王宏亮，沈兵，陳亮

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基于行波法的中壓艦船電網(wǎng)接地故障選線方法仿真分析

王宏亮，沈兵，陳亮

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電氣工程系，武漢 430033）

為了確保艦船電網(wǎng)的繼電保護正確與可靠，本文對艦船電網(wǎng)單相接地故障進行了簡單的數(shù)值分析，同時運用MATLAB對艦船電網(wǎng)進行數(shù)學(xué)建模并進行了相關(guān)仿真分析，針對艦船電網(wǎng)的特殊環(huán)境以及現(xiàn)有接地故障選線技術(shù)，驗證了基于行波法的艦船電網(wǎng)接地故障選線技術(shù)的可行性。

艦船電力系統(tǒng) 接地故障選線 Matlab仿真分析 暫態(tài)信號 行波

0 引言

目前，很多中壓艦船的接地故障選線是在艦船的總配電盤和照明系統(tǒng)的分配電盤上裝監(jiān)視裝置，即所謂的“地氣燈”（圖1）。該方法根據(jù)三個燈的明暗程度進行故障線路選擇。這種選線速度較慢，選線過程復(fù)雜，人工操作較為繁瑣。

針對上述人工拉路法選線技術(shù)的不足，借鑒陸地上較為成熟的選線技術(shù)并針對艦船電力網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點對相關(guān)方法進行了研究分析，認為利用暫態(tài)信號的選線方法具有靈敏度高、可靠性大的優(yōu)點，能夠滿足艦船電網(wǎng)接地故障快速準確選線判斷的要求[1]。利用接地故障時的暫態(tài)特征量，主要有首半波法、能量法、PRONY法、小波分析法等等[2,5]。在這里，以行波法為基礎(chǔ)，以小波分析為工具，提取出艦船電力網(wǎng)絡(luò)單相接地故障后的暫態(tài)電流行波并做小波變換處理，根據(jù)小波變換后的大小與方向?qū)收暇€路做出判斷。

圖1 “地氣燈”原理圖

1 艦船電網(wǎng)單相接地故障數(shù)學(xué)分析

當(dāng)艦船電網(wǎng)A相發(fā)生接地故障時，會得到相應(yīng)的向量圖2。

通過圖2可知，在故障點處各相對地電壓的情況為：

在故障處B相和C相（非故障相）產(chǎn)生的流向故障點的電容電流為：

此時，從故障處A相接地點流過的電流是整個配電網(wǎng)非故障相（B相和C相）的電容電流的總和，即：

在故障線路（假設(shè)為第n條線路）上所反應(yīng)的零序電流為：

其有效值為：

2 仿真模型的建立

中壓艦船接地故障選線的仿真，輸電線路建模與參數(shù)設(shè)計是重點。MATLAB中的Simpower systems工具箱給出了p型等效電路模塊和分布參數(shù)線路模塊供使用者選擇。這兩種數(shù)學(xué)模型都考慮到了自阻抗和互阻抗的問題，比較理想。

這里的艦船電力網(wǎng)絡(luò)單相接地故障仿真建模以中壓艦船中性點經(jīng)高電阻接地系統(tǒng)為例，假設(shè)艦船電站連接四條支路，并在第四條線路上發(fā)生接地故障。艦船電力網(wǎng)絡(luò)仿真模型如圖3所示。

本文根據(jù)艦船電網(wǎng)發(fā)生電弧故障的特點采用了“控制論”模型[3]，即用理想開關(guān)模型接地作為電弧接地的故障模型，設(shè)計合理的時間參數(shù)來控制理想開關(guān)進而達到表征電弧故障產(chǎn)生和消失的用途。通過接地模塊與傳輸線的直接連接實現(xiàn)接地。

3 故障的仿真分析

當(dāng)艦船電力網(wǎng)絡(luò)中的輸電電纜某點突然發(fā)生單相接地故障時，會在故障點迅速產(chǎn)生故障行波，這些故障行波以電壓或電流的形式向線路兩端傳播[5]。該行波本身是一種暫態(tài)故障分量，只有在發(fā)生接地故障時才會產(chǎn)生，正常運行的系統(tǒng)傳輸線路中是不存在的[4]。當(dāng)線路4某處發(fā)生故障時（故障時刻T=0.035 s），在仿真模型故障線路處檢測到的三相電壓與電流波形圖如圖4所示。

從仿真圖形4中，可以清楚的看到，當(dāng)艦船電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，電壓和電流會在故障發(fā)生時刻發(fā)生劇烈震蕩。隨后的故障相電壓近似為零，而其它兩相電壓近似變?yōu)樵瓉淼?.63～1.75倍。同時，電力網(wǎng)絡(luò)中會由于中性點電壓產(chǎn)生位移而出現(xiàn)零序電壓與零序電流。在故障暫態(tài)時刻，包含豐富的故障信息，可以為艦船電網(wǎng)接地故障選線技術(shù)的研究提供支持。

對此，可以將電網(wǎng)故障發(fā)生時刻一段時間的電流行波提取出來，如圖5所示。

行波是一種故障信號[5]。行波信號在線路上傳播所發(fā)生的折反射現(xiàn)象會導(dǎo)致各線路初始行波極性與大小的不同，是艦船電網(wǎng)單相接地故障選線的重要判據(jù)。“db 5”小波對于檢測含有突變點的信號有顯著的作用。利用小波變換對奇異點檢測原理，對電流行波進行小波變換，可以清晰地確定信號突變點位置。

利用小波變換對行波信號進行的細節(jié)處理，可以清晰的看到在時間t ≈ 0.035附近會有一次比較劇烈的變化。這就是階躍信號的突變時刻。對各線路進行小波變換模極大值分析，得到故障與非故障線路的小波變換模極大值圖（圖6）。

圖3 MATLAB仿真圖

圖4 故障后三相電流波形圖

圖5 故障電流行波

通過對圖6各線路正向電流行波的“db5”小波變換圖的觀察，可以明顯的看出故障線路在故障發(fā)生時刻與非故障線路波形圖的極性與大小明顯不同，這便構(gòu)成了我們艦船電力系統(tǒng)接地故障選線的基本判據(jù)。

4 結(jié)束語

本文通過對艦船電力系統(tǒng)一定的數(shù)值分析和基于MATLAB/SIMULINK的輸電線路故障仿真平臺的分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對傳統(tǒng)艦船電力系統(tǒng)接地故障選線技術(shù)的優(yōu)化,對艦船電網(wǎng)接地故障選線研究具有一定的指導(dǎo)作用。但相關(guān)的故障模型需要進一步完善，如何更好的將行波與小波分析法實踐到艦船電力系統(tǒng)當(dāng)中，也有待于深入研究。

圖6 各線路小波變換圖

[1] 肖白, 束洪春, 高峰. 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法綜述[J]. 繼電器, 2001, 29(4): 16-20.

[2] MattiL, Hapio H. Neutral earthing and Power system protection[M]. ABB Transmit Oy Publication, Vaasa, Finland, 1996.

[3] 束洪春.配電網(wǎng)絡(luò)故障選線[M].北京：機械工業(yè)出版社, 2008.

[4] A.H.sman, O.P.Malik .Transmission Line Distance Protection Based on Wavelet Transform[J].IEEE Trans.On Power Delivery, 2004, 19(2): 515-523.

[5] 徐丙垠, 李京, 陳平, 陳羽, 董新洲, 葛耀中, P. F. Gale. 現(xiàn)代行波測距技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2001, 12（4）: 62-65.

The Simulation Analysis of Faulty Line Selection in Shipboard Medium Voltage Power System Based on Transient Travelling Wave

Wang Hongliang, Shenbing, Chen Liang

（College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering Wuhan 430033,China）

TM72

A

1003-4862（2013）12-0036-03

2013-08-19

王宏亮（1988-），男，碩士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)安全運行。