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1、昆明理工大学成人高等教育 毕 业 设 计（论文）小电流接地系统接地选线研究姓 名： 王远 学 号： 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 学习形式： 函授 夜大 脱产 学习层次：高起本 专升本 高起专 函 授 站： 目 录摘 要- 1 -Abstract- 2 -1.绪论- 3 -1.1 引言- 3 -1.2 当前研究现状- 3 -1.2.1 国外发展现状- 3 -1.2.2 我国发展现状- 4 -1.3 选题意义- 5 -1.4 主要研究内容- 6 -2.小电流接地系统分析- 9 -2.1 引言- 9 -2.2 中压电网接地方式介绍- 9 -2.2.1 中性点不接地- 9 -2.2.2 中
2、性点经消弧线圈接地- 10 -2.2.3 中性点经高值电阻接地- 10 -2.2.4 中性点经小电阻接地- 11 -2.3 谐振接地系统单相接地故障分析- 12 -2.3.1 暂态电容电流- 14 -2.3.2 暂态电感电流- 15 -2.3.3 暂态接地电流- 16 -2.4 本章小结- 17 -3.选线技术和原理比较研究- 19 -3.1 引言- 19 -3.2 利用零序分量的选线技术- 19 -3.2.1群体比幅比相法- 19 -3.2.2五次谐波法- 20 -3.2.3有功分量法、能量函数法及零序导纳法- 21 -3.2.4 电流增量法- 23 -3.2.5 首半波法- 26 -3.2
3、.6小波法- 28 -3.3 不利用零序分量的选线技术- 28 -3.3.1 拉线法- 28 -3.3.2 负序电流法- 28 -3.3.3 信号注入法- 28 -3.4 本章小结- 29 -4.ZXJ-II综合故障诊断及录波装置- 31 -4.1 引言- 31 -4.2 ZXJ-II 综合故障诊断及录波装置采用了如下创新和诊断方法- 31 -4.3 ZXJ-II 综合故障诊断及录波装置特点- 31 -5.模拟电网及接地波形实录- 37 -5.1 小电流接地动态模拟电网结构- 37 -5.2 模拟电网接地波形实录- 38 -6.装置现场运行数据示例- 43 -6.1引言- 43 -6.2赣西沙
4、土变综诊数据分析- 43 -6.2.1故障综述- 43 -6.2.2典型故障分析- 48 -结 论- 53 -总结与体会- 54 -致 谢- 55 -参考文献- 56 -附录：外文翻译- 57 - 设计（论文）专用纸摘 要在中压电网中，单相接地故障占总故障的80以上，对单相接地危害的治理非常重要。在各种治理方式中，通过利用微机选线加上自动跟踪补偿的消弧线圈，在供电可靠性、人身安全、设备安全和通信干扰等方面良好运行特性的基础上，克服了早先谐振接地需人工调谐等缺点，成为比较理想的中性点接地方式。谐振接地系统属于小电流接地系统，目前在这类系统中采用的接地选线原理可分为利用零序分量的选线技术和不利用零
5、序分量的选线技术两大类。由于接地故障复杂多变，目前还未有一种理想的接地选线装置能够有效地适用于所有的实际接地故障的选线。本文首先分析了小电流接地系统单相接地过程的暂态过程，重点分析了经消弧线圈接地方式的情况。在此理论基础上，对现有选线技术和原理进行逐一分析，最后着重介绍本公司接地选线装置所采用的选线原理及实际现场应用情况。关键词：小电流，选线、小电流接地系统、单相接地故障 AbstractIn medium voltage networks, more than 80% of the faults happened are single phase to earth faults, thus
6、the importance to deal with this kind of fault type is obvious. Among all the treatments, using a compensated neutral with an automatic tracing and compensating arc-suppression coil aided by a set of faulty feeder location system has become a promising protection method, for it has many advantages i
7、n such aspects: reliability of power supply, human safety, equipment safety and communication system interference, etc.Compensated neutral system belongs to the group of small current neutral grounding system. The basic theory used to perform faulty feeder location in these networks nowadays can be
8、summarized as two categories: the line selection technology of using zero sequence component and the line selection technology of not using zero sequence component. Due to the variety and complexity of the practical faults happened in reality, a perfect location strategy that meets all kinds of circ
9、umstances is not yet discovered.Firstly, this thesis analyzed the fault transient course of small current grounded systems, especially when those systems with arc suppression coil. On the based of these theory, this thesis studyed and analysised the existing curcuit selecting methods. Finally, this
10、thsis will mainly talk about the choice wire adopted by location strategy in our company and practical application.KEY WORDS: small current, faulty feeder location, Small Current Grounded System,single phase earth fault.绪论 1.1 引言我国666kV配电网络，大部分采用中性点不直接接地方式，因其发生单相接地故障时，流过接地点电流很小，故障点电弧能够自行熄灭，所以被称为小电流接
11、地系统。它包括中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统和中性点经电阻接地系统。由于小接地电流系统发生单相接地故障时，故障点的电流很小，并且相与相之间的线电压仍保持对称，不影响对负荷的供电，因此在一般情况下允许再运行12个小时而不必立即跳闸，这也是小电流接地系统一个主要优点。但随着城市配电网的高速发展，电缆线路的增多，电容电流数值大幅度增加，长时间运行就易使故障扩大成两点或多点接地短路，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，迅速确定故障线路并予以及时排除对馈线系统的安全运行意义重大。 1.2 当前研究现状 1.2.1 国外发展现状配电网接地方式的问题在世界各国是一
12、个很有争议的热点。为了减少单相接地故障造成的危害，各国采用了不同的方法。第一次世界大战时期（1916）年，德国人彼得逊首先提出并随后发明了消弧线圈，提出了经消弧线圈接地的电力系统谐振接地方式，于是当时该国在各种电压等级的电网中性点广泛的采用了经消弧线圈接地方式，电网电压范围为30220kV，后因220kV电网中事故较多，19世纪60年代初就不再应用消弧线圈了。在柏林市的30kV电网中，共有电缆1400km，其电容电流高达4kA，也采用了经消弧线圈接地方式。前苏联曾规定366kV电网中性点采用经消弧线圈接地方式，莫斯科市配电电缆网络至今仍是中性点经消弧线圈接地的运行方式。美国在上世纪20年代中期
13、到40年代中期，在2270kV电网中，中性点直接接地方式占多数(72)，且发展很快，逐步取代了不接地的运行方式，一直延续至今。英国66kV电网中性点采用电阻接地方式，而对33kV及以下由架空线路组成的配电网，中性点逐步由直接接地改为消弧线圈接地；由电缆组成的配电网，仍采用中性点经小电阻接地方式。日本20kV电缆和架空线路混合电网，1950年以来一直采用中性点不接地方式，随着电缆的增加，为防止接地继电器的误动、拒动和中性点位移，采用经40W90W低值电阻器接地方式。1969年改用经40W460W电阻器接地方式，0.7s短接460W电阻器确保迅速准确选线断开单相接地故障线路。1975年统计，113
14、3kV配电网中性点不接地占40，经消弧线圈接地占28，经电阻接地占30，直接接地占2。其采用电阻接地方式一般限制接地电流数值为100200A。东京电力公司所属配电网，其中性点接地方式为66kV电网分别采用电阻、电抗和消弧线圈接地；22kV系统采用电阻接地方式。法国电力公司（EDF）从1962年开始，将城市配电网的标称电压定为20kV，其中性点采用电阻或经电抗接地方式，限制接地故障电流数值如下：大城市电缆配电网1A，其他配电网为300A。故障线路要求快速跳闸，但不考虑故障发生到故障切除这段时间中的接触电压和跨步电压。至80年代，法国电力公司对20kV配电网中性点接地方式提出新要求，即瞬时接地故障
15、电流应降低到4050A，同时要求考虑接触电压、跨步电压和对低压设备绝缘危害等问题。对20kV电网对地电容电流小于50A时，采用中性点经120W电阻器接地方式，对电容电流在50200A之间则在电阻器旁并联补偿电抗器（消弧线圈）。随着并联补偿电抗器技术的改进（自动跟踪调节系统的应用），已将最大接地电流降至40A，其中20A是阻性电流供零序有功功率继电器工作之用。又如意大利、加拿大、瑞典、日本和美国等在中压电网升压运行后，大部分电网中性点都采用直接接地的运行方式。世界各国的配电网中性点在50年代前后，大都采用不接地或经消弧线圈接地方式；到六十年代以后，有的采用直接接地和低电阻接地方式，有的采用经消弧
16、线圈接地方式。对于故障选线的研究，在前苏联，小接地电流系统得到了广泛应用，并对其保护原理和装置的研究给予了很大的重视，发表了多篇论文，研制了几代装置，在供电和煤炭行业中得到了应用，保护原理从过流、无功方向发展到了群体比幅；装置由电磁式继电器、晶体管发展到模拟集成电路和数字电路 ，而微机构成的装置较少。日本在供电、钢铁、化工用电中普遍采用中性点不接地或经电阻接地系统，所以选线原理简单，采用基波无功方向方法，近年来，在如何获取零序电流信号以及接地点分区段方面投入了不少力量，利用光导纤维研制的架空线和电缆零序互感器OZCT试验获得成功。德国多使用谐振接地系统，并于30年代就提出了反映故障开始暂态过程
17、的单相接地保护原理，研制了便携式接地报警装置。法国在使用中性点经电阻接地系统几十年后，现在正以谐振接地系统取代中性点经电阻接地系统，同时开发出了高新技术产品：零序导纳接地保护。而挪威一公司则利用测量空间电场和磁场的相位，反映零序电压和零序电流的相位，研制了悬挂式接地指示器。90年代初，国外已将人工神经网络原理应用于单相接地保护，并有文献提到应用专家系统方法，随着小波分析的出现和发展，国外有文献提及利用小波分析良好的时频局部性，分析故障暂态电流的高频分量的方法6-12。 1.2.2 我国发展现状近年来，我国引进了大量的国外设备，由于各国的接地方式不同，各国设备的设计标准也不一致，特别是设备的耐压
18、不同，要使用这些设备，首先必须决定电力系统的接地方式。因此在对接地方式的选择上引起了我国专家的争论。有的大城市已局部将配电网的中性点不接地方式改为小电阻接地方式，以消除弧光接地过电压的产生，减少异相接地的发生。也有的改为大电阻接地方式，以消除谐振接地过电压的危害。但大部分仍主张改为经消弧线圈接地方式，补偿系统的电容电流，使得单相弧光接地时，故障点电流减少，降低故障相电压的恢复速度，达到熄弧效果，从而避免了单相瞬时接地故障的跳闸，提高系统运行的可靠性。我国从1958年起，就一直对小电流接地系统单相接地故障的选线问题进行研究，提出了多种选线方法，并开发出了相应的装置。50年代我国有根据首半波极性研
19、制成功的接地保护装置和利用零序电流五次谐波研制成功的接地选线定位装置。70年代后期，上海继电器厂和许昌继电器厂等单位研制生产了一批有选择性的接地信号装置，如反映中性点不接地系统零序功率方向的ZD-4型保护和反映经消弧线圈接地系统五次谐波零序功率方向的ZD-5、ZD-6、ZD-7型保护。有些运行部门还采用反映零序电流增大的零序电流保护来选线。80年代中期，我国又研制成功了微机型小电流接地系统单相接地选线装置，近几年来，随着微机在电力系统应用的推广，相继又出现了一些微机型接地选线装置和适合微机实现的选线理论。其中由南京自动化研究院研制的微机小电流接地系统单相接地选线装置，其主要原理是比较线路零序电
20、流五次谐波的大小和方向；华北电力大学利用零序电流的五次谐波比相原理研制的ML98型小电流接地系统单相接地微机选线装置等。 1.3 选题意义长期以来，小电流接地电网的单相接地故障，由于缺少可靠的故障线路选择（保护）方法，许多供电企业不得不用人工拉路的方法选择故障线路。人工拉路会造成非故障线路供电短时中断，影响用户用电设备的正常工作，这在越来越重视电能质量的今天十分不可取。目前，我国供电企业正在积极应用配电自动化技术，以提高供电质量及管理效率。配电自动化的一个重要内容是自动故障定位、隔离及非故障线路恢复供电。配电网故障大部分是单相接地故障，已经上马的配电自动化系统大多不能可靠的定位小电流接地故障，
21、使其提高供电可靠性的作用大打折扣。因此，电力部门迫切希望能够开发出可靠实用的小电流接地故障保护技术。自20世纪80年代中期微机型选线投入运行以来，各厂家相继提出了很多选线原理，并研制出基于这些选线原理的多种产品。90年代初期选线装置的研制达到高潮，大量选线装置投入运行。但是，自动选线装技术在90年代末期陷入低谷，很多地区选线装置退出率达到90以上，又退回到原始的手动逐条线路拉线的选线方法，这充分说明了故障选线问题的复杂性。小电流接地故障的检测与选线之所以困难，其主要原因在于：（1）、故障电流小，特别是经消弧线圈接地系统，流过故障线路的稳态电流十分微弱，甚至比健全线路感受到的电流变化还小。故障信
22、号叠加在负荷电流上，稳态幅值小，现有电流互感器很难准确检出，而环境电磁干扰相对很大，加上零序回路对高次谐波及各种暂态量的放大作用，使得检出的故障分量信噪比非常低，这些严重影响基于稳态量方法的故障分辨正确性；（2）单相接地点电弧不稳定。在馈线接地点汇聚小电流接地系统的全部对地电容电流，一旦在接地处燃起电弧，接地电弧是一高度非线性时变过程，电弧包含电阻及等值的电感电容分量，具体形态随电弧电流、电弧长度、周围环境的变化而千差万别。电弧接地是一个熄弧、拉弧过程，可能引起系统运行方式的改变，导致电弧能的强烈振荡和积聚，产生波及全网的电弧过电压。故障点不稳定电弧，将使故障电压电流信号严重畸变，这亦影响着利
23、用故障稳态信号的选线方法分辨故障的正确性；（3）人们对小电流接地故障暂态特性尚缺乏深入的了解。由于小电流接地故障稳态特征较为简单，分析亦相对透彻，而其暂态特征极其复杂，目前人们掌握的还远远不够，正因为如此，严重影响着人们对小电流接地故障暂态特性以及暂态信号的利用。此外，利用零序暂态信号的首半波法和小波分析法应用效果亦不理想。其原因在于，目前的选线装置都是利用零序电压启动选线程序，而很多单相接地故障都是渐进过程，故障的最初暂态过程发生一段时间后零序电压才越限，这时记录的波形已不满足故障暂态信号选线的前提，另外，只进行一次选线加大了误选的可能性。现有的选线技术都还仅仅是利用故障的部分有用信息，因此
24、都存在一定的局限性，不可能对所有故障情况都适用。近三年来，小电流接地故障选线的研究又掀起了高潮，国内外学者将诸如小波分析、Prony方法、ANN方法、信息融合、模糊方法等引入到小电流接地保护中。但是，如果过于依赖数学分析工具而忽略了故障特征本身的透彻分析，对问题的解决无疑于舍本逐末。小电流接地系统单相接地故障多发生在相电压的峰值附近，此时故障零序电流中的暂态电容电流分量较大，且故障线路暂态电容电流的极性正好与非故障线路相反。但是故障发生在相电压过零点附近时的情况也时有发生，应当研究此种情况下如何检出单相接地故障问题。现有的小电流接地保护不能从根本上解决小电流接地的选线问题，这与电力系统提高供电
25、可靠性的要求与呼声背道而驰。因此，开发、研制出性能优越的小电流接地保护必然成为当今电力部门迫切需要解决的技术难题。 1.4 主要研究内容基于多年来研究的小电流接地系统故障选线各种方法的局限性，本课题将多种选线方法进行融合，极大的提高了选线的准确性。首先，对小电流接地系统及其单相接地故障特征从原理上进行深入的分析，以便对解决问题的对象有一个清楚的认识；其次，建立用于仿真的小电流接地系统，对各种选线技术进行比较验证，研究各种选线方法的优缺点，并找出各种选线方法的失效范围，为建立优化的选线方案作好基础；再次，对故障情况进行分类，分为大、小故障角的情况，对于大故障角的情况，重点研究利用电流分解的自适应
26、选线新方法；而对于小故障角的情况下，重点研究利用衰减直流分量的新方法；最后，全面考虑正确进线的因素，将选线方法进行融合，进行完善的小电流接地系统单相接地故障选线技术。第二章.小电流接地系统分析 2.1 概述小电流接地系统单相接地故障选线问题已经研究多年却一直未能得到很好解决，严重阻碍了供电可靠性和自动化水平的提高。其中的关键课题是如何解决中性点经消弧线圈接地系统的故障选线问题，这也是本文所要解决的问题。本章首先介绍中压电网的几种主要的接地方式，接着从系统的零序简化模型出发，在理论上分析这几种接地方式中暂态过程较为复杂的中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障的暂态过程。通过分析可以发现，对于小电流
27、接地系统单相接地故障，暂态信号中含有丰富的特征分量，如果能利用这些特征分量，则有望显著提高选线精度。 2.2 中压电网接地方式介绍中压电网主要有四种接地方式：中性点不接地方式；中性点经消弧线圈接地方式；中性点经高阻接地方式；中性点经小电阻接地方式。对于这几种不同的接地方式有着各自不同的优缺点。 2.2.1 中性点不接地通常所讲的中性点不接地，实际上是经过集中于电力变压器中性点的等值电容（绝缘状态欠佳时还有泄露电阻）接地的。中心点不接地方式的优点是结构简单，运行方便，不需任何附加设备，若是瞬时故障，一般能自动熄弧，非故障相电压升高不大，不会破坏系统的对称性，单相接地电流较小，单相接地不形成短路回
28、路，运行中可允许单相接地故障存在一段时间，电力系统安全运行规程规定可继续运行12 个小时，从而获得排除故障时间，若是由于雷击引起的绝缘闪络，则绝缘可能自行恢复，相对地提高了供电的可靠性。中性点不接地系统最大的优点在于，当线路不太长时能自动消除单相接地故障，而不需要跳闸1。中性点不接地方式的缺点是因其中性点是绝缘的，电网对地电容中储存的能量没有释放通路。在发生弧光接地时，由于对地电容中的能量不能释放，造成电压升高，从而产生弧光接地过电压或谐振过电压，其值可达很高的倍数，对设备绝缘造成威胁。此外，由于电网存在电容和电感元件，在一定条件下，因倒闸操作或故障，容易引发线性谐振或铁磁谐振，这时馈线较短的
29、电网会激发高频谐振，产生较高谐振过电压，导致电压互感器击穿。对馈线较长的电网却易激发起分频铁磁谐振，在分频谐振时，电压互感器呈较小阻抗，其通过电流将成倍增加，引起熔丝熔断或电压互感器过热而损坏。为了解决中性点不接地系统单相接地时引起的一些后果，早期曾采取过故障相自动接地的措施，但由于这一措施不能解决过电压的问题，且无助于将故障线路选择出来予以切除，故不久被另两个措施取代了，即中性点经消弧线圈接地和经电阻接地。 2.2.2 中性点经消弧线圈接地中性点经消弧线圈接地通常称为谐振接地，消弧线圈消弧的原理是：一、消弧线圈的电感电流补偿了电网的接地电容电流，使故障点的接地电流变为数值显著减小的残余电流，
30、所以残流过流时电弧就容易熄灭。二、由于消弧线圈的作用，降低了恢复电压的初速度，延长了故障相电压的恢复时间，并限制了恢复电压的最大值，从而可以避免接地电弧的重燃，达到彻底消弧的目的。我国电力行业标准规定：“对3kV10kV钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路当单相接地故障电容电流超过10A，3kV10kV电缆线路当单相接地故障电容电流超过30A，又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式”。中性点经消弧线圈接地方式的优点是：在系统发生单相接地时，流过接地点的电流较小，其特点是线路发生单相接地时，可不立即跳闸，按规程规定电网可带单相接地故障运行2小时。从实际运行经验和资料表明，当接地电流小于10
31、A时，利用消弧线圈的电感电流补偿配电网的电容电流，使接地点残流减小，故障相接地电弧的恢复电压上升速度降低，以致电弧能够自行熄灭，从而提高配电网的供电可靠性。另外，中性点经消弧线圈接地系统还具有人身设备安全性好、电磁兼容性强和运行维护工作量小等一系列优点。但是这种接地方式也存在着自身的缺点：消弧线圈的运行要求比较苛刻，如果补偿过多或过少，使得接地残流过大，则不易熄灭电弧，而刚好完全补偿，则容易产生谐振过电压，而且由于消弧线圈的补偿，接地残流过小，接地故障辩识、故障选线困难。当系统发生接地时，由于接地点残流很小，且根据规程要求消弧线圈必须处于过补偿状态，接地线路和非接地线路流过的零序电流方向相同，
32、故零序过流、零序方向保护无法检测出已接地的故障线路。 因目前运行在电网的消弧线圈大多为手动调匝的结构，必须在退出运行才能调整，也没有在线实时检测电网单相接地电容电流的设备，故在运行中不能根据电网电容电流的变化及时进行调节，所以不能很好的起到补偿作用，仍出现弧光不能自灭及过电压问题。不过由于微机接地保护和微机选线装置的出现，尤其是近年来，自动消弧装置的出现，使得经消弧线圈接地方式存在的这些问题都有了很好的解决，它能够在单相接地发生时，精确补偿系统电容电流，有效熄灭接地点的电弧，使单相接地不致发展成相间短路而引起线路跳闸，从而保证了设备安全和可靠供电。可见，中性点采用经消弧线圈接地的电网具有很高的
33、运行可靠性。 2.2.3 中性点经高值电阻接地中性点经高值电阻接地方式，即是中性点与大地之间接入一定电阻值的电阻，该电阻与系统对地电容构成并联回路，其单相接地故障时的电阻电流被限制到等于或略大于系统总电容电流。由于电阻是耗能元件，也是电容电荷释放元件和谐振的阻压元件，对防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，能减少电弧接地过电压的危险性，并使灵敏而有选择性的接地保护得以实现，对临近通信线路的干扰也较弱，有一定优越性。高电阻接地方式是以限制单相接地故障电流为目的，并可以防止阻尼谐振过电压和间歇性电弧接地过电压。中性点经高值电阻接地电网有以下优点：基本上消除产生间歇电弧过电压的可能性，由于健全相过电
34、压降低，产生异地两相接地的可能性也随之减少；单相接地时电容充电的暂态过电流受到抑制；使故障线路的自动检出较易实现；能抑制谐振过电压。这种接地方式看上去与消弧线圈接地方式相似，但性质不同，消弧线圈是接近于开路的纯感性元件，感性电流与容性电流相位差180，对电容电流起补偿作用：而经高电阻接地方式以电阻为主，与容性电流接近90的相位差，接地电流是容性电流和电阻性电流的相量和。因此我们可以看出经高电阻接地方式具有经消弧线圈接地方式所没有的优点，由于接地电流中有较大的电阻分量，它对谐振有明显的阻尼和加速衰减作用；同时能可靠的避免出现谐振条件，还可以有效的抑制电压互感器铁磁谐振，这对保证发电机的绝缘安全是
35、非常重要的；另外这种方式可以快速的选出接地相，使保护动作，示警。但是在中性点为高电阻接地方式的情况下，为使接地电弧瞬时熄灭，一般说来单相接地电容应不大于10A，所以适用范围受到限制，只宜在规模较小的10kV及以下电网中应用。当接地电容电流超过限定值后，此种接地方式不再适用，而需要变为其它接地方式了。可见，中性点经高阻接地方式还不如中性点不接地方式方便。 2.2.4 中性点经小电阻接地我国部分地区，由于近几年城市建设步伐加快，架空线路不断下地，电缆线路的比重逐年上升。但随着电缆线路的增多，电容电流不断增大，而我国大多中压电网采用的是经消弧线圈接地方式。在实际运行中，这种接地方式暴露出了以下的缺点
36、：（1） 为适应不断增长的电容电流的要求，需不断增加消弧线圈数量以增加其补偿容量，很不经济；（2） 消弧线圈数量太多，导致对分接头的及时调整有困难，若电容电流计算值或测量值不准确，补偿度调节不好，系统接地时易出现谐振过电压；发生单相接地故障时，另两相电压升高，对一些因施工质量或其他原因导致的电缆绝缘薄弱点，在试拉线路或线路分段过程中，易引起其他相绝缘损坏。鉴于以上因素，我国如上海、广州、北京及青岛等地已采用中性点经小电阻接地方式运行了多年，取得了不少宝贵经验。以青岛南京路站35kV系统为例，该系统电压变比为220、35、10.5kV，接地组别为Y/ D /Y，其中220kV、35kV为双母线带
37、旁路接线，由于主变35kV侧为D形接线，没有中性点引出线，因此采用Z型变压器中性点经小电阻接地的方式，而此种接地方式属于大电流接地系统。该变电站为了减少接地变的停电几率，单独增设Z型接地变接于变压器的出口处，如图2.1所示。（3） 对于中性点不同的接地方式，单相接地时的暂态过程是不相同的。对于暂态过程比较复杂经消弧线圈接地系统，我们将着重讨论其单相接地时情况。 图2-1 Z型接地变 2.3 谐振接地系统单相接地故障分析当中性点不接地电网发生单相接地故障时，在接地点要流过全系统的对地电容电流，如果此电流比较大，就会在接地点燃起电弧，引起弧光电压，从而使非故障相的对地电压进一步升高，最终使绝缘损坏
38、，造成停电事故，为了解决这个问题，通常在中性点接入一个电感线圈，如图2.2所示，这样当单相接地时，在接地点就有一个电感分量的电流通过，此电流和原系统中的电容电流相抵消，就可以减少流过故障点的电流，因此，称它为消弧线圈。图2-2谐振接地系统单相接地时的电流分布图图2-2中C1、C4、C5和Cf等表示各线路对地电容，Ln表示消弧线圈电感，Lr表示等效电感，Rf表示接地点的过渡电阻，F1、F2为接地点，在F1点故障即为线路故障，在F2点故障即为母线故障。在谐振接地系统发生单相接地故障的瞬间，流过故障点的暂态接地电流由暂态电容电流和暂态电感电流两部分组成。由于两者的频率和幅值显著不同，在暂态过程中就不
39、能互相补偿。为了分析这一暂态过程，我们仍需要从谐振接地电网发生单相接地故障时的等值回路谈起，在谐振接地系统发生单相接地故障的瞬间，可利用图2-3所示的等值回路，分析流过故障点的暂态电容电流、暂态电感电流和暂态接地电流。图2-3 计算单相接地暂态电流的等值回路图2-3中，C表示谐振接地系统的三相对地电容，L0表示三相线路和电源变压器等在零序回路中的等值电感，R0表示零序回路中的等值电阻（其中包括故障点的接地电阻和弧道电阻），rL、L分别表示消弧线圈的有功损耗电阻和电感，U0表示等效零序电源。图2-3中的等值回路适用于分析补偿电网中各种单相接地故障瞬间的暂态过程。当发生单相金属接地时，图中的R0和
40、L0可根据三相线路和电力变压器的参数进行计算。此时可以不考虑故障点的接地电弧和弧道电阻，零序回路的参数也最容易确定，而且所得结果是足够准确的，故以下我们分析单相金属接地时的暂态过程。 2.3.1 暂态电容电流在分析电容电流的暂态特性时，因其自由振荡频率一般较高，考虑到消弧线圈的电感LL0，故图2.3中的rL和L可以不予考虑。这样利用C 、L0 、R0组成的串联回路和作用于其上的零序正弦电源电压u0，便可以确定暂态的电容电流Ic。根据图2.3可写出下面的微分方程式：R0ic+L0+dt=Umsin(t+) (2-1)当R02时，回路电流的暂态过程具有周期性的振荡及衰减特性；当R02时，回路电流则
41、具有非周期性的振荡衰减特性，并逐渐趋于稳定状态。因为架空线的波阻抗为250500，同时，故障点的接地电阻一般较小，弧道电阻又常可忽略不计，一般都满足R02的条件，所以，电容电流具有周期性的衰减特性，其自由振荡频率一般为3001500Hz，电缆线路的电感远较架空线路小，而对地电容却较后者大许多倍，但一般电缆线路仍满足R02的条件，故电容电流仍具有周期性的衰减振荡特性，但它暂态过程的振荡频率很高，持续时间很短，其自由振荡频率一般为15003000Hz。因为暂态电容电流ic是由暂态自由振荡分量ic和稳态工频分量ic两部分组成，利用t=0时icic=0这一初始条件和Icm=UmC的关系，经过拉氏变换运
42、算可得：ic= icic=Icm(sinsint coscost)+cos(t+) (2-2)式中，Um为相电压的幅值，Icm为电容电流的幅值，f为暂态自由振荡分量的角频率，=1/tc=R0/2L0，为自由振荡分量的衰减系数，其中的tc为回路的时间常数。若系统的运行方式不变，则tc为一常数。当tc较大时，自由振荡衰减较慢；反之，则衰减较快。因为式（2-2）中的自由振荡分量ic中含有sinj和cosj两个因子，故从理论上讲，在相角为任意j值发生接地故障时，均会产生自由振荡分量。当j0 (即故障发生在相电压零值) 时，其值最小，当jp/2(即故障发生在相电压峰值) 时，其值最大，电容电流的自由振荡
43、分量ic的振幅表现为最大Icmax，时间为t=Tf/4(Tf =2p/f)，其值为： Icmax= Icm (2-3)由式(2-3)可知，暂态自由振荡电流分量的最大幅值Icmax与自振角频率f和工频角频率之比成正比。它可能较稳态值大几倍或几十倍。 2.3.2 暂态电感电流根据非线性电路的基本理论，暂态过程中的铁心磁通与铁心不饱和时的方程式相同，因此，只要求出暂态过程中消弧线圈的铁心磁通表达式，消弧线圈中的电感电流便迎刃而解了。根据图2.3可写出下列微分方程式：Umsin(t)RLiL+W (2-4)式中，W为消弧线圈相应分接头的线圈匝数，yL为消弧线圈铁心中的磁通。因为在补偿电流的工作范围内，
44、消弧线圈的磁化特性曲线应保持线性关系，故iL=。因前面已假定三相的对地电容彼此相等，故在接地故障开始之前，消弧线圈中没有电流通过，即yL为零。利用这一初始条件，同时将iL的值代入式（24）便可求得磁通yL的方程式：LLcos(+x)-cos(t +x) (2-5)式中L，为稳状态时的磁通；xtg-1w，为补偿电流的相角；Z，为消弧线圈的阻抗；tL为电感回路的时间常数。因RLL，故可取ZL，x0。考虑道yLyLyL，这样代入式（25）并化简后可得：LLcos-cos(t +) (2-6)根据式（26），考虑到iL= iLiL和ILm=，便可以写出暂态电感电流iL的表达式： iL=ILm cos-
45、cos(t +) (2-7)消弧线圈的磁通yL和电感电流iL均是由暂态的直流分量和稳态的交流分量组成的，而暂态过程的振荡角频率与电源的角频率相等，且其幅值与接地瞬间电源电压的相角j有关。当j0时，其值最大；当jp/2时，其值最小。若在j0时发生接地故障，经过半个工频周期或t=T/2=p/后jL和iL均达到最大值，两者分别为：Lmax=L(1+) (2-8)iLmax=iLm(1+) (2-9) 2.3.3 暂态接地电流暂态接地电流是由暂态电容电流和暂态电感电流叠加而成，其特性随两者的具体情况而定。由前面的分析可知，虽然两者的gC与gL相差不大，但频率却差别悬殊，故两者不可能相互补偿。所以，工频
46、状态下残流、失谐度和合谐度等概念在分析暂态问题时均不能应用。在暂态过程的初始阶段，暂态接地电流的特性主要由暂态电容电流的特性所决定，为了平衡暂态电感电流中的直流分量，于是暂态接地电流中便产生了与之大小相等、方向相反的直流分量，它虽然不会改变接地电流的首半波的极性，但对幅值却能带来明显的影响。关于暂态接地电流id的数学表达式，可由式（22）和（27）导出：idiC + iL(ICmILm)cos(t +)+ ICm(sinsint -coscosft)+ ILm cos (2-10)式中的第一项为接地电流稳态分量，等于稳态电容电流和稳态电感电流的幅值之差，其余为接地电流的暂态分量，等于电容电流的暂态自由振荡分量与电感电流的暂态直流分量之和，上式再次表明，两者的幅值不仅不能相互抵消，甚至还可能彼此叠加，使暂态接地电流的幅值明显增大。综合以上分析可知，当单相接地故障发生后，在故障点便有衰减很快的暂态电容电流和衰减较慢的暂态电感电流流过。不论电网中性点为谐振接地或不接地方式，暂态接地电流的幅值和频率均主要由暂态电容电流所确定，其幅值均和初始相角有关。暂态接地电流的幅值虽然很大，但是持续时间