(贵州电网有限责任公司电力科学研究院 贵州贵阳 550001)
摘要：由于谐振接地配电网发生单相接地故障时故障电流微弱及故障复杂多变等因素，单相接地故障准确可靠检测一直未得到有效解决。谐振接地配电网系统不同故障条件下发生单相接地故障时，健全馈线和故障馈线的稳态和暂态特征的时频分布特性不同。本文详细分析了单相接地过程中的稳态及暂态特性，提出基于暂态及稳态特征融合的故障检测方法，采用各馈线检测的长、短时窗内故障零序电流数据，经小波包分解并将其重构至不同频段，进而求得到的时频特征能充分反应故障信号的时频特性，进而实现配电网故障的准确可靠检测。大量电磁暂态仿真表明，该方法准确、可靠。
关键词：配电网；零序电流；衰减直流分量；故障特征；时频特征；融合
Study on detection method of distribution network single-phase transient and steady-state characteristics of the fusion based on grounding fault
XIAO Xiaobing,FU Yu, ZHANG Ruifeng, LONG Qiufeng, TAN Zhukui, LIU Anjiang,WANG Mian, HE Hongliu,
ZHENG Youzhuo,ZHANG Yang
(Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang 550001, China)
Abstract: The accurate and reliable detection of single-phase-to-ground faults has not been effectively solved because of the weak fault current and the complex and changeable faults when single-phase-to-ground faults occur in the resonant grounded distribution network. When single-phase-to-ground fault occurs in resonant grounded distribution network under different fault conditions, the time-frequency distribution characteristics of steady-state and transient characteristics of sound feeders and fault feeders are different. In this paper, the steady-state and transient characteristics of single-phase grounding process are analyzed in detail, and a fault detection method based on transient and steady-state feature fusion is proposed. The zero-sequence current data of faults in long and short windows detected by feeders are decomposed by wavelet packet and reconstructed to different frequency bands, and the time-frequency characteristics can be obtained in one time-frequency band. The time frequency characteristic of the signal is fully reflected in the window, and then the accurate and reliable fault detection of the distribution network is realized. A large number of electromagnetic transient simulations show that the method is accurate and reliable.
Key words: Distribution network; zero sequence current; decaying DC component; fault characteristics; time frequency characteristics; fusion;
0 引言
谐振接地配电网系统发生单相接地故障时，因故障电流较小和电弧不稳定因素，使得基于单一故障信息的选线方法在实际应用时效果不甚理想。此外，由于导线坠地、树木与架空馈线接触引起的高阻故障时有发生，使得实际运行中常常存在漏选和误选。而故障后的暂态分量相比稳态分量有很大的优势，利用暂态量进行选线成为故障选线方法之首选[1-3]。
目前，众多学者已提出多种暂态量故障选线方法，主要利用暂态零序电流突变量、能量、幅值及极性等[4-10]，使得选线效果不同程度上得到改善。但是接地故障发生后，消弧线圈的作用使得零序电流微弱，尤其发生间歇性弧光接地时，电弧的燃熄不确定，致使基于单一的检测方法不再可靠。
本文利用各馈线故障后长、短时窗内的故障零序电流数据，经小波包分解并将其重构至不同频段，进而求得到的时频特征量能在一时频窗内充分反应信号的时频特性，进而实现配电网故障的准确可靠检测。
1 谐振配电网单相接地故障特征分析
谐振接地系统发生单相接地故障后可利用如图1所示的等值回路分析接地故障暂态过程，考察故障接地电流的暂态特性。
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图1 谐振接地系统单相接地时暂态电流电路
Fig.1 Equivalent circuit of transient current in resonant grounded system with single-phase grounding
在分析暂态电容电流时由于其自由振荡频率很高，同时消弧线圈的电感L≥L0，因此等效电路图中的rL与L可忽略不计。单相接地故障发生时刻，类似一个零序正弦电压
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接入图1所示等效电路中，则：
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(1)
根据拉氏变换推导出电容电流瞬时表达式为
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(2)
不难得出，消弧线圈支路的暂态电感电流表达式为：
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(3)
由上述暂态电容电流和暂态电感电流的分析可得，暂态接地故障电流id的数学表达式为：
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(4)
式 (4)中第一项为接地故障电流稳态分量；其余为接地故障电流的暂态分量，等于电容电流的暂态自由振荡分量与电感电流的暂态直流分量之和。
2 接地故障稳态暂态零序电流时频特征分析
首先，参照文献[4]文章建立谐振接地系统仿真模型，其中线路l1=15 km，l3=18 km，l5=30 km；线–缆混合馈线l4=17 km，其中架空馈线12 km，电缆5 km；电缆馈线l2=6 km，l6=8 km。系统中的馈线采用架空线路、架空线-电缆混合线路和电缆线路3种线路[4]，本文后续的仿真实例以上述模型进行。
2.1稳态零序电流特性分析
一般接地故障电弧的过渡电阻比较小，但是由于导线坠地、树木与架空馈线接触引起的高阻故障时有发生，尤其是当故障初始相角为0°时，使得常规的故障检测方法难以检测此类故障。
假设配网系统的电缆馈线L2距离母线3km处发生AG故障，故障初始相角为0°，故障过渡电阻为1000Ω时，采样率10kHz，仿真一次侧检测到故障线路L2及健全线路L4的零序电流如图2所示。相对于低阻故障而言，高阻故障时暂态高频分量小，衰减速度快。
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图2 相电压为0°时的零序电流
Fig.2 Zero sequence current when phase voltage is 0°
谐振接地系统发生单相接地故障，在故障角接近0°时，故障零序电流高频分量幅值很小，暂态特征不明显，但是由于消弧线圈电感L所引起的故障馈线衰减直流分量较大，理论上它其只流过故障馈线而不流过健全馈线。当谐振接地系统的母线故障时虽然也有衰减直流分量产生，但它不流过任何线路，而是直接流入消弧线圈。综合以上分析不难发现，利用系统的衰减直流分量进行故障检测，以其作为暂态高频分量不足情况下的辅助方法。故障电流中不仅包含着基频分量还包含着谐波分量，可用含有正弦函数的方程表示。衰减直流分量可用含有衰减指数方程表示。
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(5)
上式中，I0表示衰减直流分量的幅值，τ表示衰减直流分量的时间常数；Ik表示k次谐波的幅值，P表示最高次谐波。若式5在一个工频周期内进行积分运算，式中的第二项将为0，剩余的第一项值与衰减直流分量有关。因此工程中选取周期内的数据进行平均值计算便可近似得到衰减直流分量幅值I0，进而确定单相接地故障线路。
2.2暂态零序电流时频特征分析
配网在相电压过峰值发生单相接地故障时，暂态零序电流主要是高频电容分量，暂态特征十分明显；当配电网在相电压过零点发生单相接地故障时，暂态零序电流主要是电感分量，暂态特征不明显，但是由于消弧线圈电感所引起的故障馈线衰减直流分量较大，健全馈线衰减直流分量较小，其只流过故障馈线而不流过健全馈线；当发生高阻接地故障时，暂态高频分量小，衰减速度快。
所述配网系统的电缆馈线L2距离母线3km处发生单相故障，故障相电压在峰值时，且故障电阻为30Ω时，线路L2及L4的零序电流如图3所示。
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图3 故障初始相角为90°时的零序电流
Fig.3 Zero sequence current when fault initial angle is 90°
当故障发生在电压峰值时的暂态特性突出，此时，电流包含的高频电容分量占比很大，由此造成的健全馈线与故障馈线零序电流波形相似度较低。
3 单相接地故障稳态、暂态融合的故障检测方法
谐振系统发生接地故障后，强故障下暂态特征明显，弱故障下采用故障发生后零序电流稳态量特征，进而实现故障检测。因此，本文提出一种采用稳态、暂态融合的思路解决配网单相接地故障检测方法，具体如下。
3.1基于零序电流暂态时频特征的故障检测方法
当谐振系统发生单相接地故障时，对故障暂态零序电流按照适当的频带宽度采用小波包分解故障暂态信号采样序列，按照公式（6）计算分解后各频带信号对应的幅值。
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(6)
式（6）中
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为小波包分解第（j，k）子频带下的系数，每个子频带下共有n个系数，j为小波包分解层数，k为小波包分解的第k个节点。定义暂态零序电流时频特征量为
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(7)
式(7)中：
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和
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分别为时间窗和频率窗的长度。时频特征量能够较全面地反映了暂态零序电流的时频变化特性。
利用时频相关系数来考察同一时频窗内不同馈线暂态零序电流的时频特征量的相似程度。当两条馈线之间的时频特征量越相似，即两条馈线的暂态零序电流的时频分布越接近[9]。
利用小波包分析得到的故障馈线L2及健全馈线L4的零序电流时频特征分布如图4所示。
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(a) 线路L2 (b) 线路L4
图4零序电流三维分布图
Fig.4 Three dimensional distribution of zero sequence current
3.2基于零序电流衰减直流分量的故障检测
不失一般性，接地故障过程中的稳态、暂态特征在一定程度上能反映健全馈线和故障馈线的特征，因此本文将接地故障的衰减直流分量、四分之一时窗内的暂态零序电流时频特征量进行融合，进一步提高不同故障条件下配网接地故障的准确可靠检测。
馈线L1距离始端8公里处发生A相接地故障，接地电阻5Ω，故障初始相角0°，各条线路的零序电流长时窗波形如图5所示。
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图5 各条线路零序电流波形图
Fig.5 Waveforms of zero sequence current in each circuit
从图5可以发现，在相电压过零时刻，故障馈线零序电流中包含着显著的衰减直流分量，健全馈线零序电流中包含着较少的衰减直流分量，可利用这一特征差异进行暂态高频分量不足时的辅助检测方法。
4 结论
本文提出一种基于零序电流稳态、暂态时频特征量的配网单相接地故障检测方法，采用各馈线检测的长、短时窗内故障零序电流数据，利用小波包分解得到零序电流的时域和频域的特征分布，同时在电压过零点时采用衰减直流分量进行故障甄别，进而实现配电网故障的准确可靠检测。
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作者简介：
肖小兵( 1986-)，男，硕士研究生，高级工程师，研究方向为智能变电站与配电技术研究；
付宇(1983-)，男，硕士研究生，高级工程师，研究方向为智能配电网与自动化技术研究。