基于多频导纳测量的配电网接地故障辨识方法

2022-04-11李越宇曾祥君

电力科学与技术学报 2022年1期

李越宇，喻锟，曾祥君，毛宇

(长沙理工大学智能电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南长沙 410004)

随着配电网不断地深入用户终端，其运行条件复杂多变，极易发生故障，其中80%约为单相接地故障，且相间故障也多由未及时检测并处理的单相接地故障发展形成。当发生高阻接地故障(树障、避雷器不完全击穿等)时，过渡电阻往往高达数千欧姆，故障特征量十分微弱，中性点位移电压远小于国家标准的15%相电压，现有接地故障检测方法对高阻故障检测困难，故障点过渡介质持续放电直至过渡电阻降低至可检测范围时，检测装置方可识别，未识别期间可能导致故障扩大，严重威胁人身设备安全[1-3]。

为解决配电网高阻接地故障检测难题，文献[4-5]分别提取接地故障前后的三相工频电流，根据其变化情况计算故障点残流，进一步计算过渡电阻阻值，但是该方法易受三相互感器不平衡的影响；文献[6]采用注入信号法，测量零序电压变化量判断故障，该方法需要接入大电源，且投资高、控制复杂；文献[7]通过注入信号测量配电网阻尼率，根据故障过渡电阻产生的增量阻尼率辨识故障，对金属性、低阻接地故障效果明显，但是高阻故障时往往无法达到启动值；文献[8]通过分析暂态零序电流在暂态零序电压上投影系数的差异，提出了高阻接地故障辨识方法，是一种方向保护的拓展，前提是需要有效地捕捉持续时间段的暂态信号，且该方法会受到电力电子设备高频谐波的干扰；文献[9]将改进非负矩阵分解算法引入到配电网故障检测中，实现配电网的运行状态监测和故障检测功能，但并未提及高阻接地故障的有效感知。

本文针对配电网高阻接地故障检测困难的问题，建立了由配电网中性点处注入特征信号等效回路，并分析了单相接地故障时的特征，结合本课题组注入信号方面的研究结果，提出了一种注入信号法与稳态法相结合的故障辨识方法，对由故障过渡电阻产生的增量阻尼率进行叠加，实现故障特征量的有效放大，达到有效辨识的目的，并进行了仿真验证。

1 配电网单相接地故障特征分析

图1 单相接地故障时的配电网等值接线Figure 1 Equivalent wiring diagram of distribution network in case of single-phase ground fault

为方便分析故障点残流，假设系统进行了完全换位(CA=CB=CC=C0，rA=rB=rC=r0)，且负荷对称。利用戴维南定理对图1进行等效变换，得到单相接地故障时的配电网零序等值回路，如图2所示。

图2 配电网零序等效回路Figure 2 Zero sequence equivalent circuit of distribution network

(1)

式中Ig为残流中的有功分量，Ig=U0G；IC为对地电容电流，IC=3ωC0U0；IL为消弧线圈电感电流；d为系统阻尼率，d=Ig/IC，一般用百分比表示；v为谐振接地配电网的失谐度，v=(IC-IL)/IC，一般用百分比表示，且v=1-K，其中K为谐振接地配电网的合谐度。

由式(1)可知，残流的大小、相位与系统参数阻尼率和失谐度相关。由于消弧线圈一般设置为靠近谐振点运行，v为定值，因此通过准确测算系统阻尼率，可对配电网的运行状态进行有效地识别。

（一）片面理解“以读为本”的内涵。新课程指出，阅读教学要“以读为本”。确实，“读”是阅读教学永恒的主题。“以读为本”是阅读教学的基本理念。但“读”不仅仅体现为书声琅琅的有声朗读，还有同样重要的静思默读。《语文课程标准》指出：“各个学段的阅读教学都要重视朗读和默读，加强对阅读方法的指导。”而且对各学段的阅读教学均提出了明确的要求。众所周知，语文课程目标之一是“养成语文学习的良好习惯，掌握最基本的语文学习方法”。

由式(1)可知，配电网阻尼率d=Ig/IC，即残流中阻性电流与容性电流之比。考虑到故障零序等效回路中各电流满足：

Ig=Ir0+IrL+Ird

(2)

因此，故障时谐振接地配电网的阻尼率由3部分组成，即

(3)

2 基于注入信号的配电网对地导纳测量方法

为实现配电网单相接地故障高灵敏度辨识，需有效地测量系统对地导纳参数。现有的对地参数测量方法包括直接法、间接法、注入信号法。间接法又包括外加电容、外加电压、调谐法、变频法等。其中直接法、间接法均需要改变系统一次参数或系统拓扑结构，操作复杂且有人身触电危险并不适用于实时测量系统参数。同时，为配合本文多频导纳的测量需要，采用注入信号法测量系统阻尼率。

通过消弧线圈内部电压互感器向配电网注入一变频率恒幅值的小电流信号，注入信号的同时通过配电网零序电压互感器测量反馈的特征频率电压信号，注入信号等效流通回路如图3所示。计算频率为fi下配电网的阻尼率为

图3 注入信号等效流通回路Figure 3 Injection signal equivalent flow circuit

(4)

式中IiR为注入电流的实部；IiC为注入电流的虚部；αi为注入电流信号与反馈电压的相角差，即注入特定频率信号的功角。

图4 注入特征信号简化等效回路Figure 4 Injecting characteristic signals to simplify equivalent circuits

由图4可知，频率为fi下系统等效对地导纳为

Yi=

(5)

消弧线圈等效电感L可根据挡位设定获取，通过计算即可解得系统对地导纳参数。对图1中配电网模型，注入变频信号后测得配电网反馈电压信号如图5所示。

图5 反馈电压信号Figure 5 Feedback voltage signal

其频率fi为一个关于时间t变化的函数，fi=10t，Hz(每次改变信号频率后维持注入信号不变，一段时间后进行下一次增频)。在5.425 s时，测量反馈电压信号幅值有最大值，证明系统总对地电纳与消弧线圈电感发生非工频并联谐振，谐振频率fim为54.25 Hz，对应该频率下系统对地导纳最小。此时满足：

(6)

对地导纳参数为

(7)

(8)

本文所提注入信号测量配电网导纳的方法可实时测量配电网参数，不受系统运行方式及高频干扰的影响；从二次侧完成测量，不影响系统一次侧正常运行，测量过程便捷可靠。

3 基于多频增量阻尼率的高阻接地故障辨识方法

10 kV配电网通常为环网设计开环运行，一般运行状态下为辐射型网络。发生单相接地故障时，绝大多数情况为电阻性接地，等效于在故障点与大地之间增加一电导支路，该支路的存在使得线路零序导纳和阻尼率等参数发生变化。正常时，线路对地零序导纳包括对地电纳和对地泄露电导，当故障过渡电导支路加入后，与线路对地导纳形成并联，这样故障线路的对地导纳增大，非故障线路基本保持不变，系统的总对地导纳增大。

10 kV配电网正常运行时，架空线路的阻尼率约为3%～5%，线路绝缘受潮时可达8%～10%；电缆线路阻尼率较小，约为2%～4%，当绝缘老化时会增加至10%。

由于不同规模的配电网参数大不相同，一般情况下，辨识故障发生的配电网阻尼率整定值dset为20%，此时接地故障过渡电阻约为200～400 Ω；整定值dset为15%时，过渡电阻阻值约为400～600 Ω。对于过渡电阻大于1 000 Ω甚至更高的高阻，接地单频阻尼率辨识方法将失效。基于此，本文提出基于多频导纳测量的多频阻尼率接地故障辨识方法。

针对高阻接地故障时系统阻尼率变化不明显的情况，提出多频阻尼率增量累加原理，具体包括：频域处理，计算不同频率的对地导纳Yi、阻尼率di参数；时域处理，将不同时刻的多频率下的对地导纳、阻尼率参数，进行横向对比，计算得出因接地故障过渡电阻产生的增量阻尼率ddi，进而进行累加，实现接地故障特征多次放大。

频率为fi下增量阻尼率为

ddi=

(9)

式中d0i为fi频率下的固有阻尼率；dLi为fi频率下的消弧线圈附加阻尼率。消弧线圈的补偿容量的表达式为QL=ILUph，因此百分值形式下表示频率为fi的消弧线圈有功损耗为

(10)

即Pi为消弧线圈有功电流与电感电流之比，或感抗与等值损耗电阻之比。联立式(9)、(10)得：

ddi=

(11)

式中G、C为测量量；g0、rL均为固有量；ωi为输入量。

为尽量避免ddi受注入信号频率的影响，提出2种规避方法：方法1，采用靠近工频(f±5 Hz)的多频增量阻尼率进行累加，尽可能地接近工频消除误差，具体参数需根据配电网实际运行情况进行设定；方法2，由于测量配电网对地参数G、C时存在误差，考虑最优注入信号时方法1通常不再适用，提出归一化整定方法，即将不同频率下的增量阻尼率ddi归算到工频角频率ω0，则归算后的增量阻尼率为

(12)

对多频增量阻尼率进行叠加并进行整定，即

(13)

式中gset为整定过渡电导；rdset为期望测量的过渡电阻阻值；n为多频增量阻尼率叠加次数，其值受期望测量的最大过渡电阻阻值影响(一般过渡电阻为1 kΩ时，n取2或3；INT(x)为取整函数)。

根据式(13)进行逐次累加整定，直到第n次，期间满足整定不等式时判断发生接地故障；当累加至第n次时未满足条件且出现中性点电压位移，判断配电网为三相不平衡状态。

基于多频增量阻尼率的接地故障辨识流程如图6所示，故障辨识步骤如下。

图6 接地故障辨识Figure 6 Ground fault identification flowchart

1)定时向配电网注入恒幅变频电流信号，或实时向配电网注入n个同幅异频电流信号，测量多频反馈电压信号。

2)计算不同频率下的总对地泄露电导G、总对地泄露电容C，进而计算阻尼率di、增量阻尼率ddi参数并对后者进行归算。

3)对增量阻尼率进行叠加并进行整定，依据判据，进行故障辨识。

结合文第2章所提注入信号法，测量并计算获得系统多频增量阻尼率，进而进行叠加，放大高阻接地故障特征，实现高阻接地故障辨识，该方法不受系统高频噪声的干扰，且可靠性高。

4 算例分析

在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建如图1所示的10 kV谐振接地配电网模型，参数设置如表1所示，并对低阻接地故障、高阻接地故障、弧光接地故障分别进行仿真分析验证。

表1 10 kV配电网对地参数Table 1 10 kV distribution network ground parameters

4.1 多频导纳测量

经消弧线圈电压互感器向配电网注入非工频电流，通过中性点零序电压互感器测量反馈电压信号。固定频率为70 Hz，初相角为0°，改变幅值测量结果如表2所示。

由表2可知，返回电压信号幅值随注入定频信号幅值的增大而增大，相对误差随之减小，一定程度上提高了测量精度。固定幅值1 A，初相角0 °，改变频率测量结果如表3所示。

表2 改变注入信号幅值的对地参数测量结果Table 2 Measurement results of ground parameters with varying amplitude of injected signal

表3 改变注入信号频率的对地参数测量结果Table 3 Measurement results of ground parameters that change the frequency of the injected signal

随着注入信号频率的增加电压互感器磁阻降低，且励磁阻抗变大，励磁电流减小，有效地降低了由PT励磁阻抗造成的影响，大大地提高了测量精度。理论上提高注入频率可减小测量误差，但随频率升高会导致反馈信号小易受噪声及电力电子开关设备的干扰，并对继电保护设备造成影响。

4.2 单相接地故障辨识

配电网单相接地故障导致中性点电压偏移，故障点残流大小受过渡电阻阻值的影响。仿真在0.05 s时设置接地故障，低阻接地、高阻接地、弧光接地故障[10]波形如图7～9所示。

图7 单相200 Ω低阻接地故障残流Figure 7 Single-phase 200 Ω low resistance ground fault residual current

低阻接地故障时暂态特征明显，通过采集暂态特征信号即能有效辨识接地故障，但是经高阻抗接地或发生弧光高阻接地故障时该方法易受系统噪声的干扰，很难有效地捕捉故障暂态信号。基于多频导纳测量的接地故障辨识结果如表4。分别对不同启动值dset、不同过渡电阻、不同故障距离情况进行仿真，通过式(13)计算得到故障辨识情况及过渡电阻范围。

图8 单相1 500 Ω高阻接地故障残流Figure 8 Single-phase 1 500 Ω high impedance ground fault residual current

图9 单相间歇性弧光接地故障点残流Figure 9 Single-phase intermittent arc light ground fault point residual current

表4 不同故障情况下辨识结果Table 4 Identification results under different fault conditions

从表4可知，不同故障情况时，单一频率下测量阻尼率参数无法辨识高阻故障，对归一化后多频率下的增量阻尼率进行叠加，放大了高阻接地故障特征，达到故障判断启动值。通过设置不同的整定值rset约束增量阻尼率的叠加次数，仿真结果显示，通过故障辨识启动值与整定值的合理配置，该方法均可有效地判断1 kΩ以上的接地故障，验证了理论分析的结果。

为了验证本文所提方法不受电力电子开关频率以及系统噪声的影响，本文在仿真中叠加了不同分贝的高斯白噪声，图10为30 db白噪声情况下高阻接地故障残流，正常时中性点电压已发生偏移，故障辨识结果如表5所示。由于该方法本质上是对稳态特征参数进行处理，受系统干扰影响小。系统中存在30 db高斯白噪声时依然能够有效地判断过渡电阻为1 kΩ以上的接地故障。