配網(wǎng)高阻接地故障伏安特性分析及檢測

鄧國勛

摘? 要：文章首先創(chuàng)建高阻接地故障點非線性電阻模型，從時域方面入手選擇最小二乘線性擬合來分析故障特點，并對應(yīng)提供了基于故障電阻非線性識別的高阻接地故障檢測算法，同時也展開了檢測驗證。

關(guān)鍵詞：配網(wǎng)系統(tǒng);高阻接地故障;伏安特性分析;檢測

中圖分類號：TM862? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）30-0050-02

Abstract： In this paper， the nonlinear resistance model of high resistance grounding fault point is established， the least square linear fitting is selected from the time domain to analyze the fault characteristics， and the high resistance grounding fault detection algorithm based on fault resistance nonlinear identification is provided. At the same time， the detection and verification are also carried out.

Keywords： distribution network system; high resistance grounding fault; volt-ampere characteristic analysis; detection

引言

高阻接地故障是最常見的配網(wǎng)故障，其內(nèi)部電弧很容易造成火災(zāi)、傷災(zāi)等災(zāi)害，以往的故障檢測算法都是以電弧熱平衡模型為基礎(chǔ)，然而，這種方法的應(yīng)用范圍有限，對此可以嘗試以固體介質(zhì)電擊穿原理來創(chuàng)建非線性電弧模型，對應(yīng)剖析元件與高阻接地的非線性電阻伏安特征。

1 配網(wǎng)高阻接地故障伏安特性分析

1.1 系統(tǒng)元件伏安特性簡述

要想對測量點的電壓、電流等的變化加以保護，最關(guān)鍵是要掌握故障點電阻的非線性浮動規(guī)律，要想呈現(xiàn)出其動態(tài)變化規(guī)律，則要參照上方模型，從時域方面來剖析被測點的電流、電壓特點。因為高阻接地故障回路涵蓋幾大方面：故障點非線性阻抗、系統(tǒng)阻抗、線路阻抗等，對此則要深入探究。此處為電壓、電流賦值，都為1。

1.2 系統(tǒng)線性元件伏安特性分析

系統(tǒng)通電后，系統(tǒng)中的電阻也將有電流，而且和兩側(cè)電壓有著相同相位。電阻的伏安特性體現(xiàn)為直線，而且經(jīng)過原點、斜率=1，具體如圖1所示：

因為流經(jīng)電感元件、電容元件的電流和兩側(cè)電壓相位差距達到90度，對應(yīng)的伏安特性則為圓形。

阻感負載有著自身的伏安特性曲線特征，通常為橢圓形曲線，而且其中心處于原點，而且會跟隨負載功率因數(shù)角來逐漸變化，讓橢圓逐漸變成圓形。

1.3 故障點非線性阻抗伏安特性分析

如圖2所示，則提供了線性元件的伏安特性曲線。從中能夠看出，當有電流、電壓途經(jīng)零點周圍時，伏安特性曲線對應(yīng)的斜率則將上升，而且會跟著電壓來逐漸變小，隨之當電壓不斷上升時，曲線斜率維持穩(wěn)定，其中的伏安特性曲線斜率的不斷浮動折射出了故障區(qū)域阻抗的浮動規(guī)則，也就是當電流與電壓流經(jīng)零點時，故障過渡電阻隨之變大，而且由于電壓電流變大，對應(yīng)的過渡電阻也慢慢衰退。對此可以將伏安特性曲線斜率視作高阻接地故障測試的關(guān)鍵參考性證據(jù)。

1.4 保護安裝位置的伏安特性

保護安裝位置，高阻接地故障測試設(shè)備一般選擇線路首端故障相電壓來取代故障點未知的電壓，并將首端測量電流取代現(xiàn)實的故障支路電流，對此則能深入剖析測量誤差。

如圖3所示，為配網(wǎng)零序等值網(wǎng)絡(luò)，在圖中，CH1，CH2，屬于兩個健全線路對地等效分布的電容，CF-故障線路對地等效分布電容，RN-中性點電阻。因為負荷配網(wǎng)變壓設(shè)備一般分成高壓端和低壓端，前者通常選擇三角形接法，其中則可以淡化負荷端零序電流的干擾。

1.5 健全線、相的伏安特性分析

當線路系統(tǒng)出現(xiàn)高阻接地故障，故障相則不會出現(xiàn)明顯的電壓下降問題，而且不好做出明確的辨識和區(qū)別，對應(yīng)的健全線路也將出現(xiàn)某種零序電流，要想確保故障檢測達到安全的效果，就要對應(yīng)剖析健全線、相的伏安特性。和故障線路相比，非故障相電壓和零序電流基波中間有120度的相位差，從而使得伏安特性成為變形的橢圓狀。健全線路中，圖中所呈現(xiàn)的零序等效網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，中性點的電阻則相對過低，低于線路對地電容容抗，從而使得故障線路和完整的線路零序電流基波相位差達到90度。所以，故障相電壓和健全線路零序電流基波之間也產(chǎn)生較大的相位差，達到90度。高頻分量的干擾下，最終形成將近變形的圓形。從中可以看出，故障線路中故障相因為受到非線性電阻的影響，電流、電壓過零點周圍的斜率變化和健全線路、健全相等完全不同。

2 配網(wǎng)高阻接地故障的檢測

2.1 檢測算法

第一步，不斷采集饋線零序電流、相電壓的樣本，而且要對所采集到的數(shù)據(jù)實施有限沖擊響應(yīng)數(shù)字低通濾波，其中設(shè)置濾波器的終止頻率數(shù)值，達到500赫茲，對應(yīng)得到各個電氣量接連3個工頻周波3N點離散值的排序，而且要各個序列周波數(shù)據(jù)來統(tǒng)計平均數(shù)，而且要將平均數(shù)分別取其極值，對應(yīng)得到周波N點的序列，如下公式：

第二步，變換算得i0（n），ua（n），ub（n），uc（n），等的工頻分量，在對應(yīng)算得各自對應(yīng)的工頻相角差，當發(fā)現(xiàn)其中的相角差處于0-15度范圍，則可以開啟下一步的操作，相反則要重返第一步操作。

第三步，結(jié)合上面所得出的相角差，可以把i0（n）來對應(yīng)移位，得到和相位差最小的序列。

第四步，借助最小二乘法分段線性擬合ua（n）與i0-shift（n）之間的伏安特性關(guān)系，可以將前者工頻過零點充當中心，并從中取1/10的工頻周波數(shù)據(jù)，擬合后獲得直線斜率為k1，將ua（n）的工頻極值點當作中心，取值1/4工頻周波數(shù)據(jù)，擬合至直線斜率k2，對應(yīng)算出序列二者的相關(guān)系數(shù)Rc。

第五步，分析可疑的高阻接地故障。當0kset，同時Rc>0.966，則意味著出現(xiàn)了可疑性高阻接地故障。kset如果屬于整定值，一般取值>1，通常數(shù)值越小，對應(yīng)則容易計算，Rc可當作判斷擬合誤差，如果伏安特性和直線之間有較大差距，對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)將下降，而且要照顧到母線測量位置故障相電壓和零序電流相位之間的誤差通常小于8度。

2.2 算法可靠性檢驗

此項驗證指的是如果線路處于常規(guī)運行狀態(tài)，如果局部線路出現(xiàn)故障，算法依然能夠安全穩(wěn)定，不出現(xiàn)任何錯誤判斷問題。系統(tǒng)開關(guān)操作不會造成太久的干擾，也不至于影響算法。常規(guī)運行時，會因為互感器的失衡帶來某種失衡的電流，失衡電流和相電壓的相關(guān)性無法上升至0.966，其中的不平衡電流也要達到正弦值，對應(yīng)的算得伏安特性和線性電阻較為靠近。如果某個線路出現(xiàn)高阻接地故障，一個母線的健全線路的相電壓、零序電流的伏安特性曲線一般呈現(xiàn)為變形的橢圓狀，而且故障相電壓和零序電流工頻之間的相位差達到90度。非故障相電壓和零序電流工頻相位差也處于-30度～-150度，而且健全線零序電流出現(xiàn)了諧波分量，對此Rc數(shù)值較小時，不能出現(xiàn)算法錯誤判斷的問題。

鑒于高阻接地故障狀態(tài)模式下，健全線路零序電流一般不會很大，而且很容易遭受噪音的干擾，并容易造成零序電流工頻相位無法精準地測出，然而，這種狀態(tài)下的相關(guān)系數(shù)Rc則可以高效地預(yù)防與控制正確與錯誤等的判斷。把以上零序電流添加到差異性信噪比的白噪聲，再借助以上算法濾波以后，則能算出B相電壓和零序電流之間的相關(guān)系數(shù)，要想確保安全可靠，各組試驗可以反復(fù)操作10次，最終計算這十次的平均數(shù)，經(jīng)過計算得出：由于噪聲不斷變強，相關(guān)系數(shù)在不斷地減小，其可靠性小于0.966，由此可以看出，依賴于此算法能夠有效地維護健全線路。這一算法無需過多地參考零序電流幅值，所以不會收到配網(wǎng)中性點分布、線路長短、運行模式等的干擾，而且這一算法實際運行中體現(xiàn)出一定的抗噪音性能，即便信噪比較低時，此算法也可以高效地辨識眾多的故障。

3 結(jié)束語

此研究主要圍繞故障電流非線性畸變問題，對應(yīng)提供了非線性電阻模型，并對電路線性元件等的伏安特性進行了細致、到位地剖析，最終得出了高阻接地檢測算法，而且憑借仿真數(shù)據(jù)以及相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)對應(yīng)檢驗了此方法的安全性、穩(wěn)定性與靈敏度，以此算法為基礎(chǔ)的高阻接地故障檢測設(shè)備處于檢測運行中。

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