基于二次電弧的電力網單相接地故障性質甄別

曹勇敢 楊炳元 郝 威

（內蒙古工業大學電力學院，呼和浩特 010080）

基于二次電弧的電力網單相接地故障性質甄別

曹勇敢 楊炳元 郝 威

（內蒙古工業大學電力學院，呼和浩特 010080）

為了避免單相故障時自動重合閘裝置重合于永久性故障，針對超高壓輸電線路，首先對單相接地故障時的物理過程進行了分析，緊接著分析了瞬時性故障與永久性故障情況下相電壓的特點，然后，從原理上揭示了在二次電弧燃燒階段兩種故障情況下電壓信號能量時間分布明顯不同。在此基礎上提出了利用小波包能譜值來甄別單相故障性質的方法，對采集到的故障相電壓信號進行相應的小波包變換，計算相應的能譜值，通過比較能譜值的大小來甄別故障性質。理論分析和基于大量電磁暫態程序EMTP-RV的仿真結果均表明該方法能夠較為精準地模擬實際故障，具有較好的實踐應用價值。

小波包能譜值；故障性質甄別；瞬時性故障；永久性故障

1 引言

由于超高壓輸電線路線間距大，90%以上的故障為單相接地故障，其中約有80%為瞬時性故障。為避免自動重合閘裝置盲目重合于永久性故障時對電力系統及電氣設備所造成的二次沖擊及危害，重合前應當對故障性質做出甄別[1]。故障為瞬時性時進行重合，永久性時應將其閉鎖。傳統的電壓判別法、基于諧波檢測的方法等因受系統故障點位置、過渡電阻、故障點二次電弧及諧波幅值等因素的影響而存在誤判的缺陷。

二次電弧是瞬時性故障的典型特征，在開關跳閘2～3個周期后其諧波特性便凸顯出來。小波包變換可以同時對信號的低頻部分和高頻部分作更精細的分解，便于檢測二次電弧高頻諧波產生所引起的電壓畸變[2]。本文成功地將小波包變換和譜能量進行結合，在分析了單相故障情況下故障相電壓特點的基礎上，充分利用電磁暫態程序EMTP-RV自帶的高精度二次電弧模塊和Exact pi線路模型進行仿真，然后，利用小波包變換的優點對信號進行分析計算并提出了利用信號在二次電弧階段的能譜值來甄別故障性質。由于二次電弧反復的熄滅與重燃過程會產生蘊含豐富信息的高頻信號，這些信息與線路參數、故障情況等有關，而與系統運行狀況、過渡電阻、故障位置等無關，因此，本方法不受工頻現象（如系統振蕩）、過渡電阻及故障位置等影響[3-4]。

2 線路發生單相故障時的物理過程分析

2.1 線路單相故障物理過程的時間劃分

超高壓輸電線路的主要故障類型是單相接地故障，其中大部分是瞬時性故障，屬于絕緣可恢復之列。根據單相接地故障的物理機理，我們可以劃分為：

階段1：接地故障發生-——故障被繼電保護裝置測知并將兩側開關跳閘。

階段2：兩側開關跳閘-——故障點熄弧。

階段3：故障點熄弧后。

2.2 單相接地的物理過程分析

在線路發生單相接地故障時，由于超高壓輸電線路具有分布參數的特性，各相之間相互耦合，因此，無論是瞬時性故障還是永久性故障，故障相兩端開關跳開后，故障相仍有殘余電壓。本文對瞬時性故障與永久性故障的甄別主要是基于從兩側開關跳開到故障點消失時這一時間段線路上某些特征量的不同來區分的，即階段2且有二次電弧存在的階段。另外從時間上來講，在二次電弧存在階段進行故障性質甄別，可以有較為充足的時間來確定自動重合閘重合與否。

在階段 2，線路跳開后，除了開斷時故障相上殘存電荷建立的直流殘壓外，健全相通過耦合關系在斷開相上也會建立起一定幅值的電壓——恢復電壓，該電壓通過故障點與大地和耦合相之間形成回路，流過故障點的電流稱之為潛供電流。根據故障類型的不同，接地點也將有或無電弧產生，相應的電壓電流大小和波形也必然不同。

3 故障相電壓信號小波包能譜值的提取

3.1 小波包變換原理

小波包變換是從小波分析延伸出來的一種對信號進行更加細致的分解和重構的方法。不同于小波分析之處：它能同時對信號的低頻、高頻部分進行分解，在原有小波分析的基礎上對高頻局部信號提高了分解能力，而且能夠根據被分析信號的特征自適應地選擇相應頻帶，使之與信號頻譜相匹配，從而提高了時頻分辨率[5]。

3.2 小波包能譜值的提取

4 電弧特性分析及故障性質甄別原理

4.1 二次電弧特性分析[6]

斷路器跳開故障相線路后，電弧并沒有熄滅，而是持續一段時間。這段時間內的故障電弧被稱為二次電弧。二次電弧要經過燃燒—熄滅—重燃—熄滅的反復過程。

二次電弧的動態特性可以用下式來表示

式中，gs是隨時間變化的二次電弧電導；Gs是二次電弧穩態電導；Ts是時間常數；是電弧長度；是二次電弧產生的時間；Is是二次電弧的電流峰值；β是比例系數；Vs是二次電弧單位長度的電弧電壓，V/cm；是電弧電流的絕對值。

電弧的重燃電壓隨著電弧燃燒時間的延長和電弧長度的拉長而迅速升高。在故障電弧電壓的變化過程當中，當實際電弧電壓小于電弧重燃電壓時，電弧熄滅；當電弧電壓大于電弧重燃電壓時，電弧重燃；直到實際電弧電壓的大小始終不再大于電弧重燃電壓以后，電弧才徹底熄滅。

4.2 兩種故障情況下故障相電壓能譜值特點分析

輸電線路在發生故障時產生的暫態高頻信號含有豐富的信息，由于線路電容、電感等儲能元件的存在，在斷路器跳閘后初期，不管是瞬時性故障還是永久性故障都將產生大量的暫態諧波，其中絕大部分衰減很快，2～3個周期內便能衰減至很小，但是線路電容、電感形成的自振分量幅值較大，衰減較慢。瞬時性故障時二次電弧要經過熄滅、重燃的反復過程，且二次電弧的高度非線性將產生大量的諧波，在熄弧前一直存在，從而“污染”故障相電壓使其產生畸變。

在開關跳閘初期，由于線路儲能元件產生的暫態諧波占主導地位，兩種故障情況下故障點電壓時頻分布比較均勻，而在開關跳開2～3個周期后它們的時頻分布則會明顯不同。根據此兩種故障時故障相電壓能譜值在二次電弧階段的差異，便可甄別故障性質。經仿真發現，永久性故障的信號幅值呈單一衰減趨勢，速度較快；瞬時性故障的信號幅值由于二次電弧的影響會相對穩定[7]。所以，在二次電弧階段瞬時性故障的能譜值要大得多，永久性故障能譜值要相對較小。

4.3 小波包分解的影響

小波基函數的選取會影響到信號的分析精度，小波包分解的層數與電壓信號的時頻分析精度有直接關系。分解層數少，計算量小，分析速度快，但頻帶分辨率低；分解層數多，計算量大，分析速度慢，但頻帶分辨率高。為了兼顧二者的關系并考慮所分析信號的時變特性和頻變特性，我們選用具有良好緊支性，對不規則信號較為靈敏，比較適合暫態信號分析的Daubechies小波。考慮以上因素，我們選擇db10小波進行4層小波包變換[8]。

5 仿真分析

5.1 仿真系統結構圖及其參數

本文采用 EMTP-RV電磁暫態程序對蒙西電網某超高壓輸電線路進行仿真，獲取兩種故障時故障相電壓波形，然后利用Matalb小波包工具箱進行分析計算，最后編程計算、繪制信號的能譜曲線。

線路參數：LGJ-2×240/30，長度420km，基準電壓230kV，容量1000MVA。正序：0.5430632.6242230.04564（半電納）；零序：2.6019958.3987330.02580（半電納）；為了補償線路的對地電容，減小流經線路的電容電流，削弱超高壓輸電線路的電容效應，實際線路兩側各加裝30Mvar，1899?的并聯電抗器；為了限制潛供電流及消除由于斷路器非全相操作引起的工頻諧振現象在星形連接的并聯電抗器中性點接入450kvar，516.11?的補償電抗器[9]。計算步長選為10μs，仿真時間為700ms。系統仿真結構圖如圖1所示。

圖1 220kV帶并聯電抗器的高壓輸電線路

為使分析更具有普遍性，仿真時分析了兩端系統不同相角差、不同故障點位置、不同過渡電阻情況下的相電壓波形。下面僅給出了相角差為15°時，線路首端、距首端1/3處、距首端2/3處和末端且過渡電阻為50?時的故障相電壓波形。

5.2 永久性故障仿真

永久性故障時的 EMTP-RV仿真電路圖如圖2所示，線路模型采用Exact pi，變壓器出口加裝ZnO避雷器。

假設線路在0.1s發生A相永久性故障，0.2s時A相斷路器跳開，那么在不同位置情況下從線路側測得的A相電壓波形如圖3所示。

圖2 永久性故障仿真模型

圖3 永久性故障故障相電壓波形(接地電阻50?)

在圖3中，0.1s之前是故障前的正常運行狀態；0.1～0.2s是從故障發生到斷路器跳閘前的一次電弧階段；0.2s后是跳閘后無電弧接地狀態。對比這幾個波形發現，當故障位置距離端口越遠時，跳閘后達到穩態時的電壓幅值越大。這是由于永久性故障跳閘后達到穩態時的端口電壓主要是電感耦合電壓，而電感耦合電壓與線路長度成正比。

5.3 瞬時性故障仿真

瞬時性故障時的 EMTP-RV仿真電路圖如圖4所示，線路模型采用Exact pi，變壓器出口加裝ZnO避雷器。

圖4 瞬時性故障仿真模型

這里需要指出的是：由于瞬時性故障和永久性故障的物理過程有著本質的不同，單相瞬時性故障時我們采用二次電弧進行模擬，具體分析如下。

圖5 電弧電壓、電流波形

二次電弧電流相對于一次電弧電流來說很小，因此0.2～0.35s期間的細節必須從圖5放大，放大后的二次電弧電壓電流波形如圖6所示。

對圖形進行分析，得出如下結論：0.1～0.2s期間的一次電弧電壓近似方波，一次電弧電流近似正弦波；0.2～0.35s期間的二次電弧電壓近似馬鞍狀，二次電弧電流具有明顯的“零休”現象。需要特殊說明的是，一次電弧和二次電弧在時間上沒有明顯的分界線，由圖5可以看出，二次電弧的電壓、電流特性是在一次電弧熄滅一到兩個周期后才凸顯出來，所以本文在0.225～0.35s期間進行甄別。

圖6 二次電弧電壓、電流波形

假設線路在0.1s發生A相瞬時性故障，0.2s時A相斷路器跳開，同時將二次電弧接入電路，0.35s時二次電弧熄弧，那么在不同位置情況下從線路側測得的A相電壓波形如圖7所示。

圖7 瞬時性故障故障相電壓波形

從圖7可以看出，0.1s之前是故障前的正常運行狀態；0.1～0.2s是從故障發生到斷路器跳閘前的一次電弧階段；0.2～0.35s是斷路器跳閘后的二次電弧階段；0.35s以后是二次電弧熄弧后的恢復電壓階段，這一階段的電壓主要有電容耦合電壓和電感耦合電壓兩部分組成。

5.4 仿真波形分析及故障甄別判據

對故障相電壓波形進行小波能譜分析，設相對起始信號的步數n和滑動步長δ均為1，窗寬因子w為40，采樣頻率為2kHz，對信號進行4層小波包變換，每個節點信號帶寬為125Hz。譜能量圖如圖8、圖9所示。

圖8 永久性故障故障相電壓能量分布圖(接地電阻50?)

圖9 瞬時性故障故障相電壓能量分布圖

對比在相同位置發生的不同故障性質的故障相電壓波形可以發現：在0.1～0.225s期間不同故障性質的故障相電壓波形差別不大，而0.225～0.35s之間，兩種故障性質的電壓波形差別較大。這說明利用二次電弧階段的暫態電壓波形對甄別故障性質具有決定性意義。這一階段也是本文接下來的研究重點。

由上述分析可知，對0.225～0.35s時的電壓波形進行4層小波包變換。然后計算永久性故障在此段時間內的最大能譜值和瞬時性故障在此段時間內的最小能譜值。數據如表1所示。

表1 故障相電壓小波包能譜值（永久性的取最大值，瞬時性的取最小值）

由表1中的能譜值可以看出，不同故障條件下，永久性故障的能譜值E總是小于2.9229e+003，而瞬時性故障的E總是大于5.8001e+003。由此我們可以設定一個裕度較大的閾值Eset=4.3615e+003，當E＞Eset時，甄別為瞬時性故障；當E＜Eset時，甄別為永久性故障。

6 結論

本文充分利用了EMTP-RV對電磁暫態過程的仿真優勢和Matlab的小波分析工具箱功能，使結果更加可信。同時將小波包與能譜曲線進行結合，提出了利用小波包能譜值來定量描述故障相電壓暫態分量的方法。理論分析和基于不同故障點及不同過渡電阻短路情況下的仿真結果表明，此方法不受過渡電阻、故障位置等因素的影響。只在瞬時性故障時實施重合閘，避免了永久性故障情況下的盲目重合對系統及設備所造成的沖擊。

[1] 袁越,張保會.電力系統自動重合閘研究的現狀與展望[J].中國電力,1997,30(10):45-47.

[2] 葛哲學,沙威.小波分析理論與Matlab R2007實現[M].北京:電子工業出版社,2007.

[3] 夏明超,黃益莊,王勛. 高壓輸電線路暫態保護的發展與現狀[J].電網技術,2002,26(11):65-69.

[4] 胡科.自適應重合閘的研究[D].北京:華北電力大學,2004.

[5] 鄭治真,沈萍,楊選輝,萬玉莉.小波變換及其Matlab工具的應用[M].北京:地震出版社,2001.

[6] 程玲.超(特)高壓輸電電路單相自適應重合閘的技術研究[D].北京:華北電力大學,2007.

[7] Li Bin,Li Yongli,Zeng,et al. A Numerical Algorithm for Single pole Adaptive Reclosure. In: Proceedings Power System Technology. Vol4. Kunming: 2002.2612-2616.

[8] 何正友,錢清泉.電力系統暫態信號分析中小波基的選擇原則[J].電力系統自動化,2003,27(10):45-48.

[9] 解廣潤.電力系統過電壓[M].北京:水利水電出版社,1985.

Power Network Single-phase Earth Fault Nature Distinguishment Based on Secondary Arc

Cao Yonggan Yang Bingyuan Hao Wei
(College of Electrical power Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010080)

The physical process of the single-phase fault was analyzed on EHV transmission lines so that to avoid reclosing on single-phase permanent fault。then, The voltage characteristics are compared between transient fault and permanent fault and the fact is revealed that，in principle，the energy time distribution in the bands where the secondary arc energy concentrates is distinctly different。A method，which to make use of the Wavelet Packet Energy Spectrum Value to identify fault types for the single-phase earth fault was proposed。The wavelet packet decomposition of the acquired post-fault voltage signal was performed and the Energy Spectrum Value was extracted and then was compared with Energy Spectrum Value to detect fault types。Theoretical analysis and based on lots of EMTP-RV simulation experiments expatiated that this method can discriminate the type of faults accurately，and has better practicalness and application value。

Wavelet Packet Energy Spectrum Value; fault nature distinguishment; transient fault;permanent fault

曹勇敢（1985-），男，碩士研究生，研究方向：電力系統繼電保護。

楊炳元（1967-），男，教授，研究方向：電力系統繼電保護。

郝 威（1982-），男，碩士研究生，研究方向：電力系統繼電保護。