基于饋線暫態零流互差系數的配電網故障判別研究

袁曉宇

（山西西山晉興能源有限責任公司，山西 太原 030053）

單相接地故障是配電網故障發生的主要形式，占故障的80%。出現單相接地故障后，配電系統暫時可以維持工作，長時間會擴大故障區域，且導致絕緣損壞，因此需要快速排除故障，減少損失。對配電網故障進行定位判斷的方法有被動法和主動法。被動法依據接受信號的不同，分為暫態分量法和穩態分量法；主動法應用較少，方法比較復雜，需要設置信號注入裝置。穩態分量法所選取的物理量清晰，采用零序電流的特性進行選線，根據健全饋線、故障饋線有功分量幅值開展選線。

本文對小電流接地系統暫態零序電流的分布規律進行分析，基于零序電流在健全饋線與故障饋線極性相反，提出一種基于波形差異的選線方法，進行PSCAD 仿真驗證，結果表明該方法選線的準確性較高。

1 消弧線圈接地的暫態零序電流

配電網經消弧線圈接地，在出現故障時，零序電流呈現一定規律，健全饋線和消弧線圈可以進行并聯，即：

出現并聯諧振，此時Y0( f ) = 0，并聯諧振頻率大小為：

電容在不同饋線部分大小存在差異，電容大小與諧振頻率存在函數關系，若第i 回饋線電容Ci最大，則fp最大值為：

2 基于暫態零序電流波形差異選線

根據配電網的特點，接地方式一種不接地，一種經消弧線圈接地。小波包具有良好的頻域分頻特點，有利于配電網故障選線。對于一個頻段內，暫態零序電流基本相同，滿足故障選線的應用條件。常見的選線方法包含數據獲取和處理與選線判據的構造兩部分。

2.1 數據獲取和處理

（1）根據信號奇異性檢測原理，獲取不同饋線零序電流，獲取時常為1 個工頻周期。考慮到Cn隨頻率f 的增大而增大，確定（0，f）為中性點不接地SFB，該頻段范圍內，健全饋線零序電流領先零序電壓90°，而故障饋線零序電流則滯后零序電壓 90°。

（2）在初始階段的暫態過程，暫態零序電流分布集中的頻帶故障特征較為明顯。對暫態零序電流進行小波包分解，分解后不同頻帶對應相應節點，計算其能量。即：

在SFB 內不同節點之中，如果某一節點對應的頻帶能量最大，則該能量所在的節點為特征節點。

2.2 選線判據構造

（1）在小波包分解的基礎上，構造饋線零序電流，定義為特征分量。不同特征分量記為： i0r1，i0r2，…，i0rm。

（2）對特征分量進行符號化處理，使用函數 sgn（x）標記，處理后特征分量為：I0s1，I0s2，…，I0sm。

（3）根據SFB 內，零序電流在故障饋線極性相反，在健全饋線極性相同，結合步驟（2）的處理，對零序電流波形差異系數進行定義，即：

式中：L 代表數據窗的長度。

波形差異系數分別為 P1，P2，…，Pm，m 代表配電網總饋線。記Pmax= maxPk，數值最大的Pmax代表故障所在饋線。根據不同饋線波形差異系數進行配電網故障判斷。

3 實例驗證分析

3.1 引入斜溝礦實際配電網模型

為驗證本文選線方法的正確性，開展實例驗證分析。圖1 是斜溝礦10 kV 的配電網模型，電網輻射方式為單端輻射型。

圖1 實際的單相接地故障配電網模型

由圖1 可知，該模型包含電纜和架空線共計6條饋線，其中電纜為饋線1、4，架空線為饋線2、3、5、6。設置數據采樣頻率4 kHz，中性點接地控制方式為開關K 控制，采用過補償，補償度大小設為7.5%。

3.2 案例分析

配電網單輻射型，采用不接地方式，電阻大小25 Ω，饋線3 為故障點，距離母線1.7 km。對不同饋線零序電流進行小波包分解，分解4 層，采用db8 小波，頻率150～700 Hz 的節點，分別選擇（4，2）、（4，3）、（4，4），定義（4，4）為特征節點。對特征節點饋線零序電流重構，獲得不同特征分量，如圖2 所示。

圖2 各饋線零序電流特征分量

由圖3 可知，小波包分解節點（4，4）零序電流，其特征分量在饋線3 與其他饋線極性相反。依據故障選線原理，計算不同饋線零序電流波形差異系數，故障選線結果如表1 所示。

表1 故障選線的計算結果

由表1 可知，零序電流在饋線3 上的波形差異系數遠大于其余5 條饋線的波形差異系數，波形差異系數在其余饋線的數值差別較小。經波形差異系數計算，饋線3 與其他饋線的差距擴大。由選線判據可知，配電網中發生故障的饋線為饋線3。仿真結果驗證本文選線方法的有效性，能夠準確判斷出故障所在饋線。

3.3 魯棒性分析

為驗證不同故障條件下選線方法的適用程度，對不同故障電阻、距離、接地方式情況下開展仿真。單相接地故障仿真選擇饋線2 和饋線4，在不同故障條件下選線結果如表2 所示。

表2 不同故障條件下選線結果

由表2 可知，故障電阻、距離、中性點接地方式等因素變化時，選線結果受到影響較小，選線方法仍可適用于配電網故障選線。

4 結論

單相接地故障較為復雜，根據配電網零序電流極性特征，提出一種基于暫態零序電流波形差異的配電網故障選線方法。采用小波包對饋線零序電流進行分解，對電流進行符號化處理并進行選線判據構造，得到饋線零序電流波形差異系數，凸出健全饋線與故障饋線之間的波形差異系數，根據波性差異系數進行故障選線。最后，開展仿真驗證。仿真結果表明本文故障選線方法對于故障饋線和健全饋線的波性差異系數具有較好的區分效果，能夠用于配電網故障判斷。