新型小电流接地故障选线设备的研制与应用

方杰，缪伟，高伟

（国网芜湖供电公司，安徽 芜湖 241000）

6～35 kV供电系统广泛采用小电流接地方式，单相接地故障选线问题长期以来没有得到很好的解决，现场往往采用人工试拉路的方法选线，不仅造成正常运行线路的停电，而且容易导致事故扩大。目前已经提出的故障选线方法有很多种[1-6]，但多数方法利用的信号是稳态基频分量或者暂态高频分量，没有利用到其他有价值的信号，存在一定大的局限性。相对而言，选线方法中对暂态过程的衰减直流分量信号以及稳态过程的各次谐波分量的研究较少。对零序电流的衰减直流分量以及各次谐波分量进行充分利用，将进一步提高故障选线的正确性。

本文提出了一种基于EMD分解提取衰减直流特征分量及谐波特征分量的选线方法，并对选线设备的软硬件进行设计。现场的实际运行充分验证了选线设备的正确性和实用性。

1 基于EMD的暂态过程衰减直流分量及稳态过程谐波分量选线方法

1.1 暂态过程衰减直流分量及稳态过程谐波分量的特征

配电网供电系统的一个突出特点就是电缆线路数量较多，单相接地故障时，故障线路和非故障线路的零序电流均可用如下表达式表示：

式（1）中，等式右边的第一项表示故障电流基波分量；等式右边的第二项表示故障电流的谐波成分；第三项则表示非周期衰减直流成分。

在实际运行中，当接地故障发生在相电压过零附近时，中性点消弧线圈和故障线路形成的回路中将产生直流分量，该直流分量的幅值较大，时间常数较长。而非故障线路相对来说其衰减直流分量的幅值较小，时间常数也较小，即衰减十分迅速[7]；同样的，各次谐波分量也具有该特征，据此就可以区分出故障线路进行选线。

1.2 EMD方法原理

EMD（经验模态分解）方法，可以将信号中不同尺度的分量进行逐级的分解，最终分解为一系列的分量，这些分量具有不同的尺度特征，称之为IMF（固有模态函数）。每个IMF满足如下特性：1）对应每一个IMF数据序列，序列的过零点与极值点的数量相等或相差一个；2）IMF数据序列的局部极大值构成上包络线，局部极小值构成下包络线，对应上下2个包络线的平均值等于零。IMF可以按以下方法计算获得。

设线路上发生故障时的故障信号为x（t），其上下包络的平均值m（t）为：

式中，v1（t）、v2（t）分别为x（t）的上包络线、下包络线。然后考察x（t）与m（t）的差即为h（t），

将h（t）视为新的x（t），重复式（2）和式（3）的计算，直到h（t）满足前面提到的IMF数据序列的2个条件，记

c1（t）视为一个IMF。c1（t）和信号的剩余部分为r（t），记

视r（t）为新的x（t），重复以上式（2）～（5）的计算过程，这样就可以依次得到各个IMF。分解结束的标志如下：直到最终计算得到的r（t）为一单调信号，或者r（t）数据序列的每一个数值都小于设定的门限值时，表明分解完毕。于是，

即把原始信号分解为n个IMF，即c1，c2，…，cn，及一个剩余部分r（t）。原来故障信号的平均趋势用r（t）来表示，用上述方法分解得到的IMF分量c1，c2，…，cn分别包含了原信号自高到低的不同频段的成分，由于信号本身会变化，导致每一频率中成分都是不同的。

1.3 暂态过程衰减直流分量及稳态过程谐波分量的提取

Norden E. Huang在研究过程中进行了如下假设：任何一个复杂信号都可以进行EMD分解，分解的结果为若干个IMF与一个余项的和，该余项具有这样的特征——为足够小量或者是一个单调序列。

基于以上所述，首先可以对单相接地后各条待判断的线路的零序电流进行采样，然后将采样所得的信号按照上述式（2）～（5）步骤进行EMD分解，直到最终分解得到的余项r（t）满足停止分解的要求，最终得到的余项r（t）即为暂态过程衰减直流分量。

2 基于EMD分解原理的选线设备软硬件设计

选线设备总体上采用嵌入式架构，如图1所示，设备主要包括嵌入式主板、模拟量变换器板卡、开关量输出板卡和彩色液晶；配电网供电系统中的各个间隔中的电流互感器和电压互感器均是通过电缆接入模拟量变换器板卡的输入端；开关量输出板卡则是经由继电器单元连接到自动化后台。

图1 选线设备硬件结构Fig. 1 Hardware structure of line selection device

选线设备的软件流程如下：

1）设备实时采集零序电压和零序电流数据，并判断零序电压是否超过定值。

2）根据现场的大量实际故障统计结果来看，绝大多数单相接地故障在故障发生后80～100 ms内直流分量都会衰减为零。因此选线设备需要记录故障后5个周期的零序电流数据。

3）利用上述式（2）～（6）计算过程对各条线路的零序电流进行EMD分解，最终能够得到暂态过程衰减直流分量以及稳态过程各次谐波电流分量。

4）设定结束分解的阈值为K，根据工程经验，阈值K的数值范围为1～2 A，当剩余分量数据序列r（t）的每一个值满足xi

5）计算剩余分量数据序列r（t）的均方根

X就是暂态过程衰减直流分量的有效值。

同理可以对5，7，9次谐波进行均方根值的计算，最后将直流分量的计算结果与上述各次谐波的均方根值进行求和得到最终的Y值。即：

6）对各条线路的零序电流进行上述过程计算，最终得到各条线路的Y值。对各条线路的Y值进行比较，选择Y值最大的线路为故障线路。

3 现场实际接地波形分析

基于本文原理研制的选线设备已经安装在西山煤电集团多个变电站，运行效果很好。图2为一次实际故障录波，该系统为6 kV系统，中性点接地方式为经消弧线圈接地。由该图可以看出，零序电流的在接地故障发生后有一个30 ms左右的暂态过程，然后趋于稳态，暂态过程中存在较大的直流衰减过程。

图2 故障数据波形Fig. 2 Waveform of fault data

对各条线路的零序电流进行EMD分解，这里只画出剩余分量数据序列r（t）的波形，如图3所示，可以看出r1（t）-r8（t）曲线代表了直流分量均呈指数衰减状态，其中r1（t）-r7（t）幅值很小，r8（t）幅值较大；

计算各条线路零序电流的Y值，结果如表1所示，由表1可以看出8号线路的Y值远大于其他各条线路，说明8号线路的暂态过程衰减直流分量及稳态过程谐波分量很大，因此可以判断出8号线路为故障线路，与实际情况一致。

4 结语

本文提出了一种新型选线设备，采用了基于EMD的直流分量和高次谐波选线方法。选线设备在实际供电系统中得到了验证，选线正确率很高，满足实用化要求。

图3 EMD分解后剩余分量的波形Fig. 3 Waveform of surplus component after EMD decomposition

表1 各条出线线路的Y值Tab. 1 Y value of each line

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