基于零序電流分析的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障自動選線方法

張士林

（荊州供電公司變電運維分公司，湖北荊州 434200）

0 引言

在配電網(wǎng)的運行過程中，單相接地故障是一種常見的問題，特別是在小電流接地系統(tǒng)中，中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地往往會造成單相接地故障［1］，因此及時、準(zhǔn)確地找出故障線路成為需要重點研究的一個問題。在小電流接地系統(tǒng)中，合理地運用選線方法能定位和識別故障點；針對具體的系統(tǒng)運行情況，結(jié)合多種信號處理方式［2］，運用識別技術(shù)可改進和優(yōu)化單相接地故障處理的過程，提高選線的準(zhǔn)確性，使選線過程更加實時化。

張國軍等［3］采用多零序電流互感器結(jié)構(gòu)和補償參數(shù)介入的方法，研究小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的選線問題，根據(jù)不同性質(zhì)的補償參數(shù)，分析各零序電流互感器電流幅值，在考慮故障點零序電流變化規(guī)律的情況下，設(shè)計選線判據(jù)，實現(xiàn)故障線路的識別。該方法在選線過程中易受接地系統(tǒng)運行方式等因素影響，出現(xiàn)錯選的情況。劉斯琪等［4］將故障穩(wěn)態(tài)特征作為參考依據(jù)，基于零序電流幅值連調(diào)，確定選線范圍，通過注入信號逐次調(diào)控中性點電壓，確定故障特征的零序電流幅值變化，實現(xiàn)故障區(qū)域的判斷。該方法由于受限于早期的繼電保護理論，電流互感器不平衡，因此當(dāng)故障點離互感器較遠時，零序電壓變化較小，容易對故障區(qū)域判斷失誤。嵇文路等［5］對小波包全頻帶進行分析，結(jié)合序貫極限學(xué)習(xí)機，確定小電流單相接地故障暫態(tài)信號的特征量，經(jīng)過多次迭代后實現(xiàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練，通過更新的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完成選線，確定單相接地故障線路的位置。但該方法受線路運行環(huán)境的影響，選線正確率無法滿足預(yù)期值。王義凱等［6］提出基于被選頻帶零序能量的選線方法，協(xié)同多模接地控制，將中性點切換至小電阻接地方式，促使健康的零序電流電壓幅值降低、故障線路的零序電流幅值增高，結(jié)合電流切換相位差，實現(xiàn)故障線路的選定。該方法對于故障線路的信號提取較少，不能準(zhǔn)確描述故障線路的信號特征，因此在進行選線的過程會導(dǎo)致選錯的情況出現(xiàn)。

為不斷改進和優(yōu)化選線方法，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本文以零序電流分析的小電流接地系統(tǒng)為研究對象，闡述該系統(tǒng)單相接地故障自動選線方法，并且結(jié)合實際情況進行分析與研究。

1 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障自動選線方案設(shè)計

1.1 定義導(dǎo)納不對稱度參數(shù)

通過注入信號并根據(jù)線路中的電流變化量計算線路的方式對地導(dǎo)納進行選線。為提高分析速度，在電網(wǎng)正常運行的情況下，可忽略線路的對地電阻，使配電網(wǎng)高壓母線與大電網(wǎng)相連，消除線路中的阻抗［7］。采用三角形接線忽略負荷對零序電流的影響，通過集中參數(shù)得到小電流接地系統(tǒng)的電容電流分布情況（如圖1所示）。

圖1 小電流接地系統(tǒng)電容電流分布圖

任意線路的不同相對地電流表示為CA、CB、CC，將線路的零序電流疊加，可計算出正常運行時線路的導(dǎo)納不對稱度，計算公式為

其中：K為導(dǎo)納不對稱度；C為三相零序?qū)Φ仉娙荨Ｒ驗榧芸站€路三相電容幾乎相同，所以K值一般較小。在分析過程中，設(shè)定線路三相對地電容相等，零序電流在不對稱度的計算過程中容易產(chǎn)生分量。根據(jù)線路的三相對地電路數(shù)值，求得導(dǎo)納不對稱度，計算公式為

其中：I為對地電流；U為三相電壓的不對稱度；jwCU為對地導(dǎo)納不對稱度；U0為零序電壓。通過上述公式能實時測量不同線路中的導(dǎo)納不對稱度，使線路三相度對地參數(shù)保持一致，保持不同線路中的三相平衡［8］。通過比較導(dǎo)納不對稱度參數(shù)進行特征分析，當(dāng)發(fā)生單相接地故障后，計算故障線路保護安裝位置的零序電流，判斷容性電流方向。如果非故障線路在故障發(fā)生前后沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，則導(dǎo)納不對稱度為0；如果線路參數(shù)發(fā)生了變化，則根據(jù)零序電壓判斷其故障線路的導(dǎo)納不對稱度。在計算過程中需要對故障線路的導(dǎo)納進行改進，通過裝置實時測量，在一定程度上放大故障電流值，故障發(fā)展過程增大可使對地電容參數(shù)得到一定的改進。

1.2 消弧線圈接地系統(tǒng)零序電流增量分析

為了滿足故障點電流小于10 A 的要求，消弧線圈的電阻值取300 Ω，以此分析系統(tǒng)線路的零序電流有功分量［9］。系統(tǒng)確定故障為單相接地故障后投入電阻，使單相接地饋線的零序電流發(fā)生變化。以故障線路在電阻投入時的零序電流導(dǎo)納不對稱度K為選線判據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，三相具有的對地電容一致，中性點電壓為0。設(shè)定線路發(fā)生單相接地故障，則投入中電阻前，三相電壓的不對稱度可表示為

其中：X0為零序電阻；R為中心點中電阻。過渡電阻短路使A 相的對地電壓數(shù)值發(fā)生變化。當(dāng)不計電壓降壓結(jié)果時，A 相的對地電壓可通過計算獲取。計算該電壓與零序電壓，得到零序電流穩(wěn)態(tài)值在中電阻投入后的計算結(jié)果。當(dāng)結(jié)果大于1 時可以選取故障線路。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，當(dāng)接地電流小于10 A 時，運用不接地方式運行。選擇接地電流為10 A，通過計算可以得到中性點的電阻值，所以在不接地系統(tǒng)中，當(dāng)接地電阻滿足一定條件時，零序電流增量可以用于選線［10］。當(dāng)系統(tǒng)中的接地電阻超過條件時，產(chǎn)生的零序電流增量不符合應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。同時，在系統(tǒng)欠補償工作運行狀態(tài)下，通過比較零序電流有功分量與零序電壓值，即能判斷線路是否健全，因此可以將此作為單相接地故障選線的判斷依據(jù)。

1.3 小電流接地系統(tǒng)單相故障自動定位選線

當(dāng)電阻投入中性點系統(tǒng)后可確定故障線路。在實際運行過程中，通過抑制的中性點接地方式能得到最大相的電壓和偏移電壓之間的差值，從而判斷故障發(fā)生的相別。通過確定故障類型可以確定短路狀態(tài)，因此在中性點小接地系統(tǒng)中，投入電阻后流過故障線路的零序電流基本呈容性，健全線路和故障線路中電流均為0。因為故障點下游流過的阻性電流較小，所以提出故障選線的判斷依據(jù)如下：

其中：M為所有出線；Ii為線路所測得的阻性電流；Ij為健全線路所測得的阻性電流。配電線路正常運行時會出現(xiàn)負荷不平衡的問題，同時流過的電容電流易產(chǎn)生零序電流，此時系統(tǒng)單相接地電容電流的計算公式為

其中：C為電容；U為電壓；w為電抗。通過與10 A 的標(biāo)準(zhǔn)值進行比較，可以計算出電流值，從而判斷系統(tǒng)消弧線圈的補償度并對其進行補償。經(jīng)消弧線圈補償后，電流呈容性，與電壓的夾角為直角。根據(jù)在不同中性點接地方式下單相接地故障的特征差異，分析三相接地故障特征。運用小波對故障信號進行分解，為有效提取故障產(chǎn)生的零序電流的高頻幅值，在分解信號時加入白噪聲序列，再進行分解處理［11］。通過提取分解后波形的奇異點對信號進行平穩(wěn)化處理。如果產(chǎn)生的零序電壓超過母線額定電壓幅值，對線路的零序電流信號進行EEMD（Ensemble Empirical Mode Decomposition，集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解）分解，將分解后的最高頻分量IMF（Intrinsic Mode Functions）進行差分處理，比較故障線路與健全線路的幅值，將其作為對故障線路進行選線的判斷依據(jù)。

2 實驗測試與分析

為模擬現(xiàn)場噪聲對電氣設(shè)備的影響，將得到的不同線路的零序電流加入噪聲并進行分解，求解特征固有模態(tài)能量，將結(jié)果進行歸一化處理。將得到的樣本數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)實際結(jié)果分析本文方法的選線效果。運用本文方法對處理好的仿真數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練并測試，通過與傳統(tǒng)方法比較，判斷選線方法的優(yōu)化程度。

2.1 搭建實驗環(huán)境

運用PSCAD（Power Systems Computer Aided Design，電磁暫態(tài)仿真軟件）進行電磁暫態(tài)仿真。在PSCAD 中建立6 條饋線，經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，其中1 號饋線為架空線路。在配電網(wǎng)仿真模型中不同線路的長度分別為13 km、18 km、17 km、20 km、14 km、15 km；在仿真模型中架空線路阻抗為0.354 Ω/km，導(dǎo)納為3.15×e-6s/km。通常情況下，為避免發(fā)生諧振過電壓，消弧線圈為過補償狀態(tài)。設(shè)定故障仿真時間，故障電阻為100 Ω。在此過程中，需要對變壓器中性點的零序電壓進行閾值判斷，并且分析故障發(fā)生后的零序電流波形，才能得到不同線路中的IMF 分量。將信號分解成IMF 分量，引入特征固有模態(tài)能量（配電網(wǎng)中“*”表示電弧接地故障，“×”表示配電網(wǎng)發(fā)生經(jīng)高阻接地模型故障）。選線過程中設(shè)定大故障樣本數(shù)量為800個，將得到的樣本數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進行訓(xùn)練，并且按照對應(yīng)結(jié)果進行類別判斷。設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中的spread 值，獲得故障選線性能。最后，計算選線的準(zhǔn)確程度，得到具體的誤差值。

2.2 結(jié)果與分析

將樣本數(shù)據(jù)進行歸一化處理，得到特征固有模態(tài)能量的特征分量（見表1）。

表1 歸一化后的特征固有模態(tài)特征分量

統(tǒng)計表1中的歸一化數(shù)據(jù)后輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對測試樣本進行訓(xùn)練，得到的訓(xùn)練結(jié)果如圖2所示。由圖2 可知，網(wǎng)絡(luò)中訓(xùn)練結(jié)果較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)選錯的情況，達到了良好的訓(xùn)練狀態(tài)。使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)在不接地系統(tǒng)中進行仿真測試，在電弧、高阻接地故障狀態(tài)下，計算選線的準(zhǔn)確程度，得到800 個訓(xùn)練樣本中的誤差值（結(jié)果如圖3所示）。由誤差結(jié)果可知，800 個樣本的選線正確性達到100%，誤差均為0，即在選線過程中不會產(chǎn)生錯選的情況，達到了良好的選線效果。本文的選線方法準(zhǔn)確率明顯更高，具有更高的靈活性和實時性，能廣泛應(yīng)用于單相接地故障系統(tǒng)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后的效果圖

圖3 訓(xùn)練后的誤差結(jié)果

綜上所述，基于零序電流分析的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障自動選線方法能根據(jù)可擴展性去噪，在不同的頻段中提取原始信號。同時，本文算法可提升選線的完整性，將特征固體模量作為故障選線的特征向量，分析選線的準(zhǔn)確程度。

3 結(jié)語

使用良好的選線方法可快速診斷電纜故障，減少故障停留的時間，確保電力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定地供電。本文深入研究基于零序電流分析的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障自動選線方法，分析其應(yīng)用效果；將穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)零序電流分析相結(jié)合，運用小波變換方式對故障信號進行分解與重組，提高了選線的可靠性。但該方法仍存在需要進一步研究之處，例如線的速度、計算復(fù)雜度、方法是否具有普遍適用性等問題。今后需進一步完善計算，通過對故障信號進行多尺度分析，提取更全面的故障信息，保障設(shè)備運行過程中工作環(huán)境的安全性。本文研究的單相接地故障自動選線方法具有一定的優(yōu)點和應(yīng)用前景，能為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供有益的參考。