建筑电气系统故障定位研究

王益帆

摘 要：主要依据在MATLAB/Simulink平台上建立的建筑电气系统仿真模型，进行建筑电气故障模拟，根据行波理论，提取建筑电气故障行波，采用小波分析技术对故障行波进行分解得到故障行波小波系数，根据小波模极大值理论及单端行波测距原理实现建筑电气故障准确定位。

关键词：建筑电气系统;行波理论;小波分析;故障定位

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.04.077

0 引言

电能已成为人类最重要的能源之一，建筑电气系统在保障人们日常生产生活方面发挥着重要作用。伴随着用电量大幅度增加，电气火灾作为一种主要灾害类型，给人民的生命和财产造成的损失也与日俱增。当电气火灾故障发生后，探测器虽然能够感知故障现象的存在，但不能准确提供故障的位置信息，很大程度上延误了电气故障处置时机，可能导致事故升级。

目前电气故障定位研究主要集中于高压电力系统输电线缆，而在建筑电气系统的方面故障定位研究还较少，建筑电气系统的故障定位主要依靠人工排查来实现，对于短路，由于故障现象明显很容易排查，而诸如接触不良、过载、断相、漏电等电气故障，隐蔽性较强，很难及时发现并排除，电气火灾隐患将长期存在，很容易引发电气火灾事故。

本文针对建筑电气系统典型的电气故障进行故障定位研究，主要为七种类别：单相短路故障、两相短路故障、三相短路故障、接触不良故障、过载故障、漏电故障、断路故障。

1 故障行波提取

根据叠加原理，电气线路故障可视为故障状态分量和正常状态分量的叠加，故障状态分量是故障行波产生的原因，有效提取故障行波对故障准确定位尤为重要。故障行波的提取办法如下：

（1）将故障后一定时间内的三相电压、电流值减去故障前的三相电压、电流值得到故障后三相电压、电流的暂态值。

（2）采用Clarke变换把互相耦合的三相电压、电流暂态量解耦成互相独立的模分量。Clarke变换公式如下：

2 基于小波分析的行波测距原理

双端测距法不需要识别故障行波反射波就能实现故障测距，可靠性、准确定较高，但需要时钟同步装置，经济性较单端测距法较差，单端测距法投资较小，但面临准确识别故障点反射波和对端反射波的困难，常用的波头识别方法有求导数法、相关法和匹配滤波器法。求导数法适用于短距离故障测距，但易受噪声干扰，精度不高。求相关法是利用互相关函数求出到达测量端的行波及其从故障点反射回测量装置的时间差进而求出故障位置，实际应用起来有一定困难。匹配滤波器法建立在相关法基础之上，其测距结果受测量端所连输电线数目等因素影响，由于这些原因，这些方法的使用受到了限制。

20世纪90年代，以小波变换为代表的時频分析技术在电力系统中得到广泛的应用。小波变换在时域和频域同时具有良好的局部化性质，由小波变换模极大值理论可知，当小波函数可以看作某一平滑函数的一阶导数时，信号小波变换模的局部极值点对应信号的突变点。当小波函数可以看作某一平滑函数的二阶导数时，信号小波变换模的过零点也对应信号的突变点。也就是说，小波变换的模极大值与信号的突变点是一一对应的，其极性表示突变点的变换方向，其大小表示突变点的变化强度，利用小波模大值可以确定平稳值信号的奇异点。对故障产生的暂态波形进行小波变换，小波模极大值出现的时刻对应于初始行波、故障点反射波、对端母线反射波等行波浪涌到达检测点的时刻，利用故障初始行波浪涌和故障点反射波到达检测点的时间差计算故障距离，从而实现单端行波故障测距。

3 仿真结果分析

采用MATLAB/Simulink仿真工具对建筑电气系统单相短路故障、两相相间短路故障、三相短路故障、接触不良故障、过载故障、漏电故障、断相故障等7大故障类别进行仿真，仿真算法为固定步长为10-7的ode3算法，仿真时间为0.06s，故障产生时间为0.02s，采样频率10MHz。线路单位长度电感L0为8.984e-4 H/km，单位长度电容C0为1.294 e-8F/km。选用经济性较好的单端行波测距法进行故障定位。如图1所示，线路发生单相（A相）接地短路故障后，故障点前线路A、C两相电压降低为原来的0.5倍，B相电压不变，保持正常。故障相电流增大为正常值的2倍左右。

根据上述故障行波提取方法提取了故障正向电行波和反向电压行波，如图2所示。

借助MATLAB小波分析工具箱进行小波变换，使用Haar小波对故障电压反向行波进行5层分解得到小波变换系数，小波变换结果如图3所示。由图可见，Haar分解后的d1、d2层高频系数重构图形可以清楚的显示信号突变的位置。如图4所示，对d1层高频系数重构图形极大值点进行数据标记，将标记数据导入MATLAB工作区。数据显示分别在第200189、200155、200121、200088、200053、200020采样点信号发生突变，入射波与反射波到达示波器的平均间隔为34采样点。

采取同样的方法使用Haar小波，对两相相间短路故障、三相短路故障、接触不良故障、过载故障、漏电故障、断相故障电压行波进行分解，得到小波变换系数，分解后的d1层高频系数重构图形如图5所示，d1层高频系数重构图形可以清楚显示信号突变点，标记信号突变处采样点，并计算故障距离，计算结果见表1，采用行波单端测距法，测量绝对误差在10m左右，相对误差小于3%，由于短路故障现象比较明显，接触不良故障、过载故障、漏电故障、断相故障的测量误差有比较小，因此采用行波单端测距法可以满足实际应用要求。

4 结语

对7大电气故障类型故障暂态电气参数进行处理，提取故障行波，采用小波分析技术对故障行波进行分解得到故障行波小波系数，根据小波模极大值理论及单端行波测距原理实现建筑电气故障定位，仿真结果表明使用基于小波变换的单端行波电气故障测距方法，测距误差在可接受范围内，能够满足实际需求。

参考文献

[1]何正友.小波分析在电力系统暂态信号处理中的应用[M].北京：中国电力出版社，2011.

[2]李文国，马秉宇.基于时域特征和小波分析的故障行波特征识别方法[J].电气技术，2017，18（5）：30-33.