一種考慮合閘角大小的單相接地故障選線方法

陳濤

（國網(wǎng)山西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山西太原030001）

一種考慮合閘角大小的單相接地故障選線方法

陳濤

（國網(wǎng)山西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山西太原030001）

為了提高消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障選線的準(zhǔn)確性，提出一種先檢測故障合閘角大小，然后分別采用故障合閘角小時的衰減直流分量法和故障合閘角大時的高頻暫態(tài)電容電流小波包重構(gòu)法聯(lián)合來實現(xiàn)故障選線。經(jīng)仿真研究表明，這種方法是合理有效的。該方法充分利用了合閘角大小不同時相應(yīng)的故障特征，再分別啟動相應(yīng)選線判據(jù)的自動選線方法，具有較高的選線可靠性。

小電流接地系統(tǒng)；合閘角；選線判據(jù)；單相接地故障

0 引言

中壓配電網(wǎng)的中性點接地經(jīng)常采用經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)小電阻接地及不接地。小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障以后，雖然還可繼續(xù)運行1～2 h，但若故障處理不及時，非故障相絕緣長時間承受過高的電壓，接地電弧持續(xù)存在，仍可能使單相接地發(fā)展為兩相接地故障，影響系統(tǒng)穩(wěn)定及安全可靠供電。

由于接地電流較小，并且可能是間歇性電弧接地，接地電流不穩(wěn)定，從而使基于穩(wěn)態(tài)量的選線方式的效果受到限制。而故障之后的暫態(tài)電流較大，可達(dá)穩(wěn)態(tài)接地電流的幾倍甚至上百倍，所以，利用暫態(tài)電流特征的選線方法具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性。

暫態(tài)電流的大小受到故障合閘角、過渡電阻、故障位置、接地方式等多種因素的影響。對中性點不接地系統(tǒng)，采用比幅比相等方法，選線準(zhǔn)確性是很高的。但對于消弧線圈接地系統(tǒng)，還沒有哪一種方法能達(dá)到很好的選線效果，因此有必要進(jìn)行進(jìn)一步研究[1]。

一般的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障發(fā)生在相電壓峰值附近，是由于絕緣損壞造成的。但操作和實踐經(jīng)驗表明，單相接地故障發(fā)生在相電壓過零附近時的情況也時有發(fā)生。

1 故障暫態(tài)電流特性

中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地之后，故障暫態(tài)接地電流可包含兩個部分：一是暫態(tài)電容電流分量；二是暫態(tài)電感電流分量。

圖1 單相接地暫態(tài)電流的等效電路

圖1中，U0為等效零序電源電壓，RL為消弧線圈的電阻，L為消弧線圈的電感，L0為線路及電源變壓器的等效電感，C為線路及電源的三相對地電容，R0為系統(tǒng)的等效電阻（其中包括故障點的接地電阻和弧道電阻）。

1.1 暫態(tài)電容電流

暫態(tài)電容電流的頻率較高，在分析接地電流的暫態(tài)特性時，由于L＞＞L0，消弧線圈支路可不予考慮。由圖1可列出方程：

1.2 暫態(tài)電感電流

根據(jù)暫態(tài)過程中消弧線圈的鐵芯磁通表達(dá)式，并考慮RL＜＜ωL，得到消弧線圈中的暫態(tài)電感電流表達(dá)式：

由上式可見，IL由暫態(tài)直流分量和穩(wěn)態(tài)工頻分量組成，當(dāng)電源電壓φ=0的接地時刻，IL最大。

1.3 暫態(tài)接地電流

由于暫態(tài)電容電流和電感電流的頻率相差懸殊，故兩者不可能相互補償。所以，工頻狀態(tài)下的殘流、失諧度等概念，在分析暫態(tài)電流時均不適用。在暫態(tài)的初始階段，暫態(tài)接地電流的特性主要由暫態(tài)電容電流的特性所決定，而接地電流的幅值與電源電壓的初始相角有關(guān)。

當(dāng)故障角較小時，暫態(tài)初始階段的接地電流主要由暫態(tài)電感電流直流分量決定，高頻暫態(tài)電容電流分量很小，其持續(xù)時間可達(dá)2～3個工頻周波，當(dāng)φ較大時，暫態(tài)電容電流分量很大，但持續(xù)時間很短，約為0.5～1.0個工頻周期。當(dāng)母線故障時，各線路的衰減直流分量都很小。

2 故障選線原理及判據(jù)

當(dāng)接地處零序電壓的相角θu0滿足|θu0-90°|≥ 30°或|θu0+90°|＜30°時，θu0∈［-180°，180°］，故障點電流中零序衰減直流分量較大，而暫態(tài)高頻電容電流比重較小，以零序衰減直流分量作為故障特征。當(dāng)故障角較小時，不管是健全線路還是故障線路，暫態(tài)電容電流中的高頻自由振蕩分量都很小。而流過消弧線圈與接地點的暫態(tài)電感電流及其直流分量卻很明顯，振蕩頻率在0～50 Hz，所以，故障線路零序電流的能量主要集中在低頻段。比較各線路零序電流中衰減直流分量的大小，就可以確定故障線路[2,3]。因此，可以分別采用故障合閘角小時的衰減直流分量法和故障合閘角大時的高頻暫態(tài)電容電流小波包重構(gòu)法來實現(xiàn)故障選線。

圖2 算法流程圖

3 仿真驗證

仿真系統(tǒng)模型如圖3所示。用電壓源與串聯(lián)內(nèi)阻抗模擬無窮大電源系統(tǒng)，變壓器為110/10 kV的YY0連接，線路長度lL1=3 km，lL2=6 km，lL3=9 km，lL4=12 km，lL5=15 km，lL6=20 km。線路正序阻抗Z1=（0.17+j0.38）Ω/km，線路正序?qū)Φ貙?dǎo)納B1= j3.045μs/km，零序阻抗Z0=（0.23+j1.72）Ω/km，零序?qū)Φ貙?dǎo)納B0=j1.884μs/km。負(fù)荷都用等效阻抗ZL=（400+j20）Ω代替，消弧線圈等效電感LN=8.02 H，消弧線圈電阻RN=5Ω。

3.1 電源合閘角較大時的仿真結(jié)果

假定故障發(fā)生在線路L3上距離母線4 km處，接地過渡電阻為20Ω，0.02 s的時刻發(fā)生單相接地短路。針對暫態(tài)量選線問題的特點，選擇緊支集正交小波是必要的。在db N小波系中，比較各小波的時域和頻域特性來選擇最佳小波。綜合考慮上述規(guī)則，本文基于小波包分解的暫態(tài)選線判據(jù)，選用頻率特性較好的db10小波，分解層數(shù)選為5層。因為暫態(tài)電容電流的振蕩頻率在300～3 000 Hz之間，所以選擇的采樣頻率為6 400Hz。當(dāng)零序電壓相角較大時，選擇每條線路模極大值所在的頻段為故障特征頻段SFB（Special Frequency Band），然后再比較各線路特征頻段的模極大值點的大小與極性，選擇幅值最大且極性與其他線路相反的為故障線路。如果各線路模極大值點的大小與極性均相差不多，則判定為母線故障。當(dāng)零序電壓初相角較小時，根據(jù)分頻特性，尺度5下頻段[5，0]所含信息是0～100 Hz的信號。對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障零序電流來說，該頻段的信號即為低頻暫態(tài)電感電流及其衰減直流分量。由此，再對該頻段的信號進(jìn)行重構(gòu)即可得到各線路的衰減直流分量。通過比較各線路零序電流中衰減直流分量和基頻分量所占的比重，就可以準(zhǔn)確地檢出故障線路。

圖3 故障選線的ATP仿真模型

從表1可以明顯看出，線路L3為故障線路，選線結(jié)果正確。

3.2 電源合閘角較小時的仿真結(jié)果

表1 各條線路的模極大值分布

圖4 L1、L2、L4、L5、L6低頻重構(gòu)信號的幅值與時間關(guān)系

圖5 L3低頻重構(gòu)信號的幅值與時間關(guān)系

圖6 L1、L2、L4、L5、L6低頻重構(gòu)信號的功率譜

圖7 L3低頻重構(gòu)信號的功率譜

圖4、圖5為低頻重構(gòu)信號的幅值與時間的關(guān)系，圖6、圖7為低頻重構(gòu)信號的功率譜。零序電壓初相角較小時，由此可見，線路L3的直流分量明顯比其他線路要大，因此判定線路L3為故障線路，選線結(jié)果正確。

4 結(jié)論

對于經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，當(dāng)不在電壓最大值附近發(fā)生單相接地故障時，將會有衰減直流分量產(chǎn)生，且在過零附近更為明顯。本文根據(jù)這一特性介紹了一種基于衰減直流分量的自適應(yīng)故障選線方法，它在發(fā)生電壓過零故障時具有很高的靈敏度。該方法與暫態(tài)量選線方法配合使用可以構(gòu)成完整的故障選線方案。大量仿真表明該方法在滿足其選線方案啟動條件時，選線是準(zhǔn)確、有效的。

［1］趙勁楓，曾祥君，周志飛，等.一種新的融合算法在小電流接地系統(tǒng)故障選線中的應(yīng)用［J］.湖南電力，2009，29（6）：8-12.

［2］周登登，劉志剛，胡非，等.基于小波去噪和暫態(tài)電流能量分組比較的小電流接地選線新方法［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（7）：22-28.

［3］Wang Yaonan，Huo Bailin，Wang Hui，et al.A new criterion for earth fault line selection based on wavelet packets in small current neutralgroundingsystem［J］.Proceedingsof theCSEE，2004，24（6）：54-58.

A Single-phase Grounding Fault Line-selection M ethod Considering the Range of Sw itching Angle

CHEN Tao
（State Grid Econom ic and Technical Research Institute of Shanxi Electric Power Corporation，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

In order to improve the accuracy of single-phase-to-earth fault line-selection in the arc suppression coil grounding system，a new detectingmethod is proposed.The theory of themethod is that firstly detecting the range of switching angle and then respectively employing decaying DC componentmethod when the fault switching angle is small and high-frequency transient capacitive currentwavelet packet reconstructionmethod when the angle is large to realize fault line selection.The simulation results show that this method is reasonable and effective.Themethod takes full advantage of the fault characteristics corresponding to differentmagnitude of switching angle and then starts the automatic line-selectionmethod.Therefore，themethod hasahigher reliability for line-selection.

smallcurrentgrounding system；switchingangle；line-selection criterion；single-phasegrounding fault

TM771

A

1671-0320（2014）04-0012-04

2014-03-20，

2014-06-22

陳濤（1981-），男，山西陽泉人，工程師，2004年畢業(yè)于山西大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，從事線路設(shè)計工作。