10kV配電網(wǎng)內(nèi)部過電壓錄波起動判據(jù)分析

楊 川 楊耿杰 高 偉 陳立純

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10kV配電網(wǎng)內(nèi)部過電壓錄波起動判據(jù)分析

楊 川1楊耿杰1高 偉1陳立純2

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108；2. 國網(wǎng)福建晉江市供電有限公司，福建泉州 362200）

在10kV配電網(wǎng)中，常采用電壓或相電壓越限作為故障錄波起動判據(jù)。但在電壓幅值變化小或暫態(tài)過程不明顯的故障下，采用電壓越限作為錄波起動判據(jù)可靠性不足。本文通過ATP/EMTP軟件搭建配網(wǎng)線路模型，比較幾種錄波起動算法在發(fā)生各種內(nèi)部過電壓時的起動效果，得出采用小波極大值法的起動方法在內(nèi)部過電壓故障中都能可靠動作的結(jié)論。

配電網(wǎng)；內(nèi)部過電壓；故障錄波；起動算法

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或受到擾動時，故障錄波器通過所設(shè)判據(jù)起動，開始自動記錄故障前與故障過程中的電流、電壓、頻率等電氣量的變化情況。故障錄波數(shù)據(jù)是分析、處理事故及制定防治方案的重要依據(jù)，對配電網(wǎng)設(shè)備安全性和供電可靠性的提高有很大參考價值[1]。電壓突變量起動元件因其在電壓變化比較明顯的故障下3～5個點就能準(zhǔn)確起動，在故障錄波裝置中得到廣泛的應(yīng)用。電壓越限起動元件僅依據(jù)故障前后一周波的變化量，對故障暫態(tài)過程中的波形振蕩等異常并無直接反應(yīng)。配電網(wǎng)中單相接地故障大多經(jīng)阻抗接地，電壓變化往往不明顯，采用電壓越限作為起動判據(jù)可靠性不足。

本文介紹5種基于電壓突變量的起動判據(jù)，并以合閘空載線路過電壓、基波鐵磁諧振過電壓、間歇性弧光接地故障、單相阻抗接地故障為例，仿真分析幾種故障起動算法在10kV配電網(wǎng)中應(yīng)用的優(yōu)缺點與適用性。

1 幾種內(nèi)部過電壓故障的電壓特征

1.1 合閘空載線路

由于城鎮(zhèn)纜化和農(nóng)村供電半徑過長等原因，配電網(wǎng)線路對地電容較大，系統(tǒng)對電容的補償作用極低，因此當(dāng)線路合閘或重合閘時，就會因電容電壓的作用引起操作過電壓。電容電感產(chǎn)生的震蕩電壓作用于工頻電壓上，暫態(tài)過程中電壓震蕩短暫而明顯，過電壓幅值可達系統(tǒng)額定電壓的2.3倍[1]。

1.2 單相阻抗接地故障

1.3 基波鐵磁諧振過電壓

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或者受到擾動時，系統(tǒng)的接線方式發(fā)生了改變，負(fù)載減輕，三相電壓變得不平衡，使中性點產(chǎn)生了位移電壓，在一定的電源和參數(shù)配合下，有可能發(fā)生鐵磁諧振?；ㄨF磁諧振發(fā)生時，系統(tǒng)對地電壓兩相升高一相降低，與電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障現(xiàn)象極為相似，因此也稱為虛幻接地[3-4]。當(dāng)單相接地故障點切除引起基波鐵磁諧振時，諧振前后電壓波形的變化很小。

1.4 間歇性弧光接地故障

配網(wǎng)線路纜化使系統(tǒng)電容電流大幅增加，發(fā)生單相接地時故障時，電弧往往不能自行熄滅，處于時燃時滅的狀態(tài)，并可持續(xù)較長的時間。由此產(chǎn)生的間歇性電弧將引起系統(tǒng)電磁能量的強烈振蕩和積聚，從而引起健全相和故障相出現(xiàn)嚴(yán)重的過電壓[5]。當(dāng)發(fā)生間歇性弧光接地時，在故障相和非故障相的電感電容回路上會引起持續(xù)的高頻振蕩過電壓，非故障相的過電壓倍數(shù)一般可達3.15～3.5倍[6]。

2 內(nèi)部過電壓故障起動算法

2.1 電壓值法

電壓值法利用電壓值越限或電壓前后周期差值越限作為故障起動判據(jù)。

電壓值法[7]的原理如下：

2.2 方差法

方差（variance）是用來度量隨機變量和其數(shù)學(xué)期望（均值）之間的偏離程度。

其離散計算公式為

2.3 變化率法

舍去截斷誤差后公式簡化為

2.4 曲率法

曲率用來表征曲線彎曲程度。在平面上，曲線的曲率表明曲線偏離直線的程度，曲線越彎曲則曲率越大。

（曲率值） （11）

式中對采樣值進行變換[10]，令各種情況下波形均處于同一個數(shù)量級，使定值的選取更具有普遍性。當(dāng)系統(tǒng)故障，電壓發(fā)生突變，特別是存在明顯的暫態(tài)過程時，曲率也隨之產(chǎn)生突變。

2.5 小波模極大值

小波變換是將信號分解成位于不同頻帶和時段上的各個成分，從而對信號進行分析。函數(shù)的小波變換記為

決定頻域信息。為平移因子，決定時域信息。一般將信號的局部奇異性與經(jīng)過小波變換以后的局部模極大值相聯(lián)系：若函數(shù)()在其定義域內(nèi)某處間斷或者某階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，則稱該函數(shù)存在奇異點。行波信號的奇異點處必存在小波變換的模極大值，即突變點與經(jīng)小波變換后的模極大值點相互對應(yīng)。

為了有效地檢測信號的奇異性特征，小波基的消失矩要有一定的階數(shù)[13]。如圖1和圖2所示，采用4階以上的db小波基可更好的突出奇異點。經(jīng)測試，選擇4層小波分解的d3層信號作為小波奇異點的判別信號。

3 仿真分析

為了分析上述5種起動算法在配網(wǎng)內(nèi)部過電壓時的起動性能，利用EMTP/ATP仿真得到數(shù)據(jù)，并用Matlab編程離線分析各種算法的優(yōu)缺點。

圖1 DB4小波分解圖

圖2 DB2小波分解圖

配電網(wǎng)模型如圖3所示，其中降壓變壓器電壓等級分別是110kV/10kV和10kV/0.4kV，圖中JK表示架空線路，DL表示電纜線路，線路參數(shù)見表1。

圖3 內(nèi)部過電壓仿真模型

表1 仿真模型線路參數(shù)

3.1 合閘空載線路

仿真時長0.1s，采樣頻率20kHz，故障發(fā)生于0.05s。斷開所有線路，合L1線路。合閘空載線路電壓波形如圖4所示，起動結(jié)果見表2。

圖4 合閘空載線路電壓波形示意圖

表2 合閘空載線路過電壓的起動結(jié)果

3.2 間歇性弧光接地故障

仿真時長0.1s，故障發(fā)生于0.05s。斷開所有線路，合L3線路，間歇性弧光接地電壓波形如圖5所示，起動結(jié)果見表3。

圖5 間歇性弧光接地電壓波形示意圖

表3 間歇性弧光接地的起動結(jié)果

3.3 基波諧振過電壓

仿真時長為0.1s，采樣頻率為20kHz。斷開所有線路，合L4線路，到故障點線路長度為800m。-1s時發(fā)生單相接地故障，0.05s時斷開故障點，觸發(fā)基波鐵磁諧振。電壓波形如圖6所示，起動結(jié)果見表4。

圖6 基波諧振過電壓波形示意圖

3.4 單相阻抗接地故障

仿真時長為0.1s，故障發(fā)生于0.05s。斷開所有線路，合L2線路。如圖7所示，圖左為接地電阻10W的電壓波形，圖右為接地電阻5000W的電壓波形。在單相接地故障時，電壓波形突變程度和暫態(tài)過程隨著接地電阻的增大而減小，左圖零序電壓突變?yōu)?910V，右圖零序電壓突變?yōu)?38V。起動結(jié)果分別見表5和表6。

表4 基頻諧振過電壓的起動結(jié)果

3.5 仿真結(jié)果分析

2）電壓值法。合閘空載線路過電壓和基頻鐵磁諧振過電壓的電壓幅值變化較小，設(shè)置較低的值（如0.1）才能可靠起動。在電壓變化更小的單相阻抗接地故障（5000W）中，采用相電壓計算無法越限動作；在存在三相不平衡的配電系統(tǒng)中，采用零序電壓的起動可靠性也較差。

圖7 單相接地故障電壓波形示意圖

表5 單相接地故障起動結(jié)果（10W）

表6 單相接地故障起動結(jié)果（5kW）

3）方差法。同屬于反應(yīng)波形幅值變化的方差法與電壓值法效果大致相同，見表6，在電壓變化較小的故障下，方差法比電壓值法可靠性更高。

4）變化率法。分別見表2、表3、表6，基于變化率的起動方法在暫態(tài)過程振蕩明顯的故障中可靠性強，而在基頻諧振和高阻接地等暫態(tài)過程較弱且電壓變化較小的故障中，變化率法可靠性降低，甚至無法起動。

6）小波模極大值。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，反應(yīng)波形奇異點的小波模極大值法能可靠檢測出故障發(fā)生時刻，較大的突變量使值在各種故障下都得以統(tǒng)一。由于采用的是離線數(shù)據(jù)，所以部分實驗中出現(xiàn)了小波檢測故障時刻超前的現(xiàn)象，但在實際工程中還需加上逐段待處理數(shù)據(jù)的采集時長。

4 小波模極大值法實際使用時的問題

由于小波模極大值法的原理是檢測信號的局部模極大值，因此，需對系統(tǒng)電壓信號分段檢測。分段信號兩端必然存在間斷點，無論是否存在故障，信號經(jīng)4層小波分解后，d3重構(gòu)信號端部都將出現(xiàn)局部模極大值。因此，需結(jié)合前后段信號綜合考慮判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。將每段待處理信號設(shè)為點，從本段信號第/2點開始再存儲點作為下一段信號，此時第一段信號的末端處于第二段信號的中部。經(jīng)過小波分解，當(dāng)?shù)谝欢蔚膁3重構(gòu)信號末端出現(xiàn)突變而第二段的d3重構(gòu)信號中部未出現(xiàn)突變，則可判斷系統(tǒng)正常運行，反之則判斷為故障。因此，在每次對信號進行小波變換后，只需對去除端部的d3重構(gòu)信號進行判斷即可。

每段數(shù)據(jù)的長度必須大于過電壓引起的突變過程的長度?；谄饎优袚?jù)涉及前后周期的計算，以及上文提及的端部突變的問題，將采樣數(shù)據(jù)長度設(shè)為1000點。經(jīng)過實測可知，當(dāng)每段信號為1000點時，端部可分別取50點。

5 結(jié)論

本文在4種10kV配電網(wǎng)內(nèi)部過電壓模型下，比較了5種起動算法的起動效果。在不同的內(nèi)部過電壓故障，部分算法存在較大時起動量不足或較小時易誤動的問題。實際運行中系統(tǒng)總是存在一定的三相不平衡，零序電壓基本不為0，這就減少了零序電壓上誤動的概率，但在單相高阻接地故障中，零序電壓的初始幅值與故障幅值差別較小時，電壓值法、方差法、變化率法可能無法動作。

小波模極大值法在文中各種內(nèi)部過電壓故障發(fā)生時都能可靠起動，且閾值設(shè)置上較為統(tǒng)一。

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Analysis of the Criterion of Internal Overvoltage Recording in 10kV Distribution Network

Yang Chuan1Yang Gengjie1Gao Wei1Chen Lichun2

(1. School of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108；2. FujianJinjiang Power Supply Bureau of The State Grid, Quanzhou, Fujian 362200)

In 10kV Distribution Network，over-limit zero-sequencevoltageor over-limit phase voltage is often used asthestrat-up criterion ofFault Record.However, use the over-limit voltage as strat-up criterion of Recordhas poor reliability.In this paper, the distribution network model is established by ATP/EMTP software,and compare with starting effect of several kinds of recording start algorithm in the occurrence of various internal overvoltage. It is concluded that the method of wavelet maximum value can be used reliably in Internal Overvoltage fault.

distribution network；internalovervoltage；fault record；start-upalogorithms

楊 川（1987-），男，福建省漳州人，碩士研究生，研究方向為配網(wǎng)自動化。

福建省自然科學(xué)基金項目（2016J01218）

福建省教育廳中青年教師教育科研項目（JA15086）