王建元，張 苛，宋月航

（1.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012；2.囯網(wǎng)四平供電公司，吉林 四平 136000）

我國(guó)3～66kV電網(wǎng)多采用小電流接地系統(tǒng)，大多數(shù)為中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地或經(jīng)消弧線圈接地方式［1］。近年來(lái)，10kV配電網(wǎng)接地故障的種類(lèi)日益復(fù)雜。不同接地故障原因引起的故障特征也不同［2］，根據(jù)其表現(xiàn)出的故障特征可對(duì)單相接地故障進(jìn)行多種分類(lèi)。按照過(guò)渡電阻的大小，可分為金屬性接地、低阻接地及高阻接地故障；按照故障持續(xù)時(shí)間，可分為瞬時(shí)性和永久接地故障；按照故障點(diǎn)電弧情況，分為弧光接地和穩(wěn)定性接地故障；按照故障持續(xù)狀態(tài)，可分為間歇性和持續(xù)性接地故障等［3］。本文主要是在某地區(qū)66kV變電站10kV側(cè)網(wǎng)架接線結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將66kV變電站運(yùn)行的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象。

1 基于雙數(shù)復(fù)小波與分形維數(shù)選線方法流程

相關(guān)流程見(jiàn)圖1，先進(jìn)行信息記錄，將零序電流信號(hào)初步篩選后，選取故障后半個(gè)周波，利用雙樹(shù)復(fù)小波進(jìn)行信號(hào)變換，得到特征頻帶的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值，之后進(jìn)行重構(gòu)。對(duì)重構(gòu)后的信號(hào)進(jìn)行求取關(guān)聯(lián)維數(shù)。分形關(guān)聯(lián)維數(shù)數(shù)值的大小作為區(qū)分故障線路與非故障線路之間的特征值。

圖1 綜合選線流程圖

2 小電流選線裝置不準(zhǔn)確原因及故障案例分析

2.1 基本情況

某66kV變電站10kV側(cè)共有4條出線，線路長(zhǎng)度最長(zhǎng)83.75km，最短為16.03km。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)見(jiàn)圖2、表1，其中導(dǎo)線型號(hào)都是JKLGYJ-240。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 現(xiàn)場(chǎng)小電流選線裝置不準(zhǔn)確原因分析［4］

表1 系統(tǒng)參數(shù)

零序電流采集方式影響。一是裝置自產(chǎn)零序電流，通過(guò)同一時(shí)刻三相電壓電流的矢量和得出零序電流，精確級(jí)別不夠，采樣數(shù)據(jù)有誤差；二是通過(guò)電纜外接穿芯電流互感器獲取零序電流，采集到的零序電流呈非線性變化，容易丟失信息。

當(dāng)發(fā)生金屬性接地和低阻接地時(shí)，故障線路相電壓降低至約0V；非故障相電壓升高至100V左右，零序電壓互感器（TV）飽和，電壓波形發(fā)生畸變，故障零序電流數(shù)值過(guò)大，電流出現(xiàn)周期性非線性變化。高阻接地時(shí)，電壓達(dá)到整定值后裝置啟動(dòng)，但各線路的電流波動(dòng)微弱，選線裝置在這種情況下失去判別能力。

數(shù)據(jù)采集間隔大?，F(xiàn)場(chǎng)錄波裝置采集的時(shí)間間隔是100μs，而故障發(fā)生的首個(gè)半波時(shí)間內(nèi)包含的信息量最大，瞬時(shí)故障持續(xù)時(shí)間只有3ms左右，這就導(dǎo)致裝置采集的故障信息只有30個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)左右，丟失重要的故障信息，造成裝置選線的準(zhǔn)確率下降。

間歇性不穩(wěn)定弧光接地的影響。在發(fā)生單相接地故障時(shí)，天氣變化、周邊環(huán)境對(duì)帶電線路有一定程度干擾等。這些都會(huì)造成電容電流的持續(xù)性波動(dòng)以及干擾線路中的諧波電流，影響選線。

發(fā)展性接地故障的影響。由于地理位置等因素某條出線會(huì)有潛在的誤報(bào)信號(hào)源［5］。當(dāng)其他線路發(fā)生接地故障時(shí)，存在真假故障情況，隨著時(shí)間推移，最后可能發(fā)展成穩(wěn)定接地故障，導(dǎo)致選線受擾。

配電系統(tǒng)中有80%以上的單相接地故障為瞬時(shí)性接地故障。由于故障初期暫態(tài)電流較大，故障信息多，所以利用故障暫態(tài)信息選線有一定的優(yōu)勢(shì)［6］。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，線路電流波形中會(huì)產(chǎn)生諧波，其中最大含量的諧波為五次諧波［7］。本文對(duì)雙數(shù)復(fù)小波、分形維數(shù)法進(jìn)行深入研究。雙樹(shù)復(fù)小波利用實(shí)部、虛部?jī)陕沸〔ㄗ儞Q對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)部、虛部小波變換濾波器之間正好相差一個(gè)采樣間隔，這樣虛部小波變換隔點(diǎn)采樣所得數(shù)據(jù)恰好是實(shí)部小波變換因隔點(diǎn)采樣所遺漏的數(shù)據(jù)，減少了數(shù)據(jù)的丟失，降低平移敏感性和系數(shù)震蕩。利用雙樹(shù)復(fù)小波變換對(duì)各條線路的零序電流進(jìn)行處理，得到各層小波分解的低頻系數(shù)和高頻系數(shù)，然后通過(guò)比較關(guān)聯(lián)維數(shù)大小就可以確定出故障線路，該方法大大提高了現(xiàn)場(chǎng)選線裝置的準(zhǔn)確性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障選線具有重大意義。

3 仿真及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

在進(jìn)行算例分析時(shí)，過(guò)渡電阻分別為0.1Ω和5 000Ω兩種規(guī)格，故障情況設(shè)置如下：L1首端20 km處發(fā)生故障；L1末端處經(jīng)高阻發(fā)生接地故障；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)綜合廠線發(fā)生不穩(wěn)定性弧光接地。

搭建與實(shí)際相仿的變電站模型后進(jìn)行計(jì)算，線路參數(shù)以變電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，其中L1、L2、L4電纜較短，L3電纜較長(zhǎng)（見(jiàn)圖3）。

圖3 變電站仿真圖

算例1：設(shè)定在線路L1發(fā)生單相接地，故障位置距離首端位置20km處，過(guò)渡電阻R=50Ω，合閘角0°，采樣頻率8kHz，故障時(shí)刻發(fā)生在0.04s，仿真時(shí)間0.2s.按首半波法取故障后半個(gè)周波數(shù)據(jù)。圖4為故障時(shí)刻320～400個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)各條線路零序電流。

通過(guò)雙樹(shù)復(fù)小波分解五次后，得到第五次分解系數(shù)，（5，1）序列即為五次諧波分量。提取分解的第五層小波系數(shù)后，對(duì)故障電流進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)（見(jiàn)圖5）。

為避免電流互感器（TA）飽和的影響，對(duì)重構(gòu)后的信號(hào)選取故障后各1／8周期數(shù)據(jù)進(jìn)行分形關(guān)聯(lián)維數(shù)計(jì)算。延遲時(shí)間τ計(jì)算取值為4。在3～9進(jìn)行嵌入維數(shù)計(jì)算。經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算與對(duì)比，嵌入維數(shù)m=5時(shí)，關(guān)聯(lián)維數(shù)D值趨于穩(wěn)定，可以滿足選線判據(jù)的要求。

圖4 算例1各條線路零序電流圖

圖5 算例1各條線路零序電流重構(gòu)

關(guān)聯(lián)維數(shù)即為關(guān)聯(lián)積分曲線的斜率，選取各條曲線線性度最好的區(qū)域進(jìn)行計(jì)算就能夠得到各條線路的關(guān)聯(lián)維數(shù)（見(jiàn)圖6）。通過(guò)計(jì)算曲線的斜率，得到各條線路的關(guān)聯(lián)積分曲線見(jiàn)圖7。L1、L2、L3、L4的關(guān)聯(lián)維數(shù)分別為1.17，1.57，1.48，1.48。結(jié)果表明，發(fā)生故障的線路1關(guān)聯(lián)維數(shù)最小。

算例2：設(shè)定在線路L1發(fā)生單相接地，故障位置在末端（距離首段40km）處，過(guò)渡電阻R=5 000 Ω，合閘角為90°，采樣頻率8kHz，故障時(shí)刻發(fā)生在0.04s，仿真時(shí)間0.2s。按首半波法取故障后半個(gè)周波數(shù)據(jù)。計(jì)算過(guò)程同算例1相同，圖8為故障時(shí)刻360～400個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)各條線路零序電流；圖9為各條線路零序電流重構(gòu)。

得到各條線路的關(guān)聯(lián)積分曲線見(jiàn)圖10。

求得各條線路的關(guān)聯(lián)維數(shù)，L1、L2、L3、L4分別為0.93，1.56，1.49，1.74。最終，通過(guò)改變故障合閘角、故障發(fā)生位置、過(guò)渡電阻等參數(shù)進(jìn)行了大量的仿真實(shí)驗(yàn)，將不同故障情況下的仿真結(jié)果進(jìn)行匯總，將兩種選線方法的綜合選線結(jié)果列于表2中。

圖6 算例1各條線路關(guān)聯(lián)維數(shù)

圖7 算例1各條線路關(guān)聯(lián)積分曲線

圖8 算例2各條線路零序電流

算例3：基于現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生L1線路A相發(fā)生不穩(wěn)定性弧光接地，15ms后又出現(xiàn)了接地情況，對(duì)所記錄的零序電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)維數(shù)的相關(guān)計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，關(guān)聯(lián)積分曲線見(jiàn)圖11。計(jì)算曲線的斜率，得到各條線路的關(guān)聯(lián)維數(shù)：L1、L2、L3、L4線路分別為0.89，1.05，1.15，1.18。

圖9 算例2各條線路零序電流重構(gòu)

圖10 算例2各線路關(guān)聯(lián)積分曲線

表2 選線結(jié)果匯總

綜合廠線發(fā)生故障，選線結(jié)果正確。發(fā)生故障線路的關(guān)聯(lián)維數(shù)值仍然最小，選線正確。故障線路關(guān)聯(lián)維數(shù)值不會(huì)受其變化影響，說(shuō)明關(guān)聯(lián)維數(shù)的大小不會(huì)受過(guò)渡電阻或是故障相角的變化而出現(xiàn)各條線路之間的關(guān)聯(lián)維數(shù)相近或不易區(qū)分的結(jié)果，由仿真結(jié)果可以看出在任何情況下都能正確選擇出故障線路。

圖11 算例3各線路關(guān)聯(lián)積分曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，本文提出基于暫態(tài)雙數(shù)復(fù)小波變換的提取故障零序電流的暫態(tài)方法并進(jìn)關(guān)聯(lián)維數(shù)計(jì)算，通過(guò)對(duì)比關(guān)聯(lián)維數(shù)大小進(jìn)行選線，兩種方法的結(jié)合對(duì)故障時(shí)刻暫態(tài)信息提取更準(zhǔn)確，且濾除了干擾信息，提高選線裝置的靈敏度。并通過(guò)仿真數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)理論加以驗(yàn)證，進(jìn)行了高阻、低阻及不穩(wěn)定性弧光接地的不同類(lèi)型故障分析，驗(yàn)證了此方法的正確性。