配電網單相接地故障暫態行波特征分析

張　碩，顏　森，鄒溫冰，許明軍，張子文

（山東科技大學　電氣與自動化工程學院，山東　青島　266000）

配電網單相接地故障暫態行波特征分析

張碩，顏森，鄒溫冰，許明軍，張子文

（山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東青島266000）

小電流接地系統單相接地故障暫態行波特征的分析，對配電網故障選線和故障定位具有重要意義。分析故障行波的產生原因，并通過卡倫鮑厄變換，實現三相線路的相模變換，推導出系統電壓和電流的零模和線模分量表達式。利用MATLAB搭建系統仿真模型，對不同條件下發生的單相接地故障進行仿真分析。結果表明故障行波基本不受系統中性點接地方式和故障位置的影響，但故障發生時刻和接地點過渡電阻阻值的變化對系統故障行波的影響較為明顯，為基于暫態行波的故障選線和故障定位提供理論依據。

小電流；單相接地故障；卡倫鮑厄；MATLAB建模；暫態行波

0　引言

在我國的電力系統中，配電系統直接為用戶供電，同廣大電力用戶的關系最為密切。隨著國民經濟的飛速發展，電力需求量不斷增加，因此對電能的質量也提出了更加苛刻的要求。而我國配電網多采用小電流接地系統，這是由于小電流接地系統在發生單相接地故障時，系統可繼續運行1～2 h，可以有效提高系統的穩定性［1］。小電流接地系統故障定位方法可以分為主動式定位方法和被動式定位方法兩類，主動式定位方法主要包括：加信傳遞函數法、注入信號尋蹤法和端口故障診斷法等。被動式定位方法主要包括：阻抗法、5次諧波法和行波法等［2］。

心臟神經官能癥又可稱為“心血管神經癥”，是由于神經功能失衡、內分泌系統失調、心血管功能紊亂等的綜合征，在臨床中十分常見，尤以青年、壯年女性最為多見[1] 。本病的臨床表現多樣，如心悸、氣短、緊張、焦慮、汗出、頭痛及失眠、多夢等[2] ，嚴重困擾著廣大患者，給生活及健康造成不利的影響。西醫治療本病以β受體阻滯劑為主，但不能有效改善患者的癥狀。筆者近年來自擬杞竹地黃丸治療本病，效果理想，現報告如下。

行波法原理簡單，且定位精度較高，目前已經成為高壓輸電線路故障定位的一種重要方法。行波法是利用故障發生時刻故障點產生的電壓、電流行波進行定位，可分為單端測距原理和雙端測距原理。目前已提出的行波測距方法有A、B、C、D、E、F型6種，其中A、C、E、F為單端測距；B、D為雙端測距。A型和D型已在我國高壓和超高壓交直流輸電線路中大量應用，測量誤差較小，取得了巨大的經濟效益［3］。

但是由于配電線路錯綜復雜，且出線較多，行波在配電線路傳播過程中會發生復雜的折射和反射，為故障定位裝置提取行波波頭增加了難度［4］。因此，分析小電流接地系統不同故障情況下的暫態行波特征，對實現配電網行波故障定位具有重要的意義。首先在理論基礎上分析行波的產生過程，然后對不同條件下的單相接地故障進行仿真分析，驗證利用行波特征進行故障選線和故障定位的可行性。

1　故障行波信息分析

伴隨著配電網絡單相金屬性接地故障的發生，在故障點處會出現電壓突變的現象，導致線路中出現電弧暫態行波的過程，利用疊加原理對故障暫態行波進行分析［5］。當系統中某條出線發生接地故障的瞬間，可將其等價為在該線路故障點處增加一個虛擬電源，該電源電壓與故障前該線路相電壓大小相等且方向相反。故障暫態行波的波源就來自于這個突然增加的虛擬電源。同時，可以將故障后的網絡等價為故障分量網絡和故障前負荷網絡的疊加［6］。如圖1（c）和（d）所示。

專業核心課程設置是課程課題體系設計的重要內容，也是體現人才培養方向的重要指標。2017年安徽財經大學提出“新經管”學科建設戰略以來，安徽財經大學財政學專業在核心課程設置上進行了充分改革，弱化純理論性質的課程安排，重視計算機使用課程、軟件程序編寫、網絡安全等通識、基礎工具性課程，強調“以學生為根本服務對象，以學科建設為主要抓手”，夯實教學改革與發展基礎。

圖1　行波的產生及分析

當系統發生單相接地故障時，故障點處將會產生暫態行波。但在實際的電力系統中，每條線路三相之間存在電磁耦合，且各相線路與大地之間還有耦合電容的存在，從而導致在分析故障暫態分量特征的過程中，直接求解相電流和相電壓比較復雜，不利于我們對故障暫態信號的分析［7］。所以要通過相模變換將三相互相耦合的系統解耦成3個互相獨立、沒有電磁耦合的系統。可以利用卡倫鮑厄變換，實現三相線路的相模變換［8］。

對于中性點經消弧線圈接地系統，在距離母線1 km處仿真不同發生時刻和不同接地點過渡電阻情況下的故障波形。

納入病例后發現不符合納入標準或未能按照治療方案完成治療的患者；未按規定用藥者或接受其他治療者；貼敷過敏者；發生嚴重不良事件或并發癥，無法繼續進行治療者。

由圖6可以明顯看出，隨著接地點過渡電阻的逐漸增大，系統中電壓行波的幅值相應減小。過渡電阻對系統電壓行波的影響較大。

結合式（1）、式（2）以及故障點向量邊界條件即可推導出電壓和電流的零模和線模分量表達式

2　電力系統模型搭建以及故障行波仿真分析

2.1電力系統仿真模型搭建

由圖4可以明顯看出，在不同的中性點接地方式下，系統各個出線中的電壓行波波形基本保持不變。

2.1.1 氮。2012年全市葉片氮平均含量為2.56%(表1)，說明煙臺市果園氮的使用量在較高水平，果樹減氮迫在眉睫。蘋果葉片氮素降至2.2%以下，蘋果可能出現大小年現象，要特別注意疏果和不要強調改善蘋果色澤而減少氮的供應。N∶K比例，對于富士、元帥等硬的品種為(1.25～1.50)∶1.00。2012年全市測定葉片N∶K為2.19∶1.00，減氮增鉀十分迫切。

為了更好地分析配電網絡在發生單相接地故障過程中故障行波的特征，構建簡單的10 kV中性點經消弧線圈接地系統。本網絡共有3條出線，即線路1、線路2和線路3，長度分別為15 km、17 km和16 km。且故障發生在線路3距離母線1 km處，如圖2所示。

圖2　中性點經消弧線圈接地系統單相接地故障示意

圖3為依據圖2利用MATLAB/Simulink工具箱搭建的10 kV中性點經消弧線圈接地系統仿真模型，線路分別為：line1、line2、line3和line4，線路長度分別為15 km、17 km、1 km、15 km。其中單相接地故障發生在系統第三條出線距離母線1 km處。各條線路均設有電壓電流采集模塊和示波器模塊，方便讀取系統波形。

在對系統電壓行波提取的過程中，利用“to file”模塊將線路中的三相電壓數據以變量的方式保存在MATLAB的work子目錄下，依據這些數據經過一定的算法即可提取單相接地故障發生時各出線的電壓行波，具體方法如下：首先以故障點為時間參考點，用故障之后的線路電壓減去故障之前的，即可得到三相電壓的暫態值；然后計算電壓的各模量值，方法是利用公式對三相電壓暫態量進行卡倫鮑厄變換；最后利用分模量提取矩陣提取每個電壓行波的模量值。

圖3　電力系統仿真模型

由圖5可知，故障發生時刻對系統電壓行波的波形影響較大，這是由于故障時刻0.020 s、0.022 5 s、0.025 s分別對應故障相電壓初相角的0°、45°、90°。而初相角為0°時，對應的故障相相電壓處于過零點，對應系統的故障暫態過程較為微弱。隨著相角的增大直到初相角為90°時，故障相相電壓達到峰值，對應系統的故障暫態過程最為強烈。從而導致在系統不同時刻發生單相接地故障時的電壓行波有較大的區別，但現實情況是單相接地故障大多發生在電壓峰值處。

改變系統模型，分別仿真中性點經消弧線圈接地和中性點不接地系統在0.005 s距離母線1 km處發生單相接地故障時的電壓行波波形。可得各個出線的電壓行波，如圖4所示。

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圖4　不同中性點接地方式單相接地故障電壓行波波形

2.3故障發生時刻和接地過渡電阻對故障行波信號的影響

式中：x0為電流或電壓的零模分量；x1、x2為電流或電壓的線模分量。

通過打通行業內各業務系統的數據孤島，關聯不同業務間的數據，使數據產生更多的價值，為高速公路管理及其他行業提供可靠的輔助決策依據。

首先，接地點故障電阻設置為單相金屬性接地，分別在0.020 s、0.022 5 s和0.025 s時刻進行故障仿真。仿真波形如圖5所示。

2.2不同接地方式對故障行波信號的影響

第二，審計單位要建立健全企業經濟責任審計工作的各項規章制度，確保科學、全面、合理。這樣可以規范審計人員的行為，防止出現私自簡化流程的情況。

圖5　不同故障時刻各線路電壓行波波形

設置系統為中性點經消弧線圈接地系統，在0.025 s時刻發生單相接地故障。調整故障模塊，分別設置接地點過渡電阻為0.001 Ω、500 Ω和1 000 Ω，仿真波形如圖6所示。

她講自己的倒霉事，還把自己給逗樂了。這個女生也太呆萌了。他突然很想保護她，想讓她的運氣配得上她的樂觀。

圖6　不同過渡電阻情況下各線路的電壓行波

假設線路零模波阻抗和線模波阻抗分別為Z0和Z1、Z2，則線路中電壓和電流行波的各模分量即可表示為

2.4故障距離對零序分量的影響

對中性點經消弧線圈接地系統，在故障時刻為0.025 s，故障距離分別在5 km、8 km、11 km處進行故障仿真，得到系統故障線路的零序電壓和零序電流波形如圖7所示。

圖7　不同故障距離的零序電壓和電流波形

仿真結果表明，系統故障線路中的零序電壓和零序電流受單相接地故障發生距離影響較小。

2.5線電壓波形特征

仿真中性點經消弧線圈接地系統，在距離母線1 km處，0.025 s時刻檢測線路3的A相、B相、C相三相線路分別發生單相金屬性接地故障時故障線路線電壓的變化情況，如圖8所示。

由圖8可以觀察到，當A相發生單相金屬性接地故障時，對應故障線路中的線電壓Uab、Uca具有明顯的暫態過程，而線電壓Ubc沒有明顯的過渡過程。同樣的，當B相和C相發生故障時，相應的Uca和Uab沒有明顯的過渡過程，據此可推斷出故障線路的故障相。

圖8　金屬性接地故障時線路線電壓波形

3　結語

通過搭建的電力系統模型，分別仿真了在不同中性點接地方式、不同故障位置、不同故障發生時刻以及不同接地點過渡電阻等情況下，系統故障波形的變化可知，基于暫態行波信息的故障選線及定位方法，受中性點接地方式的影響較小，受接地故障發生時刻和接地點過渡電阻阻值的影響較大；另外，暫態零序電流、電壓分量受故障距離變化的影響較小；可通過觀察故障線路線電壓波形是否存在暫態分量，確定故障線路中的故障相。

［1］劉巍，張建勛，徐亮，等.行波測距技術在500 kV輸電線路上的應用［J］.華北電力技術，2007（12）：27-29，33.

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［7］王清亮.補償接地電網的暫態量選線保護研究［D］.西安：西安科技大學，2010.

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Transient Traveling Wave Characteristics of Single Phase to Earth Fault in Power Distribution Network

ZHANG Shuo，YAN Sen，ZOU Wenbing，XU Mingjun，ZHANG Ziwen
（College of Electrical and Automation Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266000，China）

Analysis of transient traveling wave characteristics of the small current grounding system with single phase to ground fault is very important for fault location in power distribution network.By analyzing traveling wave fault causes and achieving phase mode transformation of the three-phase line by means of Karrenbauer transformation，the zero mode and line mode component expression of system voltage and current are analyzed.Using MATLAB to build the system simulation model，single-phase grounding faults occurred under different conditions are simulated.Results show that the traveling wave fault is not affected by the neutral point grounding mode and fault location，but it is affected by the transition resistance change of grounding point.Results provide theoretical basis for fault location of transient traveling wave.

small current；single-phase ground fault；Karrenbauer；MATLAB modeling；transient traveling wave

TM773

A

1007-9904（2016）01-0028-05

2015-07-17

張碩（1990），男，碩士研究生，研究方向為電力系統運行與控制。