基于小波分析的小電流接地系統故障選線

劉林飛 方 珊 辛自立

（1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450011；2.中機十院國際工程有限公司，河南 洛陽 471000；3.河南大學 基建處，河南 開封 475000）

0 緒論

在我國，小電流接地系統通常為采用中性點不直接接地方式的6-66kV 配電網。單相接地故障發生于該系統的主要特點是：接地電容電流小，線電壓仍保持對稱，可以保證對負荷的持續供電，一般系統可以保持運行時間為1 到2 小時。但是，隨著配電網規模的不斷擴大，電纜在其中所占比重也得到了增加，這樣將引起發生單相接地故障時系統的對地容性電流增加。若在這種情況下系統長時間運行，則單相接地故障會發展成為較多點的接地故障，其中弧光接地甚至會使整個系統都出現過電壓的問題，使得設備損壞，整個電網的安全性受到破壞。此時，作為系統運行人員必須能夠及時找到發生故障的位置，將系統故障排除，這其中就牽涉到單相接地故障中對故障線路在選線方面的問題。

1 小電流接地系統的基礎理論和故障特征分析

1.1 小電流接地系統穩態故障特征分析

在中性點不接地系統的簡單網絡中，當線路發生單相金屬性接地故障時，故障相對地電壓為零，非故障相對地電壓升高為原來的倍，線電壓仍然保持三相對稱。網絡中各線路上的對地電容電流流向如圖1 所示，其故障特征為：

（1）非故障線路上的零序電，流幅值一般較小，由母線流向線路。

（2）故障路線上的零序電流，其數值等于所有非故障元件零序電流之和，幅值最大，由線路流回母線。

中性點經消弧線圈接地系統發生單相短路接地故障時，與中性點不接地系統相比，系統中各線路上的電流分布發生了一些變化，相同之處在于：全系統對地電容電流和電容電壓的分布和大小沒有改變；不同之處在于：增加一電感電流流經接地點。

圖1 中性點不接地系統對地電流示意圖

1.2 小電流接地系統暫態故障特征分析

暫態過程中，中性點不接地系統的暫態接地電流的分析過程與中性點經消弧線圈接地系統的暫態電容電流的分析過程是相同的。在中性點經消弧線圈接地系統中，暫態接地電流由暫態電容電流和暫態電感電流兩部分疊加而成，但兩者頻率相差較大，不能相互起到補償作用。一般在暫態過程的初始階段，主要是暫態電容電流的特征決定了暫態接地電流的特征。而暫態電容電流的分布與中性點不接地系統穩態過程中電容電流的分布情況相似，故單相接地故障時小電流接地系統的暫態零序電流分量有如下特征：

（1）故障發生在線路上時，全系統非故障線路的暫態零序電流由母線流向線路方向；故障線路的暫態零序電流的流向與非故障線路的相反，由線路流向母線，且其幅值最大。

（2）故障發生在母線上時，全系統中線路的零序電流的流向都相同，均由母線流向線路。

2 基于小波分析的故障選線方案

小波分析方法是一種窗口大小固定而形狀可以改變，即時間窗和頻率窗都可以改變的時-頻局部化分析方法。這種方法在高頻部分具有較低的頻率分辨率和較高的時間分辨率，在低頻部分具有較低的時間分辨率和較高的頻率分辨率，對于瞬時性的故障信號或具有奇異性的故障信號它是一種十分有力的分析工具。單相接地故障時產生的暫態特征信號具有振蕩性和非平穩性，因此我們可以通過小波分析更加準確地提取故障特征，從而提高選線的準確性。

通常，基于小波分析選線方案的基本原理是：故障發生在線路上時，非故障線路的暫態零序電流由母線流向線路；故障線路的暫態零序電流的流向與非故障線路的相反，由線路流向母線，且其幅值比非故障線路的大；故障發生在母線上時，所有線路的零序電流流向都相同，均由母線流向線路。但是，現有的部分選線方案都存在一定的缺陷，總結如下：

（1）選線方案只給出了故障線路的所在，而未有表明選線判據的強弱程度。

（2）確認選線錯誤時，無法根據選線結果做出進一步的分析進行更正。

（3）由于每種選線原理都有各自的死區，因此越來越多的選線方案以多個選線原理的融合作為選線判據。而只給出單一選線結果的選線方案無法與其它方案進行綜合分析。

針對以上這些缺陷，我們對現有的選線方案做出改進，提出基于故障測度函數和小波變換理論的多輸出選線方案。首先，定義一故障測度函數，如式1 所示，以其函數值的大小來表征每條線路符合選線判據的程度，即每條線路是故障線路的可能性有多大。

具體的選線步驟如圖2 所示。

3 基于MATLAB 的仿真分析

3.1 小電流接地系統仿真建模

本文搭建的小電流接地系統是一個具有4 條出線的中性點經消弧線圈接地系統，其仿真模型如圖3 所示，包含了架空線路、電纜線路以及纜線混合線路。

圖2 選線過程步驟圖

圖3 仿真模型示意圖

圖3 中，理想三相電壓源作為電路的供給電源，線電壓10.5kV；線路選擇分布參數模型，具體參數見表1。其中，纜線混合線路L4 的電纜部分位于線路前端，長度為5km，線路參數同L3 相同；架空線路部分位于線路后端，長度為12km，線路參數同L1、L2 相同。

表1 線路參數

3.2 中性點經消弧線圈接地系統線路故障的選線仿真

設架空線路L1 在距母線首端4km 處，t=0.02s（故障初相角φ=0）時，A 相經10Ω 電阻單相接地。此時，A 相電壓過零。仿真所得線路L1、L2、L3、L4 的零序電流如圖4 所示。

圖4 各線路零序電流

利用db5 小波在尺度3 下對圖4 中四條線路上的零序電流進行分解，取得其細節分量如圖5 所示。

圖5 細節分量

由圖5 可以看出：在t=0.02s 附近一個周期內出現了模極大值，其中：L1 的模極大值幅值最大且極性與其它3 條線路相反，故初步判斷L1 為故障線路。

根據故障測度函數的定義，求得各線路的故障測度值如表2 所示。由表中數據可以看出，架空線路L1 的故障測度最大，故判定L1 為故障線路，選線結果正確。

表2 故障測度

4 結論

本文以小電流接地系統發生單相接地故障時的暫、穩態故障特征為基礎，利用小波變換原理良好的時-頻域局部化特征，提出了基于小波分析和故障測度函數的單相接地故障選線方案，并通過MATLAB7.0/Simulink 仿真平臺對中性點經消弧線圈接地系統中不同的單相接地故障情況進行了仿真，驗證了選線方案的適用性。

［1］桑在中，張慧芬，潘貞存.用注入法實現小電流接地系統單相接地選線保護[J].電力系統自動化，2007，20(2):11-12.

［2］龐清樂，孫同景，孫波，鐘麥英.基于蟻群算法的神經網絡配電網故障選線方法[J].繼電器，2007，35(16):1-6.

［3］房鑫炎，郁惟鏞，莊偉.模糊神經網絡在小電流接地系統選線中的應用[J].電網技術，2002，26(5):15-19.

［4］王忠禮，段慧達，高玉峰.MATLAB 應用技術在電氣工程與自動化專業中的應用[M].北京:清華大學出版社，2007.

［5］束洪春，彭仕欣，李斌.利用測后模擬的諧振接地系統故障選線方法[J].中國電機工程學報，2008，16(5):54-59.

［6］焦邵華.電網智能保護新技術的研究[D].北京:華北電力大學，2000.

［7］史嘯歌.基于小波變換的配電網單相接地故障定位研究及應用[D].沈陽:東北大學，2005.