配电网单相接地故障暂态行波特征分析

张　硕，颜　森，邹温冰，许明军，张子文

（山东科技大学　电气与自动化工程学院，山东　青岛　266000）

配电网单相接地故障暂态行波特征分析

张硕，颜森，邹温冰，许明军，张子文

（山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛266000）

小电流接地系统单相接地故障暂态行波特征的分析，对配电网故障选线和故障定位具有重要意义。分析故障行波的产生原因，并通过卡伦鲍厄变换，实现三相线路的相模变换，推导出系统电压和电流的零模和线模分量表达式。利用MATLAB搭建系统仿真模型，对不同条件下发生的单相接地故障进行仿真分析。结果表明故障行波基本不受系统中性点接地方式和故障位置的影响，但故障发生时刻和接地点过渡电阻阻值的变化对系统故障行波的影响较为明显，为基于暂态行波的故障选线和故障定位提供理论依据。

小电流；单相接地故障；卡伦鲍厄；MATLAB建模；暂态行波

0　引言

在我国的电力系统中，配电系统直接为用户供电，同广大电力用户的关系最为密切。随着国民经济的飞速发展，电力需求量不断增加，因此对电能的质量也提出了更加苛刻的要求。而我国配电网多采用小电流接地系统，这是由于小电流接地系统在发生单相接地故障时，系统可继续运行1～2 h，可以有效提高系统的稳定性［1］。小电流接地系统故障定位方法可以分为主动式定位方法和被动式定位方法两类，主动式定位方法主要包括：加信传递函数法、注入信号寻踪法和端口故障诊断法等。被动式定位方法主要包括：阻抗法、5次谐波法和行波法等［2］。

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行波法原理简单，且定位精度较高，目前已经成为高压输电线路故障定位的一种重要方法。行波法是利用故障发生时刻故障点产生的电压、电流行波进行定位，可分为单端测距原理和双端测距原理。目前已提出的行波测距方法有A、B、C、D、E、F型6种，其中A、C、E、F为单端测距；B、D为双端测距。A型和D型已在我国高压和超高压交直流输电线路中大量应用，测量误差较小，取得了巨大的经济效益［3］。

但是由于配电线路错综复杂，且出线较多，行波在配电线路传播过程中会发生复杂的折射和反射，为故障定位装置提取行波波头增加了难度［4］。因此，分析小电流接地系统不同故障情况下的暂态行波特征，对实现配电网行波故障定位具有重要的意义。首先在理论基础上分析行波的产生过程，然后对不同条件下的单相接地故障进行仿真分析，验证利用行波特征进行故障选线和故障定位的可行性。

1　故障行波信息分析

伴随着配电网络单相金属性接地故障的发生，在故障点处会出现电压突变的现象，导致线路中出现电弧暂态行波的过程，利用叠加原理对故障暂态行波进行分析［5］。当系统中某条出线发生接地故障的瞬间，可将其等价为在该线路故障点处增加一个虚拟电源，该电源电压与故障前该线路相电压大小相等且方向相反。故障暂态行波的波源就来自于这个突然增加的虚拟电源。同时，可以将故障后的网络等价为故障分量网络和故障前负荷网络的叠加［6］。如图1（c）和（d）所示。

专业核心课程设置是课程课题体系设计的重要内容，也是体现人才培养方向的重要指标。2017年安徽财经大学提出“新经管”学科建设战略以来，安徽财经大学财政学专业在核心课程设置上进行了充分改革，弱化纯理论性质的课程安排，重视计算机使用课程、软件程序编写、网络安全等通识、基础工具性课程，强调“以学生为根本服务对象，以学科建设为主要抓手”，夯实教学改革与发展基础。

图1　行波的产生及分析

当系统发生单相接地故障时，故障点处将会产生暂态行波。但在实际的电力系统中，每条线路三相之间存在电磁耦合，且各相线路与大地之间还有耦合电容的存在，从而导致在分析故障暂态分量特征的过程中，直接求解相电流和相电压比较复杂，不利于我们对故障暂态信号的分析［7］。所以要通过相模变换将三相互相耦合的系统解耦成3个互相独立、没有电磁耦合的系统。可以利用卡伦鲍厄变换，实现三相线路的相模变换［8］。

对于中性点经消弧线圈接地系统，在距离母线1 km处仿真不同发生时刻和不同接地点过渡电阻情况下的故障波形。

纳入病例后发现不符合纳入标准或未能按照治疗方案完成治疗的患者；未按规定用药者或接受其他治疗者；贴敷过敏者；发生严重不良事件或并发症，无法继续进行治疗者。

由图6可以明显看出，随着接地点过渡电阻的逐渐增大，系统中电压行波的幅值相应减小。过渡电阻对系统电压行波的影响较大。

结合式（1）、式（2）以及故障点向量边界条件即可推导出电压和电流的零模和线模分量表达式

2　电力系统模型搭建以及故障行波仿真分析

2.1电力系统仿真模型搭建

由图4可以明显看出，在不同的中性点接地方式下，系统各个出线中的电压行波波形基本保持不变。

2.1.1 氮。2012年全市叶片氮平均含量为2.56%(表1)，说明烟台市果园氮的使用量在较高水平，果树减氮迫在眉睫。苹果叶片氮素降至2.2%以下，苹果可能出现大小年现象，要特别注意疏果和不要强调改善苹果色泽而减少氮的供应。N∶K比例，对于富士、元帅等硬的品种为(1.25～1.50)∶1.00。2012年全市测定叶片N∶K为2.19∶1.00，减氮增钾十分迫切。

为了更好地分析配电网络在发生单相接地故障过程中故障行波的特征，构建简单的10 kV中性点经消弧线圈接地系统。本网络共有3条出线，即线路1、线路2和线路3，长度分别为15 km、17 km和16 km。且故障发生在线路3距离母线1 km处，如图2所示。

图2　中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障示意

图3为依据图2利用MATLAB/Simulink工具箱搭建的10 kV中性点经消弧线圈接地系统仿真模型，线路分别为：line1、line2、line3和line4，线路长度分别为15 km、17 km、1 km、15 km。其中单相接地故障发生在系统第三条出线距离母线1 km处。各条线路均设有电压电流采集模块和示波器模块，方便读取系统波形。

在对系统电压行波提取的过程中，利用“to file”模块将线路中的三相电压数据以变量的方式保存在MATLAB的work子目录下，依据这些数据经过一定的算法即可提取单相接地故障发生时各出线的电压行波，具体方法如下：首先以故障点为时间参考点，用故障之后的线路电压减去故障之前的，即可得到三相电压的暂态值；然后计算电压的各模量值，方法是利用公式对三相电压暂态量进行卡伦鲍厄变换；最后利用分模量提取矩阵提取每个电压行波的模量值。

图3　电力系统仿真模型

由图5可知，故障发生时刻对系统电压行波的波形影响较大，这是由于故障时刻0.020 s、0.022 5 s、0.025 s分别对应故障相电压初相角的0°、45°、90°。而初相角为0°时，对应的故障相相电压处于过零点，对应系统的故障暂态过程较为微弱。随着相角的增大直到初相角为90°时，故障相相电压达到峰值，对应系统的故障暂态过程最为强烈。从而导致在系统不同时刻发生单相接地故障时的电压行波有较大的区别，但现实情况是单相接地故障大多发生在电压峰值处。

改变系统模型，分别仿真中性点经消弧线圈接地和中性点不接地系统在0.005 s距离母线1 km处发生单相接地故障时的电压行波波形。可得各个出线的电压行波，如图4所示。

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图4　不同中性点接地方式单相接地故障电压行波波形

2.3故障发生时刻和接地过渡电阻对故障行波信号的影响

式中：x0为电流或电压的零模分量；x1、x2为电流或电压的线模分量。

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首先，接地点故障电阻设置为单相金属性接地，分别在0.020 s、0.022 5 s和0.025 s时刻进行故障仿真。仿真波形如图5所示。

2.2不同接地方式对故障行波信号的影响

第二，审计单位要建立健全企业经济责任审计工作的各项规章制度，确保科学、全面、合理。这样可以规范审计人员的行为，防止出现私自简化流程的情况。

图5　不同故障时刻各线路电压行波波形

设置系统为中性点经消弧线圈接地系统，在0.025 s时刻发生单相接地故障。调整故障模块，分别设置接地点过渡电阻为0.001 Ω、500 Ω和1 000 Ω，仿真波形如图6所示。

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图6　不同过渡电阻情况下各线路的电压行波

假设线路零模波阻抗和线模波阻抗分别为Z0和Z1、Z2，则线路中电压和电流行波的各模分量即可表示为

2.4故障距离对零序分量的影响

对中性点经消弧线圈接地系统，在故障时刻为0.025 s，故障距离分别在5 km、8 km、11 km处进行故障仿真，得到系统故障线路的零序电压和零序电流波形如图7所示。

图7　不同故障距离的零序电压和电流波形

仿真结果表明，系统故障线路中的零序电压和零序电流受单相接地故障发生距离影响较小。

2.5线电压波形特征

仿真中性点经消弧线圈接地系统，在距离母线1 km处，0.025 s时刻检测线路3的A相、B相、C相三相线路分别发生单相金属性接地故障时故障线路线电压的变化情况，如图8所示。

由图8可以观察到，当A相发生单相金属性接地故障时，对应故障线路中的线电压Uab、Uca具有明显的暂态过程，而线电压Ubc没有明显的过渡过程。同样的，当B相和C相发生故障时，相应的Uca和Uab没有明显的过渡过程，据此可推断出故障线路的故障相。

图8　金属性接地故障时线路线电压波形

3　结语

通过搭建的电力系统模型，分别仿真了在不同中性点接地方式、不同故障位置、不同故障发生时刻以及不同接地点过渡电阻等情况下，系统故障波形的变化可知，基于暂态行波信息的故障选线及定位方法，受中性点接地方式的影响较小，受接地故障发生时刻和接地点过渡电阻阻值的影响较大；另外，暂态零序电流、电压分量受故障距离变化的影响较小；可通过观察故障线路线电压波形是否存在暂态分量，确定故障线路中的故障相。

［1］刘巍，张建勋，徐亮，等.行波测距技术在500 kV输电线路上的应用［J］.华北电力技术，2007（12）：27-29，33.

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［3］杨晨.基于改进能量算法的小电流接地选线原理研究［D］.武汉：华中科技大学，2012.

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［6］胡丹，王建华，姜书鹏，等.基于小波变换的行波故障选相［J］.电气开关，2013（6）：43-45.

［7］王清亮.补偿接地电网的暂态量选线保护研究［D］.西安：西安科技大学，2010.

［8］贾智彬，顾佩颖.行波小波分析法对单相接地故障选线方法的研究［J］.电气开关，2013（6）：19-22，27.

Transient Traveling Wave Characteristics of Single Phase to Earth Fault in Power Distribution Network

ZHANG Shuo，YAN Sen，ZOU Wenbing，XU Mingjun，ZHANG Ziwen
（College of Electrical and Automation Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266000，China）

Analysis of transient traveling wave characteristics of the small current grounding system with single phase to ground fault is very important for fault location in power distribution network.By analyzing traveling wave fault causes and achieving phase mode transformation of the three-phase line by means of Karrenbauer transformation，the zero mode and line mode component expression of system voltage and current are analyzed.Using MATLAB to build the system simulation model，single-phase grounding faults occurred under different conditions are simulated.Results show that the traveling wave fault is not affected by the neutral point grounding mode and fault location，but it is affected by the transition resistance change of grounding point.Results provide theoretical basis for fault location of transient traveling wave.

small current；single-phase ground fault；Karrenbauer；MATLAB modeling；transient traveling wave

TM773

A

1007-9904（2016）01-0028-05

2015-07-17

张硕（1990），男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制。