黃 靖，羅寧昭，楊 鋒，吳本祥

（海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

0 引言

根據(jù)統(tǒng)計，無論在艦船電網(wǎng)還是陸地電力系統(tǒng)，單相接地故障占所發(fā)生故障的比例均超過半數(shù)。單相接地故障形式可分為永久的金屬性接地、單次放電、電弧不斷重燃造成的間歇性弧光接地。據(jù)統(tǒng)計絕大多數(shù)的接地故障會產(chǎn)生電弧[1-2]。而間歇性弧光接地故障對系統(tǒng)的危害性最大[3-5]。單相接地故障危害程度和處理方式與電網(wǎng)中性點的接地方式密切相關(guān)。目前船用電網(wǎng)利用發(fā)電機中性點經(jīng)高電阻接地來抑制接地產(chǎn)生的過電壓。每種接地故障所需要的消除故障的裝置各不相同，但一個電力系統(tǒng)不能同時用好幾種接地方式，如能采取合適的方式對單相接地故障進行有針對性的快速識別，在確定發(fā)生間歇性接地故障后再將合適的接地裝置投切如接地系統(tǒng)中，對系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和可靠性大大地提高。故障類型識別還可以對不同故障類型的發(fā)生進行統(tǒng)計，利用統(tǒng)計學(xué)知識，對系統(tǒng)絕緣的薄弱點做初步判定。

1 接地裝置長期投入系統(tǒng)的缺陷

諧振接地系統(tǒng)并不區(qū)別單相接地的故障類型，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時就自動產(chǎn)生感性的電流補償故障電流。若接地故障為永久的金屬性接地，該方法會因為消弧線圈在正常狀態(tài)和補償狀態(tài)之間的投切而對系統(tǒng)造成大量的諧波振蕩[6]。同時，消弧線圈運行過程中也可能引起“虛接地”等諸多問題。

而對于高電阻接地方式，當(dāng)接地故障為金屬性接地時，接地電阻不但不能抑制過電壓，相對不接地的系統(tǒng)，故障點電流增大，溫度升高，更容易使故障擴大。如圖1所示，高電阻接地系統(tǒng)發(fā)生金屬性的單相接地故障時，故障點電流不再是單純的電容電流，而且要加上流經(jīng)接地電阻的電流。

圖1 高電阻金屬性接地示意圖

對于其他接地方式也大致如此。如果處理不當(dāng)，不但不能消除單相接地故障，反而可能給電力系統(tǒng)帶來新的不穩(wěn)定因素。對艦船電網(wǎng)單相接地故障的類型進行識別，并根據(jù)識別出的故障類型采取不同響應(yīng)措施，對保證艦船電力系統(tǒng)運行的可靠性、穩(wěn)定性有著重要的意義。

2 基于數(shù)學(xué)形態(tài)法的接地故障識別

目前，國內(nèi)外學(xué)者已開始將數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的信號分析。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對電力系統(tǒng)信號分析的主要手段是經(jīng)過波形變換突出信號的突變特征等。可以利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對接地故障進行識別。

文獻[3]中提出了以零序電壓做COOCG變換識別故障的方法，但不接地系統(tǒng)零序電壓容易受不平衡的系統(tǒng)對地電容干擾。在發(fā)生單次放電后，中性點電壓會發(fā)生震蕩，會使得識別算法發(fā)生誤判。因此本文在COOCG算法基礎(chǔ)上提出基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)梯度-閉運算變換的識別算法。由于不接地系統(tǒng)間歇性電弧接地故障發(fā)生時，故障相電壓會出現(xiàn)連續(xù)尖峰信號，而金屬性接地故障發(fā)生后故障相電壓跌落至零，可以通過提取邊沿的方法確定出現(xiàn)的故障類型，利用設(shè)定閾值的方法區(qū)分故障類型，然后通過濾波將單次放電信號過濾掉，就能將長時間的奇異信號提取并分辨出來，從而識別出系統(tǒng)接地故障類型[7-8]。

故障電壓波形f（n）一般為有正負(fù)波動的波形，為了防止遺漏負(fù)向波形。在用數(shù)學(xué)形態(tài)法對故障信號進行變換前先對電壓波形采取絕對值處理：

為了提取奇異信號，首先對fabs(n)進行數(shù)學(xué)形態(tài)梯度計算，將發(fā)生故障時的邊沿提取出來。形態(tài)學(xué)梯度對非周期波形邊緣敏感，因此在發(fā)生接地故障時，計算后的波形會發(fā)生跳變。梯度計算公式為：進行數(shù)學(xué)形態(tài)梯度計算，將發(fā)生故障時的邊沿提取出來。形態(tài)學(xué)梯度對非周期波形邊緣敏感，因此在發(fā)生接地故障時，計算后的波形會發(fā)生跳變。梯度計算公式為：

在數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運算中，結(jié)構(gòu)元素的形狀和大小對信號處理結(jié)果有很大的影響，結(jié)構(gòu)元素選取失當(dāng)將不但不能起到應(yīng)有效果，有時可能將有用波形信息過濾掉，導(dǎo)致故障辨識失敗[9]。結(jié)構(gòu)元素的確定是非常困難的事情，至今沒有有效的理論解決該問題[10]。在本算法中，將梯度運算的結(jié)構(gòu)元素g1(n)寬度取1/2倍工頻周期。梯度計算結(jié)果如圖2所示：

圖2 數(shù)學(xué)形態(tài)梯度變換后波形

由圖中可以看出，通過梯度運算，邊沿被初步提取出來，無論是金屬性接還是單次放電，故障波形邊沿都被清晰的呈現(xiàn)出來。但波形中存在的大量噪聲會影響結(jié)果識別。而閉運算能使信號波形中的波谷填平，因此可以用來濾波。閉運算計算公式為：

相對于開運算，使用閉運算濾波更有利于設(shè)定閾值并將金屬性接地故障與間歇性電弧接地故障區(qū)分。因此，對梯度變換后的波形進行閉運算。為了更好的消除單次放電對識別結(jié)果產(chǎn)生的影響，結(jié)構(gòu)元素g2(n)的寬度取0.5到1倍工頻周期的寬度，結(jié)構(gòu)元素的原點在線段中心。結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)學(xué)形態(tài)閉運算后波形

圖3為故障波形梯度-閉運算變換最終結(jié)果。可以看到，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生金屬性接地故障時，故障相對地電壓波形經(jīng)過梯度-閉運算變換后，會跌落較大的幅度，波形的幅值從峰值跌至為0左右；當(dāng)發(fā)生單次放電故障時，變換后，其故障相放電對相電壓的擾動被濾掉，而電壓波形幾乎沒有較大波動，趨于直線；而在發(fā)生間歇性弧光接地故障時，故障電壓波形經(jīng)變換也會出現(xiàn)較大幅度的跌落，但由于間歇性故障不斷產(chǎn)生的奇異電壓信號，其波形經(jīng)變換后會產(chǎn)生不規(guī)律的方波，相比0 V要大得多。

3 仿真驗證

圖4 仿真電路

利用Simulink搭建仿真系統(tǒng)，如圖4，對艦船電網(wǎng)進行單相接地故障的仿真。仿真電源為能夠模擬船用發(fā)電機的恒壓源，線路電感和電阻均以實際發(fā)電機的參數(shù)進行設(shè)置。燃弧和熄弧的過程運用工頻熄弧理論進行仿真?；」饨拥氐倪^渡電阻設(shè)置為10 Ω。以上述兩種故障情況為對象，得到了在不同故障合閘角下的故障相波形。識別結(jié)果如表1所示。

表1 仿真驗證結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，不同故障合閘角對跳變幅度和跳變后的幅值差別很大，但其幅值并未超出閾值范圍，不影響故障類型的識別。所以，可以通過對故障相電壓進行梯度-閉運算變換來識別接地故障類型。

4 總結(jié)

本文在利用形態(tài)學(xué)COOCG算子識別接地故障類型方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的梯度-閉運算變換方法來識別單相接地故障類別。該方法能將故障相電弧電壓特征作為識別對象，將金屬性接地和間歇性接地區(qū)分開，并且在電纜單次放電的情況下具有良好的魯棒性。大量的仿真驗證了該方法在不同條件下對故障識別的有效性。

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