一種利用暫態分量的單相接地故障選線方法

關 瑞，趙 儒，張俊文，邱紅濤，畢 勝

(1.山西煤炭進出口集團 河曲舊縣露天煤業有限公司，山西 河曲 036500；2.太原理工大學 礦用智能電器技術國家地方聯合工程實驗室，山西 太原 030024)

近年來，隨著煤礦現代化綜采技術的快速發展，礦井供電系統容量不斷攀升、供電距離持續加大，系統結構也越來越復雜，對供電的安全性和可靠性提出了更高的要求。單相接地故障是礦井供電系統最常見的故障之一[1]，國內外學者已經提出了很多單相接地故障選線方法，包括穩態信息法、暫態信息法、注入信號法以及以模糊理論和神經網絡為代表的融合選線方法[2-9].利用故障穩態工頻電流選線的方法受運行方式的影響較大，因此大多已不再適用[10].而故障發生后的暫態分量較為豐富，因此基于暫態分量的選線方法得到了廣泛關注。

文獻[11]、[12]利用小波變換形成故障線路的綜合選線。文獻[13]結合EMD和自適應陷波濾波器(ANF)算法選線，但EMD存在模態混疊現象和端點效應，會使產生的固有模態函數(簡稱IMF)失去實際的物理意義。文獻[14]進行變分模態分解(VMD)后利用相關性聚類進行故障選線。上述選線算法在理想故障信號下均能得到較好的選線準確率，但信號含有噪聲時，尤其礦井供電系統中噪聲污染嚴重，無法滿足實際要求。

針對上述問題，本文提出了一種基于補充總體平均經驗模態分解(Complementary Ensemble Empirical Model Decomposition以下簡稱CEEMD)的暫態衰減分量的選線方法。首先，利用CEEMD將零序電流分解為具有不同信號特征的固有模態函數，剔除其中的穩態工頻分量和噪聲分量，然后對獲得的暫態衰減分量進行Hilbert變換，最后根據相位判據進行選線。該方法相比于傳統方法，具有更高的可靠性和抗干擾能力。通過實時數字仿真系統(Real Time Digital Simulator, RTDS)的建模仿真與測試驗證了該方法的實用性。

1 單相接地故障理論分析

礦井供電系統發生單相接地故障時，存在消弧線圈對于暫態高頻電流的電抗值非常大，在暫態過渡過程中，消弧線圈電感電流上升較慢，因此故障線路上的暫態零序電流與正常線路反相[1]，系統的零序電流流向見圖1.理想情況下，故障后零序電流與零序電壓相位見圖2，但在實際情況中存在消弧線圈和線路上的電抗以及噪聲等干擾，故障線路零序電壓U0與零序電流IC之間的相位差會大于90°，即相角差值并不是剛好180°，因此選擇90°作為相角差判據。

圖1 單相接地故障零序電流流向圖

圖2 單相接地故障零序電流與零序電壓相位圖

圖3 單相接地故障暫態零序等值電路圖

根據圖3得出，暫態零序電流id表達式為：

(1)

式中，等號右側第一項為零序電流穩態分量，后兩項為暫態分量。

根據式(1)可知，暫態接地零序電流由穩態工頻分量和暫態衰減分量構成。我國礦井供電系統3～60 kV系統大多采用中性點經消弧線圈接地方式，由于采用過補償的運行方式，穩態工頻分量的故障特征不再明顯，甚至成為干擾因素，因此將穩態工頻分量和噪聲量一同剔除[14].之后，將故障線路與正常線路的暫態衰減分量在相位之間存在的差異作為判據，從而實現選線。

2 相關理論及選線方法

2.1 CEEMD分解

CEEMD由TORRES等提出，可以很好地解決EMD分解存在的模態混疊問題，良好的自適應性可用于分析各種條件下的零序電流[15-16].

對線路的零序電流進行CEEMD分解，分解結果見圖4.由圖4可以看出，IMF1-IMF3為高頻噪聲分量，IMF5為穩態工頻分量，而這兩種分量都將是選線時的干擾量，需要進行剔除，其余分量保留，即最終只利用故障特征差異明顯的暫態衰減分量來進行選線，可以避免干擾因素的影響，提高選線準確度。

圖4 零序電流分解結果圖

基于第一部分中的理論分析，發生單相接地故障時，設定相角判據為：故障線路與正常線路的零序電流相位角相差90°，即：

(2)

其中，θk為故障線路的相角，其余為正常線路的相角，且i≠j≠n≠k.

2.2 選線方法

綜上所述，本文方法的具體步驟如下：

培訓過程中相關的操作流程與操作技巧與真實的有軌電車駕駛尚存在一些出入；培訓時雖能夠根據實際的有軌電車駕駛路線設置課程，但培養出的學員應對能力較弱，同樣，對于真實線路的經驗等尚還欠缺；對駕駛作業流程不熟悉，存在一定的安全隱患。因此，在培訓結束后仍然需要一定時間的“師帶徒”教導。當然，在選擇培訓機構時一定要選擇實力強勁、信譽好、有責任的培訓機構。

1)對原始信號進行CEEMD分解，得到一系列IMF分量(IMF1、IMF2、…、IMFn).2)將穩態工頻分量以及噪聲分量剔除，得到暫態衰減分量。3)對暫態衰減分量進行Hilbert變換，獲取瞬時相位。4)利用相位判據完成選線。

3 可行性分析

3.1 系統仿真模型

以實際的礦井供電系統作為研究對象，在RTDS/RSCAD中搭建仿真模型，見圖5.該模型高壓側電壓等級為35 kV，地面變壓器額定電壓為35/6 kV，有4條6 kV高壓電纜饋線為井下低壓側以及負荷供電，即線路1—4，這4條線路長度分別為9 km、6 km、8 km和3 km；中性點運行方式為經消弧線圈接地方式，并設置5%的過補償。以線路4發生單相接地故障為例進行相關研究，選線算法只考慮6 kV高壓側的故障選線，故不對低壓饋線參數做過多解釋。

圖5 RTDS礦井供電系統模型圖

3.2 典型故障分析

在系統模型的基礎上，線路4為故障線路，以故障點接地電阻500 Ω、故障初相角0°和故障點位于線路的30%處為例說明研究過程，以上故障條件均可以根據需要進行設置。基于以上信息進行故障選線，首先需要對線路原始的零序電流進行提取，并且為了更好地模擬未知的真實噪聲干擾，在線路原始的零序電流中加入20 dB的高斯白噪聲，得到線路的零序電流波形見圖6.

結合圖6得出，在故障發生時，故障線路與正常線路的零序電流相位角相差大于90°，且故障發生前后1/4周期的幅值遠大于正常線路。對上述含噪信號進行CEEMD分解，并根據上述方法得到暫態衰減分量,見圖7.

圖6 各線路的零序電流波形圖

圖7 各線路的暫態衰減分量圖

根據圖7所示的暫態衰減分量，經Hilbert變換后得到各線路的相角及選線結果見表1，不難得出選線結果與設定的故障線路一致，選線成功。

表1 選線結果表

3.3 適用性分析

發生單相接地故障時，影響零序電流的主要因素有故障點接地電阻、故障初相角、故障點位置以及不同的故障線路等。因此，基于RTDS搭建的仿真模型，分別在線路1—4故障或母線故障時，另外3種故障影響因素隨機組合情況下，利用本文選線方法進行了大量選線測試實驗，選線結果見表2.由表2可以看出，本文選線方法對于故障線路以及各種故障條件下的單相接地故障均能實現正確選線，具有很高的準確性和可靠性。

表2 不同故障條件下的選線結果表

4 結 語

針對經消弧線圈接地的礦井供電系統單相接地故障特征不明顯、噪聲干擾嚴重、錯選漏選時有發生的問題進行了研究，研究結論如下：

1)基于單相接地故障時零序電流的暫態衰減分量進行故障選線，避免了噪聲分量和穩態工頻分量的干擾，故障特征更為直觀明確；同時，利用相位有效判據進行選線，在不同故障情況下具有一定適用性。

2)提出了一種基于CEEMD的單相接地故障選線方法，有效解決了模態混疊問題；同時，通過大量的RTDS仿真實驗，驗證了該方法具有很高的準確性和可靠性，尤其適用于經消弧線圈接地的礦井供電系統，保證了礦井供電安全。