基于暂态信息的配电网单相接地故障定位技术研究

自愈是实现智能电网安全可靠运行的主要功能之一,配电网故障的快速、可靠检测是实现自愈功能的基础。配电网发生单相接地故障的概率很高,由于我国中压配电网大多采用中性点不接地或经消弧线圈接地运行方式,一旦发生单相接地(小电流接地)故障,很难查找故障点。目前,小电流接地故障选线技术已基本成熟,利用暂态信号的小电流接地故障选线技术在现场的应用中取得了良好的效果,选线成功率在90%以上。但是故障定位技术还刚起步,现场应用中的一些关键技术还没有解决。 本文利用接地故障产生的暂态信号实现小电流接地故障的快速准确定位,主要做了以下方面的研究工作: (1)分析了配电网单相接地故障定位现状以及存在的困难和问题 目前,小电流接地故障定位技术还处在理论研究阶段,现有的故障定位方法效果不理想,很多现场应用中的关键技术有待解决。定位原理不可靠和故障信号获取困难是影响故障定位的两个重要问题。另外,不同监测点时间不能精确同步、现有的通信网络不能批量传输故障数据等原因使部分定位方法原理上可行,但是实际应用中无法实现。 (2)系统分析小电流接地故障暂态特征,完善了传统暂态分析方法和模型。 通过Karrenbauer变换,建立了基于分布参数的高精度故障模型。分析发现,线模电流主要流经故障线路故障点至母线段,线模网络可简化为此段线路的线模电感;故障点两侧的零模网络均可以用π型电路进行等效。建立了由线模电感和两个π型电路组成的小电流接地故障简化模型。建立了低阻接地和高阻接地两种情况下的简化模型,并进行了定量计算,给出了解析表达式。分析发现,低阻接地的暂态过程主要是线模电感和零模电感与零模电容之间的串联谐振;高阻接地主要是消弧线圈电感与零模电容之间的并联谐振。对小电流接地故障暂态信号进行频域分析,在特征频段内所有线路O模阻抗可等效为集中参数电容,建立了特征频段内O模网络模型。 (3)提出了基于近似熵的小电流接地故障定位方法 故障点上游(或下游)两相邻检测点的暂态零模电流波形基本相同,而故障点两侧的暂态零模电流波形相差较大。根据此特征提出一种既能够反映暂态零模电流的特征又不需要不同监测点精确时间同步的近似熵故障定位方法,根据健全区段两端暂态零模电流近似熵之比接近1,而故障区段两端近似熵之比(数值小的比数值大的)最小的特点确定故障区段。 (4)提出了基于复合导纳的小电流接地故障定位方法 在特征频段内(SFB),利用单一频率零模无功功率与整个频段内同频率零模电压与零模电流产生的无功功率代数和的比值作为该频率下零模导纳的加权系数,对整个频段内的单一频率零模导纳进行加权积分作为零模复合导纳。利用复合导纳相角的极性表征故障方向,确定故障区段。 (5)提出了利用电场感应获取小电流接地故障电压信号的方法 利用等效电荷法计算线路周围的电场强度,结合三相线路的结构特点,详细分析了三相架空线路下方不同方向电场的分布特征。线路下方垂直电场的工频变化量与工频零模电压成正比,暂态垂直电场与暂态零模电压基本成比例,水平电场与线模电压基本成比例。提出通过感应垂直电场可以获取暂态及稳态零模电压信号,感应水平电场可以获取线模电压信号,解决了架空线路接地故障电压信号不易获取的困难。 (6)提出了利用磁场感应获取小电流接地故障电流信号的方法 将线路下方磁场进行分解,详细分析了不同方向磁场的特征。线路正下方附近,水平磁场与零模电流基本成比例,垂直磁场与线模电流基本成比例。提出通过感应水平方向磁场可以获取小电流接地故障零模电流信号,感应垂直磁场可以获取线模电流信号,解决了架空线路接地故障电流信号不易获取的困难。 (7)设计了基于电荷放大器的电场传感器 设计了以两平行金属板作为传感器的电极,电荷放大器作为前置放大电路的电场传感器。该传感器不受线缆分布电容等的影响。详细分析了传感器的工作原理、频率特性,建立了传感器数学模型和传递函数的数学表达式,阐述了传感器在应用中的若干关键技术问题。 (8)设计了基于空心圆柱线圈的磁场传感器 设计了由空心圆柱线圈和积分电路组成的磁场传感器。详细分析了传感器的工作原理、频率特性,建立了传感器的模型和传递函数,给出了传感器的输出电压与磁场的函数关系。传感器完全能够满足小电流接地故障定位的要求。 (9)设计了小电流接地故障自动定位系统 在已有产品的基础上,改装研制了包括电磁场传感器、高速数据采集单元、无线通讯模块(GPRS)、太阳能供电系统、故障定位主站的故障自动定位系统。该定位系统安装方便,安装时不需线路停电,与高压线路存在较大电气安全距离,无任何电气连接,对高压线路不产生任何影响。 (10)利用仿真数据和试验数据进行了验证 利用ATP-EMTP和Matlab仿真软件对故障定位方法和故障信号获取方法进行了全面的仿真验证。由于现场条件限制,在实验室搭建了试验平台对电磁场传感器、故障定位方法和故障信号获取方法进行了试验验证。仿真和试验验证了本文提出方法和装置的正确性。 论文的主要创新点如下: (1)将0、1、2模网络进行了简化,保留了起主要作用的参量,建立了由线模电感和π型等效电路组成的故障简化模型。建立了低阻接地和高阻接地两种情况下的适用于定量计算的简化模型,给出了部分主要电气量的解析表达式。 (2)将近似熵应用于小电流接地故障定位中,通过比较不同区段两端暂态零模电流近似熵确定故障区段。提出基于复合导纳的小电流接地故障定位方法,通过计算复合导纳相角的极性确定故障方向,定位故障区段。 (3)提出通过感应线路下方电场获取故障电压信号的方法,并研制了由金属极板和电荷放大电路组成的电场传感器。提出通过感应线路下方磁场获取故障电流信号的方法,并研制了由空心圆柱线圈和积分电路组成的磁场传感器。