舰船中压电力系统接地故障识别的仿真研究

黄 靖，罗宁昭，杨 锋，吴本祥

（海军工程大学，武汉 430033）

0 引言

根据统计，无论在舰船电网还是陆地电力系统，单相接地故障占所发生故障的比例均超过半数。单相接地故障形式可分为永久的金属性接地、单次放电、电弧不断重燃造成的间歇性弧光接地。据统计绝大多数的接地故障会产生电弧[1-2]。而间歇性弧光接地故障对系统的危害性最大[3-5]。单相接地故障危害程度和处理方式与电网中性点的接地方式密切相关。目前船用电网利用发电机中性点经高电阻接地来抑制接地产生的过电压。每种接地故障所需要的消除故障的装置各不相同，但一个电力系统不能同时用好几种接地方式，如能采取合适的方式对单相接地故障进行有针对性的快速识别，在确定发生间歇性接地故障后再将合适的接地装置投切如接地系统中，对系统供电的稳定性和可靠性大大地提高。故障类型识别还可以对不同故障类型的发生进行统计，利用统计学知识，对系统绝缘的薄弱点做初步判定。

1 接地装置长期投入系统的缺陷

谐振接地系统并不区别单相接地的故障类型，当系统发生单相接地故障时就自动产生感性的电流补偿故障电流。若接地故障为永久的金属性接地，该方法会因为消弧线圈在正常状态和补偿状态之间的投切而对系统造成大量的谐波振荡[6]。同时，消弧线圈运行过程中也可能引起“虚接地”等诸多问题。

而对于高电阻接地方式，当接地故障为金属性接地时，接地电阻不但不能抑制过电压，相对不接地的系统，故障点电流增大，温度升高，更容易使故障扩大。如图1所示，高电阻接地系统发生金属性的单相接地故障时，故障点电流不再是单纯的电容电流，而且要加上流经接地电阻的电流。

图1 高电阻金属性接地示意图

对于其他接地方式也大致如此。如果处理不当，不但不能消除单相接地故障，反而可能给电力系统带来新的不稳定因素。对舰船电网单相接地故障的类型进行识别，并根据识别出的故障类型采取不同响应措施，对保证舰船电力系统运行的可靠性、稳定性有着重要的意义。

2 基于数学形态法的接地故障识别

目前，国内外学者已开始将数学形态学应用于电力系统的信号分析。数学形态学对电力系统信号分析的主要手段是经过波形变换突出信号的突变特征等。可以利用数学形态学对接地故障进行识别。

文献[3]中提出了以零序电压做COOCG变换识别故障的方法，但不接地系统零序电压容易受不平衡的系统对地电容干扰。在发生单次放电后，中性点电压会发生震荡，会使得识别算法发生误判。因此本文在COOCG算法基础上提出基于数学形态学梯度-闭运算变换的识别算法。由于不接地系统间歇性电弧接地故障发生时，故障相电压会出现连续尖峰信号，而金属性接地故障发生后故障相电压跌落至零，可以通过提取边沿的方法确定出现的故障类型，利用设定阈值的方法区分故障类型，然后通过滤波将单次放电信号过滤掉，就能将长时间的奇异信号提取并分辨出来，从而识别出系统接地故障类型[7-8]。

故障电压波形f（n）一般为有正负波动的波形，为了防止遗漏负向波形。在用数学形态法对故障信号进行变换前先对电压波形采取绝对值处理：

为了提取奇异信号，首先对fabs(n)进行数学形态梯度计算，将发生故障时的边沿提取出来。形态学梯度对非周期波形边缘敏感，因此在发生接地故障时，计算后的波形会发生跳变。梯度计算公式为：进行数学形态梯度计算，将发生故障时的边沿提取出来。形态学梯度对非周期波形边缘敏感，因此在发生接地故障时，计算后的波形会发生跳变。梯度计算公式为：

在数学形态学运算中，结构元素的形状和大小对信号处理结果有很大的影响，结构元素选取失当将不但不能起到应有效果，有时可能将有用波形信息过滤掉，导致故障辨识失败[9]。结构元素的确定是非常困难的事情，至今没有有效的理论解决该问题[10]。在本算法中，将梯度运算的结构元素g1(n)宽度取1/2倍工频周期。梯度计算结果如图2所示：

图2 数学形态梯度变换后波形

由图中可以看出，通过梯度运算，边沿被初步提取出来，无论是金属性接还是单次放电，故障波形边沿都被清晰的呈现出来。但波形中存在的大量噪声会影响结果识别。而闭运算能使信号波形中的波谷填平，因此可以用来滤波。闭运算计算公式为：

相对于开运算，使用闭运算滤波更有利于设定阈值并将金属性接地故障与间歇性电弧接地故障区分。因此，对梯度变换后的波形进行闭运算。为了更好的消除单次放电对识别结果产生的影响，结构元素g2(n)的宽度取0.5到1倍工频周期的宽度，结构元素的原点在线段中心。结果如图3所示。

图3 数学形态闭运算后波形

图3为故障波形梯度-闭运算变换最终结果。可以看到，当系统发生金属性接地故障时，故障相对地电压波形经过梯度-闭运算变换后，会跌落较大的幅度，波形的幅值从峰值跌至为0左右；当发生单次放电故障时，变换后，其故障相放电对相电压的扰动被滤掉，而电压波形几乎没有较大波动，趋于直线；而在发生间歇性弧光接地故障时，故障电压波形经变换也会出现较大幅度的跌落，但由于间歇性故障不断产生的奇异电压信号，其波形经变换后会产生不规律的方波，相比0 V要大得多。

3 仿真验证

图4 仿真电路

利用Simulink搭建仿真系统，如图4，对舰船电网进行单相接地故障的仿真。仿真电源为能够模拟船用发电机的恒压源，线路电感和电阻均以实际发电机的参数进行设置。燃弧和熄弧的过程运用工频熄弧理论进行仿真。弧光接地的过渡电阻设置为10 Ω。以上述两种故障情况为对象，得到了在不同故障合闸角下的故障相波形。识别结果如表1所示。

表1 仿真验证结果

从仿真结果可以看出，不同故障合闸角对跳变幅度和跳变后的幅值差别很大，但其幅值并未超出阈值范围，不影响故障类型的识别。所以，可以通过对故障相电压进行梯度-闭运算变换来识别接地故障类型。

4 总结

本文在利用形态学COOCG算子识别接地故障类型方法的基础上，提出了一种基于数学形态学的梯度-闭运算变换方法来识别单相接地故障类别。该方法能将故障相电弧电压特征作为识别对象，将金属性接地和间歇性接地区分开，并且在电缆单次放电的情况下具有良好的鲁棒性。大量的仿真验证了该方法在不同条件下对故障识别的有效性。

[1]罗宁昭.基于PLC的大型舰船绝缘监测装置运行管理策略研究[D].武汉: 海军工程大学,2008.

[2]许明华,游德智.舰船中压系统中性点接地的分析[J].天津航海,2009,1: 18-20.

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