張　碩，顏　森，鄒溫冰，許明軍，張子文

（山東科技大學(xué)　電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東　青島　266000）

配電網(wǎng)單相接地故障暫態(tài)行波特征分析

張碩，顏森，鄒溫冰，許明軍，張子文

（山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島266000）

小電流接地系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)行波特征的分析，對(duì)配電網(wǎng)故障選線和故障定位具有重要意義。分析故障行波的產(chǎn)生原因，并通過(guò)卡倫鮑厄變換，實(shí)現(xiàn)三相線路的相模變換，推導(dǎo)出系統(tǒng)電壓和電流的零模和線模分量表達(dá)式。利用MATLAB搭建系統(tǒng)仿真模型，對(duì)不同條件下發(fā)生的單相接地故障進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明故障行波基本不受系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式和故障位置的影響，但故障發(fā)生時(shí)刻和接地點(diǎn)過(guò)渡電阻阻值的變化對(duì)系統(tǒng)故障行波的影響較為明顯，為基于暫態(tài)行波的故障選線和故障定位提供理論依據(jù)。

小電流；單相接地故障；卡倫鮑厄；MATLAB建模；暫態(tài)行波

0　引言

在我國(guó)的電力系統(tǒng)中，配電系統(tǒng)直接為用戶供電，同廣大電力用戶的關(guān)系最為密切。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電力需求量不斷增加，因此對(duì)電能的質(zhì)量也提出了更加苛刻的要求。而我國(guó)配電網(wǎng)多采用小電流接地系統(tǒng)，這是由于小電流接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)可繼續(xù)運(yùn)行1～2 h，可以有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性［1］。小電流接地系統(tǒng)故障定位方法可以分為主動(dòng)式定位方法和被動(dòng)式定位方法兩類，主動(dòng)式定位方法主要包括：加信傳遞函數(shù)法、注入信號(hào)尋蹤法和端口故障診斷法等。被動(dòng)式定位方法主要包括：阻抗法、5次諧波法和行波法等［2］。

心臟神經(jīng)官能癥又可稱為“心血管神經(jīng)癥”，是由于神經(jīng)功能失衡、內(nèi)分泌系統(tǒng)失調(diào)、心血管功能紊亂等的綜合征，在臨床中十分常見(jiàn)，尤以青年、壯年女性最為多見(jiàn)[1] 。本病的臨床表現(xiàn)多樣，如心悸、氣短、緊張、焦慮、汗出、頭痛及失眠、多夢(mèng)等[2] ，嚴(yán)重困擾著廣大患者，給生活及健康造成不利的影響。西醫(yī)治療本病以β受體阻滯劑為主，但不能有效改善患者的癥狀。筆者近年來(lái)自擬杞竹地黃丸治療本病，效果理想，現(xiàn)報(bào)告如下。

行波法原理簡(jiǎn)單，且定位精度較高，目前已經(jīng)成為高壓輸電線路故障定位的一種重要方法。行波法是利用故障發(fā)生時(shí)刻故障點(diǎn)產(chǎn)生的電壓、電流行波進(jìn)行定位，可分為單端測(cè)距原理和雙端測(cè)距原理。目前已提出的行波測(cè)距方法有A、B、C、D、E、F型6種，其中A、C、E、F為單端測(cè)距；B、D為雙端測(cè)距。A型和D型已在我國(guó)高壓和超高壓交直流輸電線路中大量應(yīng)用，測(cè)量誤差較小，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益［3］。

但是由于配電線路錯(cuò)綜復(fù)雜，且出線較多，行波在配電線路傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生復(fù)雜的折射和反射，為故障定位裝置提取行波波頭增加了難度［4］。因此，分析小電流接地系統(tǒng)不同故障情況下的暫態(tài)行波特征，對(duì)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)行波故障定位具有重要的意義。首先在理論基礎(chǔ)上分析行波的產(chǎn)生過(guò)程，然后對(duì)不同條件下的單相接地故障進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證利用行波特征進(jìn)行故障選線和故障定位的可行性。

1　故障行波信息分析

伴隨著配電網(wǎng)絡(luò)單相金屬性接地故障的發(fā)生，在故障點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)電壓突變的現(xiàn)象，導(dǎo)致線路中出現(xiàn)電弧暫態(tài)行波的過(guò)程，利用疊加原理對(duì)故障暫態(tài)行波進(jìn)行分析［5］。當(dāng)系統(tǒng)中某條出線發(fā)生接地故障的瞬間，可將其等價(jià)為在該線路故障點(diǎn)處增加一個(gè)虛擬電源，該電源電壓與故障前該線路相電壓大小相等且方向相反。故障暫態(tài)行波的波源就來(lái)自于這個(gè)突然增加的虛擬電源。同時(shí)，可以將故障后的網(wǎng)絡(luò)等價(jià)為故障分量網(wǎng)絡(luò)和故障前負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)的疊加［6］。如圖1（c）和（d）所示。

專業(yè)核心課程設(shè)置是課程課題體系設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，也是體現(xiàn)人才培養(yǎng)方向的重要指標(biāo)。2017年安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)提出“新經(jīng)管”學(xué)科建設(shè)戰(zhàn)略以來(lái)，安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)財(cái)政學(xué)專業(yè)在核心課程設(shè)置上進(jìn)行了充分改革，弱化純理論性質(zhì)的課程安排，重視計(jì)算機(jī)使用課程、軟件程序編寫、網(wǎng)絡(luò)安全等通識(shí)、基礎(chǔ)工具性課程，強(qiáng)調(diào)“以學(xué)生為根本服務(wù)對(duì)象，以學(xué)科建設(shè)為主要抓手”，夯實(shí)教學(xué)改革與發(fā)展基礎(chǔ)。

圖1　行波的產(chǎn)生及分析

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)處將會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)行波。但在實(shí)際的電力系統(tǒng)中，每條線路三相之間存在電磁耦合，且各相線路與大地之間還有耦合電容的存在，從而導(dǎo)致在分析故障暫態(tài)分量特征的過(guò)程中，直接求解相電流和相電壓比較復(fù)雜，不利于我們對(duì)故障暫態(tài)信號(hào)的分析［7］。所以要通過(guò)相模變換將三相互相耦合的系統(tǒng)解耦成3個(gè)互相獨(dú)立、沒(méi)有電磁耦合的系統(tǒng)?？梢岳每▊愼U厄變換，實(shí)現(xiàn)三相線路的相模變換［8］。

對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，在距離母線1 km處仿真不同發(fā)生時(shí)刻和不同接地點(diǎn)過(guò)渡電阻情況下的故障波形。

納入病例后發(fā)現(xiàn)不符合納入標(biāo)準(zhǔn)或未能按照治療方案完成治療的患者；未按規(guī)定用藥者或接受其他治療者；貼敷過(guò)敏者；發(fā)生嚴(yán)重不良事件或并發(fā)癥，無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行治療者。

由圖6可以明顯看出，隨著接地點(diǎn)過(guò)渡電阻的逐漸增大，系統(tǒng)中電壓行波的幅值相應(yīng)減小。過(guò)渡電阻對(duì)系統(tǒng)電壓行波的影響較大。

結(jié)合式（1）、式（2）以及故障點(diǎn)向量邊界條件即可推導(dǎo)出電壓和電流的零模和線模分量表達(dá)式

2　電力系統(tǒng)模型搭建以及故障行波仿真分析

2.1電力系統(tǒng)仿真模型搭建

由圖4可以明顯看出，在不同的中性點(diǎn)接地方式下，系統(tǒng)各個(gè)出線中的電壓行波波形基本保持不變。

2.1.1 氮。2012年全市葉片氮平均含量為2.56%(表1)，說(shuō)明煙臺(tái)市果園氮的使用量在較高水平，果樹減氮迫在眉睫。蘋果葉片氮素降至2.2%以下，蘋果可能出現(xiàn)大小年現(xiàn)象，要特別注意疏果和不要強(qiáng)調(diào)改善蘋果色澤而減少氮的供應(yīng)。N∶K比例，對(duì)于富士、元帥等硬的品種為(1.25～1.50)∶1.00。2012年全市測(cè)定葉片N∶K為2.19∶1.00，減氮增鉀十分迫切。

為了更好地分析配電網(wǎng)絡(luò)在發(fā)生單相接地故障過(guò)程中故障行波的特征，構(gòu)建簡(jiǎn)單的10 kV中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。本網(wǎng)絡(luò)共有3條出線，即線路1、線路2和線路3，長(zhǎng)度分別為15 km、17 km和16 km。且故障發(fā)生在線路3距離母線1 km處，如圖2所示。

圖2　中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障示意

圖3為依據(jù)圖2利用MATLAB/Simulink工具箱搭建的10 kV中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)仿真模型，線路分別為：line1、line2、line3和line4，線路長(zhǎng)度分別為15 km、17 km、1 km、15 km。其中單相接地故障發(fā)生在系統(tǒng)第三條出線距離母線1 km處。各條線路均設(shè)有電壓電流采集模塊和示波器模塊，方便讀取系統(tǒng)波形。

在對(duì)系統(tǒng)電壓行波提取的過(guò)程中，利用“to file”模塊將線路中的三相電壓數(shù)據(jù)以變量的方式保存在MATLAB的work子目錄下，依據(jù)這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定的算法即可提取單相接地故障發(fā)生時(shí)各出線的電壓行波，具體方法如下：首先以故障點(diǎn)為時(shí)間參考點(diǎn)，用故障之后的線路電壓減去故障之前的，即可得到三相電壓的暫態(tài)值；然后計(jì)算電壓的各模量值，方法是利用公式對(duì)三相電壓暫態(tài)量進(jìn)行卡倫鮑厄變換；最后利用分模量提取矩陣提取每個(gè)電壓行波的模量值。

圖3　電力系統(tǒng)仿真模型

由圖5可知，故障發(fā)生時(shí)刻對(duì)系統(tǒng)電壓行波的波形影響較大，這是由于故障時(shí)刻0.020 s、0.022 5 s、0.025 s分別對(duì)應(yīng)故障相電壓初相角的0°、45°、90°。而初相角為0°時(shí)，對(duì)應(yīng)的故障相相電壓處于過(guò)零點(diǎn)，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的故障暫態(tài)過(guò)程較為微弱。隨著相角的增大直到初相角為90°時(shí)，故障相相電壓達(dá)到峰值，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的故障暫態(tài)過(guò)程最為強(qiáng)烈。從而導(dǎo)致在系統(tǒng)不同時(shí)刻發(fā)生單相接地故障時(shí)的電壓行波有較大的區(qū)別，但現(xiàn)實(shí)情況是單相接地故障大多發(fā)生在電壓峰值處。

改變系統(tǒng)模型，分別仿真中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在0.005 s距離母線1 km處發(fā)生單相接地故障時(shí)的電壓行波波形?？傻酶鱾€(gè)出線的電壓行波，如圖4所示。

由于數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果基于人工智能創(chuàng)作結(jié)果而產(chǎn)生，鑒于人工智能強(qiáng)大的計(jì)算能力和由此而來(lái)的巨大的數(shù)據(jù)生成量，考慮到人工智能自動(dòng)完成數(shù)據(jù)挖掘的可能性，賦予挖掘結(jié)果的特別知識(shí)產(chǎn)權(quán)在排他性方面不宜過(guò)強(qiáng)。權(quán)利內(nèi)容應(yīng)主要排斥對(duì)數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果的競(jìng)爭(zhēng)性商業(yè)復(fù)制和傳播，對(duì)于自然人的非競(jìng)爭(zhēng)性使用要給出足夠的空間。對(duì)于涉及教育和表達(dá)自由的使用者利益要給予充分考慮，防范在計(jì)算力強(qiáng)大的機(jī)器智能的擠壓下人類創(chuàng)作空間的萎縮。

圖4　不同中性點(diǎn)接地方式單相接地故障電壓行波波形

2.3故障發(fā)生時(shí)刻和接地過(guò)渡電阻對(duì)故障行波信號(hào)的影響

式中：x0為電流或電壓的零模分量；x1、x2為電流或電壓的線模分量。

通過(guò)打通行業(yè)內(nèi)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)孤島，關(guān)聯(lián)不同業(yè)務(wù)間的數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)產(chǎn)生更多的價(jià)值，為高速公路管理及其他行業(yè)提供可靠的輔助決策依據(jù)。

首先，接地點(diǎn)故障電阻設(shè)置為單相金屬性接地，分別在0.020 s、0.022 5 s和0.025 s時(shí)刻進(jìn)行故障仿真。仿真波形如圖5所示。

2.2不同接地方式對(duì)故障行波信號(hào)的影響

第二，審計(jì)單位要建立健全企業(yè)經(jīng)濟(jì)責(zé)任審計(jì)工作的各項(xiàng)規(guī)章制度，確保科學(xué)、全面、合理。這樣可以規(guī)范審計(jì)人員的行為，防止出現(xiàn)私自簡(jiǎn)化流程的情況。

圖5　不同故障時(shí)刻各線路電壓行波波形

設(shè)置系統(tǒng)為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，在0.025 s時(shí)刻發(fā)生單相接地故障。調(diào)整故障模塊，分別設(shè)置接地點(diǎn)過(guò)渡電阻為0.001 Ω、500 Ω和1 000 Ω，仿真波形如圖6所示。

她講自己的倒霉事，還把自己給逗樂(lè)了。這個(gè)女生也太呆萌了。他突然很想保護(hù)她，想讓她的運(yùn)氣配得上她的樂(lè)觀。

圖6　不同過(guò)渡電阻情況下各線路的電壓行波

假設(shè)線路零模波阻抗和線模波阻抗分別為Z0和Z1、Z2，則線路中電壓和電流行波的各模分量即可表示為

2.4故障距離對(duì)零序分量的影響

對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，在故障時(shí)刻為0.025 s，故障距離分別在5 km、8 km、11 km處進(jìn)行故障仿真，得到系統(tǒng)故障線路的零序電壓和零序電流波形如圖7所示。

圖7　不同故障距離的零序電壓和電流波形

仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)故障線路中的零序電壓和零序電流受單相接地故障發(fā)生距離影響較小。

2.5線電壓波形特征

仿真中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，在距離母線1 km處，0.025 s時(shí)刻檢測(cè)線路3的A相、B相、C相三相線路分別發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí)故障線路線電壓的變化情況，如圖8所示。

由圖8可以觀察到，當(dāng)A相發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí)，對(duì)應(yīng)故障線路中的線電壓Uab、Uca具有明顯的暫態(tài)過(guò)程，而線電壓Ubc沒(méi)有明顯的過(guò)渡過(guò)程。同樣的，當(dāng)B相和C相發(fā)生故障時(shí)，相應(yīng)的Uca和Uab沒(méi)有明顯的過(guò)渡過(guò)程，據(jù)此可推斷出故障線路的故障相。

圖8　金屬性接地故障時(shí)線路線電壓波形

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)搭建的電力系統(tǒng)模型，分別仿真了在不同中性點(diǎn)接地方式、不同故障位置、不同故障發(fā)生時(shí)刻以及不同接地點(diǎn)過(guò)渡電阻等情況下，系統(tǒng)故障波形的變化可知，基于暫態(tài)行波信息的故障選線及定位方法，受中性點(diǎn)接地方式的影響較小，受接地故障發(fā)生時(shí)刻和接地點(diǎn)過(guò)渡電阻阻值的影響較大；另外，暫態(tài)零序電流、電壓分量受故障距離變化的影響較?。豢赏ㄟ^(guò)觀察故障線路線電壓波形是否存在暫態(tài)分量，確定故障線路中的故障相。

［1］劉巍，張建勛，徐亮，等.行波測(cè)距技術(shù)在500 kV輸電線路上的應(yīng)用［J］.華北電力技術(shù)，2007（12）：27-29，33.

［2］姜博，董新洲，施慎行.基于單相電流行波的配電線路單相接地故障選線方法［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（34）：6 216-6 227.

［3］楊晨.基于改進(jìn)能量算法的小電流接地選線原理研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2012.

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Transient Traveling Wave Characteristics of Single Phase to Earth Fault in Power Distribution Network

ZHANG Shuo，YAN Sen，ZOU Wenbing，XU Mingjun，ZHANG Ziwen
（College of Electrical and Automation Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266000，China）

Analysis of transient traveling wave characteristics of the small current grounding system with single phase to ground fault is very important for fault location in power distribution network.By analyzing traveling wave fault causes and achieving phase mode transformation of the three-phase line by means of Karrenbauer transformation，the zero mode and line mode component expression of system voltage and current are analyzed.Using MATLAB to build the system simulation model，single-phase grounding faults occurred under different conditions are simulated.Results show that the traveling wave fault is not affected by the neutral point grounding mode and fault location，but it is affected by the transition resistance change of grounding point.Results provide theoretical basis for fault location of transient traveling wave.

small current；single-phase ground fault；Karrenbauer；MATLAB modeling；transient traveling wave

TM773

A

1007-9904（2016）01-0028-05

2015-07-17

張碩（1990），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制。