基于電流畸變的配網(wǎng)單相接地故障選線與判別＊

汪勝和,陳曉東,項(xiàng)忠華,葉遠(yuǎn)波

（1．國網(wǎng)安徽省電力有限公司，安徽 合肥 230022；2．國網(wǎng)安徽省宣城供電公司，安徽 宣城 242000）

1 引言

隨著新能源在電網(wǎng)的滲透率不斷增高，配電網(wǎng)逐漸成為多源網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)單向接地故障檢測(cè)和定位變得更為復(fù)雜?，F(xiàn)階段電網(wǎng)需要進(jìn)行同步量測(cè)實(shí)現(xiàn)廣域運(yùn)行電網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，配電網(wǎng)單向接地故障檢測(cè)如利用相應(yīng)電壓電流的關(guān)系，則可以解決實(shí)時(shí)故障、定位等問題。

目前針對(duì)小電流接地系統(tǒng)的單向接地故障、選線主要分為穩(wěn)態(tài)法、暫態(tài)法和主動(dòng)法[1]。穩(wěn)態(tài)法主要使用穩(wěn)態(tài)信號(hào)進(jìn)行故障判別；暫態(tài)法是主要基于小波分析而提取子頻帶內(nèi)暫態(tài)連續(xù)電流信號(hào)的方法；主動(dòng)法是需要利用消弧線圈或電力電子裝置向配電網(wǎng)注入不同頻率的信號(hào)來檢測(cè)故障線路。目前這類方法中，暫態(tài)信號(hào)方法具有較高的準(zhǔn)確率，而人工智能方法具有較大的不確定性。

目前針對(duì)單相接地故障的檢測(cè)研究較多。文獻(xiàn)[2]提出了考慮配電網(wǎng)分布式零序電流關(guān)系的單相接地故障定位。文獻(xiàn)[3]提出了一種配電網(wǎng)饋出線路單相永久性接地故障性質(zhì)辨識(shí)方法。文獻(xiàn)[4]針對(duì)諧振接地系統(tǒng)單相接地故障有源電流注入全補(bǔ)償消弧進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于同步量測(cè)大數(shù)據(jù)的配網(wǎng)單相接地故障檢測(cè)及定位方法。文獻(xiàn)[6-8]提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)單相接地故障識(shí)別方法。文獻(xiàn)[9]提出了含分布式電源的配電網(wǎng)單相接地故障精確定位方法。這些研究都較為復(fù)雜，求解難度較大。本文針對(duì)單相接地故障短路故障診斷進(jìn)行了分析，提出了一種針對(duì)電流畸變的單向接地故障診斷方法。首先建立了配網(wǎng)單向接地故障的模型，分析了故障向量圖。提出了基于凱倫布爾變換的單向接地故障判斷方法。利用健全相和故障相之間電流畸變的關(guān)系判斷故障線路。針對(duì)所提的模型進(jìn)行的仿真分析，進(jìn)而說明了本文所提方法的有效性。

2 配網(wǎng)單相接地故障模型

配電網(wǎng)一般為小電阻接地或消弧線圈接地系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)的暫態(tài)電容電流主要由故障相電壓降低引起的電容放電以及非故障相電壓升高引起的電容充電過程組成。

在配網(wǎng)單相接地故障線路選線過程中，繼電保護(hù)裝置需要識(shí)別各種物理量的變化，主要是基于電壓和電流量的變化。由于在正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)為三相對(duì)稱系統(tǒng)，不存在零序分量；一旦發(fā)生單相接地故障，則會(huì)產(chǎn)生零序分量。系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置，可以利用這一分量對(duì)系統(tǒng)故障線路進(jìn)行判斷。但是由于在小電流接地系統(tǒng)中連續(xù)分量變化在某些情況下感知程度不夠，難以判斷具體故障線路。在負(fù)荷相電流以及大地與線路電容之間的電流形成的總電流導(dǎo)致配網(wǎng)環(huán)流，從而干擾了系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置對(duì)故障線路的判斷和檢測(cè)。

圖1給出了單相接地故障的零序網(wǎng)絡(luò)圖。一般情況下，非故障線路兩側(cè)的故障電流和故障分量電流基本相等，而故障線路兩側(cè)的故障電流和故障分量電流一般不等，距離故障點(diǎn)最近的支路故障電流最大，針對(duì)單相接地故障通常利用零序電流進(jìn)行分析。

針對(duì)零序電流，有下列表達(dá)式：

其中ωdch為放電頻率分量，與網(wǎng)絡(luò)形式、長度、故障點(diǎn)到保護(hù)裝置的距離有關(guān)。；ωch為充電頻率分量，取決于網(wǎng)絡(luò)電容電流以及電源阻抗。

系統(tǒng)正常狀態(tài)時(shí)，各饋線的對(duì)地電容電流計(jì)算如下：

當(dāng)L1發(fā)生單相接地故障，非故障相五次諧波電流為：

非故障相的各次諧波突變量計(jì)算如下：

相應(yīng)的向量圖分析如圖2、圖3所示。

上述分析主要針對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，對(duì)于中性點(diǎn)接地系統(tǒng)，分類方法類似。

3 基于凱倫布爾變換的單相接地故障模型

3.1 凱倫布爾變換

凱倫布爾變換適用于三相系統(tǒng)的解耦分析，主要應(yīng)用于暫態(tài)分析。其原理如下所示：

其中，T-1為變換矩陣；Xp為相分量矩陣；

由基本電路關(guān)系，得到：

其中，考慮系統(tǒng)對(duì)稱，

其中，Z0、Z1和Z2為網(wǎng)絡(luò)阻抗的0，1，2 模。上述變換不涉及復(fù)數(shù)，求解較為方便，因此，可以將三相系統(tǒng)用該方法進(jìn)行解耦。

考慮圖1的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生的單相接地故障，三相對(duì)稱為系統(tǒng)，系統(tǒng)等值阻抗由線路、變壓器和負(fù)荷構(gòu)成，得到Zeq。

對(duì)于某一線路f處發(fā)生單相（a）接地故障，邊界條件為：

由卡倫布爾變換，得到相對(duì)模的變換結(jié)果：

其中，U0、U1、U2和I0、I1、I2分別為電壓和電流模相量。

則故障電壓表達(dá)式為：

各種故障條件下的特征量如圖4所示[8]。

3.2 單相接地故障判斷方法

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)故障時(shí)，故障電流為正弦量，表達(dá)式如下：

為簡(jiǎn)化分析，考慮如下關(guān)系：

其中，φ為故障時(shí)初始相角。

為實(shí)現(xiàn)甄別健全相和故障相，考慮相電流畸變率：

選相的判別標(biāo)準(zhǔn)為，單相接地故障線路中的健全相e＜0，故障相e＞0。

4 單相接地故障定位流程

本文所提的基于電流畸變故障判斷方法流程圖如圖5所示。

對(duì)故障后的三相電流進(jìn)行凱倫布爾變換，可以得到相應(yīng)的模故障分量。這類故障分量含有一定諧波，需要進(jìn)行相應(yīng)的諧波處理。然后利用電流畸變方法確定畸變率的大小。進(jìn)而進(jìn)行故障線路的判斷。

5 算例分析

5.1 系統(tǒng)說明

本文選取某系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，仿真環(huán)境為MATLAB2012b，接線圖如下圖6所示。

線路的長度和參數(shù)如下表所示。

表1 線路長度

架空線參數(shù)為：r1=0．1471Ω/km，l1=0．43Ω/km，c1=0．0093μF/km，r0=0．5144Ω/km，l0=1．3885Ω/km，c0=0．006μF/km。

電纜參數(shù)為：r1=0．196Ω/km，l1=0．102Ω/km，c1=0．26μF/km，r0=1．96Ω/km，l0=0．34Ω/km，c0=0．158μF/km。

5.2 算例分析

故障線路零序電流在42ms時(shí)的波形如圖7所示：

可以看出，在故障發(fā)生后的極短時(shí)間內(nèi)，故障相電流經(jīng)歷很短暫的暫態(tài)波動(dòng)，這與系統(tǒng)的過阻尼或欠阻尼形式有關(guān)，之后便逐漸進(jìn)入穩(wěn)態(tài)故障狀態(tài)。

在暫態(tài)過程持續(xù)一定時(shí)間后，大約30ms后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程，利用本文所提諧波畸變方法進(jìn)行故障判斷。

表2 電流畸變率計(jì)算結(jié)果

可以看出，僅故障相的畸變率為正，即電流增大。另外為了驗(yàn)證本文所提方法的有效性，對(duì)故障的線路、初始角、接地電阻和故障位置均進(jìn)行測(cè)試，得到的結(jié)果如表3所示。

表3 故障選線結(jié)果

6 結(jié)束語

本文提出了一種基于電流畸變的單相接地故障診斷與定位方法。首先分析了單相接地故障時(shí)的相電流分量關(guān)系。然后說明了凱倫布爾變換原理，建立了基于該變換的單相接地短路故障分析模型。提出了穩(wěn)態(tài)故障下的相電流畸變方法，說明了選線原理和流程。

仿真算例表明，針對(duì)不同的故障條件，本文方法選線結(jié)果均正確，由此可見，本文所提方法針對(duì)不同的故障條件均顯示出了較高的可靠性。