新型10kV配电线路缺相故障定位方法

庞兴沛 徐欣慰 岑建福

摘 要：针对10kV配电线路常见的缺相故障，文章提出一种新型的缺相故障定位方法。该方法结合C型行波故障定位法和小波包分解方法可以迅速准确地完成线路缺相故障的定位。该方法的步骤是：首先采用C型行波方法进行故障距离的测量；然后应用小波包方法对信号进行多频带分解，以便分离噪声对特征波的影响；最后比较故障前后特征波的差异确定故障区段。文章利用PSCAD/EMTDC软件来模拟实际线路的缺相故障情况，仿真的结果验证了该方法对缺相故障定位的有效性。

关键词：10kV配电线路；缺相故障；故障定位；C型行波法；小波包

1 背景及意义

10kV配电线路具有线路长、分支多、覆盖面广的特点，运行环境复杂多变，其中，10kV配电线路的缺相运行是经常发生的一类故障，当线路发生缺相事故后，需及时对故障进行定位，以便迅速清除故障恢复电路正常供电。主要有区阻抗法、行波法和智能法实现故障定位[1]。针对10kV线路缺相故障，提出一种新型定位方法。仿真结果表明该方法可实现对缺相故障快速准确地定位。

2 C型行波法及小波包分析法

由于10kV配电线路分支多，暂态信号在分支点之间来回折反射会造成信号的衰减和畸变。当配电线路的分支较多的时候，故障点产生暂态信号返回监测点时已经十分微弱，难于被识别。C型行波法不利用故障发生时产生的行波信号，而是在线路故障后，在线路始端注入一个行波信号，行波在线路中传输遇到波阻抗不连续点就会发生反射和折射。在检测点接收并识别来自故障点的特征波，根据注入信号时刻和特征波返回时刻的时间差和波速来确定故障距离。

如图1所示，A点发生缺相故障，在0时刻由检测点M向线路注入一个行波信号，行波信号到达斷点A后发生反射，在T时刻返回到检测点M。设检测点M到断点A的距离为S，v是波速，则故障距离计算公式为：

配电线路处在露天的工作环境，难免受到各种噪声的干扰，直接对线路返回的行波信号进行分析存在行波特征被噪声掩盖的可能，增加对特征波识别的难度。小波包是一种小波分析方法，其不仅对信号的低频部分进行分解，同时也对高频部分进行分解。利用小波包对行波信号进行分解和重构，可以从低频部分和高频部分更加精细地分析行波信号，从而找出行波信号中的奇异点和突变部分。

3 故障区段的判断

对于含有分支的线路，线路上除了故障点之外还可能存在同样符合故障距离的伪故障点。图2是某10kV配电线路的简化线路示意图，在C点发生断线故障。由C行波测距法测得故障距离为5km。单由故障距离作判断，故障可能发生在AF、HB和BE段。为了确定具体的故障发生点，还需要进行故障区段的判断。故障区段是指线路拓扑结构相邻两点之间的线路区段。

对于一条网络结构固定的线路，行波的传播速度也是一定的，所以根据线路的距离和波速可以预计出各个波阻抗不连续点的反射波所到达检测点的时间。正常运行时，首端发射的行波，在T时刻经E节点返回到检测点。线路C点发生断线故障后，T时刻不再有特征波从E节点反射回检测点。而故障前后，F和H节点的返回的特征波变化不大。因此，可以通过分析每一个可能故障区段的末端点对应时刻的故障前后特征波变化来判断是否为故障区段。判据是故障区段的末端点对应时刻的特征波变化较大，而非故障区段的末端点对应时刻的特征波变化很小[2]。

4 仿真实验结果

依据图2的模型，利用PSACD搭建的仿真线路模型。仿真线路使用分布参数的单相线路，节点间线路使用频率相关行波模型，线路波阻抗为400Ω。在线路始端注入一个电压脉冲信号，其幅值和宽度大小分别为10kV和1us。该线路在CD两点间发生断线故障[3]。

故障后，在首端注入脉冲信号，在母线首端A点进行采样，检测反射行波信号，在行波信号中加入20dB的高斯白噪声。图3（a）是线路正常时的行波波形，图3（b）是发生断线故障时的行波波形，将正常线路与故障线路波形相减，得到波形差信号如图3（c）所示。

对波形差进行小波包分解和重构，选用coif5作小波函数，进行三层小波包分解和重构，分为八个频带，其中在第一频带上既能表现出节点的特征波体现出奇异点突变部分，又能很好的消除噪声的影响，如图3（d）所示。故障图形第一个明显的信号突变时刻，即为故障特征时刻，测距精度满足实际要求。

在完成故障距离之后，会发现在这个距离区段，有3个分支AF、BH和BE段。F、H和E节点对应时刻分别为242us、248.7us和268.8us。利用公式，取为20，可得对应的波形差的特征波能量为0.11、0.13和6.46。可见，E节点的特征波能量最大，而其余两个节点的特征波能量就小得多，故判断故障区段为BE，与实际情况相符。

5 结束语

文章提出了基于C型行波测距的10kV配电线路缺相故障的定位方法。该方法结合特征波行波定位法和小波包分解方法，可以准确定位缺相故障的位置。通过PSCAD/EMTDC软件仿真的结果表明该方法计算量很小，故障距离的测量误差小，故障分支识别的准确率高。即使在复杂的多分支配电线路中，该方法也可以准确快速的完成缺相故障的定位。

参考文献

[1]彭玉华.小波变换与工程应用[M].科学出版社，1999.

[2]徐汝俊.10kV配电线路单相接地故障定位方法的研究[D].华北电力大学，2011.

[3]严凤，刘文轩，董维，等.新型10kV配电线路综合故障定位方法[J].电力系统及其自动化学报，2012，24（6）：117-122.