基于脈沖電流的諧振接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法研究

李景麗， 劉 鵬， 趙子敬， 陳 星， 張勝樂(lè)， 張高鳴

(鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，鄭州 450001)

0 引 言

我國(guó)配電網(wǎng)多采用的是6～66 kV的中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，單相接地故障及相關(guān)故障占配網(wǎng)運(yùn)行故障中的80%以上。近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展加快，電纜線路的比例也在逐步升高，故障處的電容電流越來(lái)越大，因此，在增加消弧線圈構(gòu)成諧振接地系統(tǒng)(NES)，對(duì)入地故障電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，起到限制入地故障電容電流的作用。越來(lái)越多的應(yīng)用在城市配網(wǎng)建設(shè)中，當(dāng)該系統(tǒng)發(fā)生永久性單相接地故障時(shí)，故障線路與非故障線路的信號(hào)特征區(qū)別不明顯，難以及時(shí)準(zhǔn)確的選出故障線路，致使事故擴(kuò)大化。因此，為保證配網(wǎng)穩(wěn)定安全運(yùn)行，需要對(duì)諧振接地系統(tǒng)選線方法進(jìn)行研究，提高系統(tǒng)的選線準(zhǔn)確率。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于諧振系統(tǒng)選線方法的研究主要分為4類(lèi)[1]：1)利用故障后系統(tǒng)的暫態(tài)電氣量進(jìn)行選線(又可分為小波法、暫態(tài)能量法、暫態(tài)首半波法等)；2)通過(guò)對(duì)故障后的系統(tǒng)注入信號(hào)進(jìn)行選線；3)利用現(xiàn)代化信息融合技術(shù)進(jìn)行選線；4)利用脈沖信號(hào)進(jìn)行選線。文獻(xiàn)[2]將小波變換與維納濾波技術(shù)融合，通過(guò)故障線路與非故障線路在特征頻帶上能量不同進(jìn)行故障選線。但該方法需提前選擇合適的分解尺度和小波基函數(shù)?？僧?dāng)前對(duì)于小波基的選擇沒(méi)有合適的理論支撐。針對(duì)小波基選取困難問(wèn)題，文獻(xiàn)[3]將零序電流非工頻分量采取能夠根據(jù)信號(hào)復(fù)雜程度自適應(yīng)的希爾伯特-黃變換(簡(jiǎn)稱(chēng)HHT變換)，選出故障線路，該方法在經(jīng)高弧道電阻接地時(shí)，故障線路與非故障線路變換結(jié)果區(qū)別微小，難以準(zhǔn)確選出故障線路。文獻(xiàn)[4-7]提出的暫態(tài)能量選線方法，在故障發(fā)生后，通過(guò)計(jì)算各線路的暫態(tài)能量，根發(fā)據(jù)其極性的不同選出故障線路。該方法的本質(zhì)是通過(guò)檢測(cè)有功分量選出故障線路，但在暫態(tài)能量中，阻性分量所占比重較少，在發(fā)生經(jīng)低弧道電阻時(shí)接地故障時(shí)易選錯(cuò)線路。文獻(xiàn)[8-10]提出的暫態(tài)首半波選線方法，在故障發(fā)生后，利用故障線路與非故障線路在首半波時(shí)間范圍的零序電流幅值和極性有明顯差異進(jìn)行選線，但該方法僅在故障發(fā)生在峰值時(shí)刻附近效果明顯。文獻(xiàn)[11]在故障發(fā)生后，經(jīng)特定設(shè)備向系統(tǒng)注入頻率和幅值恒定的信號(hào)，根據(jù)各線路檢測(cè)到該信號(hào)的比重進(jìn)行故障線路的選擇。文獻(xiàn)[12-13]在母線電壓互感器二次側(cè)注入信號(hào)完成選線。該方法一方面增加投資，另一方面在于注入系統(tǒng)的外加信號(hào)易受線路中其他信號(hào)及弧道電阻的干擾。文獻(xiàn)[14-15]基于模糊理論對(duì)多種選線方法進(jìn)行融合，提升選線結(jié)果的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[16]應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將多種選線判據(jù)融合，設(shè)計(jì)了多信息融合故障選線算法。但該類(lèi)方法目前只存在于理論研究階段，缺乏實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)支撐。脈沖信號(hào)在經(jīng)高弧道電阻接地時(shí)，仍能保持較高的信號(hào)強(qiáng)度，近年來(lái)成為研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[17-21]提出將脈沖信號(hào)在頻域分解，利用直流分量、基波分量、二次諧波分量作為選線判據(jù)進(jìn)行故障選線。上述利用脈沖信號(hào)進(jìn)行故障選線方法的局限性在于模型采用單一線路類(lèi)型，所提選線判據(jù)對(duì)于出線結(jié)構(gòu)復(fù)雜的諧振接地系統(tǒng)故障選線準(zhǔn)確率不能滿(mǎn)足要求。

本研究利用matlab & simulink軟件搭建了3種諧振接地系統(tǒng)模型：架空線系統(tǒng)、電纜線系統(tǒng)、纜線混合系統(tǒng)。在3種系統(tǒng)下，設(shè)置任意線路在發(fā)生單相接地故障時(shí)，弧道電阻在0～2 000 Ω范圍內(nèi)變化，提取各線路脈沖電流進(jìn)行傅里葉分解，觀察故障線路與非故障線路脈沖電流在頻域分布上的差異，提出利用脈沖電流在頻域分解的直流分量與基波分量之和作為選線依據(jù)；通過(guò)設(shè)置典型的故障點(diǎn)位置、故障相合閘相角、故障點(diǎn)弧道電阻作為故障條件，選線準(zhǔn)確率均為100%，驗(yàn)證了選線依據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 脈沖信號(hào)選線技術(shù)

1.1 脈沖選線技術(shù)原理

由晶閘管及降壓變壓器組成的脈沖發(fā)生器并聯(lián)在消弧線圈兩側(cè)，單相接地故障脈沖電流分布見(jiàn)圖1。

圖1 單相接地故障脈沖電流分布圖Fig.1 Single-phase ground fault pulse current distribution diagram

諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，中性點(diǎn)電壓升高，在經(jīng)歷約2～3個(gè)工頻周波后，脈沖信號(hào)發(fā)生裝置短時(shí)導(dǎo)通，產(chǎn)生脈沖電流，分別流經(jīng)消弧線圈支路、故障線路與非故障線路。消弧線圈支路脈沖電流在消弧線圈與脈沖信號(hào)發(fā)生裝置支路流通；非故障線路脈沖電流通過(guò)脈沖信號(hào)發(fā)生裝置支路、各相線對(duì)地容抗、電源與地構(gòu)成流通回路；故障線路脈沖電流通過(guò)脈沖信號(hào)發(fā)生裝置支路、各相線對(duì)地容抗、故障點(diǎn)電阻支路與地構(gòu)成流通回路。每條線路出口處的脈沖電流檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)并根據(jù)各條線路間脈沖電流的差異選出故障線路。

1.2 單相接地故障時(shí)各線路脈沖電流表達(dá)式分析

系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障引起晶閘管導(dǎo)通后，這時(shí)暫態(tài)等值電路見(jiàn)圖2。圖中C0為單相對(duì)地電容，n為出線條數(shù)，Lx為消弧線圈電感，Lt為降壓變壓器阻抗，Rf為故障點(diǎn)弧道電阻，ix為流經(jīng)消弧線圈的脈沖電流，iRf為流經(jīng)弧道電阻的脈沖電流，iC為流經(jīng)每相單相對(duì)地電容的脈沖電流，it為短路脈沖電流。

圖2 諧振接地系統(tǒng)短路脈沖暫態(tài)等值電路Fig.2 Resonance grounding system short circuit pulse transient equivalent circuit

由圖2電路可知，故障與非故障線路的短路脈沖if與iuf分別為

(1)

設(shè)t=0時(shí)刻可控硅基于其端電壓以δ角度觸發(fā)導(dǎo)通，則：

-u0(t≥0)=-Vsin(ωt+δ)

(2)

其中V：u0的幅值，ω:u0的角頻率。

結(jié)合圖2可解得：

(3)

(4)

(5)

it=ix+iRf+3niC

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

2 具有脈沖信號(hào)發(fā)生裝置的NES模型

2.1 模型建立

基于matlab&simulink仿真平臺(tái)，建立了3種NES系統(tǒng)模型：架空線系統(tǒng)、電纜線系統(tǒng)、纜線混合系統(tǒng)。3種系統(tǒng)除線路長(zhǎng)度不同，組成結(jié)構(gòu)均一致，故障線路選擇最末線路。以纜線混合系統(tǒng)為例，線路L1-L4為架空線路，線路L5與線路L6為電纜線路。具體配網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下所示。電源模塊、輸電線路模塊、變壓器及負(fù)荷模塊參數(shù)見(jiàn)表1及表2。消弧線圈采取8%過(guò)補(bǔ)償度。

圖3 配網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic diagram of distribution network structure

表1 輸電線路參數(shù)Table 1 Transmission line parameters

表2 主要模塊參數(shù)Table 2 Main module parameters

架空線系統(tǒng)：共有5條，線路長(zhǎng)度分別為18 km、15 km、15 km、12 km、12 km。其他模塊參數(shù)均與纜線混合系統(tǒng)一致。

電纜線系統(tǒng)：共有5條，線路長(zhǎng)度分別為12 km、10 km、10 km、8 km、8 km。其他模塊參數(shù)均與纜線混合系統(tǒng)一致。

2.2 模型驗(yàn)證

設(shè)置L6故障點(diǎn)距離為10 km、故障合閘相角為90°的金屬性接地故障進(jìn)行模型驗(yàn)證。故障發(fā)生時(shí)間為0.04 s，0.09 s晶閘管導(dǎo)通，仿真時(shí)間在0.25 s結(jié)束。

2.2.1 系統(tǒng)相電壓及線電壓

單相接地短路故障發(fā)生后，系統(tǒng)的三相電壓及線電壓見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)電壓圖Fig.4 System voltage diagram

2.2.2 晶閘管電壓

故障發(fā)生后，晶閘管導(dǎo)通，兩端電壓見(jiàn)圖5。

圖5知，系統(tǒng)正常運(yùn)行，中性點(diǎn)電位與地電位相同即晶閘管電壓為0，發(fā)生故障后，經(jīng)過(guò)短暫的暫態(tài)振蕩過(guò)程后，0.09 s晶閘管導(dǎo)通，其兩端電壓降為0，0.1 s時(shí)，晶閘管兩端電壓為負(fù)，晶閘管關(guān)斷，兩端電壓為中性點(diǎn)電壓。圖中所示信息與理論及設(shè)置故障條件一致。

圖5 晶閘管電壓波形圖Fig.5 Voltage waveform of thyristor

2.2.3 各線路零序電流及脈沖電流

將故障發(fā)生后各線路零序電流及其中的脈沖時(shí)段電流繪制見(jiàn)圖6。

圖6 各線路電流圖Fig.6 Current diagram of each line

由圖6(a)得，所有線路在故障發(fā)生前，零序電流幅值為0，故障發(fā)生后，經(jīng)過(guò)約0.06 s的暫態(tài)振蕩過(guò)程，重新過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)幅值分別為2.317 A、0.598 A、3.575 A。理論計(jì)算得3條線路穩(wěn)態(tài)幅值為2.324 A、0.603 A、3.698 A。仿真計(jì)算與理論計(jì)算誤差不超過(guò)3%。由(b)得，故障發(fā)生前，晶閘管未投入運(yùn)行，脈沖電流為0，0.09 s晶閘管導(dǎo)通，各線路出現(xiàn)脈沖電流，且故障線路脈沖電流幅值明顯高于非故障線路。與理論分析一致。

3 脈沖選線判據(jù)及其準(zhǔn)確性分析

設(shè)置典型弧道電阻、故障距離、故障相角等故障條件組合，提取各條線路零序電流數(shù)據(jù)并分析故障線路與非故障線路脈沖電流在頻域分布的差異，設(shè)計(jì)選線判據(jù)并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

3.1 選線判據(jù)的確立

設(shè)置纜線混合系統(tǒng)在故障相合閘角90°、故障點(diǎn)距離2 km發(fā)生單相接地故障，其中弧道電阻在0-2 000 Ω范圍內(nèi)變化，并且設(shè)置晶閘管觸發(fā)角為30°；提取脈沖電流進(jìn)行傅里葉分解，得到4個(gè)典型弧道電阻情況下脈沖電流頻域分布見(jiàn)圖7。

圖7 各線路脈沖信號(hào)頻域分解圖Fig.7 Exploded view of the pulse signal in each frequency domain

由圖7(a)-(d)知，隨著弧道電阻的上升，故障線路脈沖電流的直流與基波分量始終大于非故障線路，而故障線路與非故障線路脈沖電流高頻分量間的差值隨著弧道電阻的增加由正變?yōu)樨?fù)數(shù)。

由于消弧線圈的低通濾波以及電容的高通濾波特性，諧振接地系統(tǒng)發(fā)生經(jīng)低弧道電阻接地故障，脈沖信號(hào)的直流分量與基波分量主要流經(jīng)消弧線圈與弧道電阻兩條支路，諧波分量主要流經(jīng)弧道電阻與電容支路。隨著弧道電阻上升，脈沖信號(hào)的高頻分量流經(jīng)電容支路比例相應(yīng)提升從而改變故障線路與非故障線路間大小關(guān)系。直流分量與基波分量流經(jīng)消弧線圈比例增大但不改變故障線路與非故障線路間大小關(guān)系?；谝陨辖Y(jié)果，提出Icr=I0+I1最大者為故障線路。其中I0為脈沖電流在頻域下分解的直流分量。I1為基波分量。

3.2 選線判據(jù)準(zhǔn)確性驗(yàn)證

對(duì)架空線系統(tǒng)、電纜線系統(tǒng)、纜線混合系統(tǒng)在典型故障條件下進(jìn)行仿真，驗(yàn)證提出的選線判據(jù)準(zhǔn)確性。其中非故障線路Icr值從左至右對(duì)應(yīng)由小到大線路序號(hào)。

3.2.1 不同弧道電阻下各系統(tǒng)選線結(jié)果

設(shè)置故障條件為故障相角為90°、故障位置為線路中段，弧道電阻在0～2 000 Ω范圍內(nèi)變化。纜線混合系統(tǒng)頻域分解結(jié)果于3.1已提出，因此本小節(jié)對(duì)架空線系統(tǒng)與電纜系統(tǒng)頻域結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體見(jiàn)表3，表4。

表3 弧道電阻不同時(shí)架空線系統(tǒng)選線結(jié)果Table 3 Line selection results of overhead line system with different transition resistance

表4 弧道電阻不同時(shí)電纜線系統(tǒng)選線結(jié)果Table 4 Selection results of cable system when the transition resistance is different

從表3可知，在架空線系統(tǒng)中，任意線路發(fā)生故障，隨著弧道電阻的上升，故障線路與非故障線路Icr值均在下降；弧道電阻為0 Ω，故障線路Icr值分別為非故障線路中最大Icr值的1 044倍、1 127倍、1 040倍。差異明顯，選線準(zhǔn)確率均為100%?；〉离娮栌?00～2 000 Ω變化時(shí)，故障線路與非故障線路Icr值下降速率減緩，故障線路與非故障線路Icr值間的差異縮小。但仍存在明顯差異，在弧道電阻為2 000 Ω時(shí)，故障線路Icr值分別為非故障線路中最大Icr值的8.3倍、6.8倍、6.8倍，選線準(zhǔn)確率均為100%。

從表4可知，在電纜線系統(tǒng)中，任意線路發(fā)生故障，隨著弧道電阻的上升，故障線路與非故障線路Icr值均在下降；弧道電阻為0 Ω，故障線路Icr值分別為非故障線路中最大Icr值的345倍、311倍、310倍。差異明顯，選線準(zhǔn)確率均為100%?；〉离娮栌?00～2 000 Ω變化時(shí)，故障線路與非故障線路Icr值下降速率減緩，故障線路與非故障線路Icr值間的差異縮小。在弧道電阻為2 000 Ω時(shí)，故障線路Icr值分別為非故障線路中最大Icr值的1.9倍、1.2倍、1.1倍，仍滿(mǎn)足3.1所提出的選線判據(jù)，準(zhǔn)確選出故障線路，選線準(zhǔn)確率均為100%。

3.2.2 不同故障相角下各系統(tǒng)選線結(jié)果

單相接地故障發(fā)生時(shí)間具有不確定性，隨機(jī)的，在故障發(fā)生時(shí)，故障相的合閘相角也有所不同，對(duì)配網(wǎng)的影響也有不同。本節(jié)設(shè)置故障位置為線路中段、弧道電阻為500 Ω、故障相角在0～90°變化，驗(yàn)證3.1選線判據(jù)的準(zhǔn)確性。結(jié)果見(jiàn)表5、表6、表7。

表5 故障相角不同時(shí)架空線系統(tǒng)選線結(jié)果Table 5 Line selection results of overhead line system with different phase angles

表6 故障相角不同時(shí)電纜線系統(tǒng)選線結(jié)果Table 6 Selection results of cable system when the fault phase angle is different

表7 故障相角不同時(shí)纜線混合系統(tǒng)選線結(jié)果Table 7 Line selection results of cable hybrid system with different phase angles

從表5可知，任意線路發(fā)生單相接地故障，隨著故障相角的增大，故障線路的Icr值增大，逐漸趨于飽和。而非故障線路的Icr值減小，兩者差異增大；故障相角為0°時(shí)，故障線路Icr值分別為非故障線路Icr值15.3倍、12.6倍、12.5倍。差異明顯，依據(jù)3.1提出的選線判據(jù)判斷選線準(zhǔn)確率為100%。

從表6可知，任意線路發(fā)生單相接地故障，隨著故障相角的增大，故障線路的Icr值增大，逐漸趨于飽和。非故障線路Icr值無(wú)明顯變化；故障相角為0°時(shí)，故障線路Icr值分別為非故障線路Icr值2.1倍、1.3倍、1.2倍，差異明顯，依據(jù)3.1提出的選線判據(jù)判斷選線準(zhǔn)確率為100%。故障相角為30°時(shí)，故障線路Icr值分別為非故障線路Icr值2.9倍、3.1倍、1.8倍，選線準(zhǔn)確率為100%。故障相角為60°時(shí)，故障線路Icr值分別為非故障線路Icr值4.5倍、2.5倍、3.0倍，選線準(zhǔn)確率為100%。故障相角為90°時(shí)，故障線路Icr值分別為非故障線路Icr值3.7倍、2.5倍、2.4倍，選線準(zhǔn)確率為100%。

從表7可知，纜線混合系統(tǒng)中，任意線路發(fā)生單相接地故障，隨著故障相角的增大，故障線路的Icr值增大，逐漸趨于飽和。非故障線路Icr值無(wú)明顯變化；故障相角為0°時(shí)，故障線路Icr值分別為非故障線路Icr值2.6倍、1.8倍，依據(jù)3.1提出的選線判據(jù)判斷選線準(zhǔn)確率為100%。故障相角為30°時(shí)，故障線路Icr值分別為非故障線路Icr值3.9倍、3.2倍，選線準(zhǔn)確率為100%。故障相角為60°時(shí)，故障線路Icr值分別為非故障線路Icr值6.3倍、5.3倍，差異明顯，選線準(zhǔn)確率為100%。故障相角為90°時(shí)，故障線路Icr值分別為非故障線路Icr值5.9倍、6.1倍，選線準(zhǔn)確率為100%。

3.2.3 不同故障距離下各系統(tǒng)選線結(jié)果

配網(wǎng)線路架設(shè)長(zhǎng)度有所不同，故障位置也有所不同，本節(jié)設(shè)置故障相角為90°、弧道電阻500 Ω，分別在不同線路的首段、中段、末端設(shè)置單相接地故障，驗(yàn)證選線判據(jù)的準(zhǔn)確性。具體見(jiàn)表8，表9及表10。

表8 故障距離不同時(shí)架空線系統(tǒng)選線結(jié)果Table 8 Line selection results of overhead line system at different fault distances

表9 故障距離不同時(shí)電纜線系統(tǒng)選線結(jié)果Table 9 Selection results of cable system when the fault distance is different

表10 故障距離不同時(shí)纜線系統(tǒng)選線結(jié)果Table 10 Selection results of cable system when the fault distance is different

由表8知，在架空線系統(tǒng)中，任意線路發(fā)生單相接地故障，隨著故障距離的增加，故障線路與非故障線路Icr值均略微下降，差異無(wú)明顯變化。故障發(fā)生在線路末端時(shí)，故障線路Icr值分別為非故障線路Icr值33.7倍、28.1倍、28.1倍。差異明顯，選線準(zhǔn)確率為100%。

由表9知，在電纜線系統(tǒng)中，任意線路發(fā)生單相接地故障，隨著故障距離的增加，故障線路與非故障線路Icr值均略微下降，差異無(wú)明顯變化。故障發(fā)生在線路末端時(shí)，故障線路Icr值分別為非故障線路Icr值4.5倍、3.1倍、3.0倍。差異明顯，選線準(zhǔn)確率為100%。

由表10知，在纜線混合系統(tǒng)中，任意線路發(fā)生單相接地故障，隨著故障距離的增加，故障線路與非故障線路Icr值均略微下降，差異無(wú)明顯變化。故障發(fā)生在線路末端時(shí)，故障線路Icr值分別為非故障線路Icr值6.3倍、6.1倍。差異明顯，選線準(zhǔn)確率為100%。

4 結(jié) 論

本研究分析諧振接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)脈沖電流特征?；趍atlab & simulink仿真平臺(tái)建立了架空線系統(tǒng)、電纜線系統(tǒng)、纜線混合系統(tǒng)，根據(jù)3種系統(tǒng)單相接地故障時(shí)，故障線路與非故障線路脈沖電流的差異，建立選線依據(jù)并驗(yàn)證選線依據(jù)的準(zhǔn)確性，得到如下結(jié)論：

1)諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線路與非故障線路脈沖電流差異主要集中在直流分量與基波分量。

2)隨著弧道電阻的增加，故障線路與非故障線路Icr數(shù)值減小，差異縮小，仍符合選線判據(jù)，選線準(zhǔn)確率100%。

3)隨著故障相角的增加，故障線路Icr值增加，非故障線路Icr值無(wú)明顯變化，選線準(zhǔn)確率100%。

4)隨著故障距離的增加，故障線路與非故障線路Icr數(shù)值均略微減小，選線準(zhǔn)確率100%。