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摘要：通过对中性点非有效性接地系统接地故障暂态过程的深入分析，针对接地故障的特点，提出了利用暂态零序电流的模极大值与系统的零序电压首半波的相位关系来进行故障选线，利用判据的互补性来提高选线的准确性。理论分析和MATLAB仿真试验表明，该选线方法提高了接地故障选线的准确性和可靠性，具有良好的应用前景。
关键词：中性点；非有效性接地系统；故障选线
作者简介：郭增为（1983-），男，河北邯郸人，阜阳供电公司配电工区，助理工程师；吴颍村（1965-），男，安徽阜阳人，阜阳供电公司配电工区高级工。（安徽 阜阳 236017）
中图分类号:TM63 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）24-0145-02
电力系统中性点接地方式，是指电力系统星型接法电力设备的中性点与大地之间的连接方式。电网按中性点接地方式主要划分为有效接地电网和非有效性接地电网两大类。非有效性接地方式又称小电流接地方式，主要包括中性点不接地、谐振接地和经高阻接地系统，其中中性点不接地和谐振接地系统被我国及一些欧洲国家配电网广泛采用。[1-2]
单相接地是电力系统常见的一种故障。一相接地时流过故障点的电流是数值很小的电容电流或是经消弧线圈补偿后的残流。电力系统运行经验表明，对于架空线发生的单相接地故障，约90%的故障都是瞬时性的，在系统和用户无感觉的情况下，自动消除接地电弧。遇到永久性接地故障，不需要立即断开线路，允许带故障运行1~2小时，可以有时间来处理故障，保证供电的不间断。因此非有效性接地方式可极大地提高供电可靠性。
但是非有效性接地系统也有不利之处，就是不知道是哪条线路接地发生单相接地故障。传统上都是用逐线拉闸的方法选出故障线路，与此同时，未发生接地故障的线路也会因此停电，供电可靠性受到影响。
选线技术经过多年的研究与实践，取得了一定的理论研究成果。但是由于故障状况复杂，接地电流比较小，电磁干扰等问题，非有效性接地系统单相接地故障选线问题仍是电力系统实际运行中一个亟待解决的难题。
一、选线方法
1.目前的选线方法
目前人们为解决非有效性接地故障选线这一问题进行了大量的研究工作，探索出很多选线方法。按照采用信号特征种类的不同，可以分为工频量选线方法、暂态量选线方法等。[2-9]
工频量选线方法通常使用零序电流的高次谐波或基波中的某些分量作为特征量，如比幅法、比相法、谐波法、功率法等。对于小电流接地系统来说，稳态故障分量的特点是相对稳定的，但是当线路很短时，分布电容很小，零序电流幅值很小，此时零序电流的相位误差很大，容易误选。
暂态量选线方法的原理是在电网发生单相接地过程中，故障电流除含有工频基波成分，还含有丰富的不规则谐波成分。暂态和谐波电流能够提供故障选线信息，只要故障中暂态量足够大，就可以把它们用到故障选线上。
对于工频量选线方法，由于稳态分量电气量幅值本身偏小的缺点，加上电网本身和负荷的复杂性，致使在实际的工程应用中难以提取出有效的故障信号。而发生单相接地故障时，存在一个明显的接地电容电流比其稳态值大几倍到几十倍；此过程包含丰富的故障特征。充分提取这一暂态过程的丰富的特征信息必将大大提高故障选线的可靠性。
非有效电网单相接地故障的特点决定了没有一种选线方法能够完全适应各种单相接地故障状态，这就需要开发利用各种信息构造多种选线判据，利用判据的互补性来提高选线的准确性。
2.综合选线方法
电网发生故障瞬间，由于线路分布电感和分布电容的存在，在故障激励源的作用下，会产生短暂的电容充放电电流。故障量将产生一个突变，突变量是由激励源的投入而引起网络中物理量变化规律突然改变的趋势。即故障量在故障时刻是奇异的。因此，故障瞬间的暂态信号中含有多种频率成分，导致暂态量比稳态量大很多倍，有利于故障特征量选取。
发生故障时，故障电压和故障电流将产生突变，所有非故障线路电流突变的极性相同，故障线路电流突变的极性与非故障线路电流突变极性相反，并且故障电流突变幅值等于所有非故障线路电流突变幅值之和，由电路关系可知，电压突变的极性与非故障线路电流突变的极性相同。
当线路发生单相接地故障的瞬间，对于故障相，由于相电压突然降低，引起故障相对地电容放电且放电电流频率比较高；而非故障相则由于相电压升高，会产生充电电流，充电电流要由电源电感提供，故其充电电流频率较低。因此，故障线路的模极大值比非故障线路的模极大值要大得多；故障线路的模极大值的极性和零序电压首半波的极性相反，非故障线路则相同；当母线发生故障时，所有线路的模极大值点的极性和系统零序电压首半波的极性相同。鉴于小波包分析可以进行高频段的多分辨率分析，因此用小波包分析对上述暂态高频分量进行多尺度分解，利用暂态零序电流的模极大值与系统的零序电压首半波的相位关系来进行故障选线。
二、小波包
小波分析是应用数学的一个分支，[10]十几年来被许多领域研究并应用。与Fourier分析相比，其主要特点是在时—频域中同时具有很好的局部化特性，因此成为分析非平稳变化信号或具有奇异性信号的有力工具。故障时发出的高频暂态行波信号在线路传输中是振荡性的，带有许多与故障有关的信息。作为一种信号处理技术，对于暂态或不连续的信号，小波分析比傅立叶变换更有效；而小波包比小波变换能更好地表示信号的高频信息。电力线路故障时的行波信号是一种突变性的、非平稳的高频暂态信号，可以利用小波包来检测突变点位置和突变时刻。
设和分别为尺度函数和小波函数，它们满足双尺度方程：
（1）
（2）
这里，序列和为尺度和小波的滤波器系数。令，，并且定义如下的基本小波包：
（3）
（4）
当时，使得，式中，且Z为整数，Z+为正整数。由（3）和（4），得。当时，。
三、仿真试验
本文使用MATLAB/Simulink进行系统建模、仿真。建立了一个小型的10kV系统仿真模型，模型及其参数为：电源为无穷大电源。变压器容量31.5MVA，变比110/10kV。变电站母线上接有三条馈出线路，各条馈线的长度分别为：。线路参数为：正序阻抗，正序容纳，零序阻抗，零序容纳。中性点经消弧线圈接地，消弧线圈采用1个RLC并联支路实现，电阻，电感。每条线路的终端负荷采用RLC负荷模块表示，容量为0.64+j0.48MW。
假设线路一相发生接地故障，故障时刻为T=0.04s，距离母线8公里，则系统母线零序电压和各出线零序电流分别如图1、2所示。
对仿真所得的信号暂态高频分量进行小波包分解，如图3所示。
从图3中明显可以看出，L3小波模极值最大，结合系统的零序电压首半波的相位关系，可以判断L3为故障线路。
四、结论
本文在分析电力系统中性点接地方式和目前的选线方法的基础上，对利用小波包变换对暂态零序电流进行分析，提出了以小波包分析找到模极大值，并利用零序电压首半波的相位关系来进行复合判断的选线手段，建立了一种新的综合选线方法，并以金属性接地故障建立了仿真模型进行了仿真实验。
仿真结果表明，本选线方法可以提高故障选线的准确率，有较好的实用性。既适用于中性点不接地系统，也适用于中性点经消弧线圈接地系统，具有较高的灵活性和可靠性。
参考文献：
[1]李福寿.中性点非有效接地电网的运行[J].北京:水利电力出版社,1993.
[2]要焕年,曹梅月.电力系统谐振接地[J].北京:中国电力出版社,2000.
[3]李冬辉,史临潼.非直接接地系统单相接地故障选线方法综述[J].继电器,2004,32(18)74-78.
[4]徐丙垠,薛永端,李天友,等.小电流接地故障选线技术综述[J].电力设备,2005,6(4):1-7.
[5]张帆,潘贞存,张慧芬,等.基于零序电流暂态极大值的小电流接地选线新判据[J].电力系统自动化,2006,30(4):45-48,79.
[6]蔡维,王华荣,刘承志,等.中性点不接地电网单相接地故障特征仿真研究与新结论[J].电力自动化设备,2006,(2).
[7]束洪春,肖自.配电网单相电弧接地故障选线暂态分析法[J].电力系统自动化,2002,26(21):58-61.
[8]何正友,钱清泉.电力系统暂态信号的小波分析方法及其应用[J]电力系统及其自动化学报,2002,14(4):1-5.
[9]齐郑,杨以涵.中性点非有效接地单相接地选线技术分析[J].电力系统自动化,2004,28(14):1-5.
[10]彭玉华.小波变换与工程应用[M].北京:科学出版社,1999.
（责任编辑：麻剑飞）
关键词：中性点；非有效性接地系统；故障选线
作者简介：郭增为（1983-），男，河北邯郸人，阜阳供电公司配电工区，助理工程师；吴颍村（1965-），男，安徽阜阳人，阜阳供电公司配电工区高级工。（安徽 阜阳 236017）
中图分类号:TM63 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）24-0145-02
电力系统中性点接地方式，是指电力系统星型接法电力设备的中性点与大地之间的连接方式。电网按中性点接地方式主要划分为有效接地电网和非有效性接地电网两大类。非有效性接地方式又称小电流接地方式，主要包括中性点不接地、谐振接地和经高阻接地系统，其中中性点不接地和谐振接地系统被我国及一些欧洲国家配电网广泛采用。[1-2]
单相接地是电力系统常见的一种故障。一相接地时流过故障点的电流是数值很小的电容电流或是经消弧线圈补偿后的残流。电力系统运行经验表明，对于架空线发生的单相接地故障，约90%的故障都是瞬时性的，在系统和用户无感觉的情况下，自动消除接地电弧。遇到永久性接地故障，不需要立即断开线路，允许带故障运行1~2小时，可以有时间来处理故障，保证供电的不间断。因此非有效性接地方式可极大地提高供电可靠性。
但是非有效性接地系统也有不利之处，就是不知道是哪条线路接地发生单相接地故障。传统上都是用逐线拉闸的方法选出故障线路，与此同时，未发生接地故障的线路也会因此停电，供电可靠性受到影响。
选线技术经过多年的研究与实践，取得了一定的理论研究成果。但是由于故障状况复杂，接地电流比较小，电磁干扰等问题，非有效性接地系统单相接地故障选线问题仍是电力系统实际运行中一个亟待解决的难题。
一、选线方法
1.目前的选线方法
目前人们为解决非有效性接地故障选线这一问题进行了大量的研究工作，探索出很多选线方法。按照采用信号特征种类的不同，可以分为工频量选线方法、暂态量选线方法等。[2-9]
工频量选线方法通常使用零序电流的高次谐波或基波中的某些分量作为特征量，如比幅法、比相法、谐波法、功率法等。对于小电流接地系统来说，稳态故障分量的特点是相对稳定的，但是当线路很短时，分布电容很小，零序电流幅值很小，此时零序电流的相位误差很大，容易误选。
暂态量选线方法的原理是在电网发生单相接地过程中，故障电流除含有工频基波成分，还含有丰富的不规则谐波成分。暂态和谐波电流能够提供故障选线信息，只要故障中暂态量足够大，就可以把它们用到故障选线上。
对于工频量选线方法，由于稳态分量电气量幅值本身偏小的缺点，加上电网本身和负荷的复杂性，致使在实际的工程应用中难以提取出有效的故障信号。而发生单相接地故障时，存在一个明显的接地电容电流比其稳态值大几倍到几十倍；此过程包含丰富的故障特征。充分提取这一暂态过程的丰富的特征信息必将大大提高故障选线的可靠性。
非有效电网单相接地故障的特点决定了没有一种选线方法能够完全适应各种单相接地故障状态，这就需要开发利用各种信息构造多种选线判据，利用判据的互补性来提高选线的准确性。
2.综合选线方法
电网发生故障瞬间，由于线路分布电感和分布电容的存在，在故障激励源的作用下，会产生短暂的电容充放电电流。故障量将产生一个突变，突变量是由激励源的投入而引起网络中物理量变化规律突然改变的趋势。即故障量在故障时刻是奇异的。因此，故障瞬间的暂态信号中含有多种频率成分，导致暂态量比稳态量大很多倍，有利于故障特征量选取。
发生故障时，故障电压和故障电流将产生突变，所有非故障线路电流突变的极性相同，故障线路电流突变的极性与非故障线路电流突变极性相反，并且故障电流突变幅值等于所有非故障线路电流突变幅值之和，由电路关系可知，电压突变的极性与非故障线路电流突变的极性相同。
当线路发生单相接地故障的瞬间，对于故障相，由于相电压突然降低，引起故障相对地电容放电且放电电流频率比较高；而非故障相则由于相电压升高，会产生充电电流，充电电流要由电源电感提供，故其充电电流频率较低。因此，故障线路的模极大值比非故障线路的模极大值要大得多；故障线路的模极大值的极性和零序电压首半波的极性相反，非故障线路则相同；当母线发生故障时，所有线路的模极大值点的极性和系统零序电压首半波的极性相同。鉴于小波包分析可以进行高频段的多分辨率分析，因此用小波包分析对上述暂态高频分量进行多尺度分解，利用暂态零序电流的模极大值与系统的零序电压首半波的相位关系来进行故障选线。
二、小波包
小波分析是应用数学的一个分支，[10]十几年来被许多领域研究并应用。与Fourier分析相比，其主要特点是在时—频域中同时具有很好的局部化特性，因此成为分析非平稳变化信号或具有奇异性信号的有力工具。故障时发出的高频暂态行波信号在线路传输中是振荡性的，带有许多与故障有关的信息。作为一种信号处理技术，对于暂态或不连续的信号，小波分析比傅立叶变换更有效；而小波包比小波变换能更好地表示信号的高频信息。电力线路故障时的行波信号是一种突变性的、非平稳的高频暂态信号，可以利用小波包来检测突变点位置和突变时刻。
设和分别为尺度函数和小波函数，它们满足双尺度方程：
（1）
（2）
这里，序列和为尺度和小波的滤波器系数。令，，并且定义如下的基本小波包：
（3）
（4）
当时，使得，式中，且Z为整数，Z+为正整数。由（3）和（4），得。当时，。
三、仿真试验
本文使用MATLAB/Simulink进行系统建模、仿真。建立了一个小型的10kV系统仿真模型，模型及其参数为：电源为无穷大电源。变压器容量31.5MVA，变比110/10kV。变电站母线上接有三条馈出线路，各条馈线的长度分别为：。线路参数为：正序阻抗，正序容纳，零序阻抗，零序容纳。中性点经消弧线圈接地，消弧线圈采用1个RLC并联支路实现，电阻，电感。每条线路的终端负荷采用RLC负荷模块表示，容量为0.64+j0.48MW。
假设线路一相发生接地故障，故障时刻为T=0.04s，距离母线8公里，则系统母线零序电压和各出线零序电流分别如图1、2所示。
对仿真所得的信号暂态高频分量进行小波包分解，如图3所示。
从图3中明显可以看出，L3小波模极值最大，结合系统的零序电压首半波的相位关系，可以判断L3为故障线路。
四、结论
本文在分析电力系统中性点接地方式和目前的选线方法的基础上，对利用小波包变换对暂态零序电流进行分析，提出了以小波包分析找到模极大值，并利用零序电压首半波的相位关系来进行复合判断的选线手段，建立了一种新的综合选线方法，并以金属性接地故障建立了仿真模型进行了仿真实验。
仿真结果表明，本选线方法可以提高故障选线的准确率，有较好的实用性。既适用于中性点不接地系统，也适用于中性点经消弧线圈接地系统，具有较高的灵活性和可靠性。
参考文献：
[1]李福寿.中性点非有效接地电网的运行[J].北京:水利电力出版社,1993.
[2]要焕年,曹梅月.电力系统谐振接地[J].北京:中国电力出版社,2000.
[3]李冬辉,史临潼.非直接接地系统单相接地故障选线方法综述[J].继电器,2004,32(18)74-78.
[4]徐丙垠,薛永端,李天友,等.小电流接地故障选线技术综述[J].电力设备,2005,6(4):1-7.
[5]张帆,潘贞存,张慧芬,等.基于零序电流暂态极大值的小电流接地选线新判据[J].电力系统自动化,2006,30(4):45-48,79.
[6]蔡维,王华荣,刘承志,等.中性点不接地电网单相接地故障特征仿真研究与新结论[J].电力自动化设备,2006,(2).
[7]束洪春,肖自.配电网单相电弧接地故障选线暂态分析法[J].电力系统自动化,2002,26(21):58-61.
[8]何正友,钱清泉.电力系统暂态信号的小波分析方法及其应用[J]电力系统及其自动化学报,2002,14(4):1-5.
[9]齐郑,杨以涵.中性点非有效接地单相接地选线技术分析[J].电力系统自动化,2004,28(14):1-5.
[10]彭玉华.小波变换与工程应用[M].北京:科学出版社,1999.
（责任编辑：麻剑飞）