船舶配電網(wǎng)絡(luò)接地故障初始行波測(cè)距的EMTP仿真分析

陳 亮，沈 兵，張曉鋒，李 耕

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船舶配電網(wǎng)絡(luò)接地故障初始行波測(cè)距的EMTP仿真分析

陳 亮，沈 兵，張曉鋒，李 耕

（海軍工程大學(xué)，武漢430033）

本文建立了基于線路分布參數(shù)的船舶配電網(wǎng)絡(luò)高精度故障模型，利用電磁暫態(tài)程序EMTP針對(duì)一種與波速無(wú)關(guān)的單相接地故障行波測(cè)距方式進(jìn)行了全面的仿真分析。該方法采用初始行波進(jìn)行故障測(cè)距，消除了波速傳播誤差，行波特征明顯，且不受故障點(diǎn)、對(duì)端折反射波的影響，測(cè)距結(jié)果與中性點(diǎn)接地方式、故障初相角和過(guò)渡電阻無(wú)關(guān)，具有工程實(shí)用價(jià)值。

波速 配電網(wǎng)絡(luò) 接地故障 電流行波 測(cè)距

0 引言

傳統(tǒng)的行波測(cè)距方法需要通過(guò)波速和行波到達(dá)檢測(cè)端的時(shí)間來(lái)計(jì)算故障距離，工程上一般根據(jù)不同的電壓等級(jí)給出一個(gè)定值來(lái)近似表示波速[1,3]，波速的不確定性在很大程度上影響了行波測(cè)距的精度。本文提出了一種基于配電網(wǎng)絡(luò)電纜線路分布參數(shù)的高精度故障模型，分析了一種改進(jìn)的基于初始電流行波的故障測(cè)距方法，該方法僅采用各線路測(cè)量端接收到的初始電流行波來(lái)進(jìn)行接地故障測(cè)距，不受波速誤差和折反射波混疊的影響。通過(guò)電磁暫態(tài)仿真程序EMTPWorks對(duì)單相接地故障電流行波的仿真，分析了中性點(diǎn)接地方式、故障初始角、過(guò)渡電阻對(duì)故障特征的影響，為進(jìn)一步完善配電網(wǎng)絡(luò)單相接地故障的行波選線判據(jù)打下了良好的基礎(chǔ)。

1 行波模量特征

當(dāng)配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)都將產(chǎn)生向線路兩端運(yùn)行的電壓、電流行波，其暫態(tài)行波過(guò)程如圖1所示，M為母線端，N為負(fù)載端，F(xiàn)為故障點(diǎn)，為故障線路全長(zhǎng)。故障行波將在母線、故障點(diǎn)等波阻抗不連續(xù)處發(fā)生折、反射，經(jīng)過(guò)多次反射、衰減，進(jìn)入一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)。故障暫態(tài)行波網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示，、分別為故障初始行波到達(dá)M端、N端的時(shí)間，、分別為故障點(diǎn)反射行波到達(dá)M端、N端的時(shí)間。

為便于分析，我們將暫態(tài)電流行波解耦分解為線模分量和零模分量，當(dāng)配電線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生在三相與地（零模分量）和兩相之間（線模分量）運(yùn)行的電壓和電流行波。對(duì)于配電網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，由于母線接有較多的負(fù)載出線，所以故障點(diǎn)反射波與初始行波極性相同，線路對(duì)端反射波與初始行波極性相反。因此，可以根據(jù)接收到的故障行波極性來(lái)辨識(shí)故障點(diǎn)反射波和對(duì)端反射波。

2 不受波速影響的電流初始行波測(cè)距方法

行波在M端發(fā)生反射的同時(shí)，也在其他各非故障支路產(chǎn)生折射波，令任意非故障支路的負(fù)載端在時(shí)刻檢測(cè)到該折射波，則有：

求解可得故障點(diǎn)的距離

由（3）式可以看出，線路長(zhǎng)度為已知量，僅需知道各負(fù)載線路的長(zhǎng)度以及初始電流行波到達(dá)負(fù)載線路各檢測(cè)端的時(shí)間差，就可以計(jì)算出故障點(diǎn)離母線的距離。該方法利用初始行波進(jìn)行測(cè)距，避免了故障點(diǎn)、對(duì)端等折反射波的影響。

3 仿真分析

利用EMTPWorks電磁暫態(tài)仿真軟件建立如圖1所示的配電網(wǎng)絡(luò)仿真模型，負(fù)載線路為電纜線路，采用文獻(xiàn)[5]提供的電纜線路標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，見(jiàn)表1。考慮到實(shí)際負(fù)載千差萬(wàn)別，為簡(jiǎn)化分析，仿真模型各負(fù)載統(tǒng)一采用RLC等效負(fù)載模型。

設(shè)定故障線路L4長(zhǎng)度為2.5 m，距離母線1 km處發(fā)生單相接地故障，非故障線路L1長(zhǎng)度為2 km，仿真的計(jì)算步長(zhǎng)為0.1μs，故障初相角為90°，故障過(guò)渡電阻為10Ω。在L1的N端、L4的M端和N端測(cè)得零模電流行波波形如圖3所示，測(cè)得故障初始行波分別到達(dá)測(cè)量端的絕對(duì)時(shí)間、、，將其帶入公式（3）可得故障點(diǎn)位置為

仿真設(shè)定故障點(diǎn)F距母線1km，所以測(cè)距誤差為1.7 m。表2為改變故障點(diǎn)的位置后的仿真測(cè)距結(jié)果及其誤差。本測(cè)距方法對(duì)電纜線路的測(cè)距誤差在2 m之內(nèi)，具有很高的工程實(shí)用價(jià)值。

圖4所示的是不接地系統(tǒng)和經(jīng)高阻接地系統(tǒng)零模電流行波波形，在接地故障初相角和過(guò)渡電阻相同的情況下，初始零模電流行波特征與中性點(diǎn)接地方式無(wú)關(guān)。

圖5所示的是當(dāng)故障初相角變化時(shí)，系統(tǒng)零模電流行波的波形圖。各支路之間的初始零模電流行波特征與故障初相角無(wú)關(guān)。但對(duì)故障支路來(lái)說(shuō)，其故障初相角越大，初始零模電流行波的幅度也就越大，信號(hào)特征越明顯。

圖6所示的是故障過(guò)渡電阻變化時(shí)，系統(tǒng)零模電流行波的波形圖。各負(fù)載支路之間的初始零模電流行波特征與故障過(guò)渡電阻無(wú)關(guān)。對(duì)故障支路來(lái)說(shuō)，故障過(guò)渡電阻越大，其初始零模電流行波的幅值越小。

綜合仿真分析和式（3）可以知道，測(cè)距結(jié)果僅與初始行波到達(dá)線路兩端的時(shí)間差有關(guān)。通過(guò)大量的仿真數(shù)據(jù)，可以證明本行波測(cè)距法與中性點(diǎn)接地方式無(wú)關(guān)，不受接地故障初相角和過(guò)渡電阻的影響。

4 結(jié)論

本文介紹了配電網(wǎng)絡(luò)接地故障行波的傳播過(guò)程和測(cè)距原理，給出了初始電流行波、故障點(diǎn)反射行波和對(duì)端反射行波的相互關(guān)系。建立了基于線路分布參數(shù)的配電網(wǎng)絡(luò)高精度故障模型，利用電磁暫態(tài)程序EMTP針對(duì)一種與波速無(wú)關(guān)的單相接地故障行波測(cè)距方式進(jìn)行了全面的仿真分析。該方法采用初始行波進(jìn)行故障測(cè)距，消除了波速傳播誤差，不僅行波幅度大、突變特征明顯，而且不受故障點(diǎn)、對(duì)端折反射波的影響，測(cè)距結(jié)果與中性點(diǎn)接地方式、故障初相角和過(guò)渡電阻無(wú)關(guān)，具有工程實(shí)用價(jià)值。

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Simulation of Initial Travelling Wave at Single-phase Earth Fault Location in Shipboard Distribution Network with EMTP

Chen Liang, Shen Bing, Zhang Xiaofeng, Li Geng

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

This paper presents a high accuracy model of shipboard distribution network based on lines with distributed parameters, simulates and analyzes a fault location method based on initial travelling wave which is unrelated to wave velocity with EMTP. This method uses the initial travelling waves to locate the single-phase earth fault, which eliminates the propagation error in wave velocity and obvious to see the characteristic of travelling wave. What’s more, it can avoid the influence of the reflected and refraction wave from opposite terminal. It also has nothing to do with different neutral grounding modes, fault initial angle or transition resistor. Therefore it has great practical value in engineering.

wave velocity; distribution network; earth fault; travelling wave; fault location

TM743

A

1003-4862（2015）03-0019-04

2014-09-15

陳亮（1982-），男，講師，博士生。研究方向：電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。