船舶配電網絡接地故障初始行波測距的EMTP仿真分析

陳 亮，沈 兵，張曉鋒，李 耕

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船舶配電網絡接地故障初始行波測距的EMTP仿真分析

陳 亮，沈 兵，張曉鋒，李 耕

（海軍工程大學，武漢430033）

本文建立了基于線路分布參數的船舶配電網絡高精度故障模型，利用電磁暫態程序EMTP針對一種與波速無關的單相接地故障行波測距方式進行了全面的仿真分析。該方法采用初始行波進行故障測距，消除了波速傳播誤差，行波特征明顯，且不受故障點、對端折反射波的影響，測距結果與中性點接地方式、故障初相角和過渡電阻無關，具有工程實用價值。

波速 配電網絡 接地故障 電流行波 測距

0 引言

傳統的行波測距方法需要通過波速和行波到達檢測端的時間來計算故障距離，工程上一般根據不同的電壓等級給出一個定值來近似表示波速[1,3]，波速的不確定性在很大程度上影響了行波測距的精度。本文提出了一種基于配電網絡電纜線路分布參數的高精度故障模型，分析了一種改進的基于初始電流行波的故障測距方法，該方法僅采用各線路測量端接收到的初始電流行波來進行接地故障測距，不受波速誤差和折反射波混疊的影響。通過電磁暫態仿真程序EMTPWorks對單相接地故障電流行波的仿真，分析了中性點接地方式、故障初始角、過渡電阻對故障特征的影響，為進一步完善配電網絡單相接地故障的行波選線判據打下了良好的基礎。

1 行波模量特征

當配電網絡發生單相接地故障時，故障點都將產生向線路兩端運行的電壓、電流行波，其暫態行波過程如圖1所示，M為母線端，N為負載端，F為故障點，為故障線路全長。故障行波將在母線、故障點等波阻抗不連續處發生折、反射，經過多次反射、衰減，進入一個新的穩態。故障暫態行波網絡圖如圖2所示，、分別為故障初始行波到達M端、N端的時間，、分別為故障點反射行波到達M端、N端的時間。

為便于分析，我們將暫態電流行波解耦分解為線模分量和零模分量，當配電線路發生單相接地故障時，會產生在三相與地（零模分量）和兩相之間（線模分量）運行的電壓和電流行波。對于配電網絡來說，由于母線接有較多的負載出線，所以故障點反射波與初始行波極性相同，線路對端反射波與初始行波極性相反。因此，可以根據接收到的故障行波極性來辨識故障點反射波和對端反射波。

2 不受波速影響的電流初始行波測距方法

行波在M端發生反射的同時，也在其他各非故障支路產生折射波，令任意非故障支路的負載端在時刻檢測到該折射波，則有：

求解可得故障點的距離

由（3）式可以看出，線路長度為已知量，僅需知道各負載線路的長度以及初始電流行波到達負載線路各檢測端的時間差，就可以計算出故障點離母線的距離。該方法利用初始行波進行測距，避免了故障點、對端等折反射波的影響。

3 仿真分析

利用EMTPWorks電磁暫態仿真軟件建立如圖1所示的配電網絡仿真模型，負載線路為電纜線路，采用文獻[5]提供的電纜線路標準參數，見表1。考慮到實際負載千差萬別，為簡化分析，仿真模型各負載統一采用RLC等效負載模型。

設定故障線路L4長度為2.5 m，距離母線1 km處發生單相接地故障，非故障線路L1長度為2 km，仿真的計算步長為0.1μs，故障初相角為90°，故障過渡電阻為10Ω。在L1的N端、L4的M端和N端測得零模電流行波波形如圖3所示，測得故障初始行波分別到達測量端的絕對時間、、，將其帶入公式（3）可得故障點位置為

仿真設定故障點F距母線1km，所以測距誤差為1.7 m。表2為改變故障點的位置后的仿真測距結果及其誤差。本測距方法對電纜線路的測距誤差在2 m之內，具有很高的工程實用價值。

圖4所示的是不接地系統和經高阻接地系統零模電流行波波形，在接地故障初相角和過渡電阻相同的情況下，初始零模電流行波特征與中性點接地方式無關。

圖5所示的是當故障初相角變化時，系統零模電流行波的波形圖。各支路之間的初始零模電流行波特征與故障初相角無關。但對故障支路來說，其故障初相角越大，初始零模電流行波的幅度也就越大，信號特征越明顯。

圖6所示的是故障過渡電阻變化時，系統零模電流行波的波形圖。各負載支路之間的初始零模電流行波特征與故障過渡電阻無關。對故障支路來說，故障過渡電阻越大，其初始零模電流行波的幅值越小。

綜合仿真分析和式（3）可以知道，測距結果僅與初始行波到達線路兩端的時間差有關。通過大量的仿真數據，可以證明本行波測距法與中性點接地方式無關，不受接地故障初相角和過渡電阻的影響。

4 結論

本文介紹了配電網絡接地故障行波的傳播過程和測距原理，給出了初始電流行波、故障點反射行波和對端反射行波的相互關系。建立了基于線路分布參數的配電網絡高精度故障模型，利用電磁暫態程序EMTP針對一種與波速無關的單相接地故障行波測距方式進行了全面的仿真分析。該方法采用初始行波進行故障測距，消除了波速傳播誤差，不僅行波幅度大、突變特征明顯，而且不受故障點、對端折反射波的影響，測距結果與中性點接地方式、故障初相角和過渡電阻無關，具有工程實用價值。

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Simulation of Initial Travelling Wave at Single-phase Earth Fault Location in Shipboard Distribution Network with EMTP

Chen Liang, Shen Bing, Zhang Xiaofeng, Li Geng

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

This paper presents a high accuracy model of shipboard distribution network based on lines with distributed parameters, simulates and analyzes a fault location method based on initial travelling wave which is unrelated to wave velocity with EMTP. This method uses the initial travelling waves to locate the single-phase earth fault, which eliminates the propagation error in wave velocity and obvious to see the characteristic of travelling wave. What’s more, it can avoid the influence of the reflected and refraction wave from opposite terminal. It also has nothing to do with different neutral grounding modes, fault initial angle or transition resistor. Therefore it has great practical value in engineering.

wave velocity; distribution network; earth fault; travelling wave; fault location

TM743

A

1003-4862（2015）03-0019-04

2014-09-15

陳亮（1982-），男，講師，博士生。研究方向：電力系統安全運行。