交流电源系统绝缘故障模拟与智能选线技术研究

臧 谦,李秉宇,杜旭浩,刘 杰

(国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021)

0 引言

电力厂站中,绝大多数为照明、空调等低压负荷,绝缘单相接地故障的发生占比高居首位,高达80%[1]。一旦发生单相绝缘接地故障弱燃弧时,剩余电流百毫安级,故障线路难辨。同时,单相接地故障时,电网的动态平衡难以保持,还可能引起系统过电压。故障电弧温度高达2 000～4 000℃时容易烤燃邻近的可燃物,若未及时检测并处理,可蔓延至相邻电路,甚至引发火灾或爆炸等更加严重的事故[2]。快速准确地定位并及时切除电力厂站绝缘单相接地故障线路,有助于消除火灾隐患,避免扩大停电,提高厂站的保供可靠性[3]。

国内外学者研究和应用了多种单相弧光接地故障的选线辨识方法,其中几种典型方法为:1)暂态行波法,其原理是根据故障点处电压和电流的变化,向两端发出电流行波并利用行波的方向及其幅值完成故障选线[4]。该方法原理简单,但识别故障波头相对困难,且易受电磁干扰,选线效果不理想[5];2)相关性分析法,利用暂态零序电流波形在正常线路间高度一致,而在故障线路与正常线路间差异较大的特点[6-7],通过引入相关系数构成选线判据。尽管该方法原理简单,但计算所需数据较多,对信号的同步性要求较高,且抗干扰能力较差;3)神经网络算法,将多个故障特征以不同的方式输入到神经网络中进行处理,以实现接地故障的检测和选线[8-9]。然而,其训练所需的大量数据样本在实际工程中难以获取,因此很难在工程实践中应用;4)小波分析法,其利用小波变换理论提取故障暂态信号的特征量进行故障选线,选择时间和频带均有限的小波函数作为基函数,利用小波基函数对暂态故障电流进行小波变换,确定模极大值点大小作为故障线路的判断依据。相较于其他方法,小波分析法受干扰影响较小,同时具有在不同频段下分析暂态信号的能力。在电弧和间歇性电弧等暂态分量较大的故障选线中,具有显著优势。因此,本文选用小波分析法作为故障选线工具。

1 站用交流电源弧光接地故障剩余电流的模拟方法

由于弧光接地故障引起的交流线路剩余电流电弧中含高频谐波,导致故障线路选线辨识困难。为研究故障线路辨识方法,需要在仿真系统嵌入含有高频噪声的电弧模型,进行剩余电流的真实模拟。

1.1 绝缘接地故障电弧模拟方法

故障电弧性状取决于线缆的绝缘劣化状态、厂站温湿度环境和电弧间隙,持续的游离和消游离使电弧噪声含量较大,交流故障电弧更是具有周期性熄灭与重燃的复杂特性。但绝缘接地故障影响故障相负载运行,无法进行现场试验。为获得契合工况的剩余电流波形,本文提出基于串联电弧试验的绝缘接地故障电弧建立方法。

1)搭建电弧模拟试验平台

采用市电AC 220 V 电源、隔离变压器、电阻负载、拉弧器和限流器,设计串联拉弧试验。高速记忆示波器测录电弧电压uArc和电流iArc。配置电阻负载,设置燃弧器初始处于两极接通状态,采样频率512 k Hz,电弧电压uArc触发,触发值6 V。接通电源后、通过电机控制活动电极滑动、极慢速离开固定电极,直至示波器触发锁屏。试验电路、试验平台如图1所示。

2)故障电弧的模型刻画

将经典Cassie电弧模型中的电导用电阻导数替换,可得电弧模型为

式中:rArc为电弧电阻;uArc为电弧电压;Uc为电弧电压常数;τArc为电弧时间常数;t为弧隙电阻增大自然常数e倍所需要的时间。Uc和τArc看作为恒常数,二者与电弧电压、电弧电阻、介质类型和气压等参数有关,可通过电弧电压uArc(t)和电流iArc(t)观测值辨识。通过模拟得出:以起弧点为临界形成起弧尖峰,以熄弧点为临界形成熄弧尖峰,电弧电压存在一个稳定的燃弧平台;时间常数τArc和稳定燃弧电压Uc几乎为常数,燃弧时间随弧隙间距增大而减小;电弧电阻呈深“U”形状,其宽窄取决于燃弧时间。

1.2 搭建绝缘接地故障模拟系统

站用交流系统线路多达几十条,涉及站用照明、空调、电机等小容量单相或三相负载。某线路某相发生绝缘单相接地故障时,燃弧点对地之间嵌入电弧模型,数据驱动的交流电弧模型见图2(a),其它无故障线路各相分别聚合,等效电路模型见图2(b),绝缘接地电弧电压、电流与剩余电流的模拟结果见图2(c)。

分析了A级景区在14个大地区的分布数量进行基尼系数计算，从而判断出新疆A级景区在各地区的分布均匀程度。根据表1中公式可得：Gini=0.941，C=0.059.因此，新疆A 级景区在14 个地州中呈现出集中分布，空间分布均匀较低。

2 交流电源绝缘接地故障仿真模型搭建

2.1 交流电源接地故障仿真系统搭建

采用MATLAB/Simulink对单相弧光接地故障线路进行仿真,构建10条负载出线和1条电源进线的10 k V/380 V 系统。系统频率为50 Hz,各线路长度均为600 m,主要参数为R1=0.012 73Ω/km、L1=0.933 7 m H/km、C1=12.74 nF/km,R0=0.386 4Ω/km、L0=4.126 4 m H/km和C0=7.751 nF/km;各条线路负载分别为0.3 k W、0.4 k W、0.8 k W、1.2 kW、1.6 k W、2.0 kW、2.4 k W、2.8 k W、3.2 k W 和4.0 k W,如图3所示。

图3 单相弧光接地故障的10条线路交流电源模型

考虑到一般在负荷端加装漏电保护装置,将图2(a)所示电弧模型分别接到图3中10条线路距离负载终端100 m 的位置;用断路器控制电弧模型接入与否,0.05 s时接通断路器,监测10条线路的剩余电流。

2.2 仿真结果分析

最大负荷和最小负荷线路分别发生弧光接地故障时,仿真10条线路的剩余电流波形,其中线路1-4剩余电流波形如图4所示。

由包括图4所示剩余电流在内的,所有线路分别发生弧光故障接地时的剩余电流波形可见:

1)任一线路发生弧光接地故障,所有线路的剩余电流都会跃变,但带着电弧高频噪声所致的毛刺;

2)故障线路的剩余电流有效值略大,与负载无关,高频噪声的存在导致故障线路难辨识。

2.3 剩余电流低频故障特征提取

为辨识故障线路与非故障线路,需要消除高频弧光噪声对剩余电流波形的影响。

小波变换可对剩余电流非平稳信号进行时频特征分析,将时域剩余电流进行低频和高频段的解耦。小波包变换可对高频部分进一步分解,得到不同的频率段,且能根据信号本身特征自适应选择相应的频带与之对应,具有良好的时频特性。因此,选取小波包对剩余电流进行解耦。

小波包分解得到近似分量和细节分量,通过双尺度方程来构造小波包,双尺度方程为

式中:Ψ(t)为母小波;j为分解层数;n为该层结点编号;i为节点编号;k为位移因子。

h k和g k为一对互补的正交镜像滤波器,则第j层第k个频带的小波包系数为

小波包分解最终将原信号转换到2j个频带中,图5为3层小波分解示意,第4层有8个频带的小波包分解过程。

图5 小波包分解示意

图6给出了0.3 k W 负荷线路弧光接地故障前后剩余电流小波包变换重构的部分结果,由线路剩余电流的小波包重构结果可见:0～8 Hz低频段小波包重构的剩余变流波形中,非故障线路剩余电流的波形为准正弦周期状,故障线路剩余电流的峰值、有效值及功率值更大。

图6 0.3 kW 线路剩余电流小波包重构结果

弧光接地故障发生在不同负荷线路时,0～8 Hz低频段剩余电流小波包重构波形的有效值统计结果如图7所示。

图7 各交流负荷线路剩余电流统计结果

由图7可见:

1)故障线路的0～8 Hz低频段剩余电流小波包重构波形的有效值最大;

2)故障线路比正常线路剩余电流大,且与负载无关。

3 新型交流绝缘监测系统研制与应用

3.1 系统组成与功能

根据单相弧光接地故障线路剩余电流0～8 Hz低频段信号有效值最大的特点,设计如图8所示的智慧型交流电源剩余电流监测系统。该系统主要由剩余电流监测主机、剩余电流采集模块和剩余电流互感器组成。系统响应及时,监测数据精准,采用多个CPU 分布式处理架构,有效提升系统响应速度。监测模块采用高精度数据采集芯片。

图8 智慧型交流电源剩余电流监测系统

该系统自动实现剩余电流故障录波,记录剩余电流越线故障发生前后500 ms的TA 电流波形,及时为剩余电流故障原因分析提供原始数据,如图9所示。

图9 告警记录界面

3.2 故障诊断策略及变电站示范应用

基于剩余电流小波包重构的弧光接地故障诊断策略如图10所示。首先采集各线路剩余电流,然后通过剩余电流是否越限判别是否存在交流接地故障,当超过绝缘告警值时,交流电源剩余电流监测装置告警。对绝缘下降支路,通过小波分解法,提取弧光接地后剩余电流相时频域特征,进而获得剩余电流有效值精准判断故障线路。

图10 基于剩余电流小波包重构的弧光接地故障诊断策略

该系统在河北省南部电网某智慧变电站进行试点应用,有效辨识绝缘接地线路2 条,通过对10～50条线路的变电站采用蒙特卡洛法投配负荷,按照图10策略进行弧光接地故障诊断,总数1万次的测试,9 953次诊断成功,诊断准确率高达99.5%。对诊断失败的情况进行溯源,发现均为负荷很小的线路。

4 结论

本文对基于小波包分析算法的单相接地故障线路辨识开展研究,并在河北某智慧变电站示范应用,依据所得结论设计了单相弧光接地故障智能感知策略,并应用于实践,诊断准确率高达99.5%。通过示范应用,及时发现了变电站低压交流剩余电流超标隐患,下一步将开展剩余电流故障线路主动快速切除技术研究,提升站用交流电源绝缘故障的主动防御能力。