基于饋線暫態(tài)零流互差系數(shù)的配電網(wǎng)故障判別研究

袁曉宇

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

單相接地故障是配電網(wǎng)故障發(fā)生的主要形式，占故障的80%。出現(xiàn)單相接地故障后，配電系統(tǒng)暫時可以維持工作，長時間會擴大故障區(qū)域，且導(dǎo)致絕緣損壞，因此需要快速排除故障，減少損失。對配電網(wǎng)故障進行定位判斷的方法有被動法和主動法。被動法依據(jù)接受信號的不同，分為暫態(tài)分量法和穩(wěn)態(tài)分量法；主動法應(yīng)用較少，方法比較復(fù)雜，需要設(shè)置信號注入裝置。穩(wěn)態(tài)分量法所選取的物理量清晰，采用零序電流的特性進行選線，根據(jù)健全饋線、故障饋線有功分量幅值開展選線。

本文對小電流接地系統(tǒng)暫態(tài)零序電流的分布規(guī)律進行分析，基于零序電流在健全饋線與故障饋線極性相反，提出一種基于波形差異的選線方法，進行PSCAD 仿真驗證，結(jié)果表明該方法選線的準(zhǔn)確性較高。

1 消弧線圈接地的暫態(tài)零序電流

配電網(wǎng)經(jīng)消弧線圈接地，在出現(xiàn)故障時，零序電流呈現(xiàn)一定規(guī)律，健全饋線和消弧線圈可以進行并聯(lián)，即：

出現(xiàn)并聯(lián)諧振，此時Y0( f ) = 0，并聯(lián)諧振頻率大小為：

電容在不同饋線部分大小存在差異，電容大小與諧振頻率存在函數(shù)關(guān)系，若第i 回饋線電容Ci最大，則fp最大值為：

2 基于暫態(tài)零序電流波形差異選線

根據(jù)配電網(wǎng)的特點，接地方式一種不接地，一種經(jīng)消弧線圈接地。小波包具有良好的頻域分頻特點，有利于配電網(wǎng)故障選線。對于一個頻段內(nèi)，暫態(tài)零序電流基本相同，滿足故障選線的應(yīng)用條件。常見的選線方法包含數(shù)據(jù)獲取和處理與選線判據(jù)的構(gòu)造兩部分。

2.1 數(shù)據(jù)獲取和處理

（1）根據(jù)信號奇異性檢測原理，獲取不同饋線零序電流，獲取時常為1 個工頻周期。考慮到Cn隨頻率f 的增大而增大，確定（0，f）為中性點不接地SFB，該頻段范圍內(nèi)，健全饋線零序電流領(lǐng)先零序電壓90°，而故障饋線零序電流則滯后零序電壓 90°。

（2）在初始階段的暫態(tài)過程，暫態(tài)零序電流分布集中的頻帶故障特征較為明顯。對暫態(tài)零序電流進行小波包分解，分解后不同頻帶對應(yīng)相應(yīng)節(jié)點，計算其能量。即：

在SFB 內(nèi)不同節(jié)點之中，如果某一節(jié)點對應(yīng)的頻帶能量最大，則該能量所在的節(jié)點為特征節(jié)點。

2.2 選線判據(jù)構(gòu)造

（1）在小波包分解的基礎(chǔ)上，構(gòu)造饋線零序電流，定義為特征分量。不同特征分量記為： i0r1，i0r2，…，i0rm。

（2）對特征分量進行符號化處理，使用函數(shù) sgn（x）標(biāo)記，處理后特征分量為：I0s1，I0s2，…，I0sm。

（3）根據(jù)SFB 內(nèi)，零序電流在故障饋線極性相反，在健全饋線極性相同，結(jié)合步驟（2）的處理，對零序電流波形差異系數(shù)進行定義，即：

式中：L 代表數(shù)據(jù)窗的長度。

波形差異系數(shù)分別為 P1，P2，…，Pm，m 代表配電網(wǎng)總饋線。記Pmax= maxPk，數(shù)值最大的Pmax代表故障所在饋線。根據(jù)不同饋線波形差異系數(shù)進行配電網(wǎng)故障判斷。

3 實例驗證分析

3.1 引入斜溝礦實際配電網(wǎng)模型

為驗證本文選線方法的正確性，開展實例驗證分析。圖1 是斜溝礦10 kV 的配電網(wǎng)模型，電網(wǎng)輻射方式為單端輻射型。

圖1 實際的單相接地故障配電網(wǎng)模型

由圖1 可知，該模型包含電纜和架空線共計6條饋線，其中電纜為饋線1、4，架空線為饋線2、3、5、6。設(shè)置數(shù)據(jù)采樣頻率4 kHz，中性點接地控制方式為開關(guān)K 控制，采用過補償，補償度大小設(shè)為7.5%。

3.2 案例分析

配電網(wǎng)單輻射型，采用不接地方式，電阻大小25 Ω，饋線3 為故障點，距離母線1.7 km。對不同饋線零序電流進行小波包分解，分解4 層，采用db8 小波，頻率150～700 Hz 的節(jié)點，分別選擇（4，2）、（4，3）、（4，4），定義（4，4）為特征節(jié)點。對特征節(jié)點饋線零序電流重構(gòu)，獲得不同特征分量，如圖2 所示。

圖2 各饋線零序電流特征分量

由圖3 可知，小波包分解節(jié)點（4，4）零序電流，其特征分量在饋線3 與其他饋線極性相反。依據(jù)故障選線原理，計算不同饋線零序電流波形差異系數(shù)，故障選線結(jié)果如表1 所示。

表1 故障選線的計算結(jié)果

由表1 可知，零序電流在饋線3 上的波形差異系數(shù)遠(yuǎn)大于其余5 條饋線的波形差異系數(shù)，波形差異系數(shù)在其余饋線的數(shù)值差別較小。經(jīng)波形差異系數(shù)計算，饋線3 與其他饋線的差距擴大。由選線判據(jù)可知，配電網(wǎng)中發(fā)生故障的饋線為饋線3。仿真結(jié)果驗證本文選線方法的有效性，能夠準(zhǔn)確判斷出故障所在饋線。

3.3 魯棒性分析

為驗證不同故障條件下選線方法的適用程度，對不同故障電阻、距離、接地方式情況下開展仿真。單相接地故障仿真選擇饋線2 和饋線4，在不同故障條件下選線結(jié)果如表2 所示。

表2 不同故障條件下選線結(jié)果

由表2 可知，故障電阻、距離、中性點接地方式等因素變化時，選線結(jié)果受到影響較小，選線方法仍可適用于配電網(wǎng)故障選線。

4 結(jié)論

單相接地故障較為復(fù)雜，根據(jù)配電網(wǎng)零序電流極性特征，提出一種基于暫態(tài)零序電流波形差異的配電網(wǎng)故障選線方法。采用小波包對饋線零序電流進行分解，對電流進行符號化處理并進行選線判據(jù)構(gòu)造，得到饋線零序電流波形差異系數(shù)，凸出健全饋線與故障饋線之間的波形差異系數(shù)，根據(jù)波性差異系數(shù)進行故障選線。最后，開展仿真驗證。仿真結(jié)果表明本文故障選線方法對于故障饋線和健全饋線的波性差異系數(shù)具有較好的區(qū)分效果，能夠用于配電網(wǎng)故障判斷。