煤矿6kV电网接地选线装置设计.doc

X X X X 大 学
本科生毕业设计

姓 名：XXX 学 号：
学 院： XXXXXXXXXXXXXX
专 业： 电气XXXXXXXXXXXX 　
设计题目： 煤矿6kV电网接地选线装置设计
专 题：
指导教师： 职 称：

200X 年 6 月

XXXX大学毕业设计指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成 绩： 指导教师签字
年 月 日XXXX大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成 绩： 评阅教师签字：
年 月 日
XXXX大学毕业设计答辩及综合成绩
答 辩 情 况
提 出 问 题
回 答 问 题
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基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答

答辩委员会评语及建议成绩：

答辩委员会主任签字：
年 月 日
学院领导小组综合评定成绩：

学院领导小组负责人：
年 月 日
摘 要
我国煤矿高压电网采用中性点不接地系统或是经消弧线圈接地系统，即小电流接地系统。小电流接地系统单相接地故障率较高，但其故障选线至今未能很好地解决，其原因主要是故障电流太小，特征不明显。随着配电网自动化水平的提高，小电流接地系统单相接地故障选线问题迫切需要解决。
本设计在总结了现有选线方法的基础上，确定采用获得线路阶跃响应信号来实现故障选线。理论分析表明，故障线路和非故障线路阶跃响应频谱特性表现出较大的差异：故障线路幅频特性比非故障线路明显，且相频特性相反。
利用系统模块化的设计思想，本文完成了煤矿6kV电网单相接地故障选线装置的硬件电路及软件流程设计。最后简单分析了软件抗干扰的重要性，给出了一些软件抗干扰的方法。
关键词：煤矿高压电网；阶跃响应；频谱分析；接地选线。

ABSTRACT
Neutral non-grounded and Petersen-coil grounded systems which are also called neutral un-effectual grounded systems (NUGS), are widely used in the high-voltage electricity network of coal mine in China. The fault rate of single-phase-to-ground of NUGS is high, but its fault line selection has not been well solved yet. It is mainly because that the fault current is small and the fault traits are not obvious. With the improvement of the level of automation in the distribution network, the fault line selection needs to be solved urgently.
Based on summaries of the existing fault line selection methods, the method of line selection by obtaining the step response of the lines is adopted. According to the theoretical analysis, the spectrum characters are very different between the fault line and the normal lines: the amplitude-frequency characteristic of the fault line is more obvious than that of the normal lines, and the phase-frequency characteristic of the fault line is reverse to the normal ones. So the foundation of line selection is confirmed as a result of the theory analysis result.
Based on the principle of modularized designing, this paper focuses on designation of the hardware circuit and software flow chart of the line selection device for the 6kV power system of coal mine, offering the principle for IC device selection, the scheme for the system designing and its way of realization. A data-sampling system with DSP and CPLD as well as a control system based on them is successfully designed. Software flow chart is given; and the function of each module is briefly discussed. Finally, the importance of the software anti-jamming is simply analyzed, and the methods for them are also offered.
Keywords: high-voltage electricity network of coal mine; step response; spectrum analysis; fault line selection

目 录
1 绪论 9
1.1引言 9
1.2煤矿6kV电网系统接地特点 10
1.2.1电网中性点接地方式的种类 10
1.2.2煤矿6kV电网单相接地故障的特点分析 11
1.3现有的单相接地故障选线方法概述 13
1.3.1基于故障稳态信号的选线方法 13
1.3.2基于故障暂态信号的选线方法 15
1.3.3基于特殊信号的选线方法 16
1.4本文所做的主要工作 17
2 基于线路阶跃响应的选线方法 18
2.1引言 18
2.2基于线路阶跃响应的选线理论介绍 19
2.3选线判据确定 23
2.4本章小结 24
3 硬件设计部分 25
3.1装置整体方案 25
3.2硬件装置功能需求分析 25
3.3硬件装置各功能模块的设计 25
3.3.1 处理器选择 26
3.3.2 LCD液晶显示器选择 27
3.3.3 采样电路设计 31
3.3.4 AD时序设计 32
3.3.5 测频电路设计 39
3.3.6 控制输出设计 40
3.3.7 串口通信接口设计 41
3.3.8 键盘设计 42
3.3.9 低电压直流电源设计 46
3.3.10 看门狗电路设计 46
3.3.11 时钟信号及电源监视电路设计 47
3.4阶跃信号产生电路设计 48
3.5硬件抗干扰措施 49
3.5.1 隔离措施 49
3.5.2 屏蔽 49
3.5.3 通道干扰处理 49
3.6本章小结 49
4 装置软件设计 50
4.1软件方案及设计思路 50
4.2软件主流程图 50
4.3程序模块设计 51
4.3.1 初始化模块 51
4.3.2 数据采集模块 52
4.3.3 数据处理模块 53
4.3.4 故障分析模块 53
4.4软件抗干扰措施 54
4.5本章小结 55
5 结论 56
参考文献 49
附录 52
致 谢 错误！未定义书签。

第 59 页
1 绪论
1.1引言
我国6kV-66kV配电网广泛采用小电流接地系统即中性点不直接接地系统(NUGS )，它包括中性点不接地系统(NUS)、经消弧线圈接地系统(NES)和经电阻接地系统（NRS），其中绝大多数为NUS和NES系统，目前中国煤矿6kV电网也采用NUS和NES系统。小电流系统在保证运行维护人员的安全、过电压水平、设备绝缘水平、经济性等方面存在诸多的优点，一直被应用于我国的中低压电网中。在小电流接地的中低压系统中，发生单相接地故障的频率最高，占所有线路故障的70%以上。煤矿单位的电网属于中低压电网，其6kV电网在煤矿供电中起着非常重要的作用。单相接地时三个线电压仍然对称，不影响对负荷的连续供电，因此规程规定可以继续运行1~2个小时，此时保护只给出接地信号而不必立即跳闸；但是发生单相接地故障以后，非故障相电压会升高到倍，尤其是因此引起的弧光接地过电压，会使故障扩大为两相甚至三相短路故障。实践也证明，有许多的单相接地故障后来都使故障范围扩大，尤其是在煤矿这样重要的能源基地，一旦发生电网故障很容易引起其他严重的事故，因此，如何快速而准确地找出故障线路，防止事故扩大，对电力系统的安全可靠性具有极其重要的意义。
煤矿6kV电网系统发生单相接地故障时有其自身的特点，主要表现为故障电流小。这种配电线路较短，线路对地电容较小。在系统在发生单相接地故障时，流过接地点的电流很小，在NUS系统中为线路的对地电容电流；在NES系统中，流过接地点的电流是线路电容电流与消弧线圈补偿电流的矢量和，其值更小。这种系统在发生单相接地故障时，过渡电阻变化较大，且一般不呈线性变化。接地电流受过渡电阻的变化较大，在高阻接地的情况下，暂态电流很小，中性点的电压偏移小，使得其接地现象极其不明显。接地电流还和系统的运行状态有关系，受到不平衡负荷等因数的影响。线路发生弧光接地的情况更是使得接地暂态过程错综复杂。
对煤矿6kV电网单相接地选线的研究，在我国，到现在已经持续了几十年，出现了较多的理论和方法，也推出了很多的接地选线装置，但是，到目前为止，由于煤矿6kV电网单相接地故障的上述特点仍然没有令人十分满意的、选线准确率很高的保护装置出现。目前出现的接地选线装置的实际使用情况也并不普及。所以，寻找一种选线准确率高的保护装置，仍然具有相当重要的理论和实用价值，煤矿6kV电网系统单相接地故障选线仍然是业界的热门课题。
1.2煤矿6kV电网系统接地特点
1.2.1电网中性点接地方式的种类
电力系统中性点接地方式可划分为两大类:中性点有效接地方式和中性点非有效接地方式。中性点有效接地方式包括:中性点直接接地和中性点经低阻抗接地，系统的零序阻抗和正序阻抗比值。中性点非有效接地方式包括:中性点不接地(NUS)、中性点经消弧线圈接地(NES)和中性点经高阻抗接地(NRS)，系统的零序阻抗和正序阻抗比值。
对于110kV及以上的高压、超高压电力系统，主要考虑限制工频电压升高和瞬时过电压，因此普遍采用直接接地方式。对于110kV以下的中低压电力系统，接地方式的选择比较复杂，难以形成统一的形式，世界各国家及地区中压配电网中性点接地方式都不尽相同。
美国中压电网以大电流接地方式为主，在22~70kV电网中，中性点直接接地方式占72%。
英国66kV电网中性点采用经低电阻接地方式，而对33kV及以下由架空线路组成的配电网，中性点逐步由直接接地改为消弧线圈接地;电缆组成的配电网，仍采用中性点经低电阻接地方式。
日本东京电力公司66kV配电网采用中性点电阻接地或消弧线圈接地；6.6kV电网采用不接地方式。
法国电力公司(EDF)在1990年前后开始对中压电网中性点接地方式进行改造，将运行了30多年的大电流接地方式全部改为谐振接地方式。
德国、俄罗斯等国家也多采用消弧线圈接地或不接地方式。
我国中压配电网(6kV-66kV)多数为小电流接地方式，其中66kV和35kV电网主要采用中性点经消弧线圈接地方式;6kV-10kV电网部分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，极个别地区如上海以及北京、广州等城市的部分电网采用小电阻接地方式。
关于我国配电网中性点接地方式的发展方向，目前存在两种观点。一种观点主张中性点采用以消弧线圈接地方式为主的非有效接地方式;另一种观点建议采用小电阻接地方式。通过大量调查发现，城市电网由于电缆线路不断增加，有些地方消弧线圈容量己无法适应，加上网架结构日趋完善，因此趋向于采用小电阻接地方式;农村电网及一些厂矿电网电容电流较小、网架结构薄弱，更喜欢采用非有效接地方式。到目前为止，如何确定配电网中性点接地方式尚没有统一标准，普遍的共识是中性点接地方式的选择必须充分考虑地区特点、电网结构、供电可靠性、继电保护技术要求、电气设备的绝缘水平、过电压水平、人身安全、对通讯的影响以及运行经验、历史因素等，通过技术经济比较，加以确定。
1.2.2煤矿6kV电网单相接地故障的特点分析
由于我国煤矿6kV电网几乎不采用中性点经高阻抗接地方式，因此本文只分析中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统的单相接地故障的特点。
（1）中性点不接地电网单相接地故障的特点：
在正常运行情况下，各线路对地电容基本相同。任一线路中，在相电压的作用下，每相都有电容电流流入地中，各相电容电流超前于该相电压90°，而三相电容电流之和为零。如果发生单相接地故障，其它两相电压会升高到倍，其电容电流也会增大到倍。假设A相发生接地短路，正常线路中电容电流的分布和故障线路的电容电流分布如图1.1。
图1.1 中性点不接地系统单相短路电容电流分布
各相对地的电压变为：
（1.1）
（1.2）
（1.3）
因此故障点的零序电压为：
（1.4）
非故障相中流向故障点的电流为：
（1.5）
（1.6）
接地点电流为：
（1.7）
有效值为：
（1.8）
（2）经消弧线圈接地电网单相接地故障的特点：
系统单相接地时，如果接地电流较大，可能引起弧光过电压，危及系统中绝缘薄弱的环节，因此需要安装消弧线圈。根据规程规定，对于煤矿6kV电网系统，当全系统的电容电流超过30A时，应装设消弧线圈进行补偿。
根据补偿程度的不同，可以分为三种：
1)全补偿
全补偿时完全补偿就是的补偿方式，它虽可使接地点的电流为零，但却有严重的缺点，因为此时电路正好满足串联谐振的条件。如果三相对地电容不相等或断路器三相不同期合闸时，出现的零序电压在串联谐振回路中产生很大的电流，此电流在消弧线圈上会产生很大的压降，使电源中性点的电压大大升高，造成设备的绝缘损坏，因而不宜采用这种补偿方式。
2)欠补偿
欠补偿就是的补偿方式。采用这种补偿方式时,接地点的电流是容性的。它的缺点在于系统方式变化,即某些线路因检修或跳闸退出运行时,系统的电容电流会减少,以至有可能成为完全补偿而出现危险的过电压。因此,这种补偿方式很少采用。
3)过补偿
过补偿就是的补偿方式。它没有发生上述过电压的危险,因而得到了广泛的应用。采用过补偿以后,通过故障线路保护安装处的电流为补偿以后的感性电流，它与零序电压的相位关系和非故障线路电容电流与零序电压的相位关系相同，数值也和非故障线路的容性电流相差无几，因此不接地系统中常用的零序电流选线原理和零序功率方向选线原理显然已不能采用。
在经消弧线圈接地的系统中发生单相接地短路时，电容电流的分布规律如图1.2。
图1.2 谐振接地系统单相接地故障电容电流分布图
谐振接地系统发生单相接地短路时，由于接地电容电流Ijd∑和流过消弧线圈的电感电流IL都通过接地点，因此接地点的电流为Ijd∑与IL之和。Ijd∑超前U0 90°，而IL滞后U0 90°，二者相位相反，为了防止铁磁谐振，过电压采用过补偿方式使>，补偿度P的定度为：,一般为5%～10%。所以接地故障点残余电流()的大小等于补偿度与电网接地电容电流总和的乘积,它滞后零序电压90°，残余电流的数值很小。非故障线路的零序电流大小等于本线路的接地电容电流，超前零序电压90°。故障线路的零序电流大小等于残余电流与本线路接地电容电流之和，也超前零序电压90°。在单相短路接地达到稳态时，故障线路的零序电流与非故障线路的零序电流相位一致。
1.3现有的单相接地故障选线方法概述
现有的单相接地故障选线方法可分为三大类：基于单相接地故障稳态信号的选线方法、基于单相接地故障暂态信号的选线方法和基于特殊信号的选线方法。
1.3.1基于故障稳态信号的选线方法
（1）零序基波电流幅值比较法
零序基波电流幅值比较法[1]适用于中性点不接地系统发生单相接地的情况。流过故障元件的零序电流在数值上等于所有非故障元件的对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，所以只要通过比较零序基波电流幅值和自身电容电流大小就可以找出故障线路。但这种方法不能排除CT不平衡的影响，受线路长短、系统运行方式及过渡电阻大小的影响，且系统中可能存在某条线路的电容电流大于其他所有线路电容电流之和的情况，装置易发生误动，不适用于经消弧线圈接地的系统。
（2）零序基波电流相位比较法
零序基波电流相位比较法[1]利用故障线路零序电流与非故障线路零序电流流动方向相反的特点(即故障线路上零序电流从线路流向母线，非故障线路上零序电流由母线流向线路)，就可以找出故障线路。但这种方法在线路较短，零序电压、零序电流值较小时，相位判断困难，不能适用于经消弧线圈接地的系统。
（3）零序电流群体比幅比相法
零序电流群体比幅比相法[1]综合利用零序电流比幅法和零序电流相对相位法，先进行零序电流幅值比较，从中选出几条幅值较大的作为候选故障线路，再进行相位比较，选出相位与其它线路相反的线路即为故障线路。该方法在一定程度上可排除不确定性因素同时出现几率造成的误判，但同样不能排除CT不平衡及过渡电阻的影响，仍不适用于经消弧线圈接地的系统。
（4）零序电流无功功率方向法
零序电流无功功率方向法[2]适用于中性点不接地系统，它的判别依据是故障线路的零序电流无功分量落后于零序电压90°，而非故障线路的零序电流无功分量超前于零序电压90°。但是，这种方法受过渡电阻的影响比较大，在发生金属性短路时，零序电压最大；在过渡电阻为无穷大时，零序电压为0。所以在过渡电阻较大时，检测零序电压就很困难。而且这种方法不适用于中性点经消弧线圈接地的系统中，因为在过补偿的运行方式时，零序电流无功分量方向是相反的。
（5）零序电流有功功率方向法
零序电流有功功率方向法[2]利用自动补偿电网中消弧线圈并联或串联阻尼电阻的特点，在发生接地故障后，电阻产生的有功分量只流过故障线路，且其方向与非故障线路的零序有功电流方向相反，在数值上故障线路的零序有功电流比非故障线路的有功电流大，故可检测各条馈线零序电流中有功分量的大小来判断故障线路。但实际运行中由于零序电流有功分量含量小，检测困难，同时也受CT不平衡的影响。
（6）五次谐波大小和方向法
五次谐波大小和方向法[1,8]发生接地故障时，故障电流中存在的谐波分量是以5次谐波为主。由于消弧线圈是按基波整定的，因此可忽略消弧线圈对5次谐波的补偿效果。故障线路中5次谐波零序电流是容性的，数值最大，方向由线路到母线；非故障线路中5次谐波零序电流较小，方向由母线到线路，可以利用5次谐波电流群体比幅比相法进行选线。但故障电流中5次谐波分量含量较小(小于故障电流的10%)，其大小随系统运行方式变化而变化，同时受CT不平衡电流和过渡电阻影响。
（7）零序导纳法
零序导纳法[4,6]从分析中性点不接地或经消弧线圈接地电网故障前后各线路测量参数的思路出发，导出了在故障时测得的故障线路零序导纳与实际零序导纳不同、非故障线路与实际导纳相同的结论进行故障选线，即：将各线路实际零序导纳的大小、相位记忆下来，与故障时测得的各线路的零序导纳大小、相位相比较，导纳大小或相位发生变化的线路即为故障线路；若所有线路都未发生变化，则判为母线故障。零序导纳法的关键是准确地测量线路的实际零序导纳。
（8）负序电流法
负序电流法[5]当电网发生单相接地故障时，基波负序电流分量与中性点接地方式无关，故障线路基波负序电流分量的有效值，与所有非故障线路相比，前者数值最大，且故障线路与非故障线路的负序电流分量相位相反，由此可构成选线判据。但负序分量获取困难并受负荷影响大。
1.3.2基于故障暂态信号的选线方法
（1）首半波法
其原理[1,33]是基于单相接地故障发生在故障相电压接近最大值附近这一假设条件，因为电力系统中单相接地有相当一部分是在雷击或者相电压峰值附近的情况下发生单相接地短路的。在相电压达到峰值附近发生接地时，故障相电容电荷通过故障线路对故障点放电，使得短路电流的首半波和非故障的方向相反。这在非谐振的系统中适用，对于谐振接地的系统，由于消弧线圈中电流不能突变，必须要经过一个暂态过程，在这个暂态过程里（此方法中取其中首半波长度的数据窗），相当于消弧线圈不起作用，短路接地电流的方向与非故障线路的电容电流的方向是相反的。
但是，这种方法只能适用于故障相电压在峰值附近接地时；而在电压过零点附近，存在工作死区，即短路回路不经过暂态过程，故障线路和非故障线路的零序电流的方向是相同的，都是由消弧线圈提供零序电流；在发生两点接地时，还有可能不反映后接地的故障。因而，采用这种方法做出的保护装置的适用范围受到限制，实践应用也证明了这种保护的动作可靠性较差。
（2）暂态能量法
暂态能量法[1,32]是以系统故障后的全部过程均以能量的观点来解释的选线方法。定义和分别为线路和消弧线圈的零序能量函数。考虑到电流的参考方向，非故障线路的能量总是大于零，故障线路的能量总是小于零，并且其绝对值等于其他线路(包括消弧线圈)的能量总和，据此识别出故障线路。
（3）小波分析法
单相接地时，故障电压和电流的暂态过程持续时间短，并且含有丰富的特征量，比稳态值大，因此选择合适的分析方法分析暂态信号，将有利于故障选线[1,12,32]。小波分析可以对信号进行精确分析，特别是对暂态突变信号和微弱信号的变化较灵敏，能可靠地提取出故障特征。小波变换是把一个信号（故障线路上暂态零序电流特征分量的幅值和相位）分解成不同尺度和位置的小波之和，利用合适的小波和小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换，可以看出故障线路上暂态零序电流特征分量的幅值包络线高于非故障线路，且其特征分量的相位也与非故障线路相反，这样就构造出利用暂态信号进行接地选线的判据。但电力系统的实际运行是复杂多变的，需综合分析母线零序电压和各出线零序电流的小波变换系数，才有助于对故障线路的准确选线判断。在真正实现起来还是困难的。
1.3.3基于特殊信号的选线方法
（1）绝缘监视法
绝缘监视法[1,11-15]又称为拉线法，其原理就是指小电流接地系统发生单相接地故障时在电压互感器开口三角形上将会出现零序电压，利用电压继电器，发出接地信号。值班人员依次拉合所有线路，根据断开某线路后零序电压信号是否消失来判断是否是故障线路。
（2）电流增量法
目前手动调谐消弧线圈逐渐被自动调谐消弧线圈取代，自动调谐消弧线圈自动跟踪系统电容电流，正常情况下处于过补偿15%的状态，发生单相接地故障后，自动调谐到全补偿状态，以减小接地电容电流。电流增量法利用调谐前后零序电流的变化量进行选线，首先将调谐前后的零序电流折算到同一电压等级，然后比较各条线路的零序电流变化量，变化量最大的就是故障线路。
（3）“S”注入法
“S”注入法[1,4,5,8]首先由TV的三相二次电压值判别故障相别，再从TV副边向接地相注入信号电流，其频率处在各次谐波之间，从而保证不被工频分量和高次谐波分量干扰。故障时接地相的TV原边处在被短路的状态，由副边感应传递的信号电流沿接地相流动并经接地点入地。用信号电流探测器在开关柜内对各线路进行探测，检测到注入信号的线路即是故障线路。而通过对注入信号电流电压的检测，计算变电所到接地故障点之间的阻抗，便可实现故障测距。该方法的最大优点是适用于线路上只安装两相电流互感器的系统，缺点在于经高阻接地时，注入信号微弱不易检测；弧光接地时谐波含量丰富，注入信号极易受到干扰。
（4）注入变频信号法
针对“S注入法”存在的问题，相关文献[5]提出的注入变频信号法可较好地解决。其原理是：
（a）系统正常运行时，由消弧线圈电压互感器注入信号，测量系统谐振频率，计算电容电流。测量过程中无需调节消弧线圈，无需变换一次系统参数，无需求解方程。测量方法简单、直接，已成功地应用于消弧线圈自动调谐系统。
（b）高阻接地故障时，中性点位移电压变化小。采用向零序电压互感器注入谐振频率信号，测量零序信号电压，计算接地电阻，辨识高阻接地故障，可实现高灵敏度发电机定子接地保护，且不受系统运行的影响。
（c）故障选线时，比较位移电压与故障相电压的大小，如位移电压较低，则从消弧线圈电压互感器注入谐振频率恒流信号，反之，则从故障相电压互感器注入，监视各出线零序信号功角、阻尼率，进行故障选线。其具有选线精度高，抗高阻接地能力强，且易与馈线保护结合为一体，置于开关柜上，实现就地保护与控制。
1.4本文所做的主要工作
我国是一个煤炭生产大国，在未来相当长的时期内，以煤为主的能源供应格局不会改变，煤炭生产依然为我国国民经济重要支柱产业。煤矿电网的正常运行是保证煤炭安全的一个前提。在煤矿电网故障中，发生单相接地故障的频率最高，占所有线路故障的70%以上。当发生故障时，选出故障线路对电网稳定运行和故障处理十分重要。基于此，本文主要做了以下工作：
1.分析6kV电网的单相接地特点，确定设计所用的接地选线理论方法；
2.介绍基于线路阶跃响应的选线方法，确定选线判据；
3.设计煤矿6kV电网接地选线装置的硬件系统；
4.设计装置选线的软件流程图；
5.简单分析软硬件抗干扰措施。

2 基于线路阶跃响应的选线方法
2.1引言
我国研究煤矿6kV电网单相接地选线有近50年的时间了，相继提出了多种选线方法[18-19,24-28]，基于不同的选线原理已经推出了几代产品，但实际应用中的效果并不理想。传统的以基波零序电流电压为特征的接地选线方法[19,31]，主要是依赖对线路的零序电流群体比幅比相。受到线路参数，过渡电阻以及消弧线圈的影响，接地电流变化较大，尤其是高阻接地或是经消弧线圈补偿的时候，接地电流很小，选线精度不高。基于零序5次谐波的选线方法，虽然不受消弧线圈的影响，但是故障信号中谐波分量小，且受到信号传输误差以及负荷电流的影响，其灵敏度受到很大的限制[7]。单相接地故障时，接地电容的暂态分量往往比稳态值大十几倍到几十倍，基于暂态信号的选线方法精度较高且不受消弧线圈的影响，但现有方法大多有待完善。首半波法极性关系成立的时间极短，检测不可靠，而且在相电压过零时故障，首半波电流的暂态分量很小，受到过渡电阻等因素的影响，该方法可能失效[1]。基于小波变换的方法[11,12]利用了故障电压和电流瞬时过程的特征量，具备了快速性和准确性，但容易受到外界电磁干扰和过渡电阻的影响。“S”注入法虽然在信号的检测上有一定的优势，但是要额外增加信号发射装置与探测装置，增加了成本，也不利于配网自动装置一体化。基于混沌理论的选线方法，利用混沌系统的分岔特性来检测外界信号，可以比较准确地确定信号，而且混沌系统具有对小信号敏感性以及对噪声免疫的特点，使选线可以排除噪声的干扰，但是其实用性还需要进一步验证。其他一些方法如暂态能量法[19]、有功分量法、残流法[1]等均存在一些不足。煤矿6kV电网系统故障选线方法虽然在故障特征的各方面都有研究，也有不少成果，但是受到电网结构、过渡电阻、负荷电流等因素的影响，各种选线方法都有一定的局限性。
煤矿6KV电网系统发生单相接地故障之后，流过故障线路的稳态电流很小，不宜准确检测，对选线带来很大的影响。线路对地故障的暂态电流较大，但暂态过程很短，一般只有几毫秒到十几个毫秒，而且暂态电流的大小与线路发生对地故障瞬间电压的相角有关系。当电压为最大时发生单相接地故障，线路将有最大的暂态电流；相反，当在电压过零点附近发生故障时，电流几乎不经过暂态就过渡到稳态。因此，利用线路本身的暂态电流进行故障选线的方法存在死区。目前“S”注入法在选线上获得了较大的成功，但是要配备专门的信号发射和信号检测装置，实现和推广较为困难。鉴于此，对于发生永久性接地故障的线路，本设计采用外加阶跃信号的方法来检测故障线路。
注入阶跃信号还基于以下原因：
（1）单相接地故障不影响线路对称运行，按照规程一般可以运行1～2小时。因此，可以在确定线路发生永久性故障后，考虑到故障暂态电流的影响，选择合适的时刻注入信号，而且可以避免不稳定弧光接地的影响。
（2）利用消弧线圈二次侧绕组或是闲置的零序电压互感器注入阶跃信号，实现起来很方便。
（3）注入信号后，可以检测到零序电流的增量，以此增量形式进行故障选线，可以不受负荷电流的影响。
（4）为了得到可靠的选线结果，可以进行多次阶跃响应测试，提高选线结果的可信度。
（5）注入阶跃信号后，对其响应作分析，可以同时实现故障选线。
（6）线路发生单相接地暂态过程中，故障电流包括电容电流和电感电流，故障电容电流包括故障线路电容放电电流和非故障线路电容充电电流。放电电流只受故障线路参数及故障点位置影响，频率很高，可达数千赫兹；充电电流受到变压器或电源阻抗的影响，有较大的时间常数，频率较低。因此，故障暂态电流的成分比较复杂，含有的高频分量受传感器通带频率及AD采样率的限制很难准确测量。阶跃响应信号反应了线路对地电容和线路自身电感的充电过程，受到消弧线圈和变压器电感的影响，频率很低，一般只有几百赫兹，利于装置测量、采集。
本章将介绍线路阶跃响应的频谱特性，利用其结果确定选线判据。
2.2基于线路阶跃响应的选线理论介绍
下面以任意出线系统为例，来介绍外加阶跃信号的方法的选线理论。下图为电网单相故障接地的示意图。其中阶越跃信号由消弧线圈的副边注入。

图2.1 电网单相故障接地的示意图
向消弧线圈副边注入阶跃电流信号后，线路的零序等效网络如图2.2所示（假设线路发生单相接地故障）。为消弧线圈副边漏抗，为消弧线圈原边漏抗，为消弧线圈励磁电抗；为变压器等效零序电阻，为变压器等效零序电感；各线路等效对地电容为；为故障线路零序电阻，为故障线路零序电感；为过渡电阻。

图2.2 线路零序等效网络
由于较大，故可以忽略；把各非故障线路等效成一集中电容C，故障线路电阻和过渡电阻等效成电阻R，可得到图2.3的等效电路。图2.3线路等效零序网络，其中,,为故障线路流过的电流，为所有非故障线路流过的对地电容电流之和。