一种利用暂态分量的单相接地故障选线方法

关 瑞，赵 儒，张俊文，邱红涛，毕 胜

(1.山西煤炭进出口集团 河曲旧县露天煤业有限公司，山西 河曲 036500；2.太原理工大学 矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室，山西 太原 030024)

近年来，随着煤矿现代化综采技术的快速发展，矿井供电系统容量不断攀升、供电距离持续加大，系统结构也越来越复杂，对供电的安全性和可靠性提出了更高的要求。单相接地故障是矿井供电系统最常见的故障之一[1]，国内外学者已经提出了很多单相接地故障选线方法，包括稳态信息法、暂态信息法、注入信号法以及以模糊理论和神经网络为代表的融合选线方法[2-9].利用故障稳态工频电流选线的方法受运行方式的影响较大，因此大多已不再适用[10].而故障发生后的暂态分量较为丰富，因此基于暂态分量的选线方法得到了广泛关注。

文献[11]、[12]利用小波变换形成故障线路的综合选线。文献[13]结合EMD和自适应陷波滤波器(ANF)算法选线，但EMD存在模态混叠现象和端点效应，会使产生的固有模态函数(简称IMF)失去实际的物理意义。文献[14]进行变分模态分解(VMD)后利用相关性聚类进行故障选线。上述选线算法在理想故障信号下均能得到较好的选线准确率，但信号含有噪声时，尤其矿井供电系统中噪声污染严重，无法满足实际要求。

针对上述问题，本文提出了一种基于补充总体平均经验模态分解(Complementary Ensemble Empirical Model Decomposition以下简称CEEMD)的暂态衰减分量的选线方法。首先，利用CEEMD将零序电流分解为具有不同信号特征的固有模态函数，剔除其中的稳态工频分量和噪声分量，然后对获得的暂态衰减分量进行Hilbert变换，最后根据相位判据进行选线。该方法相比于传统方法，具有更高的可靠性和抗干扰能力。通过实时数字仿真系统(Real Time Digital Simulator, RTDS)的建模仿真与测试验证了该方法的实用性。

1 单相接地故障理论分析

矿井供电系统发生单相接地故障时，存在消弧线圈对于暂态高频电流的电抗值非常大，在暂态过渡过程中，消弧线圈电感电流上升较慢，因此故障线路上的暂态零序电流与正常线路反相[1]，系统的零序电流流向见图1.理想情况下，故障后零序电流与零序电压相位见图2，但在实际情况中存在消弧线圈和线路上的电抗以及噪声等干扰，故障线路零序电压U0与零序电流IC之间的相位差会大于90°，即相角差值并不是刚好180°，因此选择90°作为相角差判据。

图1 单相接地故障零序电流流向图

图2 单相接地故障零序电流与零序电压相位图

图3 单相接地故障暂态零序等值电路图

根据图3得出，暂态零序电流id表达式为：

(1)

式中，等号右侧第一项为零序电流稳态分量，后两项为暂态分量。

根据式(1)可知，暂态接地零序电流由稳态工频分量和暂态衰减分量构成。我国矿井供电系统3～60 kV系统大多采用中性点经消弧线圈接地方式，由于采用过补偿的运行方式，稳态工频分量的故障特征不再明显，甚至成为干扰因素，因此将稳态工频分量和噪声量一同剔除[14].之后，将故障线路与正常线路的暂态衰减分量在相位之间存在的差异作为判据，从而实现选线。

2 相关理论及选线方法

2.1 CEEMD分解

CEEMD由TORRES等提出，可以很好地解决EMD分解存在的模态混叠问题，良好的自适应性可用于分析各种条件下的零序电流[15-16].

对线路的零序电流进行CEEMD分解，分解结果见图4.由图4可以看出，IMF1-IMF3为高频噪声分量，IMF5为稳态工频分量，而这两种分量都将是选线时的干扰量，需要进行剔除，其余分量保留，即最终只利用故障特征差异明显的暂态衰减分量来进行选线，可以避免干扰因素的影响，提高选线准确度。

图4 零序电流分解结果图

基于第一部分中的理论分析，发生单相接地故障时，设定相角判据为：故障线路与正常线路的零序电流相位角相差90°，即：

(2)

其中，θk为故障线路的相角，其余为正常线路的相角，且i≠j≠n≠k.

2.2 选线方法

综上所述，本文方法的具体步骤如下：

培训过程中相关的操作流程与操作技巧与真实的有轨电车驾驶尚存在一些出入；培训时虽能够根据实际的有轨电车驾驶路线设置课程，但培养出的学员应对能力较弱，同样，对于真实线路的经验等尚还欠缺；对驾驶作业流程不熟悉，存在一定的安全隐患。因此，在培训结束后仍然需要一定时间的“师带徒”教导。当然，在选择培训机构时一定要选择实力强劲、信誉好、有责任的培训机构。

1)对原始信号进行CEEMD分解，得到一系列IMF分量(IMF1、IMF2、…、IMFn).2)将稳态工频分量以及噪声分量剔除，得到暂态衰减分量。3)对暂态衰减分量进行Hilbert变换，获取瞬时相位。4)利用相位判据完成选线。

3 可行性分析

3.1 系统仿真模型

以实际的矿井供电系统作为研究对象，在RTDS/RSCAD中搭建仿真模型，见图5.该模型高压侧电压等级为35 kV，地面变压器额定电压为35/6 kV，有4条6 kV高压电缆馈线为井下低压侧以及负荷供电，即线路1—4，这4条线路长度分别为9 km、6 km、8 km和3 km；中性点运行方式为经消弧线圈接地方式，并设置5%的过补偿。以线路4发生单相接地故障为例进行相关研究，选线算法只考虑6 kV高压侧的故障选线，故不对低压馈线参数做过多解释。

图5 RTDS矿井供电系统模型图

3.2 典型故障分析

在系统模型的基础上，线路4为故障线路，以故障点接地电阻500 Ω、故障初相角0°和故障点位于线路的30%处为例说明研究过程，以上故障条件均可以根据需要进行设置。基于以上信息进行故障选线，首先需要对线路原始的零序电流进行提取，并且为了更好地模拟未知的真实噪声干扰，在线路原始的零序电流中加入20 dB的高斯白噪声，得到线路的零序电流波形见图6.

结合图6得出，在故障发生时，故障线路与正常线路的零序电流相位角相差大于90°，且故障发生前后1/4周期的幅值远大于正常线路。对上述含噪信号进行CEEMD分解，并根据上述方法得到暂态衰减分量,见图7.

图6 各线路的零序电流波形图

图7 各线路的暂态衰减分量图

根据图7所示的暂态衰减分量，经Hilbert变换后得到各线路的相角及选线结果见表1，不难得出选线结果与设定的故障线路一致，选线成功。

表1 选线结果表

3.3 适用性分析

发生单相接地故障时，影响零序电流的主要因素有故障点接地电阻、故障初相角、故障点位置以及不同的故障线路等。因此，基于RTDS搭建的仿真模型，分别在线路1—4故障或母线故障时，另外3种故障影响因素随机组合情况下，利用本文选线方法进行了大量选线测试实验，选线结果见表2.由表2可以看出，本文选线方法对于故障线路以及各种故障条件下的单相接地故障均能实现正确选线，具有很高的准确性和可靠性。

表2 不同故障条件下的选线结果表

4 结 语

针对经消弧线圈接地的矿井供电系统单相接地故障特征不明显、噪声干扰严重、错选漏选时有发生的问题进行了研究，研究结论如下：

1)基于单相接地故障时零序电流的暂态衰减分量进行故障选线，避免了噪声分量和稳态工频分量的干扰，故障特征更为直观明确；同时，利用相位有效判据进行选线，在不同故障情况下具有一定适用性。

2)提出了一种基于CEEMD的单相接地故障选线方法，有效解决了模态混叠问题；同时，通过大量的RTDS仿真实验，验证了该方法具有很高的准确性和可靠性，尤其适用于经消弧线圈接地的矿井供电系统，保证了矿井供电安全。