構建于故障暫態信號伴隨其衰減特征的電網單相接地故障測距思路芻議

（國網四川省電力公司技能培訓中心，四川 成都 610000）

構建于故障暫態信號伴隨其衰減特征的電網單相接地故障測距思路芻議

黃建國

（國網四川省電力公司技能培訓中心，四川 成都 610000）

在小電流接地系統中，單相接地故障發生的概率很大，這就需要工作人員及時的發現故障，并開展排除工作。筆者就這些問題進行分析和探討，希望對提高線路運行的安全、可靠性有所幫助。

小波變化；接地故障；小波注入法

為了提高供電可靠性，目前中性點非有效接地方式已經在6-35KV配網中得到了使用。傳統的故障處理方法存在一定的弊端和缺陷，比如：耗用的時間長、效率低。因此，為了提高供電可靠性，對故障進行及時的排除，我們需要對有效的單相接地故障定位方法進行研究，這不僅具有理論價值，更具有世紀意義。

目前，在線法和離線發是配網單相接地故障定位的主要方法。離線法會使用注入信號的方法來對故障位置進行確定，這樣定位效果就比較好，但是由于其是在斷電之后進行的，因此需要停電和外加設備。在線法在進行定位時，會根據在線測量值，可以被劃分為故障測距和故障區段定位。

一、單相接地故障暫態信號及其衰減特征

1 故障暫態信號特征

接地故障一般是因為電網中絕緣被擊穿產生的，因此當處于電壓接近于最大值瞬間這一狀況時，非故障相電壓就會變高，而故障相電壓就會降低。當單相金屬性故障發生在中性點非有效接地系統中時，故障電壓就會為0，而非故障電壓就會是正常電壓的倍。故障暫態信號主要包括4個分量，即：弧線圈中產生的暫態直流分量、故障暫態信號包括工頻分量、故障相線路電容的放電暫態信號以及對非故障相線路電容的充電暫態信號。對于放電信號來說，信號衰減的比較快，震蕩頻率高。充電信號流通回路電感大，震蕩頻率低，信號衰減的比較慢，此外信號幅值也大。

2 暫態信號衰減特征

我們以充電暫態信號為例子，對信號回路進行簡化。之后產生串聯RLC電路。根據電路理論，如果回路參數和式（1）相符合，則說明暫態信號時震蕩衰減。如果二者不相符的話，就是直流衰減。可見，在對故障點進行確定時，系統中會存在臨界故障電阻，而系統等效參數則決定了該故障電阻。當單相接地故障發生在中性點不接地系統中時，其電阻一般為40Ω。

通過仿真，我們發現實際網絡參數和故障情況決定了故障電阻臨界值，且一般在100Ω左右。大部分的單相接地故障的充電暫態信號都會滿足振蕩衰減。我們可以在式（2）中看到振蕩衰減暫態信號，而式（3）則是衰減系數。

關于上式解釋。C、L、R分別是串聯RLC回路的電容、電感以及等效電阻。A是暫態信號幅值，是其初相角，f是暫態信號頻率，則是暫態信號衰減系數。

從上面的式子中我們可以看出電阻越大，那么衰減系數也就越大，暫態信號衰減基本越快，那么持續時間也會縮短。如果故障點確定的話，那么故障電阻就決定了回路電阻。圖1是屬性單相接地故障和故障電阻為40Ω時故障相電流波形圖。可以看出，暫態信號衰減特征受到故障電阻的影響很大，暫態信號持續時間變短和故障電阻增大有直接的關系。因此，在對信號有效區段進行確定時，需要從暫態信號的衰減特點出發，這樣信號才會合理，才會得到充分的使用。

二、基于充電暫態信號的測距原理

我們一般將充電暫態特征測距原理理解為基于高頻分量的阻抗法。在發生故障時，絕大部分的暫態信號會和地構成流通回路。我們在對故障距離進行計算時，可以使用高頻分量定量。該方法使用的原理是：單相接地故障暫態分量幅值大，此外也不會受到消弧線圈的干擾。筆者沒有使用工頻分量，這樣負荷電流和系統不平衡的現象就會避免（從原理角度看）。如果高頻分段有線路經過，那么線路的電抗就會變大，故障電阻的影響也會降低，這樣計算的可靠性和準確性都會得到提高。

我們假設待分析量為暫態信號中頻率為f的分量，用對稱分量法進行分析：

參考各序分量具有獨立性，可以得出：

根據單相接地故障邊界條件可以得到：

對式（4）、（5）、（6）進行聯合，則得到：

從式（7）我們可以得出：

在此基礎上可以完成對故障距離的計算：

三、充電暫態特征提取及故障距離計算

1 信號頻譜分析和充電頻率識別

充電暫態信號特征的提取之前的一個工作是：對充電暫態信號有效性進行識別，此外還要對充電暫態信號特征頻率進行識別，這個過程中需要參考快速傅里葉變化理論。0.3—3KHZ是單相接地故障暫態信號集中的范圍，因為產地暫態信號的幅值比較大，所以在對充電暫態信號特征進行確定時可以使用該頻段內頻譜幅值特征。第一步對該頻段范圍內信號幅值極值點進行確定。如果該頻段范圍內所有極

值點均值是最大極值點信號幅值的三分之一，就說明充電信號有效。并且最大極值點信號對應頻率為充電信號頻率。

2 充電暫態信號特征提取及故障距離計算

實小波變換。單相接地時，電流的暫態過程持續的時間很短，而故障電壓也是一樣。但是，穩態時數據就比較小。小波分析是一種合適的故障選線方法，目前處于國際前沿，其發展基礎是傅里葉變換。作為一種新的信號處理方法，其可以對信號進行精細的分析，尤其是在遇到微弱信號以及暫態突變信號變化敏感的情況時。從小波變換的模極大值理論中我們可以發現信號奇異是由噪聲和故障這兩個因素導致的。而我們可以對小波變化進行分類，一般可以被分為兩類，即：實小波和復小波。計算如下：

復小波變換。復小波變換結果和實小波變化結果是有差異的，這是因為實小波變換術瞬時值形式，而復小波變化結果是幅值相角形式。

S變換。S變換屬于連續小波的變換，和相位校正后的小波變化比較接近。S變換提取出的充電暫態信號是復數值序列，這和經復小波變換提取的結果相似。表1是3種信號變換方法在不同故障情況下的測距比較。

表1 3種信號變換方法在不同故障情況下的測距比較

結語

作為配電系統最常見的故障，單相接地故障屬于小電流接地系統單相接地，其在多雨以及潮濕天氣狀況下發生的概率比較大。單相接地故障會對正常的供電造成影響，嚴重時會燒壞設備，引發安全事故。筆者用3種方法提取充電暫態特征，最終發現S變換具有更大的優勢，可以使用該方法進行單端測量。

[1]梁志瑞，穆毓，牛勝鎖，吳群雄，陸文彪.一種小電流接地系統單相接地故障測距新方法[J].電力系統自動化，2012（23）.

[2]孫波，徐丙垠，孫同景，薛永端，劉世光.基于暫態零模電流近似熵的小電流接地故障定位新方法[J].電力系統自動化，2011（23）.

[3]王銘，徐玉琴.基于小波變換和BP網絡的非故障相暫態電流故障定位[J].電力自動化設備，2012（23）.

TM71