小波法识别配电网线路高阻故障

,

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

1 引言

中低压配电网是面向用户的直接供电网络，然而，配电网线路故障中单相接地故障占据比例较大以及由单相故障导致的其他故障。在小电流的接地系统中，单相接地产生的暂态故障电流相比其他暂态故障电流要小，故障发生时，系统能保持线电压的三相对称从而允许运行一小段时间，不过当系统带着故障运行的时间过长，故障引起的电压过大，有可能是线路在其他地方引起接地，导致事故扩大进而引发更严重的危害。所以当小电流接地系统发生故障时，线路保护的速动性和可靠性决定着线路的运行安全问题。过往的研究表明现有的继电保护措施对单相接地短路的保护效果比较明显，但是由于单相高阻故障时因电阻过大，产生的暂态电气量明显偏小，我国目前的继电保护保护装置不能检测出故障的发生从而可靠的保护动作。高阻接地不容易被发现，隐蔽性高，不能迅速发现处理的话造成的后果将非常严重，损坏电力线路。所以研究高阻故障的识别是目前亟待解决的科学难题之一。本文通过PSCAD软件仿真配电线路发生高阻故障时，抽取各段母线的零序电压和母线上支路的零序电流进行小波变换，分解、重构，得出细节系数和特征值，通过比较不同母线上的特征值判断出故障支路所处位置。

2 配电网故障及其特性分析

2.1 电力线路的数学模型

因为配电网电力线路与输电线路比起来长度短很多，在试验时可以忽略线路分布参数的影响，因此，本文在分析配电网故障时电力线路采用集中参数线路模型。

2.2 配电网接地故障特征分析

在中性点非有效接地系统[1]发生单相接地故障时，根据电力系统稳定调节的原理，系统从暂态过程过渡到新的稳定状态，从发生故障的暂态过程过渡到新的稳态过程中，两种状态下点电容电流和电压相比，分布规律和故障特征明显有区别，如果可以充分利用这些故障信息进行分析研究，对小电流接地故障及其信号特征进行相应的波形处理，就能良好的识别出故障所在。

2.3 故障暂态电流电压特征分析

根据中性点经过消弧线圈接地的系统发生单相接地故障时，由对称分量法分析可得，暂态电容电流和暂态电感电流两个部分构成。可用图1等值网络进行故障计算[2]。

图1 故障暂态过程等值网络

零序对地电容用C表示，线路和变压器等在零分量中的等值电感用L0表示，零序电源电压U0表示，R0为零序分量的电阻值，其中包括导线电阻、故障点的过渡电阻大地的电阻以及故障点的过渡电阻大地的电阻等，是总电阻值，有功损耗消弧线圈电感用L表示，有功损耗电阻用rL，另一种中性点不接地情况，可以去掉图中消弧线圈一段支路。

为了了解单相接地故障[3]的瞬间，系统中的电流和电压的暂态过程电气量的突变情况，本节分别对发生故障瞬间的暂态电容电压特性、暂态电容电流特性和暂态电感电流进行具体分析。根据微分方程：

(1)

可得暂态电容电压是有自由分量和稳态分量两部分构成。对系统中的暂态电容电压与初相角的关系进行波形仿真比较，本实验设置φ=0°、φ=90°等不同的电压的初相角情况进行分析，不同初始角情况下故障的暂态电容电压的波形情况也不相同，具体情况如图2、图3所示。

图2 暂态电容电压初相角为 0°时的波形

图3 暂态电容电压初相角为 90°时的波形

结论：线路发生单相接地故障后，暂态电容电压与电源电压初相角φ有关。

根据微分方程：

(2)

得出电感电流：

结论： 电感电流均是由稳态分量和暂态分量构成的，暂态电感电流与电源的角频率和电压的初相角φ有关。

根据微分方程：

(3)

得出电容电流：

(4)

结论：电容电流与短路时电源电压初相角φ和短路时刻t有关。图4～图7为电压的初相角φ=0°、φ=90°和合闸时间t=0.12s和0.2s时的电容故障电流波形图。

图4 暂态电容电流初相角为0°时的波形

图5 暂态电容电流初相角为90°时的波形

图6 电容电流0.12s时刻发生故障的波形

图7 电容电流0.2s时刻发生故障的波形

通过以上的波形分析可得故障时，电源电压初相角，电源频率以及故障发生时刻是影响故障零序电流和零序电压的主要因数。

3 小波变换分析法

小波变换分析方法[4]不仅可以从时域上进行分析，也可以从频域上进行分析，较短时傅里叶变换相比有明显优势，具有多分辨率的特点，将故障信息代入小波分析，能够获得大量的经加工处理的波形，便于用户分析比较。Daubechies小波系是在波形分析实际的工程上应用最为广泛，应用次数最多的正交型小波函数族。本文选用Db5小波进行分析，因为Db5小波的聚能特性在低频部分的效果较好。

将故障时刻的零序电流和零序电压[5]代入Db5小波中进行分解重构得出零序电流和零序电压的细节系数，将细节系数代入如下公式：

(5)

求出不同母线的零序电压特征值和各支路零序电流特征值。通过比较特征值判断线路故障位置。

4 配电网线路高阻故障仿真分析

4.1 仿真系统模型

图8是一个5馈线中性点非有效接地的10kV配电网系统，本文选择的仿真软件为PSCAD，选择MATLAB 编程软件作为数据分析和波形处理工具。

图8 配电网仿真系统

该仿真系统是一个10kV的配电网结构，中性点经消弧线圈接地系统。其中，电感量取值为0.82H，电压源设计为理想电源，用于模拟无穷大三相电源；变压器的连接组别为Y/Y；该系统母线共有5条馈线，线路全部采用架空线的形式，母线A段是有四条单辐射的10kV配电线路，线路长度分别为25km，13km，11 km，21km。 AB段长度为8km,CD段的长度为12km，BE段的长度为30km，BF段的长度为35km高阻故障发生在BF线路上。图中各模型的具体参数如下： 变压器1号为Y/Y 110/10kV。

电力线路参数：

正序参数：R1=0.175Ω/km，L1=1.211mH/km，C1=9.71nF/km，负序参数：R2=0.213Ω/km，L2=5.481mH/km，C2=6.03nF/km

表1 变压器参数

4.2 接地电阻1000Ω时线路接地故障仿真

设高阻故障发生在B段母线的BF支路，过渡电阻的值为1000Ω，仿真结果如图9～图10所示。

图9 BF段高阻接地时各支路的零序电流

图10 BF段高阻接地时各母线的零序电压

图11 故障时各支路零序电流特征值

图12 故障时各母线零序电压特征值

由上图可知，故障时刻发生在0.08s，当故障发生前母线上的零序电压以及各支路的零序电流为0，当发生单相高阻接地故障时，母线和各支路开始有零序分量产生。由图10和图11的特征值大小可以判断故障发生在B段母线的BF支路上，因为其特征值最大。

4.3 接地电阻2000Ω时线路接地故障仿真

设高阻故障发生在B段母线的BF支路，过渡电阻的值为2000Ω，仿真结果如图13～图14所示。

图13 BF段高阻接地时各支路的零序电流

图14 BF段高阻接地时各母线的零序电压

图15 故障时各支路零序电流特征值

图16 故障时各母线零序电压特征值

由上图可知，故障时刻发生在0.08s,当故障发生前母线上的零序电压以及各支路的零序电流为0，当发生单相高阻接地故障时，母线和各支路开始有零序分量产生。由图10和图11的特征值大小可以判断故障发生在B段母线的BF支路上，因为其特征值最大。

在采用接地电阻进行高阻故障接地分析时，为便于比较，过渡电阻分别设定为1000Ω，2000Ω，3000Ω，5000Ω，7000Ω，10000Ω等几种不同接地电阻，在多次带入不停的接地阻值进行仿真分析比较，论证了基于小波变换分析发识别配电网高阻故障是有效的。因篇幅原因，本文只引用了1000Ω和2000Ω这两个情况进行说明。当接地电阻小于5000Ω时，该识别方法有明显效果，当接地电阻大于5000Ω时，本方法就不能有效检测出故障所处位置。

5 结论

配电网单相高阻故障的识别历来为故障识别的难点。由于接地电阻过大，导致故障时电流和电压的数值小，尽管有大量的故障信息却不能充分利用。本文通过小波变换分析法提取故障零序电流和零序电压进行小波分解重构，得出细节系数代入特征值公式中进行求解。可通过比较特征值的大小判断故障位置，具有明显优势，可用来作为单相高阻接地故障识别的方法之一。