小电流接地系统单相接地综合电弧模型与选线方法的研究
2016-10-13陈博博屈卫锋杨宏宇
陈博博,屈卫锋,杨宏宇,吴 蕾
小电流接地系统单相接地综合电弧模型与选线方法的研究
陈博博1,屈卫锋2,杨宏宇2,吴 蕾2
(1.中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏 徐州 221008;2.江苏省连云港供电公司,江苏 连云港 222000)
在小电流接地系统中,发生单相接地故障时,电弧故障会经常产生。现有用于模拟电网的电弧模型大都是通过开关来实现,与实际的电弧接地有一定的差距。将Cassie电弧模型和Mayer电弧模型结合起来,使其更符合实际电弧接地,并运用到10 kV模拟电网中。在EMTP中,对中性点不接地电网、经消弧线圈接地,经高阻接地,电弧发生在不同合闸角,不同馈线时的情况进行了大量仿真。最后在Matlab中,用小波相关分析法进行选线。结果表明,该方法适用于大部分电弧故障,但对于电压过零点附近发生的电弧故障有一定的局限性。
小电流接地系统;电弧模型;EMTP;Matlab;小波相关分析;故障选线
0 引言
在配电网电弧接地故障仿真中,由于电弧模型不易建立,文献[1]是用开关的开合来代替电弧的重燃和熄灭,文献[2]用压控开关作为实际电弧接地的理想化数学模型,进而进行选线,与实际的电弧接地有一定的差距;文献[3]提出了小波变换在电弧故障选线中的应用,但并未搭建实际意义上的电弧模型且仅对其接地时的特征进行了分析,并未将其利用到选线中来;文献[4]提出了小波相关分析法进行故障选线,但并未对电弧接地故障时的的情况进行详细的研究。
现有学者研究的电弧动态模型主要是Mayer模型[5-7]、Cassie模型[8],而Cassie模型适用于电流过零前低电弧电阻状态,Mayer模型适用于电流过零后的高电弧电阻状态,在电弧型接地故障中,电弧电阻是跨越低和高电阻区的[9],因此,单一的模型并不能准确描述电弧燃烧的整个过程。本文将Mayer和Cassie电弧模型,结合起来,使其电弧电流较大时,Cassie电弧模型起主要作用,电弧电流较小时,Mayer电弧模型发挥主要作用,以模仿电弧燃烧的整个过程,使电弧故障更加契合实际情况,然后将此电弧模型运用到10 kV的配网接地故障中。并运用小波相关分析的方法对电弧接地的情况进行了选线仿真分析,为此方法在电弧故障选线中的实际应用提供一定的依据。
1 电弧模型的建立
由于Mayer和Cassie电弧模型均不能完全地地描述电弧的特性,为了使电弧模型更加精确,需将两者结合起来[10]。
Mayer电弧模型为
Cassie电弧模型为
以上Mayer和Cassie电弧模型中的参数在电弧燃烧过程中并不是恒定不变的,但由于其在电流过零点附近,变化并不明显,因此,可以将这些参数近似为常数,进而得到Cassie-Mayer电弧模型。
图1 电弧模型框图
Fig. 1 Diagram of arc model
如图1为电弧模型的框架图。这个框图可用EMTP-models来实现,输入为电弧电流,经过式(3)的处理得到电弧电导,进而得到电弧电阻,送给时控电阻模型,从而得到电弧模型,如图2所示。
图2 电弧模型
对第3节所示的模型在EMTP中搭建模型,故障点采用如上所述的电弧模型,假设在0.015 s时产生电弧,此后电弧稳定燃烧,得到的电弧电压、电弧电流的波形如图3、图4所示。
图3 电弧电压仿真波形
图4 电弧电流仿真波形
由仿真波形可以看到,电弧电压畸变比较严重,其波形类似于“马鞍”型。电弧电流在刚起弧时,电弧电流突然增大,在电弧趋于稳定时,电流近似于正弦波,有明显的“零休”现象。
图5和图6为采集到的稳态时的电弧电压和电流的录波波形,其波形与仿真波形基本一致,说明电弧仿真模型很好地表现了电弧的特性。
图5 电弧电压实验波形
图6 电弧电流实验波形
2 小波相关分析选线原理
小波变换将时域内的函数投影到二维时域和频域的平面上,通过时频窗口的调整,进而反映某一点处的局部时域频域特性,正是由于这种特性,用来分析单相故障时产生的微弱的非工频信号具有很强的适用性[11-12]。
多尺度分析作为小波分析中的重要概念,其二尺度方程为[13]
(5)
本文选择DB15小波作为小波母函数,用Mallat算法对原始信号进行分解,长度为的原始数据,经过小波分解后变成/2的近似分量,得到的高频分量和低频分量分别通过具有滤波特性的序列获得。在每次分解后,信号采样频率减小一半,对得到的低频分量一直分解,然后提取某个特征频段内的信号,进行下一步的处理。
通过小波分析可以将信号分解到某个特征频段,从而避免了有基波、现场噪声等多种其他信号的影响,然后再利用相关分析这一工具对特征频段内的信号进行处理可以有效提高选线的准确性。图7为选线流程图。
图7 故障选线算法流程图
首先,对原始电流信号进行采样,采样频率为10 kHz;由于db系列小波的正交性,紧致性,对不规则信号较为敏感,故选择db15小波对零序电流进行小波变换。在中性点不接地或经消弧线圈接地电网中,当发生单相电弧型接地故障时,线路中的零序暂态电流的能量主要集中在1 000~1 500 Hz[14-15],故对信号进行5层小波分解,提取第四层的高频系数(对应频率为625~1 250 Hz)。
接着对这些提取出来信号进行两两相关分析[16]。信号和的均方根分别为
(7)
于是,相关运算可以归一化为
即相关分析匹配度为
(9)
然后,形成相关系数矩阵。
根据相关系数矩阵求取综合相关系数为
(11)
3 仿真验证
配电网单相电弧接地故障如图8所示,该系统由一个110 kV/10 kV的变压器和5条馈出线组成,变压器接线为。线路的正序参数为:;零序参数为:,,线路1至线路5的长度分别为:20,10,13,14,15 km,变压器低压侧中性点可以分为不接地,经消弧线圈接地,经高阻接地。
图8 配电网仿真模型
在该电弧模型的基础上,用EMTP对中性点经高电阻接地,中性点不接地,中性点经消弧线圈接地进行了大量的仿真,并采集零序电流,将数据送入Matlab中进行分析处理。
4 结果分析
对中性点不接地和经高阻接地电网,仿真在不同故障不同时刻,发生单相电弧接地故障,并用小波相关分析法进行选线,得到的结果如表1所示。
在中性点不接地电网中,馈线4在不同距离,不同故障时刻发生电弧型单相接地故障,其零序电流,随着故障合闸角的增大,零序暂态电流幅值显著增大。如图9所示为不接地电网发生单相接地故障,故障角为90º时的零序电流波形。由表1所示的选线结果可以看出,小波相关分析法可以很好地应用于中性点不接地电网的不同合闸角,不同距离的线路中。
在中性点经高阻接地的电网中(该仿真中所用的电阻为200W),由表1可以看到,当故障合闸角为0º时,发生了选线错误。如图10所示,为故障合闸角为0º时,非故障线路与故障线路的零序电流波形。由于中性点接地电阻很大,故障合闸角为0º时,故障线路零序暂态电流会很小,而稳态成分是零序电流的主要部分,因此虽然非故障线路与故障线路的零序电流极性相反,但由于故障线路暂态电流成分很少,故在特征频带内进行相关分析无法正确选出故障线路。随着故障合闸角的增大,零序暂态电流增大,故障线路能被正确选出。
表1 故障选线结果
图9 中性点不接地电网零序电流波形
图10 中性点经高阻接地电网零序电流波形
中性点经消弧线圈接地电网中,故障线路4在故障合闸角为0º和90º时的零序电流波形分别如图11(a)和(b)所示,可看到在同一线路同一故障距离,不同故障合闸角时发生故障,故障角为0º时,零序暂态电流相对较小;故障角为90º时,零序电流暂态分量较大,稳态分量由于消弧线圈的补偿作用,相对较小。经过数据处理后,不同故障合闸角时,得到的选线结果如表2所示。
图11 中性点经消弧线圈接地电网,不同故障角,故障线路零序电流波形
表2 中性点经消弧线圈接地选线结果
在实际电网中,很容易发生间歇性电弧故障[17],据工频熄弧理论,即故障相在工频电压最大值时发生绝缘击穿,接地电弧随之产生,在工频电流过零时熄灭,也就是每经过0.5个工频周期,接地电弧重燃一次[18]。本文用该理论仿真间歇性电弧接地。
在故障相A相与上述电弧模型间设置一个开关,开关闭合,电弧模型接入产生电弧故障,开关断开,即电弧熄灭。电弧在0.01 s时发生第一次电弧型接地故障,0.02 s时熄灭;随后重燃和熄灭的时间为0.03 s,0.04 s,0.05 s,0.06 s,即发生3次电弧故障,故障馈线和非故障馈线的零序电流波形如图12所示;间歇性电弧故障分别发生在馈出线和母线,所得到的选线结果如表3所示,无论间歇性电弧故障发生在馈出线还是母线,均能被选出。
图12 间歇性电弧接地零序电流波形
表3 间歇性电弧接地选线结果
5 结论
本文将适用于低电弧电阻的Cassie电弧模型和适用于高电弧电阻的Mayer电弧模型,用并联的方式结合起来,大电流时,Cassie模型起主要作用;反之,Mayer模型起主要作用。这样就弥补了两个模型的不足,将混合模型应用于10 kV小电流接地电网中,使电弧型接地更符合实际情况。
用EMTP大量仿真中性点不接地,中性点经消弧线圈接地,中性点经高阻接地时,在不同合闸角,不同馈线发生电弧故障和间歇性电弧故障时的情况;在Matlab中用小波分析对特征频带的数据进行处理,然后用相关分析法进行选线,结果表明,小波相关分析法对于电弧型接地故障基本适用,但对于电压过零点附近发生的电弧故障有一定的局限性。
本文对小波相关分析法在电弧故障选线中应用的探讨,对实际的电弧接地提供了一定的依据;但由于实际电弧受风,空气的干湿度等环境因素的影响较大,因此还需进行进一步的探究。
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(编辑 姜新丽)
Research on single phase grounding arc model and line selection for neutral ineffectively grounding system
CHEN Bobo1, QU Weifeng2, YANG Hongyu2, WU Lei2
(1. School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China;2. Lianyungang Power Supply Company of Jiangsu Province, Lianyungang 222000, China)
When a single phase grounding fault happened in neutral ineffectively grounding system, arc fault usually generated. Most of the existing arc models for the electric network are realized via the switch, which has a certain gap with the actual arc grounding. Firstly, this paper combines Cassie arc model with Mayer arc model to make it more in line with the actual arc grounding, and applies it to 10 kV simulation power grid. Then, a large number of simulations on the electric arc occurring in different closing phase angles and different feeders are done with EMTP in neutral point ungrounded power grid, power grid of the neutral point connected with arc suppression coil and neutral point via high resistance grounding network. Finally, the method of wavelet correlation analysis is used to select the fault line in Matlab. The results show that the method proposed can apply to most arc grounding faults, but it has some limitations for the arc fault in the vicinity of zero points of voltage.
small current grounding system; arc model; EMTP; Matlab; wavelet correlation analysis; fault line selection
10.7667/PSPC151543
2015-09-01;
2015-11-16
陈博博( 1992-),男,硕士研究生,主要研究方向为配电网故障选线与定位;E-mail: 1553321327@qq.com 屈卫锋( 1977-),男,高级工程师,主要从事电力系统通信与电力系统自动化方面的工作;杨宏宇( 1976-),男,高级工程师,主要从事电力系统通信方面的工作。