基于多頻導(dǎo)納測量的配電網(wǎng)接地故障辨識方法

李越宇，喻 錕，曾祥君，毛 宇

(長沙理工大學(xué)智能電網(wǎng)運行與控制湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410004)

隨著配電網(wǎng)不斷地深入用戶終端，其運行條件復(fù)雜多變，極易發(fā)生故障，其中80%約為單相接地故障，且相間故障也多由未及時檢測并處理的單相接地故障發(fā)展形成。當(dāng)發(fā)生高阻接地故障(樹障、避雷器不完全擊穿等)時，過渡電阻往往高達數(shù)千歐姆，故障特征量十分微弱，中性點位移電壓遠小于國家標(biāo)準(zhǔn)的15%相電壓，現(xiàn)有接地故障檢測方法對高阻故障檢測困難，故障點過渡介質(zhì)持續(xù)放電直至過渡電阻降低至可檢測范圍時，檢測裝置方可識別，未識別期間可能導(dǎo)致故障擴大，嚴(yán)重威脅人身設(shè)備安全[1-3]。

為解決配電網(wǎng)高阻接地故障檢測難題，文獻[4-5]分別提取接地故障前后的三相工頻電流，根據(jù)其變化情況計算故障點殘流，進一步計算過渡電阻阻值，但是該方法易受三相互感器不平衡的影響；文獻[6]采用注入信號法，測量零序電壓變化量判斷故障，該方法需要接入大電源，且投資高、控制復(fù)雜；文獻[7]通過注入信號測量配電網(wǎng)阻尼率，根據(jù)故障過渡電阻產(chǎn)生的增量阻尼率辨識故障，對金屬性、低阻接地故障效果明顯，但是高阻故障時往往無法達到啟動值；文獻[8]通過分析暫態(tài)零序電流在暫態(tài)零序電壓上投影系數(shù)的差異，提出了高阻接地故障辨識方法，是一種方向保護的拓展，前提是需要有效地捕捉持續(xù)時間段的暫態(tài)信號，且該方法會受到電力電子設(shè)備高頻諧波的干擾；文獻[9]將改進非負矩陣分解算法引入到配電網(wǎng)故障檢測中，實現(xiàn)配電網(wǎng)的運行狀態(tài)監(jiān)測和故障檢測功能，但并未提及高阻接地故障的有效感知。

本文針對配電網(wǎng)高阻接地故障檢測困難的問題，建立了由配電網(wǎng)中性點處注入特征信號等效回路，并分析了單相接地故障時的特征，結(jié)合本課題組注入信號方面的研究結(jié)果，提出了一種注入信號法與穩(wěn)態(tài)法相結(jié)合的故障辨識方法，對由故障過渡電阻產(chǎn)生的增量阻尼率進行疊加，實現(xiàn)故障特征量的有效放大，達到有效辨識的目的，并進行了仿真驗證。

1 配電網(wǎng)單相接地故障特征分析

圖1 單相接地故障時的配電網(wǎng)等值接線Figure 1 Equivalent wiring diagram of distribution network in case of single-phase ground fault

為方便分析故障點殘流，假設(shè)系統(tǒng)進行了完全換位(CA=CB=CC=C0，rA=rB=rC=r0)，且負荷對稱。利用戴維南定理對圖1進行等效變換，得到單相接地故障時的配電網(wǎng)零序等值回路，如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)零序等效回路Figure 2 Zero sequence equivalent circuit of distribution network

(1)

式中Ig為殘流中的有功分量，Ig=U0G；IC為對地電容電流，IC=3ωC0U0；IL為消弧線圈電感電流；d為系統(tǒng)阻尼率，d=Ig/IC，一般用百分比表示；v為諧振接地配電網(wǎng)的失諧度，v=(IC-IL)/IC，一般用百分比表示，且v=1-K，其中K為諧振接地配電網(wǎng)的合諧度。

由式(1)可知，殘流的大小、相位與系統(tǒng)參數(shù)阻尼率和失諧度相關(guān)。由于消弧線圈一般設(shè)置為靠近諧振點運行，v為定值，因此通過準(zhǔn)確測算系統(tǒng)阻尼率，可對配電網(wǎng)的運行狀態(tài)進行有效地識別。

（一）片面理解“以讀為本”的內(nèi)涵。新課程指出，閱讀教學(xué)要“以讀為本”。確實，“讀”是閱讀教學(xué)永恒的主題?！耙宰x為本”是閱讀教學(xué)的基本理念。但“讀”不僅僅體現(xiàn)為書聲瑯瑯的有聲朗讀，還有同樣重要的靜思默讀。《語文課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：“各個學(xué)段的閱讀教學(xué)都要重視朗讀和默讀，加強對閱讀方法的指導(dǎo)?！倍覍Ω鲗W(xué)段的閱讀教學(xué)均提出了明確的要求。眾所周知，語文課程目標(biāo)之一是“養(yǎng)成語文學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣，掌握最基本的語文學(xué)習(xí)方法”。

由式(1)可知，配電網(wǎng)阻尼率d=Ig/IC，即殘流中阻性電流與容性電流之比?？紤]到故障零序等效回路中各電流滿足：

Ig=Ir0+IrL+Ird

(2)

因此，故障時諧振接地配電網(wǎng)的阻尼率由3部分組成，即

d=

(3)

2 基于注入信號的配電網(wǎng)對地導(dǎo)納測量方法

為實現(xiàn)配電網(wǎng)單相接地故障高靈敏度辨識，需有效地測量系統(tǒng)對地導(dǎo)納參數(shù)?，F(xiàn)有的對地參數(shù)測量方法包括直接法、間接法、注入信號法。間接法又包括外加電容、外加電壓、調(diào)諧法、變頻法等。其中直接法、間接法均需要改變系統(tǒng)一次參數(shù)或系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，操作復(fù)雜且有人身觸電危險并不適用于實時測量系統(tǒng)參數(shù)。同時，為配合本文多頻導(dǎo)納的測量需要，采用注入信號法測量系統(tǒng)阻尼率。

通過消弧線圈內(nèi)部電壓互感器向配電網(wǎng)注入一變頻率恒幅值的小電流信號 ，注入信號的同時通過配電網(wǎng)零序電壓互感器測量反饋的特征頻率電壓信號，注入信號等效流通回路如圖3所示。計算頻率為fi下配電網(wǎng)的阻尼率為

圖3 注入信號等效流通回路Figure 3 Injection signal equivalent flow circuit

(4)

式中IiR為注入電流的實部；IiC為注入電流的虛部；αi為注入電流信號與反饋電壓的相角差，即注入特定頻率信號的功角。

圖4 注入特征信號簡化等效回路Figure 4 Injecting characteristic signals to simplify equivalent circuits

由圖4可知，頻率為fi下系統(tǒng)等效對地導(dǎo)納為

Yi=

(5)

消弧線圈等效電感L可根據(jù)擋位設(shè)定獲取，通過計算即可解得系統(tǒng)對地導(dǎo)納參數(shù)。對圖1中配電網(wǎng)模型，注入變頻信號后測得配電網(wǎng)反饋電壓信號如圖5所示。

圖5 反饋電壓信號Figure 5 Feedback voltage signal

其頻率fi為一個關(guān)于時間t變化的函數(shù)，fi=10t，Hz(每次改變信號頻率后維持注入信號不變，一段時間后進行下一次增頻)。在5.425 s時，測量反饋電壓信號幅值有最大值，證明系統(tǒng)總對地電納與消弧線圈電感發(fā)生非工頻并聯(lián)諧振，諧振頻率fim為54.25 Hz，對應(yīng)該頻率下系統(tǒng)對地導(dǎo)納最小。此時滿足：

(6)

對地導(dǎo)納參數(shù)為

(7)

(8)

本文所提注入信號測量配電網(wǎng)導(dǎo)納的方法可實時測量配電網(wǎng)參數(shù)，不受系統(tǒng)運行方式及高頻干擾的影響；從二次側(cè)完成測量，不影響系統(tǒng)一次側(cè)正常運行，測量過程便捷可靠。

3 基于多頻增量阻尼率的高阻接地故障辨識方法

10 kV配電網(wǎng)通常為環(huán)網(wǎng)設(shè)計開環(huán)運行，一般運行狀態(tài)下為輻射型網(wǎng)絡(luò)。發(fā)生單相接地故障時，絕大多數(shù)情況為電阻性接地，等效于在故障點與大地之間增加一電導(dǎo)支路，該支路的存在使得線路零序?qū)Ъ{和阻尼率等參數(shù)發(fā)生變化。正常時，線路對地零序?qū)Ъ{包括對地電納和對地泄露電導(dǎo)，當(dāng)故障過渡電導(dǎo)支路加入后，與線路對地導(dǎo)納形成并聯(lián)，這樣故障線路的對地導(dǎo)納增大，非故障線路基本保持不變，系統(tǒng)的總對地導(dǎo)納增大。

10 kV配電網(wǎng)正常運行時，架空線路的阻尼率約為3%～5%，線路絕緣受潮時可達8%～10%；電纜線路阻尼率較小，約為2%～4%，當(dāng)絕緣老化時會增加至10%。

由于不同規(guī)模的配電網(wǎng)參數(shù)大不相同，一般情況下，辨識故障發(fā)生的配電網(wǎng)阻尼率整定值dset為20%，此時接地故障過渡電阻約為200～400 Ω；整定值dset為15%時，過渡電阻阻值約為400～600 Ω。對于過渡電阻大于1 000 Ω甚至更高的高阻，接地單頻阻尼率辨識方法將失效?；诖耍疚奶岢龌诙囝l導(dǎo)納測量的多頻阻尼率接地故障辨識方法。

針對高阻接地故障時系統(tǒng)阻尼率變化不明顯的情況，提出多頻阻尼率增量累加原理，具體包括：頻域處理，計算不同頻率的對地導(dǎo)納Yi、阻尼率di參數(shù)；時域處理，將不同時刻的多頻率下的對地導(dǎo)納、阻尼率參數(shù)，進行橫向?qū)Ρ龋嬎愕贸鲆蚪拥毓收线^渡電阻產(chǎn)生的增量阻尼率ddi，進而進行累加，實現(xiàn)接地故障特征多次放大。

頻率為fi下增量阻尼率為

ddi=

(9)

式中d0i為fi頻率下的固有阻尼率；dLi為fi頻率下的消弧線圈附加阻尼率。消弧線圈的補償容量的表達式為QL=ILUph，因此百分值形式下表示頻率為fi的消弧線圈有功損耗為

(10)

即Pi為消弧線圈有功電流與電感電流之比，或感抗與等值損耗電阻之比。聯(lián)立式(9)、(10)得：

ddi=

(11)

式中G、C為測量量；g0、rL均為固有量；ωi為輸入量。

為盡量避免ddi受注入信號頻率的影響，提出2種規(guī)避方法：方法1，采用靠近工頻(f±5 Hz)的多頻增量阻尼率進行累加，盡可能地接近工頻消除誤差，具體參數(shù)需根據(jù)配電網(wǎng)實際運行情況進行設(shè)定；方法2，由于測量配電網(wǎng)對地參數(shù)G、C時存在誤差，考慮最優(yōu)注入信號時方法1通常不再適用，提出歸一化整定方法，即將不同頻率下的增量阻尼率ddi歸算到工頻角頻率ω0，則歸算后的增量阻尼率為

(12)

對多頻增量阻尼率進行疊加并進行整定，即

(13)

式中g(shù)set為整定過渡電導(dǎo)；rdset為期望測量的過渡電阻阻值；n為多頻增量阻尼率疊加次數(shù)，其值受期望測量的最大過渡電阻阻值影響(一般過渡電阻為1 kΩ時，n取2或3；INT(x)為取整函數(shù))。

根據(jù)式(13)進行逐次累加整定，直到第n次，期間滿足整定不等式時判斷發(fā)生接地故障；當(dāng)累加至第n次時未滿足條件且出現(xiàn)中性點電壓位移，判斷配電網(wǎng)為三相不平衡狀態(tài)。

基于多頻增量阻尼率的接地故障辨識流程如圖6所示，故障辨識步驟如下。

圖6 接地故障辨識Figure 6 Ground fault identification flowchart

1)定時向配電網(wǎng)注入恒幅變頻電流信號，或?qū)崟r向配電網(wǎng)注入n個同幅異頻電流信號，測量多頻反饋電壓信號。

2)計算不同頻率下的總對地泄露電導(dǎo)G、總對地泄露電容C，進而計算阻尼率di、增量阻尼率ddi參數(shù)并對后者進行歸算。

3)對增量阻尼率進行疊加并進行整定，依據(jù)判據(jù)，進行故障辨識。

結(jié)合文第2章所提注入信號法，測量并計算獲得系統(tǒng)多頻增量阻尼率，進而進行疊加，放大高阻接地故障特征，實現(xiàn)高阻接地故障辨識，該方法不受系統(tǒng)高頻噪聲的干擾，且可靠性高。

4 算例分析

在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建如圖1所示的10 kV諧振接地配電網(wǎng)模型，參數(shù)設(shè)置如表1所示，并對低阻接地故障、高阻接地故障、弧光接地故障分別進行仿真分析驗證。

表1 10 kV配電網(wǎng)對地參數(shù)Table 1 10 kV distribution network ground parameters

4.1 多頻導(dǎo)納測量

經(jīng)消弧線圈電壓互感器向配電網(wǎng)注入非工頻電流，通過中性點零序電壓互感器測量反饋電壓信號。固定頻率為70 Hz，初相角為0°，改變幅值測量結(jié)果如表2所示。

由表2可知，返回電壓信號幅值隨注入定頻信號幅值的增大而增大，相對誤差隨之減小，一定程度上提高了測量精度。固定幅值1 A，初相角0 °，改變頻率測量結(jié)果如表3所示。

表2 改變注入信號幅值的對地參數(shù)測量結(jié)果Table 2 Measurement results of ground parameters with varying amplitude of injected signal

表3 改變注入信號頻率的對地參數(shù)測量結(jié)果Table 3 Measurement results of ground parameters that change the frequency of the injected signal

隨著注入信號頻率的增加電壓互感器磁阻降低，且勵磁阻抗變大，勵磁電流減小，有效地降低了由PT勵磁阻抗造成的影響，大大地提高了測量精度。理論上提高注入頻率可減小測量誤差，但隨頻率升高會導(dǎo)致反饋信號小易受噪聲及電力電子開關(guān)設(shè)備的干擾，并對繼電保護設(shè)備造成影響。

4.2 單相接地故障辨識

配電網(wǎng)單相接地故障導(dǎo)致中性點電壓偏移，故障點殘流大小受過渡電阻阻值的影響。仿真在0.05 s時設(shè)置接地故障，低阻接地、高阻接地、弧光接地故障[10]波形如圖7～9所示。

圖7 單相200 Ω低阻接地故障殘流Figure 7 Single-phase 200 Ω low resistance ground fault residual current

低阻接地故障時暫態(tài)特征明顯，通過采集暫態(tài)特征信號即能有效辨識接地故障，但是經(jīng)高阻抗接地或發(fā)生弧光高阻接地故障時該方法易受系統(tǒng)噪聲的干擾，很難有效地捕捉故障暫態(tài)信號?；诙囝l導(dǎo)納測量的接地故障辨識結(jié)果如表4。分別對不同啟動值dset、不同過渡電阻、不同故障距離情況進行仿真，通過式(13)計算得到故障辨識情況及過渡電阻范圍。

圖8 單相1 500 Ω高阻接地故障殘流Figure 8 Single-phase 1 500 Ω high impedance ground fault residual current

圖9 單相間歇性弧光接地故障點殘流Figure 9 Single-phase intermittent arc light ground fault point residual current

表4 不同故障情況下辨識結(jié)果Table 4 Identification results under different fault conditions

從表4可知，不同故障情況時，單一頻率下測量阻尼率參數(shù)無法辨識高阻故障，對歸一化后多頻率下的增量阻尼率進行疊加，放大了高阻接地故障特征，達到故障判斷啟動值。通過設(shè)置不同的整定值rset約束增量阻尼率的疊加次數(shù)，仿真結(jié)果顯示，通過故障辨識啟動值與整定值的合理配置，該方法均可有效地判斷1 kΩ以上的接地故障，驗證了理論分析的結(jié)果。

為了驗證本文所提方法不受電力電子開關(guān)頻率以及系統(tǒng)噪聲的影響，本文在仿真中疊加了不同分貝的高斯白噪聲，圖10為30 db白噪聲情況下高阻接地故障殘流，正常時中性點電壓已發(fā)生偏移，故障辨識結(jié)果如表5所示。由于該方法本質(zhì)上是對穩(wěn)態(tài)特征參數(shù)進行處理，受系統(tǒng)干擾影響小。系統(tǒng)中存在30 db高斯白噪聲時依然能夠有效地判斷過渡電阻為1 kΩ以上的接地故障。

圖10 30 db白噪聲情況下高阻接地故障殘流Figure 10 High-resistance ground fault residual current under 30 db white noise

表5 含噪聲情況下故障辨識結(jié)果Table 5 Failure identification results with noise

5 結(jié)語

配電網(wǎng)發(fā)生高阻接地故障時，中性點位移電壓較小，傳統(tǒng)的接地故障判據(jù)無法有效地判斷故障發(fā)生。本文提出了基于多頻導(dǎo)納測量的配電網(wǎng)接地故障辨識方法，通過注入多頻信號測得配電網(wǎng)多頻對地導(dǎo)納，計算對應(yīng)頻率下的增量阻尼率并進行疊加，多次放大故障特征，能夠準(zhǔn)確辨識高阻接地故障，大大地提高故障判斷的準(zhǔn)確率。

本文所提方法將注入信號法與穩(wěn)態(tài)法進行融合，有效地避免了參數(shù)測量時高頻分量的干擾以及諧波信號微弱、缺失對測量結(jié)果的影響；有效地規(guī)避了判定故障時暫態(tài)信號提取困難的問題，提高了高阻接地故障辨識的穩(wěn)定性。

下一步將多頻導(dǎo)納、多頻增量阻尼疊加的方法與智能算法相結(jié)合，提出無需整定的高阻接地故障辨識方法，進一步提高該方法的適用性。