基于脉冲电流的谐振接地系统单相接地故障选线方法研究

李景丽， 刘 鹏， 赵子敬， 陈 星， 张胜乐， 张高鸣

(郑州大学电气工程学院，郑州 450001)

0 引 言

我国配电网多采用的是6～66 kV的中性点非有效接地系统，据不完全统计，单相接地故障及相关故障占配网运行故障中的80%以上。近年来，随着城市化进程的发展加快，电缆线路的比例也在逐步升高，故障处的电容电流越来越大，因此，在增加消弧线圈构成谐振接地系统(NES)，对入地故障电容电流进行补偿，起到限制入地故障电容电流的作用。越来越多的应用在城市配网建设中，当该系统发生永久性单相接地故障时，故障线路与非故障线路的信号特征区别不明显，难以及时准确的选出故障线路，致使事故扩大化。因此，为保证配网稳定安全运行，需要对谐振接地系统选线方法进行研究，提高系统的选线准确率。

目前，国内外学者对于谐振系统选线方法的研究主要分为4类[1]：1)利用故障后系统的暂态电气量进行选线(又可分为小波法、暂态能量法、暂态首半波法等)；2)通过对故障后的系统注入信号进行选线；3)利用现代化信息融合技术进行选线；4)利用脉冲信号进行选线。文献[2]将小波变换与维纳滤波技术融合，通过故障线路与非故障线路在特征频带上能量不同进行故障选线。但该方法需提前选择合适的分解尺度和小波基函数。可当前对于小波基的选择没有合适的理论支撑。针对小波基选取困难问题，文献[3]将零序电流非工频分量采取能够根据信号复杂程度自适应的希尔伯特-黄变换(简称HHT变换)，选出故障线路，该方法在经高弧道电阻接地时，故障线路与非故障线路变换结果区别微小，难以准确选出故障线路。文献[4-7]提出的暂态能量选线方法，在故障发生后，通过计算各线路的暂态能量，根发据其极性的不同选出故障线路。该方法的本质是通过检测有功分量选出故障线路，但在暂态能量中，阻性分量所占比重较少，在发生经低弧道电阻时接地故障时易选错线路。文献[8-10]提出的暂态首半波选线方法，在故障发生后，利用故障线路与非故障线路在首半波时间范围的零序电流幅值和极性有明显差异进行选线，但该方法仅在故障发生在峰值时刻附近效果明显。文献[11]在故障发生后，经特定设备向系统注入频率和幅值恒定的信号，根据各线路检测到该信号的比重进行故障线路的选择。文献[12-13]在母线电压互感器二次侧注入信号完成选线。该方法一方面增加投资，另一方面在于注入系统的外加信号易受线路中其他信号及弧道电阻的干扰。文献[14-15]基于模糊理论对多种选线方法进行融合，提升选线结果的准确性。文献[16]应用BP神经网络将多种选线判据融合，设计了多信息融合故障选线算法。但该类方法目前只存在于理论研究阶段，缺乏实际运行数据支撑。脉冲信号在经高弧道电阻接地时，仍能保持较高的信号强度，近年来成为研究的热点。文献[17-21]提出将脉冲信号在频域分解，利用直流分量、基波分量、二次谐波分量作为选线判据进行故障选线。上述利用脉冲信号进行故障选线方法的局限性在于模型采用单一线路类型，所提选线判据对于出线结构复杂的谐振接地系统故障选线准确率不能满足要求。

本研究利用matlab & simulink软件搭建了3种谐振接地系统模型：架空线系统、电缆线系统、缆线混合系统。在3种系统下，设置任意线路在发生单相接地故障时，弧道电阻在0～2 000 Ω范围内变化，提取各线路脉冲电流进行傅里叶分解，观察故障线路与非故障线路脉冲电流在频域分布上的差异，提出利用脉冲电流在频域分解的直流分量与基波分量之和作为选线依据；通过设置典型的故障点位置、故障相合闸相角、故障点弧道电阻作为故障条件，选线准确率均为100%，验证了选线依据的准确性。

1 脉冲信号选线技术

1.1 脉冲选线技术原理

由晶闸管及降压变压器组成的脉冲发生器并联在消弧线圈两侧，单相接地故障脉冲电流分布见图1。

图1 单相接地故障脉冲电流分布图Fig.1 Single-phase ground fault pulse current distribution diagram

谐振接地系统发生单相接地故障，中性点电压升高，在经历约2～3个工频周波后，脉冲信号发生装置短时导通，产生脉冲电流，分别流经消弧线圈支路、故障线路与非故障线路。消弧线圈支路脉冲电流在消弧线圈与脉冲信号发生装置支路流通；非故障线路脉冲电流通过脉冲信号发生装置支路、各相线对地容抗、电源与地构成流通回路；故障线路脉冲电流通过脉冲信号发生装置支路、各相线对地容抗、故障点电阻支路与地构成流通回路。每条线路出口处的脉冲电流检测器进行检测并根据各条线路间脉冲电流的差异选出故障线路。

1.2 单相接地故障时各线路脉冲电流表达式分析

系统发生单相接地故障引起晶闸管导通后，这时暂态等值电路见图2。图中C0为单相对地电容，n为出线条数，Lx为消弧线圈电感，Lt为降压变压器阻抗，Rf为故障点弧道电阻，ix为流经消弧线圈的脉冲电流，iRf为流经弧道电阻的脉冲电流，iC为流经每相单相对地电容的脉冲电流，it为短路脉冲电流。

图2 谐振接地系统短路脉冲暂态等值电路Fig.2 Resonance grounding system short circuit pulse transient equivalent circuit

由图2电路可知，故障与非故障线路的短路脉冲if与iuf分别为

(1)

设t=0时刻可控硅基于其端电压以δ角度触发导通，则：

-u0(t≥0)=-Vsin(ωt+δ)

(2)

其中V：u0的幅值，ω:u0的角频率。

结合图2可解得：

(3)

(4)

(5)

it=ix+iRf+3niC

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

2 具有脉冲信号发生装置的NES模型

2.1 模型建立

基于matlab&simulink仿真平台，建立了3种NES系统模型：架空线系统、电缆线系统、缆线混合系统。3种系统除线路长度不同，组成结构均一致，故障线路选择最末线路。以缆线混合系统为例，线路L1-L4为架空线路，线路L5与线路L6为电缆线路。具体配网结构简图如下所示。电源模块、输电线路模块、变压器及负荷模块参数见表1及表2。消弧线圈采取8%过补偿度。

图3 配网结构简图Fig.3 Schematic diagram of distribution network structure

表1 输电线路参数Table 1 Transmission line parameters

表2 主要模块参数Table 2 Main module parameters

架空线系统：共有5条，线路长度分别为18 km、15 km、15 km、12 km、12 km。其他模块参数均与缆线混合系统一致。

电缆线系统：共有5条，线路长度分别为12 km、10 km、10 km、8 km、8 km。其他模块参数均与缆线混合系统一致。

2.2 模型验证

设置L6故障点距离为10 km、故障合闸相角为90°的金属性接地故障进行模型验证。故障发生时间为0.04 s，0.09 s晶闸管导通，仿真时间在0.25 s结束。

2.2.1 系统相电压及线电压

单相接地短路故障发生后，系统的三相电压及线电压见图4。

图4 系统电压图Fig.4 System voltage diagram

2.2.2 晶闸管电压

故障发生后，晶闸管导通，两端电压见图5。

图5知，系统正常运行，中性点电位与地电位相同即晶闸管电压为0，发生故障后，经过短暂的暂态振荡过程后，0.09 s晶闸管导通，其两端电压降为0，0.1 s时，晶闸管两端电压为负，晶闸管关断，两端电压为中性点电压。图中所示信息与理论及设置故障条件一致。

图5 晶闸管电压波形图Fig.5 Voltage waveform of thyristor

2.2.3 各线路零序电流及脉冲电流

将故障发生后各线路零序电流及其中的脉冲时段电流绘制见图6。

图6 各线路电流图Fig.6 Current diagram of each line

由图6(a)得，所有线路在故障发生前，零序电流幅值为0，故障发生后，经过约0.06 s的暂态振荡过程，重新过渡到稳态。稳态幅值分别为2.317 A、0.598 A、3.575 A。理论计算得3条线路稳态幅值为2.324 A、0.603 A、3.698 A。仿真计算与理论计算误差不超过3%。由(b)得，故障发生前，晶闸管未投入运行，脉冲电流为0，0.09 s晶闸管导通，各线路出现脉冲电流，且故障线路脉冲电流幅值明显高于非故障线路。与理论分析一致。

3 脉冲选线判据及其准确性分析

设置典型弧道电阻、故障距离、故障相角等故障条件组合，提取各条线路零序电流数据并分析故障线路与非故障线路脉冲电流在频域分布的差异，设计选线判据并验证其准确性。

3.1 选线判据的确立

设置缆线混合系统在故障相合闸角90°、故障点距离2 km发生单相接地故障，其中弧道电阻在0-2 000 Ω范围内变化，并且设置晶闸管触发角为30°；提取脉冲电流进行傅里叶分解，得到4个典型弧道电阻情况下脉冲电流频域分布见图7。

图7 各线路脉冲信号频域分解图Fig.7 Exploded view of the pulse signal in each frequency domain

由图7(a)-(d)知，随着弧道电阻的上升，故障线路脉冲电流的直流与基波分量始终大于非故障线路，而故障线路与非故障线路脉冲电流高频分量间的差值随着弧道电阻的增加由正变为负数。

由于消弧线圈的低通滤波以及电容的高通滤波特性，谐振接地系统发生经低弧道电阻接地故障，脉冲信号的直流分量与基波分量主要流经消弧线圈与弧道电阻两条支路，谐波分量主要流经弧道电阻与电容支路。随着弧道电阻上升，脉冲信号的高频分量流经电容支路比例相应提升从而改变故障线路与非故障线路间大小关系。直流分量与基波分量流经消弧线圈比例增大但不改变故障线路与非故障线路间大小关系。基于以上结果，提出Icr=I0+I1最大者为故障线路。其中I0为脉冲电流在频域下分解的直流分量。I1为基波分量。

3.2 选线判据准确性验证

对架空线系统、电缆线系统、缆线混合系统在典型故障条件下进行仿真，验证提出的选线判据准确性。其中非故障线路Icr值从左至右对应由小到大线路序号。

3.2.1 不同弧道电阻下各系统选线结果

设置故障条件为故障相角为90°、故障位置为线路中段，弧道电阻在0～2 000 Ω范围内变化。缆线混合系统频域分解结果于3.1已提出，因此本小节对架空线系统与电缆系统频域结果进行统计，具体见表3，表4。

表3 弧道电阻不同时架空线系统选线结果Table 3 Line selection results of overhead line system with different transition resistance

表4 弧道电阻不同时电缆线系统选线结果Table 4 Selection results of cable system when the transition resistance is different

从表3可知，在架空线系统中，任意线路发生故障，随着弧道电阻的上升，故障线路与非故障线路Icr值均在下降；弧道电阻为0 Ω，故障线路Icr值分别为非故障线路中最大Icr值的1 044倍、1 127倍、1 040倍。差异明显，选线准确率均为100%。弧道电阻由500～2 000 Ω变化时，故障线路与非故障线路Icr值下降速率减缓，故障线路与非故障线路Icr值间的差异缩小。但仍存在明显差异，在弧道电阻为2 000 Ω时，故障线路Icr值分别为非故障线路中最大Icr值的8.3倍、6.8倍、6.8倍，选线准确率均为100%。

从表4可知，在电缆线系统中，任意线路发生故障，随着弧道电阻的上升，故障线路与非故障线路Icr值均在下降；弧道电阻为0 Ω，故障线路Icr值分别为非故障线路中最大Icr值的345倍、311倍、310倍。差异明显，选线准确率均为100%。弧道电阻由500～2 000 Ω变化时，故障线路与非故障线路Icr值下降速率减缓，故障线路与非故障线路Icr值间的差异缩小。在弧道电阻为2 000 Ω时，故障线路Icr值分别为非故障线路中最大Icr值的1.9倍、1.2倍、1.1倍，仍满足3.1所提出的选线判据，准确选出故障线路，选线准确率均为100%。

3.2.2 不同故障相角下各系统选线结果

单相接地故障发生时间具有不确定性，随机的，在故障发生时，故障相的合闸相角也有所不同，对配网的影响也有不同。本节设置故障位置为线路中段、弧道电阻为500 Ω、故障相角在0～90°变化，验证3.1选线判据的准确性。结果见表5、表6、表7。

表5 故障相角不同时架空线系统选线结果Table 5 Line selection results of overhead line system with different phase angles

表6 故障相角不同时电缆线系统选线结果Table 6 Selection results of cable system when the fault phase angle is different

表7 故障相角不同时缆线混合系统选线结果Table 7 Line selection results of cable hybrid system with different phase angles

从表5可知，任意线路发生单相接地故障，随着故障相角的增大，故障线路的Icr值增大，逐渐趋于饱和。而非故障线路的Icr值减小，两者差异增大；故障相角为0°时，故障线路Icr值分别为非故障线路Icr值15.3倍、12.6倍、12.5倍。差异明显，依据3.1提出的选线判据判断选线准确率为100%。

从表6可知，任意线路发生单相接地故障，随着故障相角的增大，故障线路的Icr值增大，逐渐趋于饱和。非故障线路Icr值无明显变化；故障相角为0°时，故障线路Icr值分别为非故障线路Icr值2.1倍、1.3倍、1.2倍，差异明显，依据3.1提出的选线判据判断选线准确率为100%。故障相角为30°时，故障线路Icr值分别为非故障线路Icr值2.9倍、3.1倍、1.8倍，选线准确率为100%。故障相角为60°时，故障线路Icr值分别为非故障线路Icr值4.5倍、2.5倍、3.0倍，选线准确率为100%。故障相角为90°时，故障线路Icr值分别为非故障线路Icr值3.7倍、2.5倍、2.4倍，选线准确率为100%。

从表7可知，缆线混合系统中，任意线路发生单相接地故障，随着故障相角的增大，故障线路的Icr值增大，逐渐趋于饱和。非故障线路Icr值无明显变化；故障相角为0°时，故障线路Icr值分别为非故障线路Icr值2.6倍、1.8倍，依据3.1提出的选线判据判断选线准确率为100%。故障相角为30°时，故障线路Icr值分别为非故障线路Icr值3.9倍、3.2倍，选线准确率为100%。故障相角为60°时，故障线路Icr值分别为非故障线路Icr值6.3倍、5.3倍，差异明显，选线准确率为100%。故障相角为90°时，故障线路Icr值分别为非故障线路Icr值5.9倍、6.1倍，选线准确率为100%。

3.2.3 不同故障距离下各系统选线结果

配网线路架设长度有所不同，故障位置也有所不同，本节设置故障相角为90°、弧道电阻500 Ω，分别在不同线路的首段、中段、末端设置单相接地故障，验证选线判据的准确性。具体见表8，表9及表10。

表8 故障距离不同时架空线系统选线结果Table 8 Line selection results of overhead line system at different fault distances

表9 故障距离不同时电缆线系统选线结果Table 9 Selection results of cable system when the fault distance is different

表10 故障距离不同时缆线系统选线结果Table 10 Selection results of cable system when the fault distance is different

由表8知，在架空线系统中，任意线路发生单相接地故障，随着故障距离的增加，故障线路与非故障线路Icr值均略微下降，差异无明显变化。故障发生在线路末端时，故障线路Icr值分别为非故障线路Icr值33.7倍、28.1倍、28.1倍。差异明显，选线准确率为100%。

由表9知，在电缆线系统中，任意线路发生单相接地故障，随着故障距离的增加，故障线路与非故障线路Icr值均略微下降，差异无明显变化。故障发生在线路末端时，故障线路Icr值分别为非故障线路Icr值4.5倍、3.1倍、3.0倍。差异明显，选线准确率为100%。

由表10知，在缆线混合系统中，任意线路发生单相接地故障，随着故障距离的增加，故障线路与非故障线路Icr值均略微下降，差异无明显变化。故障发生在线路末端时，故障线路Icr值分别为非故障线路Icr值6.3倍、6.1倍。差异明显，选线准确率为100%。

4 结 论

本研究分析谐振接地系统单相接地故障时脉冲电流特征。基于matlab & simulink仿真平台建立了架空线系统、电缆线系统、缆线混合系统，根据3种系统单相接地故障时，故障线路与非故障线路脉冲电流的差异，建立选线依据并验证选线依据的准确性，得到如下结论：

1)谐振接地系统发生单相接地故障时，故障线路与非故障线路脉冲电流差异主要集中在直流分量与基波分量。

2)随着弧道电阻的增加，故障线路与非故障线路Icr数值减小，差异缩小，仍符合选线判据，选线准确率100%。

3)随着故障相角的增加，故障线路Icr值增加，非故障线路Icr值无明显变化，选线准确率100%。

4)随着故障距离的增加，故障线路与非故障线路Icr数值均略微减小，选线准确率100%。