電力系統(tǒng)間歇性接地故障識別方法的探究

張新一

(青島大學 自動化與電氣工程學院，山東 青島 266071)

引言

據不完全統(tǒng)計，間歇性故障大約占到接地故障總量的5%～10%，會對故障定位裝置、分界開關等設備的正常工作造成一定影響，其存在形式對已有的保護原理提出了更高的要求，而由此引發(fā)的間歇性弧光接地過電壓更嚴重威脅電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。由此可見，故障發(fā)生后第一時間有效識別出間歇性故障顯得尤為重要。

1間歇性故障的影響

1.1故障定位方面

間歇性故障接地電流不穩(wěn)定，給利用穩(wěn)態(tài)量原理檢測工作帶來困難，而應用暫態(tài)量原理測量實現(xiàn)了瞬時性與永久性故障的選線，對間歇性故障動作存在問題。[1]故障定位技術主要適用于低阻接地故障，并聯(lián)中電阻、對電站或線路注入特定信號等定位方法不適于間歇性故障，可靠性差。

1.2分界開關方面

由于間歇性故障零序電流中存在幅值很大、不斷出現(xiàn)的暫態(tài)電流，可能導致測量的工頻電流幅值遠大于給定的數(shù)值，不滿足預想比較條件，造成分界開關誤動。[2]

1.3故障保護方面

在諧振接地中，消弧線圈可以自動消除電網瞬時單相接地故障，只有發(fā)生電弧接地或間歇性接地時才能啟動消弧線圈進行補償[3]。目前具有自動調諧功能的消弧線圈在發(fā)生故障時無法區(qū)分故障類型，直接對接地電容電流進行補償。如果故障類型為金屬性接地，投入消弧線圈不但不能使接地故障消除，還會對系統(tǒng)造成沖擊。

1.4過電壓方面

從過電壓的角度看，最危險的是間歇性弧光接地，有的可超過3.5倍的額定值，危及設備絕緣。所以當線路發(fā)生單相故障后，需快速識別故障是否為間歇性接地，以便工作人員及時采取措施，防止產生間歇性弧光過電壓。

2單相接地故障的分類

2.1接地電阻

當單相接地故障時，接地電阻在故障處能增加有功電流的幅值，使接地電弧能夠穩(wěn)定燃燒，同時多余的電荷通過接地阻抗很快釋放到大地，避免中性點位移電壓的增大，可使弧光接地過電壓的程度減小。

2.2接地狀態(tài)

按接地狀態(tài)可分為穩(wěn)定接地故障(占60%)和非穩(wěn)定接地故障(占40%)，其中非穩(wěn)定接地指弧光接地(如圖1)和間歇性接地。

圖1 弧光接地故障波形

2.3接地性質

配電線路中金屬性接地故障在屬于完全接地故障，非金屬性接地故障屬于不完全接地故障。金屬性接地發(fā)生的主要原因是配電網某部分導線或者是電源側出現(xiàn)斷線，造成導線直接與地面相連。當金屬性接地故障出現(xiàn)時，故障相電壓立刻變?yōu)榱?，而非故障相電壓會變成線電壓(如圖2)。在發(fā)生非金屬性接地時，故障相電壓下降明顯，但不為零，比相電壓要低。非金屬性接地會很多時候和間歇性接地同時出現(xiàn)。

圖2 金屬接地波故障形圖

3間歇性故障識別

3.1不同類型接地故障特征分析

單相接地故障一般為電弧接地，分為穩(wěn)定性電弧、間歇性電弧和自熄性電弧，金屬性接地不屬于電弧接地，非金屬性接地和間歇性接地通常伴隨著高阻接地，高阻接地通常伴隨著間歇性拉弧現(xiàn)象。瞬時性故障(如圖3)的持續(xù)時間很短，一般在幾毫秒至幾分鐘不等，但多數(shù)情況下不到1秒，故障時間只持續(xù)大約一個工頻周期。導線在間歇性放電過程中，往往伴隨著弧光情況，具有瞬時性和持續(xù)性的特點。自熄性電弧如不及時消除，也可能發(fā)展為間歇性電弧(如圖4)；間歇性故障經過一段時間，故障點絕緣水平恢復到能夠承受正常工作電壓時，故障恢復正常，兩種狀態(tài)能夠相互轉化。間歇性電弧具有持續(xù)時間短、接地電流大，電弧反復燃熄的特點，如果長時間發(fā)生將可能轉變?yōu)榉€(wěn)定性電弧，絕緣進一步降低，最終成為不可還原的永久性接地故障。

圖3 實測瞬時性故障波形圖

圖4 間歇接地故障波形

3.2間歇性故障識別現(xiàn)狀

間歇性故障的研究存在兩個方面的問題：①配電線路間歇性故障信號特征量提取問題，間歇性弧光接地的拉弧現(xiàn)象是一個非常復雜的物理化學變化過程，對間歇性電弧的認識和仿真還大多停留在表象，對間歇性電弧的本質特征有待進一步研究探索；②配電網單相接地故障的不同分類方式之間聯(lián)系與區(qū)分概念模糊(比如金屬性接地與永久性接地的區(qū)別等)，導致識別判定故障類型不準確。

目前配電網導線故障檢測多識別于永久性故障和瞬時性故障，對間歇性故障認識不足。傳統(tǒng)故障識別方法一般是基于工頻穩(wěn)態(tài)量，但不適用于識別間歇性接地故障。司馬文霞等基于弧光接地過電壓波形特點，利用間歇性燃熄弧過程產生的故障相電壓奇異性信號，經數(shù)學形態(tài)學COOCG形態(tài)閉開-開閉梯度濾波算子對零序電壓進行濾波，提取零序電壓的突變量，以特征量突變超過閾值的次數(shù)來識別故障，電弧接地超過金屬性接地的特征值，達到了識別目的。[3]劉渝根、謝彥斌通過故障相電壓的特點和區(qū)別，從波形特點入手，發(fā)生永久金屬性故障時故障相的電壓幅值很低(約為0)，其波形近似為一條水平線；電弧故障時波形是周期性變化，每個工頻周期內約有半周時間幅值為0(對應電弧燃燒期間)，而另一半周期有一次從正峰值到負峰值的變化，設置略高于金屬性接地故障相電壓，同時明顯低于電弧性故障電壓峰值的閾值，利用電壓比較器，金屬性接地故障輸出低電平，電弧性故障輸出電平忽高忽低的方波。[4]賀興等針對山區(qū)35kV電網三相不對稱與消弧線圈不能同時兼顧的問題，提出只有在檢測到電弧接地時才投入消弧線圈整定的新策略，根據間歇性故障電流有效值不高且持續(xù)時間短，利用瞬時電流電壓的增加量di/dt和du/dt是否突變做判據，設置閾值，通過硬件電路對一個周波(0.02s)進行24次采樣，如果10次高于閾值，即半周波發(fā)生突變，可判定此周波出現(xiàn)異常零序電流或電壓，進行15分鐘的觀測，若出現(xiàn)次數(shù)大于整定次數(shù)，啟用間歇性保護。[5]王曉芳等針對35kV弧光接地消弧線圈靈活投切問題，依據電弧電流低于10A電弧不會重燃，提出臨界電壓概念將其應用到識別間歇性電弧接地和自熄性電弧接地中，與中性點電壓的比較關系推斷間歇性電弧存在的可能性，結合電弧存在零休現(xiàn)象，比較電流斜率變化率，提出配電網永久性接地故障和電弧性接地故障識別依據。[6]

以上方案需要設置一個關于電氣量的門檻值，超過閾值一定次數(shù)才能夠判定是否發(fā)生間歇性故障，而門檻值的設定需要故障發(fā)生時一系列參數(shù)來確定，由于各參量的不穩(wěn)定和不確定性，實用化程度有待提高。

3.3基于暫態(tài)能量變化的識別方法

實際工作中接地電弧的大小的往往用能量值衡量，以暫態(tài)量作為研究對象，根據故障信號暫態(tài)量較大，用暫態(tài)能量可以完整的反映故障發(fā)生的特點和過程，不僅能夠判斷穩(wěn)定接地，而且能夠判斷瞬時性接地和間歇性接地故障?？蓪㈦娀】醋鍪且粋€非線性的導體，電弧動態(tài)模型方程一般形式為[7]：

(1)

(2)

式中：ia動態(tài)電弧電流；ua動態(tài)電弧電壓；ra為動態(tài)電弧電阻；P為電弧輸入功率；Po為電弧散出功率；Q為電弧中積累的能量。Q與弧隙溫度和游離狀態(tài)有關，Q隨時間的改變是外接電路輸入能量與弧隙散出能量的差值。

電弧自動調節(jié)弧隙溫度和直徑以達到輸入和散出的功率平衡，調節(jié)過程需要一定的時間，稱為電弧的熱慣性，弧隙散出能量為常數(shù)。模型描述接地故障的電弧特性

(3)

其中：g為電弧電導率；tm為電弧的熱慣性時間常數(shù)；E為電弧單位長度的電勢；i為電弧電流；pm為電弧能量損耗常數(shù)。

3.3.1間歇性接地故障判別方法

從故障暫態(tài)分析，故障暫態(tài)由若干個諧振過程組成，其主諧振過程頻率最低，主諧振頻率200～2000Hz，所占能量最大，可近似代表暫態(tài)整體特征，暫態(tài)電流可達數(shù)百安，持續(xù)時間一般小于2 ms。間歇性故障將頻繁出現(xiàn)暫態(tài)過程，其故障持續(xù)時間為0.2～2S，頻率大小為300～2000Hz，符合間歇性接地電流和時間特征。

由公式(2)(3)可得：

(4)

對公式(4)兩邊積分得：

(5)

g=ek(Q-C)(6)

公式(6)得出電弧電導與電弧能量之間的關系，電弧電導隨著能量的變化成指數(shù)上升。對公式(5)求導得：

(7)

由公式(7)可以得出電導率與能量的變化具有反函數(shù)關系，如圖5所示。

圖5 接地電阻與輸入能量之間的關系

發(fā)生間歇性電弧接地時，接地電阻rd由弧隙電阻ra和回路電阻r1兩部分組成，r1是一固定常數(shù)，數(shù)學模型為：

rdi=h(t)(rai+r1)

(8)

式中：rdi為接地電阻；rai為第i次再次拉弧的電弧阻抗。

由公式(6)(8)可得出接地阻值隨時間變化趨勢(如圖6)。間歇性弧光接地每次燃熄弧，電阻呈指數(shù)變化，恢復階段，接地電阻近似為零。

圖6 間歇性接地電阻與時間變化趨勢

由弧隙電阻與輸入能量之間的關系，可得出間歇性接地暫態(tài)能量波形變化特性(如圖6)。暫態(tài)能量的變化率呈指數(shù)函數(shù)的規(guī)律變化，先隨著接地電阻的增加而增加，暫態(tài)能量波形的二階導數(shù)小于0，呈凸性；持續(xù)一段時間達到能量的臨界值后，暫態(tài)能量隨著接地電阻的增加而減小，暫態(tài)能量波形的二階導數(shù)大于0，呈凹性。

3.3.2金屬性接地故障判別方法

金屬性故障零序電流增大，暫態(tài)能量變化曲線會一直增加，其二階導數(shù)值近似于零。由于故障一旦出現(xiàn)，能量儲存迅速降低。

3.3.3對比分析

以上分析可知：

金屬性接地，中性點電壓升高到相電壓，零序電流增大，暫態(tài)能量變化曲線會一直增加，中間沒有波動，其暫態(tài)能量的二階導數(shù)近似為零。間歇性接地，能量波形二階導數(shù)呈凹凸性變化，反復出現(xiàn)。金屬性接地與間歇性接地暫態(tài)能量的二階導數(shù)有明顯的區(qū)別，通過與0值的比較可以區(qū)分金屬性與間歇性接地故障。

結論

間歇性故障特性比較復雜，不易用確定的數(shù)學模型來描述，很難精確仿真電弧過程和間歇性故障，而實際中間歇性故障的情況千差萬別，本文分析了已有判據的優(yōu)缺點，通過暫態(tài)能量的變化率進行識別克服了間歇性接地故障特征量不穩(wěn)定的影響，解決了需要設置閾值識別故障的缺陷，通過暫態(tài)能量變化趨勢把問題轉化成函數(shù)二階導數(shù)的求解，只需比較大于或小于0，而不需要直接比較能量或者能量占比的多少，一定程度上解決了能量法數(shù)值偏小，靈敏度不高的問題。

參考文獻：

[1]徐丙垠，薛永端，李天友，等.小電流接地故障選線技術綜述[J].電力設備，2005(4).

[2]劉偉生,劉遠龍,王安寧,等.配電網故障分界技術應用情況分析與改進措施[J].供用電,2017(3).

[3]司馬文霞,冉銳,袁濤,等.采用數(shù)學形態(tài)學的弧光接地過電壓識別方法[J].高電壓技術,2010(36).

[4]劉渝根,謝彥斌.山區(qū)35Kv電網單相接地故障類型判斷方法[J].高電壓器,2009(45).

[5]賀興,艾芊,章健.小電阻接地系統(tǒng)間歇性接地故障的動態(tài)增量判據及保護方案[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2014(42).

[6]王曉芳,謝彥斌.數(shù)字化配電網弧光接地故障的判斷[J].中南大學學報,2013(44).

[7]周亮.小電阻接地配電網中間歇性電弧接地的仿真與研究[D].上海交通大學，2011.