零序电流接地选线原理与方法研究(编辑修改稿)

零序电流接地选线原理与方法研究(编辑修改稿)内容摘要：

进一步 升高，因此，使绝缘破坏，形成两点或者多点的接地短路，造成停电事故。 为解决此问题，通常在中性点接入消弧线圈。 在各级电压网络中，当全系统的电容电流超过下列数值时，且要求带故障持续运行，即应装设消弧线圈： 3~6Kv 电网 30A； 10Kv 电网 20A ； 35Kv 电网10A。 下图所示为中性点经消弧线圈接地电网发生 A 相接地故障示意图。 中性点位移电压 0U 变为故障点零序电压 AE ，中性点接入消弧线 圈后，忽略线圈电阻，在中性点电压作用下的电感电流为 AL EI jwL,其中 L 表示消弧线圈电感。 中国矿业大学本科生毕业设计（论文） 第 9 页 AEBECE 01C02C0 SCfIBSI CSI1CI 1BI2BI 2CI2AI1CI 1BI2CI 2BICBA1线 路线 路 2L LI 图 24 消弧线圈接地电网中单相接地时电流分布 如上图示，当线路 II 上 A相接地以后，电容电流的大小和分布与不接消弧线圈时是一样的，不同之处是在接地点又增加了一个电感分量的电流 LI 错误 !未找到引用源。 ，因此，接地点电流 fI 错误 !未找到引用源。 为 003Af L C AEI I I E j w Cj w L     () LI 与 CI 错误 !未找到引用源。 相位相反，因此，故障点的电流将因消弧线圈的引入而减少，由此得到零序等效网络如下图所示： 1线 路线 路 201C02C0 SC 01I02I0SI0 SI01I 0fULI L LITL 图 25 消弧线圈接地电网中单相接地故障的零序等效网络 由图 25可以看出，由于消弧线圈的补 偿作用，其单相接地故障时零序电流特中国矿业大学本科生毕业设计（论文） 第 10 页 征与中性点不接地不相同，零序电流的大小和方向随着补偿方式的不同而变化，其单相接地故障特征如下 : （ 1）当采用完全补偿方式时 LI = CI ，即 错误 !未找到引用源。 时，电容性无功功率的方向都是母线流向线路，因此，这种情况下利用稳态零序电流无法判断出故障线路。 （ 2）当采用过补偿方式时 LI CI ，即 错误 !未找到引用源。 ，流经故障线路的零序电流将大于本身的电容电流，而电容性无功功率的方向仍然是母线流向线路，和非故障线路的方向一样，因此难以利用稳态零序电流判断出故障线路 [5]。 小电流接地暂态过程的基本特征 暂态电容电流 经消弧线圈接地电网单相暂态电流的分布如下图所示 i L = 0i d = 0 图 26 单相接地暂态电流的分布 电弧性接地是由于介质承受不了两端电压而被击穿所引起，经常发生在相电压接近于最大值的瞬间，暂态电容电流可看成两部 分电流之和： （ 1）由于故障相电压中国矿业大学本科生毕业设计（论文） 第 11 页 突然而引起的放电电容电流，它通过母线而流向故障点，放电电流衰减很快，振荡频率高达数几十 kHz 到几百 kHz，振荡频率主要决定于电网中线路的参数（ R 和 L的数值）， 故障点的位置，以及过渡电阻的数值。 由于放电电容电流振荡频率高，衰减速度快，而对选线作用不大。 （ 2）由于非故障相电压突然升高而引起的充电电容电流，它通过变压器线圈而构成回路 [4]。 由于整个流通回路的电感较大，充电电流衰减较慢，振荡频率较低（一般 ~3kHz），利于测量，可作为选线的重依据要。 本文仅分析充电电流的 暂态过程。 0u di LrLi L0R Ci0L C 图 27 单相接地暂态电流的等效电路 图 27 为单相接地暂态电流的等效电路 , 0C 错误 !未找到引用源。 为中性点经消弧线圈接地系统的三相对地电容， 错误 !未找到引用源。 为三相电路和电源变压器等在零序回路中的等效电感， 0R 错误 !未找到引用源。 为零序回路中的等效电阻（其中包括故障点的接 地电阻和弧道电阻）， r 和 L 分别为消弧线圈的有功损耗电阻和电感（因暂态电流频率高，故中性点消弧线圈的感抗很大， r 和 L 支路可视为开路），()tu 错误 !未找到引用源。 为等效零序电源电压。 根据图 27，可列出微分方程如下： 00 01 s i n ( )。 tcc c mdiR i L i d t U td t C     () 当 0R 错误 !未找到引用源。 002 LC 错误 !未找到引用源。 时，回路电流的暂态中国矿业大学本科生毕业设计（论文） 第 12 页 过程具有周期性的振荡和衰减特性；当 00 02 LR C错误 !未找到引用源。 时，回路电流的暂态过程具有非周期性的振荡衰减特性，并逐渐趋于稳态。 对于架空线路，波阻抗一般为 250~500  错误 !未找到引用源。 ，同时故障点的接地电阻一般较小，弧道电阻也可忽略，其 0R 错误 !未找到引用源。 002 LC ，所以，电容电流具有周期性的衰减特性，自由振荡频率一般为 300~1500Hz。 对于电缆线路，由于 L很小而 C很大，因此，过渡过程与架空线路相比，所经历的时间极为短促且具有较高的自由振荡频率，一般在 1500~3000Hz 之间 [4]。 暂态电容电流和暂态电容电压均由自由分量和强制分量组成，利用初始条件(0)u 错误 !未找到引用源。 =0,(0)i 错误 !未找到引用源。 =0 计算得出： 39。 39。 39。 39。 s in ( s in c o s ) s in ( )tmcmUu e t t U t           ； () 39。 39。 s in s in c o s ( )tmUi e t U C tL        ； () 39。 39。 ( si n si n c os( ) )tcmi U C e t t       ； () 式中 mU —— 相电压幅值； 002RL —— 自由分量衰减系数； 0 001CL —— 回路共振角频率； 39。 2 20  —— 回路自由振荡角频率； 错误 !未找到引用源。 —— 回路基频角频率； 若系统运行方式不变，则  错误 !未找到引用源。 为一常数。 当  错误 !未找到引用源。 较大时，自由振荡频率衰减较快，反之，则衰减较慢。 同时，由式（ ）可以看出，暂态电容电流的初始值与故障发生的时刻、发生故障时相电压的相位等因素有关。 当  错误 !未找到引用源。 为零时，其值最小，当  错误 !未找到引用源。 为 2 错误 !未找到引用源。 时其值最大。 当故障发生在电压峰值，即  为 2 错误 !未找到引用源。 接地时，电容电流的自由分量 39。 ci 错误 !未找到引用源。 的振幅表现为最大值，当发生故障的时刻，满足 39。 t =2 错误 !未找到引用源。 时，暂态电容电流中国矿业大学本科生毕业设计（论文） 第 13 页 近似等于共振频率与谐振频率之比，可能较稳态值大几倍到几十倍。 满足3 39。 t 23错误 !未找到引用源。 ，均可能造成接地故障。 如果 39。 t =0 错误 !未找到引用源。 时，则暂态电容电流值近似为零。 因此，暂态过程中，电容电流的最大值是和发生接地瞬间故障相电压的瞬时值有关的。 综合以上分析暂态电容电流的特点以及过渡过程，我们得到小电流接地电网发生单相接地故障时具有以下特征 [8]： （ 1）暂态分量的频率和衰减速度与电网结构，变压器线圈参数，过渡电阻等因素有关，但与中性点是否经消弧线圈接地无关。 电网三相对地电容、变压器线圈和线路电感愈大，暂态分量频率愈小；过渡电阻愈大，衰减速度愈快。 （ 2）暂态分量的幅值主要由单相接地发生的时刻决定 ，也与电网对地电容、线路电感以及故障点电阻有关。 故障发生在相电压最大值附近时，高频衰减的暂态零序电流最大，发生在相电压最大值 030 错误 !未找到引用源。 区间内，暂态分量远大于稳态分量，发生在相电压过零点附近时最小。 （ 3）非故障线路，暂态零序测量电流的大小正比于本线路对地电容，方向为母线流向线路；故障线路，暂态零序电流等于所有非故障线路对地电容的充电电流之和，方向为线路流向母线。 暂态电感电流 [2] 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相同。 依据图 27 列出微分方程： sin ( ) LmL dU t r i N dt   ； () 式中， N 为消弧线圈相应分接头的线圈匝数； L 错误 !未找到引用源。 为消弧线圈铁心中的磁通。 因为处于过补偿状态，消弧线圈的磁化曲线应保持线性关系，故错误 !未找到引用源。 LLNi L错误 !未找到引用源。 因前面假定三相对地电容对称，故故障发生前，消弧线圈电流 Li 错误 !未找到引用源。 为零，磁通 L 错误 !未找到引用源。 为零。 由此得出 39。 39。 [ c o s ( ) c o s ( ) ]tLL L etZ           ； () 式中， 39。 39。 mL UN 为稳态时磁通， arctan( )rL  为补偿电流的相角；为消弧线圈中国矿业大学本科生毕业设计（论文） 第 14 页 22()Z r L 阻抗；  为电感回路时间常数。 考虑 r L,故 Z  L,   0； 39。 39。 [ c o s c o s ( ) ]tLL et      ； () [ c os c os( ) ]tmL Ui e tL      ； () 暂态电感电流振荡角频率与电源的角频率相等，其幅值与接地瞬间电源电压的相角  错误 !未找到引用源。 有关。 当  错误 !未找到引用源。 为零时，其值最大；当  为 2 错误 !未找到引用源。 时，其值最小。 暂态接地电流 [2,4,7] 暂态接地电流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。 由式 211和 216 可以推算出暂态接地电流： 39。 39。 ( ) c os( ) si n si n c os ttmmd c L m mUUi i i U C t U C e t eLL               ；() 式中，第一项为接地电流稳态分量，等于稳态电容电流与稳态电感电流的幅值之差；其余为接地电流的暂态分量，其 值等于电容电流的暂态自由振荡分量与电感的自由振荡分量之和，两者的幅值不仅不会相互抵消，还可能相互叠加，使得暂态接地电流幅值更大。 综合以上，暂态接地电流的幅值和频率主要由暂态电容电流的特性所决定，其幅值和故障发生时相电压初相角相关。 中国矿业大学本科生毕业设计（论文） 第 15 页 3 小电流接地电网电弧接地故障模拟实验 小电流接地模拟电网如下图所示 , 1C , 2C 为非故障馈线对地电容： 3C 错误 !未找到引用源。 为故障馈线对地电容； 1TA 错误 !未找到引用源。 ～ 3TA 错误 !未找到引用源。 为零序电流互感器； B 为经消弧线圈接地变压器； NL 为消弧线圈电感； nR 错误 !未找到引用源。 为中性点接地电阻； jdR 错误 !未找到引用源。 为接地故障电阻，短 接时 jdR 错误 !未找到引用源。 =0。 录波仪来 自 T V 的 零 序 电 压1C2C3CjdRNRTA 1T A 2T A 3T A 4kB3 8 0 V6 k V 图 31 小电流接地模拟电网电路 为分析小电流接地电网故障电流的暂态特征，在以上模拟电网上，在不同的电网对地电容值、不同的接地故障电阻条件下，得到实验实录典型波形如下图示。 图中采样频率为 12kHz，故障线路对地电容 3C 错误 !未找到引用源。 为 !未找到引用源。 F，非故障线路对地电容 1C 、 2C 错误 !未找到引用源。 均为 !未找到引用源。 F，模拟实验 jdR 为 0。 中国矿业大学本科生毕业设计（论文） 第。