杨 川 杨耿杰 高 伟 陈立纯



10kV配电网内部过电压录波起动判据分析

杨 川1杨耿杰1高 伟1陈立纯2

（1. 福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108；2. 国网福建晋江市供电有限公司，福建泉州 362200）

在10kV配电网中，常采用电压或相电压越限作为故障录波起动判据。但在电压幅值变化小或暂态过程不明显的故障下，采用电压越限作为录波起动判据可靠性不足。本文通过ATP/EMTP软件搭建配网线路模型，比较几种录波起动算法在发生各种内部过电压时的起动效果，得出采用小波极大值法的起动方法在内部过电压故障中都能可靠动作的结论。

配电网；内部过电压；故障录波；起动算法

当电力系统发生故障或受到扰动时，故障录波器通过所设判据起动，开始自动记录故障前与故障过程中的电流、电压、频率等电气量的变化情况。故障录波数据是分析、处理事故及制定防治方案的重要依据，对配电网设备安全性和供电可靠性的提高有很大参考价值[1]。电压突变量起动元件因其在电压变化比较明显的故障下3～5个点就能准确起动，在故障录波装置中得到广泛的应用。电压越限起动元件仅依据故障前后一周波的变化量，对故障暂态过程中的波形振荡等异常并无直接反应。配电网中单相接地故障大多经阻抗接地，电压变化往往不明显，采用电压越限作为起动判据可靠性不足。

本文介绍5种基于电压突变量的起动判据，并以合闸空载线路过电压、基波铁磁谐振过电压、间歇性弧光接地故障、单相阻抗接地故障为例，仿真分析几种故障起动算法在10kV配电网中应用的优缺点与适用性。

1 几种内部过电压故障的电压特征

1.1 合闸空载线路

由于城镇缆化和农村供电半径过长等原因，配电网线路对地电容较大，系统对电容的补偿作用极低，因此当线路合闸或重合闸时，就会因电容电压的作用引起操作过电压。电容电感产生的震荡电压作用于工频电压上，暂态过程中电压震荡短暂而明显，过电压幅值可达系统额定电压的2.3倍[1]。

1.2 单相阻抗接地故障

1.3 基波铁磁谐振过电压

当系统发生故障或者受到扰动时，系统的接线方式发生了改变，负载减轻，三相电压变得不平衡，使中性点产生了位移电压，在一定的电源和参数配合下，有可能发生铁磁谐振。基波铁磁谐振发生时，系统对地电压两相升高一相降低，与电网中发生单相接地故障现象极为相似，因此也称为虚幻接地[3-4]。当单相接地故障点切除引起基波铁磁谐振时，谐振前后电压波形的变化很小。

1.4 间歇性弧光接地故障

配网线路缆化使系统电容电流大幅增加，发生单相接地时故障时，电弧往往不能自行熄灭，处于时燃时灭的状态，并可持续较长的时间。由此产生的间歇性电弧将引起系统电磁能量的强烈振荡和积聚，从而引起健全相和故障相出现严重的过电压[5]。当发生间歇性弧光接地时，在故障相和非故障相的电感电容回路上会引起持续的高频振荡过电压，非故障相的过电压倍数一般可达3.15～3.5倍[6]。

2 内部过电压故障起动算法

2.1 电压值法

电压值法利用电压值越限或电压前后周期差值越限作为故障起动判据。

电压值法[7]的原理如下：

2.2 方差法

方差（variance）是用来度量随机变量和其数学期望（均值）之间的偏离程度。

其离散计算公式为

2.3 变化率法

舍去截断误差后公式简化为

2.4 曲率法

曲率用来表征曲线弯曲程度。在平面上，曲线的曲率表明曲线偏离直线的程度，曲线越弯曲则曲率越大。

（曲率值） （11）

式中对采样值进行变换[10]，令各种情况下波形均处于同一个数量级，使定值的选取更具有普遍性。当系统故障，电压发生突变，特别是存在明显的暂态过程时，曲率也随之产生突变。

2.5 小波模极大值

小波变换是将信号分解成位于不同频带和时段上的各个成分，从而对信号进行分析。函数的小波变换记为

决定频域信息。为平移因子，决定时域信息。一般将信号的局部奇异性与经过小波变换以后的局部模极大值相联系：若函数()在其定义域内某处间断或者某阶导数不连续，则称该函数存在奇异点。行波信号的奇异点处必存在小波变换的模极大值，即突变点与经小波变换后的模极大值点相互对应。

为了有效地检测信号的奇异性特征，小波基的消失矩要有一定的阶数[13]。如图1和图2所示，采用4阶以上的db小波基可更好的突出奇异点。经测试，选择4层小波分解的d3层信号作为小波奇异点的判别信号。

3 仿真分析

为了分析上述5种起动算法在配网内部过电压时的起动性能，利用EMTP/ATP仿真得到数据，并用Matlab编程离线分析各种算法的优缺点。

图1 DB4小波分解图

图2 DB2小波分解图

配电网模型如图3所示，其中降压变压器电压等级分别是110kV/10kV和10kV/0.4kV，图中JK表示架空线路，DL表示电缆线路，线路参数见表1。

图3 内部过电压仿真模型

表1 仿真模型线路参数

3.1 合闸空载线路

仿真时长0.1s，采样频率20kHz，故障发生于0.05s。断开所有线路，合L1线路。合闸空载线路电压波形如图4所示，起动结果见表2。

图4 合闸空载线路电压波形示意图

表2 合闸空载线路过电压的起动结果

3.2 间歇性弧光接地故障

仿真时长0.1s，故障发生于0.05s。断开所有线路，合L3线路，间歇性弧光接地电压波形如图5所示，起动结果见表3。

图5 间歇性弧光接地电压波形示意图

表3 间歇性弧光接地的起动结果

3.3 基波谐振过电压

仿真时长为0.1s，采样频率为20kHz。断开所有线路，合L4线路，到故障点线路长度为800m。-1s时发生单相接地故障，0.05s时断开故障点，触发基波铁磁谐振。电压波形如图6所示，起动结果见表4。

图6 基波谐振过电压波形示意图

3.4 单相阻抗接地故障

仿真时长为0.1s，故障发生于0.05s。断开所有线路，合L2线路。如图7所示，图左为接地电阻10W的电压波形，图右为接地电阻5000W的电压波形。在单相接地故障时，电压波形突变程度和暂态过程随着接地电阻的增大而减小，左图零序电压突变为2910V，右图零序电压突变为238V。起动结果分别见表5和表6。

表4 基频谐振过电压的起动结果

3.5 仿真结果分析

2）电压值法。合闸空载线路过电压和基频铁磁谐振过电压的电压幅值变化较小，设置较低的值（如0.1）才能可靠起动。在电压变化更小的单相阻抗接地故障（5000W）中，采用相电压计算无法越限动作；在存在三相不平衡的配电系统中，采用零序电压的起动可靠性也较差。

图7 单相接地故障电压波形示意图

表5 单相接地故障起动结果（10W）

表6 单相接地故障起动结果（5kW）

3）方差法。同属于反应波形幅值变化的方差法与电压值法效果大致相同，见表6，在电压变化较小的故障下，方差法比电压值法可靠性更高。

4）变化率法。分别见表2、表3、表6，基于变化率的起动方法在暂态过程振荡明显的故障中可靠性强，而在基频谐振和高阻接地等暂态过程较弱且电压变化较小的故障中，变化率法可靠性降低，甚至无法起动。

6）小波模极大值。当系统发生故障时，反应波形奇异点的小波模极大值法能可靠检测出故障发生时刻，较大的突变量使值在各种故障下都得以统一。由于采用的是离线数据，所以部分实验中出现了小波检测故障时刻超前的现象，但在实际工程中还需加上逐段待处理数据的采集时长。

4 小波模极大值法实际使用时的问题

由于小波模极大值法的原理是检测信号的局部模极大值，因此，需对系统电压信号分段检测。分段信号两端必然存在间断点，无论是否存在故障，信号经4层小波分解后，d3重构信号端部都将出现局部模极大值。因此，需结合前后段信号综合考虑判断系统是否出现故障。将每段待处理信号设为点，从本段信号第/2点开始再存储点作为下一段信号，此时第一段信号的末端处于第二段信号的中部。经过小波分解，当第一段的d3重构信号末端出现突变而第二段的d3重构信号中部未出现突变，则可判断系统正常运行，反之则判断为故障。因此，在每次对信号进行小波变换后，只需对去除端部的d3重构信号进行判断即可。

每段数据的长度必须大于过电压引起的突变过程的长度。基于起动判据涉及前后周期的计算，以及上文提及的端部突变的问题，将采样数据长度设为1000点。经过实测可知，当每段信号为1000点时，端部可分别取50点。

5 结论

本文在4种10kV配电网内部过电压模型下，比较了5种起动算法的起动效果。在不同的内部过电压故障，部分算法存在较大时起动量不足或较小时易误动的问题。实际运行中系统总是存在一定的三相不平衡，零序电压基本不为0，这就减少了零序电压上误动的概率，但在单相高阻接地故障中，零序电压的初始幅值与故障幅值差别较小时，电压值法、方差法、变化率法可能无法动作。

小波模极大值法在文中各种内部过电压故障发生时都能可靠起动，且阈值设置上较为统一。

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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

杨 川（1987-），男，福建省漳州人，硕士研究生，研究方向为配网自动化。

福建省自然科学基金项目（2016J01218）

福建省教育厅中青年教师教育科研项目（JA15086）