艦船中壓電力系統(tǒng)接地故障識(shí)別的仿真研究

黃 靖，羅寧昭，楊 鋒，吳本祥

（海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

0 引言

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，無(wú)論在艦船電網(wǎng)還是陸地電力系統(tǒng)，單相接地故障占所發(fā)生故障的比例均超過(guò)半數(shù)。單相接地故障形式可分為永久的金屬性接地、單次放電、電弧不斷重燃造成的間歇性弧光接地。據(jù)統(tǒng)計(jì)絕大多數(shù)的接地故障會(huì)產(chǎn)生電弧[1-2]。而間歇性弧光接地故障對(duì)系統(tǒng)的危害性最大[3-5]。單相接地故障危害程度和處理方式與電網(wǎng)中性點(diǎn)的接地方式密切相關(guān)。目前船用電網(wǎng)利用發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地來(lái)抑制接地產(chǎn)生的過(guò)電壓。每種接地故障所需要的消除故障的裝置各不相同，但一個(gè)電力系統(tǒng)不能同時(shí)用好幾種接地方式，如能采取合適的方式對(duì)單相接地故障進(jìn)行有針對(duì)性的快速識(shí)別，在確定發(fā)生間歇性接地故障后再將合適的接地裝置投切如接地系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和可靠性大大地提高。故障類(lèi)型識(shí)別還可以對(duì)不同故障類(lèi)型的發(fā)生進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，對(duì)系統(tǒng)絕緣的薄弱點(diǎn)做初步判定。

1 接地裝置長(zhǎng)期投入系統(tǒng)的缺陷

諧振接地系統(tǒng)并不區(qū)別單相接地的故障類(lèi)型，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)就自動(dòng)產(chǎn)生感性的電流補(bǔ)償故障電流。若接地故障為永久的金屬性接地，該方法會(huì)因?yàn)橄【€圈在正常狀態(tài)和補(bǔ)償狀態(tài)之間的投切而對(duì)系統(tǒng)造成大量的諧波振蕩[6]。同時(shí)，消弧線圈運(yùn)行過(guò)程中也可能引起“虛接地”等諸多問(wèn)題。

而對(duì)于高電阻接地方式，當(dāng)接地故障為金屬性接地時(shí)，接地電阻不但不能抑制過(guò)電壓，相對(duì)不接地的系統(tǒng)，故障點(diǎn)電流增大，溫度升高，更容易使故障擴(kuò)大。如圖1所示，高電阻接地系統(tǒng)發(fā)生金屬性的單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)電流不再是單純的電容電流，而且要加上流經(jīng)接地電阻的電流。

圖1 高電阻金屬性接地示意圖

對(duì)于其他接地方式也大致如此。如果處理不當(dāng)，不但不能消除單相接地故障，反而可能給電力系統(tǒng)帶來(lái)新的不穩(wěn)定因素。對(duì)艦船電網(wǎng)單相接地故障的類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)識(shí)別出的故障類(lèi)型采取不同響應(yīng)措施，對(duì)保證艦船電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性有著重要的意義。

2 基于數(shù)學(xué)形態(tài)法的接地故障識(shí)別

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)始將數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的信號(hào)分析。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對(duì)電力系統(tǒng)信號(hào)分析的主要手段是經(jīng)過(guò)波形變換突出信號(hào)的突變特征等?？梢岳脭?shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對(duì)接地故障進(jìn)行識(shí)別。

文獻(xiàn)[3]中提出了以零序電壓做COOCG變換識(shí)別故障的方法，但不接地系統(tǒng)零序電壓容易受不平衡的系統(tǒng)對(duì)地電容干擾。在發(fā)生單次放電后，中性點(diǎn)電壓會(huì)發(fā)生震蕩，會(huì)使得識(shí)別算法發(fā)生誤判。因此本文在COOCG算法基礎(chǔ)上提出基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)梯度-閉運(yùn)算變換的識(shí)別算法。由于不接地系統(tǒng)間歇性電弧接地故障發(fā)生時(shí)，故障相電壓會(huì)出現(xiàn)連續(xù)尖峰信號(hào)，而金屬性接地故障發(fā)生后故障相電壓跌落至零，可以通過(guò)提取邊沿的方法確定出現(xiàn)的故障類(lèi)型，利用設(shè)定閾值的方法區(qū)分故障類(lèi)型，然后通過(guò)濾波將單次放電信號(hào)過(guò)濾掉，就能將長(zhǎng)時(shí)間的奇異信號(hào)提取并分辨出來(lái)，從而識(shí)別出系統(tǒng)接地故障類(lèi)型[7-8]。

故障電壓波形f（n）一般為有正負(fù)波動(dòng)的波形，為了防止遺漏負(fù)向波形。在用數(shù)學(xué)形態(tài)法對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行變換前先對(duì)電壓波形采取絕對(duì)值處理：

為了提取奇異信號(hào)，首先對(duì)fabs(n)進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)梯度計(jì)算，將發(fā)生故障時(shí)的邊沿提取出來(lái)。形態(tài)學(xué)梯度對(duì)非周期波形邊緣敏感，因此在發(fā)生接地故障時(shí)，計(jì)算后的波形會(huì)發(fā)生跳變。梯度計(jì)算公式為：進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)梯度計(jì)算，將發(fā)生故障時(shí)的邊沿提取出來(lái)。形態(tài)學(xué)梯度對(duì)非周期波形邊緣敏感，因此在發(fā)生接地故障時(shí)，計(jì)算后的波形會(huì)發(fā)生跳變。梯度計(jì)算公式為：

在數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算中，結(jié)構(gòu)元素的形狀和大小對(duì)信號(hào)處理結(jié)果有很大的影響，結(jié)構(gòu)元素選取失當(dāng)將不但不能起到應(yīng)有效果，有時(shí)可能將有用波形信息過(guò)濾掉，導(dǎo)致故障辨識(shí)失敗[9]。結(jié)構(gòu)元素的確定是非常困難的事情，至今沒(méi)有有效的理論解決該問(wèn)題[10]。在本算法中，將梯度運(yùn)算的結(jié)構(gòu)元素g1(n)寬度取1/2倍工頻周期。梯度計(jì)算結(jié)果如圖2所示：

圖2 數(shù)學(xué)形態(tài)梯度變換后波形

由圖中可以看出，通過(guò)梯度運(yùn)算，邊沿被初步提取出來(lái)，無(wú)論是金屬性接還是單次放電，故障波形邊沿都被清晰的呈現(xiàn)出來(lái)。但波形中存在的大量噪聲會(huì)影響結(jié)果識(shí)別。而閉運(yùn)算能使信號(hào)波形中的波谷填平，因此可以用來(lái)濾波。閉運(yùn)算計(jì)算公式為：

相對(duì)于開(kāi)運(yùn)算，使用閉運(yùn)算濾波更有利于設(shè)定閾值并將金屬性接地故障與間歇性電弧接地故障區(qū)分。因此，對(duì)梯度變換后的波形進(jìn)行閉運(yùn)算。為了更好的消除單次放電對(duì)識(shí)別結(jié)果產(chǎn)生的影響，結(jié)構(gòu)元素g2(n)的寬度取0.5到1倍工頻周期的寬度，結(jié)構(gòu)元素的原點(diǎn)在線段中心。結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)學(xué)形態(tài)閉運(yùn)算后波形

圖3為故障波形梯度-閉運(yùn)算變換最終結(jié)果。可以看到，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生金屬性接地故障時(shí)，故障相對(duì)地電壓波形經(jīng)過(guò)梯度-閉運(yùn)算變換后，會(huì)跌落較大的幅度，波形的幅值從峰值跌至為0左右；當(dāng)發(fā)生單次放電故障時(shí)，變換后，其故障相放電對(duì)相電壓的擾動(dòng)被濾掉，而電壓波形幾乎沒(méi)有較大波動(dòng)，趨于直線；而在發(fā)生間歇性弧光接地故障時(shí)，故障電壓波形經(jīng)變換也會(huì)出現(xiàn)較大幅度的跌落，但由于間歇性故障不斷產(chǎn)生的奇異電壓信號(hào)，其波形經(jīng)變換后會(huì)產(chǎn)生不規(guī)律的方波，相比0 V要大得多。

3 仿真驗(yàn)證

圖4 仿真電路

利用Simulink搭建仿真系統(tǒng)，如圖4，對(duì)艦船電網(wǎng)進(jìn)行單相接地故障的仿真。仿真電源為能夠模擬船用發(fā)電機(jī)的恒壓源，線路電感和電阻均以實(shí)際發(fā)電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。燃弧和熄弧的過(guò)程運(yùn)用工頻熄弧理論進(jìn)行仿真。弧光接地的過(guò)渡電阻設(shè)置為10 Ω。以上述兩種故障情況為對(duì)象，得到了在不同故障合閘角下的故障相波形。識(shí)別結(jié)果如表1所示。

表1 仿真驗(yàn)證結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，不同故障合閘角對(duì)跳變幅度和跳變后的幅值差別很大，但其幅值并未超出閾值范圍，不影響故障類(lèi)型的識(shí)別。所以，可以通過(guò)對(duì)故障相電壓進(jìn)行梯度-閉運(yùn)算變換來(lái)識(shí)別接地故障類(lèi)型。

4 總結(jié)

本文在利用形態(tài)學(xué)COOCG算子識(shí)別接地故障類(lèi)型方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的梯度-閉運(yùn)算變換方法來(lái)識(shí)別單相接地故障類(lèi)別。該方法能將故障相電弧電壓特征作為識(shí)別對(duì)象，將金屬性接地和間歇性接地區(qū)分開(kāi)，并且在電纜單次放電的情況下具有良好的魯棒性。大量的仿真驗(yàn)證了該方法在不同條件下對(duì)故障識(shí)別的有效性。

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