基于小波分析的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線的研究

國網(wǎng)宜昌供電公司 周軒鋒

綜合當(dāng)前研究現(xiàn)狀來看，在小電流接地系統(tǒng)的發(fā)展中，單相接地配電網(wǎng)故障選線自動(dòng)化技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，雖然一些專家學(xué)者對此展開了深入的探討與分析，但是總的來說，當(dāng)前并未研發(fā)出更加安全可靠、適用于各種緊急情況的故障選線技術(shù)解決方法。所以，為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展趨勢，對于高性能的配電網(wǎng)故障選線自動(dòng)化技術(shù)也提出了更高要求。小波變換本身具有較強(qiáng)的對小電流暫態(tài)信號進(jìn)行分析和處理的數(shù)據(jù)分析能力，能夠準(zhǔn)確提取其中的暫態(tài)分量和信號在線路中的實(shí)際應(yīng)用信息，為小電流故障處理和選線的實(shí)現(xiàn)提供了支持。本文主要研究小波變換在小電流單相接地系統(tǒng)故障處理和選線過程中的實(shí)際應(yīng)用。

1 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障分析

1.1 小電流單相接地故障的穩(wěn)態(tài)特征分析

我國電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)經(jīng)常采用不接地、經(jīng)消弧線圈接地兩種方式，因此本文主要介紹這兩種接地方式。

1.1.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障分析

假設(shè)系統(tǒng)模型為三條出線的無限電源，三條出線具有不同的長度，在L1線的C相中，產(chǎn)生了單相金屬接地故障的問題。單相接地故障電容電流在進(jìn)行分析時(shí)，所提出的假設(shè)包括[1]：系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，所選用的即為三相對稱系統(tǒng)的形式，三相相稱是電壓對稱；每條線路三相對地電容相等，并且采用集中電容的方法，對分布式電容進(jìn)行替代；對各條線路所產(chǎn)生的三相對地電導(dǎo)予以忽略。

根據(jù)非故障線路L2可以得出，因?yàn)镃相電壓表示為0，其相對電容電流也表示為0，隨著相電壓的加大，A相與B相對地電容電流也hi隨之增加。與之相對應(yīng)的對地電容基波電流的計(jì)算公式具體如下：，如上述公式所示，在線路L2中，A、B、C這三相所對應(yīng)的對地電容幾波電流，分別表示的是。當(dāng)A相與B相法神故障之后，所產(chǎn)生的對地電壓分別對應(yīng)的是。電網(wǎng)角頻率則可表示為w。C02表示的即為各相產(chǎn)生的對地電容。

通過對非故障線路L2進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，基波零序電流的計(jì)算公式如下所示：，公式中，中性點(diǎn)的位移電壓表示為，與發(fā)生故障之前的相電壓是相同的。其中，關(guān)于基波零序線路電流流動(dòng)方向的變化，則是從母線直流到其他線路，大小為線路L2三相對地電容電流的相量和。同理，對于非正常故障的該母線L3而言，流動(dòng)方向則是從母線路直流到其他線路，大小大約為L3三相對地電容電流的相量和。

對于全部分系統(tǒng)的各條故障電源線路以及L1而言，其和非系統(tǒng)故障電源線路以及L2、L3的根本功能區(qū)別主要地方在于：故障點(diǎn)流回非故障相的對地電容電流。三個(gè)相對地電容的基波電流分別為：、、，此時(shí)故障線路L1的基波零序電流為：。

總的來說，在該系統(tǒng)中，單相金屬性接地系統(tǒng)故障的特點(diǎn)可以總結(jié)為以下幾項(xiàng)：在發(fā)生故障之后，所產(chǎn)生的非故障相對地的電壓則可表示為0，電壓升高為線路故障前的電壓或線路相對地電壓，相當(dāng)于發(fā)生故障之前的倍；供電系統(tǒng)三相線路負(fù)荷的電壓仍然對稱，不過會(huì)影響對負(fù)荷的供電；控制系統(tǒng)兩個(gè)中性點(diǎn)的直流電壓由正常電路故障前的0V點(diǎn)電壓逐漸變化為正常電路故障前的相對點(diǎn)電壓；在非故障線路中，關(guān)于基波零序電流方向，則是從母線流向線路，幅值為三條相對接地線零序相電流的相量和；在故障線路中，關(guān)于基波零序相電流由路流向母線，所產(chǎn)生的幅值則可表示為非故障線路形成的零序電流得出的相量和。

1.1.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障分析提出一個(gè)假設(shè)，系統(tǒng)模型等同于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的模型，二者的區(qū)別體現(xiàn)在線路上的中性點(diǎn)經(jīng)過消弧之后，可以實(shí)現(xiàn)線圈接地。為了方便地對比及準(zhǔn)確分析引起問題的原因使其簡單化，仍然可以提出這一假設(shè)，在系統(tǒng)線路L1中，中性點(diǎn)與相線圈之間出現(xiàn)了故障問題，也就是單相線圈金屬性接地的故障現(xiàn)象。相比于中性點(diǎn)不接地來說，非接地故障線路的許多方面均與之相同，包括對地電容電流與基波零序電流等方面的分布狀況[2]。非故障線路的零序電流方向、大小與非故障線路的基波零序電流一樣。綜上所述，該類故障所具有的特征可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：在發(fā)生故障之后，后線路所產(chǎn)生的電壓相對地面表示為0，和線路的電壓相對地增加的電壓故障前的線或線相對地電壓，這是時(shí)代的相對地電壓增加之前的倍；供電系統(tǒng)三相線路負(fù)荷的電壓仍然對稱，不過會(huì)影響對負(fù)荷的供電；系統(tǒng)的中性電壓由0V變?yōu)楣收现暗南嚯妷骸?/p>

1.2 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的暫態(tài)特征分析

通過對中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)金屬性接地故障問題的情況下，對系統(tǒng)的暫態(tài)電流進(jìn)行分析時(shí)，具體方法如圖1所示[3]。

圖1 暫態(tài)過程的等效電路

根據(jù)圖1可得出，零序回路的電源表示為U0；消弧線圈產(chǎn)生的有功損耗電阻則可表示為rL：L表示消弧線的電感分量；電網(wǎng)所具有的三相對地電容可以表示為C；L0為零序電路中電源與電路的等效電感；在零序電路中，電阻的和表示為R0。為了方便進(jìn)行分析與研究，提出一個(gè)假設(shè)，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了金屬性接地故障的問題。在得出各元件參數(shù)后，利用該模型展開深入地分析，將會(huì)得出更加精準(zhǔn)的結(jié)果。受到其他因素的影響，經(jīng)過分析后得出，暫態(tài)接地電流是最大的，同時(shí)也具有最為嚴(yán)重的問題。微分方程組具體如下所述：

在上述公式中，流過電容產(chǎn)生的暫態(tài)電容電流可以表示為ic，iL為流過電感的暫態(tài)電感電流，Um為零序電源的電壓幅值，所得出的結(jié)果與故障前相電壓的幅值是相同的。

根據(jù)上述公式，則可得出以下幾項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，包括暫態(tài)電容電流ic暫態(tài)電感電流iL以及暫態(tài)接地電流id，具體如下所示：、、，式中：ICm和ILm分別為瞬態(tài)電容電流幅值和瞬態(tài)感應(yīng)電流幅值式中，其中ICm=UmωC，ILm=Um/（ωL）；δ表示的是自由振蕩分量所產(chǎn)生的衰減因子，在電容回路中，產(chǎn)生的時(shí)間常數(shù)表示為rc；在電感回路中，這一時(shí)間常數(shù)表示為rL：角頻率；其中的為回路的自振角頻率。

2 兩種接地方式的仿真模型

在以下仿真模型中，是基于10kV小電流單相接地故障系統(tǒng)產(chǎn)生的。其中系統(tǒng)頻率為50Hz，仿真時(shí)間為0～0.1s，其他參數(shù)見表1。

表1 參數(shù)表

2.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)故障選線仿真

系統(tǒng)正常時(shí)的三相電壓和三相電流的幅值穩(wěn)定，相位角也相同。接下來我們假設(shè)某條線路故障，再來用MARLAB進(jìn)行仿真。在Simulink中于時(shí)間0.01s設(shè)置一個(gè)故障，故障離母線距離為3km，在0.08s時(shí)移除故障，可以獲得其過程中電流、電壓。

根據(jù)圖2和圖3的波形可以看到，在0.001s后故障點(diǎn)被植入，A相電流的幅值明顯變大，電壓卻變?yōu)榱肆?。而B、C相的電壓幅值也有所改變，變?yōu)樵瓉淼谋丁Ｔ?.08s故障點(diǎn)被移除，三相電壓電流恢復(fù)又正常。這也與上文的結(jié)論相符合。在相同的狀態(tài)下，能夠得出不同線路的各項(xiàng)波形圖。

圖2 線路1的三相電流

圖3 線路1故障點(diǎn)三相電壓

可以從圖4中看到，通過對線路1的波形進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，與其他三條線路具有相反的波形方向，相比之下也具有更大的幅值。從圖5中可以得知，線路無故障時(shí)零序電壓為0。這樣就可以通過比較知道線路1為故障線路。

圖4 線路1發(fā)生單相接地故障時(shí)各線路的零序電流

圖5 故障后零序電壓

2.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障選線仿真

使系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中，采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的方式，同樣用Simulink在時(shí)間為0.01s時(shí)設(shè)置一個(gè)故障，故障離母線距離為3km，在0.08s時(shí)移除故障，可以得到四條線路的零序電流、零序電壓的波形圖。

根據(jù)圖6，與中性點(diǎn)不接地方式相同，可以看出線路1波形的方向與線路2、3、4是相反的。但是也能看出零序電流的幅值變小了。再比較零序電壓，基本沒有變化。

圖6 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障時(shí)零序電流和零序電壓