艦船中壓電力系統接地故障識別的仿真研究

黃 靖，羅寧昭，楊 鋒，吳本祥

（海軍工程大學，武漢 430033）

0 引言

根據統計，無論在艦船電網還是陸地電力系統，單相接地故障占所發生故障的比例均超過半數。單相接地故障形式可分為永久的金屬性接地、單次放電、電弧不斷重燃造成的間歇性弧光接地。據統計絕大多數的接地故障會產生電弧[1-2]。而間歇性弧光接地故障對系統的危害性最大[3-5]。單相接地故障危害程度和處理方式與電網中性點的接地方式密切相關。目前船用電網利用發電機中性點經高電阻接地來抑制接地產生的過電壓。每種接地故障所需要的消除故障的裝置各不相同，但一個電力系統不能同時用好幾種接地方式，如能采取合適的方式對單相接地故障進行有針對性的快速識別，在確定發生間歇性接地故障后再將合適的接地裝置投切如接地系統中，對系統供電的穩定性和可靠性大大地提高。故障類型識別還可以對不同故障類型的發生進行統計，利用統計學知識，對系統絕緣的薄弱點做初步判定。

1 接地裝置長期投入系統的缺陷

諧振接地系統并不區別單相接地的故障類型，當系統發生單相接地故障時就自動產生感性的電流補償故障電流。若接地故障為永久的金屬性接地，該方法會因為消弧線圈在正常狀態和補償狀態之間的投切而對系統造成大量的諧波振蕩[6]。同時，消弧線圈運行過程中也可能引起“虛接地”等諸多問題。

而對于高電阻接地方式，當接地故障為金屬性接地時，接地電阻不但不能抑制過電壓，相對不接地的系統，故障點電流增大，溫度升高，更容易使故障擴大。如圖1所示，高電阻接地系統發生金屬性的單相接地故障時，故障點電流不再是單純的電容電流，而且要加上流經接地電阻的電流。

圖1 高電阻金屬性接地示意圖

對于其他接地方式也大致如此。如果處理不當，不但不能消除單相接地故障，反而可能給電力系統帶來新的不穩定因素。對艦船電網單相接地故障的類型進行識別，并根據識別出的故障類型采取不同響應措施，對保證艦船電力系統運行的可靠性、穩定性有著重要的意義。

2 基于數學形態法的接地故障識別

目前，國內外學者已開始將數學形態學應用于電力系統的信號分析。數學形態學對電力系統信號分析的主要手段是經過波形變換突出信號的突變特征等。可以利用數學形態學對接地故障進行識別。

文獻[3]中提出了以零序電壓做COOCG變換識別故障的方法，但不接地系統零序電壓容易受不平衡的系統對地電容干擾。在發生單次放電后，中性點電壓會發生震蕩，會使得識別算法發生誤判。因此本文在COOCG算法基礎上提出基于數學形態學梯度-閉運算變換的識別算法。由于不接地系統間歇性電弧接地故障發生時，故障相電壓會出現連續尖峰信號，而金屬性接地故障發生后故障相電壓跌落至零，可以通過提取邊沿的方法確定出現的故障類型，利用設定閾值的方法區分故障類型，然后通過濾波將單次放電信號過濾掉，就能將長時間的奇異信號提取并分辨出來，從而識別出系統接地故障類型[7-8]。

故障電壓波形f（n）一般為有正負波動的波形，為了防止遺漏負向波形。在用數學形態法對故障信號進行變換前先對電壓波形采取絕對值處理：

為了提取奇異信號，首先對fabs(n)進行數學形態梯度計算，將發生故障時的邊沿提取出來。形態學梯度對非周期波形邊緣敏感，因此在發生接地故障時，計算后的波形會發生跳變。梯度計算公式為：進行數學形態梯度計算，將發生故障時的邊沿提取出來。形態學梯度對非周期波形邊緣敏感，因此在發生接地故障時，計算后的波形會發生跳變。梯度計算公式為：

在數學形態學運算中，結構元素的形狀和大小對信號處理結果有很大的影響，結構元素選取失當將不但不能起到應有效果，有時可能將有用波形信息過濾掉，導致故障辨識失敗[9]。結構元素的確定是非常困難的事情，至今沒有有效的理論解決該問題[10]。在本算法中，將梯度運算的結構元素g1(n)寬度取1/2倍工頻周期。梯度計算結果如圖2所示：

圖2 數學形態梯度變換后波形

由圖中可以看出，通過梯度運算，邊沿被初步提取出來，無論是金屬性接還是單次放電，故障波形邊沿都被清晰的呈現出來。但波形中存在的大量噪聲會影響結果識別。而閉運算能使信號波形中的波谷填平，因此可以用來濾波。閉運算計算公式為：

相對于開運算，使用閉運算濾波更有利于設定閾值并將金屬性接地故障與間歇性電弧接地故障區分。因此，對梯度變換后的波形進行閉運算。為了更好的消除單次放電對識別結果產生的影響，結構元素g2(n)的寬度取0.5到1倍工頻周期的寬度，結構元素的原點在線段中心。結果如圖3所示。

圖3 數學形態閉運算后波形

圖3為故障波形梯度-閉運算變換最終結果。可以看到，當系統發生金屬性接地故障時，故障相對地電壓波形經過梯度-閉運算變換后，會跌落較大的幅度，波形的幅值從峰值跌至為0左右；當發生單次放電故障時，變換后，其故障相放電對相電壓的擾動被濾掉，而電壓波形幾乎沒有較大波動，趨于直線；而在發生間歇性弧光接地故障時，故障電壓波形經變換也會出現較大幅度的跌落，但由于間歇性故障不斷產生的奇異電壓信號，其波形經變換后會產生不規律的方波，相比0 V要大得多。

3 仿真驗證

圖4 仿真電路

利用Simulink搭建仿真系統，如圖4，對艦船電網進行單相接地故障的仿真。仿真電源為能夠模擬船用發電機的恒壓源，線路電感和電阻均以實際發電機的參數進行設置。燃弧和熄弧的過程運用工頻熄弧理論進行仿真。弧光接地的過渡電阻設置為10 Ω。以上述兩種故障情況為對象，得到了在不同故障合閘角下的故障相波形。識別結果如表1所示。

表1 仿真驗證結果

從仿真結果可以看出，不同故障合閘角對跳變幅度和跳變后的幅值差別很大，但其幅值并未超出閾值范圍，不影響故障類型的識別。所以，可以通過對故障相電壓進行梯度-閉運算變換來識別接地故障類型。

4 總結

本文在利用形態學COOCG算子識別接地故障類型方法的基礎上，提出了一種基于數學形態學的梯度-閉運算變換方法來識別單相接地故障類別。該方法能將故障相電弧電壓特征作為識別對象，將金屬性接地和間歇性接地區分開，并且在電纜單次放電的情況下具有良好的魯棒性。大量的仿真驗證了該方法在不同條件下對故障識別的有效性。

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