配電網(wǎng)間歇性電弧接地故障選線方法

皇甫武軍 李晨露 李 翔 王月萍

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司洛陽(yáng)供電公司 河南洛陽(yáng) 471000）

1 配電網(wǎng)間歇性電弧接地故障選線概述

在我國(guó)電力系統(tǒng)中，將110kV及其以上的配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生單項(xiàng)接地故障成為大電流接地系統(tǒng)故障。將10kV的配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生的單相接地故障稱為小電流接地系統(tǒng)故障。間歇性電弧接地故障一般是發(fā)生在小電流接地系統(tǒng)中。大電流系統(tǒng)的接地故障一般修復(fù)較為簡(jiǎn)單，根據(jù)其故障點(diǎn)電流較大容易檢測(cè)的特點(diǎn)。一般采用配電網(wǎng)絡(luò)FTU或者FPI檢測(cè)過(guò)流現(xiàn)象的電流法進(jìn)行選線定位。小電流系統(tǒng)的接地故障處理起來(lái)較為棘手，這是因?yàn)榘l(fā)生間接性電弧接地故障時(shí)故障點(diǎn)流經(jīng)電流較小，三相線電壓依舊能保持平衡，配電網(wǎng)絡(luò)可以帶故障運(yùn)行1～2h。故障線路的隱蔽性高，在進(jìn)行故障線路選線定位時(shí)難度較大如不能及時(shí)處理還會(huì)造成故障范圍擴(kuò)大化，傳統(tǒng)的處理間歇性電弧接地故障時(shí)只能采取人工拉線的方式進(jìn)行確定，費(fèi)時(shí)費(fèi)力不說(shuō)還會(huì)造成供電網(wǎng)絡(luò)的大面積停電。隨著我國(guó)科技的日益進(jìn)步，針對(duì)間歇性電弧接地故障的選線技術(shù)也取得了一些成就。現(xiàn)在處理小電流接地系統(tǒng)間歇性電弧接地故障采用的方法主要有兩種。分貝時(shí)是故障電氣量特征法和外加注信號(hào)法。故障電氣量特征法是根據(jù)分析故障信號(hào)特征如零序電壓、零序電流、無(wú)功分量、有功分量、殘余電流、負(fù)序電流、諧波等信號(hào)的特征分量進(jìn)行故障選線。其缺點(diǎn)在于但遇到間歇性故障與故障點(diǎn)電弧不穩(wěn)的情況時(shí)因?yàn)槿鄙俜€(wěn)定的穩(wěn)態(tài)特征信號(hào)而難以判斷甚至產(chǎn)生誤判，為了彌補(bǔ)這一缺陷故障電氣量特征法還會(huì)使用暫態(tài)選線法進(jìn)行輔助選線。在線路系統(tǒng)中暫態(tài)特征信號(hào)分量時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)信號(hào)特征分量的。但暫態(tài)選線法的問(wèn)題在于暫態(tài)特征信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間極短，對(duì)于信息收集并不方便。一般使用的故障電氣量特征法有首半波法、小波分析法、Prony法等。第二種外加信號(hào)法是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)射脈沖信號(hào)或者S信號(hào)，探測(cè)接地點(diǎn)返回信號(hào)或出線阻尼率實(shí)現(xiàn)故障選線工作。其缺點(diǎn)在于需要進(jìn)行信號(hào)源與檢測(cè)設(shè)備的資金投入以及注入信號(hào)功率受到互感器容量限制、對(duì)間歇性接地電弧檢測(cè)效果較差。這些問(wèn)題都對(duì)選線方法提出了更高的要求。

2 自適應(yīng)陷波濾波器算法原理

本文采用的適應(yīng)陷波濾波器算法是取配電線路故障提取出來(lái)進(jìn)行諧波電流的5次諧波計(jì)算。通過(guò)分析非故障線路的相位與故障線路的相位相反，以及故障線路中的諧波幅值是所有非故障線路幅值總和的特征作為故障選線的判據(jù)，從而確定出故障線路。自適應(yīng)陷波濾波器算法具體計(jì)算方法是通過(guò)單獨(dú)提取出線路零序電流中的5次諧波信號(hào)，利用自適應(yīng)陷波濾波器可以跟蹤信號(hào)頻率變化來(lái)改變陷波頻率的特點(diǎn)通過(guò)設(shè)置適宜的陷波頻率，就可以確定實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的5次諧波信號(hào)。自適應(yīng)陷波濾波器算法相比以前利用傅立葉變換法計(jì)算諧波電流中的5次諧波信號(hào)其優(yōu)勢(shì)在于。傅立葉變換法想要分離出故障線路中的諧波，是通過(guò)分離出故障線路中的基波及頻率為基波頻率整數(shù)倍的各次諧波的幅值和相位實(shí)現(xiàn)的。但在使用傅立葉方法進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，是假定頻率已知的情況下，而在實(shí)際的計(jì)算過(guò)程中頻率是不斷變化的。因此傅立葉方法進(jìn)行性諧波計(jì)算時(shí)存在頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)影響計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而導(dǎo)致故障線路的選線與定位的準(zhǔn)確性。而自適應(yīng)陷波濾波器算法就不存在受頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)影響計(jì)算的問(wèn)題。并且自適應(yīng)陷波濾波器算法經(jīng)過(guò)MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)后表明了該算法的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 自適應(yīng)陷波濾波器算法故障選線原理

（1）零序電流的5次諧波分量分析

當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生間歇性電弧接地故障時(shí)由于受到消弧圈及故障點(diǎn)的電氣設(shè)備的非線性影響，會(huì)使得故障電流中存在諧波信號(hào)。諧波出現(xiàn)頻率相應(yīng)升高其電流中含量就會(huì)減少，通常實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在以基波值為基數(shù)的百分比中，5次諧波電流所占百分比為2～9%。7次諧波電流所占百分比為2～4%。考慮到消弧電圈對(duì)5次諧波電流的補(bǔ)償作用僅相當(dāng)于工頻時(shí)的1/25，對(duì)整體幾乎沒(méi)有影響，因此忽略消弧電圈對(duì)5次諧波電流的補(bǔ)償作用。這樣就能利用非故障線路與故障線路中的零序電流的5次諧波分量特點(diǎn)進(jìn)行選線定位，含有異常多的5次諧波信號(hào)的零序電流就是故障線路。

（2）零序電流的5次諧波分量的幅值分析

當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生間歇性電弧接地故障還會(huì)有一個(gè)明顯的特征那就是在故障系統(tǒng)中零序電流產(chǎn)生的5次諧波分量的幅值是其他所有得非故障線路零序電流的5次諧波分量的幅值總和，并且故障線路和非故障線路的零序電流在相位上呈現(xiàn)反相相位。根據(jù)這一特點(diǎn)可以通過(guò)自適應(yīng)陷波濾波器分別計(jì)算出小電流接地系統(tǒng)中線路中零序電流的5次諧波分量幅值。找出所有線路中的諧波分量幅值最大的線路定為疑似故障線路，再將其他線路的諧波分量幅值相加，根據(jù)疑似線路諧波幅值是否是其他線路諧波幅值得總和進(jìn)行故障線路的進(jìn)一步確定。

4 自適應(yīng)陷波濾波器算法仿真實(shí)驗(yàn)

任何一種技術(shù)如果不進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，那么都是不成熟不完善的。本文利用MATLAB系統(tǒng)對(duì)自適應(yīng)陷波濾波器算法進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)建立出5條出電線路的10kV配電站模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。其中1號(hào)線路為故障線路。利用自適應(yīng)陷波濾波器對(duì)這5條出電線路的零序電流提取五次諧波分量進(jìn)行分析如表1所示。

表1

根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析可知，1號(hào)線路中諧波幅值近似等于線路2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)線路的諧波幅值的總和且誤差絕對(duì)值ΔL分別為0.0129，0.0117，0.0544，0.0569，0.0191。由此可以判定出線路1為故障線路。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)仿真實(shí)例對(duì)配電網(wǎng)中小電流接地系統(tǒng)在發(fā)生間歇性電弧接地故障的情況作了詳細(xì)分析，并針對(duì)當(dāng)前技術(shù)對(duì)間歇性電弧接地故障修復(fù)效果不佳，提出了利用自適應(yīng)陷波濾波器算法進(jìn)行小電流接地系統(tǒng)發(fā)生歇性電弧接地故障選線處理。從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看自適應(yīng)陷波濾波器算法在小電流接地系統(tǒng)發(fā)生歇性電弧接地故障選線中發(fā)揮的效果良好，可靠性高準(zhǔn)確性穩(wěn)定。可以在配單網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中進(jìn)行普及。但不穩(wěn)定電弧和間歇性電弧接地故障在實(shí)際情況中較為復(fù)雜只使用一種技術(shù)是沒(méi)有辦法完全處理，因此要加強(qiáng)不穩(wěn)定電弧和間歇性電弧接地故障進(jìn)行分類別研究。只有這樣才能更好的建設(shè)國(guó)家電網(wǎng)。