張新一

(青島大學 自動化與電氣工程學院，山東 青島 266071)

引言

據(jù)不完全統(tǒng)計，間歇性故障大約占到接地故障總量的5%～10%，會對故障定位裝置、分界開關(guān)等設(shè)備的正常工作造成一定影響，其存在形式對已有的保護原理提出了更高的要求，而由此引發(fā)的間歇性弧光接地過電壓更嚴重威脅電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。由此可見，故障發(fā)生后第一時間有效識別出間歇性故障顯得尤為重要。

1間歇性故障的影響

1.1故障定位方面

間歇性故障接地電流不穩(wěn)定，給利用穩(wěn)態(tài)量原理檢測工作帶來困難，而應(yīng)用暫態(tài)量原理測量實現(xiàn)了瞬時性與永久性故障的選線，對間歇性故障動作存在問題。[1]故障定位技術(shù)主要適用于低阻接地故障，并聯(lián)中電阻、對電站或線路注入特定信號等定位方法不適于間歇性故障，可靠性差。

1.2分界開關(guān)方面

由于間歇性故障零序電流中存在幅值很大、不斷出現(xiàn)的暫態(tài)電流，可能導致測量的工頻電流幅值遠大于給定的數(shù)值，不滿足預想比較條件，造成分界開關(guān)誤動。[2]

1.3故障保護方面

在諧振接地中，消弧線圈可以自動消除電網(wǎng)瞬時單相接地故障，只有發(fā)生電弧接地或間歇性接地時才能啟動消弧線圈進行補償[3]。目前具有自動調(diào)諧功能的消弧線圈在發(fā)生故障時無法區(qū)分故障類型，直接對接地電容電流進行補償。如果故障類型為金屬性接地，投入消弧線圈不但不能使接地故障消除，還會對系統(tǒng)造成沖擊。

1.4過電壓方面

從過電壓的角度看，最危險的是間歇性弧光接地，有的可超過3.5倍的額定值，危及設(shè)備絕緣。所以當線路發(fā)生單相故障后，需快速識別故障是否為間歇性接地，以便工作人員及時采取措施，防止產(chǎn)生間歇性弧光過電壓。

2單相接地故障的分類

2.1接地電阻

當單相接地故障時，接地電阻在故障處能增加有功電流的幅值，使接地電弧能夠穩(wěn)定燃燒，同時多余的電荷通過接地阻抗很快釋放到大地，避免中性點位移電壓的增大，可使弧光接地過電壓的程度減小。

2.2接地狀態(tài)

按接地狀態(tài)可分為穩(wěn)定接地故障(占60%)和非穩(wěn)定接地故障(占40%)，其中非穩(wěn)定接地指弧光接地(如圖1)和間歇性接地。

圖1 弧光接地故障波形

2.3接地性質(zhì)

配電線路中金屬性接地故障在屬于完全接地故障，非金屬性接地故障屬于不完全接地故障。金屬性接地發(fā)生的主要原因是配電網(wǎng)某部分導線或者是電源側(cè)出現(xiàn)斷線，造成導線直接與地面相連。當金屬性接地故障出現(xiàn)時，故障相電壓立刻變?yōu)榱悖枪收舷嚯妷簳兂删€電壓(如圖2)。在發(fā)生非金屬性接地時，故障相電壓下降明顯，但不為零，比相電壓要低。非金屬性接地會很多時候和間歇性接地同時出現(xiàn)。

圖2 金屬接地波故障形圖

3間歇性故障識別

3.1不同類型接地故障特征分析

單相接地故障一般為電弧接地，分為穩(wěn)定性電弧、間歇性電弧和自熄性電弧，金屬性接地不屬于電弧接地，非金屬性接地和間歇性接地通常伴隨著高阻接地，高阻接地通常伴隨著間歇性拉弧現(xiàn)象。瞬時性故障(如圖3)的持續(xù)時間很短，一般在幾毫秒至幾分鐘不等，但多數(shù)情況下不到1秒，故障時間只持續(xù)大約一個工頻周期。導線在間歇性放電過程中，往往伴隨著弧光情況，具有瞬時性和持續(xù)性的特點。自熄性電弧如不及時消除，也可能發(fā)展為間歇性電弧(如圖4)；間歇性故障經(jīng)過一段時間，故障點絕緣水平恢復到能夠承受正常工作電壓時，故障恢復正常，兩種狀態(tài)能夠相互轉(zhuǎn)化。間歇性電弧具有持續(xù)時間短、接地電流大，電弧反復燃熄的特點，如果長時間發(fā)生將可能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定性電弧，絕緣進一步降低，最終成為不可還原的永久性接地故障。

圖3 實測瞬時性故障波形圖

圖4 間歇接地故障波形

3.2間歇性故障識別現(xiàn)狀

間歇性故障的研究存在兩個方面的問題：①配電線路間歇性故障信號特征量提取問題，間歇性弧光接地的拉弧現(xiàn)象是一個非常復雜的物理化學變化過程，對間歇性電弧的認識和仿真還大多停留在表象，對間歇性電弧的本質(zhì)特征有待進一步研究探索；②配電網(wǎng)單相接地故障的不同分類方式之間聯(lián)系與區(qū)分概念模糊(比如金屬性接地與永久性接地的區(qū)別等)，導致識別判定故障類型不準確。

目前配電網(wǎng)導線故障檢測多識別于永久性故障和瞬時性故障，對間歇性故障認識不足。傳統(tǒng)故障識別方法一般是基于工頻穩(wěn)態(tài)量，但不適用于識別間歇性接地故障。司馬文霞等基于弧光接地過電壓波形特點，利用間歇性燃熄弧過程產(chǎn)生的故障相電壓奇異性信號，經(jīng)數(shù)學形態(tài)學COOCG形態(tài)閉開-開閉梯度濾波算子對零序電壓進行濾波，提取零序電壓的突變量，以特征量突變超過閾值的次數(shù)來識別故障，電弧接地超過金屬性接地的特征值，達到了識別目的。[3]劉渝根、謝彥斌通過故障相電壓的特點和區(qū)別，從波形特點入手，發(fā)生永久金屬性故障時故障相的電壓幅值很低(約為0)，其波形近似為一條水平線；電弧故障時波形是周期性變化，每個工頻周期內(nèi)約有半周時間幅值為0(對應(yīng)電弧燃燒期間)，而另一半周期有一次從正峰值到負峰值的變化，設(shè)置略高于金屬性接地故障相電壓，同時明顯低于電弧性故障電壓峰值的閾值，利用電壓比較器，金屬性接地故障輸出低電平，電弧性故障輸出電平忽高忽低的方波。[4]賀興等針對山區(qū)35kV電網(wǎng)三相不對稱與消弧線圈不能同時兼顧的問題，提出只有在檢測到電弧接地時才投入消弧線圈整定的新策略，根據(jù)間歇性故障電流有效值不高且持續(xù)時間短，利用瞬時電流電壓的增加量di/dt和du/dt是否突變做判據(jù)，設(shè)置閾值，通過硬件電路對一個周波(0.02s)進行24次采樣，如果10次高于閾值，即半周波發(fā)生突變，可判定此周波出現(xiàn)異常零序電流或電壓，進行15分鐘的觀測，若出現(xiàn)次數(shù)大于整定次數(shù)，啟用間歇性保護。[5]王曉芳等針對35kV弧光接地消弧線圈靈活投切問題，依據(jù)電弧電流低于10A電弧不會重燃，提出臨界電壓概念將其應(yīng)用到識別間歇性電弧接地和自熄性電弧接地中，與中性點電壓的比較關(guān)系推斷間歇性電弧存在的可能性，結(jié)合電弧存在零休現(xiàn)象，比較電流斜率變化率，提出配電網(wǎng)永久性接地故障和電弧性接地故障識別依據(jù)。[6]

以上方案需要設(shè)置一個關(guān)于電氣量的門檻值，超過閾值一定次數(shù)才能夠判定是否發(fā)生間歇性故障，而門檻值的設(shè)定需要故障發(fā)生時一系列參數(shù)來確定，由于各參量的不穩(wěn)定和不確定性，實用化程度有待提高。

3.3基于暫態(tài)能量變化的識別方法

實際工作中接地電弧的大小的往往用能量值衡量，以暫態(tài)量作為研究對象，根據(jù)故障信號暫態(tài)量較大，用暫態(tài)能量可以完整的反映故障發(fā)生的特點和過程，不僅能夠判斷穩(wěn)定接地，而且能夠判斷瞬時性接地和間歇性接地故障?？蓪㈦娀】醋鍪且粋€非線性的導體，電弧動態(tài)模型方程一般形式為[7]：

(1)

(2)

式中：ia動態(tài)電弧電流；ua動態(tài)電弧電壓；ra為動態(tài)電弧電阻；P為電弧輸入功率；Po為電弧散出功率；Q為電弧中積累的能量。Q與弧隙溫度和游離狀態(tài)有關(guān)，Q隨時間的改變是外接電路輸入能量與弧隙散出能量的差值。

電弧自動調(diào)節(jié)弧隙溫度和直徑以達到輸入和散出的功率平衡，調(diào)節(jié)過程需要一定的時間，稱為電弧的熱慣性，弧隙散出能量為常數(shù)。模型描述接地故障的電弧特性

(3)

其中：g為電弧電導率；tm為電弧的熱慣性時間常數(shù)；E為電弧單位長度的電勢；i為電弧電流；pm為電弧能量損耗常數(shù)。

3.3.1間歇性接地故障判別方法

從故障暫態(tài)分析，故障暫態(tài)由若干個諧振過程組成，其主諧振過程頻率最低，主諧振頻率200～2000Hz，所占能量最大，可近似代表暫態(tài)整體特征，暫態(tài)電流可達數(shù)百安，持續(xù)時間一般小于2 ms。間歇性故障將頻繁出現(xiàn)暫態(tài)過程，其故障持續(xù)時間為0.2～2S，頻率大小為300～2000Hz，符合間歇性接地電流和時間特征。

由公式(2)(3)可得：

(4)

對公式(4)兩邊積分得：

(5)

g=ek(Q-C)(6)

公式(6)得出電弧電導與電弧能量之間的關(guān)系，電弧電導隨著能量的變化成指數(shù)上升。對公式(5)求導得：

(7)

由公式(7)可以得出電導率與能量的變化具有反函數(shù)關(guān)系，如圖5所示。

圖5 接地電阻與輸入能量之間的關(guān)系

發(fā)生間歇性電弧接地時，接地電阻rd由弧隙電阻ra和回路電阻r1兩部分組成，r1是一固定常數(shù)，數(shù)學模型為：

rdi=h(t)(rai+r1)

(8)

式中：rdi為接地電阻；rai為第i次再次拉弧的電弧阻抗。

由公式(6)(8)可得出接地阻值隨時間變化趨勢(如圖6)。間歇性弧光接地每次燃熄弧，電阻呈指數(shù)變化，恢復階段，接地電阻近似為零。

圖6 間歇性接地電阻與時間變化趨勢

由弧隙電阻與輸入能量之間的關(guān)系，可得出間歇性接地暫態(tài)能量波形變化特性(如圖6)。暫態(tài)能量的變化率呈指數(shù)函數(shù)的規(guī)律變化，先隨著接地電阻的增加而增加，暫態(tài)能量波形的二階導數(shù)小于0，呈凸性；持續(xù)一段時間達到能量的臨界值后，暫態(tài)能量隨著接地電阻的增加而減小，暫態(tài)能量波形的二階導數(shù)大于0，呈凹性。

3.3.2金屬性接地故障判別方法

金屬性故障零序電流增大，暫態(tài)能量變化曲線會一直增加，其二階導數(shù)值近似于零。由于故障一旦出現(xiàn)，能量儲存迅速降低。

3.3.3對比分析

以上分析可知：

金屬性接地，中性點電壓升高到相電壓，零序電流增大，暫態(tài)能量變化曲線會一直增加，中間沒有波動，其暫態(tài)能量的二階導數(shù)近似為零。間歇性接地，能量波形二階導數(shù)呈凹凸性變化，反復出現(xiàn)。金屬性接地與間歇性接地暫態(tài)能量的二階導數(shù)有明顯的區(qū)別，通過與0值的比較可以區(qū)分金屬性與間歇性接地故障。

結(jié)論

間歇性故障特性比較復雜，不易用確定的數(shù)學模型來描述，很難精確仿真電弧過程和間歇性故障，而實際中間歇性故障的情況千差萬別，本文分析了已有判據(jù)的優(yōu)缺點，通過暫態(tài)能量的變化率進行識別克服了間歇性接地故障特征量不穩(wěn)定的影響，解決了需要設(shè)置閾值識別故障的缺陷，通過暫態(tài)能量變化趨勢把問題轉(zhuǎn)化成函數(shù)二階導數(shù)的求解，只需比較大于或小于0，而不需要直接比較能量或者能量占比的多少，一定程度上解決了能量法數(shù)值偏小，靈敏度不高的問題。

參考文獻：

[1]徐丙垠，薛永端，李天友，等.小電流接地故障選線技術(shù)綜述[J].電力設(shè)備，2005(4).

[2]劉偉生,劉遠龍,王安寧,等.配電網(wǎng)故障分界技術(shù)應(yīng)用情況分析與改進措施[J].供用電,2017(3).

[3]司馬文霞,冉銳,袁濤,等.采用數(shù)學形態(tài)學的弧光接地過電壓識別方法[J].高電壓技術(shù),2010(36).

[4]劉渝根,謝彥斌.山區(qū)35Kv電網(wǎng)單相接地故障類型判斷方法[J].高電壓器,2009(45).

[5]賀興,艾芊,章健.小電阻接地系統(tǒng)間歇性接地故障的動態(tài)增量判據(jù)及保護方案[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2014(42).

[6]王曉芳,謝彥斌.數(shù)字化配電網(wǎng)弧光接地故障的判斷[J].中南大學學報,2013(44).

[7]周亮.小電阻接地配電網(wǎng)中間歇性電弧接地的仿真與研究[D].上海交通大學，2011.