输电线路接地故障选相判据研究

李广臣

（中铁十八局隧道公司，天津 300000）

输电线路在电网中承担着电能输送的任务，线路发生故障时概率最高的是接地故障。线路发生故障后，及时的确定故障类型及故障相有利于线路的抢修，以便尽快恢复供电。另外，很多线路发生故障后会采取重合闸措施，对于采取分相重合闸的算法，就需要确定故障相。因此，研究线路接地故障时的选相判据有着重要的意义。

1 现有接地故障选相判据存在的问题

输电线路发生接地故障后，相当于在接地点附加一个故障电源，由此产生的暂态行波分量向线路两端传播。目前存在的基于暂态行波的故障选相方法，是利用小波变换理论对行波信号进行小波变换[1-2]，通过比较信号奇异点对应的小波变换模极大值来判断故障类型[3-4]。

根据相模变换理论，线路发生接地故障后零模在三相导线与大地之间形成回路，线模在两相导线之间形成回路。由于零模在大地与导线之间传输，受大地电阻率等因素影响，线模在传输过程中衰减特性并不稳定。所以，直接对相域里三相导线的行波信号进行小波变换可能会造成误判。如果能够单独采用线模进行计算，可以提高判断方法的稳定性和准确性。

三相线路之间存在电磁耦合关系，各相行波信号之间并不独立。采用凯伦贝尔矩阵对三相信号进行相模变换，可以得到独立的行波模分量。

假设线路发生故障，采样得到的各相电压行波信号为 U A、 U B、 U C，经凯伦贝尔变换后的模量为零模U0、线模Uα、线模Uβ，则相模变换关系为[5]

另外，引入第三个线模分量Uγ，在线路的B、C两相之间传播，与 U B和 U C关系为

当线路发生接地故障时，由于零模可以在导线与大地之间形成通路，则此时零模分量不为零。现有的接地故障选相判据为

1）单相接地故障时， U 0 ≠0

行波在线路上传播过程中会发生衰减现象[6]，导致波头畸变。线模分量在导线之间传播，则它们的衰减特性一致。零模在导线和大地之间传播，受大地电阻率影响，其衰减特性与线模不一致，且传播速度比线模低。经仿真发现，在有些算例中，零模与线模之间的关系并不完全满足上述判据中的关系式。这就导致上述判据在某些接地故障情况下，不能正确选相。

2 改进的接地故障选相判据

为了使线路发生接地故障时可以正确的进行选相，本文提出对已有判据进行改进。在线路发生故障后，首先计算零模分量，根据有无零模分量判断属于接地故障或非接地故障。如果线路发生接地故障，则把现有判据中定量的等式关系，改为定性的不等式关系，以提高判据的稳定性。

1）单相接地故障时， U 0 ≠0

2）两相接地短路故障时， U 0 ≠0

3 判据方法仿真验证

仿真使用Matlab仿真软件中PSB模块，建立的仿真模型为220kV输电线路。进行仿真的电力系统结构图如图1所示。

图1 仿真电力系统结构图

仿真采用某 220kV输电线路参数，使用 50Hz三相分布线路模型，线路参数为：

线路全长100km，设置为A相接地故障，故障点距M端距离20km，距N端距离80km，接地电阻1Ω，采样频率1MHz。设定故障发生时刻0.013s。对故障后得到的三相电压行波进行相模变换，使用DB5小波对零模和三个线模分量进行小波变换，做四层分解。求取各尺度下行波波头对应的小波变换模极大值，得到M端各个模极大值能量如表1所示。

表1 各模分量行波波头小波变换模极大值能量绝对值

4 结论

本文研究了输电线路发生接地故障情况下的故障选相方法。根据现有判据进行选相时，由于零模的衰减特性与线模不一致，在接地故障条件下使用现有判据就可能造成选相误判。因此，本文提出了对各个模分量进行小波变换，求取行波波头对应的模极大值能量，通过对比它们的绝对值大小，来进行选相判断。将现有定量的等式判据改为定性的不等式判据，并且在判据中不再采用零模分量，以达到消除零模分量影响的目的。通过仿真，验证了判据的有效性和稳定性。

[1]孙延奎.小波分析及其应用[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2]彭玉华.小波变换与工程应用[M].北京:科学出版社,1999.

[3]董新洲,贺家李,葛耀中.基于小波变换的行波故障选相研究[J].电力系统自动化,1999,23(12):24-26.

[4]董新洲,葛耀中,徐丙垠.利用暂态电流行波的输电线路故障测距研究[J].中国电机工程学报,1999,19(4):76-80.

[5]林湘宁,刘沛.基于故障电流暂态分量的测距研究[J].电力系统自动化,2002,26(3):45-51.

[6]覃剑,陈祥训,郑健超.行波在输电线上传播的色散研究[J].中国电机工程学报,1999,19(9):27-35.