建筑電氣系統(tǒng)故障定位研究

王益帆

摘?要：主要依據(jù)在MATLAB/Simulink平臺上建立的建筑電氣系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行建筑電氣故障模擬，根據(jù)行波理論，提取建筑電氣故障行波，采用小波分析技術(shù)對故障行波進(jìn)行分解得到故障行波小波系數(shù)，根據(jù)小波模極大值理論及單端行波測距原理實(shí)現(xiàn)建筑電氣故障準(zhǔn)確定位。

關(guān)鍵詞：建筑電氣系統(tǒng);行波理論;小波分析;故障定位

中圖分類號：TB?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.04.077

0?引言

電能已成為人類最重要的能源之一，建筑電氣系統(tǒng)在保障人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活方面發(fā)揮著重要作用。伴隨著用電量大幅度增加，電氣火災(zāi)作為一種主要災(zāi)害類型，給人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成的損失也與日俱增。當(dāng)電氣火災(zāi)故障發(fā)生后，探測器雖然能夠感知故障現(xiàn)象的存在，但不能準(zhǔn)確提供故障的位置信息，很大程度上延誤了電氣故障處置時(shí)機(jī)，可能導(dǎo)致事故升級。

目前電氣故障定位研究主要集中于高壓電力系統(tǒng)輸電線纜，而在建筑電氣系統(tǒng)的方面故障定位研究還較少，建筑電氣系統(tǒng)的故障定位主要依靠人工排查來實(shí)現(xiàn)，對于短路，由于故障現(xiàn)象明顯很容易排查，而諸如接觸不良、過載、斷相、漏電等電氣故障，隱蔽性較強(qiáng)，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除，電氣火災(zāi)隱患將長期存在，很容易引發(fā)電氣火災(zāi)事故。

本文針對建筑電氣系統(tǒng)典型的電氣故障進(jìn)行故障定位研究，主要為七種類別：單相短路故障、兩相短路故障、三相短路故障、接觸不良故障、過載故障、漏電故障、斷路故障。

1?故障行波提取

根據(jù)疊加原理，電氣線路故障可視為故障狀態(tài)分量和正常狀態(tài)分量的疊加，故障狀態(tài)分量是故障行波產(chǎn)生的原因，有效提取故障行波對故障準(zhǔn)確定位尤為重要。故障行波的提取辦法如下：

（1）將故障后一定時(shí)間內(nèi)的三相電壓、電流值減去故障前的三相電壓、電流值得到故障后三相電壓、電流的暫態(tài)值。

（2）采用Clarke變換把互相耦合的三相電壓、電流暫態(tài)量解耦成互相獨(dú)立的模分量。Clarke變換公式如下：

（3）計(jì)算電壓模量行波。

2?基于小波分析的行波測距原理

雙端測距法不需要識別故障行波反射波就能實(shí)現(xiàn)故障測距，可靠性、準(zhǔn)確定較高，但需要時(shí)鐘同步裝置，經(jīng)濟(jì)性較單端測距法較差，單端測距法投資較小，但面臨準(zhǔn)確識別故障點(diǎn)反射波和對端反射波的困難，常用的波頭識別方法有求導(dǎo)數(shù)法、相關(guān)法和匹配濾波器法。求導(dǎo)數(shù)法適用于短距離故障測距，但易受噪聲干擾，精度不高。求相關(guān)法是利用互相關(guān)函數(shù)求出到達(dá)測量端的行波及其從故障點(diǎn)反射回測量裝置的時(shí)間差進(jìn)而求出故障位置，實(shí)際應(yīng)用起來有一定困難。匹配濾波器法建立在相關(guān)法基礎(chǔ)之上，其測距結(jié)果受測量端所連輸電線數(shù)目等因素影響，由于這些原因，這些方法的使用受到了限制。

20世紀(jì)90年代，以小波變換為代表的時(shí)頻分析技術(shù)在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。小波變換在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì)，由小波變換模極大值理論可知，當(dāng)小波函數(shù)可以看作某一平滑函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)時(shí)，信號小波變換模的局部極值點(diǎn)對應(yīng)信號的突變點(diǎn)。當(dāng)小波函數(shù)可以看作某一平滑函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)時(shí)，信號小波變換模的過零點(diǎn)也對應(yīng)信號的突變點(diǎn)。也就是說，小波變換的模極大值與信號的突變點(diǎn)是一一對應(yīng)的，其極性表示突變點(diǎn)的變換方向，其大小表示突變點(diǎn)的變化強(qiáng)度，利用小波模大值可以確定平穩(wěn)值信號的奇異點(diǎn)。對故障產(chǎn)生的暫態(tài)波形進(jìn)行小波變換，小波模極大值出現(xiàn)的時(shí)刻對應(yīng)于初始行波、故障點(diǎn)反射波、對端母線反射波等行波浪涌到達(dá)檢測點(diǎn)的時(shí)刻，利用故障初始行波浪涌和故障點(diǎn)反射波到達(dá)檢測點(diǎn)的時(shí)間差計(jì)算故障距離，從而實(shí)現(xiàn)單端行波故障測距。

3?仿真結(jié)果分析

采用MATLAB/Simulink仿真工具對建筑電氣系統(tǒng)單相短路故障、兩相相間短路故障、三相短路故障、接觸不良故障、過載故障、漏電故障、斷相故障等7大故障類別進(jìn)行仿真，仿真算法為固定步長為10-7的ode3算法，仿真時(shí)間為0.06s，故障產(chǎn)生時(shí)間為0.02s，采樣頻率10MHz。線路單位長度電感L0為8.984e-4 H/km，單位長度電容C0為1.294 e-8F/km。選用經(jīng)濟(jì)性較好的單端行波測距法進(jìn)行故障定位。如圖1所示，線路發(fā)生單相（A相）接地短路故障后，故障點(diǎn)前線路A、C兩相電壓降低為原來的0.5倍，B相電壓不變，保持正常。故障相電流增大為正常值的2倍左右。

根據(jù)上述故障行波提取方法提取了故障正向電行波和反向電壓行波，如圖2所示。

借助MATLAB小波分析工具箱進(jìn)行小波變換，使用Haar小波對故障電壓反向行波進(jìn)行5層分解得到小波變換系數(shù)，小波變換結(jié)果如圖3所示。由圖可見，Haar分解后的d1、d2層高頻系數(shù)重構(gòu)圖形可以清楚的顯示信號突變的位置。如圖4所示，對d1層高頻系數(shù)重構(gòu)圖形極大值點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)記，將標(biāo)記數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB工作區(qū)。數(shù)據(jù)顯示分別在第200189、200155、200121、200088、200053、200020采樣點(diǎn)信號發(fā)生突變，入射波與反射波到達(dá)示波器的平均間隔為34采樣點(diǎn)。

入射波與反射波波頭到達(dá)示波器時(shí)間間隔：

采取同樣的方法使用Haar小波，對兩相相間短路故障、三相短路故障、接觸不良故障、過載故障、漏電故障、斷相故障電壓行波進(jìn)行分解，得到小波變換系數(shù)，分解后的d1層高頻系數(shù)重構(gòu)圖形如圖5所示，d1層高頻系數(shù)重構(gòu)圖形可以清楚顯示信號突變點(diǎn)，標(biāo)記信號突變處采樣點(diǎn)，并計(jì)算故障距離，計(jì)算結(jié)果見表1，采用行波單端測距法，測量絕對誤差在10m左右，相對誤差小于3%，由于短路故障現(xiàn)象比較明顯，接觸不良故障、過載故障、漏電故障、斷相故障的測量誤差有比較小，因此采用行波單端測距法可以滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

4?結(jié)語

對7大電氣故障類型故障暫態(tài)電氣參數(shù)進(jìn)行處理，提取故障行波，采用小波分析技術(shù)對故障行波進(jìn)行分解得到故障行波小波系數(shù)，根據(jù)小波模極大值理論及單端行波測距原理實(shí)現(xiàn)建筑電氣故障定位，仿真結(jié)果表明使用基于小波變換的單端行波電氣故障測距方法，測距誤差在可接受范圍內(nèi)，能夠滿足實(shí)際需求。

參考文獻(xiàn)

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