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基于零序電壓小波變換的小電流接地系統(tǒng)電纜早期故障檢測(cè)

2021-05-29 07:34婧,周
內(nèi)蒙古電力技術(shù) 2021年2期
關(guān)鍵詞:零序電弧擾動(dòng)

胡 婧,周 洋

(呼和浩特供電局,呼和浩特 010020)

0 引言

隨著中國(guó)城市化水平不斷提高和規(guī)模不斷擴(kuò)大,配電網(wǎng)中電纜使用比例越來(lái)越高。電纜多裝于地下,長(zhǎng)期受土壤和雨水侵蝕及機(jī)械應(yīng)力影響,其絕緣性能隨著運(yùn)行年限增加而逐漸下降,易發(fā)生永久性故障,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生燃燒、爆炸和觸電等安全事故,造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1-2]。因其檢修難度比架空線路更大,造成停電時(shí)間更長(zhǎng),相關(guān)研究及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,電纜發(fā)生永久性故障前會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)性擾動(dòng)[3],這些擾動(dòng)被稱作電纜早期故障。通過(guò)檢測(cè)早期故障能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜缺陷,有計(jì)劃地對(duì)潛在故障電纜進(jìn)行檢修、維護(hù)或更換,避免發(fā)生嚴(yán)重安全事故,對(duì)保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、提高供電可靠性有重要意義。

近年來(lái),學(xué)者們對(duì)電纜早期故障的檢測(cè)識(shí)別進(jìn)行了相關(guān)研究,主要分為基于故障信號(hào)分析法[4-5]、基于故障模型分析法[6]和基于機(jī)器學(xué)習(xí)分析法[7-10]三類?;诠收闲盘?hào)分析法利用信號(hào)分析的方法處理故障信號(hào)并提取特征量進(jìn)行判定,如文獻(xiàn)[4]利用小波判據(jù)對(duì)電纜中過(guò)電流擾動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)并構(gòu)造時(shí)域特征向量和參考樣本;文獻(xiàn)[5]通過(guò)卡爾曼濾波器從故障電流中計(jì)算出一個(gè)新信號(hào)?;诠收夏P头治龇◤碾娀∧P统霭l(fā),分析電纜早期故障特征,如文獻(xiàn)[6]通過(guò)計(jì)算故障電壓總諧波失真與閾值的偏差判定是否為電纜早期故障?;跈C(jī)器學(xué)習(xí)分析法一般先提取波形特征,再利用大量樣本數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,如文獻(xiàn)[7]采用支持向量機(jī),為更好學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的非線性關(guān)系,文獻(xiàn)[8-10]采用深度學(xué)習(xí)方法,利用深度學(xué)習(xí)構(gòu)建識(shí)別模型,準(zhǔn)確識(shí)別電纜早期故障,但該方法依賴于大量樣本數(shù)據(jù)。

上述方法多針對(duì)大電流接地系統(tǒng)(中性點(diǎn)直接接地),而我國(guó)中壓配電網(wǎng)主要采用小電流接地方式,二者早期故障特征有所不同。本文針對(duì)小電流接地系統(tǒng),分析該類系統(tǒng)的早期故障特征,提出基于小波變換的小電流接地系統(tǒng)電纜早期故障檢測(cè)方法。針對(duì)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障電流幅值小的特點(diǎn),采用零序電壓進(jìn)行檢測(cè),應(yīng)用小波變換提取零序電壓低頻段分量,消除高頻分量影響,以期實(shí)現(xiàn)小電流接地系統(tǒng)中的電纜早期故障檢測(cè)。

1 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障特征分析

小電流接地系統(tǒng)主要包括中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地兩種方式[11]。由于早期故障持續(xù)時(shí)間很短,消弧線圈來(lái)不及投入,因此在分析早期故障特征時(shí)不考慮消弧線圈的影響。圖1為小電流接地系統(tǒng)單相接地故障示意圖,其故障特征可歸納為:

(1)相電壓和零序電壓存在明顯變化,線電壓不變;

(2)故障電流/零序電流僅為數(shù)十安培,相電流變化較?。?/p>

(3)產(chǎn)生數(shù)百至數(shù)千赫茲暫態(tài)信號(hào)[12],受系統(tǒng)參數(shù)影響明顯。

圖1 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障示意圖

2 小電流接地系統(tǒng)電纜早期故障特征分析

電纜早期故障本質(zhì)為電弧故障,通常發(fā)生在電壓峰值時(shí)刻,主要體現(xiàn)為瞬時(shí)性單相接地故障,按持續(xù)時(shí)間可分為半周波早期故障和多周波早期故障[13]。早期故障具有自清除特點(diǎn)[14],故障電流由暫態(tài)電流和穩(wěn)態(tài)電流組成[15-16]。有研究表明,控制論模型能很好地表現(xiàn)電弧特性[17-18],用于模擬早期故障,如式(1)所示:

式中:u0為電弧特征電壓;r0為電弧特征電阻;t為時(shí)間;if(t)為電弧瞬時(shí)電流;g(t)為電弧電導(dǎo);τ為電弧時(shí)間常數(shù)。

結(jié)合小電流接地系統(tǒng)單相接地故障特征,該類系統(tǒng)中單相接地早期故障特征歸納如下:

(1)相電流變化不大,相電壓存在明顯擾動(dòng);

(2)零序電壓和電流都有明顯突變,零序電流幅值變化不大(數(shù)十安培),零序電壓變化明顯(數(shù)千伏);

(3)故障擾動(dòng)中存在明顯高頻分量。

3 基于小波變換的小電流接地系統(tǒng)早期故障檢測(cè)

3.1 檢測(cè)識(shí)別思路

電纜早期故障擾動(dòng)的檢測(cè)目標(biāo)是將其與系統(tǒng)中其他擾動(dòng)(負(fù)荷投切、電容器投切、變壓器勵(lì)磁、永久性單相接地故障、被清除的短路故障等)進(jìn)行區(qū)分?;诘?節(jié)分析,小電流接地系統(tǒng)早期故障最突出的故障特征為零序電壓幅值,基于該特征可有效區(qū)別負(fù)荷和電容器投切,但永久性不對(duì)稱接地故障也會(huì)產(chǎn)生零序電壓,此時(shí)可用早期故障自清除性進(jìn)行區(qū)分,即擾動(dòng)發(fā)生前后負(fù)荷電流是否變化。由于早期故障擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間短,在提取故障擾動(dòng)特征時(shí)計(jì)算窗口需盡量小于故障持續(xù)時(shí)間,保證對(duì)特征信號(hào)的準(zhǔn)確提取。依據(jù)該思路,提出應(yīng)用小波變換進(jìn)行早期故障特征提取,實(shí)現(xiàn)對(duì)小電流接地系統(tǒng)電纜早期故障的檢測(cè),流程如圖2所示。

3.2 基于小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解與重構(gòu)

圖2 基于零序電壓小波變換的電纜早期故障檢測(cè)流程

小波變換可在時(shí)域和頻域同時(shí)提取信號(hào)特征[19-20],由第2節(jié)分析可知,小電流接地系統(tǒng)中早期故障受暫態(tài)特征影響明顯,從而對(duì)電容器投切、勵(lì)磁涌流等故障造成誤判,因此提出利用小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解重構(gòu),提取信號(hào)中的基頻分量。假設(shè)信號(hào)采樣頻率為10 kHz,采用離散小波或小波包變換進(jìn)行四層分解,其低頻分量cj,n和高頻分量dj,n可表示為:

式中:n為采樣信號(hào)序列點(diǎn),n=1,2,…,R,其中,R為信號(hào)采樣點(diǎn)總數(shù);h和g分別為通過(guò)高通和低通濾波器得到的值;i為滑動(dòng)窗口采樣點(diǎn)序列號(hào),i=1,2,…,L,其中,L為窗口采樣點(diǎn)的數(shù)量;j為小波分解層數(shù),j=1,2,…,J,其中,J為最大分解層數(shù)。原始信號(hào)經(jīng)高通、低通濾波器處理后進(jìn)行下抽?。幢A羝鏀?shù)位舍掉偶數(shù)位),分別得到各層分解的高頻分量dj,n和低頻分量cj,n,其序列長(zhǎng)度為上一級(jí)序列長(zhǎng)度的二分之一。保留要提取的對(duì)應(yīng)頻段小波系數(shù),將其他頻段信號(hào)置零進(jìn)行小波重構(gòu),即可提取對(duì)應(yīng)頻段信號(hào)。重構(gòu)過(guò)程如下,其中k為重構(gòu)信號(hào)窗口長(zhǎng)度:

圖3為零序電壓信號(hào)經(jīng)離散小波變換分解重構(gòu)后的波形對(duì)比圖,可看出高頻分量已被有效濾除。

圖3 零序電壓經(jīng)離散小波變換分解重構(gòu)前后波形對(duì)比

3.3 基于重構(gòu)信號(hào)有效值計(jì)算

基于半波計(jì)算窗口逐點(diǎn)滑動(dòng)的有效值算法對(duì)濾波后的零序電壓進(jìn)行計(jì)算,圖4為零序電壓有效值計(jì)算結(jié)果。為避開(kāi)系統(tǒng)不平衡對(duì)檢測(cè)的影響,選擇10%相電壓為判斷閾值,以零序電壓連續(xù)大于閾值的時(shí)間為持續(xù)時(shí)間,考慮到早期故障的間歇性和瞬時(shí)性,設(shè)持續(xù)時(shí)間閾值為5~80 ms。

4 算例分析

4.1 小電流接地系統(tǒng)故障仿真波形

為驗(yàn)證第2節(jié)和第3節(jié)中關(guān)于小電流接地系統(tǒng)單相接地故障和早期故障的理論分析結(jié)果,對(duì)全電纜線路和全架空線路兩種情況進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖5所示。從圖中可看出電壓、電流的穩(wěn)態(tài)變化規(guī)律,也可明顯看出電容電流對(duì)暫態(tài)信號(hào)的影響。

圖4 零序電壓濾波后的半波有效值變化曲線

圖5 不同系統(tǒng)參數(shù)下的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障電壓/電流波形圖

早期故障電壓、電流波形如圖6所示,其相電壓幅值有明顯短時(shí)變化,相電流僅有微弱波動(dòng),零序電壓有較明顯的短時(shí)變化,零序電流的最大峰值僅有十多安培(與系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)),當(dāng)系統(tǒng)存在不平衡時(shí),該特征量可能淹沒(méi)在正常運(yùn)行狀態(tài)下的零序電流中。圖6對(duì)比了不同電容電流水平下早期故障波形,可以看出,系統(tǒng)參數(shù)對(duì)暫態(tài)特征影響明顯,與零序電壓相比,零序電流特征更易受系統(tǒng)參數(shù)影響。

4.2 算例仿真及驗(yàn)證

采用PSCAD/EMTDC搭建小電流接地系統(tǒng)配網(wǎng)仿真模型,同時(shí)考慮中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地,參考文獻(xiàn)[21]中電纜電弧模型,控制故障發(fā)生和清除時(shí)刻,搭建電纜早期故障模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜早期故障模擬。配電網(wǎng)仿真模型見(jiàn)圖7,線路長(zhǎng)度等相關(guān)參數(shù)如圖所示。結(jié)合仿真分析中多種參數(shù)組合情況下的電纜早期故障(電弧參數(shù)變化、故障位置變化等),同時(shí)考慮系統(tǒng)其他擾動(dòng)(負(fù)荷/電容器投切、大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、變壓器勵(lì)磁、永久短路故障等)對(duì)算法的影響。

圖6 小電流接地系統(tǒng)早期故障波形圖

圖7 配電網(wǎng)仿真模型

4.2.1 系統(tǒng)其他擾動(dòng)波形特征

系統(tǒng)其他擾動(dòng)波形如圖8所示。可見(jiàn)負(fù)荷投切、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和勵(lì)磁涌流均不會(huì)產(chǎn)生明顯零序信號(hào);兩相接地故障的零序電壓幅值特征雖滿足要求,但擾動(dòng)前后負(fù)荷存在變化。因此,基于對(duì)零序信號(hào)基波分量幅值和持續(xù)時(shí)間的特征提取,結(jié)合相電流特征的變化可實(shí)現(xiàn)對(duì)早期故障的有效檢測(cè)。

圖8 系統(tǒng)其他擾動(dòng)波形圖

4.2.2 仿真結(jié)果驗(yàn)證

考慮故障距離為0.5~10 km(仿真步長(zhǎng)0.5 km),改變電弧模型時(shí)間常數(shù)和電弧長(zhǎng)度,共產(chǎn)生100組早期故障擾動(dòng)數(shù)據(jù)。圖9為4種不同故障距離情況下零序電壓小波濾波后的半波有效值變化曲線。在不同故障距離下該方法均能保證早期故障的準(zhǔn)確檢測(cè),其他故障參數(shù)下的檢測(cè)結(jié)果相同。

圖9 不同故障距離零序電壓濾波后的半波有效值變化曲線

同時(shí),分別考慮了負(fù)荷投切、勵(lì)磁涌流和永久性故障的影響。其中負(fù)荷投切分別考慮負(fù)荷電流(20 A、50 A、80 A、100 A和200 A)和負(fù)荷位于線路首、中和末端情況,共計(jì)15組擾動(dòng);對(duì)于勵(lì)磁涌流,分別考慮合閘初相角(0°、30°、60°和90°)、變壓器容量(100 kVA、500 kVA、1 MVA和2 MVA)和位置(線路首、中和末端)三個(gè)因素,共計(jì)48組擾動(dòng);對(duì)于電機(jī)啟動(dòng)則計(jì)及電機(jī)容量(100 kW、200 kW和500 kW)和投切位置(線路首、中和末端)影響,共計(jì)9組擾動(dòng);對(duì)于單相接地和兩相短路故障,考慮了系統(tǒng)短路容量(10 MVA、50 MVA和100 MVA)、故障位置(線路首、中和末端)和故障電阻(0.1Ω、4Ω、10Ω和40Ω)的影響,兩種故障共計(jì)72組擾動(dòng)。針對(duì)所有非早期故障擾動(dòng),算法均能正確辨識(shí)。表1列出了各擾動(dòng)辨識(shí)特征量,基于多個(gè)特征量同時(shí)考慮,保證了擾動(dòng)的正確判別,驗(yàn)證了方法的有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)小電流接地系統(tǒng)的電纜早期故障特征進(jìn)行分析,結(jié)果表明,該類系統(tǒng)中,由瞬時(shí)性單相接地故障引起的早期故障電流為系統(tǒng)電容電流,相電流變化特征不明顯,而零序電流雖然有較明顯的突變,但是可能同時(shí)受故障暫態(tài)和系統(tǒng)不平衡電流的影響,因此提出利用小波變化提取零序電壓基波頻段分量,應(yīng)用半波有效值進(jìn)行特征計(jì)算;同時(shí)結(jié)合早期故障持續(xù)時(shí)間、故障自清除等特點(diǎn),提出了適用于小電流接地系統(tǒng)的單相接地型早期故障檢測(cè)方法。基于PSCAD/EMTDC構(gòu)建仿真模型,同時(shí)計(jì)及系統(tǒng)中的負(fù)荷投切、電機(jī)啟動(dòng)、永久性單相接地故障等擾動(dòng),所提方法均能有效地檢測(cè)識(shí)別,證明了方法的有效性。

表1 不同擾動(dòng)的早期故障診斷結(jié)果

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