發布時間：2022-01-25所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要: 單相接地故障在中性點經消弧線圈接地系統中發生的概率最大，并且接地點的電氣故障特征較弱，選線難度大。不同線路的對地電容電流突變量的 5 次諧波分量的幅值和相位特征差異明顯，通過分析比較非故障線路和故障線路之間的這些差異，提出基于電容電流突變量的 5
摘要: 單相接地故障在中性點經消弧線圈接地系統中發生的概率最大，并且接地點的電氣故障特征較弱，選線難度大。不同線路的對地電容電流突變量的 5 次諧波分量的幅值和相位特征差異明顯，通過分析比較非故障線路和故障線路之間的這些差異，提出基于電容電流突變量的 5 次諧波分量和 Duffing 振子檢測原理相結合的選線方法，將每條線路各相的電容電流突變量作為外驅動力加入到 Duffing 振子系統中，觀察本線路各相的相軌跡狀態變化的一致性，便可選出故障線路，Matlab 仿真結果表明該算法有較高的準確性。
關鍵詞: 消弧線圈; 電容電流突變量; 5 次諧波分量; Duffing 振子系統; 相軌跡
0 引 言
我國中壓配電網廣泛使用中性點非直接接地方式，系統發生單相接地故障的概率最大，故障發生后系統的線電壓仍對稱，不影響供電的連續性。但此時故障線路中故障特征不明顯，特別是在中性點經消弧線圈接地系統中，消弧線圈對系統電容的補償作用使得故障點流過的零序電流幅值更小，相位也發生變化，傳統的基于零序電流故障特征的各種選線方法失效[1-2]。
工程實際中的小電流接地選線裝置廠商較多，原理和構造也不盡相同，但其選線算法基本可歸納為基于暫態信號和穩態信號兩類[3-5]。其中暫態信號由于受到各類因素影響而變的極不穩定[6-7]，使選線效果大打折扣; 目前投入使用中的基于穩態信號選線算法主要有: 零序電流幅值比較法[8-9]、零序電流群體比幅法、零序電流方向法[10]及零序導納法[11-12]等，上述算法在中性點不接地系統中的使用效果較好，而當中性點串聯消弧線圈后零序電流信號將變的很小難以捕捉。5 次諧波法[13-14]利用單相接地故障后系統中產生的零序電流中包含有各次諧波分量，并且 5 次諧波分量的比重最大，當頻率為工頻的 5 倍時，消弧線圈所產生的補償電流僅相當于工頻條件下的 1 /25，基本忽略不計。故障線路中所流過的零序電流 5 次諧波分量幅值遠大于正常線路，相位近似相反，據此特征可選出故障線路。與基于暫態過程特征量的選線方法相比，5 次諧波法對故障錄波裝置檢測精度的要求較低，經濟性更好。
但實際應用中基于 5 次諧波法開發的各種選線裝置選線準確率并不高，主要影響因素有: ( 1) 系統中非線性負荷、過渡電阻等其它諧波源所產生的 5 次諧波電流會對零序電流 5 次諧波分量產生干擾[15]; ( 2) 故障產生的零序電流中 5 次諧波分量數值非常小[16]，只有穩態零序電流的 1 /20 ～ 1 /50，測量計算其幅值相位很困難。
針對影響零序電流 5 次諧波法選線準確率的兩個主要因素，提出基于電容電流突變量的 5 次諧波分量和基于 Duffing 振子檢測原理相結合的選線方法，既克服了系統中其它諧波源對零序電流 5 次諧波分量的干擾，又解決了零序電流 5 次諧波分量的檢測提取困難的問題，避免了精確計算其幅值和相位，當有與 Duffing 振子系統固有頻率同頻的正弦信號輸入時，系統將高度敏感[17-18]，利用此特點能準確判別輸入信號中是否含有零序電流 5 次諧波分量，極大提高了 5 次諧波選線法的準確率。
1 電容電流突變量的 5 次諧波分量的分析
圖 1 為配電網諧振接地系統，假設該系統有兩條饋線 i 和 j，且兩條饋線的線路參數相同。用戶端存在非線性負荷。
當系統正常運行時，由于系統中存在非線性因素的影響，各線路的對地電容電流中存在諧波分量，線路 i 對地電容電流的 5 次諧波分量可表示為:
圖 2 與圖 3 對比可得故障前后線路中電流特征差異為: 非故障線路的三相對地電容電流突變量的 5 次諧波分量一致; 故障線路的故障相與非故障相比，對地電容電流突變量的 5 次諧波分量幅值相差很大，相位相反。
上述關于對地電容電流突變量的 5 次諧波分量的結論也適用于對地電容電流總突變量，區別只在于各線路 5 次諧波突變量相位相反而總突變量相位相同，仿真采用電容電流總突變量對 5 次諧波突變量特征進行驗證。
3 基于電容電流突變量的 5 次諧波分量和 Duffing 振子檢測原理相結合的選線方法
此選線方法的基本原理是: 首先分別測得故障發生前后各條線路的對地電容電流，然后對應作差便可得到非故障線路與故障線路各相的對地電容電流突變量，以排除負荷中的諧波源對零序電流 5 次諧波分量的干擾，不同線路的對地電容電流突變量 5 次諧波分量的幅值和相位特征差異十分明顯，因此可將各條線路三相零序電流突變量分別輸入系統中，比較系統相軌跡狀態變化結果，即 可 選 出 故 障 線 路，選 線 判據為:
( 1) 若某條線路的各相電容電流突變量輸入系統后，各相的相軌跡狀態都相同，則此條線路為非故障線路;
( 2) 若某條線路的各相電容電流突變量輸入系統后，任意一相的系統相軌跡狀態變化結果異于其余兩相，則可判定此條線路上發生故障;
( 3) 若系統所有饋線的各自三相電容電流突變量輸入系統后，同一線路上的系統相軌跡狀態變化結果都相同，則判定為母線故障。
4 試驗結果及分析
圖 4 為一個典型的 10 kV 配電網仿真模型，該模型系 Matlab 仿真軟件所搭建。
該配電網仿真模型中主要元件參數為: 變壓器一次側電壓 10. 5 kV，中性點采用經消弧線圈接地，采過補償方 式 且 補 償 度 取 10% . 消弧線圈電感值 L = 7. 481 6 H。線 路 1 長 度 為 15 km，有 功 負 荷 為 1. 3MW; 線路 2 長度為 20 km，有功負荷為 1. 6 MW; 線路 3 長度為 18 km，有功負荷為 2. 0 MW。
三條饋線的正序等效參數分別為: C1 = 0. 012 74 μF /km; L1 = 0. 933 7 mH /km; R1 = 0. 012 73 Ω/km; 零序等效 參 數 分 別 為: C0 = 0. 007 751 μF /km; L0 = 4. 126 4 mH /km; R0 = 0. 386 4 Ω/km。仿真窗口時間設定為 0. 2 s，設置線路 3 A 相距母線 50% 處發生單相接地故障。選取線路 1 和線路 3 的相關參數進行測量記錄，系統正常運行時測量記錄相關電流數據，故障發生后，延時記錄故障錄波器所采集數據的兩個周波 ( 0. 04 s) ，待接地故障電弧過零熄滅以躲過發生故障時的暫態過程[25]，采集有關電流波形數據進行分析，前述各線路的對地電容電流突變量的 5 次諧波分量的結論也適用于對地電容電流總突變量，區別只在于各線路 5 次諧波突變量相位相反而總突變量相位相同，仿真采用電容電流總突變量對 5 次諧波突變量特征進行驗證。非故障線路 1 正常運行時的各相對地電容電流如圖 5 所示。
非故障線路 1 的各相對地電容電流突變量波形 ( t≥0. 04 s) 如圖 7 所示。
由圖 7 可知，非故障線路各相的對地電容電流突變量相比，幅值和相位都相同，線路 3 正常運行時 50% 處的各相對地電容電流如圖 8 所示。
由圖 10 可知，故障線路的故障相與正常相相比，對地電容電流突變量幅值相差較大、相位相同; 而雖然其 5 次諧波分量幅值的絕對值很小，約占總電流突變量的 1 /20 ～ 1 /50，但故障線路與非故障線路幅值對比差異較大，而且相位相反，可用此特征進行選線。
將收集到的各條饋線三相對地電容電流總突變量分別輸入 Duffing 振子系統中，根據所需要檢測的諧波分量 頻 率，設 置 Duffing 振子系統內驅動力頻率為 500π，再對系統進行時標變換，計算并設置系統步長為h = 0. 05π，以適應輸入信號頻率遠大于 1 的實際狀況，并設置系統阻尼系數 k = 0. 5，此時系統相點到達臨界混沌狀態時內驅動力為 f = 0. 825 6。
系統在只有本身內驅動力情況下 f 為閾值時的相軌跡圖如圖 11 所示，此時相點到達臨界混沌狀態。
正常饋線與故障饋線各相的電容電流突變量輸入系統后的相軌跡狀態變化結果分別如圖 12 和圖 13 所示。
比較上述正常線路與故障線路的相軌跡狀態變化結果圖可知: 正常線路 1 三相的相圖仍然為臨界混沌狀態; 而故障線路 3 的 A 相的相圖變為大周期規律性運動狀態，B 相和 C 相的相圖仍處于混沌狀態，線路 3 的 A 相與 B 相、C 相圖狀態不一致，由此可判斷線路 3 為故障線路，與仿真預先所設置的故障點位判斷結果相一致。由于不同故障線路、故障發生位置和故障時刻等因素都可能對選線準確性造成影響，故專門進行了驗證，結果如表 1 所示。
5 結束語
傳統的基于 5 次諧波法開發的各種選線裝置雖然適用于中性點經消弧線圈接地系統，但準確率并不理想，針對影響準確率的兩個主要因素，提出基于電容電流突變量的 5 次諧波分量和基于 Duffing 振子檢測原理相結合的選線方法，具有如下優點:
( 1) 電容電流突變量的 5 次諧波分量的提出克服了系統中其它諧波源對零序電流 5 次 諧 波 分 量 的干擾;
( 2) Duffing 振子檢測理論的應用解決了零序電流 5 次諧波分量的檢測提取困難的問題，避免了精確計算其幅值和相位，極大提高了 5 次諧波選線法的準確率;
( 3) 配電網某條饋線發生單相接地故障后，正常線路與故障線路對地電容電流 5 次諧波突變量特征差異較大，且輸入 Duffing 振子系統后的相軌跡變化結果對比明顯，判別方法直觀明了;
( 4) 由于不同故障線路、故障發生位置和故障時刻等因素都可能對選線準確性造成影響，故專門進行了驗證，結果證明了所提選線方法的準確性和抗干擾性。——論文作者：薛太林，靳貳偉，吳杰
參 考 文 獻
[1] 薛永端，張秋鳳，顏廷純，等. 綜合暫態與工頻信息的諧振接地系統小電流接地故障選線[J]. 電力系統自動化，2014，38 ( 24) : 80-85. Xue Yongduan，Zhang Qiufeng，Yan Tingchun，et al. Selection of small current ground fault for resonant grounding system with integrated transient and power frequency information[J]. Automation of Electric Power Systems，2014，38( 24) : 80-85.
[2] 周軍，劉娜，李曙光. 基于等效半波注入法的小電流接地故障選線[J]. 電測與儀表，2020，57( 4) : 55-60. Zhou Jun，Liu Na，Li Shuguang. Small current grounding fault line selection based on equivalent half wave injection method[J]. Electron Measurement & Instrument，2020，57( 4) : 55-60.
[3] 賈清泉，劉連光，楊以涵，等. 應用小波檢測故障突變特性實現配電網小電 流 故 障 選 線 保 護[J]. 中 國 電 機 工 程 學 報，2001，21 ( 10) : 78-82. Jia Qingquan，Liu Lianguang，Yang Yihan，et al. Application of wavelet detection fault mutation characteristics to realize small current fault line selection protection in distribution network[J]. Proceedings of the CSEE，2001，21( 10) : 78-82.
[4] 吳樂鵬，黃純，林達斌，等. 基于暫態小波能量的小電流接地故障選線新方法[J]. 電力自動化設備，2013，33( 5) : 70-75. Wu Lepeng，Huang Chun，Lin Dabin，et al. Faulty line selection based on transient wavelet energy for non-solid-earthed network[J]. Electric Power Automation Equipment，2013，33( 5) : 70-75.
[5] 林中鵬. 基于改進蜂群算法優化神經網絡的小電流接地故障選線[D]. 青島: 山東科技大學，2018.
[6] 姜曉東. 基于人工神經網絡的小電流接地故障選線方法研究[D].淄博: 山東理工大學，2017.
[7] 吳軍基，楊敏，楊偉，等. 暫態高頻分量能量法小電流接地故障選線[J]. 電力自動化設備，2004，24( 6) : 14-17，2. Wu Junji，Yang Min，Yang Wei，et al. Fault line detection using transient high frequency energy for small current grounding system[J]. Electric Power Automation Equipment，2004，24( 6) : 14-17，2.
[8] 鄭沛光. 基于零序電流比較的小電阻接地系統接地故障保護[J].電子測試，2019，( 23) : 50-51，57.
[9] 鮑有理，季東方. 小電阻接地系統零序電流Ⅱ段保護整定策略研究[J]. 江蘇電機工程，2014，33( 5) : 25-27.
[10]金濤，褚福亮. 基于暫態非工頻零序電流的含 DG 新型配電網的接地選線方法[J]. 電工技術學報，2015，30( 17) : 96-105. Jin Tao，Zhai Fuliang. Grounding line selection method for new distribution network with DG based on transient non-power frequency zero sequence current[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2015，30( 17) : 96-105.
SCISSCIAHCI
