配网高阻接地故障伏安特性分析及检测
2019-11-10邓国勋
邓国勋
摘 要：文章首先创建高阻接地故障点非线性电阻模型，从时域方面入手选择最小二乘线性拟合来分析故障特点，并對应提供了基于故障电阻非线性识别的高阻接地故障检测算法，同时也展开了检测验证。
关键词：配网系统;高阻接地故障;伏安特性分析;检测
中图分类号：TM862 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）30-0050-02
Abstract： In this paper， the nonlinear resistance model of high resistance grounding fault point is established， the least square linear fitting is selected from the time domain to analyze the fault characteristics， and the high resistance grounding fault detection algorithm based on fault resistance nonlinear identification is provided. At the same time， the detection and verification are also carried out.
Keywords： distribution network system; high resistance grounding fault; volt-ampere characteristic analysis; detection
引言
高阻接地故障是最常见的配网故障，其内部电弧很容易造成火灾、伤灾等灾害，以往的故障检测算法都是以电弧热平衡模型为基础，然而，这种方法的应用范围有限，对此可以尝试以固体介质电击穿原理来创建非线性电弧模型，对应剖析元件与高阻接地的非线性电阻伏安特征。
1 配网高阻接地故障伏安特性分析
1.1 系统元件伏安特性简述
要想对测量点的电压、电流等的变化加以保护，最关键是要掌握故障点电阻的非线性浮动规律，要想呈现出其动态变化规律，则要参照上方模型，从时域方面来剖析被测点的电流、电压特点。因为高阻接地故障回路涵盖几大方面：故障点非线性阻抗、系统阻抗、线路阻抗等，对此则要深入探究。此处为电压、电流赋值，都为1。
1.2 系统线性元件伏安特性分析
系统通电后，系统中的电阻也将有电流，而且和两侧电压有着相同相位。电阻的伏安特性体现为直线，而且经过原点、斜率=1，具体如图1所示：
因为流经电感元件、电容元件的电流和两侧电压相位差距达到90度，对应的伏安特性则为圆形。
阻感负载有着自身的伏安特性曲线特征，通常为椭圆形曲线，而且其中心处于原点，而且会跟随负载功率因数角来逐渐变化，让椭圆逐渐变成圆形。
1.3 故障点非线性阻抗伏安特性分析
如图2所示，则提供了线性元件的伏安特性曲线。从中能够看出，当有电流、电压途经零点周围时，伏安特性曲线对应的斜率则将上升，而且会跟着电压来逐渐变小，随之当电压不断上升时，曲线斜率维持稳定，其中的伏安特性曲线斜率的不断浮动折射出了故障区域阻抗的浮动规则，也就是当电流与电压流经零点时，故障过渡电阻随之变大，而且由于电压电流变大，对应的过渡电阻也慢慢衰退。对此可以将伏安特性曲线斜率视作高阻接地故障测试的关键参考性证据。
1.4 保护安装位置的伏安特性
保护安装位置，高阻接地故障测试设备一般选择线路首端故障相电压来取代故障点未知的电压，并将首端测量电流取代现实的故障支路电流，对此则能深入剖析测量误差。
如图3所示，为配网零序等值网络，在图中，CH1，CH2，属于两个健全线路对地等效分布的电容，CF-故障线路对地等效分布电容，RN-中性点电阻。因为负荷配网变压设备一般分成高压端和低压端，前者通常选择三角形接法，其中则可以淡化负荷端零序电流的干扰。
1.5 健全线、相的伏安特性分析
当线路系统出现高阻接地故障，故障相则不会出现明显的电压下降问题，而且不好做出明确的辨识和区别，对应的健全线路也将出现某种零序电流，要想确保故障检测达到安全的效果，就要对应剖析健全线、相的伏安特性。和故障线路相比，非故障相电压和零序电流基波中间有120度的相位差，从而使得伏安特性成为变形的椭圆状。健全线路中，图中所呈现的零序等效网络内，中性点的电阻则相对过低，低于线路对地电容容抗，从而使得故障线路和完整的线路零序电流基波相位差达到90度。所以，故障相电压和健全线路零序电流基波之间也产生较大的相位差，达到90度。高频分量的干扰下，最终形成将近变形的圆形。从中可以看出，故障线路中故障相因为受到非线性电阻的影响，电流、电压过零点周围的斜率变化和健全线路、健全相等完全不同。
2 配网高阻接地故障的检测
2.1 检测算法
第一步，不断采集馈线零序电流、相电压的样本，而且要对所采集到的数据实施有限冲击响应数字低通滤波，其中设置滤波器的终止频率数值，达到500赫兹，对应得到各个电气量接连3个工频周波3N点离散值的排序，而且要各个序列周波数据来统计平均数，而且要将平均数分别取其极值，对应得到周波N点的序列，如下公式：
第二步，变换算得i0（n），ua（n），ub（n），uc（n），等的工频分量，在对应算得各自对应的工频相角差，当发现其中的相角差处于0-15度范围，则可以开启下一步的操作，相反则要重返第一步操作。
第三步，结合上面所得出的相角差，可以把i0（n）来对应移位，得到和相位差最小的序列。
第四步，借助最小二乘法分段线性拟合ua（n）与i0-shift（n）之间的伏安特性关系，可以将前者工频过零点充当中心，并从中取1/10的工频周波数据，拟合后获得直线斜率为k1，将ua（n）的工频极值点当作中心，取值1/4工频周波数据，拟合至直线斜率k2，对应算出序列二者的相关系数Rc。
第五步，分析可疑的高阻接地故障。当0
2.2 算法可靠性检验
此项验证指的是如果线路处于常规运行状态，如果局部线路出现故障，算法依然能够安全稳定，不出现任何错误判断问题。系统开关操作不会造成太久的干扰，也不至于影响算法。常规运行时，会因为互感器的失衡带来某种失衡的电流，失衡电流和相电压的相关性无法上升至0.966，其中的不平衡电流也要达到正弦值，对应的算得伏安特性和线性电阻较为靠近。如果某个线路出现高阻接地故障，一个母线的健全线路的相电压、零序电流的伏安特性曲线一般呈现为变形的椭圆状，而且故障相电压和零序电流工频之间的相位差达到90度。非故障相电压和零序电流工频相位差也处于-30度～-150度，而且健全线零序电流出现了谐波分量，对此Rc数值较小时，不能出现算法错误判断的问题。
鉴于高阻接地故障状态模式下，健全线路零序电流一般不会很大，而且很容易遭受噪音的干扰，并容易造成零序电流工频相位无法精准地测出，然而，这种状态下的相关系数Rc则可以高效地预防与控制正确与错误等的判断。把以上零序电流添加到差异性信噪比的白噪声，再借助以上算法滤波以后，则能算出B相电压和零序电流之间的相关系数，要想确保安全可靠，各组试验可以反复操作10次，最终计算这十次的平均数，经过计算得出：由于噪声不断变强，相关系数在不断地减小，其可靠性小于0.966，由此可以看出，依赖于此算法能够有效地维护健全线路。这一算法无需过多地参考零序电流幅值，所以不会收到配网中性点分布、线路长短、运行模式等的干扰，而且这一算法实际运行中体现出一定的抗噪音性能，即便信噪比较低时，此算法也可以高效地辨识众多的故障。
3 结束语
此研究主要围绕故障电流非线性畸变问题，对应提供了非线性电阻模型，并对电路线性元件等的伏安特性进行了细致、到位地剖析，最终得出了高阻接地检测算法，而且凭借仿真数据以及相关的试验数据对应检验了此方法的安全性、稳定性与灵敏度，以此算法为基础的高阻接地故障检测设备处于检测运行中。
参考文献：
[1]唐志平.供配电技术[M].电子工业出版社，2005.
[2]万千云.电力系统运行技术[M].中国电力出版社，2007.
[3]牟龙华著.接地保护与故障点定位[M].中国矿业大学出版社，2000.
[4]王利东.配电网中性点高阻接地成套装置的开发与应用[D].华北电力大学，2011.
