小波法識別配電網線路高阻故障

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(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

1 引言

中低壓配電網是面向用戶的直接供電網絡，然而，配電網線路故障中單相接地故障占據比例較大以及由單相故障導致的其他故障。在小電流的接地系統中，單相接地產生的暫態故障電流相比其他暫態故障電流要小，故障發生時，系統能保持線電壓的三相對稱從而允許運行一小段時間，不過當系統帶著故障運行的時間過長，故障引起的電壓過大，有可能是線路在其他地方引起接地，導致事故擴大進而引發更嚴重的危害。所以當小電流接地系統發生故障時，線路保護的速動性和可靠性決定著線路的運行安全問題。過往的研究表明現有的繼電保護措施對單相接地短路的保護效果比較明顯，但是由于單相高阻故障時因電阻過大，產生的暫態電氣量明顯偏小，我國目前的繼電保護保護裝置不能檢測出故障的發生從而可靠的保護動作。高阻接地不容易被發現，隱蔽性高，不能迅速發現處理的話造成的后果將非常嚴重，損壞電力線路。所以研究高阻故障的識別是目前亟待解決的科學難題之一。本文通過PSCAD軟件仿真配電線路發生高阻故障時，抽取各段母線的零序電壓和母線上支路的零序電流進行小波變換，分解、重構，得出細節系數和特征值，通過比較不同母線上的特征值判斷出故障支路所處位置。

2 配電網故障及其特性分析

2.1 電力線路的數學模型

因為配電網電力線路與輸電線路比起來長度短很多，在試驗時可以忽略線路分布參數的影響，因此，本文在分析配電網故障時電力線路采用集中參數線路模型。

2.2 配電網接地故障特征分析

在中性點非有效接地系統[1]發生單相接地故障時，根據電力系統穩定調節的原理，系統從暫態過程過渡到新的穩定狀態，從發生故障的暫態過程過渡到新的穩態過程中，兩種狀態下點電容電流和電壓相比，分布規律和故障特征明顯有區別，如果可以充分利用這些故障信息進行分析研究，對小電流接地故障及其信號特征進行相應的波形處理，就能良好的識別出故障所在。

2.3 故障暫態電流電壓特征分析

根據中性點經過消弧線圈接地的系統發生單相接地故障時，由對稱分量法分析可得，暫態電容電流和暫態電感電流兩個部分構成。可用圖1等值網絡進行故障計算[2]。

圖1 故障暫態過程等值網絡

零序對地電容用C表示，線路和變壓器等在零分量中的等值電感用L0表示，零序電源電壓U0表示，R0為零序分量的電阻值，其中包括導線電阻、故障點的過渡電阻大地的電阻以及故障點的過渡電阻大地的電阻等，是總電阻值，有功損耗消弧線圈電感用L表示，有功損耗電阻用rL，另一種中性點不接地情況，可以去掉圖中消弧線圈一段支路。

為了了解單相接地故障[3]的瞬間，系統中的電流和電壓的暫態過程電氣量的突變情況，本節分別對發生故障瞬間的暫態電容電壓特性、暫態電容電流特性和暫態電感電流進行具體分析。根據微分方程：

(1)

可得暫態電容電壓是有自由分量和穩態分量兩部分構成。對系統中的暫態電容電壓與初相角的關系進行波形仿真比較，本實驗設置φ=0°、φ=90°等不同的電壓的初相角情況進行分析，不同初始角情況下故障的暫態電容電壓的波形情況也不相同，具體情況如圖2、圖3所示。

圖2 暫態電容電壓初相角為 0°時的波形

圖3 暫態電容電壓初相角為 90°時的波形

結論：線路發生單相接地故障后，暫態電容電壓與電源電壓初相角φ有關。

根據微分方程：

(2)

得出電感電流：

結論： 電感電流均是由穩態分量和暫態分量構成的，暫態電感電流與電源的角頻率和電壓的初相角φ有關。

根據微分方程：

(3)

得出電容電流：

(4)

結論：電容電流與短路時電源電壓初相角φ和短路時刻t有關。圖4～圖7為電壓的初相角φ=0°、φ=90°和合閘時間t=0.12s和0.2s時的電容故障電流波形圖。

圖4 暫態電容電流初相角為0°時的波形

圖5 暫態電容電流初相角為90°時的波形

圖6 電容電流0.12s時刻發生故障的波形

圖7 電容電流0.2s時刻發生故障的波形

通過以上的波形分析可得故障時，電源電壓初相角，電源頻率以及故障發生時刻是影響故障零序電流和零序電壓的主要因數。

3 小波變換分析法

小波變換分析方法[4]不僅可以從時域上進行分析，也可以從頻域上進行分析，較短時傅里葉變換相比有明顯優勢，具有多分辨率的特點，將故障信息代入小波分析，能夠獲得大量的經加工處理的波形，便于用戶分析比較。Daubechies小波系是在波形分析實際的工程上應用最為廣泛，應用次數最多的正交型小波函數族。本文選用Db5小波進行分析，因為Db5小波的聚能特性在低頻部分的效果較好。

將故障時刻的零序電流和零序電壓[5]代入Db5小波中進行分解重構得出零序電流和零序電壓的細節系數，將細節系數代入如下公式：

(5)

求出不同母線的零序電壓特征值和各支路零序電流特征值。通過比較特征值判斷線路故障位置。

4 配電網線路高阻故障仿真分析

4.1 仿真系統模型

圖8是一個5饋線中性點非有效接地的10kV配電網系統，本文選擇的仿真軟件為PSCAD，選擇MATLAB 編程軟件作為數據分析和波形處理工具。

圖8 配電網仿真系統

該仿真系統是一個10kV的配電網結構，中性點經消弧線圈接地系統。其中，電感量取值為0.82H，電壓源設計為理想電源，用于模擬無窮大三相電源；變壓器的連接組別為Y/Y；該系統母線共有5條饋線，線路全部采用架空線的形式，母線A段是有四條單輻射的10kV配電線路，線路長度分別為25km，13km，11 km，21km。 AB段長度為8km,CD段的長度為12km，BE段的長度為30km，BF段的長度為35km高阻故障發生在BF線路上。圖中各模型的具體參數如下： 變壓器1號為Y/Y 110/10kV。

電力線路參數：

正序參數：R1=0.175Ω/km，L1=1.211mH/km，C1=9.71nF/km，負序參數：R2=0.213Ω/km，L2=5.481mH/km，C2=6.03nF/km

表1 變壓器參數

4.2 接地電阻1000Ω時線路接地故障仿真

設高阻故障發生在B段母線的BF支路，過渡電阻的值為1000Ω，仿真結果如圖9～圖10所示。

圖9 BF段高阻接地時各支路的零序電流

圖10 BF段高阻接地時各母線的零序電壓

圖11 故障時各支路零序電流特征值

圖12 故障時各母線零序電壓特征值

由上圖可知，故障時刻發生在0.08s，當故障發生前母線上的零序電壓以及各支路的零序電流為0，當發生單相高阻接地故障時，母線和各支路開始有零序分量產生。由圖10和圖11的特征值大小可以判斷故障發生在B段母線的BF支路上，因為其特征值最大。

4.3 接地電阻2000Ω時線路接地故障仿真

設高阻故障發生在B段母線的BF支路，過渡電阻的值為2000Ω，仿真結果如圖13～圖14所示。

圖13 BF段高阻接地時各支路的零序電流

圖14 BF段高阻接地時各母線的零序電壓

圖15 故障時各支路零序電流特征值

圖16 故障時各母線零序電壓特征值

由上圖可知，故障時刻發生在0.08s,當故障發生前母線上的零序電壓以及各支路的零序電流為0，當發生單相高阻接地故障時，母線和各支路開始有零序分量產生。由圖10和圖11的特征值大小可以判斷故障發生在B段母線的BF支路上，因為其特征值最大。

在采用接地電阻進行高阻故障接地分析時，為便于比較，過渡電阻分別設定為1000Ω，2000Ω，3000Ω，5000Ω，7000Ω，10000Ω等幾種不同接地電阻，在多次帶入不停的接地阻值進行仿真分析比較，論證了基于小波變換分析發識別配電網高阻故障是有效的。因篇幅原因，本文只引用了1000Ω和2000Ω這兩個情況進行說明。當接地電阻小于5000Ω時，該識別方法有明顯效果，當接地電阻大于5000Ω時，本方法就不能有效檢測出故障所處位置。

5 結論

配電網單相高阻故障的識別歷來為故障識別的難點。由于接地電阻過大，導致故障時電流和電壓的數值小，盡管有大量的故障信息卻不能充分利用。本文通過小波變換分析法提取故障零序電流和零序電壓進行小波分解重構，得出細節系數代入特征值公式中進行求解。可通過比較特征值的大小判斷故障位置，具有明顯優勢，可用來作為單相高阻接地故障識別的方法之一。