基于暫態(tài)信息的配電網(wǎng)單相接地故障定位技術(shù)研究.pdf

1、自愈是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的主要功能之一，配電網(wǎng)故障的快速、可靠檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)自愈功能的基礎(chǔ)。配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障的概率很高，由于我國(guó)中壓配電網(wǎng)大多采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行方式，一旦發(fā)生單相接地(小電流接地)故障，很難查找故障點(diǎn)。目前，小電流接地故障選線技術(shù)己基本成熟，利用暫態(tài)信號(hào)的小電流接地故障選線技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用中取得了良好的效果，選線成功率在90％以上。但是故障定位技術(shù)還剛起步，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的一些關(guān)鍵技術(shù)還沒(méi)有解決。<

2、br>　　 本文利用接地故障產(chǎn)生的暫態(tài)信號(hào)實(shí)現(xiàn)小電流接地故障的快速準(zhǔn)確定位，主要做了以下方面的研究工作：
　　 (1)分析了配電網(wǎng)單相接地故障定位現(xiàn)狀以及存在的困難和問(wèn)題
　　 目前，小電流接地故障定位技術(shù)還處在理論研究階段，現(xiàn)有的故障定位方法效果不理想，很多現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)有待解決。定位原理不可靠和故障信號(hào)獲取困難是影響故障定位的兩個(gè)重要問(wèn)題。另外，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)間不能精確同步、現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)不能批量傳輸故障數(shù)據(jù)等

3、原因使部分定位方法原理上可行，但是實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
　　 (2)系統(tǒng)分析小電流接地故障暫態(tài)特征，完善了傳統(tǒng)暫態(tài)分析方法和模型。
　　 通過(guò)Karrenbauer變換，建立了基于分布參數(shù)的高精度故障模型。分析發(fā)現(xiàn)，線模電流主要流經(jīng)故障線路故障點(diǎn)至母線段，線模網(wǎng)絡(luò)可簡(jiǎn)化為此段線路的線模電感；故障點(diǎn)兩側(cè)的零模網(wǎng)絡(luò)均可以用π型電路進(jìn)行等效。建立了由線模電感和兩個(gè)π型電路組成的小電流接地故障簡(jiǎn)化模型。建立了低阻接地和高阻接地兩

4、種情況下的簡(jiǎn)化模型，并進(jìn)行了定量計(jì)算，給出了解析表達(dá)式。分析發(fā)現(xiàn)，低阻接地的暫態(tài)過(guò)程主要是線模電感和零模電感與零模電容之間的串聯(lián)諧振；高阻接地主要是消弧線圈電感與零模電容之間的并聯(lián)諧振。對(duì)小電流接地故障暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，在特征頻段內(nèi)所有線路0模阻抗可等效為集中參數(shù)電容，建立了特征頻段內(nèi)0模網(wǎng)絡(luò)模型。
　　 (3)提出了基于近似熵的小電流接地故障定位方法
　　 故障點(diǎn)上游(或下游)兩相鄰檢測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零模電流波形基本相同

5、，而故障點(diǎn)兩側(cè)的暫態(tài)零模電流波形相差較大。根據(jù)此特征提出一種既能夠反映暫態(tài)零模電流的特征又不需要不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)精確時(shí)間同步的近似熵故障定位方法，根據(jù)健全區(qū)段兩端暫態(tài)零模電流近似熵之比接近1，而故障區(qū)段兩端近似熵之比(數(shù)值小的比數(shù)值大的)最小的特點(diǎn)確定故障區(qū)段。
　　 (4)提出了基于復(fù)合導(dǎo)納的小電流接地故障定位方法在特征頻段內(nèi)(SFB)，利用單一頻率零模無(wú)功功率與整個(gè)頻段內(nèi)同頻率零模電壓與零模電流產(chǎn)生的無(wú)功功率代數(shù)和的比值作為該頻率

6、下零模導(dǎo)納的加權(quán)系數(shù)，對(duì)整個(gè)頻段內(nèi)的單一頻率零模導(dǎo)納進(jìn)行加權(quán)積分作為零模復(fù)合導(dǎo)納。利用復(fù)合導(dǎo)納相角的極性表征故障方向，確定故障區(qū)段。
　　 (5)提出了利用電場(chǎng)感應(yīng)獲取小電流接地故障電壓信號(hào)的方法利用等效電荷法計(jì)算線路周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度，結(jié)合三相線路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，詳細(xì)分析了三相架空線路下方不同方向電場(chǎng)的分布特征。線路下方垂直電場(chǎng)的工頻變化量與工頻零模電壓成正比，暫態(tài)垂直電場(chǎng)與暫態(tài)零模電壓基本成比例，水平電場(chǎng)與線模電壓基本成比例。提出通

7、過(guò)感應(yīng)垂直電場(chǎng)可以獲取暫態(tài)及穩(wěn)態(tài)零模電壓信號(hào)，感應(yīng)水平電場(chǎng)可以獲取線模電壓信號(hào)，解決了架空線路接地故障電壓信號(hào)不易獲取的困難。
　　 (6)提出了利用磁場(chǎng)感應(yīng)獲取小電流接地故障電流信號(hào)的方法
　　 將線路下方磁場(chǎng)進(jìn)行分解，詳細(xì)分析了不同方向磁場(chǎng)的特征。線路正下方附近，水平磁場(chǎng)與零模電流基本成比例，垂直磁場(chǎng)與線模電流基本成比例。提出通過(guò)感應(yīng)水平方向磁場(chǎng)可以獲取小電流接地故障零模電流信號(hào)，感應(yīng)垂直磁場(chǎng)可以獲取線模電流信號(hào)，解

8、決了架空線路接地故障電流信號(hào)不易獲取的困難。
　　 (7)設(shè)計(jì)了基于電荷放大器的電場(chǎng)傳感器
　　 設(shè)計(jì)了以兩平行金屬板作為傳感器的電極，電荷放大器作為前置放大電路的電場(chǎng)傳感器。該傳感器不受線纜分布電容等的影響。詳細(xì)分析了傳感器的工作原理、頻率特性，建立了傳感器數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，闡述了傳感器在應(yīng)用中的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
　　 (8)設(shè)計(jì)了基于空心圓柱線圈的磁場(chǎng)傳感器
　　 設(shè)計(jì)了由空心圓柱線圈

9、和積分電路組成的磁場(chǎng)傳感器。詳細(xì)分析了傳感器的工作原理、頻率特性，建立了傳感器的模型和傳遞函數(shù)，給出了傳感器的輸出電壓與磁場(chǎng)的函數(shù)關(guān)系。傳感器完全能夠滿足小電流接地故障定位的要求。
　　 (9)設(shè)計(jì)了小電流接地故障自動(dòng)定位系統(tǒng)
　　 在已有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，改裝研制了包括電磁場(chǎng)傳感器、高速數(shù)據(jù)采集單元、無(wú)線通訊模塊(GPRS)、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、故障定位主站的故障自動(dòng)定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)安裝方便，安裝時(shí)不需線路停電，與高壓線路

10、存在較大電氣安全距離，無(wú)任何電氣連接，對(duì)高壓線路不產(chǎn)生任何影響。
　　 (10)利用仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證
　　 利用ATP-EMTP和Matlab仿真軟件對(duì)故障定位方法和故障信號(hào)獲取方法進(jìn)行了全面的仿真驗(yàn)證。由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，在實(shí)驗(yàn)室搭建了試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)電磁場(chǎng)傳感器、故障定位方法和故障信號(hào)獲取方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出方法和裝置的正確性。
　　 論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 (1)將

11、0、1、2模網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，保留了起主要作用的參量，建立了由線模電感和π型等效電路組成的故障簡(jiǎn)化模型。建立了低阻接地和高阻接地兩種情況下的適用于定量計(jì)算的簡(jiǎn)化模型，給出了部分主要電氣量的解析表達(dá)式。
　　 (2)將近似熵應(yīng)用于小電流接地故障定位中，通過(guò)比較不同區(qū)段兩端暫態(tài)零模電流近似熵確定故障區(qū)段。提出基于復(fù)合導(dǎo)納的小電流接地故障定位方法，通過(guò)計(jì)算復(fù)合導(dǎo)納相角的極性確定故障方向，定位故障區(qū)段。
　　 (3)提出通過(guò)感應(yīng)線