第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
随着经济的快速发展和工业建设的迅速崛起，人们对电的需求日益增大，配电网络也愈来愈密集。安全、可靠、优质、经济是电力系统运行的基本要求。电力网络的可靠运行关乎国民顺利的生产、人民的正常生活。电力系统的不同运行方式，关系到供电的可靠性、设备的安全性、运行的经济性。根据中性点接地方式的不同 可将电力系统分为中性点非有效接地系统及中性点有效接地系统[1]。中性点非有效接地系统（NUGS），主要有中性点经消弧线圈接地系统（Neutral Resonant Gounded Power System，即 NES）、中性点不接地系统（NeutralUn-grounded Power System，即 NUS）和中性点经高电阻接地系统(Neutral High-resisterGounded System，即 NHS)等；中性点有效接地系统（NEGS），主要有中性点直接接地系统（Neutral Grounded Power System，即 NGS）、中性点经低电阻接地系统（NeutralLow-resister Gounded System，即 NLS）、低电抗或中电阻接地系统（Neutral Low-reactoror Medium-resister Grounded System，即 NLMS）。当 NUGS 发生单相接地故障时，无法构成低阻抗的短路回路，且接地故障电流很小仅由系统的分布电容引起，故此时的故障又被称为小电流接地故障[2]。
尽管接地方式多种多样，各国家通常依据传统做法及自身经验确定接地方式。我国电网将110kV作为分界线，110kV及以上系统通常采用中性点有效接地的运行方式，3-66kV系统多采用中性点非有效地运行方式[3]。其中66kV和35kV电网主要采用中性点经消弧线圈接地方式；6-10kV电网采用中性点不接地方式，部分采用中性点经消弧线圈接地方式[4]。国内的中压配电线路多采用架空线，其80%以上的接地故障皆源自单相对地短路故障[5]。尽管如此，小电流接地系统之所以被广泛应用主要原因是因为它具有显著的优点，即当系统中有某一相发生接地故障时，无法构成低阻抗的短路回路，而线路对地电容可以构成高阻抗回路，短路电流极小；与此同时故障后线电压依然保持对称，因此故障后无需立即跳闸，通常情况下可带故障运行1-2h ，提高了供电能力和可靠性，保证了社会的正常生产与生活。虽然接地时线电压不发生变化仍保持对称，但是非故障相的对地电压将增大到原来的 3 倍。特殊情况下，接地电容电流可能引起故障点飞越，产生瞬时过电压，击穿绝缘设备，进而扩展为两相甚至三相短路，这将会造成重大的电力事故，给社会带来无法弥补的损失[6]。另外，虽然在理论上配电网发生单相接地后可短时带电运行，但是采用的判断方法一般为离线方式，需要的时间较长，故供电可靠性会降低[7]。近年来，在规模日益扩大的配电网及城市农村电网中，线路长度随之增加，尤其是电缆线路的广泛使用，致使其电力系统的电容电流增大，这种情况下很容易诱发影响范围广、时间持续长的间歇电弧过电压，同时过电压幅值的增大，将会损坏电力系统的设备，不利于电力系统的安全运行[8-9]。因此，当系统中有异常发生接地故障时，必须及时准确的确定故障线路，并将其与系统隔离或者切除。
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1.2 国内外研究现状和定位方法
1.2.1 国内外研究现状
日本在工业用电及供电用电中采用的配电系统均为NUS或NRS，这两种系统选线原理相对简单很多。近年来，电力工作者在接地点分区段方面和如何更好的获取零序电流信号投入了大量的精力，经多年的努力研究，研制了由光导纤维组成的架空线和电缆零序互感器（OZCT）。在前苏联，由于NUS的广泛应用，电力工作者极大的重视接地保护原理的研究和装置的研发，研制的装置均应用到了在煤炭、供电行业中，装置由电电磁式继电器、晶体管发展到了模拟集成电路和数字电路，而微机构成的装置较少[11]。德国普遍采用NES，在20世纪30年代便研制了便携式接地报警装置，提出了自故障起始时刻起体现暂态过程的单相接地保护原理；法国正逐步致力于以NES取代NRS，高新技术产品开发及零序导纳接地保护原理的提出，为电力的安全、稳定发展提升了又一高度。此外，挪威基于零序电压和零序电流的相位、测量空间电场和磁场的相位关系，成功研制了悬挂式接地指示器。90年代初国外单相接地故障保护引入了人工神经网络原理，又相继提出专家系统方法、小波分析方法等。
自1958年起，我国就一直致力于单相接地故障选线方法研究，基于理论提出的一系列方法大致可分为两类，第一类即首半波法、谐波电流方向法、能量法、有功分量法、模式识别、模糊推理、小波分析等以实现故障选线；第二类即注人信号跟踪法等。随着选线原理的发展，我国于50年代成功研制了基于首半波极性的接地保护装置；70年代后期，又研制生产了针对 NUS 的基于零序功率方向 ZD-4 型保护和针对经消弧线圈接地系统基于次谐波零序功率方向ZD-5型、ZD-6型、ZD-7型保护等具有选择性的接地信号装置；近年来， 我国又相继成 功研制微机型接地选线装置和适合微机实现的理论[11]。到目前为止，选线原理的研究以日趋成熟，且能够广泛运用到实际应现场中，而针对故障定位问题的研究相对较少，且研究的小电流接地故障仅处于理论层面上，与实际应用还有很大的差距，当前的故障定位手段与配电网自动化水平不相匹配，严重制约现代电力发展，因此如何快速、经济、有效的查找接地故障点是广大电力工作者今后努力的目标。
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第二章 小电流单相接地故障特征分析
本章首先介绍了小电流接地系统中性点的几种接地方式，阐述了各种接地方式的适用范围与优缺点，并详细介绍了各种接地方式在故障后的故障特征，即暂态特征和暂态特征。针对传统暂态特征分析方法和模型存在的不足，建立了基于分布参数的故障模分量等效网络和基于 π型电路的 0 模简化模型。
2.1 电力系统中性点接地方式概述
在交流三相电力系统中，将三相接成星形如图 2- l 所示。
通常将变电站所接各电压等级的变压器中性点接地方式定义为中性点接地方式。中性点接地方式与系统过电压水平、继电保护方式、设备绝缘水平的选择、电网安全、可靠运行等密切相关。将图 2-1 中的 O 点定义为电力系统中性点，电力系统中性点接地方式包括中性点直接接地、中性点不接地和经消弧线圈接地三种接地方式。选择中性点接地方式时应考虑供电可靠性要求、故障时瞬态电压、瞬态电流对电气设备等影响[40]，我国中压配电网一般采用不接地或经消弧线圈接地方式（谐振接地），本章也主要介绍以上两种接地方式。
2.1.1 中性点不接地方式
中性点不接地系统单相接地时中性点对地绝缘只有对地电容存在，因此故障点电流仅由系统的对地分布电容决定。以架空线路为主的配电网发生单相接地时，故障电流将会很小。又根据 1.1 节分析，发生瞬时性接地故障时，线电压基本保持不变；若对地电容电流大小在自动灭弧的范围之内，电弧可实现瞬时性自行熄灭，配电网可恢复到正常状态，故中性点不接地方式相对于中性点直接接地方式在供电可靠性上较高。中性点不接地方式作为最简单的接地方式，主要应用于以10kv架空线路的辐射形或树状形的农村供电系统中，如图 2-2 所示。此种接地方式，无需附加其他设备，经济性优，运行方便。
目前，我国35kV以下的配电系统通常采用中性点不接地运行方式，但电网在发生单相接地后，可能谐振过电压、弧光接地过电压，过电流数值较大，其中谐振电压主要是由 TV 和线路电容产生，而弧光接地过电压主要由电弧重燃引起的，因此应严格要求电网电容电流、负荷水平。面对如此要求，中性点不接地方式严重制约了配电网的均衡发展，正逐步被其他接地方式取代。
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2.2 单相接地故障的稳态特征分析
2.2.1 中性点不接地系统
当 NUS 发生单相接地，若接地点的对地电容电流大小在自动灭弧的范围之内，电弧可实现瞬时性自行熄灭，配电网即可恢复到正常状态；若接地电容电流较大时，电弧将无法实现自动灭弧，可能对用电设备造成损坏，引起两相甚至三相短路，加重接地故障程度，扩大故障范围。此时如果周围含可燃气体，极易引起爆炸，为了减少该事故的发生，一般在中性点与大地处嵌入电感线圈，如图 2-6 所示。
ASC 作为连接大地与变压器中性点之间媒介，使两者之间形成一个回路，它可以产生一个与接地电容电流相位近乎相反的感性电流，感性电流中和流过接地点的容性分量，很大程度上降低了电容电流，使得电弧实现自行熄灭、难以重燃，使电网恢复正常运行；对于金属性接地故障，ASC 的补偿也可以一定程度上的限制接地故障电流。
比较故障点上游及下游导纳复量表达式的特点，故障线路接地点下游零序测量导纳实部与虚部均为正，处于在第一象限，且模值较小；而上游零序测量导纳实部为负，虚部随着 ASC 的补偿度可正可负，分布在第二或第三象限，模值较大。对于 NUS 和谐振接地系统处于全补偿或欠补偿情况时，故障点上游导纳角接近负实轴，故障点母线侧与负荷侧零导纳角差异明显，可以利用导纳角定位故障区段。然而，配电网通常处于过补偿状态，故障点上游开关处零序导纳位于第二象限，且随过补偿度增加导纳角逐渐逼近90 ，而故障点下游的导纳角也处于正虚轴附近。由于无法避免测量误差，无法准确的区分故障区段与非故障区段，故容易导致误判，相反根据故障点上下游分段开关的零序导纳模值差异明显的特点，可准确定位故障区段。
H. W. Dommel 博士开发的 EMTP 最先是以多导体传输线理论基础，采用数值方法解决时域传输线方程，基于DOS操作系统的EMTP界面效果不理想。为克服该问题，丹麦哥本哈根大学Han Kr. Hoidalm在使用高版本EMTP作内核程序的基础上，编写了Alternate Transient Program（简称 ATP）程序包[48]。该程序包基于 Windows 界面开发，包含模型多，并且可扩展，支持创建新的电路和控制元件模型。可以说当前世界上最广泛使用的电磁暂态分析程序版本为 ATP-EMTP，最新版本为 2.1 版，源程序约 21.8 万行，它还具备灵活的、功能更强的通用描述语言 MODELS 及图形输入程序 ATPDRAW，ATPDRAW 最新版本为第 5.7 版。
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第三章 基于零序导纳差绝对极大值法的故障定位方法 ...................22
3.1 单相接地零序导纳分析...........................................22
3.2 零序导纳差绝对极大值定位方案....................................24
3.2.1 区段零序导纳理论...............................................24
3.2.2 定位理论.......................................................24
第四章 基于自适应相关分析的故障定位方法..............................36
4.1 相关分析理论......................................................36
4.2 暂态零模功率分析..................................................37
4.3 暂态零模功率相关系数定位算法的改进................................39
4.3.1 故障定位原始方案.................................................39
结 论 ...............................................................53
第四章 基于自适应相关分析的故障定位方法
相关分析是研究变量间相互关系的最基本方法，本章基于相关分析理论，通过调整采样时刻相关系数，同时对相关系数及阀值进行改进，消除了由于 FTU 数据采集不同步所引起的计算误差，解决了现场应用的关键技术问题。最后，将本文所研究的零序测量导纳法和暂态零模功率法进行对比分析，针对不同的小电流接地系统比较判断量的故障区段偏差度，确定优先采用方法的适用范围。
4.1 相关分析理论
相关分析作为一种统计方法，已广泛应用于经济学、社会学等各个领域，它主要研究变量间的关系，其中变量可以是两个也可以是多个，即分为简单相关和多元相关（也称复相关系数）。相关分析理论一般通过简单相关系数和复相关系数分析变量间的线性相 关程度，相关系数 绝对值越大（越趋于 1），表明变量之间的线性相关程度越高；相反越小，表明变量之间的线性相关程度越低。 =1 时，表明变量间完全相关一致； =0时，表明变量之间无关。所以，人们通常通过计算变量间的相关系数大小表示它们的相互关系的程度。相关函数可以在时频域下描述随机信号统计特征，相关性则是指信号的相似和相关程度。因此，相关分析理论不仅能够分析特定信号，也可分析随机信号。确定性信号与随机信号的相关分互相关与自相关两种类型，可由信号 x ( t )与 y ( t )描述或一个信号 x ( t)与经时间 平移后的 x ( t )描述，具体关系分别如下。
小电流接地系统在接地瞬间，系统将会产生暂态零模电压与暂态零模电流 ，其暂态零模电压在M 、N、P 、Q处大致相同。由文献[52-55]可知，故障出线受电压源的影响，故障点至母线侧的暂态零模功率方向由N流向M ，谐振频率低、信号幅值大，其大小为其他健全线路暂态零模功率之和；故障点至负荷侧的暂态零模功率方向由P 流向Q，谐振频率高、信号幅值小。故障点同侧及两侧相邻检测点的零模功率波形对比如图4-2 所示。
由图 4-2 知，故障点同侧相邻两个检测点（如 MN 区段、PQ 区段）的功率幅值大小差异不大、初始极性一致，波形相似度高；相反，故障点两侧的两个检测点（如 NP区段）的幅值大小差异较大、初始极性相反，波形相似度低。因此，依据测量到的故障线路零模电流、零模电压求得零模功率，并加以一定约束条件，可以计算出故障区段发生位置。
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结 论
本文基于小电流单相接地故障后稳态及暂态信息的研究，提出了基于零序导纳差绝对极大值和基于自适应相关分析的两种小电流接地故障定位方法，得到结论如下：
1、对 NUGS 单相接地故障特征进行了详细的理论分析，重点分析了 NES、NUS 单相接地故障时电流、电压变化的机理、特点和相互关系，可根据暂态稳态分量的特征，进行故障定位。通过分析零序分量的特点，找出它们在故障接地点母线侧与负荷侧的差别，从而为下文的小电流接地系统的故障定位奠定了理论基础。
2、原有的基于零序导纳角确定故障点方法，对于补偿度较大、导纳角接近正虚轴的小电流接地系统无法实现精确定位，而本文研究的基于零序导纳差绝对极大值定位方法可以很好地解决该问题。该方法定义了线路稳态时的故障参数，引入了故障参数差，消除了由于存在测量误差而引起的误判，并且分别针对中性点不接地、中性点经高阻接地和经消弧线圈接地三种接地特征情况，简化故障判据，适用性强，精度高。最后通过电磁暂态软件进行仿真，验证了本方法的可行性。
3、本文研究的一种基于自适应相关分析的小电流接地故障区段定位新方法，解决了原有的相关分析的定位方法存在的问题，消除了因各测量装置之间不同步引起的误差、完善了相关系数判据，并且考虑到某些故障点下游线路较短的配电线路，强化了相关分析方法的适用性。通过仿真验证了该方法的可行性，极大程度上提高了定位的正确率。
4、比较上述两种定位方法的优劣性及适用条件，提出了基于零序测量导纳和零模功率融合的多判据故障定位方案，即在消弧线圈处于过补偿及不接地的小电流系统中，应优先采用零序测量导纳法定位故障区段，将零模功率法定位作为辅助判据；消弧线圈处于全补偿和欠补偿时，应以零模功率法判据为主，以零序测量导纳法判据为辅。
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参考文献（略）
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参考文献（略）