基于小波分析的艦船中壓電網(wǎng)間歇性接地故障選線研究

宋亞偉，陳傳生，晏 凱，葉澤浩

基于小波分析的艦船中壓電網(wǎng)間歇性接地故障選線研究

宋亞偉，陳傳生，晏 凱，葉澤浩

（空軍預(yù)警學(xué)院，武漢 430019）

為了對(duì)中壓條件下艦船電網(wǎng)愈發(fā)頻發(fā)的間歇性接地故障進(jìn)行故障定位，本文提出了一種基于小波分析的間歇性接地故障選線方法。該方法針對(duì)艦船中壓電網(wǎng)暫態(tài)故障電流特性，利用小波分析工具對(duì)暫態(tài)電流進(jìn)行特征提取獲得各支路電流的模極大值，然后按照雙門限檢測(cè)策略對(duì)故障支路進(jìn)行故障定位，最后在Matlab/Simulink平臺(tái)上對(duì)該方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果證明了該方法的可行性和正確性。

艦船中壓電網(wǎng) 小波分析 間歇性接地故障

0 引言

隨著艦船電網(wǎng)的電壓等級(jí)從低壓升級(jí)到中壓，在低壓交流供電方式下不會(huì)出現(xiàn)或出現(xiàn)頻率很低的間歇性絕緣故障在中壓條件下逐漸顯現(xiàn)或出現(xiàn)的更加頻繁[1]。在艦船上的間歇性絕緣故障主要包括間歇性電弧接地故障和電纜受機(jī)箱振動(dòng)的間歇性虛接故障，而艦船上安裝的絕緣監(jiān)測(cè)裝置對(duì)于此類故障尚無法進(jìn)行有效診斷，并且很容易發(fā)生虛警。另一方面間歇性接地故障往往是供電網(wǎng)絡(luò)絕緣開始惡化的前兆，如果對(duì)間歇性絕緣故障監(jiān)測(cè)不及時(shí)很容易導(dǎo)致絕緣進(jìn)一步惡化最終演變?yōu)榻饘傩越拥毓收蟍2]。

針對(duì)間歇性接地故障對(duì)艦船中壓電網(wǎng)的危害，本文對(duì)于艦船中壓電網(wǎng)的暫態(tài)電流特性進(jìn)行了分析，提出了一種基于小波分析的雙門限檢測(cè)方法來完成對(duì)于故障支路的判定和選線，并且在Matlab/Simulink上完成了仿真，仿真結(jié)果證明了該方法的正確性。

1 暫態(tài)電流特性分析

當(dāng)艦船中壓電網(wǎng)中發(fā)生絕緣故障時(shí)，故障相的相電壓會(huì)發(fā)生突降，系統(tǒng)對(duì)地分布電容發(fā)生暫態(tài)放電現(xiàn)象，形成暫態(tài)放電電流。而另一方面，非故障相的相電壓在發(fā)生絕緣故障的一瞬間，產(chǎn)生瞬間的驟升，對(duì)地分布電容發(fā)生暫態(tài)的充電現(xiàn)象，形成暫態(tài)的充電電流。這兩部分電流共同組成了絕緣故障時(shí)系統(tǒng)的暫態(tài)電流[3-5]。

圖1為艦船中壓中性點(diǎn)高阻接地系統(tǒng)的絕緣故障暫態(tài)等效電路圖：

圖1 絕緣故障暫態(tài)等效電路圖

由基爾霍夫電壓定律可得：

由于艦船電力網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的特殊性，電纜中形成的對(duì)地分布電容要比陸地電網(wǎng)大很多，這樣造成發(fā)生絕緣故障時(shí)，系統(tǒng)的暫態(tài)特性更加激烈，而且得持續(xù)時(shí)間更短，具有瞬時(shí)性和很強(qiáng)的沖擊性。

列出暫態(tài)零序電流的公式：

發(fā)生單相絕緣故障時(shí)，暫態(tài)電流的表達(dá)式為：

最后歸納得出單相絕緣故障時(shí)暫態(tài)接地電流特性為：

1）系統(tǒng)中零序電流的暫態(tài)分量比穩(wěn)態(tài)分量大很多，跟陸上電網(wǎng)相比暫態(tài)特性更加激烈，持續(xù)的時(shí)間更短，具有瞬時(shí)性和很強(qiáng)的沖擊性；

2）在方向上，暫態(tài)特性與穩(wěn)態(tài)特性一致，非故障支路方向是從母線流往支路，故障支路是支路流向母線；

3）暫態(tài)故障電流的大小和初相角有關(guān)，故障合閘角越大，幅值也越大。

2 基于小波分析的雙門限檢測(cè)方法簡(jiǎn)述

間歇性接地故障具有瞬時(shí)性和沖擊性，含有大量的暫態(tài)故障信息，所以可以利用基于暫態(tài)信號(hào)的選線方法完成對(duì)間歇性接地故障支路的選線。

利用小波分析法能夠?qū)Πl(fā)生故障瞬間的高頻暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上采用小波包分解對(duì)信號(hào)進(jìn)一步分析，得到更為準(zhǔn)確的暫態(tài)高頻信息。正是由于小波分析的此種能力和不錯(cuò)的選線能力，此方法被廣大學(xué)者廣泛采用。在對(duì)各條支路的零序電流進(jìn)行小波分析處理后，故障支路的模極大值最大而且極性與其它正常支路相反，當(dāng)發(fā)生間歇性接地故障時(shí)，模極大值也會(huì)重復(fù)出現(xiàn)，基于此特性可以在一個(gè)檢測(cè)窗口內(nèi)對(duì)采集到的零序電流進(jìn)行小波變換后與模值門限進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)大于閾值的個(gè)數(shù)，再將其與個(gè)數(shù)門限0進(jìn)行比較，如果＞0，那么就判定該支路發(fā)生了間歇性接地故障。

雙門限檢測(cè)策略的主要選線流程如圖：

圖2 雙門限檢測(cè)策略選線流程圖

3 仿真驗(yàn)證

圖3 艦船中壓電網(wǎng)仿真模型圖

1）電網(wǎng)分布電容平衡仿真分析

當(dāng)電網(wǎng)分布電容平衡時(shí)，過渡電阻為R為500 Ω時(shí)，當(dāng)發(fā)生間歇性接地故障對(duì)各支路下的漏電流進(jìn)行小波分析，得到的小波分析波形如圖4所示：

圖4 模極大值

當(dāng)過渡電阻為20 kΩ時(shí)，小波分析波形如圖5所示：

圖5 電容平衡時(shí)過渡電阻為20 kΩ，零序電流小波分析波形

綜上，當(dāng)電網(wǎng)分布電容平衡時(shí)，過渡電阻的大小會(huì)影響到小波分析后得到的模極大值的大小，但是正常支路和故障支路的模極大值都有明顯差別，設(shè)置好合適的閾值就可以采用雙門限的檢測(cè)方法對(duì)故障支路進(jìn)行選線定位。

2）電網(wǎng)分布電容不平衡仿真分析

當(dāng)B相分布電容為1.5 μF，即電網(wǎng)分布電容不平衡度為0.5，過渡電阻為500 Ω時(shí)，對(duì)各支路的漏電流進(jìn)行小波分析，得到的波形如圖6：

圖6 電容不平衡度為0.5，過渡電阻為500 Ω，零序電流小波分析波形

當(dāng)過渡電阻為20 kΩ時(shí)，對(duì)各支路的漏電流進(jìn)行小波分析，得到的波形如圖7：

圖7 電容不平衡度為0.5，過渡電阻為20 kΩ，零序電流小波分析波形

在電網(wǎng)分布電容不平衡度為0.5的條件下，對(duì)比過渡電阻為500 Ω和20 kΩ的小波分析波形，正常支路和故障支路的模極大值還是有明顯差距，因此雙門限的檢測(cè)方法依然適用，設(shè)置好合適的門限值可以很容易對(duì)間歇性接地故障進(jìn)行判定選線。

綜合以上兩種工況，小波分析法對(duì)于電網(wǎng)平衡和不平衡的狀態(tài)都有很好的故障支路選線定位能力，但是在過渡電阻過大的情況下，零序電流已經(jīng)十分微弱，這對(duì)裝置的微弱信號(hào)采樣能力提出了很高的要求。

4 總結(jié)

本文針對(duì)艦船電網(wǎng)愈發(fā)頻發(fā)的間歇性接地故障提出了一種基于小波分析的間歇性接地故障選線方法。該方法主要是利用小波分析工具獲得各支路暫態(tài)電流的模極大值，然后再運(yùn)用雙門限檢測(cè)策略對(duì)故障支路進(jìn)行故障定位。最后在Matlab/Simulink搭建的仿真模型上對(duì)于電網(wǎng)分布電容平衡和電網(wǎng)電容不平衡的工況下進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果證明該方法對(duì)間歇性接地故障都有很好的判定選線能力，為間歇性接地故障的選線定位提供了一種新思路。

[1] 宋亞偉, 涂灝, 韓偉等. 基于模糊理論的艦船中壓電網(wǎng)絕緣故障選線研究[J]. 空軍預(yù)警學(xué)院學(xué)報(bào), 2020,34(6): 434-439.

[2] 張子杰. 艦船配電線纜絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究[D]. 西安:西安理工大學(xué), 2020:1-4.

[3] 張彥魁, 畢大強(qiáng), 劉同和. 船舶中壓電網(wǎng)高阻接地方式機(jī)理研究中國(guó)艦船研究[J]. 中國(guó)艦船研究, 2014,9(2):89-94.

[4] 張曉鋒, 李耕, 陳亮等. 船舶交流電力系統(tǒng)電制選擇與工作接地[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2017,29(2):85-91

[5] 張志霞. 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線理論研究[M]. 沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社, 2014.

Research on intermittent ground fault line selection of ship medium voltage grid based on wavelet analysis

Song Yawei, Chen Chuansheng, Yan Kai, Ye Zehao

(Air Force Early Warning Academy，Wuhan 430019, Hubei, China）

TM74

A

1003-4862（2022）09-0001-03

2022-03-15

宋亞偉(1990-)，碩士，講師。研究方向：電力系統(tǒng)安全運(yùn)行和預(yù)警裝備實(shí)現(xiàn)技術(shù)。E-mail: songyawei@126.com