基于電流畸變的配網單相接地故障選線與判別＊

汪勝和,陳曉東,項忠華,葉遠波

（1．國網安徽省電力有限公司，安徽 合肥 230022；2．國網安徽省宣城供電公司，安徽 宣城 242000）

1 引言

隨著新能源在電網的滲透率不斷增高，配電網逐漸成為多源網絡，配電網單向接地故障檢測和定位變得更為復雜?，F階段電網需要進行同步量測實現廣域運行電網的實時狀態監測，配電網單向接地故障檢測如利用相應電壓電流的關系，則可以解決實時故障、定位等問題。

目前針對小電流接地系統的單向接地故障、選線主要分為穩態法、暫態法和主動法[1]。穩態法主要使用穩態信號進行故障判別；暫態法是主要基于小波分析而提取子頻帶內暫態連續電流信號的方法；主動法是需要利用消弧線圈或電力電子裝置向配電網注入不同頻率的信號來檢測故障線路。目前這類方法中，暫態信號方法具有較高的準確率，而人工智能方法具有較大的不確定性。

目前針對單相接地故障的檢測研究較多。文獻[2]提出了考慮配電網分布式零序電流關系的單相接地故障定位。文獻[3]提出了一種配電網饋出線路單相永久性接地故障性質辨識方法。文獻[4]針對諧振接地系統單相接地故障有源電流注入全補償消弧進行了研究。文獻[5]提出了一種基于同步量測大數據的配網單相接地故障檢測及定位方法。文獻[6-8]提出了一種基于卷積神經網絡的配電網單相接地故障識別方法。文獻[9]提出了含分布式電源的配電網單相接地故障精確定位方法。這些研究都較為復雜，求解難度較大。本文針對單相接地故障短路故障診斷進行了分析，提出了一種針對電流畸變的單向接地故障診斷方法。首先建立了配網單向接地故障的模型，分析了故障向量圖。提出了基于凱倫布爾變換的單向接地故障判斷方法。利用健全相和故障相之間電流畸變的關系判斷故障線路。針對所提的模型進行的仿真分析，進而說明了本文所提方法的有效性。

2 配網單相接地故障模型

配電網一般為小電阻接地或消弧線圈接地系統，當系統發生單相接地故障時，系統的暫態電容電流主要由故障相電壓降低引起的電容放電以及非故障相電壓升高引起的電容充電過程組成。

在配網單相接地故障線路選線過程中，繼電保護裝置需要識別各種物理量的變化，主要是基于電壓和電流量的變化。由于在正常運行時系統為三相對稱系統，不存在零序分量；一旦發生單相接地故障，則會產生零序分量。系統繼電保護裝置，可以利用這一分量對系統故障線路進行判斷。但是由于在小電流接地系統中連續分量變化在某些情況下感知程度不夠，難以判斷具體故障線路。在負荷相電流以及大地與線路電容之間的電流形成的總電流導致配網環流，從而干擾了系統繼電保護裝置對故障線路的判斷和檢測。

圖1給出了單相接地故障的零序網絡圖。一般情況下，非故障線路兩側的故障電流和故障分量電流基本相等，而故障線路兩側的故障電流和故障分量電流一般不等，距離故障點最近的支路故障電流最大，針對單相接地故障通常利用零序電流進行分析。

針對零序電流，有下列表達式：

其中ωdch為放電頻率分量，與網絡形式、長度、故障點到保護裝置的距離有關。；ωch為充電頻率分量，取決于網絡電容電流以及電源阻抗。

系統正常狀態時，各饋線的對地電容電流計算如下：

當L1發生單相接地故障，非故障相五次諧波電流為：

非故障相的各次諧波突變量計算如下：

相應的向量圖分析如圖2、圖3所示。

上述分析主要針對中性點不接地系統，對于中性點接地系統，分類方法類似。

3 基于凱倫布爾變換的單相接地故障模型

3.1 凱倫布爾變換

凱倫布爾變換適用于三相系統的解耦分析，主要應用于暫態分析。其原理如下所示：

其中，T-1為變換矩陣；Xp為相分量矩陣；

由基本電路關系，得到：

其中，考慮系統對稱，

其中，Z0、Z1和Z2為網絡阻抗的0，1，2 模。上述變換不涉及復數，求解較為方便，因此，可以將三相系統用該方法進行解耦。

考慮圖1的中性點不接地系統發生的單相接地故障，三相對稱為系統，系統等值阻抗由線路、變壓器和負荷構成，得到Zeq。

對于某一線路f處發生單相（a）接地故障，邊界條件為：

由卡倫布爾變換，得到相對模的變換結果：

其中，U0、U1、U2和I0、I1、I2分別為電壓和電流模相量。

則故障電壓表達式為：

各種故障條件下的特征量如圖4所示[8]。

3.2 單相接地故障判斷方法

當系統出現穩態故障時，故障電流為正弦量，表達式如下：

為簡化分析，考慮如下關系：

其中，φ為故障時初始相角。

為實現甄別健全相和故障相，考慮相電流畸變率：

選相的判別標準為，單相接地故障線路中的健全相e＜0，故障相e＞0。

4 單相接地故障定位流程

本文所提的基于電流畸變故障判斷方法流程圖如圖5所示。

對故障后的三相電流進行凱倫布爾變換，可以得到相應的模故障分量。這類故障分量含有一定諧波，需要進行相應的諧波處理。然后利用電流畸變方法確定畸變率的大小。進而進行故障線路的判斷。

5 算例分析

5.1 系統說明

本文選取某系統進行仿真分析，仿真環境為MATLAB2012b，接線圖如下圖6所示。

線路的長度和參數如下表所示。

表1 線路長度

架空線參數為：r1=0．1471Ω/km，l1=0．43Ω/km，c1=0．0093μF/km，r0=0．5144Ω/km，l0=1．3885Ω/km，c0=0．006μF/km。

電纜參數為：r1=0．196Ω/km，l1=0．102Ω/km，c1=0．26μF/km，r0=1．96Ω/km，l0=0．34Ω/km，c0=0．158μF/km。

5.2 算例分析

故障線路零序電流在42ms時的波形如圖7所示：

可以看出，在故障發生后的極短時間內，故障相電流經歷很短暫的暫態波動，這與系統的過阻尼或欠阻尼形式有關，之后便逐漸進入穩態故障狀態。

在暫態過程持續一定時間后，大約30ms后進入穩態過程，利用本文所提諧波畸變方法進行故障判斷。

表2 電流畸變率計算結果

可以看出，僅故障相的畸變率為正，即電流增大。另外為了驗證本文所提方法的有效性，對故障的線路、初始角、接地電阻和故障位置均進行測試，得到的結果如表3所示。

表3 故障選線結果

6 結束語

本文提出了一種基于電流畸變的單相接地故障診斷與定位方法。首先分析了單相接地故障時的相電流分量關系。然后說明了凱倫布爾變換原理，建立了基于該變換的單相接地短路故障分析模型。提出了穩態故障下的相電流畸變方法，說明了選線原理和流程。

仿真算例表明，針對不同的故障條件，本文方法選線結果均正確，由此可見，本文所提方法針對不同的故障條件均顯示出了較高的可靠性。