基于暫態(tài)行波的10 kV自閉貫通線路單相接地故障定位研究

譚貴賓

0 引言

行波法故障定位研究在國內起步較晚，在10 kV自閉貫通線路中的應用較少，實際測距結果準確性也不高[1～3]。行波法故障測距技術的關鍵在于檢測行波波頭到達監(jiān)測終端的時刻，波頭時刻檢測的精度對行波法故障測距影響較大。單端行波法故障測距實時性較高，不需依靠設備之間的對時，且相對雙端法而言，單端法故障測距投入和維護成本較低。本文主要研究單端行波法故障測距在10 kV自閉貫通線故障測距中的應用。

10 kV自閉貫通線路由于線路走廊特殊，大部分為架空線、電纜混架，其線路單位阻抗分布不均，所內不設置其距離保護裝置。目前應用于10 kV自閉貫通線路的單相接地故障行波精確定位技術尚 處于理論研究階段。對于10 kV自閉貫通線路單相接地故障，其精確定位難度大；對于線路較短、沿線存在較多箱變、電纜與架空線路混合等情況，難以準確定位故障[2～4]；現(xiàn)行的行波定位裝置無線傳輸功能受區(qū)域GPS有效性的影響，數(shù)據無法及時上傳，同一條線路不同監(jiān)測點故障數(shù)據無法對時，同時10 kV自閉貫通線路本身負荷較低導致故障監(jiān)測裝置無法取能等一系列問題，致使行波法故障測距在10 kV自閉貫通線路的應用發(fā)展緩慢。

對于上述10 kV自閉貫通線路故障測距問題，基于A型行波法的故障測距方案不受GPS有效性的影響，本文將利用小波包變換解決信號奇異性的問題，實現(xiàn)單相接地故障行波波頭檢測，從而實現(xiàn)10 kV自閉貫通線路故障測距，并采用ATP-EMTP仿真軟件建立10 kV自閉貫通線路單相接地仿真模型，以大量仿真數(shù)據證明A型行波法故障測距方案的可行性。

1 10 kV自閉貫通線路接地模態(tài)分解[5]

采用常規(guī)相模變換的方法進行10 kV自閉貫通故障線路模態(tài)分解。假設某10 kV自閉貫通線路的線模和零模波阻抗分別為Z1、Z2和Z0，圖1為單相接地線模零模分解示意圖，則電壓行波與電流行波的零模分量和線模分量關系如下：

圖1 單相接地線模零模分解示意圖

式中：u1、u2，i1、i2為線模分量；u0、i0為零模分量。

故障點處的相量邊界條件為

式中：uA(t)為故障前A相的相電壓；uFA(t)為A相故障時電壓；iFB(t)、iFC(t)分別為B、C相故障電流。

根據式（1）和式（2）可得

式中：iFA(t)為A相故障電流。

假設某10 kV自閉貫通線路發(fā)生A相單相接地故障時故障點過渡阻抗為RF，則有

則故障點的初始電壓行波和初始電流行波的線模分量和零模分量分別為

由式（6）、式（7）可知，故障電流大小與線路故障時過渡阻抗成反比，行波的幅值大小與過渡阻抗息息相關。

式中：iA1、iB1、iC1為A、B、C相電流線模行波分量；iA0、iB0、iC0為A、B、C相電流零模行波分量。

因此，在10 kV自閉貫通系統(tǒng)中三相電流互感器監(jiān)測到的是零模行波，通過線模行波檢測和零模行波檢測可實現(xiàn)10 kV自閉貫通線路單相接地故障的單端故障測距。

2 電流行波波頭的小波標定[6～10]

圖2為小波變換示意圖，將信號在突變點處平滑化，信號的突變點與一階導函數(shù)模極值點相對應。

圖2 小波變換極值點

單相接地可采用小波變換模極大值點進行行波突變標記，實現(xiàn)故障時刻和折反射時刻的標定，從而進行故障的精確定位。

3 行波單相接地測距仿真研究

3.1 測距仿真

選取中國鐵路南寧局管內某10 kV自閉貫通線路建立仿真模型，表1所示為該自閉貫通線路仿真參數(shù)。

表1 某自閉貫通線路參數(shù)

根據已知的線路參數(shù)計算行波線模速度和零模速度。

線模速度：

零模速度：

計算得出行波速度后，在系統(tǒng)中對單相接地故障情況進行仿真驗證，運用小波模極大值方法進行線路行波測距研究[10～13]。

假設故障距離行波監(jiān)測裝置4 km，仿真時長設置為0.2 s，在0.1 s時發(fā)生單相接地故障，故障接地阻抗為4 Ω，仿真步長為1 μs。圖3所示為故障發(fā)生后的行波電流波形及故障行波電流模態(tài)分解示意圖。

圖3 故障行波電流

對故障行波電流進行高斯平滑，然后采用求解極值點方法標記故障的初始時刻，圖4所示為標記的接地相行波電流線模極值點，即故障時刻。

圖4 接地相行波電流線模極值點

由圖4標定的結果可以清楚地看出初始行波到達線路首端的時刻及反射行波到達的時刻，進而計算得出故障的定位距離為4.044 km，誤差僅為44 m，具有較高的精度。

3.2 不同過渡阻抗故障測距算法驗證

在不同的過渡阻抗下進行故障仿真。圖5所示為距離測距裝置4 km處在0.1 s時刻發(fā)生接地故障時，不同過渡阻抗下行波電流波形及模極值點。

圖5 不同過渡阻抗下行波電流

由圖5可以看出，線路過渡阻抗越大，線路的行波線模分量越小。圖6為故障線路故障電流模極大值點波頭示意圖。

圖6 故障線路故障電流模極大值點波頭示意圖

由圖6可知，無論過渡阻抗多大，行波電流到達監(jiān)測終端的初始時刻不變。

表2為不同過渡阻抗下的測距結果。由表2可知，當線路故障過渡阻抗較大時，小波變換尺度函數(shù)模極大值無法監(jiān)測反射波，這是由于過渡阻抗過大，行波衰減，又由于監(jiān)測硬件本身的采樣缺陷和線路的噪聲影響，無法監(jiān)測到故障點反射波，從而無法實現(xiàn)故障精確定位，因此需對過渡阻抗較大時進行濾波。本文采用的濾波程序如下：以初始行波為例，對反射波進行濾波處理，通過大量較大過渡阻抗仿真波形和濾波程序可實現(xiàn)故障的精確定位。當過渡阻抗較大，線模模極大值檢測失敗時，需結合阻抗類測距方案進行故障的精確定位。

表2 不同過渡阻抗下的測距結果

3.3 不同初相角下故障測距算法驗證

由于單相接地故障具有隨機性，為分析不同故障初相角時的情況，對不同初相角進行故障仿真分析，如圖7所示。

圖7 不同故障初相角行波電流模態(tài)分解

由圖7可知，不同故障初相角下的故障電流模態(tài)分解為不同初相角下的電流行波分量，故障行波的極大值檢測如圖8所示。

圖8 不同初相角下線模分量模極值點

由圖8可知，僅當故障角度為90°時無法通過模極大值進行波頭的識別，從而導致故障測距失敗，此處為故障測距死區(qū)。由于故障的隨機性，實際故障角度為90°時的概率極小，因此不影響行波電流模極大值故障測距。不同初相角下的測距結果如表3所示。

表3 不同初相角下的測距結果

3.4 不同初始故障距離下故障測距算法驗證

保持過渡阻抗不變，分別設置不同初始故障距離進行測距驗證。圖9所示為不同故障距離下線模分量，表4所示為不同故障距離下的測距結果。

圖9 不同故障距離下線模分量

表4 不同故障距離下的測距結果

由于不同過渡阻抗可能會導致線路故障測距精度出現(xiàn)偏差，因此本次仿真在保證相同過渡阻抗情況下，分別設置距離測量點不同的接地點位置進行測距驗證。由表4可以看出，故障測距誤差不大于2%，故障測距誤差均小于150 m，可滿足線路故障測距要求[14～16]。

4 結語

利用ATP-EMTP仿真建模模擬了10 kV自閉貫通線路的單相接地故障，闡述了采用行波法進行10 kV自閉貫通線路單相接地故障測距的方法。利用小波變換奇異性監(jiān)測分析故障暫態(tài)信號，提取行波的初始波頭和折反射時刻點，從而進行故障測距，并從不同故障過渡電阻、不同故障初相角、不同故障初始點位置等多個方面進行故障測距仿真驗證。試驗表明，在行波故障測距基礎上，利用小波變換奇異性進行故障時刻高頻暫態(tài)波形信號提取，分析故障暫態(tài)信號，具有較高的故障測距精度。