基于小波算法辨识的小电流接地故障选线

2022-05-11魏巍

微型电脑应用 2022年4期

魏巍

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏, 南京 210000)

0 引言

为满足我国人口增多带来的更大电力需求，配电网络不断扩展，供电网络结构越来越复杂。企业和人体的社会活动和生产运营都要使用电力资源，配电网的供电范围成为社会经济和科技发展的重要评价指标[1]。当前人们对发生故障的小电流系统进行故障定位，依据输变电线路的暂态电流和电压，故障线路中的特征信号不稳定，再加上各用电网络中硬件设备的可靠性不同、互感器不平衡等问题造成对输电网络的故障位置定位不准确[2]。

针对上述存在的问题，文献[3]采用输变电发生故障线路的特征信号，有功分量的方向确定故障线路，但在中心点消弧线圈中，有功补偿的作用不大，更依赖于零序电流，判断精度不高。文献[4]利用基波负序电流的有效特征值进行选线，相位相反更容易进行区分，但线路中存在高频噪声信号，特征电流的谐波分量较难获取且容易受到负荷变化的影响。

1 小电流接地系统单相接地故障分析

针对上述研究中存在的不足，本研究的创新点在于以下几点。

(1) 在分析单相接地故障时零序电压的基础上，对故障线路的零序电压电流的相位变化进行研究，并计算发生短路故障时零序电流经过接地电阻中心点产生偏移电压的值。加入了零序电压保护机制，反应零序电压的增压动作。

(2) 采用小波算法处理零序电流中不平稳的谐波分量，为了更细致地对信号进行频带划分，提出对小波空间进行分解，并基于小波包分解进行小电流接地故障选线。

通过上文设计，中性点不接地系统中各输电线路中性存在电容，电力系统正常运行时对地电压电流相位如图1所示。

在用电网络中变压器、发电机等电力设备使用的是三相线路，这些电气设备的三相绕组的共同接地点为中性点。在供电网络中根据中性点的接地方式可分为有效接地和小电流接地[5]。小电流接地的输变电网络的电压在60 kV以下，将中性点看作等值电容进行接地的方式降低了电力系统结构的复杂程度。供电网络发生故障时电路线路的故障点不会发生短路的情况。小电流系统的供电网络如果发生其他类型的线路故障引起高次谐波，供电网络中的容抗会逐渐减小，其中谐波电流增大。线路中会出现电弧导致过电压的现象，干扰系统的通信能力，影响电气设备的绝缘效果[6]。

图1 小电流系统正常运行时零序向量图

小电流系统没有发生故障时，正常运行的输变电线路中存在对地电容，此时线路的零序电流的相位和电压相位相差90°。发生单相故障导致线路的故障点与正常运行的供电网络形成短路回路，引起故障线路和非故障线路的电压变化[7]。小电流系统发生单相故障时电流方向模型如图2所示。

图2 小电流系统单相接地故障模型

观察图2可知，当线路发生故障时，输变电网络的平衡状态被破坏，故障点的电压变为0，此时三相线电压不变。同时，没有故障点的线路的电压也发生变化，各相电压变化可表示为

(1)

(2)

零序电压为相额定电压。故障的供电网络中故障点与地面之间相连导致对地电容消失，使正常线路的相电压变为线电压，此时线路的三相电流可表示为

(3)

此时零序电流为

3I0=3jωC1U0

(4)

供电网络的三相电路失去平衡状态导致线路中的零序信号被分解。故障线路的零序信号与正常线路中的零序信号方向相反，故障线路的电流值远大于正常线路，功率的方向也相反。小电流系统运行正常时UA、UB、UC对称，线路中不存在零序电流电压的谐波分量。发生短路故障时小电流系统才会出现，A相中零序电流经过Rg产生对地电压，产生的偏移电压Uod的关系表示为

(Uod+UC)jωC=0

(5)

计算偏移电压为

(6)

由式(6)可得到线路故障时偏移电压向量图如图3所示(以UA幅值为直径的右向量圆)。

图3 偏移电压向量图

由图3可知偏移电压随着接地电阻Rg的值变化而变化。当接地电阻Rg接近零时，偏移电压为接地电压。Rg值增加到一定程度时，故障线路相当于开路，此时偏移电压为0。

2 基于小波包分解的小电流接地故障选线方法

供电网络发现单相接地故障，此时线路中的信号的谐波分量的状态并不稳定，采集谐波信号时大部分谐波分量消失。频率和时间为不确定的值，给提取有用的特征信号带来困难。

本研究小波算法对这种不稳定状态信号的分析处理能力较强。小波变换对谐波分量进行分解，用多个小波函数共同表达，对模拟信号f(t)进行积分变换可表示为

(7)

Wf(j,k)=(f(t),ψjk(t))

(8)

(9)

其中，h(k)为低通滤波器系数，g(k)为高通滤波器系数，且g(k)=(-1)h(1-k)。基于小波包分解的故障选线方法流程如图4所示。

步骤1：将各线按顺序进行编号，分解单相故障线路中零序电压和电流，可表示为

图4 基于小波分解的故障选线方法流程框图

(10)

其中，a0表示零序电流信号，h0表示低通滤波序列，h1表示高通滤波序列，a1…a6表示经过小波分解后的近似分量，d1…d6表示经过小波分解后的细节分量。

步骤2：重构零序信号中的谐波分量。对近似分量和细节分量重构得到零序电流和零序电压，可表示为

(11)

步骤3：分别计算小电流系统中线路的零序电流积分值：

(12)

其中，i0k.j表示小电流系统中线路的采样点，Ts表示采样周期。对比各线路的电压电流数据，得到最大的Im1、Im2、Im3。

步骤四：观察Imi的变化特征，计算对应最大零序电流。

步骤五：电力网络中一条线路的零序信号的极性与其他线路的方向相反，可以得出该线路发生故障。如果极性一致，则可以判断出供电线路的母线发生接地故障。

3 应用测试

为验证本研究小电流接地故障定位系统的性能，分别使用文献[3]系统、文献[4]系统和本研究系统进行实验，对比3种系统的故障选线时间。

本研究实验设置4条架空线路，线路末端均安装有降压变压器和负载，并设置有接地装置。电路中用一个三相电源等效电路电源。架空线路的暂态电容电流自由振动频率为300～1 500 Hz，本研究实验采样频率设置为7 000 Hz。本研究实验小电流线路参数如表1所示。

表1 线路参数

4条线路(线路1～线路4)的负荷基本相同，负荷参数如表2所示。

表2 主要性能指标

本研究实验设定在线路4的C相发生金属性接地故障，检测到故障线路4的零序电流如图5所示，正常线路的零序电流如图6所示。

图5 故障线路的零序电流波形

图6 非故障线路的零序电流波形

观察小电流系统故障和非故障零序电流的变化可知，发生金属接地故障的线路4中稳态电流持续的时间较短，发生故障时暂态谐波分量突然增加，且故障线路的零序电流值最大达到2.5 A以上，非故障线路的零序电流值保持在0.6 A以下波动。

使用3种系统对小电流接地故障选线，记录故障选线时间。测试样本如表3所示。

表3 测试样本线路的暂态零序电流

3种系统的选线时间如图7所示。

图7 测试结果

对比3种故障选线系统的选线时间可知，本研究小电流接地故障定位系统的选线时间最短且系统更稳定。本研究对测试样本6的故障选线时间最短为66.5 s，测试样本2的选线时间最长为69.8 s，平均稳定在67 s左右。本研究对零序电流经过小波包分解，缩短了检测时间，比其他故障选线方法的检测时间更短。

文献[3]系统对测试样本4的选线时间最长为99.2 s。测试样本5的选线时间最短为93.4 s，选线时间保持在100 s以下。文献[4]系统对小电流系统接地故障的选线时间最长，其中测试样本3高达126.7 s。文献[4]对暂态零序电流的负序分量检测效果较差，影响了对故障线路的定位精度，增加了故障选线时间。