煤礦配電網(wǎng)不對稱接地故障線路選擇

杜昌要

杜昌要（1970-）男，工程師，平?jīng)鲂掳裁簶I(yè)有限責(zé)任公司，研究方向：煤礦電網(wǎng)自動化。

我國的配電網(wǎng)電壓等級通常為35KV、10KV 以及6KV，針對目前配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點，結(jié)合電網(wǎng)發(fā)生不對稱接地故障后的故障特征，本文給出了一種基于綜合信息融合的故障選線方法，在引入有功分量、零序電流以及五次諧波分量的背景下，給出了各種方法的權(quán)重分配方案。使用MATLAB 仿真10KV 配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對本文提出的選線方案進行了模擬，結(jié)果表明該方法受接地電阻、故障初相角的影響較小，選線結(jié)果準(zhǔn)確。

在我國的中低壓系統(tǒng)中大多數(shù)都采用小電流接地方式。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不對稱接地故障時，中性點電壓會有一定的偏移，不過三相線電壓仍然還是保持對稱，不需要急切的切除故障，這樣的中性點接地方式使得供電的可靠性有所提高。不過為了事故進一步擴大為兩點或者多點接地，還是需要盡快找到發(fā)生故障的線路，因此有必要進行故障選線技術(shù)的研究。目前常用的故障選線方法主要包括基于故障穩(wěn)態(tài)信息的選線方法以及基于故障暫態(tài)信息的選線方法兩大類，基于穩(wěn)態(tài)的選線技術(shù)包括群體比幅比相法、有功分量法以及能量函數(shù)法；基于暫態(tài)的選線技術(shù)包括首半波原理以及小波分析法。本文在融合了傳統(tǒng)的幾種選線方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合權(quán)值整定方法，提出了基于多種信息量融合的選線技術(shù)，有效解決了單一選線方案帶來的誤差，由于引入了線路故障分量隸屬度以及每一種選線方法準(zhǔn)確度的權(quán)重分配問題，通過判斷故障時每一種方案的選線結(jié)果接近理論分析的程度來確定權(quán)重，調(diào)用了能夠反映故障的所有信息，因此必然能夠提高選線準(zhǔn)確度。通過仿真軟件和現(xiàn)場運行情況充分驗證了該方法具有可靠、準(zhǔn)確的選線結(jié)果。

1 零序點電流幅值、相位比較法

通過比較各條饋線的零序電流幅值和相位信息，從而達到故障選線的目的。該方法的原理是先比較每一條饋線支路的零序電流幅值，挑選出若干條零序電流幅值比較大的饋線作為可疑接地饋線，隨后深入的去比較這幾條線路的零序電流相位信息，進而確定最終的故障線路。由于接地線路零序電流的相位與正常運行線路的相位相反，因此，上述判斷中如果某一條饋線的零序電流相位與剩余運行線路的相反，確定這條線路為故障線路；但是在所有可疑線路的相位相同的情況下，就判斷母線出現(xiàn)了接地故障。

定義在配電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地時，線路i 的零序電流的變化值為Δibi，Δibi可以當(dāng)作是標(biāo)量處理，表征第 條饋線故障前后的變化數(shù)值，其符號代表變化的方向；母線零序電流前后的變化量Δibk=∑Δibi,i=1,…,n，n 為正常饋線的條數(shù)。依據(jù)理論分析，接地線路在出現(xiàn)單相接地后Δibi值變化的最大，同時變化方向與正常運行的線路相反。因此，可以通過判斷接地前后零序電流變化量的幅度大小選擇故障線路，變化幅度越大，成為故障線路的可能性越大。因此，由第i 條線路的前后變化量得到的故障測度隸屬函數(shù)表示如下：

Δib,max表示Δibi的最大值，電網(wǎng)中各條線路的故障測度隸屬函數(shù)值都通過計算 Δib,max實現(xiàn)，這樣做意味著饋線故障測度值隨著饋線的暫態(tài)變化量增大而加大，接地線路凸顯出來的可能性更大。

盡管零序電容電流暫態(tài)分量復(fù)雜度高于穩(wěn)態(tài)分量，但其中包含著很多的故障信息量，這可以作為利用暫態(tài)變化量法來計算的重要理論支撐，是否將變化量融入到綜合選線中，我們可以根據(jù)饋線中帶有的暫態(tài)信息情況來決定。

2 零序電流有功分量比較法

通過比較饋線之間的零序電流有功分量的大小和方向的不同點，達到實現(xiàn)準(zhǔn)確選線的目的。正常運行中饋線零序電流有功分量方向與母線的零序電壓方向一致，本支路對地電阻流過的電流構(gòu)成了零序電流的有功部分；接地饋線零序電流有功分量方向與PT開口三角處電壓方向相反，所有不接地線路對地電阻流過的電流構(gòu)成了該故障線路的零序電流有功部分。通過上述分析，因此可以通過識別故障時候各條饋線零序電流有功分量方向和大小來構(gòu)建選線方案，接地線路的零序電流有功部分?jǐn)?shù)值最大，而且與其它線路饋線的方向不同，適用于中低壓電纜的小電流接地系統(tǒng)。

通過上述分析，可以依據(jù)線路的有功功率向量來識別接地線路。我們可以根據(jù)這種機理來定義第i 條饋線的故障測度隸屬函數(shù)，采用的函數(shù)表達式如下：

由公式（2）可以得到，在比較所有線路的零序有功功率過程中，其它線路的故障測度隸屬函數(shù)值由其中的最大值來決定，這樣做的意義是突出零序有功功率最大的饋線，這樣正好滿足了我們構(gòu)思故障測度隸屬函數(shù)的設(shè)計。鑒于零序有功分量的計算只受基波分量的影響，因此采集到的零序電流的畸變率和各次諧波對計算結(jié)果的準(zhǔn)確度有較大影響，因此我們可以得出這樣的結(jié)論，當(dāng)電網(wǎng)的電能質(zhì)量不符合規(guī)程要求的時候，單一的這種方案會導(dǎo)致計算的結(jié)果不準(zhǔn)確，從而出現(xiàn)了誤選。

3 能量函數(shù)法

把線路的瞬態(tài)功率（瞬態(tài)電壓乘以瞬態(tài)電流）的積分當(dāng)作能量函數(shù)，在有接地故障發(fā)生之前，不計絕緣電阻的影響，饋線的電流和電壓相位互差900，因此此時饋線的能量函數(shù)恒為零；當(dāng)有接地故障發(fā)生后，線路的電流和電壓失去了正交性，接地線路與正常運行線路的能量數(shù)值符號相反，同時接地線路能量值等于非接地線路能量總和，對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)而言，接地線路能量值等于消弧線圈與正常運行線路的能量總和。對于中性點不接地系統(tǒng)而言，能量函數(shù)法等效為基于零序電流方向的選線技術(shù)；另外，電阻元件零序能量函數(shù)單調(diào)上升，有利于通過能量函數(shù)法實現(xiàn)選線；而電感和電容元件的零序能量是周期性波動的，其能量函數(shù)也是波動的，不利于實現(xiàn)選線。

設(shè)置零序電壓的相位為900。接地線路的零序電流相位近似270°，正常運行饋線的零序電流相位近似為900。可以采用一定的方式把零序電壓與零序電流相角差轉(zhuǎn)移到[0°,180 ]° 上，轉(zhuǎn)換方式如下：

式中：φ5i——饋線i 中5次諧波的零序電流相對于零序電壓的相位差；

φ5ci——變換結(jié)果，并且φ5ci∈ [0°,180°]

經(jīng)過公式（3）這樣的變換，可以實現(xiàn) φ5ci∈ [0°,180° ]的轉(zhuǎn)換，倘若 φ5ci越靠近0°，則說明實現(xiàn)變換之前的 φ5i越靠近90°，線路i 視為接地線路的概率越小；倘若 φ5ci越偏向于180°，則說明實現(xiàn)變換之前的 φ5i越靠近-90 °，線路i 成為接地線路的概率也就越大。因此，該函數(shù)值增加時，所對應(yīng)的饋線成為接地的概率增大。據(jù)此我們能夠定義饋線i 的故障測度隸屬函數(shù)

基于上述原理的分析，采用諧振接地系統(tǒng)時，配電網(wǎng)某條饋線的一相發(fā)生接地，接地饋線的5 次諧波零序電流的相位相比其它沒有發(fā)生接地的饋線，呈相反的關(guān)系。即理想狀態(tài)下只有接地饋線的5 次諧波零序電流的相位出現(xiàn)在第三或者第四象限（假設(shè)零序電壓的相位為0°的情況下），同時非接地饋線的相位落在y 軸正半軸的一、二象限。但是受實際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響，現(xiàn)場情況有時候并不一定呈現(xiàn)上述結(jié)論，如互感器相位偏差這樣的情況，都能夠使兩條以上線路的5 次諧波零序電流相位出現(xiàn)在第三或第四象限。基于上述的情況，提高了這種單一的方案出現(xiàn)誤選的可能性。

4 融合多種特征信息的選線技術(shù)

由于上述3 種選線方案是在相互孤立的基礎(chǔ)上分析的，為了實現(xiàn)多種故障特征信息的融合，需要轉(zhuǎn)化到統(tǒng)一的表達式。首先，將現(xiàn)場采集到的信號處理過后計算每一種方案的故障測度；然后估測每一種算法在故障選線方面的權(quán)重；最后，依據(jù)計算到的測度值和權(quán)值計算出每一條線路的故障概率，選取概率最大的為故障線路。

5 結(jié)語

本文針對煤礦配電網(wǎng)中小電流接地故障的選線技術(shù)進行了探討和研究，并對故障的穩(wěn)態(tài)信號進行詳細(xì)的分析，提出了一種綜合信息融合的選線方案。本文的不足之處在于，受到應(yīng)用的限制，沒能在實際的配電網(wǎng)中進行論證。