交流電源系統絕緣故障模擬與智能選線技術研究

臧 謙,李秉宇,杜旭浩,劉 杰

(國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

電力廠站中,絕大多數為照明、空調等低壓負荷,絕緣單相接地故障的發生占比高居首位,高達80%[1]。一旦發生單相絕緣接地故障弱燃弧時,剩余電流百毫安級,故障線路難辨。同時,單相接地故障時,電網的動態平衡難以保持,還可能引起系統過電壓。故障電弧溫度高達2 000～4 000℃時容易烤燃鄰近的可燃物,若未及時檢測并處理,可蔓延至相鄰電路,甚至引發火災或爆炸等更加嚴重的事故[2]?？焖贉蚀_地定位并及時切除電力廠站絕緣單相接地故障線路,有助于消除火災隱患,避免擴大停電,提高廠站的保供可靠性[3]。

國內外學者研究和應用了多種單相弧光接地故障的選線辨識方法,其中幾種典型方法為:1)暫態行波法,其原理是根據故障點處電壓和電流的變化,向兩端發出電流行波并利用行波的方向及其幅值完成故障選線[4]。該方法原理簡單,但識別故障波頭相對困難,且易受電磁干擾,選線效果不理想[5];2)相關性分析法,利用暫態零序電流波形在正常線路間高度一致,而在故障線路與正常線路間差異較大的特點[6-7],通過引入相關系數構成選線判據。盡管該方法原理簡單,但計算所需數據較多,對信號的同步性要求較高,且抗干擾能力較差;3)神經網絡算法,將多個故障特征以不同的方式輸入到神經網絡中進行處理,以實現接地故障的檢測和選線[8-9]。然而,其訓練所需的大量數據樣本在實際工程中難以獲取,因此很難在工程實踐中應用;4)小波分析法,其利用小波變換理論提取故障暫態信號的特征量進行故障選線,選擇時間和頻帶均有限的小波函數作為基函數,利用小波基函數對暫態故障電流進行小波變換,確定模極大值點大小作為故障線路的判斷依據。相較于其他方法,小波分析法受干擾影響較小,同時具有在不同頻段下分析暫態信號的能力。在電弧和間歇性電弧等暫態分量較大的故障選線中,具有顯著優勢。因此,本文選用小波分析法作為故障選線工具。

1 站用交流電源弧光接地故障剩余電流的模擬方法

由于弧光接地故障引起的交流線路剩余電流電弧中含高頻諧波,導致故障線路選線辨識困難。為研究故障線路辨識方法,需要在仿真系統嵌入含有高頻噪聲的電弧模型,進行剩余電流的真實模擬。

1.1 絕緣接地故障電弧模擬方法

故障電弧性狀取決于線纜的絕緣劣化狀態、廠站溫濕度環境和電弧間隙,持續的游離和消游離使電弧噪聲含量較大,交流故障電弧更是具有周期性熄滅與重燃的復雜特性。但絕緣接地故障影響故障相負載運行,無法進行現場試驗。為獲得契合工況的剩余電流波形,本文提出基于串聯電弧試驗的絕緣接地故障電弧建立方法。

1)搭建電弧模擬試驗平臺

采用市電AC 220 V 電源、隔離變壓器、電阻負載、拉弧器和限流器,設計串聯拉弧試驗。高速記憶示波器測錄電弧電壓uArc和電流iArc。配置電阻負載,設置燃弧器初始處于兩極接通狀態,采樣頻率512 k Hz,電弧電壓uArc觸發,觸發值6 V。接通電源后、通過電機控制活動電極滑動、極慢速離開固定電極,直至示波器觸發鎖屏。試驗電路、試驗平臺如圖1所示。

2)故障電弧的模型刻畫

將經典Cassie電弧模型中的電導用電阻導數替換,可得電弧模型為

式中:rArc為電弧電阻;uArc為電弧電壓;Uc為電弧電壓常數;τArc為電弧時間常數;t為弧隙電阻增大自然常數e倍所需要的時間。Uc和τArc看作為恒常數,二者與電弧電壓、電弧電阻、介質類型和氣壓等參數有關,可通過電弧電壓uArc(t)和電流iArc(t)觀測值辨識。通過模擬得出:以起弧點為臨界形成起弧尖峰,以熄弧點為臨界形成熄弧尖峰,電弧電壓存在一個穩定的燃弧平臺;時間常數τArc和穩定燃弧電壓Uc幾乎為常數,燃弧時間隨弧隙間距增大而減小;電弧電阻呈深“U”形狀,其寬窄取決于燃弧時間。

1.2 搭建絕緣接地故障模擬系統

站用交流系統線路多達幾十條,涉及站用照明、空調、電機等小容量單相或三相負載。某線路某相發生絕緣單相接地故障時,燃弧點對地之間嵌入電弧模型,數據驅動的交流電弧模型見圖2(a),其它無故障線路各相分別聚合,等效電路模型見圖2(b),絕緣接地電弧電壓、電流與剩余電流的模擬結果見圖2(c)。

分析了A級景區在14個大地區的分布數量進行基尼系數計算，從而判斷出新疆A級景區在各地區的分布均勻程度。根據表1中公式可得：Gini=0.941，C=0.059.因此，新疆A 級景區在14 個地州中呈現出集中分布，空間分布均勻較低。

2 交流電源絕緣接地故障仿真模型搭建

2.1 交流電源接地故障仿真系統搭建

采用MATLAB/Simulink對單相弧光接地故障線路進行仿真,構建10條負載出線和1條電源進線的10 k V/380 V 系統。系統頻率為50 Hz,各線路長度均為600 m,主要參數為R1=0.012 73Ω/km、L1=0.933 7 m H/km、C1=12.74 nF/km,R0=0.386 4Ω/km、L0=4.126 4 m H/km和C0=7.751 nF/km;各條線路負載分別為0.3 k W、0.4 k W、0.8 k W、1.2 kW、1.6 k W、2.0 kW、2.4 k W、2.8 k W、3.2 k W 和4.0 k W,如圖3所示。

圖3 單相弧光接地故障的10條線路交流電源模型

考慮到一般在負荷端加裝漏電保護裝置,將圖2(a)所示電弧模型分別接到圖3中10條線路距離負載終端100 m 的位置;用斷路器控制電弧模型接入與否,0.05 s時接通斷路器,監測10條線路的剩余電流。

2.2 仿真結果分析

最大負荷和最小負荷線路分別發生弧光接地故障時,仿真10條線路的剩余電流波形,其中線路1-4剩余電流波形如圖4所示。

由包括圖4所示剩余電流在內的,所有線路分別發生弧光故障接地時的剩余電流波形可見:

1)任一線路發生弧光接地故障,所有線路的剩余電流都會躍變,但帶著電弧高頻噪聲所致的毛刺;

2)故障線路的剩余電流有效值略大,與負載無關,高頻噪聲的存在導致故障線路難辨識。

2.3 剩余電流低頻故障特征提取

為辨識故障線路與非故障線路,需要消除高頻弧光噪聲對剩余電流波形的影響。

小波變換可對剩余電流非平穩信號進行時頻特征分析,將時域剩余電流進行低頻和高頻段的解耦。小波包變換可對高頻部分進一步分解,得到不同的頻率段,且能根據信號本身特征自適應選擇相應的頻帶與之對應,具有良好的時頻特性。因此,選取小波包對剩余電流進行解耦。

小波包分解得到近似分量和細節分量,通過雙尺度方程來構造小波包,雙尺度方程為

式中:Ψ(t)為母小波;j為分解層數;n為該層結點編號;i為節點編號;k為位移因子。

h k和g k為一對互補的正交鏡像濾波器,則第j層第k個頻帶的小波包系數為

小波包分解最終將原信號轉換到2j個頻帶中,圖5為3層小波分解示意,第4層有8個頻帶的小波包分解過程。

圖5 小波包分解示意

圖6給出了0.3 k W 負荷線路弧光接地故障前后剩余電流小波包變換重構的部分結果,由線路剩余電流的小波包重構結果可見:0～8 Hz低頻段小波包重構的剩余變流波形中,非故障線路剩余電流的波形為準正弦周期狀,故障線路剩余電流的峰值、有效值及功率值更大。

圖6 0.3 kW 線路剩余電流小波包重構結果

弧光接地故障發生在不同負荷線路時,0～8 Hz低頻段剩余電流小波包重構波形的有效值統計結果如圖7所示。

圖7 各交流負荷線路剩余電流統計結果

由圖7可見:

1)故障線路的0～8 Hz低頻段剩余電流小波包重構波形的有效值最大;

2)故障線路比正常線路剩余電流大,且與負載無關。

3 新型交流絕緣監測系統研制與應用

3.1 系統組成與功能

根據單相弧光接地故障線路剩余電流0～8 Hz低頻段信號有效值最大的特點,設計如圖8所示的智慧型交流電源剩余電流監測系統。該系統主要由剩余電流監測主機、剩余電流采集模塊和剩余電流互感器組成。系統響應及時,監測數據精準,采用多個CPU 分布式處理架構,有效提升系統響應速度。監測模塊采用高精度數據采集芯片。

圖8 智慧型交流電源剩余電流監測系統

該系統自動實現剩余電流故障錄波,記錄剩余電流越線故障發生前后500 ms的TA 電流波形,及時為剩余電流故障原因分析提供原始數據,如圖9所示。

圖9 告警記錄界面

3.2 故障診斷策略及變電站示范應用

基于剩余電流小波包重構的弧光接地故障診斷策略如圖10所示。首先采集各線路剩余電流,然后通過剩余電流是否越限判別是否存在交流接地故障,當超過絕緣告警值時,交流電源剩余電流監測裝置告警。對絕緣下降支路,通過小波分解法,提取弧光接地后剩余電流相時頻域特征,進而獲得剩余電流有效值精準判斷故障線路。

圖10 基于剩余電流小波包重構的弧光接地故障診斷策略

該系統在河北省南部電網某智慧變電站進行試點應用,有效辨識絕緣接地線路2 條,通過對10～50條線路的變電站采用蒙特卡洛法投配負荷,按照圖10策略進行弧光接地故障診斷,總數1萬次的測試,9 953次診斷成功,診斷準確率高達99.5%。對診斷失敗的情況進行溯源,發現均為負荷很小的線路。

4 結論

本文對基于小波包分析算法的單相接地故障線路辨識開展研究,并在河北某智慧變電站示范應用,依據所得結論設計了單相弧光接地故障智能感知策略,并應用于實踐,診斷準確率高達99.5%。通過示范應用,及時發現了變電站低壓交流剩余電流超標隱患,下一步將開展剩余電流故障線路主動快速切除技術研究,提升站用交流電源絕緣故障的主動防御能力。