中性点不接地配电系统馈线单相接地故障

1.天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072；
2.天津电力局，天津 300010）

A NEW PRINCIPLE OF TRANSIENT CURRENT GROUNDED RELAY FOR FEEDER IN UNGROUNDED DISTRIBUTION SYSTEMS

MIAO You-zhong1，SUN Ya-ming1，YANG Hua2

（1. School of Electrical Engineering & Automation, Tianjin University, 
Tianjin 300072, China;
2. Tianjin Power Bureau, Tianjin 300010, China）

　　ABSTRACT: A new principle of the transient current protective relay for feeder single-phase-to-ground-fault is proposed in distribution systems. The protective judge criterion is defined theoretically and is changeless. The judge criterion is formed by extracting ratio of feature band measure between phase transient current component (TCC) in faulty feeder (FF) based on algorithm of orthogonal wavelet, through analysis distributed characteristic of three-phase current transient components in feeders of distribution systems. Because the TCC of faulty phase in FF are supplied and composed of self-supply TCCs of healthy phases in FF and similar TCCs of all healthy feeders (HF), it is feasibility, validity and stability to detect grounding fault for any ungrounded-neural systems and without setting calculation. The protective mode is fused with the gap units of distributed feeder protection easily, and does without disposing appropriative devices for the selection grounded feeders and its software. ATP simulation and wavelet transform (WT) analysis of MATLAB verify that the proposed method can correctly distinguish all kinds of single-phase-to-groundfaults, and has high reliability and sensitiveness.
　　KEY WORDS: Distribution system; Ungrounded-neutral mode; Transient current component; Single-phase-groundfault protection; Orthogonal wavelet analysis; Feature band

　　摘　要：当中性点不接地系统发生单相接地故障时，通过对馈线上各相电流暂态分量的形成与分布特征的分析可知：故障相暂态电流分量(Transient Current Component，TCC)是由故障馈线的非故障相提供的自供性TCC和其它非故障馈线提供的相似性TCC组成，该重要特征使基于正交小波分解提取特征频带具有可行性、有效性和稳定性。文中所提出的构成单相接地保护继电器的判断准则是理论分析的定义，所以是固定不变的，即：不需整定计算,适合于中性点不接地模式的任何配电网。该保护方式容易融于分布式馈线保护间隔单元中，不需配置监控系统选线模块或专用选线装置。经过大量的ATP和MATLAB仿真验证表明：该原理能够准确地识别不同类型的单相接地故障，可靠性和灵敏度较高。
　　关键词：配电系统；中性点不接地模式；暂态电流分量；单相接地保护；正交小波分析；特征频带

1 引言
　　目前，在中性点非有效接地方式(包括经消弧线圈接地、中性点经高阻接地或中性点不接地方式)系统中，单相接地故障的检测大多是依据变电站母线所有馈线的稳态零序电流按集中选线原理构造的，需在监控系统嵌入专用的选线模块或专用的选线装置。该类原理受系统运行方式及故障状态等因素的影响较大，现场运行可靠性不高，准确率差。
　　目前在配网接地检测中[1~4]还存在的问题有：故障信号叠加在负载电流上、稳态幅值较小、环境的电磁干扰等影响着故障分辩的正确性；系统运行方式多变、故障状态多变、不确定因素多，故要求检测方法具有更强的适应能力；专用选线装置接线复杂，并与馈线保护不一体，不利于馈线自动化。这些问题虽已有不少研究[1~6]，但尚没有得到很好的解决。
　　本文在对馈线上各相电流暂态分量形成的机理与分布特征分析的基础上，依据故障暂态电流分量(Transient Current Component，TCC)和正交小波分解算法，提出了单相接地故障的暂态馈线式保护新原理和判断准则。它通过提取三相暂态电流特征频带(the Feature Band of Transient Current，FBTC)之间特征测度的比值形成继电器的判断准则。该准则是按故障相和非故障相上FBTC中特征频带测度的比值系数为依据。该判据与运行方式、负载或TA的对称性、故障状态特征等都无关，是基于理论分析的定义所以是固定不变的准则，动作特性具有更高的可靠性、稳定性、灵敏性和适应性。通过大量的ATP仿真和MATLAB小波分析得到了验证。由于篇幅的限制，本文仅以中性点不接地模式系统为核心展开研究。

2 配电网单相接地故障继电器的基本原理
2.1 单相接地故障TCC的形成机理
　　在中性点不接地模式系统中，当馈线发生单相接地故障时，故障相中除原负载电流外，还存在着由故障相电压突然降低和非故障相电压升高而引起的电容放、充电的高频暂态电容电流，该TCC中稳态工频电流较小，高频暂态分量较大[3~6]；当金属性接地时，暂态接地电流的幅值可达稳态分量的7~8倍，且持续时间很短，约为0.5~1.0个工频周波[8]。显然，TCC的幅值、衰减性能与相关系统非故障线路对地电容大小、故障时刻相电压的角度、故障过渡电阻、故障距离等因素有关，且受故障馈线的不对称性、TA性能、运行方式等因素的影响，这些将在本文所提出的接地保护新原理中得到解决。
　　为便于分析小电流接地系统单相接地故障时电容电流的分布特征，将其分为 ① 对故障馈线(Faulty Feeder，FF)的单相接地保护，为区内故障；②　对所有非故障馈线(Healthy Feeder，HF)的单相接地保护，为区外故障。由故障相TCC的流通回路可知，其大小与FF上故障相的参数、非故障相的参数和HF上的参数等都有关系。它们是单相接地TCC的主要回路。在FF故障相上，TCC的强度与FF、HF的非故障相助增强度有关，系统中故障相的残压与故障状态特征因素并且从理论上分析，即根据电流回路流向可知：在仅有一条故障馈线的系统中，故障相TCC近似等于任一非故障相TCC的2倍；当有多条馈线情况时，由于HF非故障相的助增作用，可使故障相TCC大于非故障相TCC 的2倍。本文的单相接地故障暂态电流保护继电器的判断准则由此而导出。
　　由TCC的分布可知，FF故障相的TCC是由FF的非故障相提供的自供性TCC和其它HF提供的相似性TCC所组成；并且从理论上讲，在仅有一条故障馈线的系统中，根据电流回路流向可知：故障相TCC近似等于任一非故障相TCC的2倍；当有多条馈线情况时，由于HF非故障相的助增作用，可使故障相TCC大于非故障相TCC 的2倍。
　　根据上述不接地模式下FF和HF各相的TCC之间确定的关联特征，可利用相应的分析算法(如设计匹配的滤波器)提取故障特征频带或组合频带的测度，形成接地故障相间的测度比值，以作为构造单相接地故障暂态电流保护继电器的判断准则。按TCC的形成机理可知，该准则与中性点接地模式有关，只要是中性点不接地或谐振接地模式的配电系统，这一准则必然成立，且是从基本理论上建立的固有关系，是恒成立的关联关系。
2.2 正交小波分解算法及特征频带测度表征
　　小波分析是处理非平稳暂态信号的工具，且已在电力系统中，如电能质量、继电保护、暂态分析、高压放电等检测分析领域[7] 广泛应用。在本文的研究中，因影响TCC的频率、幅值、衰减的因素很多，且具有随机性和不确定性。根据故障相TCC与其它部件TCC的关联关系，在TCC的各种分量中最密切相关的是表征电容充电电流的暂态特征，因此，应用小波分析提取其特征是可行的。在多尺度分析方法中，时-频分辨率是随尺度变化的。正交小波分析属多尺度分析，它对分解后的低频信息进行再分解，从而可实现对TCC信息中反映接地特征频带的提取。
　　令cj(n)为待分解的信号，进行1次正交小波分解，可得到平滑信息cj+1(n)和细节信息dj+1(n)为
　　
式中 {hn}和{gn}为多尺度分析(MRA)中定义的共轭滤波器。
　　接地暂态电流保护基于正交小波分解算法的步骤如下：
　　（1）故障暂态分量的提取，为了提取各相TCC的特征频带信息，应先消除负载电流的影响，按照D i = i后- i前求取故障暂态分量，其中，i后为单相接地故障后的故障电流瞬时值，i前为单相接地故障前的负荷电流瞬时值；再对故障暂态分量进行正交小波分解，提取反映接地的特征频带信息。
　　（2）故障特征频带的提取，本文用不同采样频率对正交小波及正交小波包分解的不同层次数作了大量的仿真后，确定选用10kHz的频率提取故障特征，对于不接地模式，将TCC经2层小波分解，采用第2层的低频带，即(2,0)频带上的信息提取故障特征测度，它能比较全面地反映中性点不接地系统的不同接地故障特征。
　　对某一频带的分解序列求取l p(p=1)范数，作为接地故障的特征值。l p范数的计算公式为
　　
式中 {WTjk}为小波分解后第j频带上的分解序列；
　　PI(j)为第j时频带上的l p范数，p=1即该频带上的时频信号序列的积分，表示该频带信号的测度大小。
　　计算时为消除边界效应，需要足够大的数据窗长度。实际上，暂态过程一般不超过一工频周波的时间，考虑到计算边界的误差，本文采用了故障前半周和故障后2周共50ms的数据长度作为数据分析窗。

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