基于二次电弧的电力网单相接地故障性质甄别

曹勇敢 杨炳元 郝 威

（内蒙古工业大学电力学院，呼和浩特 010080）

基于二次电弧的电力网单相接地故障性质甄别

曹勇敢 杨炳元 郝 威

（内蒙古工业大学电力学院，呼和浩特 010080）

为了避免单相故障时自动重合闸装置重合于永久性故障，针对超高压输电线路，首先对单相接地故障时的物理过程进行了分析，紧接着分析了瞬时性故障与永久性故障情况下相电压的特点，然后，从原理上揭示了在二次电弧燃烧阶段两种故障情况下电压信号能量时间分布明显不同。在此基础上提出了利用小波包能谱值来甄别单相故障性质的方法，对采集到的故障相电压信号进行相应的小波包变换，计算相应的能谱值，通过比较能谱值的大小来甄别故障性质。理论分析和基于大量电磁暂态程序EMTP-RV的仿真结果均表明该方法能够较为精准地模拟实际故障，具有较好的实践应用价值。

小波包能谱值；故障性质甄别；瞬时性故障；永久性故障

1 引言

由于超高压输电线路线间距大，90%以上的故障为单相接地故障，其中约有80%为瞬时性故障。为避免自动重合闸装置盲目重合于永久性故障时对电力系统及电气设备所造成的二次冲击及危害，重合前应当对故障性质做出甄别[1]。故障为瞬时性时进行重合，永久性时应将其闭锁。传统的电压判别法、基于谐波检测的方法等因受系统故障点位置、过渡电阻、故障点二次电弧及谐波幅值等因素的影响而存在误判的缺陷。

二次电弧是瞬时性故障的典型特征，在开关跳闸2～3个周期后其谐波特性便凸显出来。小波包变换可以同时对信号的低频部分和高频部分作更精细的分解，便于检测二次电弧高频谐波产生所引起的电压畸变[2]。本文成功地将小波包变换和谱能量进行结合，在分析了单相故障情况下故障相电压特点的基础上，充分利用电磁暂态程序EMTP-RV自带的高精度二次电弧模块和Exact pi线路模型进行仿真，然后，利用小波包变换的优点对信号进行分析计算并提出了利用信号在二次电弧阶段的能谱值来甄别故障性质。由于二次电弧反复的熄灭与重燃过程会产生蕴含丰富信息的高频信号，这些信息与线路参数、故障情况等有关，而与系统运行状况、过渡电阻、故障位置等无关，因此，本方法不受工频现象（如系统振荡）、过渡电阻及故障位置等影响[3-4]。

2 线路发生单相故障时的物理过程分析

2.1 线路单相故障物理过程的时间划分

超高压输电线路的主要故障类型是单相接地故障，其中大部分是瞬时性故障，属于绝缘可恢复之列。根据单相接地故障的物理机理，我们可以划分为：

阶段1：接地故障发生-——故障被继电保护装置测知并将两侧开关跳闸。

阶段2：两侧开关跳闸-——故障点熄弧。

阶段3：故障点熄弧后。

2.2 单相接地的物理过程分析

在线路发生单相接地故障时，由于超高压输电线路具有分布参数的特性，各相之间相互耦合，因此，无论是瞬时性故障还是永久性故障，故障相两端开关跳开后，故障相仍有残余电压。本文对瞬时性故障与永久性故障的甄别主要是基于从两侧开关跳开到故障点消失时这一时间段线路上某些特征量的不同来区分的，即阶段2且有二次电弧存在的阶段。另外从时间上来讲，在二次电弧存在阶段进行故障性质甄别，可以有较为充足的时间来确定自动重合闸重合与否。

在阶段 2，线路跳开后，除了开断时故障相上残存电荷建立的直流残压外，健全相通过耦合关系在断开相上也会建立起一定幅值的电压——恢复电压，该电压通过故障点与大地和耦合相之间形成回路，流过故障点的电流称之为潜供电流。根据故障类型的不同，接地点也将有或无电弧产生，相应的电压电流大小和波形也必然不同。

3 故障相电压信号小波包能谱值的提取

3.1 小波包变换原理

小波包变换是从小波分析延伸出来的一种对信号进行更加细致的分解和重构的方法。不同于小波分析之处：它能同时对信号的低频、高频部分进行分解，在原有小波分析的基础上对高频局部信号提高了分解能力，而且能够根据被分析信号的特征自适应地选择相应频带，使之与信号频谱相匹配，从而提高了时频分辨率[5]。

3.2 小波包能谱值的提取

4 电弧特性分析及故障性质甄别原理

4.1 二次电弧特性分析[6]

断路器跳开故障相线路后，电弧并没有熄灭，而是持续一段时间。这段时间内的故障电弧被称为二次电弧。二次电弧要经过燃烧—熄灭—重燃—熄灭的反复过程。

二次电弧的动态特性可以用下式来表示

式中，gs是随时间变化的二次电弧电导；Gs是二次电弧稳态电导；Ts是时间常数；是电弧长度；是二次电弧产生的时间；Is是二次电弧的电流峰值；β是比例系数；Vs是二次电弧单位长度的电弧电压，V/cm；是电弧电流的绝对值。

电弧的重燃电压随着电弧燃烧时间的延长和电弧长度的拉长而迅速升高。在故障电弧电压的变化过程当中，当实际电弧电压小于电弧重燃电压时，电弧熄灭；当电弧电压大于电弧重燃电压时，电弧重燃；直到实际电弧电压的大小始终不再大于电弧重燃电压以后，电弧才彻底熄灭。

4.2 两种故障情况下故障相电压能谱值特点分析

输电线路在发生故障时产生的暂态高频信号含有丰富的信息，由于线路电容、电感等储能元件的存在，在断路器跳闸后初期，不管是瞬时性故障还是永久性故障都将产生大量的暂态谐波，其中绝大部分衰减很快，2～3个周期内便能衰减至很小，但是线路电容、电感形成的自振分量幅值较大，衰减较慢。瞬时性故障时二次电弧要经过熄灭、重燃的反复过程，且二次电弧的高度非线性将产生大量的谐波，在熄弧前一直存在，从而“污染”故障相电压使其产生畸变。

在开关跳闸初期，由于线路储能元件产生的暂态谐波占主导地位，两种故障情况下故障点电压时频分布比较均匀，而在开关跳开2～3个周期后它们的时频分布则会明显不同。根据此两种故障时故障相电压能谱值在二次电弧阶段的差异，便可甄别故障性质。经仿真发现，永久性故障的信号幅值呈单一衰减趋势，速度较快；瞬时性故障的信号幅值由于二次电弧的影响会相对稳定[7]。所以，在二次电弧阶段瞬时性故障的能谱值要大得多，永久性故障能谱值要相对较小。

4.3 小波包分解的影响

小波基函数的选取会影响到信号的分析精度，小波包分解的层数与电压信号的时频分析精度有直接关系。分解层数少，计算量小，分析速度快，但频带分辨率低；分解层数多，计算量大，分析速度慢，但频带分辨率高。为了兼顾二者的关系并考虑所分析信号的时变特性和频变特性，我们选用具有良好紧支性，对不规则信号较为灵敏，比较适合暂态信号分析的Daubechies小波。考虑以上因素，我们选择db10小波进行4层小波包变换[8]。

5 仿真分析

5.1 仿真系统结构图及其参数

本文采用 EMTP-RV电磁暂态程序对蒙西电网某超高压输电线路进行仿真，获取两种故障时故障相电压波形，然后利用Matalb小波包工具箱进行分析计算，最后编程计算、绘制信号的能谱曲线。

线路参数：LGJ-2×240/30，长度420km，基准电压230kV，容量1000MVA。正序：0.5430632.6242230.04564（半电纳）；零序：2.6019958.3987330.02580（半电纳）；为了补偿线路的对地电容，减小流经线路的电容电流，削弱超高压输电线路的电容效应，实际线路两侧各加装30Mvar，1899Ω的并联电抗器；为了限制潜供电流及消除由于断路器非全相操作引起的工频谐振现象在星形连接的并联电抗器中性点接入450kvar，516.11Ω的补偿电抗器[9]。计算步长选为10µs，仿真时间为700ms。系统仿真结构图如图1所示。

图1 220kV带并联电抗器的高压输电线路

为使分析更具有普遍性，仿真时分析了两端系统不同相角差、不同故障点位置、不同过渡电阻情况下的相电压波形。下面仅给出了相角差为15°时，线路首端、距首端1/3处、距首端2/3处和末端且过渡电阻为50Ω时的故障相电压波形。

5.2 永久性故障仿真

永久性故障时的 EMTP-RV仿真电路图如图2所示，线路模型采用Exact pi，变压器出口加装ZnO避雷器。

假设线路在0.1s发生A相永久性故障，0.2s时A相断路器跳开，那么在不同位置情况下从线路侧测得的A相电压波形如图3所示。

图2 永久性故障仿真模型

图3 永久性故障故障相电压波形(接地电阻50Ω)

在图3中，0.1s之前是故障前的正常运行状态；0.1～0.2s是从故障发生到断路器跳闸前的一次电弧阶段；0.2s后是跳闸后无电弧接地状态。对比这几个波形发现，当故障位置距离端口越远时，跳闸后达到稳态时的电压幅值越大。这是由于永久性故障跳闸后达到稳态时的端口电压主要是电感耦合电压，而电感耦合电压与线路长度成正比。

5.3 瞬时性故障仿真

瞬时性故障时的 EMTP-RV仿真电路图如图4所示，线路模型采用Exact pi，变压器出口加装ZnO避雷器。

图4 瞬时性故障仿真模型

这里需要指出的是：由于瞬时性故障和永久性故障的物理过程有着本质的不同，单相瞬时性故障时我们采用二次电弧进行模拟，具体分析如下。

图5 电弧电压、电流波形

二次电弧电流相对于一次电弧电流来说很小，因此0.2～0.35s期间的细节必须从图5放大，放大后的二次电弧电压电流波形如图6所示。

对图形进行分析，得出如下结论：0.1～0.2s期间的一次电弧电压近似方波，一次电弧电流近似正弦波；0.2～0.35s期间的二次电弧电压近似马鞍状，二次电弧电流具有明显的“零休”现象。需要特殊说明的是，一次电弧和二次电弧在时间上没有明显的分界线，由图5可以看出，二次电弧的电压、电流特性是在一次电弧熄灭一到两个周期后才凸显出来，所以本文在0.225～0.35s期间进行甄别。

图6 二次电弧电压、电流波形

假设线路在0.1s发生A相瞬时性故障，0.2s时A相断路器跳开，同时将二次电弧接入电路，0.35s时二次电弧熄弧，那么在不同位置情况下从线路侧测得的A相电压波形如图7所示。

图7 瞬时性故障故障相电压波形

从图7可以看出，0.1s之前是故障前的正常运行状态；0.1～0.2s是从故障发生到断路器跳闸前的一次电弧阶段；0.2～0.35s是断路器跳闸后的二次电弧阶段；0.35s以后是二次电弧熄弧后的恢复电压阶段，这一阶段的电压主要有电容耦合电压和电感耦合电压两部分组成。

5.4 仿真波形分析及故障甄别判据

对故障相电压波形进行小波能谱分析，设相对起始信号的步数n和滑动步长δ均为1，窗宽因子w为40，采样频率为2kHz，对信号进行4层小波包变换，每个节点信号带宽为125Hz。谱能量图如图8、图9所示。

图8 永久性故障故障相电压能量分布图(接地电阻50Ω)

图9 瞬时性故障故障相电压能量分布图

对比在相同位置发生的不同故障性质的故障相电压波形可以发现：在0.1～0.225s期间不同故障性质的故障相电压波形差别不大，而0.225～0.35s之间，两种故障性质的电压波形差别较大。这说明利用二次电弧阶段的暂态电压波形对甄别故障性质具有决定性意义。这一阶段也是本文接下来的研究重点。

由上述分析可知，对0.225～0.35s时的电压波形进行4层小波包变换。然后计算永久性故障在此段时间内的最大能谱值和瞬时性故障在此段时间内的最小能谱值。数据如表1所示。

表1 故障相电压小波包能谱值（永久性的取最大值，瞬时性的取最小值）

由表1中的能谱值可以看出，不同故障条件下，永久性故障的能谱值E总是小于2.9229e+003，而瞬时性故障的E总是大于5.8001e+003。由此我们可以设定一个裕度较大的阈值Eset=4.3615e+003，当E＞Eset时，甄别为瞬时性故障；当E＜Eset时，甄别为永久性故障。

6 结论

本文充分利用了EMTP-RV对电磁暂态过程的仿真优势和Matlab的小波分析工具箱功能，使结果更加可信。同时将小波包与能谱曲线进行结合，提出了利用小波包能谱值来定量描述故障相电压暂态分量的方法。理论分析和基于不同故障点及不同过渡电阻短路情况下的仿真结果表明，此方法不受过渡电阻、故障位置等因素的影响。只在瞬时性故障时实施重合闸，避免了永久性故障情况下的盲目重合对系统及设备所造成的冲击。

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Power Network Single-phase Earth Fault Nature Distinguishment Based on Secondary Arc

Cao Yonggan Yang Bingyuan Hao Wei
(College of Electrical power Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010080)

The physical process of the single-phase fault was analyzed on EHV transmission lines so that to avoid reclosing on single-phase permanent fault。then, The voltage characteristics are compared between transient fault and permanent fault and the fact is revealed that，in principle，the energy time distribution in the bands where the secondary arc energy concentrates is distinctly different。A method，which to make use of the Wavelet Packet Energy Spectrum Value to identify fault types for the single-phase earth fault was proposed。The wavelet packet decomposition of the acquired post-fault voltage signal was performed and the Energy Spectrum Value was extracted and then was compared with Energy Spectrum Value to detect fault types。Theoretical analysis and based on lots of EMTP-RV simulation experiments expatiated that this method can discriminate the type of faults accurately，and has better practicalness and application value。

Wavelet Packet Energy Spectrum Value; fault nature distinguishment; transient fault;permanent fault

曹勇敢（1985-），男，硕士研究生，研究方向：电力系统继电保护。

杨炳元（1967-），男，教授，研究方向：电力系统继电保护。

郝 威（1982-），男，硕士研究生，研究方向：电力系统继电保护。