基于小波算法辨識的小電流接地故障選線

魏巍

(南京南瑞繼保電氣有限公司， 江蘇, 南京 210000)

0 引言

為滿足我國人口增多帶來的更大電力需求，配電網絡不斷擴展，供電網絡結構越來越復雜。企業和人體的社會活動和生產運營都要使用電力資源，配電網的供電范圍成為社會經濟和科技發展的重要評價指標[1]。當前人們對發生故障的小電流系統進行故障定位，依據輸變電線路的暫態電流和電壓，故障線路中的特征信號不穩定，再加上各用電網絡中硬件設備的可靠性不同、互感器不平衡等問題造成對輸電網絡的故障位置定位不準確[2]。

針對上述存在的問題，文獻[3]采用輸變電發生故障線路的特征信號，有功分量的方向確定故障線路，但在中心點消弧線圈中，有功補償的作用不大，更依賴于零序電流，判斷精度不高。文獻[4]利用基波負序電流的有效特征值進行選線，相位相反更容易進行區分，但線路中存在高頻噪聲信號，特征電流的諧波分量較難獲取且容易受到負荷變化的影響。

1 小電流接地系統單相接地故障分析

針對上述研究中存在的不足， 本研究的創新點在于以下幾點。

(1) 在分析單相接地故障時零序電壓的基礎上，對故障線路的零序電壓電流的相位變化進行研究，并計算發生短路故障時零序電流經過接地電阻中心點產生偏移電壓的值。加入了零序電壓保護機制，反應零序電壓的增壓動作。

(2) 采用小波算法處理零序電流中不平穩的諧波分量，為了更細致地對信號進行頻帶劃分，提出對小波空間進行分解，并基于小波包分解進行小電流接地故障選線。

通過上文設計，中性點不接地系統中各輸電線路中性存在電容，電力系統正常運行時對地電壓電流相位如圖1所示。

在用電網絡中變壓器、發電機等電力設備使用的是三相線路，這些電氣設備的三相繞組的共同接地點為中性點。在供電網絡中根據中性點的接地方式可分為有效接地和小電流接地[5]。小電流接地的輸變電網絡的電壓在60 kV以下，將中性點看作等值電容進行接地的方式降低了電力系統結構的復雜程度。供電網絡發生故障時電路線路的故障點不會發生短路的情況。小電流系統的供電網絡如果發生其他類型的線路故障引起高次諧波，供電網絡中的容抗會逐漸減小，其中諧波電流增大。線路中會出現電弧導致過電壓的現象，干擾系統的通信能力，影響電氣設備的絕緣效果[6]。

圖1 小電流系統正常運行時零序向量圖

小電流系統沒有發生故障時，正常運行的輸變電線路中存在對地電容，此時線路的零序電流的相位和電壓相位相差90°。發生單相故障導致線路的故障點與正常運行的供電網絡形成短路回路，引起故障線路和非故障線路的電壓變化[7]。小電流系統發生單相故障時電流方向模型如圖2所示。

圖2 小電流系統單相接地故障模型

觀察圖2可知，當線路發生故障時，輸變電網絡的平衡狀態被破壞，故障點的電壓變為0，此時三相線電壓不變。同時，沒有故障點的線路的電壓也發生變化，各相電壓變化可表示為

(1)

(2)

零序電壓為相額定電壓。故障的供電網絡中故障點與地面之間相連導致對地電容消失，使正常線路的相電壓變為線電壓，此時線路的三相電流可表示為

(3)

此時零序電流為

3I0=3jωC1U0

(4)

供電網絡的三相電路失去平衡狀態導致線路中的零序信號被分解。故障線路的零序信號與正常線路中的零序信號方向相反，故障線路的電流值遠大于正常線路，功率的方向也相反。小電流系統運行正常時UA、UB、UC對稱，線路中不存在零序電流電壓的諧波分量。發生短路故障時小電流系統才會出現，A相中零序電流經過Rg產生對地電壓，產生的偏移電壓Uod的關系表示為

(Uod+UC)jωC=0

(5)

計算偏移電壓為

(6)

由式(6)可得到線路故障時偏移電壓向量圖如圖3所示(以UA幅值為直徑的右向量圓)。

圖3 偏移電壓向量圖

由圖3可知偏移電壓隨著接地電阻Rg的值變化而變化。當接地電阻Rg接近零時，偏移電壓為接地電壓。Rg值增加到一定程度時，故障線路相當于開路，此時偏移電壓為0。

2 基于小波包分解的小電流接地故障選線方法

供電網絡發現單相接地故障，此時線路中的信號的諧波分量的狀態并不穩定，采集諧波信號時大部分諧波分量消失。頻率和時間為不確定的值，給提取有用的特征信號帶來困難。

本研究小波算法對這種不穩定狀態信號的分析處理能力較強。小波變換對諧波分量進行分解，用多個小波函數共同表達，對模擬信號f(t)進行積分變換可表示為

(7)

Wf(j,k)=(f(t),ψjk(t))

(8)

(9)

其中，h(k)為低通濾波器系數，g(k)為高通濾波器系數，且g(k)=(-1)h(1-k)。基于小波包分解的故障選線方法流程如圖4所示。

步驟1：將各線按順序進行編號，分解單相故障線路中零序電壓和電流，可表示為

圖4 基于小波分解的故障選線方法流程框圖

(10)

其中，a0表示零序電流信號，h0表示低通濾波序列，h1表示高通濾波序列，a1…a6表示經過小波分解后的近似分量，d1…d6表示經過小波分解后的細節分量。

步驟2：重構零序信號中的諧波分量。對近似分量和細節分量重構得到零序電流和零序電壓，可表示為

(11)

步驟3：分別計算小電流系統中線路的零序電流積分值：

(12)

其中，i0k.j表示小電流系統中線路的采樣點，Ts表示采樣周期。對比各線路的電壓電流數據，得到最大的Im1、Im2、Im3。

步驟四：觀察Imi的變化特征，計算對應最大零序電流。

步驟五：電力網絡中一條線路的零序信號的極性與其他線路的方向相反，可以得出該線路發生故障。如果極性一致，則可以判斷出供電線路的母線發生接地故障。

3 應用測試

為驗證本研究小電流接地故障定位系統的性能，分別使用文獻[3]系統、文獻[4]系統和本研究系統進行實驗，對比3種系統的故障選線時間。

本研究實驗設置4條架空線路，線路末端均安裝有降壓變壓器和負載，并設置有接地裝置。電路中用一個三相電源等效電路電源。架空線路的暫態電容電流自由振動頻率為300～1 500 Hz，本研究實驗采樣頻率設置為7 000 Hz。本研究實驗小電流線路參數如表1所示。

表1 線路參數

4條線路(線路1～線路4)的負荷基本相同，負荷參數如表2所示。

表2 主要性能指標

本研究實驗設定在線路4的C相發生金屬性接地故障，檢測到故障線路4的零序電流如圖5所示，正常線路的零序電流如圖6所示。

圖5 故障線路的零序電流波形

圖6 非故障線路的零序電流波形

觀察小電流系統故障和非故障零序電流的變化可知，發生金屬接地故障的線路4中穩態電流持續的時間較短，發生故障時暫態諧波分量突然增加，且故障線路的零序電流值最大達到2.5 A以上，非故障線路的零序電流值保持在0.6 A以下波動。

使用3種系統對小電流接地故障選線，記錄故障選線時間。測試樣本如表3所示。

表3 測試樣本線路的暫態零序電流

3種系統的選線時間如圖7所示。

圖7 測試結果

對比3種故障選線系統的選線時間可知，本研究小電流接地故障定位系統的選線時間最短且系統更穩定。本研究對測試樣本6的故障選線時間最短為66.5 s，測試樣本2的選線時間最長為69.8 s，平均穩定在67 s左右。本研究對零序電流經過小波包分解，縮短了檢測時間，比其他故障選線方法的檢測時間更短。

文獻[3]系統對測試樣本4的選線時間最長為99.2 s。測試樣本5的選線時間最短為93.4 s，選線時間保持在100 s以下。文獻[4]系統對小電流系統接地故障的選線時間最長，其中測試樣本3高達126.7 s。文獻[4]對暫態零序電流的負序分量檢測效果較差，影響了對故障線路的定位精度，增加了故障選線時間。

4 總結

本研究介紹了小電流接地系統的中性點接地方式結構和特點，并分析了發生單相接地故障時的故障點和非故障電路的電流電壓特征和相位變化。應用小波變換和小波包分解，提出基于小波包分解對小電流系統的接地故障選線。

本研究仍存在一些不足之處，未充分考慮到零序電流互感器對接地線路電流電壓的影響。本研究實驗針對多條小電流線路，不適用與只有2條線路的輸變電網絡。