構建于故障暫態(tài)信號伴隨其衰減特征的電網單相接地故障測距思路芻議

（國網四川省電力公司技能培訓中心，四川 成都 610000）

構建于故障暫態(tài)信號伴隨其衰減特征的電網單相接地故障測距思路芻議

黃建國

（國網四川省電力公司技能培訓中心，四川 成都 610000）

在小電流接地系統(tǒng)中，單相接地故障發(fā)生的概率很大，這就需要工作人員及時的發(fā)現(xiàn)故障，并開展排除工作。筆者就這些問題進行分析和探討，希望對提高線路運行的安全、可靠性有所幫助。

小波變化；接地故障；小波注入法

為了提高供電可靠性，目前中性點非有效接地方式已經在6-35KV配網中得到了使用。傳統(tǒng)的故障處理方法存在一定的弊端和缺陷，比如：耗用的時間長、效率低。因此，為了提高供電可靠性，對故障進行及時的排除，我們需要對有效的單相接地故障定位方法進行研究，這不僅具有理論價值，更具有世紀意義。

目前，在線法和離線發(fā)是配網單相接地故障定位的主要方法。離線法會使用注入信號的方法來對故障位置進行確定，這樣定位效果就比較好，但是由于其是在斷電之后進行的，因此需要停電和外加設備。在線法在進行定位時，會根據在線測量值，可以被劃分為故障測距和故障區(qū)段定位。

一、單相接地故障暫態(tài)信號及其衰減特征

1 故障暫態(tài)信號特征

接地故障一般是因為電網中絕緣被擊穿產生的，因此當處于電壓接近于最大值瞬間這一狀況時，非故障相電壓就會變高，而故障相電壓就會降低。當單相金屬性故障發(fā)生在中性點非有效接地系統(tǒng)中時，故障電壓就會為0，而非故障電壓就會是正常電壓的倍。故障暫態(tài)信號主要包括4個分量，即：弧線圈中產生的暫態(tài)直流分量、故障暫態(tài)信號包括工頻分量、故障相線路電容的放電暫態(tài)信號以及對非故障相線路電容的充電暫態(tài)信號。對于放電信號來說，信號衰減的比較快，震蕩頻率高。充電信號流通回路電感大，震蕩頻率低，信號衰減的比較慢，此外信號幅值也大。

2 暫態(tài)信號衰減特征

我們以充電暫態(tài)信號為例子，對信號回路進行簡化。之后產生串聯(lián)RLC電路。根據電路理論，如果回路參數和式（1）相符合，則說明暫態(tài)信號時震蕩衰減。如果二者不相符的話，就是直流衰減?？梢?，在對故障點進行確定時，系統(tǒng)中會存在臨界故障電阻，而系統(tǒng)等效參數則決定了該故障電阻。當單相接地故障發(fā)生在中性點不接地系統(tǒng)中時，其電阻一般為40Ω。

通過仿真，我們發(fā)現(xiàn)實際網絡參數和故障情況決定了故障電阻臨界值，且一般在100Ω左右。大部分的單相接地故障的充電暫態(tài)信號都會滿足振蕩衰減。我們可以在式（2）中看到振蕩衰減暫態(tài)信號，而式（3）則是衰減系數。

關于上式解釋。C、L、R分別是串聯(lián)RLC回路的電容、電感以及等效電阻。A是暫態(tài)信號幅值，是其初相角，f是暫態(tài)信號頻率，則是暫態(tài)信號衰減系數。

從上面的式子中我們可以看出電阻越大，那么衰減系數也就越大，暫態(tài)信號衰減基本越快，那么持續(xù)時間也會縮短。如果故障點確定的話，那么故障電阻就決定了回路電阻。圖1是屬性單相接地故障和故障電阻為40Ω時故障相電流波形圖。可以看出，暫態(tài)信號衰減特征受到故障電阻的影響很大，暫態(tài)信號持續(xù)時間變短和故障電阻增大有直接的關系。因此，在對信號有效區(qū)段進行確定時，需要從暫態(tài)信號的衰減特點出發(fā)，這樣信號才會合理，才會得到充分的使用。

二、基于充電暫態(tài)信號的測距原理

我們一般將充電暫態(tài)特征測距原理理解為基于高頻分量的阻抗法。在發(fā)生故障時，絕大部分的暫態(tài)信號會和地構成流通回路。我們在對故障距離進行計算時，可以使用高頻分量定量。該方法使用的原理是：單相接地故障暫態(tài)分量幅值大，此外也不會受到消弧線圈的干擾。筆者沒有使用工頻分量，這樣負荷電流和系統(tǒng)不平衡的現(xiàn)象就會避免（從原理角度看）。如果高頻分段有線路經過，那么線路的電抗就會變大，故障電阻的影響也會降低，這樣計算的可靠性和準確性都會得到提高。

我們假設待分析量為暫態(tài)信號中頻率為f的分量，用對稱分量法進行分析：

參考各序分量具有獨立性，可以得出：

根據單相接地故障邊界條件可以得到：

對式（4）、（5）、（6）進行聯(lián)合，則得到：

從式（7）我們可以得出：

在此基礎上可以完成對故障距離的計算：

三、充電暫態(tài)特征提取及故障距離計算

1 信號頻譜分析和充電頻率識別

充電暫態(tài)信號特征的提取之前的一個工作是：對充電暫態(tài)信號有效性進行識別，此外還要對充電暫態(tài)信號特征頻率進行識別，這個過程中需要參考快速傅里葉變化理論。0.3—3KHZ是單相接地故障暫態(tài)信號集中的范圍，因為產地暫態(tài)信號的幅值比較大，所以在對充電暫態(tài)信號特征進行確定時可以使用該頻段內頻譜幅值特征。第一步對該頻段范圍內信號幅值極值點進行確定。如果該頻段范圍內所有極

值點均值是最大極值點信號幅值的三分之一，就說明充電信號有效。并且最大極值點信號對應頻率為充電信號頻率。

2 充電暫態(tài)信號特征提取及故障距離計算

實小波變換。單相接地時，電流的暫態(tài)過程持續(xù)的時間很短，而故障電壓也是一樣。但是，穩(wěn)態(tài)時數據就比較小。小波分析是一種合適的故障選線方法，目前處于國際前沿，其發(fā)展基礎是傅里葉變換。作為一種新的信號處理方法，其可以對信號進行精細的分析，尤其是在遇到微弱信號以及暫態(tài)突變信號變化敏感的情況時。從小波變換的模極大值理論中我們可以發(fā)現(xiàn)信號奇異是由噪聲和故障這兩個因素導致的。而我們可以對小波變化進行分類，一般可以被分為兩類，即：實小波和復小波。計算如下：

復小波變換。復小波變換結果和實小波變化結果是有差異的，這是因為實小波變換術瞬時值形式，而復小波變化結果是幅值相角形式。

S變換。S變換屬于連續(xù)小波的變換，和相位校正后的小波變化比較接近。S變換提取出的充電暫態(tài)信號是復數值序列，這和經復小波變換提取的結果相似。表1是3種信號變換方法在不同故障情況下的測距比較。

表1 3種信號變換方法在不同故障情況下的測距比較

結語

作為配電系統(tǒng)最常見的故障，單相接地故障屬于小電流接地系統(tǒng)單相接地，其在多雨以及潮濕天氣狀況下發(fā)生的概率比較大。單相接地故障會對正常的供電造成影響，嚴重時會燒壞設備，引發(fā)安全事故。筆者用3種方法提取充電暫態(tài)特征，最終發(fā)現(xiàn)S變換具有更大的優(yōu)勢，可以使用該方法進行單端測量。

[1]梁志瑞，穆毓，牛勝鎖，吳群雄，陸文彪.一種小電流接地系統(tǒng)單相接地故障測距新方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2012（23）.

[2]孫波，徐丙垠，孫同景，薛永端，劉世光.基于暫態(tài)零模電流近似熵的小電流接地故障定位新方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2011（23）.

[3]王銘，徐玉琴.基于小波變換和BP網絡的非故障相暫態(tài)電流故障定位[J].電力自動化設備，2012（23）.

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