暂态法选线装置，在上百个变电所投 入运行，实际故障选线效果良好。 实际故障选线成功率在90%以上
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暂态电流幅值比较法
比较同一母线所有出线暂态零序电流的幅值（均方根 值），幅值最大者被选定为故障线路。
国内部分城市采用小电阻接地后供电可靠性下降
S市一变电所采用小电阻接地后，10kV线路3年共跳闸 136次，平均每年46次；改造前2年共跳闸53次，平均每 年27次。跳闸率提高一倍。
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接地方式影响供电可靠性
部分发达国家配电系统供电可靠性
国家 日本 德国 奥地利 法国 意大利 英国 美国 年均停电时间，Min 6 18.2 31.4 48.0 55.9 64.4 98 年份 2005 2004 2005 2004 2004 2005 2005 接地方式 谐振接地、不接地 主要采用谐振接地 主要采用谐振接地 谐振接地、不接地 不接地、谐振接地 大电流接地为主 大电流接地为主
供电可靠率平均达到“4个9”的国际先进水平 重要地区做到“6个9”
研究并推广应用智能配电网故障自愈技术对提高供 电可靠性、建设智能电网具有重大的意义！
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小电流接地故障自愈控制 与选线、定位
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小电流接地的优势
小电流接地，又称非有效接地，包括中性点不接地 与消弧线圈接地(谐振接地）。 一种成熟有效的配电网故障自愈技术
平均停电损失率
=
停电损失 （元 / MWh ) 用户年度用电量
数据摘自“停电损失调查与估算”，西北电力技术，2002年6月刊。 计算电量损失时，假定停电时负荷是全年平均水平。
10
中国城市用户年平均停电时间统计结果
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 分钟
智能配电网 故障自愈技术及其应用
徐丙垠 山东理工大学电气电子工程学院 科汇电力自动化公司 2011-05-26
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内容
概述 小电流接地故障自愈控制与选线、定位 配电网继电保护 配电(馈线)自动化
2
概述
3
什么是自愈？
自我预防
利用先进的传感测量与仿真分析技术在线监视与诊断电网 运行状态，及时发现事故隐患并快速调整、消除事故隐 患。
数据来源：中国电力可靠性中心 （停电时间已扣除缺电因素）
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我国供电可靠性亟待提高
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 中国 美国 英国 法国 韩国 香港 日本 分钟
2005年中国城市用户平均停电时间与国际先进水平的比较
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智能配网首先应是一个供电高度可靠的电网
据报道，美国每年的停电损失超过1500亿美元。 我国电科院专家对某沿海城市研究结果表明：停电每 少供一度电带来的经济损失在40元左右。 粗略估计，我国每年的停电损失在2000亿元以上。
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西安市用户停电损失调查结果
停电时间 （h) 0.5 1 4 8 平均停电损失率(元/MWh) 工业用户 50.03 88.26 172.56 263.55 商业用户 330.24 499.14 756.62 1000.26 电量损失 （折算到年用电量为 1MWh的负荷上） 5kWh 10kWh 40kWh 80kWh 说明
t (ms)
t (ms)
故障点上游两点暂 态零序电流比较
故障点两侧暂态 零序电流比较
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波形Fra Baidu bibliotek关系数计算公式
⎛ ⎞ ⎜ ∑ ix (k )i y (k + n )⎟ i =1 ⎝ ⎠ ρ (n ) =
i= N 2
∑ i (k )∑ i (k )
k =1 2 x i =1 2 y
i=N
i= N
ρ与两个波形的相似程度成正比，二者完全一致时， ρ=1。 计算故障线路上相邻两个指示器或FTU送上来的暂态零 序电流的相关系数ρ。ρ 为负值时，说明故障点在两 者之间。
永久接地故障：14次 自恢复的瞬时性接地故障：461次
6次永久接地故障前3天内有瞬时接地现象
最多的有16次瞬时性故障
90%以上的用户停电时间是由配电网原因引起的，其中相当一部 分是由故障引起的。
低压 中压 高压 输电
5%
5%
15%
其他原因 40%
其他原因 86%
75%
故障停电 60%
故障停电 14%
按电压等级统计的停电原因
发达国家故障停电比例
中国故障停电比例
8
为什么要提高供电可靠性？
高科技数字设备的广泛应用对供电可靠性提出了 更高的要求 重合闸、倒闸操作、拉路选线引起的短时中断会 导致停工停产，引起严重后果。 停电给社会带来的经济损失十分可观
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小电流接地故障检测困难的原因
接地电流微弱 消弧线圈补偿电流导致故障线路零序电流甚至小于 非故障线路 间歇性接地，电弧不稳定。
10%左右的故障存在间歇性接地现象
高阻故障多
5%左右故障电阻在1kΩ以上
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一次实际故障录波图
零序电压 故障线路零序电流
故障线路稳 态接地电流 十分微弱
非故障线路零序电流
利用消弧线圈补偿电容电流，使故障自动熄弧自愈。
故障相电压 非故障相电压 接地电流 消弧线圈电流 零序电压
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小电流接地的优势
一次实际的自恢复接地故障电压录波图
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小电流接地的优势
意大利的实践
采用固定调谐消弧线圈，接地故障引起的供电中断减少 26%以上。 采用可调消弧线圈后，接地故障引起的供电中断减少50% 以上。
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小电流接地存在的问题
间歇性电弧过电压，易导致其他两相绝缘击穿。 接地电流微弱，选线定位困难。
近年来出现突破性进展，已基本得到解决。
接地电流中谐波分量、阻性分量、间歇性接地暂态 分量得不到补偿，影响自愈率。
谐波分量、阻性分量的比例在10%以上 采用全电流补偿技术，可进一步提高故障自愈率。
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我国配电网接地方式现状
防止配电网故障（扰动）影响对用户的正常供电，保证供 电质量。
自愈衡量标准
不给用户带来经济损失与不良影响
主要研究内容
电能质量自愈控制： 应用柔性配电（DFACTSA)设备抑 制或消除电压骤降、谐波、闪变等电能质量扰动 故障自愈控制 分布式电源微网供电技术
5
配电网故障自愈控制研究内容
小电流接地故障自愈控制
40
小电流接地故障定位
比较配网终端（FTU)、故障指示器检测结果，确 定接地故障位置。 接地电流微弱，检测起来比较困难 指示方法：
注入信号法 投入电阻法 暂态法
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小电流接地故障零序电压、电流
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接地故障定位：比较暂态零序电流方向
电源
i0
CB1 S11
i0
F
i0
S12
故障点上游测量到的暂态故障电流方向一致，与故 障点下游测量到的电流方向相反。 需要测量暂态零序电压，现场应用不方便。
i0 新方法-极性永远相反
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暂态法选线装置
采用专用高速数据采集电路记录暂态信号 具有故障录波功能，可永久保留故障信 息。 配置灵活，对于TA、TV变比不统一和极性 错误可通过软件补偿 选线结果可通过103、DNP3.0规约以及空结 点等多种方式上报调度或控制中心
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暂态法选线结果
零序电压
故障线路 零序电流
Ih Ih L
If
缺点：不能确定母线接地
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暂态零序电流极性比较选线法
Ih Ih L
If
比较所有出线电流的极性
故障线路电流极性与健全线路相反 所有出线电流极性相同则为母线接地故障
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暂态容性无功功率方向选线法
基本思路：比较零序电流与电压导数的极性。克 服首半波法的缺点。
du0/dt
u0
i0 首半波法-初始极性相反
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接地故障定位：比较暂态零序电流相似性
比较暂态零序电流的幅值与相似性，可实 现故障定位。
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接地故障暂态零序电流比较
2.5 2 1.5 1
i0N i0M
2.5 2 1.5 1 0.5
i0N i0P
i0 (A)
i0 (A)
0.5 0 -0.5 -1 -1.5 0 62.5 125 187.5
0 -0.5 -1 -1.5 62.5 125 187.5
架空线路或架空线路与电缆混合网络基本采用小电 流接地方式 城市大型电缆网络采用小电阻接地
北京、上海、深圳、广州等 电缆网络电容电流大
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智能配电网应优先考虑小电流接地
提高单相接地故障自愈能力，改善供电可靠性。 电缆网络里相当一部分接地故障能够自恢复
电缆本体外（用户变压器）接地故障 端头、接头故障
自动调谐技术成熟应用，提高了自愈能力。 故障选线问题已基本得到解决 永久接地故障可直接跳闸
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瞬时性接地故障监测
捕捉电网的瞬时接地故障并指示出发生故障的线路 来，将给值班人员提供非常重要的电网绝缘状态信 息。 相对于利用局部放电技术对电缆绝缘进行监测，瞬 时性接地故障持续时间更长，可靠性更高。
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瞬时性接地故障监测
一次瞬时性接地故障的电压录波图
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泉州一变电所瞬时性接地故障统计
统计时间：2001年12月-2002年12月 记录到故障次数：475次。
自我恢复（愈合）
在故障发生后，应用自动控制手段使故障快速恢复或快速 隔离故障，避免影响电网的安全稳定运行与供电质量，或 将故障的影响降至最小。
是对传统继电保护、安全自动装置、馈线自动化、 在线监测与故障诊断技术的综合、延伸、提高 是智能电网的核心功能
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配电网自愈控制目标与主要研究内容
自愈控制目标：