6. 系统仿真建模及分析

6. 1 系统仿真建模

图2 为10kV 电压等级配电网四条出线系统, 图中只标注主要电力设备元件, 电压互感器接在母线上, 图中已省略, 接地电阻仿真时在接地开关中设置, 图 中未单独画出。其它仿真参数 在各算例中, 分别设置。

6. 2 仿真研究注入信号后各线路零序电流波形

6. 2. 1 线路单相接地时各线路零序电流波形分析设线路IV 出现A 相单相 接地故障, 四条线路I (L 1)、II(L 2)、III(L 3)、IV (L 4) 长度分别为10km , 20km , 30km , 20km , 使用分布参数输电线路做高压输电线路, 全带80% 的负 载。部分参数设置说明如下: 电源为理想电压源, 线电压10kV , 频率50HZ, 相 角为0, 内部连接方式Y, 三相电源电阻0. 3128 , 三相电源电感6. 63e- 3H。线 路单位长度正序电阻为0. 012738、零序电阻为0. 38648 , 线路单位长度正序电 容为12. 74e- 9F、线路单位长度零序电容为4. 1264e- 3F, 线路单位长度正序 电感 为0. 9377e- 3H、零序电感为7. 751e- 3H。接地电阻的设置见图3 标注。图3 中 的信号分别在0. 04s与0. 06s 时刻注入, 注入信号长度3m s, 仿真分析不同接 地电阻情况下, 四条线路的零序电流波形变化。图中纵坐标表示电流, 单位为安培; 横坐标为时间, 单位为秒。

从图3 中得出以下结论: ①外加电压信号会引起所有线路零序电流发生变化, 故障线路的变化体现低频特性而非故障线路体现高频特性; ②接地电阻越小, 零序电流变化的幅度也越大, 随着接地电阻由大到小故障线路零序电流(信号加 入点) 由三角弧形变成半圆弧形, 而非故障线路零序电流(信号加入点)总是呈 现高频振荡状态(接地电阻越小振荡幅度越大) ; ③接地电阻接近零欧时, 故障 线路零序电流与信号加入时刻同步变化,而非故障线路零序电流变化滞后信号加 入时刻(接地电阻越小滞后时间越长) ; ④故障期间(未加入信号时) , 非故障线 路零序电流波形呈现同相变化与故障线路零序电流反相(以上波形由于被纵向压 缩, 特征不明显) ; ⑤故障发生时刻, 故障线路与非故障线路零序电流发生反 向突变, 而非故障线路零序电流都同相变化。 在多次改变注入信号的宽度, 改变 接地电阻的大小的情况下, 进行仿真试验, 得出相似的规律。

6. 2. 2 简要分析注入信号后母线电压的变化经过大量仿真得出以下结论: ①对于中性点不接地系统, 注入信号(一次侧10kV ) 后, 接地电阻为零时, 零 序电压幅值最高可达40kV , 正常相的相电压幅值不超过20kV; 接地电阻2000欧 时, 零序电压幅值不超过1. 5kV , 正常相的相电压幅值不超过30kV ; ②对于中 性点经消弧线圈接地系统, 正常相的相电压幅值及零序电压幅值都远远小于不 接地系统的值。

7. 综合选线方案方法及判据

(1) 故障选相法: 故障相电压最低; 但经过渡电阻接地时, 一相电压升高 但不超过线电压, 其余两相降低但不相等, 对于中性点不接地电网, 升高的下 一相为接地相, 对于过补偿网络, 升高的上一相为接地相。

(2) 利用系统零序电压的变化量, 判断系统是否发生单相接地故障, 零序 电压突变的时刻即为故障发生的时刻。 正常情况下, 故障选线装置不间断地采集 母线零序电压及各线路的零序电流数据, 采集的数据按顺序存放在循环寄存器 中, 按每个采样周期的数据计算零序电压的幅值, 如果计算值超过整定值, 则 认为故障发生, 以该时刻为标志确定原始采样数据序列, 把此时以前两个周期及此时刻以后两个周期的数据作为算法分析的对象。 启动小波变换模极大值算法, 求各线路零序电流同一尺度下的小波变换的模极大值极性加以比较, 如果故障 发生时刻小波变换的模极大值极性全部相同, 则判定为母线故障; 如果某条线 路的模极大值极性与余下全部线路的相反, 则这条线路故障。

(3) 利用系统零序电压的变化量, 确定系统已经发生单相接地故障后, 启 动故障选线装置通过电压互感器向系统故障相注入信号脉冲, 以注入信号脉冲 时刻为采样时刻, 采集此时刻以后一个或两个周期的数据存储起来, 启动零序 电流能量法计算各线路外加信号后的零序电流能量加以比较, 启动相位法, 计 算各线路零序电流的相位加以比较。 不经消弧线圈接地的系统, 能量大的或呈现 负相位的为故障线路, 反之为正常线路。 对于经消弧线圈接地的系统, 加脉冲前 后相位增量最大的为故障线路, 反之为非故障线路。反复多次效果更好。

(4) 利用系统零序电压的变化量, 判断系统已经发生单相接地故障后, 启 动故障选线装置通过电压互感器向系统故障相多次(间隔时间半个周期左右) 注 入信号脉冲, 以第一次注入信号脉冲时刻为计时标志, 采集此时后几个周期各 线路零序电流, 启动图形(识别) 算法, 绘制各线路零序电流波形图, 加以比 较。 中性点不接地系统故障线路零序电流正弦波形与非故障线路的零序正弦波形 反相, 而非故障线路的同相。 中性点经消弧线圈接地过补偿电网通过外加信号影 响产生的特征予以判断。 对于所有类型小电流接地电网注入信号后, 各线路的零 序电流在信号注入时刻后都发生变化, 非故障线路零序电流呈现基波叠加高频 振荡, 而故障线路呈现半圆形或高频振荡伴随严重变形半圆的形状(半圆畸变度 随着接地电阻增大而增加)。

8. 小结

本文提出了简单直观实用、 耐高接地阻抗、 选线效果较好的波形识别选线法, 提出了基于电压互感器注入信号的类能量法、 平均相位法。 首先, 进行理论分析, 然后, 用算例进行仿真验证各种方法的正确性, 在验证各种方法正确性的基础 上, 提出了以电压互感器注入信号为基础的、以波形识别法为核心的、与小波分 析法、类能量分析法结合的小电流单相接地故障综合选线法。最后, 阐述了综合 选线法判据及其实现的方案、步骤。

参考文献

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