小波法識別配電網(wǎng)線路高阻故障

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(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

中低壓配電網(wǎng)是面向用戶的直接供電網(wǎng)絡(luò)，然而，配電網(wǎng)線路故障中單相接地故障占據(jù)比例較大以及由單相故障導(dǎo)致的其他故障。在小電流的接地系統(tǒng)中，單相接地產(chǎn)生的暫態(tài)故障電流相比其他暫態(tài)故障電流要小，故障發(fā)生時，系統(tǒng)能保持線電壓的三相對稱從而允許運行一小段時間，不過當(dāng)系統(tǒng)帶著故障運行的時間過長，故障引起的電壓過大，有可能是線路在其他地方引起接地，導(dǎo)致事故擴(kuò)大進(jìn)而引發(fā)更嚴(yán)重的危害。所以當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生故障時，線路保護(hù)的速動性和可靠性決定著線路的運行安全問題。過往的研究表明現(xiàn)有的繼電保護(hù)措施對單相接地短路的保護(hù)效果比較明顯，但是由于單相高阻故障時因電阻過大，產(chǎn)生的暫態(tài)電氣量明顯偏小，我國目前的繼電保護(hù)保護(hù)裝置不能檢測出故障的發(fā)生從而可靠的保護(hù)動作。高阻接地不容易被發(fā)現(xiàn)，隱蔽性高，不能迅速發(fā)現(xiàn)處理的話造成的后果將非常嚴(yán)重，損壞電力線路。所以研究高阻故障的識別是目前亟待解決的科學(xué)難題之一。本文通過PSCAD軟件仿真配電線路發(fā)生高阻故障時，抽取各段母線的零序電壓和母線上支路的零序電流進(jìn)行小波變換，分解、重構(gòu)，得出細(xì)節(jié)系數(shù)和特征值，通過比較不同母線上的特征值判斷出故障支路所處位置。

2 配電網(wǎng)故障及其特性分析

2.1 電力線路的數(shù)學(xué)模型

因為配電網(wǎng)電力線路與輸電線路比起來長度短很多，在試驗時可以忽略線路分布參數(shù)的影響，因此，本文在分析配電網(wǎng)故障時電力線路采用集中參數(shù)線路模型。

2.2 配電網(wǎng)接地故障特征分析

在中性點非有效接地系統(tǒng)[1]發(fā)生單相接地故障時，根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)的原理，系統(tǒng)從暫態(tài)過程過渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)，從發(fā)生故障的暫態(tài)過程過渡到新的穩(wěn)態(tài)過程中，兩種狀態(tài)下點電容電流和電壓相比，分布規(guī)律和故障特征明顯有區(qū)別，如果可以充分利用這些故障信息進(jìn)行分析研究，對小電流接地故障及其信號特征進(jìn)行相應(yīng)的波形處理，就能良好的識別出故障所在。

2.3 故障暫態(tài)電流電壓特征分析

根據(jù)中性點經(jīng)過消弧線圈接地的系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，由對稱分量法分析可得，暫態(tài)電容電流和暫態(tài)電感電流兩個部分構(gòu)成?？捎脠D1等值網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障計算[2]。

圖1 故障暫態(tài)過程等值網(wǎng)絡(luò)

零序?qū)Φ仉娙萦肅表示，線路和變壓器等在零分量中的等值電感用L0表示，零序電源電壓U0表示，R0為零序分量的電阻值，其中包括導(dǎo)線電阻、故障點的過渡電阻大地的電阻以及故障點的過渡電阻大地的電阻等，是總電阻值，有功損耗消弧線圈電感用L表示，有功損耗電阻用rL，另一種中性點不接地情況，可以去掉圖中消弧線圈一段支路。

為了了解單相接地故障[3]的瞬間，系統(tǒng)中的電流和電壓的暫態(tài)過程電氣量的突變情況，本節(jié)分別對發(fā)生故障瞬間的暫態(tài)電容電壓特性、暫態(tài)電容電流特性和暫態(tài)電感電流進(jìn)行具體分析。根據(jù)微分方程：

(1)

可得暫態(tài)電容電壓是有自由分量和穩(wěn)態(tài)分量兩部分構(gòu)成。對系統(tǒng)中的暫態(tài)電容電壓與初相角的關(guān)系進(jìn)行波形仿真比較，本實驗設(shè)置φ=0°、φ=90°等不同的電壓的初相角情況進(jìn)行分析，不同初始角情況下故障的暫態(tài)電容電壓的波形情況也不相同，具體情況如圖2、圖3所示。

圖2 暫態(tài)電容電壓初相角為 0°時的波形

圖3 暫態(tài)電容電壓初相角為 90°時的波形

結(jié)論：線路發(fā)生單相接地故障后，暫態(tài)電容電壓與電源電壓初相角φ有關(guān)。

根據(jù)微分方程：

(2)

得出電感電流：

結(jié)論： 電感電流均是由穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量構(gòu)成的，暫態(tài)電感電流與電源的角頻率和電壓的初相角φ有關(guān)。

根據(jù)微分方程：

(3)

得出電容電流：

(4)

結(jié)論：電容電流與短路時電源電壓初相角φ和短路時刻t有關(guān)。圖4～圖7為電壓的初相角φ=0°、φ=90°和合閘時間t=0.12s和0.2s時的電容故障電流波形圖。

圖4 暫態(tài)電容電流初相角為0°時的波形

圖5 暫態(tài)電容電流初相角為90°時的波形

圖6 電容電流0.12s時刻發(fā)生故障的波形

圖7 電容電流0.2s時刻發(fā)生故障的波形

通過以上的波形分析可得故障時，電源電壓初相角，電源頻率以及故障發(fā)生時刻是影響故障零序電流和零序電壓的主要因數(shù)。

3 小波變換分析法

小波變換分析方法[4]不僅可以從時域上進(jìn)行分析，也可以從頻域上進(jìn)行分析，較短時傅里葉變換相比有明顯優(yōu)勢，具有多分辨率的特點，將故障信息代入小波分析，能夠獲得大量的經(jīng)加工處理的波形，便于用戶分析比較。Daubechies小波系是在波形分析實際的工程上應(yīng)用最為廣泛，應(yīng)用次數(shù)最多的正交型小波函數(shù)族。本文選用Db5小波進(jìn)行分析，因為Db5小波的聚能特性在低頻部分的效果較好。

將故障時刻的零序電流和零序電壓[5]代入Db5小波中進(jìn)行分解重構(gòu)得出零序電流和零序電壓的細(xì)節(jié)系數(shù)，將細(xì)節(jié)系數(shù)代入如下公式：

(5)

求出不同母線的零序電壓特征值和各支路零序電流特征值。通過比較特征值判斷線路故障位置。

4 配電網(wǎng)線路高阻故障仿真分析

4.1 仿真系統(tǒng)模型

圖8是一個5饋線中性點非有效接地的10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)，本文選擇的仿真軟件為PSCAD，選擇MATLAB 編程軟件作為數(shù)據(jù)分析和波形處理工具。

圖8 配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)

該仿真系統(tǒng)是一個10kV的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。其中，電感量取值為0.82H，電壓源設(shè)計為理想電源，用于模擬無窮大三相電源；變壓器的連接組別為Y/Y；該系統(tǒng)母線共有5條饋線，線路全部采用架空線的形式，母線A段是有四條單輻射的10kV配電線路，線路長度分別為25km，13km，11 km，21km。 AB段長度為8km,CD段的長度為12km，BE段的長度為30km，BF段的長度為35km高阻故障發(fā)生在BF線路上。圖中各模型的具體參數(shù)如下： 變壓器1號為Y/Y 110/10kV。

電力線路參數(shù)：

正序參數(shù)：R1=0.175Ω/km，L1=1.211mH/km，C1=9.71nF/km，負(fù)序參數(shù)：R2=0.213Ω/km，L2=5.481mH/km，C2=6.03nF/km

表1 變壓器參數(shù)

4.2 接地電阻1000Ω時線路接地故障仿真

設(shè)高阻故障發(fā)生在B段母線的BF支路，過渡電阻的值為1000Ω，仿真結(jié)果如圖9～圖10所示。

圖9 BF段高阻接地時各支路的零序電流

圖10 BF段高阻接地時各母線的零序電壓

圖11 故障時各支路零序電流特征值

圖12 故障時各母線零序電壓特征值

由上圖可知，故障時刻發(fā)生在0.08s，當(dāng)故障發(fā)生前母線上的零序電壓以及各支路的零序電流為0，當(dāng)發(fā)生單相高阻接地故障時，母線和各支路開始有零序分量產(chǎn)生。由圖10和圖11的特征值大小可以判斷故障發(fā)生在B段母線的BF支路上，因為其特征值最大。

4.3 接地電阻2000Ω時線路接地故障仿真

設(shè)高阻故障發(fā)生在B段母線的BF支路，過渡電阻的值為2000Ω，仿真結(jié)果如圖13～圖14所示。

圖13 BF段高阻接地時各支路的零序電流

圖14 BF段高阻接地時各母線的零序電壓

圖15 故障時各支路零序電流特征值

圖16 故障時各母線零序電壓特征值

由上圖可知，故障時刻發(fā)生在0.08s,當(dāng)故障發(fā)生前母線上的零序電壓以及各支路的零序電流為0，當(dāng)發(fā)生單相高阻接地故障時，母線和各支路開始有零序分量產(chǎn)生。由圖10和圖11的特征值大小可以判斷故障發(fā)生在B段母線的BF支路上，因為其特征值最大。

在采用接地電阻進(jìn)行高阻故障接地分析時，為便于比較，過渡電阻分別設(shè)定為1000Ω，2000Ω，3000Ω，5000Ω，7000Ω，10000Ω等幾種不同接地電阻，在多次帶入不停的接地阻值進(jìn)行仿真分析比較，論證了基于小波變換分析發(fā)識別配電網(wǎng)高阻故障是有效的。因篇幅原因，本文只引用了1000Ω和2000Ω這兩個情況進(jìn)行說明。當(dāng)接地電阻小于5000Ω時，該識別方法有明顯效果，當(dāng)接地電阻大于5000Ω時，本方法就不能有效檢測出故障所處位置。

5 結(jié)論

配電網(wǎng)單相高阻故障的識別歷來為故障識別的難點。由于接地電阻過大，導(dǎo)致故障時電流和電壓的數(shù)值小，盡管有大量的故障信息卻不能充分利用。本文通過小波變換分析法提取故障零序電流和零序電壓進(jìn)行小波分解重構(gòu)，得出細(xì)節(jié)系數(shù)代入特征值公式中進(jìn)行求解?？赏ㄟ^比較特征值的大小判斷故障位置，具有明顯優(yōu)勢，可用來作為單相高阻接地故障識別的方法之一。