基于注入法的變電站直流電源接地故障檢測(cè)方法

張成志

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)寧市任城區(qū)供電公司，山東 濟(jì)寧 272000）

0 引 言

電力系統(tǒng)接地故障檢測(cè)是我國(guó)重點(diǎn)關(guān)注的課題之一。楊耿杰等人通過(guò)重構(gòu)配電網(wǎng)零序電流信號(hào)得到信號(hào)軌跡圖，實(shí)現(xiàn)了接地故障的精準(zhǔn)檢測(cè)[1]。王賓等人基于接地故障時(shí)零模電壓與電流之間的伏安特性軌跡，提出一種兼顧可靠性與靈敏性的接地故障檢測(cè)方法[2]。田鳳蘭等人利用小波包分解改進(jìn)了Schwarz電弧模型，解決了不同故障距離與不同故障相角等條件下的接地故障檢測(cè)問(wèn)題[3]。文章展開(kāi)變電站直流電源接地故障檢測(cè)方法的相關(guān)研究，以期推動(dòng)我國(guó)配電網(wǎng)健康發(fā)展。

1 變電站直流電源注入脈沖信號(hào)

目前，我國(guó)變電站直流電源發(fā)生接地故障時(shí)，主要采用諧波法和電容電流法等方法來(lái)檢測(cè)[4]。在采用信號(hào)注入法檢測(cè)變電站直流電源接地故障時(shí)，需要先確定信號(hào)源裝置。該裝置主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生特殊信號(hào)注入直流電源，同時(shí)兼顧選線作用。向變電站直流電源注入信號(hào)時(shí)，為消除接地過(guò)電壓造成的諧振，需要注入阻性分量，從而產(chǎn)生弧光電流。當(dāng)電流過(guò)零電弧熄滅后，有功電流可以吸收電弧引發(fā)的電磁振蕩，從而減小過(guò)電壓。文章選擇納秒級(jí)高壓脈沖發(fā)生裝置作為注入信號(hào)源[5]。該信號(hào)源注入的脈沖信號(hào)包括多種類(lèi)型，如方形波、三角波、矩形波等。文章綜合考慮脈沖信號(hào)的傳播特性和變電站直流電源接地故障檢測(cè)的實(shí)際需要，選用注入脈沖信號(hào)。

用信號(hào)注入法檢測(cè)接地故障時(shí)，脈沖信號(hào)的能量會(huì)被故障線路消耗，因此注入的脈沖信號(hào)寬度需要盡可能窄，幅值盡可能大，從而降低入射波與反射波之間的重疊度，同時(shí)滿(mǎn)足脈沖能量變化需求[6]。文章選擇注入的脈沖信號(hào)的參數(shù)如表1所示。在表1參數(shù)的基礎(chǔ)上，文章采用周期間歇性注入法將脈沖信號(hào)注入變電站直流電源。

2 變電站直流電源接地故障檢測(cè)

2.1 確定選線判據(jù)

文章根據(jù)注入脈沖信號(hào)的響應(yīng)電流信號(hào)檢測(cè)接地故障[7]，以注入脈沖信號(hào)的響應(yīng)電流信號(hào)的分擔(dān)系數(shù)軌跡特征作為選線判據(jù)[8]。

首先，需要獲得響應(yīng)電流信號(hào)的分擔(dān)系數(shù)。假設(shè)高阻接地直流電源的過(guò)渡電導(dǎo)為D0，那么過(guò)渡電導(dǎo)下線路n的零序?qū)Ъ{Kn的計(jì)算公式為

式中：jω表示電抗；Bn表示直流電源中線路n的分布電容；Dn表示直流電源中線路n的分布電導(dǎo)。

其次，由式（1）可以求出高阻接地直流電源的總零序?qū)Ъ{K0，公式為

式中：B0表示直流電源中總分布電容；D1表示直流電源中總分布電導(dǎo)。

再次，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以獲得變電站直流電源發(fā)生接地故障時(shí)，正常線路與故障線路對(duì)注入脈沖信號(hào)的響應(yīng)電流信號(hào)的分擔(dān)系數(shù)[9]。

式中：η1表示變電站直流電源發(fā)生接地故障時(shí)，正常線路對(duì)注入脈沖信號(hào)的響應(yīng)電流信號(hào)的分擔(dān)系數(shù)；η2表示變電站直流電源發(fā)生接地故障時(shí)，故障線路對(duì)注入脈沖信號(hào)的響應(yīng)電流信號(hào)的分擔(dān)系數(shù)；D2表示中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地的電納。

最后，根據(jù)式（3）所求分擔(dān)系數(shù)，即可確定發(fā)生接地故障時(shí)，變電站直流電源正常線路與故障線路的分擔(dān)系數(shù)的軌跡特性，并將此作為選線判據(jù)。結(jié)合線路阻尼率的理論可知，正常線路的分擔(dān)系數(shù)軌跡相角需要在81°以上。如果某條線路的分擔(dān)系數(shù)軌跡的未超過(guò)81°，該線路就是發(fā)生接地故障的線路。

2.2 接地故障選線

文章采用周期間歇性的注入方式，其中電容對(duì)注入脈沖信號(hào)的影響較小。對(duì)于注入脈沖信號(hào)后的直流電源等效電路，假設(shè)驅(qū)動(dòng)電壓為Um(t)，即

式中：U1、U2為固定電壓值。一般情況下，等效電路的響應(yīng)電流可以通過(guò)電壓與電阻計(jì)算得到。如果t=0，電路的電壓就會(huì)由U1跳到U2，響應(yīng)電流從趨向于，其中R為電阻值。此時(shí)，可以得到直流電源注入脈沖信號(hào)的響應(yīng)電流信號(hào)，即

式中：I(t)表示直流電源等效電路的回路電流信號(hào)；z表示直流電源等效電路的阻抗；e為脈沖信號(hào)相應(yīng)特征。求出響應(yīng)電流信號(hào)的分擔(dān)系數(shù)軌跡，并按照變電站直流電源接地故障選線流程進(jìn)行故障選線。變電站直流電源接地故障選線流程如圖1所示。

圖1 變電站直流電源接地故障選線流程

由于脈沖信號(hào)注入后提取的響應(yīng)電流信號(hào)的故障特性與未注入脈沖信號(hào)時(shí)電源的故障特性相同，文章基于注入法向變電站直流電源注入脈沖信號(hào)，再提取注入脈沖信號(hào)的響應(yīng)電流信號(hào)，根據(jù)式（3）求出直流電源線路的分擔(dān)系數(shù)，以分擔(dān)系數(shù)的相位變化特性為判據(jù)進(jìn)行接地故障選線，以此完成變電站直流電源接地故障的檢測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在某110 kV變電站內(nèi)部的實(shí)際線路上展開(kāi)仿真實(shí)驗(yàn)。選取該變電直流系統(tǒng)的10 kV配電線路作為故障檢測(cè)線路，在測(cè)試線路上選取4個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)設(shè)置接地故障，變電站直流電源接地故障布點(diǎn)如圖2所示。

圖2 變電站直流電源接地故障布點(diǎn)

3.2 結(jié)果分析

選用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變電站直流電源接地故障檢測(cè)方法和基于支持向量機(jī)的變電站直流電源接地故障檢測(cè)方法作為實(shí)驗(yàn)對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)得到基于各檢測(cè)方法的線路故障前后電流波形變化如圖3所示。

圖3 不同檢測(cè)方法下的故障線路電流波形

從圖3可以看出，當(dāng)在變電站直流電源測(cè)試線路加入單相接地故障時(shí)，不同檢測(cè)方法下，錄波儀記錄的電流波形均發(fā)生變化，說(shuō)明這3種方法均能有效檢測(cè)接地故障電流。為直觀呈現(xiàn)文章設(shè)計(jì)的方法的優(yōu)越性，采用正確率作為判斷指標(biāo)，其計(jì)算公式為

式中：γ表示變電站直流電源接地故障檢測(cè)的正確率；N1表示故障指示器正確動(dòng)作的次數(shù)；N2表示實(shí)驗(yàn)次數(shù)。3種檢測(cè)方法下的正確率對(duì)比結(jié)果，如表2所示。

表2 不同方法下的接地故障檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

從表2數(shù)據(jù)可以看出，采用本文方法的測(cè)試故障檢測(cè)的正確率較高，平均正確率為95.37%，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平均正確率是78.44%，支持向量機(jī)平均正確率是73.20%?？梢?jiàn)，本文方法較對(duì)照組分別高出16.93個(gè)百分點(diǎn)、22.16個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí)，本文方法無(wú)論接地電阻的阻值如何變化，接地故障檢測(cè)的正確率都不會(huì)出現(xiàn)大的變化。因此，設(shè)計(jì)的基于注入法的變電站直流電源接地故障的整體檢測(cè)效果較好，具有較高精度。

4 結(jié) 論

文章采用注入法檢測(cè)變電站直流電源接地故障，首先選擇一個(gè)合理的信號(hào)源裝置向變電站直流電源注入脈沖信號(hào)，其次采用差值運(yùn)算法提取脈沖信號(hào)的響應(yīng)電流信號(hào)，并基于信號(hào)分擔(dān)系數(shù)的軌跡特征判定故障線路，最后完成接地故障檢測(cè)，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性與可靠性。