配網高阻接地故障伏安特性分析及檢測

鄧國勛

摘? 要：文章首先創建高阻接地故障點非線性電阻模型，從時域方面入手選擇最小二乘線性擬合來分析故障特點，并對應提供了基于故障電阻非線性識別的高阻接地故障檢測算法，同時也展開了檢測驗證。

關鍵詞：配網系統;高阻接地故障;伏安特性分析;檢測

中圖分類號：TM862? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）30-0050-02

Abstract： In this paper， the nonlinear resistance model of high resistance grounding fault point is established， the least square linear fitting is selected from the time domain to analyze the fault characteristics， and the high resistance grounding fault detection algorithm based on fault resistance nonlinear identification is provided. At the same time， the detection and verification are also carried out.

Keywords： distribution network system; high resistance grounding fault; volt-ampere characteristic analysis; detection

引言

高阻接地故障是最常見的配網故障，其內部電弧很容易造成火災、傷災等災害，以往的故障檢測算法都是以電弧熱平衡模型為基礎，然而，這種方法的應用范圍有限，對此可以嘗試以固體介質電擊穿原理來創建非線性電弧模型，對應剖析元件與高阻接地的非線性電阻伏安特征。

1 配網高阻接地故障伏安特性分析

1.1 系統元件伏安特性簡述

要想對測量點的電壓、電流等的變化加以保護，最關鍵是要掌握故障點電阻的非線性浮動規律，要想呈現出其動態變化規律，則要參照上方模型，從時域方面來剖析被測點的電流、電壓特點。因為高阻接地故障回路涵蓋幾大方面：故障點非線性阻抗、系統阻抗、線路阻抗等，對此則要深入探究。此處為電壓、電流賦值，都為1。

1.2 系統線性元件伏安特性分析

系統通電后，系統中的電阻也將有電流，而且和兩側電壓有著相同相位。電阻的伏安特性體現為直線，而且經過原點、斜率=1，具體如圖1所示：

因為流經電感元件、電容元件的電流和兩側電壓相位差距達到90度，對應的伏安特性則為圓形。

阻感負載有著自身的伏安特性曲線特征，通常為橢圓形曲線，而且其中心處于原點，而且會跟隨負載功率因數角來逐漸變化，讓橢圓逐漸變成圓形。

1.3 故障點非線性阻抗伏安特性分析

如圖2所示，則提供了線性元件的伏安特性曲線。從中能夠看出，當有電流、電壓途經零點周圍時，伏安特性曲線對應的斜率則將上升，而且會跟著電壓來逐漸變小，隨之當電壓不斷上升時，曲線斜率維持穩定，其中的伏安特性曲線斜率的不斷浮動折射出了故障區域阻抗的浮動規則，也就是當電流與電壓流經零點時，故障過渡電阻隨之變大，而且由于電壓電流變大，對應的過渡電阻也慢慢衰退。對此可以將伏安特性曲線斜率視作高阻接地故障測試的關鍵參考性證據。

1.4 保護安裝位置的伏安特性

保護安裝位置，高阻接地故障測試設備一般選擇線路首端故障相電壓來取代故障點未知的電壓，并將首端測量電流取代現實的故障支路電流，對此則能深入剖析測量誤差。

如圖3所示，為配網零序等值網絡，在圖中，CH1，CH2，屬于兩個健全線路對地等效分布的電容，CF-故障線路對地等效分布電容，RN-中性點電阻。因為負荷配網變壓設備一般分成高壓端和低壓端，前者通常選擇三角形接法，其中則可以淡化負荷端零序電流的干擾。

1.5 健全線、相的伏安特性分析

當線路系統出現高阻接地故障，故障相則不會出現明顯的電壓下降問題，而且不好做出明確的辨識和區別，對應的健全線路也將出現某種零序電流，要想確保故障檢測達到安全的效果，就要對應剖析健全線、相的伏安特性。和故障線路相比，非故障相電壓和零序電流基波中間有120度的相位差，從而使得伏安特性成為變形的橢圓狀。健全線路中，圖中所呈現的零序等效網絡內，中性點的電阻則相對過低，低于線路對地電容容抗，從而使得故障線路和完整的線路零序電流基波相位差達到90度。所以，故障相電壓和健全線路零序電流基波之間也產生較大的相位差，達到90度。高頻分量的干擾下，最終形成將近變形的圓形。從中可以看出，故障線路中故障相因為受到非線性電阻的影響，電流、電壓過零點周圍的斜率變化和健全線路、健全相等完全不同。

2 配網高阻接地故障的檢測

2.1 檢測算法

第一步，不斷采集饋線零序電流、相電壓的樣本，而且要對所采集到的數據實施有限沖擊響應數字低通濾波，其中設置濾波器的終止頻率數值，達到500赫茲，對應得到各個電氣量接連3個工頻周波3N點離散值的排序，而且要各個序列周波數據來統計平均數，而且要將平均數分別取其極值，對應得到周波N點的序列，如下公式：

第二步，變換算得i0（n），ua（n），ub（n），uc（n），等的工頻分量，在對應算得各自對應的工頻相角差，當發現其中的相角差處于0-15度范圍，則可以開啟下一步的操作，相反則要重返第一步操作。

第三步，結合上面所得出的相角差，可以把i0（n）來對應移位，得到和相位差最小的序列。

第四步，借助最小二乘法分段線性擬合ua（n）與i0-shift（n）之間的伏安特性關系，可以將前者工頻過零點充當中心，并從中取1/10的工頻周波數據，擬合后獲得直線斜率為k1，將ua（n）的工頻極值點當作中心，取值1/4工頻周波數據，擬合至直線斜率k2，對應算出序列二者的相關系數Rc。

第五步，分析可疑的高阻接地故障。當0kset，同時Rc>0.966，則意味著出現了可疑性高阻接地故障。kset如果屬于整定值，一般取值>1，通常數值越小，對應則容易計算，Rc可當作判斷擬合誤差，如果伏安特性和直線之間有較大差距，對應的相關系數將下降，而且要照顧到母線測量位置故障相電壓和零序電流相位之間的誤差通常小于8度。

2.2 算法可靠性檢驗

此項驗證指的是如果線路處于常規運行狀態，如果局部線路出現故障，算法依然能夠安全穩定，不出現任何錯誤判斷問題。系統開關操作不會造成太久的干擾，也不至于影響算法。常規運行時，會因為互感器的失衡帶來某種失衡的電流，失衡電流和相電壓的相關性無法上升至0.966，其中的不平衡電流也要達到正弦值，對應的算得伏安特性和線性電阻較為靠近。如果某個線路出現高阻接地故障，一個母線的健全線路的相電壓、零序電流的伏安特性曲線一般呈現為變形的橢圓狀，而且故障相電壓和零序電流工頻之間的相位差達到90度。非故障相電壓和零序電流工頻相位差也處于-30度～-150度，而且健全線零序電流出現了諧波分量，對此Rc數值較小時，不能出現算法錯誤判斷的問題。

鑒于高阻接地故障狀態模式下，健全線路零序電流一般不會很大，而且很容易遭受噪音的干擾，并容易造成零序電流工頻相位無法精準地測出，然而，這種狀態下的相關系數Rc則可以高效地預防與控制正確與錯誤等的判斷。把以上零序電流添加到差異性信噪比的白噪聲，再借助以上算法濾波以后，則能算出B相電壓和零序電流之間的相關系數，要想確保安全可靠，各組試驗可以反復操作10次，最終計算這十次的平均數，經過計算得出：由于噪聲不斷變強，相關系數在不斷地減小，其可靠性小于0.966，由此可以看出，依賴于此算法能夠有效地維護健全線路。這一算法無需過多地參考零序電流幅值，所以不會收到配網中性點分布、線路長短、運行模式等的干擾，而且這一算法實際運行中體現出一定的抗噪音性能，即便信噪比較低時，此算法也可以高效地辨識眾多的故障。

3 結束語

此研究主要圍繞故障電流非線性畸變問題，對應提供了非線性電阻模型，并對電路線性元件等的伏安特性進行了細致、到位地剖析，最終得出了高阻接地檢測算法，而且憑借仿真數據以及相關的試驗數據對應檢驗了此方法的安全性、穩定性與靈敏度，以此算法為基礎的高阻接地故障檢測設備處于檢測運行中。

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