基于小波分析的小电流接地系统故障选线

刘林飞 方 珊 辛自立

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450011；2.中机十院国际工程有限公司，河南 洛阳 471000；3.河南大学 基建处，河南 开封 475000）

0 绪论

在我国，小电流接地系统通常为采用中性点不直接接地方式的6-66kV 配电网。单相接地故障发生于该系统的主要特点是：接地电容电流小，线电压仍保持对称，可以保证对负荷的持续供电，一般系统可以保持运行时间为1 到2 小时。但是，随着配电网规模的不断扩大，电缆在其中所占比重也得到了增加，这样将引起发生单相接地故障时系统的对地容性电流增加。若在这种情况下系统长时间运行，则单相接地故障会发展成为较多点的接地故障，其中弧光接地甚至会使整个系统都出现过电压的问题，使得设备损坏，整个电网的安全性受到破坏。此时，作为系统运行人员必须能够及时找到发生故障的位置，将系统故障排除，这其中就牵涉到单相接地故障中对故障线路在选线方面的问题。

1 小电流接地系统的基础理论和故障特征分析

1.1 小电流接地系统稳态故障特征分析

在中性点不接地系统的简单网络中，当线路发生单相金属性接地故障时，故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高为原来的倍，线电压仍然保持三相对称。网络中各线路上的对地电容电流流向如图1 所示，其故障特征为：

（1）非故障线路上的零序电，流幅值一般较小，由母线流向线路。

（2）故障路线上的零序电流，其数值等于所有非故障元件零序电流之和，幅值最大，由线路流回母线。

中性点经消弧线圈接地系统发生单相短路接地故障时，与中性点不接地系统相比，系统中各线路上的电流分布发生了一些变化，相同之处在于：全系统对地电容电流和电容电压的分布和大小没有改变；不同之处在于：增加一电感电流流经接地点。

图1 中性点不接地系统对地电流示意图

1.2 小电流接地系统暂态故障特征分析

暂态过程中，中性点不接地系统的暂态接地电流的分析过程与中性点经消弧线圈接地系统的暂态电容电流的分析过程是相同的。在中性点经消弧线圈接地系统中，暂态接地电流由暂态电容电流和暂态电感电流两部分叠加而成，但两者频率相差较大，不能相互起到补偿作用。一般在暂态过程的初始阶段，主要是暂态电容电流的特征决定了暂态接地电流的特征。而暂态电容电流的分布与中性点不接地系统稳态过程中电容电流的分布情况相似，故单相接地故障时小电流接地系统的暂态零序电流分量有如下特征：

（1）故障发生在线路上时，全系统非故障线路的暂态零序电流由母线流向线路方向；故障线路的暂态零序电流的流向与非故障线路的相反，由线路流向母线，且其幅值最大。

（2）故障发生在母线上时，全系统中线路的零序电流的流向都相同，均由母线流向线路。

2 基于小波分析的故障选线方案

小波分析方法是一种窗口大小固定而形状可以改变，即时间窗和频率窗都可以改变的时-频局部化分析方法。这种方法在高频部分具有较低的频率分辨率和较高的时间分辨率，在低频部分具有较低的时间分辨率和较高的频率分辨率，对于瞬时性的故障信号或具有奇异性的故障信号它是一种十分有力的分析工具。单相接地故障时产生的暂态特征信号具有振荡性和非平稳性，因此我们可以通过小波分析更加准确地提取故障特征，从而提高选线的准确性。

通常，基于小波分析选线方案的基本原理是：故障发生在线路上时，非故障线路的暂态零序电流由母线流向线路；故障线路的暂态零序电流的流向与非故障线路的相反，由线路流向母线，且其幅值比非故障线路的大；故障发生在母线上时，所有线路的零序电流流向都相同，均由母线流向线路。但是，现有的部分选线方案都存在一定的缺陷，总结如下：

（1）选线方案只给出了故障线路的所在，而未有表明选线判据的强弱程度。

（2）确认选线错误时，无法根据选线结果做出进一步的分析进行更正。

（3）由于每种选线原理都有各自的死区，因此越来越多的选线方案以多个选线原理的融合作为选线判据。而只给出单一选线结果的选线方案无法与其它方案进行综合分析。

针对以上这些缺陷，我们对现有的选线方案做出改进，提出基于故障测度函数和小波变换理论的多输出选线方案。首先，定义一故障测度函数，如式1 所示，以其函数值的大小来表征每条线路符合选线判据的程度，即每条线路是故障线路的可能性有多大。

具体的选线步骤如图2 所示。

3 基于MATLAB 的仿真分析

3.1 小电流接地系统仿真建模

本文搭建的小电流接地系统是一个具有4 条出线的中性点经消弧线圈接地系统，其仿真模型如图3 所示，包含了架空线路、电缆线路以及缆线混合线路。

图2 选线过程步骤图

图3 仿真模型示意图

图3 中，理想三相电压源作为电路的供给电源，线电压10.5kV；线路选择分布参数模型，具体参数见表1。其中，缆线混合线路L4 的电缆部分位于线路前端，长度为5km，线路参数同L3 相同；架空线路部分位于线路后端，长度为12km，线路参数同L1、L2 相同。

表1 线路参数

3.2 中性点经消弧线圈接地系统线路故障的选线仿真

设架空线路L1 在距母线首端4km 处，t=0.02s（故障初相角φ=0）时，A 相经10Ω 电阻单相接地。此时，A 相电压过零。仿真所得线路L1、L2、L3、L4 的零序电流如图4 所示。

图4 各线路零序电流

利用db5 小波在尺度3 下对图4 中四条线路上的零序电流进行分解，取得其细节分量如图5 所示。

图5 细节分量

由图5 可以看出：在t=0.02s 附近一个周期内出现了模极大值，其中：L1 的模极大值幅值最大且极性与其它3 条线路相反，故初步判断L1 为故障线路。

根据故障测度函数的定义，求得各线路的故障测度值如表2 所示。由表中数据可以看出，架空线路L1 的故障测度最大，故判定L1 为故障线路，选线结果正确。

表2 故障测度

4 结论

本文以小电流接地系统发生单相接地故障时的暂、稳态故障特征为基础，利用小波变换原理良好的时-频域局部化特征，提出了基于小波分析和故障测度函数的单相接地故障选线方案，并通过MATLAB7.0/Simulink 仿真平台对中性点经消弧线圈接地系统中不同的单相接地故障情况进行了仿真，验证了选线方案的适用性。

［1］桑在中，张慧芬，潘贞存.用注入法实现小电流接地系统单相接地选线保护[J].电力系统自动化，2007，20(2):11-12.

［2］庞清乐，孙同景，孙波，钟麦英.基于蚁群算法的神经网络配电网故障选线方法[J].继电器，2007，35(16):1-6.

［3］房鑫炎，郁惟镛，庄伟.模糊神经网络在小电流接地系统选线中的应用[J].电网技术，2002，26(5):15-19.

［4］王忠礼，段慧达，高玉峰.MATLAB 应用技术在电气工程与自动化专业中的应用[M].北京:清华大学出版社，2007.

［5］束洪春，彭仕欣，李斌.利用测后模拟的谐振接地系统故障选线方法[J].中国电机工程学报，2008，16(5):54-59.

［6］焦邵华.电网智能保护新技术的研究[D].北京:华北电力大学，2000.

［7］史啸歌.基于小波变换的配电网单相接地故障定位研究及应用[D].沈阳:东北大学，2005.