劉林飛 方 珊 辛自立

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011；2.中機(jī)十院國(guó)際工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000；3.河南大學(xué) 基建處，河南 開封 475000）

0 緒論

在我國(guó)，小電流接地系統(tǒng)通常為采用中性點(diǎn)不直接接地方式的6-66kV 配電網(wǎng)。單相接地故障發(fā)生于該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：接地電容電流小，線電壓仍保持對(duì)稱，可以保證對(duì)負(fù)荷的持續(xù)供電，一般系統(tǒng)可以保持運(yùn)行時(shí)間為1 到2 小時(shí)。但是，隨著配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電纜在其中所占比重也得到了增加，這樣將引起發(fā)生單相接地故障時(shí)系統(tǒng)的對(duì)地容性電流增加。若在這種情況下系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，則單相接地故障會(huì)發(fā)展成為較多點(diǎn)的接地故障，其中弧光接地甚至?xí)拐麄€(gè)系統(tǒng)都出現(xiàn)過電壓的問題，使得設(shè)備損壞，整個(gè)電網(wǎng)的安全性受到破壞。此時(shí)，作為系統(tǒng)運(yùn)行人員必須能夠及時(shí)找到發(fā)生故障的位置，將系統(tǒng)故障排除，這其中就牽涉到單相接地故障中對(duì)故障線路在選線方面的問題。

1 小電流接地系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和故障特征分析

1.1 小電流接地系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)故障特征分析

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)線路發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí)，故障相對(duì)地電壓為零，非故障相對(duì)地電壓升高為原來的倍，線電壓仍然保持三相對(duì)稱。網(wǎng)絡(luò)中各線路上的對(duì)地電容電流流向如圖1 所示，其故障特征為：

（1）非故障線路上的零序電，流幅值一般較小，由母線流向線路。

（2）故障路線上的零序電流，其數(shù)值等于所有非故障元件零序電流之和，幅值最大，由線路流回母線。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相短路接地故障時(shí)，與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)相比，系統(tǒng)中各線路上的電流分布發(fā)生了一些變化，相同之處在于：全系統(tǒng)對(duì)地電容電流和電容電壓的分布和大小沒有改變；不同之處在于：增加一電感電流流經(jīng)接地點(diǎn)。

圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)對(duì)地電流示意圖

1.2 小電流接地系統(tǒng)暫態(tài)故障特征分析

暫態(tài)過程中，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的暫態(tài)接地電流的分析過程與中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的暫態(tài)電容電流的分析過程是相同的。在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，暫態(tài)接地電流由暫態(tài)電容電流和暫態(tài)電感電流兩部分疊加而成，但兩者頻率相差較大，不能相互起到補(bǔ)償作用。一般在暫態(tài)過程的初始階段，主要是暫態(tài)電容電流的特征決定了暫態(tài)接地電流的特征。而暫態(tài)電容電流的分布與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)過程中電容電流的分布情況相似，故單相接地故障時(shí)小電流接地系統(tǒng)的暫態(tài)零序電流分量有如下特征：

（1）故障發(fā)生在線路上時(shí)，全系統(tǒng)非故障線路的暫態(tài)零序電流由母線流向線路方向；故障線路的暫態(tài)零序電流的流向與非故障線路的相反，由線路流向母線，且其幅值最大。

（2）故障發(fā)生在母線上時(shí)，全系統(tǒng)中線路的零序電流的流向都相同，均由母線流向線路。

2 基于小波分析的故障選線方案

小波分析方法是一種窗口大小固定而形狀可以改變，即時(shí)間窗和頻率窗都可以改變的時(shí)-頻局部化分析方法。這種方法在高頻部分具有較低的頻率分辨率和較高的時(shí)間分辨率，在低頻部分具有較低的時(shí)間分辨率和較高的頻率分辨率，對(duì)于瞬時(shí)性的故障信號(hào)或具有奇異性的故障信號(hào)它是一種十分有力的分析工具。單相接地故障時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)特征信號(hào)具有振蕩性和非平穩(wěn)性，因此我們可以通過小波分析更加準(zhǔn)確地提取故障特征，從而提高選線的準(zhǔn)確性。

通常，基于小波分析選線方案的基本原理是：故障發(fā)生在線路上時(shí)，非故障線路的暫態(tài)零序電流由母線流向線路；故障線路的暫態(tài)零序電流的流向與非故障線路的相反，由線路流向母線，且其幅值比非故障線路的大；故障發(fā)生在母線上時(shí)，所有線路的零序電流流向都相同，均由母線流向線路。但是，現(xiàn)有的部分選線方案都存在一定的缺陷，總結(jié)如下：

（1）選線方案只給出了故障線路的所在，而未有表明選線判據(jù)的強(qiáng)弱程度。

（2）確認(rèn)選線錯(cuò)誤時(shí)，無法根據(jù)選線結(jié)果做出進(jìn)一步的分析進(jìn)行更正。

（3）由于每種選線原理都有各自的死區(qū)，因此越來越多的選線方案以多個(gè)選線原理的融合作為選線判據(jù)。而只給出單一選線結(jié)果的選線方案無法與其它方案進(jìn)行綜合分析。

針對(duì)以上這些缺陷，我們對(duì)現(xiàn)有的選線方案做出改進(jìn)，提出基于故障測(cè)度函數(shù)和小波變換理論的多輸出選線方案。首先，定義一故障測(cè)度函數(shù)，如式1 所示，以其函數(shù)值的大小來表征每條線路符合選線判據(jù)的程度，即每條線路是故障線路的可能性有多大。

具體的選線步驟如圖2 所示。

3 基于MATLAB 的仿真分析

3.1 小電流接地系統(tǒng)仿真建模

本文搭建的小電流接地系統(tǒng)是一個(gè)具有4 條出線的中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，其仿真模型如圖3 所示，包含了架空線路、電纜線路以及纜線混合線路。

圖2 選線過程步驟圖

圖3 仿真模型示意圖

圖3 中，理想三相電壓源作為電路的供給電源，線電壓10.5kV；線路選擇分布參數(shù)模型，具體參數(shù)見表1。其中，纜線混合線路L4 的電纜部分位于線路前端，長(zhǎng)度為5km，線路參數(shù)同L3 相同；架空線路部分位于線路后端，長(zhǎng)度為12km，線路參數(shù)同L1、L2 相同。

表1 線路參數(shù)

3.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)線路故障的選線仿真

設(shè)架空線路L1 在距母線首端4km 處，t=0.02s（故障初相角φ=0）時(shí)，A 相經(jīng)10Ω 電阻單相接地。此時(shí)，A 相電壓過零。仿真所得線路L1、L2、L3、L4 的零序電流如圖4 所示。

圖4 各線路零序電流

利用db5 小波在尺度3 下對(duì)圖4 中四條線路上的零序電流進(jìn)行分解，取得其細(xì)節(jié)分量如圖5 所示。

圖5 細(xì)節(jié)分量

由圖5 可以看出：在t=0.02s 附近一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)了模極大值，其中：L1 的模極大值幅值最大且極性與其它3 條線路相反，故初步判斷L1 為故障線路。

根據(jù)故障測(cè)度函數(shù)的定義，求得各線路的故障測(cè)度值如表2 所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出，架空線路L1 的故障測(cè)度最大，故判定L1 為故障線路，選線結(jié)果正確。

表2 故障測(cè)度

4 結(jié)論

本文以小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的暫、穩(wěn)態(tài)故障特征為基礎(chǔ)，利用小波變換原理良好的時(shí)-頻域局部化特征，提出了基于小波分析和故障測(cè)度函數(shù)的單相接地故障選線方案，并通過MATLAB7.0/Simulink 仿真平臺(tái)對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中不同的單相接地故障情況進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了選線方案的適用性。

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