李越宇，喻 錕，曾祥君，毛 宇

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

隨著配電網(wǎng)不斷地深入用戶終端，其運(yùn)行條件復(fù)雜多變，極易發(fā)生故障，其中80%約為單相接地故障，且相間故障也多由未及時(shí)檢測(cè)并處理的單相接地故障發(fā)展形成。當(dāng)發(fā)生高阻接地故障(樹(shù)障、避雷器不完全擊穿等)時(shí)，過(guò)渡電阻往往高達(dá)數(shù)千歐姆，故障特征量十分微弱，中性點(diǎn)位移電壓遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的15%相電壓，現(xiàn)有接地故障檢測(cè)方法對(duì)高阻故障檢測(cè)困難，故障點(diǎn)過(guò)渡介質(zhì)持續(xù)放電直至過(guò)渡電阻降低至可檢測(cè)范圍時(shí)，檢測(cè)裝置方可識(shí)別，未識(shí)別期間可能導(dǎo)致故障擴(kuò)大，嚴(yán)重威脅人身設(shè)備安全[1-3]。

為解決配電網(wǎng)高阻接地故障檢測(cè)難題，文獻(xiàn)[4-5]分別提取接地故障前后的三相工頻電流，根據(jù)其變化情況計(jì)算故障點(diǎn)殘流，進(jìn)一步計(jì)算過(guò)渡電阻阻值，但是該方法易受三相互感器不平衡的影響；文獻(xiàn)[6]采用注入信號(hào)法，測(cè)量零序電壓變化量判斷故障，該方法需要接入大電源，且投資高、控制復(fù)雜；文獻(xiàn)[7]通過(guò)注入信號(hào)測(cè)量配電網(wǎng)阻尼率，根據(jù)故障過(guò)渡電阻產(chǎn)生的增量阻尼率辨識(shí)故障，對(duì)金屬性、低阻接地故障效果明顯，但是高阻故障時(shí)往往無(wú)法達(dá)到啟動(dòng)值；文獻(xiàn)[8]通過(guò)分析暫態(tài)零序電流在暫態(tài)零序電壓上投影系數(shù)的差異，提出了高阻接地故障辨識(shí)方法，是一種方向保護(hù)的拓展，前提是需要有效地捕捉持續(xù)時(shí)間段的暫態(tài)信號(hào)，且該方法會(huì)受到電力電子設(shè)備高頻諧波的干擾；文獻(xiàn)[9]將改進(jìn)非負(fù)矩陣分解算法引入到配電網(wǎng)故障檢測(cè)中，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障檢測(cè)功能，但并未提及高阻接地故障的有效感知。

本文針對(duì)配電網(wǎng)高阻接地故障檢測(cè)困難的問(wèn)題，建立了由配電網(wǎng)中性點(diǎn)處注入特征信號(hào)等效回路，并分析了單相接地故障時(shí)的特征，結(jié)合本課題組注入信號(hào)方面的研究結(jié)果，提出了一種注入信號(hào)法與穩(wěn)態(tài)法相結(jié)合的故障辨識(shí)方法，對(duì)由故障過(guò)渡電阻產(chǎn)生的增量阻尼率進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)故障特征量的有效放大，達(dá)到有效辨識(shí)的目的，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 配電網(wǎng)單相接地故障特征分析

圖1 單相接地故障時(shí)的配電網(wǎng)等值接線Figure 1 Equivalent wiring diagram of distribution network in case of single-phase ground fault

為方便分析故障點(diǎn)殘流，假設(shè)系統(tǒng)進(jìn)行了完全換位(CA=CB=CC=C0，rA=rB=rC=r0)，且負(fù)荷對(duì)稱。利用戴維南定理對(duì)圖1進(jìn)行等效變換，得到單相接地故障時(shí)的配電網(wǎng)零序等值回路，如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)零序等效回路Figure 2 Zero sequence equivalent circuit of distribution network

(1)

式中Ig為殘流中的有功分量，Ig=U0G；IC為對(duì)地電容電流，IC=3ωC0U0；IL為消弧線圈電感電流；d為系統(tǒng)阻尼率，d=Ig/IC，一般用百分比表示；v為諧振接地配電網(wǎng)的失諧度，v=(IC-IL)/IC，一般用百分比表示，且v=1-K，其中K為諧振接地配電網(wǎng)的合諧度。

由式(1)可知，殘流的大小、相位與系統(tǒng)參數(shù)阻尼率和失諧度相關(guān)。由于消弧線圈一般設(shè)置為靠近諧振點(diǎn)運(yùn)行，v為定值，因此通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)算系統(tǒng)阻尼率，可對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效地識(shí)別。

（一）片面理解“以讀為本”的內(nèi)涵。新課程指出，閱讀教學(xué)要“以讀為本”。確實(shí)，“讀”是閱讀教學(xué)永恒的主題。“以讀為本”是閱讀教學(xué)的基本理念。但“讀”不僅僅體現(xiàn)為書聲瑯瑯的有聲朗讀，還有同樣重要的靜思默讀。《語(yǔ)文課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：“各個(gè)學(xué)段的閱讀教學(xué)都要重視朗讀和默讀，加強(qiáng)對(duì)閱讀方法的指導(dǎo)?！倍覍?duì)各學(xué)段的閱讀教學(xué)均提出了明確的要求。眾所周知，語(yǔ)文課程目標(biāo)之一是“養(yǎng)成語(yǔ)文學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣，掌握最基本的語(yǔ)文學(xué)習(xí)方法”。

由式(1)可知，配電網(wǎng)阻尼率d=Ig/IC，即殘流中阻性電流與容性電流之比。考慮到故障零序等效回路中各電流滿足：

Ig=Ir0+IrL+Ird

(2)

因此，故障時(shí)諧振接地配電網(wǎng)的阻尼率由3部分組成，即

d=

(3)

2 基于注入信號(hào)的配電網(wǎng)對(duì)地導(dǎo)納測(cè)量方法

為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)單相接地故障高靈敏度辨識(shí)，需有效地測(cè)量系統(tǒng)對(duì)地導(dǎo)納參數(shù)。現(xiàn)有的對(duì)地參數(shù)測(cè)量方法包括直接法、間接法、注入信號(hào)法。間接法又包括外加電容、外加電壓、調(diào)諧法、變頻法等。其中直接法、間接法均需要改變系統(tǒng)一次參數(shù)或系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，操作復(fù)雜且有人身觸電危險(xiǎn)并不適用于實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)。同時(shí)，為配合本文多頻導(dǎo)納的測(cè)量需要，采用注入信號(hào)法測(cè)量系統(tǒng)阻尼率。

通過(guò)消弧線圈內(nèi)部電壓互感器向配電網(wǎng)注入一變頻率恒幅值的小電流信號(hào) ，注入信號(hào)的同時(shí)通過(guò)配電網(wǎng)零序電壓互感器測(cè)量反饋的特征頻率電壓信號(hào)，注入信號(hào)等效流通回路如圖3所示。計(jì)算頻率為fi下配電網(wǎng)的阻尼率為

圖3 注入信號(hào)等效流通回路Figure 3 Injection signal equivalent flow circuit

(4)

式中IiR為注入電流的實(shí)部；IiC為注入電流的虛部；αi為注入電流信號(hào)與反饋電壓的相角差，即注入特定頻率信號(hào)的功角。

圖4 注入特征信號(hào)簡(jiǎn)化等效回路Figure 4 Injecting characteristic signals to simplify equivalent circuits

由圖4可知，頻率為fi下系統(tǒng)等效對(duì)地導(dǎo)納為

Yi=

(5)

消弧線圈等效電感L可根據(jù)擋位設(shè)定獲取，通過(guò)計(jì)算即可解得系統(tǒng)對(duì)地導(dǎo)納參數(shù)。對(duì)圖1中配電網(wǎng)模型，注入變頻信號(hào)后測(cè)得配電網(wǎng)反饋電壓信號(hào)如圖5所示。

圖5 反饋電壓信號(hào)Figure 5 Feedback voltage signal

其頻率fi為一個(gè)關(guān)于時(shí)間t變化的函數(shù)，fi=10t，Hz(每次改變信號(hào)頻率后維持注入信號(hào)不變，一段時(shí)間后進(jìn)行下一次增頻)。在5.425 s時(shí)，測(cè)量反饋電壓信號(hào)幅值有最大值，證明系統(tǒng)總對(duì)地電納與消弧線圈電感發(fā)生非工頻并聯(lián)諧振，諧振頻率fim為54.25 Hz，對(duì)應(yīng)該頻率下系統(tǒng)對(duì)地導(dǎo)納最小。此時(shí)滿足：

(6)

對(duì)地導(dǎo)納參數(shù)為

(7)

(8)

本文所提注入信號(hào)測(cè)量配電網(wǎng)導(dǎo)納的方法可實(shí)時(shí)測(cè)量配電網(wǎng)參數(shù)，不受系統(tǒng)運(yùn)行方式及高頻干擾的影響；從二次側(cè)完成測(cè)量，不影響系統(tǒng)一次側(cè)正常運(yùn)行，測(cè)量過(guò)程便捷可靠。

3 基于多頻增量阻尼率的高阻接地故障辨識(shí)方法

10 kV配電網(wǎng)通常為環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)開(kāi)環(huán)運(yùn)行，一般運(yùn)行狀態(tài)下為輻射型網(wǎng)絡(luò)。發(fā)生單相接地故障時(shí)，絕大多數(shù)情況為電阻性接地，等效于在故障點(diǎn)與大地之間增加一電導(dǎo)支路，該支路的存在使得線路零序?qū)Ъ{和阻尼率等參數(shù)發(fā)生變化。正常時(shí)，線路對(duì)地零序?qū)Ъ{包括對(duì)地電納和對(duì)地泄露電導(dǎo)，當(dāng)故障過(guò)渡電導(dǎo)支路加入后，與線路對(duì)地導(dǎo)納形成并聯(lián)，這樣故障線路的對(duì)地導(dǎo)納增大，非故障線路基本保持不變，系統(tǒng)的總對(duì)地導(dǎo)納增大。

10 kV配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，架空線路的阻尼率約為3%～5%，線路絕緣受潮時(shí)可達(dá)8%～10%；電纜線路阻尼率較小，約為2%～4%，當(dāng)絕緣老化時(shí)會(huì)增加至10%。

由于不同規(guī)模的配電網(wǎng)參數(shù)大不相同，一般情況下，辨識(shí)故障發(fā)生的配電網(wǎng)阻尼率整定值dset為20%，此時(shí)接地故障過(guò)渡電阻約為200～400 Ω；整定值dset為15%時(shí)，過(guò)渡電阻阻值約為400～600 Ω。對(duì)于過(guò)渡電阻大于1 000 Ω甚至更高的高阻，接地單頻阻尼率辨識(shí)方法將失效?；诖?，本文提出基于多頻導(dǎo)納測(cè)量的多頻阻尼率接地故障辨識(shí)方法。

針對(duì)高阻接地故障時(shí)系統(tǒng)阻尼率變化不明顯的情況，提出多頻阻尼率增量累加原理，具體包括：頻域處理，計(jì)算不同頻率的對(duì)地導(dǎo)納Yi、阻尼率di參數(shù)；時(shí)域處理，將不同時(shí)刻的多頻率下的對(duì)地導(dǎo)納、阻尼率參數(shù)，進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋?jì)算得出因接地故障過(guò)渡電阻產(chǎn)生的增量阻尼率ddi，進(jìn)而進(jìn)行累加，實(shí)現(xiàn)接地故障特征多次放大。

頻率為fi下增量阻尼率為

ddi=

(9)

式中d0i為fi頻率下的固有阻尼率；dLi為fi頻率下的消弧線圈附加阻尼率。消弧線圈的補(bǔ)償容量的表達(dá)式為QL=ILUph，因此百分值形式下表示頻率為fi的消弧線圈有功損耗為

(10)

即Pi為消弧線圈有功電流與電感電流之比，或感抗與等值損耗電阻之比。聯(lián)立式(9)、(10)得：

ddi=

(11)

式中G、C為測(cè)量量；g0、rL均為固有量；ωi為輸入量。

為盡量避免ddi受注入信號(hào)頻率的影響，提出2種規(guī)避方法：方法1，采用靠近工頻(f±5 Hz)的多頻增量阻尼率進(jìn)行累加，盡可能地接近工頻消除誤差，具體參數(shù)需根據(jù)配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行設(shè)定；方法2，由于測(cè)量配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)G、C時(shí)存在誤差，考慮最優(yōu)注入信號(hào)時(shí)方法1通常不再適用，提出歸一化整定方法，即將不同頻率下的增量阻尼率ddi歸算到工頻角頻率ω0，則歸算后的增量阻尼率為

(12)

對(duì)多頻增量阻尼率進(jìn)行疊加并進(jìn)行整定，即

(13)

式中g(shù)set為整定過(guò)渡電導(dǎo)；rdset為期望測(cè)量的過(guò)渡電阻阻值；n為多頻增量阻尼率疊加次數(shù)，其值受期望測(cè)量的最大過(guò)渡電阻阻值影響(一般過(guò)渡電阻為1 kΩ時(shí)，n取2或3；INT(x)為取整函數(shù))。

根據(jù)式(13)進(jìn)行逐次累加整定，直到第n次，期間滿足整定不等式時(shí)判斷發(fā)生接地故障；當(dāng)累加至第n次時(shí)未滿足條件且出現(xiàn)中性點(diǎn)電壓位移，判斷配電網(wǎng)為三相不平衡狀態(tài)。

基于多頻增量阻尼率的接地故障辨識(shí)流程如圖6所示，故障辨識(shí)步驟如下。

圖6 接地故障辨識(shí)Figure 6 Ground fault identification flowchart

1)定時(shí)向配電網(wǎng)注入恒幅變頻電流信號(hào)，或?qū)崟r(shí)向配電網(wǎng)注入n個(gè)同幅異頻電流信號(hào)，測(cè)量多頻反饋電壓信號(hào)。

2)計(jì)算不同頻率下的總對(duì)地泄露電導(dǎo)G、總對(duì)地泄露電容C，進(jìn)而計(jì)算阻尼率di、增量阻尼率ddi參數(shù)并對(duì)后者進(jìn)行歸算。

3)對(duì)增量阻尼率進(jìn)行疊加并進(jìn)行整定，依據(jù)判據(jù)，進(jìn)行故障辨識(shí)。

結(jié)合文第2章所提注入信號(hào)法，測(cè)量并計(jì)算獲得系統(tǒng)多頻增量阻尼率，進(jìn)而進(jìn)行疊加，放大高阻接地故障特征，實(shí)現(xiàn)高阻接地故障辨識(shí)，該方法不受系統(tǒng)高頻噪聲的干擾，且可靠性高。

4 算例分析

在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建如圖1所示的10 kV諧振接地配電網(wǎng)模型，參數(shù)設(shè)置如表1所示，并對(duì)低阻接地故障、高阻接地故障、弧光接地故障分別進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證。

表1 10 kV配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)Table 1 10 kV distribution network ground parameters

4.1 多頻導(dǎo)納測(cè)量

經(jīng)消弧線圈電壓互感器向配電網(wǎng)注入非工頻電流，通過(guò)中性點(diǎn)零序電壓互感器測(cè)量反饋電壓信號(hào)。固定頻率為70 Hz，初相角為0°，改變幅值測(cè)量結(jié)果如表2所示。

由表2可知，返回電壓信號(hào)幅值隨注入定頻信號(hào)幅值的增大而增大，相對(duì)誤差隨之減小，一定程度上提高了測(cè)量精度。固定幅值1 A，初相角0 °，改變頻率測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表2 改變注入信號(hào)幅值的對(duì)地參數(shù)測(cè)量結(jié)果Table 2 Measurement results of ground parameters with varying amplitude of injected signal

表3 改變注入信號(hào)頻率的對(duì)地參數(shù)測(cè)量結(jié)果Table 3 Measurement results of ground parameters that change the frequency of the injected signal

隨著注入信號(hào)頻率的增加電壓互感器磁阻降低，且勵(lì)磁阻抗變大，勵(lì)磁電流減小，有效地降低了由PT勵(lì)磁阻抗造成的影響，大大地提高了測(cè)量精度。理論上提高注入頻率可減小測(cè)量誤差，但隨頻率升高會(huì)導(dǎo)致反饋信號(hào)小易受噪聲及電力電子開(kāi)關(guān)設(shè)備的干擾，并對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備造成影響。

4.2 單相接地故障辨識(shí)

配電網(wǎng)單相接地故障導(dǎo)致中性點(diǎn)電壓偏移，故障點(diǎn)殘流大小受過(guò)渡電阻阻值的影響。仿真在0.05 s時(shí)設(shè)置接地故障，低阻接地、高阻接地、弧光接地故障[10]波形如圖7～9所示。

圖7 單相200 Ω低阻接地故障殘流Figure 7 Single-phase 200 Ω low resistance ground fault residual current

低阻接地故障時(shí)暫態(tài)特征明顯，通過(guò)采集暫態(tài)特征信號(hào)即能有效辨識(shí)接地故障，但是經(jīng)高阻抗接地或發(fā)生弧光高阻接地故障時(shí)該方法易受系統(tǒng)噪聲的干擾，很難有效地捕捉故障暫態(tài)信號(hào)?；诙囝l導(dǎo)納測(cè)量的接地故障辨識(shí)結(jié)果如表4。分別對(duì)不同啟動(dòng)值dset、不同過(guò)渡電阻、不同故障距離情況進(jìn)行仿真，通過(guò)式(13)計(jì)算得到故障辨識(shí)情況及過(guò)渡電阻范圍。

圖8 單相1 500 Ω高阻接地故障殘流Figure 8 Single-phase 1 500 Ω high impedance ground fault residual current

圖9 單相間歇性弧光接地故障點(diǎn)殘流Figure 9 Single-phase intermittent arc light ground fault point residual current

表4 不同故障情況下辨識(shí)結(jié)果Table 4 Identification results under different fault conditions

從表4可知，不同故障情況時(shí)，單一頻率下測(cè)量阻尼率參數(shù)無(wú)法辨識(shí)高阻故障，對(duì)歸一化后多頻率下的增量阻尼率進(jìn)行疊加，放大了高阻接地故障特征，達(dá)到故障判斷啟動(dòng)值。通過(guò)設(shè)置不同的整定值rset約束增量阻尼率的疊加次數(shù)，仿真結(jié)果顯示，通過(guò)故障辨識(shí)啟動(dòng)值與整定值的合理配置，該方法均可有效地判斷1 kΩ以上的接地故障，驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果。

為了驗(yàn)證本文所提方法不受電力電子開(kāi)關(guān)頻率以及系統(tǒng)噪聲的影響，本文在仿真中疊加了不同分貝的高斯白噪聲，圖10為30 db白噪聲情況下高阻接地故障殘流，正常時(shí)中性點(diǎn)電壓已發(fā)生偏移，故障辨識(shí)結(jié)果如表5所示。由于該方法本質(zhì)上是對(duì)穩(wěn)態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行處理，受系統(tǒng)干擾影響小。系統(tǒng)中存在30 db高斯白噪聲時(shí)依然能夠有效地判斷過(guò)渡電阻為1 kΩ以上的接地故障。

圖10 30 db白噪聲情況下高阻接地故障殘流Figure 10 High-resistance ground fault residual current under 30 db white noise

表5 含噪聲情況下故障辨識(shí)結(jié)果Table 5 Failure identification results with noise

5 結(jié)語(yǔ)

配電網(wǎng)發(fā)生高阻接地故障時(shí)，中性點(diǎn)位移電壓較小，傳統(tǒng)的接地故障判據(jù)無(wú)法有效地判斷故障發(fā)生。本文提出了基于多頻導(dǎo)納測(cè)量的配電網(wǎng)接地故障辨識(shí)方法，通過(guò)注入多頻信號(hào)測(cè)得配電網(wǎng)多頻對(duì)地導(dǎo)納，計(jì)算對(duì)應(yīng)頻率下的增量阻尼率并進(jìn)行疊加，多次放大故障特征，能夠準(zhǔn)確辨識(shí)高阻接地故障，大大地提高故障判斷的準(zhǔn)確率。

本文所提方法將注入信號(hào)法與穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行融合，有效地避免了參數(shù)測(cè)量時(shí)高頻分量的干擾以及諧波信號(hào)微弱、缺失對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；有效地規(guī)避了判定故障時(shí)暫態(tài)信號(hào)提取困難的問(wèn)題，提高了高阻接地故障辨識(shí)的穩(wěn)定性。

下一步將多頻導(dǎo)納、多頻增量阻尼疊加的方法與智能算法相結(jié)合，提出無(wú)需整定的高阻接地故障辨識(shí)方法，進(jìn)一步提高該方法的適用性。