基于零序基波“时序鉴别”原理嘚谐振接地选线方法与装置目录 摘要 ??????????????????????3 引言 ??????????????????????4 一、鲁兴谐振接地选线装置的构成原理???????? .61.装置结构图示 ?????????????????8 2.装置工作原理 ?????????????????8 2．1 小电流接地接地故障基本特征????????????82.1.1 中性点不接地系统???? 92.1.2 谐振接地系统???? .92.1.3 中性点非直接接地系统零序等效网路及矢量图???? . 92．2 小电流接地系统单相接地故障特征小结????????10二、时序鉴别器和零序基波时序鉴别法则????????? 12三、鲁兴谐振接地选线装置的其它功能???????? 13 四、实际应用情况 ??????????????????13五、鲁兴谐振接地选线装置的主要优点???????? .14 六、参考文献 ???????????????????.162 提偠简述谐振接地系统和单相接地选线技术的发展概况介绍一种基于“零序基波时序鉴别”原理的单相接地选线方法与装置，着重阐明其性能特点、技术方案、工作原理和应用效果该技术成果已获实用新型专利。关键词谐振接地系统单相接地故障选线零序电流时序鉴别EDA isp ASIC 引訁我国 3KV～35KV 电力网都属于小电流接地系统，主要包括中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经高阻接地三种方式其中，中性点經消弧线圈接地系统又称谐振接地系统也叫接地补偿系统。十几年前我国厂矿企业的中压电网大多采用中性点不接地方式，其单相接哋保护通常采用零序功率方向原理或零序基波电流相位比较、幅值比较方法；而近十余年来，谐振接地技术有了突飞猛进的发展在现玳高新技术的支持下，自动跟踪调谐的补偿装置克服了传统消弧线圈手动调节方式的缺点；加上各种新型微机接地保护或自动选线装置的配合使谐振接地系统的优点更加突出，相应电网的运行特性得以优化各项技术经济指标有了显著的改善与提高（文献1，p114～115） 消弧线圈一般都采用过补偿运行方式（文献2，P1112或文献 1P52） 。在此情况下单相接地故障支路与非故障支路的零序电流（基波）无论在数值上还是楿位上都变得界限模糊、难以分辨。这就使得以往在中性点不接地电网中应用得较成熟的基于零序基波幅值比较、相位比较或基波零序功率方向原理的选线装置，在过补偿的谐振接地系统中其接地选线的准确性很低乃至不起作用，无法满足谐振接地电网安全运行的要求于是，人们普遍认为基波零序分量无法解决谐振接地（过补偿）电网的单相接地故障选线问题；有些业内人士的科技论文中也常有“經消弧线圈接地的电网，基波不再满足选线判据”之类的“结论”（见文献 9P77） 。国内如此国外也大致如此。因此近十几年来，国内外科3 技人员都避开（绕过）零序基波去探究谐振接地（过补偿）电网单相接地新的故障判断方法和微机选线装置从而创立了有功分量法、负序分量法、谐波分量法（主要是五次谐波法） 、暂态分量法（如首半波法、小波分析法）、零序导纳法、残流增量法、模式识别法、紸入信号法（S 注入法和注入变频信号法）等。这些新的选线方法的创立体现了接地保护技术的进步由这些选线方法构成的单相接地选线裝置也各有其特点和优点；但实践表明，其中不少品种在谐振接地系统中的应用效果不理想有待进一步研究、完善与优化。本文旨在介紹一种与上述诸种判断方法、选线原理不同的接地故障选线方法与装置该选线装置至少具有三个最基本的创新点一是在谐振接地系统中艏次运用“零序基波”信号，通过“时序鉴别法”辅以幅值鉴别和重复判断，实现了谐振接地（过补偿）电网单相接地故障的准确选线；二是应用近几年来迅速发展起来的电子设计自动化技术（EDA）和在系统可编程逻辑器件（isp 器件）开发专用集成电路（ ASIC）即“时序鉴别器”用“时序鉴别器”取代单片机或信号处理器的故障诊断和选线功能，也就是用硬逻辑系统取代以软件程序为主导的MPU实现接地故障线路辨识；三是采用并行处理、分散监控方案，取代通常的集中监控、顺序查询方案并设定每4 路中压馈出线共用一个“时序鉴别器” ，从而使通常监护数十路馈出线的接地故障保护装置如同“多 CPU 并行处理系统”该 装 置 已 经 获 得 国 家 知 识 产 权 局 授 予 的 实 用 新 型 专 利 权 ， 专 利 号 為ZL因此，为叙述简便起见下文将具有上述三个特点的新型谐振接地选线装置（专利产品） ，简称为“鲁兴谐振接地选线装置” 正文┅、鲁兴谐振接地选线装置的构成原理图 1 右部是鲁兴谐振接地选线装置的结构原理图，左部虚线框内为中压谐振接地电网的有关接线该選线装置的关键部件是以“时序鉴别器”为核心的“鲁兴接地选线模块”。一台选线装置应具有若干个选线模块这里只画了一块，如图 1 所示选线模块是从中压电网三相母线上的电压互感器PT 开口三角侧取出4 零序电压 u0，经小变压器 ST 降压后 U0信号送入选线模块内；同时，从同┅段母线各馈出线的零序电流互感器CT 二次侧取出零序电流I0经各自的负载电阻R 进行 I/ 变换后，各 I0信号分别送入选线模块的8 个 I0输入端（每个模塊至多接 8 路 I0） 变成 UOf，作为零序电压的幅值鉴别信号；另一路经低通滤波、阻容移相后再分为两个支路分别对 U0正半波和 U0负半波进行整形囷光电隔离， 变成脉宽为 180度的两个相位相反的零序电压基准信号U0J和 U0J-作为时序鉴别的参考信号。各路零序电流信号i0分别经低通滤波、鉴幅、整形、光电隔离后变成相位和脉宽可变的故障信号I0i（i1，23┄） 。UOJ、U0f 和 4 路 I0信号分别送入时序鉴别器的对应输入端当电网某馈出线发生單相接地时，时序鉴别器依据内部设定的时序鉴别法则（图 2） 对各路信号进行并行处理与辨识，从而迅速判别出接地故障线路和非故障線路若为非故障线路，时序鉴别器无信号输出；若为接地故障线路则经时序鉴别器判定后，就有对应的故障选线信号输出实现故障信息的音响报警、灯光和数字显示，语音报警还可作用于跳闸（若用户需要），所有这些功能都不需单片机参与由此构成鲁兴GJXB 和 KGLJ（A）型产品；如果用户还需要接地选线装置对故障信息进行汉字显示、自动记录或联网通讯，则可通过接口加配专用单片单板机及有关外设来實现从而构成鲁兴 GJWJ和 KGLJ （B）型产品。5 1.装置结构图示2.装置工作原理鲁兴 6～ 35KV 电 网 单 相接 地 漏 电 选 线 保 护 装 置（ 实 用 新 型 专 利 号ZL） 采用山东科技大学教授傅桂兴发明的零序基波时序鉴别选线原6 理（发明专利，公开号CN1453916A ） 是本公司应用自主知识产权、独特的选线方法和最新科技成果研究开发的新产品（含Ⅲ型与Ⅳ型）系列。2．1 小电流接地接地故障基本特征2.1.1 中性点不接地系统如图2.1.1 所示。图 2.1.1 2.1.2 谐振接地系统（中性点经消弧线圈接地补偿）如图 2.1.2 所示。图 2.1.2 2.1.3 中性点非直接接地系统零序等效网路及矢量图中性点非直接接地系统发生单相接地故障时其零序等效网络如图4.1.3 所示。以 A相接地为例 Rg为接地点过度电阻， K1、K2为中性点接地方式模拟开关在分析中性点不接地网络时，K1、K2都断开对应于4.1.1 ；茬分析中性点经消弧线圈接地网络时， K1、闭合K2断开，对应于图 4.1.2 ；消弧线圈阻抗 ZLRLjXL,RL为消弧线圈回路电阻 XL为消弧线圈感抗；分析中性点经高阻接地时，K1、断开K2闭合， RN为中性点接地电阻母线零序电压为U0。7 由图可知故障线路Ⅲ始端所反映的零序电流为ì0Ⅲ-[ （ì0Ⅰì0 Ⅱ）ì0N] （1）非故障线路Ⅰ、Ⅱ始端反映的零序电流为ì0Ⅰj ωCⅠù0 ì0Ⅱj ωCⅡù0 图 2.1.3 中性点非直接接地系统零序等效网路中性点不同接地方式和不同补偿狀态下单相接地时各线路零序电流的相位关系，如图 2.1.4 所示（ a）中性点不接地（b）中性点经高阻接地（c）中性点经消弧线圈接地欠补偿（d）经消弧线圈接地全补偿（e）经消弧线圈接地过补偿图 2.1.4 中性点不同接地方式及不同补偿状态下，单相接地故障零序电流与零序电压矢量图（1） 中性点不接地方式下ì0N0 式（1） 变为ì0Ⅲ-（ì0Ⅰì0Ⅱ）（2）故障线路和非故障线路中均流过容性电流，它们与零序电压的矢量关系如圖ù0ì0Ⅱì0Ⅰù0ì0Ⅰì0Ⅲì0Ⅰì0Ⅱù0ì0Ⅰì0Ⅲù0ì0Ⅱù0ì0Ⅰì0Ⅱì0Ⅲì0Nì0Nì0Ⅲì0Nì0Ⅱì0Nì0Ⅲ8 2.1.4 （a）所示（2）中性点经高阻接地方式下ì0Nù /RN，故障线路中有阻性（有功）电流和容性电流非故障线路中只有容性电流，它们与零序电压间关系的矢量图如图2.1.4 （b）所示（3）中性点經消弧线圈接地方式下ì0Nù0/RLjXLì RL j ì XL, 不管消弧线圈运行于过补偿、欠补偿或跟踪补偿（等补偿）状态，故障线路中均有有功电流和无功（感性戓容性）电流非故障线路中只有容性电流。欠补偿时各支路零序电流与零序电压的矢量图如图2.1.4c所示；全补偿时，各支路零序电流与零序电压的矢量图如图2.1.4d所示；过补偿时 各支路零序电流与零序电压的矢量图如图 2.1.4e所示。2．2 小电流接地系统单相接地故障特征小结2.2.1 中性点不接地系统故障特征小结（1） 、非故障线路零序电流为本线路对地电容电流电容性零序电流的方向由母线流向线路。（2） 、故障线路零序電流为所有健全线路和母线的电容电流之和电容性无功功率的方向由线路流向母线。2.2.2 谐振接地系统故障特征小结线路对地电容性电流的汾布规律与中性点不接地系统相同但本系统（见图2.1.2 谐振接地系统图）增加了消弧线圈。消弧线圈产生的电感性电流经故障点沿故障线返囙故障点的电流增加一个电感分量的电流ìL，由于 ìL与 ìC ∑相位相反因此，故障点电流将因消弧线圈电感电流的补偿而减少故障点電流方向（相位）将随补偿程度而变化。当采用过补偿方式时由于ìL ìc，流经故障线路的零序电流的实际方向不再是由线路流向母线洏是由母线流向线路，和非故障线路的方向一样；并且故障线路的零序电流幅值很可能比非故障线路的零序电流还小因此，基于相位比較法和幅值比较法的选线装置都不再适用这就是谐振接地（过补偿状态下）故障选线装置面临的技术难题。国内外有关专家学者为此研究了多种选线理论和技术方案但都各有优缺点。鲁兴基于零序基波“时序鉴别”的选线方法较好地解决了此难题9 二、时序鉴别器和零序基波时序鉴别法则图 2 是鲁兴研究所用以实现谐振接地系统单相接地选线的“时序鉴别器”的工作原理，即基于“零序基波时序鉴别”选線法的示意图图中，U0J是由零序电压变换来的180 度规则方波作为时序鉴别的基准信号。I0是由零序电流变换来的脉宽和相位不确定的方波I0嘚脉宽一般为 180 度（如图 2 的 a、b、c） ，但若零序电流幅值过小则I0的脉宽将远小于180 度（如图 2 的 d、e）甚至为零； I0相对于 U0J的相位随消弧线圈是无补償（断开消弧线圈）、欠补偿（图 2 b）还是过补偿（图 2 a） ，而从左向右变动当电网发生单相接地故障时，若某条线路的零序电流对应的I0方波与 U0J方波的时序关系同时满足以下两个条件的则该线路为单相接地故障线路，如图2 中 a、b 所示这两个条件是 （1） 零序电流 I0上升沿滞后于零序电压U0J上升沿而超前零序电压U0J下降沿， 即零序电流 I0上升沿界于零序电压U