基于注入法的变电站直流电源接地故障检测方法

张成志

（国网山东省电力公司济宁市任城区供电公司，山东 济宁 272000）

0 引 言

电力系统接地故障检测是我国重点关注的课题之一。杨耿杰等人通过重构配电网零序电流信号得到信号轨迹图，实现了接地故障的精准检测[1]。王宾等人基于接地故障时零模电压与电流之间的伏安特性轨迹，提出一种兼顾可靠性与灵敏性的接地故障检测方法[2]。田凤兰等人利用小波包分解改进了Schwarz电弧模型，解决了不同故障距离与不同故障相角等条件下的接地故障检测问题[3]。文章展开变电站直流电源接地故障检测方法的相关研究，以期推动我国配电网健康发展。

1 变电站直流电源注入脉冲信号

目前，我国变电站直流电源发生接地故障时，主要采用谐波法和电容电流法等方法来检测[4]。在采用信号注入法检测变电站直流电源接地故障时，需要先确定信号源装置。该装置主要负责产生特殊信号注入直流电源，同时兼顾选线作用。向变电站直流电源注入信号时，为消除接地过电压造成的谐振，需要注入阻性分量，从而产生弧光电流。当电流过零电弧熄灭后，有功电流可以吸收电弧引发的电磁振荡，从而减小过电压。文章选择纳秒级高压脉冲发生装置作为注入信号源[5]。该信号源注入的脉冲信号包括多种类型，如方形波、三角波、矩形波等。文章综合考虑脉冲信号的传播特性和变电站直流电源接地故障检测的实际需要，选用注入脉冲信号。

用信号注入法检测接地故障时，脉冲信号的能量会被故障线路消耗，因此注入的脉冲信号宽度需要尽可能窄，幅值尽可能大，从而降低入射波与反射波之间的重叠度，同时满足脉冲能量变化需求[6]。文章选择注入的脉冲信号的参数如表1所示。在表1参数的基础上，文章采用周期间歇性注入法将脉冲信号注入变电站直流电源。

2 变电站直流电源接地故障检测

2.1 确定选线判据

文章根据注入脉冲信号的响应电流信号检测接地故障[7]，以注入脉冲信号的响应电流信号的分担系数轨迹特征作为选线判据[8]。

首先，需要获得响应电流信号的分担系数。假设高阻接地直流电源的过渡电导为D0，那么过渡电导下线路n的零序导纳Kn的计算公式为

式中：jω表示电抗；Bn表示直流电源中线路n的分布电容；Dn表示直流电源中线路n的分布电导。

其次，由式（1）可以求出高阻接地直流电源的总零序导纳K0，公式为

式中：B0表示直流电源中总分布电容；D1表示直流电源中总分布电导。

再次，根据计算结果，可以获得变电站直流电源发生接地故障时，正常线路与故障线路对注入脉冲信号的响应电流信号的分担系数[9]。

式中：η1表示变电站直流电源发生接地故障时，正常线路对注入脉冲信号的响应电流信号的分担系数；η2表示变电站直流电源发生接地故障时，故障线路对注入脉冲信号的响应电流信号的分担系数；D2表示中性点经高阻接地的电纳。

最后，根据式（3）所求分担系数，即可确定发生接地故障时，变电站直流电源正常线路与故障线路的分担系数的轨迹特性，并将此作为选线判据。结合线路阻尼率的理论可知，正常线路的分担系数轨迹相角需要在81°以上。如果某条线路的分担系数轨迹的未超过81°，该线路就是发生接地故障的线路。

2.2 接地故障选线

文章采用周期间歇性的注入方式，其中电容对注入脉冲信号的影响较小。对于注入脉冲信号后的直流电源等效电路，假设驱动电压为Um(t)，即

式中：U1、U2为固定电压值。一般情况下，等效电路的响应电流可以通过电压与电阻计算得到。如果t=0，电路的电压就会由U1跳到U2，响应电流从趋向于，其中R为电阻值。此时，可以得到直流电源注入脉冲信号的响应电流信号，即

式中：I(t)表示直流电源等效电路的回路电流信号；z表示直流电源等效电路的阻抗；e为脉冲信号相应特征。求出响应电流信号的分担系数轨迹，并按照变电站直流电源接地故障选线流程进行故障选线。变电站直流电源接地故障选线流程如图1所示。

图1 变电站直流电源接地故障选线流程

由于脉冲信号注入后提取的响应电流信号的故障特性与未注入脉冲信号时电源的故障特性相同，文章基于注入法向变电站直流电源注入脉冲信号，再提取注入脉冲信号的响应电流信号，根据式（3）求出直流电源线路的分担系数，以分担系数的相位变化特性为判据进行接地故障选线，以此完成变电站直流电源接地故障的检测。

3 实验分析

3.1 实验准备

在某110 kV变电站内部的实际线路上展开仿真实验。选取该变电直流系统的10 kV配电线路作为故障检测线路，在测试线路上选取4个实验点设置接地故障，变电站直流电源接地故障布点如图2所示。

图2 变电站直流电源接地故障布点

3.2 结果分析

选用基于神经网络的变电站直流电源接地故障检测方法和基于支持向量机的变电站直流电源接地故障检测方法作为实验对照组，实验得到基于各检测方法的线路故障前后电流波形变化如图3所示。

图3 不同检测方法下的故障线路电流波形

从图3可以看出，当在变电站直流电源测试线路加入单相接地故障时，不同检测方法下，录波仪记录的电流波形均发生变化，说明这3种方法均能有效检测接地故障电流。为直观呈现文章设计的方法的优越性，采用正确率作为判断指标，其计算公式为

式中：γ表示变电站直流电源接地故障检测的正确率；N1表示故障指示器正确动作的次数；N2表示实验次数。3种检测方法下的正确率对比结果，如表2所示。

表2 不同方法下的接地故障检测结果对比

从表2数据可以看出，采用本文方法的测试故障检测的正确率较高，平均正确率为95.37%，神经网络平均正确率是78.44%，支持向量机平均正确率是73.20%。可见，本文方法较对照组分别高出16.93个百分点、22.16个百分点。同时，本文方法无论接地电阻的阻值如何变化，接地故障检测的正确率都不会出现大的变化。因此，设计的基于注入法的变电站直流电源接地故障的整体检测效果较好，具有较高精度。

4 结 论

文章采用注入法检测变电站直流电源接地故障，首先选择一个合理的信号源装置向变电站直流电源注入脉冲信号，其次采用差值运算法提取脉冲信号的响应电流信号，并基于信号分担系数的轨迹特征判定故障线路，最后完成接地故障检测，并通过仿真实验验证了该方法的可行性与可靠性。