（國(guó)網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心，四川 成都 610000）

構(gòu)建于故障暫態(tài)信號(hào)伴隨其衰減特征的電網(wǎng)單相接地故障測(cè)距思路芻議

黃建國(guó)

（國(guó)網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心，四川 成都 610000）

在小電流接地系統(tǒng)中，單相接地故障發(fā)生的概率很大，這就需要工作人員及時(shí)的發(fā)現(xiàn)故障，并開(kāi)展排除工作。筆者就這些問(wèn)題進(jìn)行分析和探討，希望對(duì)提高線路運(yùn)行的安全、可靠性有所幫助。

小波變化；接地故障；小波注入法

為了提高供電可靠性，目前中性點(diǎn)非有效接地方式已經(jīng)在6-35KV配網(wǎng)中得到了使用。傳統(tǒng)的故障處理方法存在一定的弊端和缺陷，比如：耗用的時(shí)間長(zhǎng)、效率低。因此，為了提高供電可靠性，對(duì)故障進(jìn)行及時(shí)的排除，我們需要對(duì)有效的單相接地故障定位方法進(jìn)行研究，這不僅具有理論價(jià)值，更具有世紀(jì)意義。

目前，在線法和離線發(fā)是配網(wǎng)單相接地故障定位的主要方法。離線法會(huì)使用注入信號(hào)的方法來(lái)對(duì)故障位置進(jìn)行確定，這樣定位效果就比較好，但是由于其是在斷電之后進(jìn)行的，因此需要停電和外加設(shè)備。在線法在進(jìn)行定位時(shí)，會(huì)根據(jù)在線測(cè)量值，可以被劃分為故障測(cè)距和故障區(qū)段定位。

一、單相接地故障暫態(tài)信號(hào)及其衰減特征

1 故障暫態(tài)信號(hào)特征

接地故障一般是因?yàn)殡娋W(wǎng)中絕緣被擊穿產(chǎn)生的，因此當(dāng)處于電壓接近于最大值瞬間這一狀況時(shí)，非故障相電壓就會(huì)變高，而故障相電壓就會(huì)降低。當(dāng)單相金屬性故障發(fā)生在中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)中時(shí)，故障電壓就會(huì)為0，而非故障電壓就會(huì)是正常電壓的倍。故障暫態(tài)信號(hào)主要包括4個(gè)分量，即：弧線圈中產(chǎn)生的暫態(tài)直流分量、故障暫態(tài)信號(hào)包括工頻分量、故障相線路電容的放電暫態(tài)信號(hào)以及對(duì)非故障相線路電容的充電暫態(tài)信號(hào)。對(duì)于放電信號(hào)來(lái)說(shuō)，信號(hào)衰減的比較快，震蕩頻率高。充電信號(hào)流通回路電感大，震蕩頻率低，信號(hào)衰減的比較慢，此外信號(hào)幅值也大。

2 暫態(tài)信號(hào)衰減特征

我們以充電暫態(tài)信號(hào)為例子，對(duì)信號(hào)回路進(jìn)行簡(jiǎn)化。之后產(chǎn)生串聯(lián)RLC電路。根據(jù)電路理論，如果回路參數(shù)和式（1）相符合，則說(shuō)明暫態(tài)信號(hào)時(shí)震蕩衰減。如果二者不相符的話，就是直流衰減。可見(jiàn)，在對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行確定時(shí)，系統(tǒng)中會(huì)存在臨界故障電阻，而系統(tǒng)等效參數(shù)則決定了該故障電阻。當(dāng)單相接地故障發(fā)生在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中時(shí)，其電阻一般為40Ω。

通過(guò)仿真，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和故障情況決定了故障電阻臨界值，且一般在100Ω左右。大部分的單相接地故障的充電暫態(tài)信號(hào)都會(huì)滿足振蕩衰減。我們可以在式（2）中看到振蕩衰減暫態(tài)信號(hào)，而式（3）則是衰減系數(shù)。

關(guān)于上式解釋。C、L、R分別是串聯(lián)RLC回路的電容、電感以及等效電阻。A是暫態(tài)信號(hào)幅值，是其初相角，f是暫態(tài)信號(hào)頻率，則是暫態(tài)信號(hào)衰減系數(shù)。

從上面的式子中我們可以看出電阻越大，那么衰減系數(shù)也就越大，暫態(tài)信號(hào)衰減基本越快，那么持續(xù)時(shí)間也會(huì)縮短。如果故障點(diǎn)確定的話，那么故障電阻就決定了回路電阻。圖1是屬性單相接地故障和故障電阻為40Ω時(shí)故障相電流波形圖?？梢钥闯?，暫態(tài)信號(hào)衰減特征受到故障電阻的影響很大，暫態(tài)信號(hào)持續(xù)時(shí)間變短和故障電阻增大有直接的關(guān)系。因此，在對(duì)信號(hào)有效區(qū)段進(jìn)行確定時(shí)，需要從暫態(tài)信號(hào)的衰減特點(diǎn)出發(fā)，這樣信號(hào)才會(huì)合理，才會(huì)得到充分的使用。

二、基于充電暫態(tài)信號(hào)的測(cè)距原理

我們一般將充電暫態(tài)特征測(cè)距原理理解為基于高頻分量的阻抗法。在發(fā)生故障時(shí)，絕大部分的暫態(tài)信號(hào)會(huì)和地構(gòu)成流通回路。我們?cè)趯?duì)故障距離進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以使用高頻分量定量。該方法使用的原理是：?jiǎn)蜗嘟拥毓收蠒簯B(tài)分量幅值大，此外也不會(huì)受到消弧線圈的干擾。筆者沒(méi)有使用工頻分量，這樣負(fù)荷電流和系統(tǒng)不平衡的現(xiàn)象就會(huì)避免（從原理角度看）。如果高頻分段有線路經(jīng)過(guò)，那么線路的電抗就會(huì)變大，故障電阻的影響也會(huì)降低，這樣計(jì)算的可靠性和準(zhǔn)確性都會(huì)得到提高。

我們假設(shè)待分析量為暫態(tài)信號(hào)中頻率為f的分量，用對(duì)稱分量法進(jìn)行分析：

參考各序分量具有獨(dú)立性，可以得出：

根據(jù)單相接地故障邊界條件可以得到：

對(duì)式（4）、（5）、（6）進(jìn)行聯(lián)合，則得到：

從式（7）我們可以得出：

在此基礎(chǔ)上可以完成對(duì)故障距離的計(jì)算：

三、充電暫態(tài)特征提取及故障距離計(jì)算

1 信號(hào)頻譜分析和充電頻率識(shí)別

充電暫態(tài)信號(hào)特征的提取之前的一個(gè)工作是：對(duì)充電暫態(tài)信號(hào)有效性進(jìn)行識(shí)別，此外還要對(duì)充電暫態(tài)信號(hào)特征頻率進(jìn)行識(shí)別，這個(gè)過(guò)程中需要參考快速傅里葉變化理論。0.3—3KHZ是單相接地故障暫態(tài)信號(hào)集中的范圍，因?yàn)楫a(chǎn)地暫態(tài)信號(hào)的幅值比較大，所以在對(duì)充電暫態(tài)信號(hào)特征進(jìn)行確定時(shí)可以使用該頻段內(nèi)頻譜幅值特征。第一步對(duì)該頻段范圍內(nèi)信號(hào)幅值極值點(diǎn)進(jìn)行確定。如果該頻段范圍內(nèi)所有極

值點(diǎn)均值是最大極值點(diǎn)信號(hào)幅值的三分之一，就說(shuō)明充電信號(hào)有效。并且最大極值點(diǎn)信號(hào)對(duì)應(yīng)頻率為充電信號(hào)頻率。

2 充電暫態(tài)信號(hào)特征提取及故障距離計(jì)算

實(shí)小波變換。單相接地時(shí)，電流的暫態(tài)過(guò)程持續(xù)的時(shí)間很短，而故障電壓也是一樣。但是，穩(wěn)態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)就比較小。小波分析是一種合適的故障選線方法，目前處于國(guó)際前沿，其發(fā)展基礎(chǔ)是傅里葉變換。作為一種新的信號(hào)處理方法，其可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行精細(xì)的分析，尤其是在遇到微弱信號(hào)以及暫態(tài)突變信號(hào)變化敏感的情況時(shí)。從小波變換的模極大值理論中我們可以發(fā)現(xiàn)信號(hào)奇異是由噪聲和故障這兩個(gè)因素導(dǎo)致的。而我們可以對(duì)小波變化進(jìn)行分類，一般可以被分為兩類，即：實(shí)小波和復(fù)小波。計(jì)算如下：

復(fù)小波變換。復(fù)小波變換結(jié)果和實(shí)小波變化結(jié)果是有差異的，這是因?yàn)閷?shí)小波變換術(shù)瞬時(shí)值形式，而復(fù)小波變化結(jié)果是幅值相角形式。

S變換。S變換屬于連續(xù)小波的變換，和相位校正后的小波變化比較接近。S變換提取出的充電暫態(tài)信號(hào)是復(fù)數(shù)值序列，這和經(jīng)復(fù)小波變換提取的結(jié)果相似。表1是3種信號(hào)變換方法在不同故障情況下的測(cè)距比較。

表1 3種信號(hào)變換方法在不同故障情況下的測(cè)距比較

結(jié)語(yǔ)

作為配電系統(tǒng)最常見(jiàn)的故障，單相接地故障屬于小電流接地系統(tǒng)單相接地，其在多雨以及潮濕天氣狀況下發(fā)生的概率比較大。單相接地故障會(huì)對(duì)正常的供電造成影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞設(shè)備，引發(fā)安全事故。筆者用3種方法提取充電暫態(tài)特征，最終發(fā)現(xiàn)S變換具有更大的優(yōu)勢(shì)，可以使用該方法進(jìn)行單端測(cè)量。

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