基于頻域的二維接地故障檢測方法研究

齊寓乾

（山東省實驗中學(xué)，山東濟南，250000）

0 引言

我國10kV配電網(wǎng)的中性點的運行方式主要為小電流接地方式和大電流接地方式。

在電力系統(tǒng)運行過程中，故障時常發(fā)生；其中，單相接地故障發(fā)生的次數(shù)占比超過了80%。中性點采用小電流接地時，單相接地故障電流小，即使是永久接地故障，仍可按照相規(guī)定繼續(xù)運行1～2個小時。但是，電網(wǎng)線路建設(shè)和改造，架空線逐漸被電纜線替代，電容電流增大，接地電弧難以熄滅。此時，中性點經(jīng)消弧線圈接地的運行方式就能發(fā)揮作用，但其需要投入更多設(shè)備[1]。究竟采用何種接地方式取決于很多因素，如：絕緣水平、通信干擾、接地保護方式、電壓等級、系統(tǒng)接線、人身安全等很多方面。電力系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，較大的短路電流會流過非故障設(shè)備導(dǎo)致其發(fā)熱甚至損壞；有時，故障還會破壞系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。更嚴重的是，發(fā)生接地故障后可能威脅到人身的安全。在本文所討論的低壓配電網(wǎng)中，中性點主要采用小電流接地的運行方式。為了保證供電的可靠性，在這種情況下系統(tǒng)可按相關(guān)規(guī)定繼續(xù)運行1～2小時。因此，在這種情況下系統(tǒng)不需要立即切除故障線路。雖然系統(tǒng)可以繼續(xù)供電，但單相接地故障很可能會演變成兩相接地故障甚至是三相接地故障，將會對系統(tǒng)造成很大危害。因此，在發(fā)生永久性的單相接地故障后，必須盡快選出故障線路和故障位置，以排除故障。

本文將介紹現(xiàn)有的主流檢測方法，并對其適用的工況進行總結(jié)，最終提出一種準確率高且檢測時間短的檢測方法。

1 傳統(tǒng)檢測算法

■1.1 首半波法

首半波法[4]指的是利用故障后，用第一個半周期的信息進行判斷的方法；因此，這是一種利用暫態(tài)信號的方法。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，在第一個半周期內(nèi)，由于電流不可突變，消弧線圈的補償作用忽略不計，可利用零序電流法進行判斷。但是由于暫態(tài)過程中非常短暫，難以實現(xiàn)。

■1.2 殘留增量法

殘留增量法[5]的原理是通過調(diào)節(jié)消弧線圈，改變流過消弧線圈的電流。此時，與大地連接的線路上的電流量變化應(yīng)該和消弧線圈上的變化相同，即故障線路上電流的變化和消弧線圈處相同；但是由于線路導(dǎo)納的存在，其他非故障線路也會起到一定的分流作用。殘留增量法需要調(diào)節(jié)消弧線圈的電感值，局限性很大，不適用于中性點不接地系統(tǒng)。

■1.3 諧波法

從理論上可知，單相故障信號中含有大量諧波分量，其中以奇次諧波為主。諧波法的原理是濾去基波分量，使用其中的5次諧波分量，再利用比幅比相法的原理選出故障線路。但是由于諧波分量比較小，實際應(yīng)用中準確率較低。

2 新型檢測算法

PSCAD/EMTDC是世界上廣泛使用的電磁暫態(tài)仿真軟件。本文利用PSCAD搭建10kV配電網(wǎng)模型，并進行仿真研究。仿真模型共四條出線，從上往下的線路長度分別為17km、18km、25km和30km；接地故障發(fā)生在第四條最長的線路上。架空線路的參數(shù)為：正序阻抗Z=0.19+j0.32Ω/km，正序?qū)Ъ{b=j2.895us/km，零序阻抗Z0=0.2289+j1.692Ω/km，零序?qū)Ъ{b0=j1.9334us/km。

在仿真過程中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)相電壓峰值附近發(fā)生接地故障時，系統(tǒng)故障電流的突變量和零序電流均較大，容易進行故障判斷。但是，當(dāng)單相接地故障發(fā)生在故障相電壓最小值附近時，系統(tǒng)故障電流突變量和零序電流量均很小，難以進行判斷，尤其是現(xiàn)實系統(tǒng)中電流互感器和電壓互感器本身存在誤差，這種情況下很容易發(fā)生誤判。

將上述PSCAD仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab進行處理后可以得到零序電流的頻域分量，通過頻域能量可以準確判斷出故障線路；并且，即使系統(tǒng)中電流互感器和電壓互感器存在誤差，也只會影響電流的大小，并不會對其波形產(chǎn)生影響。因此，采用頻域分析可以提高準確率。

■2.1 算法介紹

通過PSCAD仿真分析及matlab數(shù)據(jù)處理，可以得到：利用時域信息判斷比較快，不需要太多計算量，但是當(dāng)故障發(fā)生在故障相電壓過零點附近時，準確率很低甚至發(fā)生誤判。利用頻域信息進行分析能提高準確率，但是需要額外的數(shù)據(jù)處理，所以需要更強處理能力的計算機和需要更多時間才能檢測出故障。

因此，本文提出一種基于頻域的二維接地故障檢測方法，檢測過程如下：①系統(tǒng)三相中某一相電壓突然下降到0.2倍額定電壓以下，同時其他兩相電壓升高，則判定電壓下降的那一相發(fā)生單相接地故障。②判斷故障發(fā)生時故障相電壓相位；③若故障發(fā)生時故障相電壓與峰值相距45度以內(nèi)，則認為此時首半波法能夠準確判斷出故障線路，選擇首半波法進行判斷；其他情況則使用頻域能量法進行判斷。

■2.2 算法驗證

當(dāng)故障發(fā)生在故障相電壓最大值時，時域零序電流如圖1(a)所示，此時將選擇首半波法進行判斷，可以看出此時能夠通過首半波法進行準確判斷。但是，當(dāng)故障發(fā)生在故障相電壓過零點時，從圖1(b)可以看出首半波法將無法確定故障線路。

利用本文所提出的新型檢測算法，圖1(b)這種工況下應(yīng)該選擇頻域能量法進行判斷。因此，將圖1(b)中無法通過時域準確判斷的電流數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab作傅立葉變換，則可得到其各線路零序電流頻域波形。圖1(c)為其中零序電流最大的非故障線路零序電流的頻域圖，而圖1(d)則為故障線路的零序電流的頻域圖，通過對比圖1(c)(d)可以看出，此時通過頻域能量法能夠準確判斷出故障線路。因此，本文所提方法在傳統(tǒng)方法無法正確判斷時仍能判斷出故障線路。并且，相較于全程使用頻域能量法，該方法在提高檢測準確率的同時能大大減小故障檢測時間。

3 結(jié)語

本文針對10kV配電網(wǎng)，提出一種基于頻域的二維接地故障檢測方法，并通過PSCAD仿真和matlab進行了驗證，證明這種方法能夠準確判斷出單相接地故障線路，并不受故障發(fā)生時相角以及系統(tǒng)中性點接地方式的限制，其優(yōu)點主要為：

（1）相比傳統(tǒng)檢測方法準確率更高；（2）同等準確率情況下檢測時間短，為排除故障節(jié)省了時間。

圖1 仿真驗證圖