煤矿配电网不对称接地故障线路选择

杜昌要

杜昌要（1970-）男，工程师，平凉新安煤业有限责任公司，研究方向：煤矿电网自动化。

我国的配电网电压等级通常为35KV、10KV 以及6KV，针对目前配电网拓扑结构的特点，结合电网发生不对称接地故障后的故障特征，本文给出了一种基于综合信息融合的故障选线方法，在引入有功分量、零序电流以及五次谐波分量的背景下，给出了各种方法的权重分配方案。使用MATLAB 仿真10KV 配电网拓扑结构，对本文提出的选线方案进行了模拟，结果表明该方法受接地电阻、故障初相角的影响较小，选线结果准确。

在我国的中低压系统中大多数都采用小电流接地方式。当系统发生不对称接地故障时，中性点电压会有一定的偏移，不过三相线电压仍然还是保持对称，不需要急切的切除故障，这样的中性点接地方式使得供电的可靠性有所提高。不过为了事故进一步扩大为两点或者多点接地，还是需要尽快找到发生故障的线路，因此有必要进行故障选线技术的研究。目前常用的故障选线方法主要包括基于故障稳态信息的选线方法以及基于故障暂态信息的选线方法两大类，基于稳态的选线技术包括群体比幅比相法、有功分量法以及能量函数法；基于暂态的选线技术包括首半波原理以及小波分析法。本文在融合了传统的几种选线方案的基础上，结合权值整定方法，提出了基于多种信息量融合的选线技术，有效解决了单一选线方案带来的误差，由于引入了线路故障分量隶属度以及每一种选线方法准确度的权重分配问题，通过判断故障时每一种方案的选线结果接近理论分析的程度来确定权重，调用了能够反映故障的所有信息，因此必然能够提高选线准确度。通过仿真软件和现场运行情况充分验证了该方法具有可靠、准确的选线结果。

1 零序点电流幅值、相位比较法

通过比较各条馈线的零序电流幅值和相位信息，从而达到故障选线的目的。该方法的原理是先比较每一条馈线支路的零序电流幅值，挑选出若干条零序电流幅值比较大的馈线作为可疑接地馈线，随后深入的去比较这几条线路的零序电流相位信息，进而确定最终的故障线路。由于接地线路零序电流的相位与正常运行线路的相位相反，因此，上述判断中如果某一条馈线的零序电流相位与剩余运行线路的相反，确定这条线路为故障线路；但是在所有可疑线路的相位相同的情况下，就判断母线出现了接地故障。

定义在配电网出现单相接地时，线路i 的零序电流的变化值为Δibi，Δibi可以当作是标量处理，表征第 条馈线故障前后的变化数值，其符号代表变化的方向；母线零序电流前后的变化量Δibk=∑Δibi,i=1,…,n，n 为正常馈线的条数。依据理论分析，接地线路在出现单相接地后Δibi值变化的最大，同时变化方向与正常运行的线路相反。因此，可以通过判断接地前后零序电流变化量的幅度大小选择故障线路，变化幅度越大，成为故障线路的可能性越大。因此，由第i 条线路的前后变化量得到的故障测度隶属函数表示如下：

Δib,max表示Δibi的最大值，电网中各条线路的故障测度隶属函数值都通过计算 Δib,max实现，这样做意味着馈线故障测度值随着馈线的暂态变化量增大而加大，接地线路凸显出来的可能性更大。

尽管零序电容电流暂态分量复杂度高于稳态分量，但其中包含着很多的故障信息量，这可以作为利用暂态变化量法来计算的重要理论支撑，是否将变化量融入到综合选线中，我们可以根据馈线中带有的暂态信息情况来决定。

2 零序电流有功分量比较法

通过比较馈线之间的零序电流有功分量的大小和方向的不同点，达到实现准确选线的目的。正常运行中馈线零序电流有功分量方向与母线的零序电压方向一致，本支路对地电阻流过的电流构成了零序电流的有功部分；接地馈线零序电流有功分量方向与PT开口三角处电压方向相反，所有不接地线路对地电阻流过的电流构成了该故障线路的零序电流有功部分。通过上述分析，因此可以通过识别故障时候各条馈线零序电流有功分量方向和大小来构建选线方案，接地线路的零序电流有功部分数值最大，而且与其它线路馈线的方向不同，适用于中低压电缆的小电流接地系统。

通过上述分析，可以依据线路的有功功率向量来识别接地线路。我们可以根据这种机理来定义第i 条馈线的故障测度隶属函数，采用的函数表达式如下：

由公式（2）可以得到，在比较所有线路的零序有功功率过程中，其它线路的故障测度隶属函数值由其中的最大值来决定，这样做的意义是突出零序有功功率最大的馈线，这样正好满足了我们构思故障测度隶属函数的设计。鉴于零序有功分量的计算只受基波分量的影响，因此采集到的零序电流的畸变率和各次谐波对计算结果的准确度有较大影响，因此我们可以得出这样的结论，当电网的电能质量不符合规程要求的时候，单一的这种方案会导致计算的结果不准确，从而出现了误选。

3 能量函数法

把线路的瞬态功率（瞬态电压乘以瞬态电流）的积分当作能量函数，在有接地故障发生之前，不计绝缘电阻的影响，馈线的电流和电压相位互差900，因此此时馈线的能量函数恒为零；当有接地故障发生后，线路的电流和电压失去了正交性，接地线路与正常运行线路的能量数值符号相反，同时接地线路能量值等于非接地线路能量总和，对于中性点经消弧线圈接地系统而言，接地线路能量值等于消弧线圈与正常运行线路的能量总和。对于中性点不接地系统而言，能量函数法等效为基于零序电流方向的选线技术；另外，电阻元件零序能量函数单调上升，有利于通过能量函数法实现选线；而电感和电容元件的零序能量是周期性波动的，其能量函数也是波动的，不利于实现选线。

设置零序电压的相位为900。接地线路的零序电流相位近似270°，正常运行馈线的零序电流相位近似为900。可以采用一定的方式把零序电压与零序电流相角差转移到[0°,180 ]° 上，转换方式如下：

式中：φ5i——馈线i 中5次谐波的零序电流相对于零序电压的相位差；

φ5ci——变换结果，并且φ5ci∈ [0°,180°]

经过公式（3）这样的变换，可以实现 φ5ci∈ [0°,180° ]的转换，倘若 φ5ci越靠近0°，则说明实现变换之前的 φ5i越靠近90°，线路i 视为接地线路的概率越小；倘若 φ5ci越偏向于180°，则说明实现变换之前的 φ5i越靠近-90 °，线路i 成为接地线路的概率也就越大。因此，该函数值增加时，所对应的馈线成为接地的概率增大。据此我们能够定义馈线i 的故障测度隶属函数

基于上述原理的分析，采用谐振接地系统时，配电网某条馈线的一相发生接地，接地馈线的5 次谐波零序电流的相位相比其它没有发生接地的馈线，呈相反的关系。即理想状态下只有接地馈线的5 次谐波零序电流的相位出现在第三或者第四象限（假设零序电压的相位为0°的情况下），同时非接地馈线的相位落在y 轴正半轴的一、二象限。但是受实际网络拓扑结构的影响，现场情况有时候并不一定呈现上述结论，如互感器相位偏差这样的情况，都能够使两条以上线路的5 次谐波零序电流相位出现在第三或第四象限。基于上述的情况，提高了这种单一的方案出现误选的可能性。

4 融合多种特征信息的选线技术

由于上述3 种选线方案是在相互孤立的基础上分析的，为了实现多种故障特征信息的融合，需要转化到统一的表达式。首先，将现场采集到的信号处理过后计算每一种方案的故障测度；然后估测每一种算法在故障选线方面的权重；最后，依据计算到的测度值和权值计算出每一条线路的故障概率，选取概率最大的为故障线路。

5 结语

本文针对煤矿配电网中小电流接地故障的选线技术进行了探讨和研究，并对故障的稳态信号进行详细的分析，提出了一种综合信息融合的选线方案。本文的不足之处在于，受到应用的限制，没能在实际的配电网中进行论证。