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、自愈是實現(xiàn)智能電網(wǎng)安全可靠運行的主要功能之一，配電網(wǎng)故障的快速、可靠檢測是實現(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，由于我國中壓配電網(wǎng)大多采用中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地運行方式，一旦發(fā)生單相接地(小電流接地)故障，很難查找故障點。目前，小電流接地故障選線技術(shù)己基本成熟，利用暫態(tài)信號的小電流接地故障選線技術(shù)在現(xiàn)場的應(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)場應(yīng)用中的一些關(guān)鍵技術(shù)還沒有解決。<

2、br>　　 本文利用接地故障產(chǎn)生的暫態(tài)信號實現(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獲取困難是影響故障定位的兩個重要問題。另外，不同監(jiān)測點時間不能精確同步、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，但是實際應(yīng)用中無法實現(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)故障線路故障點至母線段，線模網(wǎng)絡(luò)可簡化為此段線路的線模電感；故障點兩側(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π型電路組成的小電流接地故障簡化模型。建立了低阻接地和高阻接地兩

4、種情況下的簡化模型，并進(jìn)行了定量計算，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。對小電流接地故障暫態(tài)信號進(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
　　 故障點上游(或下游)兩相鄰檢測點的暫態(tài)零模電流波形基本相同

5、，而故障點兩側(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)測點精確時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功功率與整個頻段內(nèi)同頻率零模電壓與零模電流產(chǎn)生的無功功率代數(shù)和的比值作為該頻率

6、下零模導(dǎo)納的加權(quán)系數(shù)，對整個頻段內(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)提出了利用電場感應(yīng)獲取小電流接地故障電壓信號的方法利用等效電荷法計算線路周圍的電場強(qiáng)度，結(jié)合三相線路的結(jié)構(gòu)特點，詳細(xì)分析了三相架空線路下方不同方向電場的分布特征。線路下方垂直電場的工頻變化量與工頻零模電壓成正比，暫態(tài)垂直電場與暫態(tài)零模電壓基本成比例，水平電場與線模電壓基本成比例。提出通

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

8、決了架空線路接地故障電流信號不易獲取的困難。
　　 (7)設(shè)計了基于電荷放大器的電場傳感器
　　 設(shè)計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)問題。
　　 (8)設(shè)計了基于空心圓柱線圈的磁場傳感器
　　 設(shè)計了由空心圓柱線圈

9、和積分電路組成的磁場傳感器。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)計了小電流接地故障自動定位系統(tǒng)
　　 在已有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，改裝研制了包括電磁場傳感器、高速數(shù)據(jù)采集單元、無線通訊模塊(GPRS)、太陽能供電系統(tǒng)、故障定位主站的故障自動定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)安裝方便，安裝時不需線路停電，與高壓線路

10、存在較大電氣安全距離，無任何電氣連接，對高壓線路不產(chǎn)生任何影響。
　　 (10)利用仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證
　　 利用ATP-EMTP和Matlab仿真軟件對故障定位方法和故障信號獲取方法進(jìn)行了全面的仿真驗證。由于現(xiàn)場條件限制，在實驗室搭建了試驗平臺對電磁場傳感器、故障定位方法和故障信號獲取方法進(jìn)行了試驗驗證。仿真和試驗驗證了本文提出方法和裝置的正確性。
　　 論文的主要創(chuàng)新點如下：
　　 (1)將

11、0、1、2模網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了簡化，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算的簡化模型，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，通過計算復(fù)合導(dǎo)納相角的極性確定故障方向，定位故障區(qū)段。
　　 (3)提出通過感應(yīng)線