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機，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，很難及時發(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)量解耦成互相獨立的模分量。Clarke變換公式如下：

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現(xiàn)故障測距，可靠性、準(zhǔn)確定較高，但需要時鐘同步裝置，經(jīng)濟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)求出到達測量端的行波及其從故障點反射回測量裝置的時間差進而求出故障位置，實際應(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。小波變換在時域和頻域同時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，信號小波變換模的局部極值點對應(yīng)信號的突變點。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，信號小波變換模的過零點也對應(yīng)信號的突變點。也就是說，小波變換的模極大值與信號的突變點是一一對應(yīng)的，其極性表示突變點的變換方向，其大小表示突變點的變化強度，利用小波模大值可以確定平穩(wěn)值信號的奇異點。對故障產(chǎn)生的暫態(tài)波形進行小波變換，小波模極大值出現(xiàn)的時刻對應(yīng)于初始行波、故障點反射波、對端母線反射波等行波浪涌到達檢測點的時刻，利用故障初始行波浪涌和故障點反射波到達檢測點的時間差計算故障距離，從而實現(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大故障類別進行仿真，仿真算法為固定步長為10-7的ode3算法，仿真時間為0.06s，故障產(chǎn)生時間為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)濟性較好的單端行波測距法進行故障定位。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小波分析工具箱進行小波變換，使用Haar小波對故障電壓反向行波進行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)圖形極大值點進行數(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采樣點信號發(fā)生突變，入射波與反射波到達示波器的平均間隔為34采樣點。

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，標(biāo)記信號突變處采樣點，并計算故障距離，計算結(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)進行處理，提取故障行波，采用小波分析技術(shù)對故障行波進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)，能夠滿足實際需求。

參考文獻

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