船舶配电网络接地故障初始行波测距的EMTP仿真分析

陈 亮，沈 兵，张晓锋，李 耕



船舶配电网络接地故障初始行波测距的EMTP仿真分析

陈 亮，沈 兵，张晓锋，李 耕

（海军工程大学，武汉430033）

本文建立了基于线路分布参数的船舶配电网络高精度故障模型，利用电磁暂态程序EMTP针对一种与波速无关的单相接地故障行波测距方式进行了全面的仿真分析。该方法采用初始行波进行故障测距，消除了波速传播误差，行波特征明显，且不受故障点、对端折反射波的影响，测距结果与中性点接地方式、故障初相角和过渡电阻无关，具有工程实用价值。

波速 配电网络 接地故障 电流行波 测距

0 引言

传统的行波测距方法需要通过波速和行波到达检测端的时间来计算故障距离，工程上一般根据不同的电压等级给出一个定值来近似表示波速[1,3]，波速的不确定性在很大程度上影响了行波测距的精度。本文提出了一种基于配电网络电缆线路分布参数的高精度故障模型，分析了一种改进的基于初始电流行波的故障测距方法，该方法仅采用各线路测量端接收到的初始电流行波来进行接地故障测距，不受波速误差和折反射波混叠的影响。通过电磁暂态仿真程序EMTPWorks对单相接地故障电流行波的仿真，分析了中性点接地方式、故障初始角、过渡电阻对故障特征的影响，为进一步完善配电网络单相接地故障的行波选线判据打下了良好的基础。

1 行波模量特征

当配电网络发生单相接地故障时，故障点都将产生向线路两端运行的电压、电流行波，其暂态行波过程如图1所示，M为母线端，N为负载端，F为故障点，为故障线路全长。故障行波将在母线、故障点等波阻抗不连续处发生折、反射，经过多次反射、衰减，进入一个新的稳态。故障暂态行波网络图如图2所示，、分别为故障初始行波到达M端、N端的时间，、分别为故障点反射行波到达M端、N端的时间。

为便于分析，我们将暂态电流行波解耦分解为线模分量和零模分量，当配电线路发生单相接地故障时，会产生在三相与地（零模分量）和两相之间（线模分量）运行的电压和电流行波。对于配电网络来说，由于母线接有较多的负载出线，所以故障点反射波与初始行波极性相同，线路对端反射波与初始行波极性相反。因此，可以根据接收到的故障行波极性来辨识故障点反射波和对端反射波。

2 不受波速影响的电流初始行波测距方法

行波在M端发生反射的同时，也在其他各非故障支路产生折射波，令任意非故障支路的负载端在时刻检测到该折射波，则有：

求解可得故障点的距离

由（3）式可以看出，线路长度为已知量，仅需知道各负载线路的长度以及初始电流行波到达负载线路各检测端的时间差，就可以计算出故障点离母线的距离。该方法利用初始行波进行测距，避免了故障点、对端等折反射波的影响。

3 仿真分析

利用EMTPWorks电磁暂态仿真软件建立如图1所示的配电网络仿真模型，负载线路为电缆线路，采用文献[5]提供的电缆线路标准参数，见表1。考虑到实际负载千差万别，为简化分析，仿真模型各负载统一采用RLC等效负载模型。

设定故障线路L4长度为2.5 m，距离母线1 km处发生单相接地故障，非故障线路L1长度为2 km，仿真的计算步长为0.1μs，故障初相角为90°，故障过渡电阻为10Ω。在L1的N端、L4的M端和N端测得零模电流行波波形如图3所示，测得故障初始行波分别到达测量端的绝对时间、、，将其带入公式（3）可得故障点位置为

仿真设定故障点F距母线1km，所以测距误差为1.7 m。表2为改变故障点的位置后的仿真测距结果及其误差。本测距方法对电缆线路的测距误差在2 m之内，具有很高的工程实用价值。

图4所示的是不接地系统和经高阻接地系统零模电流行波波形，在接地故障初相角和过渡电阻相同的情况下，初始零模电流行波特征与中性点接地方式无关。

图5所示的是当故障初相角变化时，系统零模电流行波的波形图。各支路之间的初始零模电流行波特征与故障初相角无关。但对故障支路来说，其故障初相角越大，初始零模电流行波的幅度也就越大，信号特征越明显。

图6所示的是故障过渡电阻变化时，系统零模电流行波的波形图。各负载支路之间的初始零模电流行波特征与故障过渡电阻无关。对故障支路来说，故障过渡电阻越大，其初始零模电流行波的幅值越小。

综合仿真分析和式（3）可以知道，测距结果仅与初始行波到达线路两端的时间差有关。通过大量的仿真数据，可以证明本行波测距法与中性点接地方式无关，不受接地故障初相角和过渡电阻的影响。

4 结论

本文介绍了配电网络接地故障行波的传播过程和测距原理，给出了初始电流行波、故障点反射行波和对端反射行波的相互关系。建立了基于线路分布参数的配电网络高精度故障模型，利用电磁暂态程序EMTP针对一种与波速无关的单相接地故障行波测距方式进行了全面的仿真分析。该方法采用初始行波进行故障测距，消除了波速传播误差，不仅行波幅度大、突变特征明显，而且不受故障点、对端折反射波的影响，测距结果与中性点接地方式、故障初相角和过渡电阻无关，具有工程实用价值。

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Simulation of Initial Travelling Wave at Single-phase Earth Fault Location in Shipboard Distribution Network with EMTP

Chen Liang, Shen Bing, Zhang Xiaofeng, Li Geng

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

This paper presents a high accuracy model of shipboard distribution network based on lines with distributed parameters, simulates and analyzes a fault location method based on initial travelling wave which is unrelated to wave velocity with EMTP. This method uses the initial travelling waves to locate the single-phase earth fault, which eliminates the propagation error in wave velocity and obvious to see the characteristic of travelling wave. What’s more, it can avoid the influence of the reflected and refraction wave from opposite terminal. It also has nothing to do with different neutral grounding modes, fault initial angle or transition resistor. Therefore it has great practical value in engineering.

wave velocity; distribution network; earth fault; travelling wave; fault location

TM743

A

1003-4862（2015）03-0019-04

2014-09-15

陈亮（1982-），男，讲师，博士生。研究方向：电力系统安全运行。