配电网单相电弧接地故障选线暂态分析法

摘要：本文是作者根据多年来工作经验，对配电网单相电弧接地故障选线暂态分析法进行了讨论，具有一定的参考意义。

关键词:配电网;故障选线;消弧线圈;电磁暂态;小波变换;电弧故障

中图分类号：TM475文献标识码： A 文章编号：

0.前言

在电力系统中，配电系统与电力用户的关系最密切，最直接。配电网量大面广，担负着直接为广大用户供电的任务，随着社会经济的发展，人们对电力的需求日益增长，同时对供电质量提出了更高的要求。因此，当发生故障后要能快速有效地检出、切除、隔离故障，快速恢复供电，保障供电可靠性，以减少故障对供电的影响。我国 3～66kV 的配电网一般采用中性点不接地或经消弧线圈接地的工作方式。在这种工作方式下，发生单相接地故障时，流过接地点的电流很小，所以常被称为小电流接地系统。

小电流接地系统发生单相接地故障的几率最高，可占总故障的 80%，但由于故障时三相线电压依然对称，且故障电流很小，不形成短路回路，不影响对负荷供电，因此，当系统发生单相接地故障时，一般要求继电保护能有选择性的发出信号，不必马上跳闸，电力系统安全规程规定可以继续运行 1～2h。但是随着配电网规模的扩大及城网、农网改造的进一步深化，尤其是电缆线路的大量使用，导致系统电容电流增大，长时间接地运行可能会发展成两相短路，也易诱发持续时间长、影响面广的间歇电弧过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行。因此，必须及时找到故障线路并予以切除。

1基本原理

发生单相接地故障时的暂态电流可能是稳态值的几倍到几十倍。对于中性点经消弧线圈接地的电网，由于暂态电感电流的最大值应出现在接地故障发生在相电压过零的瞬间，而当故障发生在相电压接近最大值瞬间时，iL≈0，因此，暂态电容电流较暂态电感电流大得多，所以在同一电网中，不论中性点不接地或经消弧线圈接地，在相电压接近最大值时发生单相接地故障，其过渡过程都是近似相同的。

在谐振接地系统发生单相接地故障瞬间，可以用图1的等值回路来分析故障点的暂态电容电流、暂态电感电流、暂态接地电流。

图1 单相接地暂态电流的等效电路

其中，C ——补偿电网的三相对地电容；

L0 ——三相线路和变压器等在零序回路中的等值电感；

R0 ——零序回路中的等值电阻(其中包括导线的电阻，大地的电阻及故障点的接地电阻)；

rL ，L ——分别为消弧线圈的有功损耗电阻和电感；

u 0——等效零序电源电压。

对于中性点不接地电网，暂态等值回路仅相当于把图1中的Lr 和 L 开路，暂态电流的分析过程与暂态电容电流的分析基本相同。下面主要分析中性点经消弧线圈接地电网的暂态过程。

1.1小波基的选取

小波函数在理论上有无限多种,由其引出的小波基所具有的性质也各不相同,可满足各种问题的需要。但对同一个信号利用不同的小波基进行处理,取得的效果并不相同,甚至差异较大,故应根据分析的对象和目的采用合适的小波函数。

在工程信号分析和处理中选择小波函数,除了考虑它的连续性、时频窗中心及面积、小波消失矩及衰减性外,还要分析对称性、正交性、紧支性等特性。考虑到上述特性,并结合小电流接地系统故障选线的具体问题,为减小频谱的泄漏和混叠,要求小波函数具有好的频域特性,即分频严格。Meyer小波的小波函数和尺度函数都是在频域中进行定义的,是具有紧支撑的正交小波,分频效果相对较好。所以本文选用Meyer小波,其尺度函数和小波函数的波形如图2所示。

1.2选线过程

使用Meyer小波对α分量电流的增量进行小波分析,建立判据,实现选线。具体步骤如下:

a.以故障点数据为中心,取其前后各2个周期的数据作为分析数据窗。对采样数据进行Clarke变换,计算出故障前后电流中α分量的突变量。

b.取S=∫T0 Wi(t) dt作为α分量电流突变量的一种测度,其中Wi(t)是α分量突变电流在尺度i上的小波分解。通过对采样数据进行频谱分析,能够确定小波分解的较佳尺度。

c.找到Sj使得Sj>Sk(k=1,2,…,n,且k≠j)成立,那么可以判定线路j是故障线路(若是母线故障,则所有线路都应该被切除,相当于所有线路都是故障线路,故上述选线过程不会引起误动)。如果在一个数秒的延时之后,故障没有自动消除,那么就切除线路j。如果切除线路j之后,故障仍然存在,则可判定为母线故障。其中,Sj是线路j的测度,其定义方法如上所述。

2仿真分析

本文用于仿真分析的小电流接地系统是由架空线组成的典型辐射状配电网络,中性点运行方式是用开关K1,K2控制的,如图3所示。

2.1电弧过程的零序电流

实际的电弧过程非常复杂,无法用一个确定的数学模型来进行定义,但故障相电弧的重燃和熄灭有一定的规律。工频熄弧理论和高频熄弧理论在实际中都有可能成立。因在空气中工频熄弧的可能性较大,为便于分析,本文按工频熄弧理论进行仿真试验,即相恢复电压达到最大值时发生重燃,工频电流过零时,电弧自动熄灭。在进行EMTP仿真时,可用压控开关作为实际电弧接地的理想化数学模型。仿真用系统如图3所示,距线路4始端24 km处发生电弧接地。故障线路(线路4)和非故障线路(以线路2为例)的零序电流波形,分别如图4(a)和图4(b)所示。

由图4可知,小电流接地系统单相电弧接地是一个不稳定的息弧、拉弧过程,不存在稳定的短路过程,基于稳态分量的选线方法在这种情况下就很难发挥效用。

2.2新方法在不同采样频率下的选线结果

对图3所示仿真系统,距线路4始端24 km处于0.315 s时A相发生电弧接地。以10 kHz采样频率为例,按照上述方法实现选线,使用其他采样频率时的选线过程与其相同。限于篇幅,仅给出线路2(正常线路)和线路4(故障线路)的分析波形。

下面对故障点前后各2个周期的数据进行分析。线路2和线路4上的α分量电流波形如图5所示,α分量电流增量波形如图6所示。对应的第4层高频小波分解系数如图7所示。

图5所示α分量电流波形的表现比较相近,即对故障线路(线路4)上α分量电流波形与正常线路(线路2)α分量电流波形的区别没有直观、明显地描述出来。此外,α分量的幅值在系统正常运行时也很大,而且负荷电流的变化影响其幅值大小。所以本文选取电流中α的突变量(其波形如图6所示)作为故障特征的提取对象,来建立选线判据。按前面的选线步骤可得到各线路α电流突变量的小波测度(见表1),容易推知线路4故障。

表1中S20,S10,S5分别是20 kHz,10 kHz,5 kHz采样频率下得到的小波测度。从中可看出,选线精度随采样频率的下降而下降。但采样频率为5 kHz时,该方法仍然能够正确选线。可见,本方法对采样频率的要求不高,在实际应用中使用5 kHz采样率是可行的。

2.3不同A/D分辨率下的选线结果

采样频率仍为5 kHz,在第4层小波分解下进行分析。分别采用16,14,12,10位A/D实现新方法的选线过程结果示于表2。从中可看出,选线精度随着A/D精度的下降而下降。在10位A/D的情况下仍有很高的选线精度。这说明该方法在实现过程中对硬件要求不高,具有很强的鲁棒性。考虑到采用16,14,12位A/D时选线精度相对接近,而在10位A/D下的选线精度下降得较快。所以,在实际应用中使用12位A/D既能满足工程需要又比较经济。

2.4不同故障位置处的选线结果

本方法对于短线路近端、远端和长线路近端、远端的电弧接地故障都有类似的仿真结果(见表3)。可见,本方法抗电弧接地的能力很强。

3结论

a.本文提出的选线方法具有较强的抗电弧接地能力;受系统中性点运行方式的影响较小;选线过程中采用相对值建立判据,能有效地克服测量误差和系统不对称的影响,具有较高的选线精度。

b.与负序分量选线方法相比,该方法不需要进行相量计算,可以使用其采样值直接计算,在暂态过程的分析与计算中明显占优。

c.当相电压在过零值附近接地时,暂态分量幅值过小,选线精度会大大下降。所以,实际中应利用暂态分量反映故障特征明显但不稳定,稳态分量反映故障特征不明显但稳定的特点,考虑建立暂态分析与高灵敏度稳态法相结合的综合选线方案。

参考文献

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