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        基于小波分析的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線的研究

        2023-10-18 06:37:44國網(wǎng)宜昌供電公司周軒鋒
        電力設(shè)備管理 2023年18期
        關(guān)鍵詞:故障

        國網(wǎng)宜昌供電公司 周軒鋒

        綜合當(dāng)前研究現(xiàn)狀來看,在小電流接地系統(tǒng)的發(fā)展中,單相接地配電網(wǎng)故障選線自動化技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用,雖然一些專家學(xué)者對此展開了深入的探討與分析,但是總的來說,當(dāng)前并未研發(fā)出更加安全可靠、適用于各種緊急情況的故障選線技術(shù)解決方法。所以,為了適應(yīng)時代的發(fā)展趨勢,對于高性能的配電網(wǎng)故障選線自動化技術(shù)也提出了更高要求。小波變換本身具有較強的對小電流暫態(tài)信號進(jìn)行分析和處理的數(shù)據(jù)分析能力,能夠準(zhǔn)確提取其中的暫態(tài)分量和信號在線路中的實際應(yīng)用信息,為小電流故障處理和選線的實現(xiàn)提供了支持。本文主要研究小波變換在小電流單相接地系統(tǒng)故障處理和選線過程中的實際應(yīng)用。

        1 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障分析

        1.1 小電流單相接地故障的穩(wěn)態(tài)特征分析

        我國電力系統(tǒng)的中性點經(jīng)常采用不接地、經(jīng)消弧線圈接地兩種方式,因此本文主要介紹這兩種接地方式。

        1.1.1 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障分析

        假設(shè)系統(tǒng)模型為三條出線的無限電源,三條出線具有不同的長度,在L1線的C相中,產(chǎn)生了單相金屬接地故障的問題。單相接地故障電容電流在進(jìn)行分析時,所提出的假設(shè)包括[1]:系統(tǒng)在運行過程中,所選用的即為三相對稱系統(tǒng)的形式,三相相稱是電壓對稱;每條線路三相對地電容相等,并且采用集中電容的方法,對分布式電容進(jìn)行替代;對各條線路所產(chǎn)生的三相對地電導(dǎo)予以忽略。

        根據(jù)非故障線路L2可以得出,因為C相電壓表示為0,其相對電容電流也表示為0,隨著相電壓的加大,A相與B相對地電容電流也hi隨之增加。與之相對應(yīng)的對地電容基波電流的計算公式具體如下:,如上述公式所示,在線路L2中,A、B、C這三相所對應(yīng)的對地電容幾波電流,分別表示的是。當(dāng)A相與B相法神故障之后,所產(chǎn)生的對地電壓分別對應(yīng)的是。電網(wǎng)角頻率則可表示為w。C02表示的即為各相產(chǎn)生的對地電容。

        通過對非故障線路L2進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn),基波零序電流的計算公式如下所示:,公式中,中性點的位移電壓表示為,與發(fā)生故障之前的相電壓是相同的。其中,關(guān)于基波零序線路電流流動方向的變化,則是從母線直流到其他線路,大小為線路L2三相對地電容電流的相量和。同理,對于非正常故障的該母線L3而言,流動方向則是從母線路直流到其他線路,大小大約為L3三相對地電容電流的相量和。

        對于全部分系統(tǒng)的各條故障電源線路以及L1而言,其和非系統(tǒng)故障電源線路以及L2、L3的根本功能區(qū)別主要地方在于:故障點流回非故障相的對地電容電流。三個相對地電容的基波電流分別為:、、,此時故障線路L1的基波零序電流為:。

        總的來說,在該系統(tǒng)中,單相金屬性接地系統(tǒng)故障的特點可以總結(jié)為以下幾項:在發(fā)生故障之后,所產(chǎn)生的非故障相對地的電壓則可表示為0,電壓升高為線路故障前的電壓或線路相對地電壓,相當(dāng)于發(fā)生故障之前的倍;供電系統(tǒng)三相線路負(fù)荷的電壓仍然對稱,不過會影響對負(fù)荷的供電;控制系統(tǒng)兩個中性點的直流電壓由正常電路故障前的0V點電壓逐漸變化為正常電路故障前的相對點電壓;在非故障線路中,關(guān)于基波零序電流方向,則是從母線流向線路,幅值為三條相對接地線零序相電流的相量和;在故障線路中,關(guān)于基波零序相電流由路流向母線,所產(chǎn)生的幅值則可表示為非故障線路形成的零序電流得出的相量和。

        1.1.2 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障分析提出一個假設(shè),系統(tǒng)模型等同于中性點不接地系統(tǒng)的模型,二者的區(qū)別體現(xiàn)在線路上的中性點經(jīng)過消弧之后,可以實現(xiàn)線圈接地。為了方便地對比及準(zhǔn)確分析引起問題的原因使其簡單化,仍然可以提出這一假設(shè),在系統(tǒng)線路L1中,中性點與相線圈之間出現(xiàn)了故障問題,也就是單相線圈金屬性接地的故障現(xiàn)象。相比于中性點不接地來說,非接地故障線路的許多方面均與之相同,包括對地電容電流與基波零序電流等方面的分布狀況[2]。非故障線路的零序電流方向、大小與非故障線路的基波零序電流一樣。綜上所述,該類故障所具有的特征可總結(jié)為以下幾點:在發(fā)生故障之后,后線路所產(chǎn)生的電壓相對地面表示為0,和線路的電壓相對地增加的電壓故障前的線或線相對地電壓,這是時代的相對地電壓增加之前的倍;供電系統(tǒng)三相線路負(fù)荷的電壓仍然對稱,不過會影響對負(fù)荷的供電;系統(tǒng)的中性電壓由0V變?yōu)楣收现暗南嚯妷骸?/p>

        1.2 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的暫態(tài)特征分析

        通過對中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn),當(dāng)出現(xiàn)金屬性接地故障問題的情況下,對系統(tǒng)的暫態(tài)電流進(jìn)行分析時,具體方法如圖1所示[3]。

        圖1 暫態(tài)過程的等效電路

        根據(jù)圖1可得出,零序回路的電源表示為U0;消弧線圈產(chǎn)生的有功損耗電阻則可表示為rL:L表示消弧線的電感分量;電網(wǎng)所具有的三相對地電容可以表示為C;L0為零序電路中電源與電路的等效電感;在零序電路中,電阻的和表示為R0。為了方便進(jìn)行分析與研究,提出一個假設(shè),系統(tǒng)在運行時出現(xiàn)了金屬性接地故障的問題。在得出各元件參數(shù)后,利用該模型展開深入地分析,將會得出更加精準(zhǔn)的結(jié)果。受到其他因素的影響,經(jīng)過分析后得出,暫態(tài)接地電流是最大的,同時也具有最為嚴(yán)重的問題。微分方程組具體如下所述:

        在上述公式中,流過電容產(chǎn)生的暫態(tài)電容電流可以表示為ic,iL為流過電感的暫態(tài)電感電流,Um為零序電源的電壓幅值,所得出的結(jié)果與故障前相電壓的幅值是相同的。

        根據(jù)上述公式,則可得出以下幾項參數(shù)的計算結(jié)果,包括暫態(tài)電容電流ic暫態(tài)電感電流iL以及暫態(tài)接地電流id,具體如下所示:、、,式中:ICm和ILm分別為瞬態(tài)電容電流幅值和瞬態(tài)感應(yīng)電流幅值式中,其中ICm=UmωC,ILm=Um/(ωL);δ表示的是自由振蕩分量所產(chǎn)生的衰減因子,在電容回路中,產(chǎn)生的時間常數(shù)表示為rc;在電感回路中,這一時間常數(shù)表示為rL:角頻率;其中的為回路的自振角頻率。

        2 兩種接地方式的仿真模型

        在以下仿真模型中,是基于10kV小電流單相接地故障系統(tǒng)產(chǎn)生的。其中系統(tǒng)頻率為50Hz,仿真時間為0~0.1s,其他參數(shù)見表1。

        表1 參數(shù)表

        2.1 中性點不接地系統(tǒng)故障選線仿真

        系統(tǒng)正常時的三相電壓和三相電流的幅值穩(wěn)定,相位角也相同。接下來我們假設(shè)某條線路故障,再來用MARLAB進(jìn)行仿真。在Simulink中于時間0.01s設(shè)置一個故障,故障離母線距離為3km,在0.08s時移除故障,可以獲得其過程中電流、電壓。

        根據(jù)圖2和圖3的波形可以看到,在0.001s后故障點被植入,A相電流的幅值明顯變大,電壓卻變?yōu)榱肆恪6鳥、C相的電壓幅值也有所改變,變?yōu)樵瓉淼谋?。?.08s故障點被移除,三相電壓電流恢復(fù)又正常。這也與上文的結(jié)論相符合。在相同的狀態(tài)下,能夠得出不同線路的各項波形圖。

        圖2 線路1的三相電流

        圖3 線路1故障點三相電壓

        可以從圖4中看到,通過對線路1的波形進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn),與其他三條線路具有相反的波形方向,相比之下也具有更大的幅值。從圖5中可以得知,線路無故障時零序電壓為0。這樣就可以通過比較知道線路1為故障線路。

        圖4 線路1發(fā)生單相接地故障時各線路的零序電流

        圖5 故障后零序電壓

        2.2 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障選線仿真

        使系統(tǒng)在運動過程中,采用中性點經(jīng)消弧線圈接地的方式,同樣用Simulink在時間為0.01s時設(shè)置一個故障,故障離母線距離為3km,在0.08s時移除故障,可以得到四條線路的零序電流、零序電壓的波形圖。

        根據(jù)圖6,與中性點不接地方式相同,可以看出線路1波形的方向與線路2、3、4是相反的。但是也能看出零序電流的幅值變小了。再比較零序電壓,基本沒有變化。

        圖6 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障時零序電流和零序電壓

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