發(fā)布時(shí)間：所屬分類(lèi)：電工職稱(chēng)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要: 單相接地故障在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中發(fā)生的概率最大，并且接地點(diǎn)的電氣故障特征較弱，選線難度大。不同線路的對(duì)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(guò)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(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中發(fā)生的概率最大，并且接地點(diǎn)的電氣故障特征較弱，選線難度大。不同線路的對(duì)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(guò)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(cè)原理相結(jié)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(qū)動(dòng)力加入到 Duffing 振子系統(tǒng)中，觀察本線路各相的相軌跡狀態(tài)變化的一致性，便可選出故障線路，Matlab 仿真結(jié)果表明該算法有較高的準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞: 消弧線圈; 電容電流突變量; 5 次諧波分量; Duffing 振子系統(tǒng); 相軌跡
0 引 言
我國(guó)中壓配電網(wǎng)廣泛使用中性點(diǎn)非直接接地方式，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的概率最大，故障發(fā)生后系統(tǒng)的線電壓仍對(duì)稱(chēng)，不影響供電的連續(xù)性。但此時(shí)故障線路中故障特征不明顯，特別是在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，消弧線圈對(duì)系統(tǒng)電容的補(bǔ)償作用使得故障點(diǎn)流過(guò)的零序電流幅值更小，相位也發(fā)生變化，傳統(tǒng)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(shí)際中的小電流接地選線裝置廠商較多，原理和構(gòu)造也不盡相同，但其選線算法基本可歸納為基于暫態(tài)信號(hào)和穩(wěn)態(tài)信號(hào)兩類(lèi)[3-5]。其中暫態(tài)信號(hào)由于受到各類(lèi)因素影響而變的極不穩(wěn)定[6-7]，使選線效果大打折扣; 目前投入使用中的基于穩(wěn)態(tài)信號(hào)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?qū)Ъ{法[11-12]等，上述算法在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中的使用效果較好，而當(dāng)中性點(diǎn)串聯(lián)消弧線圈后零序電流信號(hào)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(tǒng)中產(chǎn)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(dāng)頻率為工頻的 5 倍時(shí)，消弧線圈所產(chǎn)生的補(bǔ)償電流僅相當(dāng)于工頻條件下的 1 /25，基本忽略不計(jì)。故障線路中所流過(guò)的零序電流 5 次諧波分量幅值遠(yuǎn)大于正常線路，相位近似相反，據(jù)此特征可選出故障線路。與基于暫態(tài)過(guò)程特征量的選線方法相比，5 次諧波法對(duì)故障錄波裝置檢測(cè)精度的要求較低，經(jīng)濟(jì)性更好。
但實(shí)際應(yīng)用中基于 5 次諧波法開(kāi)發(fā)的各種選線裝置選線準(zhǔn)確率并不高，主要影響因素有: ( 1) 系統(tǒng)中非線性負(fù)荷、過(guò)渡電阻等其它諧波源所產(chǎn)生的 5 次諧波電流會(huì)對(duì)零序電流 5 次諧波分量產(chǎn)生干擾[15]; ( 2) 故障產(chǎn)生的零序電流中 5 次諧波分量數(shù)值非常小[16]，只有穩(wěn)態(tài)零序電流的 1 /20 ～ 1 /50，測(cè)量計(jì)算其幅值相位很困難。
針對(duì)影響零序電流 5 次諧波法選線準(zhǔn)確率的兩個(gè)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(cè)原理相結(jié)合的選線方法，既克服了系統(tǒng)中其它諧波源對(duì)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(cè)提取困難的問(wèn)題，避免了精確計(jì)算其幅值和相位，當(dāng)有與 Duffing 振子系統(tǒng)固有頻率同頻的正弦信號(hào)輸入時(shí)，系統(tǒng)將高度敏感[17-18]，利用此特點(diǎn)能準(zhǔn)確判別輸入信號(hào)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(zhǔn)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(wǎng)諧振接地系統(tǒng)，假設(shè)該系統(tǒng)有兩條饋線 i 和 j，且兩條饋線的線路參數(shù)相同。用戶端存在非線性負(fù)荷。
當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由于系統(tǒng)中存在非線性因素的影響，各線路的對(duì)地電容電流中存在諧波分量，線路 i 對(duì)地電容電流的 5 次諧波分量可表示為:
圖 2 與圖 3 對(duì)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(duì)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(duì)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(guān)于對(duì)地電容電流突變量的 5 次諧波分量的結(jié)論也適用于對(duì)地電容電流總突變量，區(qū)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(duì) 5 次諧波突變量特征進(jìn)行驗(yàn)證。
3 基于電容電流突變量的 5 次諧波分量和 Duffing 振子檢測(cè)原理相結(jié)合的選線方法
此選線方法的基本原理是: 首先分別測(cè)得故障發(fā)生前后各條線路的對(duì)地電容電流，然后對(duì)應(yīng)作差便可得到非故障線路與故障線路各相的對(duì)地電容電流突變量，以排除負(fù)荷中的諧波源對(duì)零序電流 5 次諧波分量的干擾，不同線路的對(duì)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(tǒng)中，比較系統(tǒng)相軌跡狀態(tài)變化結(jié)果，即 可 選 出 故 障 線 路，選 線 判據(jù)為:
( 1) 若某條線路的各相電容電流突變量輸入系統(tǒng)后，各相的相軌跡狀態(tài)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(tǒng)后，任意一相的系統(tǒng)相軌跡狀態(tài)變化結(jié)果異于其余兩相，則可判定此條線路上發(fā)生故障;
( 3) 若系統(tǒng)所有饋線的各自三相電容電流突變量輸入系統(tǒng)后，同一線路上的系統(tǒng)相軌跡狀態(tài)變化結(jié)果都相同，則判定為母線故障。
4 試驗(yàn)結(jié)果及分析
圖 4 為一個(gè)典型的 10 kV 配電網(wǎng)仿真模型，該模型系 Matlab 仿真軟件所搭建。
該配電網(wǎng)仿真模型中主要元件參數(shù)為: 變壓器一次側(cè)電壓 10. 5 kV，中性點(diǎn)采用經(jīng)消弧線圈接地，采過(guò)補(bǔ)償方 式 且 補(bǔ) 償 度 取 10% . 消弧線圈電感值 L = 7. 481 6 H。線 路 1 長(zhǎng) 度 為 15 km，有 功 負(fù) 荷 為 1. 3MW; 線路 2 長(zhǎng)度為 20 km，有功負(fù)荷為 1. 6 MW; 線路 3 長(zhǎng)度為 18 km，有功負(fù)荷為 2. 0 MW。
三條饋線的正序等效參數(shù)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(shù) 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(shí)間設(shè)定為 0. 2 s，設(shè)置線路 3 A 相距母線 50% 處發(fā)生單相接地故障。選取線路 1 和線路 3 的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量記錄，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)測(cè)量記錄相關(guān)電流數(shù)據(jù)，故障發(fā)生后，延時(shí)記錄故障錄波器所采集數(shù)據(jù)的兩個(gè)周波 ( 0. 04 s) ，待接地故障電弧過(guò)零熄滅以躲過(guò)發(fā)生故障時(shí)的暫態(tài)過(guò)程[25]，采集有關(guān)電流波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，前述各線路的對(duì)地電容電流突變量的 5 次諧波分量的結(jié)論也適用于對(duì)地電容電流總突變量，區(qū)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(duì) 5 次諧波突變量特征進(jìn)行驗(yàn)證。非故障線路 1 正常運(yùn)行時(shí)的各相對(duì)地電容電流如圖 5 所示。
非故障線路 1 的各相對(duì)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(duì)地電容電流突變量相比，幅值和相位都相同，線路 3 正常運(yùn)行時(shí) 50% 處的各相對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)比差異較大，而且相位相反，可用此特征進(jìn)行選線。
將收集到的各條饋線三相對(duì)地電容電流總突變量分別輸入 Duffing 振子系統(tǒng)中，根據(jù)所需要檢測(cè)的諧波分量 頻 率，設(shè) 置 Duffing 振子系統(tǒng)內(nèi)驅(qū)動(dòng)力頻率為 500π，再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)標(biāo)變換，計(jì)算并設(shè)置系統(tǒng)步長(zhǎng)為h = 0. 05π，以適應(yīng)輸入信號(hào)頻率遠(yuǎn)大于 1 的實(shí)際狀況，并設(shè)置系統(tǒng)阻尼系數(shù) k = 0. 5，此時(shí)系統(tǒng)相點(diǎn)到達(dá)臨界混沌狀態(tài)時(shí)內(nèi)驅(qū)動(dòng)力為 f = 0. 825 6。
系統(tǒng)在只有本身內(nèi)驅(qū)動(dòng)力情況下 f 為閾值時(shí)的相軌跡圖如圖 11 所示，此時(shí)相點(diǎn)到達(dá)臨界混沌狀態(tài)。
正常饋線與故障饋線各相的電容電流突變量輸入系統(tǒng)后的相軌跡狀態(tài)變化結(jié)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(tài)變化結(jié)果圖可知: 正常線路 1 三相的相圖仍然為臨界混沌狀態(tài); 而故障線路 3 的 A 相的相圖變?yōu)榇笾芷谝?guī)律性運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，B 相和 C 相的相圖仍處于混沌狀態(tài)，線路 3 的 A 相與 B 相、C 相圖狀態(tài)不一致，由此可判斷線路 3 為故障線路，與仿真預(yù)先所設(shè)置的故障點(diǎn)位判斷結(jié)果相一致。由于不同故障線路、故障發(fā)生位置和故障時(shí)刻等因素都可能對(duì)選線準(zhǔn)確性造成影響，故專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果如表 1 所示。
5 結(jié)束語(yǔ)
傳統(tǒng)的基于 5 次諧波法開(kāi)發(fā)的各種選線裝置雖然適用于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，但準(zhǔn)確率并不理想，針對(duì)影響準(zhǔn)確率的兩個(gè)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(cè)原理相結(jié)合的選線方法，具有如下優(yōu)點(diǎn):
( 1) 電容電流突變量的 5 次諧波分量的提出克服了系統(tǒng)中其它諧波源對(duì)零序電流 5 次 諧 波 分 量 的干擾;
( 2) Duffing 振子檢測(cè)理論的應(yīng)用解決了零序電流 5 次諧波分量的檢測(cè)提取困難的問(wèn)題，避免了精確計(jì)算其幅值和相位，極大提高了 5 次諧波選線法的準(zhǔn)確率;
( 3) 配電網(wǎng)某條饋線發(fā)生單相接地故障后，正常線路與故障線路對(duì)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(tǒng)后的相軌跡變化結(jié)果對(duì)比明顯，判別方法直觀明了;
( 4) 由于不同故障線路、故障發(fā)生位置和故障時(shí)刻等因素都可能對(duì)選線準(zhǔn)確性造成影響，故專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果證明了所提選線方法的準(zhǔn)確性和抗干擾性。——論文作者：薛太林，靳貳偉，吳杰
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 薛永端，張秋鳳，顏廷純，等. 綜合暫態(tài)與工頻信息的諧振接地系統(tǒng)小電流接地故障選線[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)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(cè)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(yīng)用小波檢測(cè)故障突變特性實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)小電 流 故 障 選 線 保 護(hù)[J]. 中 國(guó) 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報(bào)，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(lè)鵬，黃純，林達(dá)斌，等. 基于暫態(tài)小波能量的小電流接地故障選線新方法[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)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(jìn)蜂群算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的小電流接地故障選線[D]. 青島: 山東科技大學(xué)，2018.
[6] 姜曉東. 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的小電流接地故障選線方法研究[D].淄博: 山東理工大學(xué)，2017.
[7] 吳軍基，楊敏，楊偉，等. 暫態(tài)高頻分量能量法小電流接地故障選線[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)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(tǒng)接地故障保護(hù)[J].電子測(cè)試，2019，( 23) : 50-51，57.
[9] 鮑有理，季東方. 小電阻接地系統(tǒng)零序電流Ⅱ段保護(hù)整定策略研究[J]. 江蘇電機(jī)工程，2014，33( 5) : 25-27.
[10]金濤，褚福亮. 基于暫態(tài)非工頻零序電流的含 DG 新型配電網(wǎng)的接地選線方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，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.