摘要：當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，通過(guò)對(duì)饋線上各相電流暫態(tài)分量的形成與分布特征的分析可知：故障相暫態(tài)電流分量（Transient Current Component，TCC）是由故障饋線的非故障相提供的自供性TCC和其它非故障饋線提供的相似性TCC組成，該重要特征使基于正交小波分解提取特征頻帶具有可行性、有效性和穩(wěn)定性。文中所提出的構(gòu)成單相接地保護(hù)繼電器的判斷準(zhǔn)則是理論分析的定義，所以是固定不變的，即：不需整定計(jì)算,適合于中性點(diǎn)不接地模式的任何配電網(wǎng)。該保護(hù)方式容易融于分布式饋線保護(hù)間隔單元中，不需配置監(jiān)控系統(tǒng)選線模塊或?qū)Ｓ眠x線裝置。經(jīng)過(guò)大量的ATP和MATLAB仿真驗(yàn)證表明：該原理能夠準(zhǔn)確地識(shí)別不同類(lèi)型的單相接地故障，可靠性和靈敏度較高。 　　 關(guān)鍵詞：配電系統(tǒng)；中性點(diǎn)不接地模式；暫態(tài)電流分量；單相接地保護(hù)；正交小波分析；特征頻帶 　　 1 引言 　　 目前，在中性點(diǎn)非有效接地方式（包括經(jīng)消弧線圈接地、中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地或中性點(diǎn)不接地方式）系統(tǒng)中，單相接地故障的檢測(cè)大多是依據(jù)變電站母線所有饋線的穩(wěn)態(tài)零序電流按集中選線原理構(gòu)造的，需在監(jiān)控系統(tǒng)嵌入專(zhuān)用的選線模塊或?qū)Ｓ玫倪x線裝置。該類(lèi)原理受系統(tǒng)運(yùn)行方式及故障狀態(tài)等因素的影響較大，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行可靠性不高，準(zhǔn)確率差。 目前在配網(wǎng)接地檢測(cè)中[1～4]還存在的問(wèn)題有：故障信號(hào)疊加在負(fù)載電流上、穩(wěn)態(tài)幅值較孝環(huán)境的電磁干擾等影響著故障分辯的正確性；系統(tǒng)運(yùn)行方式多變、故障狀態(tài)多變、不確定因素多，故要求檢測(cè)方法具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力；專(zhuān)用選線裝置接線復(fù)雜，并與饋線保護(hù)不一體，不利于饋線自動(dòng)化。這些問(wèn)題雖已有不少研究[1～6]，但尚沒(méi)有得到很好的解決。 　　 本文在對(duì)饋線上各相電流暫態(tài)分量形成的機(jī)理與分布特征分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)故障暫態(tài)電流分量（Transient Current Component，TCC）和正交小波分解算法，提出了單相接地故障的暫態(tài)饋線式保護(hù)新原理和判斷準(zhǔn)則。它通過(guò)提取三相暫態(tài)電流特征頻帶（the Feature Band of Transient Current，F(xiàn)BTC）之間特征測(cè)度的比值形成繼電器的判斷準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則是按故障相和非故障相上FBTC中特征頻帶測(cè)度的比值系數(shù)為依據(jù)。該判據(jù)與運(yùn)行方式、負(fù)載或TA的對(duì)稱(chēng)性、故障狀態(tài)特征等都無(wú)關(guān)，是基于理論分析的定義所以是固定不變的準(zhǔn)則，動(dòng)作特性具有更高的可靠性、穩(wěn)定性、靈敏性和適應(yīng)性。通過(guò)大量的ATP仿真和MATLAB小波分析得到了驗(yàn)證。由于篇幅的限制，本文僅以中性點(diǎn)不接地模式系統(tǒng)為核心展開(kāi)研究。 2 配電網(wǎng)單相接地故障繼電器的基本原理 　　 2.1 單相接地故障TCC的形成機(jī)理 在中性點(diǎn)不接地模式系統(tǒng)中，當(dāng)饋線發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障相中除原負(fù)載電流外，還存在著由故障相電壓突然降低和非故障相電壓升高而引起的電容放、充電的高頻暫態(tài)電容電流，該TCC中穩(wěn)態(tài)工頻電流較小，高頻暫態(tài)分量較大[3～6]；當(dāng)金屬性接地時(shí)，暫態(tài)接地電流的幅值可達(dá)穩(wěn)態(tài)分量的7～8倍，且持續(xù)時(shí)間很短，約為0.5～1.0個(gè)工頻周波[8]。顯然，TCC的幅值、衰減性能與相關(guān)系統(tǒng)非故障線路對(duì)地電容大孝故障時(shí)刻相電壓的角度、故障過(guò)渡電阻、故障距離等因素有關(guān)，且受故障饋線的不對(duì)稱(chēng)性、TA性能、運(yùn)行方式等因素的影響，這些將在本文所提出的接地保護(hù)新原理中得到解決。 　　 為便于分析小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)電容電流的分布特征，將其分為 ① 對(duì)故障饋線（Faulty Feeder，F(xiàn)F）的單相接地保護(hù)，為區(qū)內(nèi)故障；②對(duì)所有非故障饋線（Healthy Feeder，HF）的單相接地保護(hù)，為區(qū)外故障。由故障相TCC的流通回路可知，其大小與FF上故障相的參數(shù)、非故障相的參數(shù)和HF上的參數(shù)等都有關(guān)系。它們是單相接地TCC的主要回路。在FF故障相上，TCC的強(qiáng)度與FF、HF的非故障相助增強(qiáng)度有關(guān)，系統(tǒng)中故障相的殘壓與故障狀態(tài)特征因素并且從理論上分析，即根據(jù)電流回路流向可知：在僅有一條故障饋線的系統(tǒng)中，故障相TCC近似等于任一非故障相TCC的2倍；當(dāng)有多條饋線情況時(shí)，由于HF非故障相的助增作用，可使故障相TCC大于非故障相TCC 的2倍。本文的單相接地故障暫態(tài)電流保護(hù)繼電器的判斷準(zhǔn)則由此而導(dǎo)出。 由TCC的分布可知，F(xiàn)F故障相的TCC是由FF的非故障相提供的自供性TCC和其它HF提供的相似性TCC所組成；并且從理論上講，在僅有一條故障饋線的系統(tǒng)中，根據(jù)電流回路流向可知：故障相TCC近似等于任一非故障相TCC的2倍；當(dāng)有多條饋線情況時(shí)，由于HF非故障相的助增作用，可使故障相TCC大于非故障相TCC 的2倍。 　　 根據(jù)上述不接地模式下FF和HF各相的TCC之間確定的關(guān)聯(lián)特征，可利用相應(yīng)的分析算法（如設(shè)計(jì)匹配的濾波器）提取故障特征頻帶或組合頻帶的測(cè)度，形成接地故障相間的測(cè)度比值，以作為構(gòu)造單相接地故障暫態(tài)電流保護(hù)繼電器的判斷準(zhǔn)則。按TCC的形成機(jī)理可知，該準(zhǔn)則與中性點(diǎn)接地模式有關(guān)，只要是中性點(diǎn)不接地或諧振接地模式的配電系統(tǒng)，這一準(zhǔn)則必然成立，且是從基本理論上建立的固有關(guān)系，是恒成立的關(guān)聯(lián)關(guān)系。 　　 2.2 正交小波分解算法及特征頻帶測(cè)度表征 　　 小波分析是處理非平穩(wěn)暫態(tài)信號(hào)的工具，且已在電力系統(tǒng)中，如電能質(zhì)量、繼電保護(hù)、暫態(tài)分析、高壓放電等檢測(cè)分析領(lǐng)域[7] 廣泛應(yīng)用。在本文的研究中，因影響TCC的頻率、幅值、衰減的因素很多，且具有隨機(jī)性和不確定性。根據(jù)故障相TCC與其它部件TCC的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在TCC的各種分量中最密切相關(guān)的是表征電容充電電流的暫態(tài)特征，因此，應(yīng)用小波分析提取其特征是可行的。在多尺度分析方法中，時(shí)-頻分辨率是隨尺度變化的。正交小波分析屬多尺度分析，它對(duì)分解后的低頻信息進(jìn)行再分解，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)TCC信息中反映接地特征頻帶的提齲 令cj（n）為待分解的信號(hào)，進(jìn)行1次正交小波分解，可得到平滑信息cj+1（n）和細(xì)節(jié)信息dj+1（n）為 　　 式中｛hn｝和｛gn｝為多尺度分析（MRA）中定義的共軛濾波器。 　　 接地暫態(tài)電流保護(hù)基于正交小波分解算法的步驟如下： 　　 （1）故障暫態(tài)分量的提取，為了提取各相TCC的特征頻帶信息，應(yīng)先消除負(fù)載電流的影響，按照Di=i后-i前求取故障暫態(tài)分量，其中，i后為單相接地故障后的故障電流瞬時(shí)值，i前為單相接地故障前的負(fù)荷電流瞬時(shí)值；再對(duì)故障暫態(tài)分量進(jìn)行正交小波分解，提取反映接地的特征頻帶信息。 　　 （2）故障特征頻帶的提取，本文用不同采樣頻率對(duì)正交小波及正交小波包分解的不同層次數(shù)作了大量的仿真后，確定選用10kHz的頻率提取故障特征，對(duì)于不接地模式，將TCC經(jīng)2層小波分解，采用第2層的低頻帶，即（2,0）頻帶上的信息提取故障特征測(cè)度，它能比較全面地反映中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的不同接地故障特征。 　　 對(duì)某一頻帶的分解序列求取lp（p=1）范數(shù)，作為接地故障的特征值。lp范數(shù)的計(jì)算公式為 式中｛WTjk｝為小波分解后第j頻帶上的分解序列； 　　 PI（j）為第j時(shí)頻帶上的lp范數(shù)，p=1即該頻帶上的時(shí)頻信號(hào)序列的積分，表示該頻帶信號(hào)的測(cè)度大校計(jì)算時(shí)為消除邊界效應(yīng)，需要足夠大的數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度。實(shí)際上，暫態(tài)過(guò)程一般不超過(guò)一工頻周波的時(shí)間，考慮到計(jì)算邊界的誤差，本文采用了故障前半周和故障后2周共50ms的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度作為數(shù)據(jù)分析窗。 　　 （3）特征頻帶測(cè)度比值的求取，配電網(wǎng)的每一條出線（i）按照式（3）計(jì)算各饋線中三相TCC分解后的特征頻帶，求得的頻帶測(cè)度相對(duì)比值系數(shù)大者即可用作接地繼電器的判據(jù)準(zhǔn)則。 式中PI（j）ˊnfp1, PI（j）ˊnfp2為饋線（i）上兩非故障相TTC分解后第（j）頻段的測(cè)度；PI（j）ˊfp為饋線（i）上故障相TCC分解后第（j）頻段的測(cè)度。 　　 （4）繼電器的判定，將取式（3）中計(jì)算的測(cè)度比值與固定的判斷準(zhǔn)則值（取1.9，取該值的依據(jù)在本文仿真中說(shuō)明）進(jìn)行比較，比較結(jié)果大于判斷準(zhǔn)則值，為區(qū)內(nèi)故障，否則，為區(qū)外故障。 3 ATP仿真分析 　　 3.1 仿真模型的基本依據(jù) 　　 本文以中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)模型為研究依據(jù)，設(shè)FF為A相接地，分2種情況來(lái)仿真和分析：①按一條獨(dú)立的FF，僅存在自身的TCC，作為區(qū)內(nèi)故障的最小方式，來(lái)校驗(yàn)所提出的理論性判據(jù)；②多條饋線等效為一條FF和一條HF（即助增的饋線），作為分析區(qū)內(nèi)、外故障特征判據(jù)的依據(jù)，對(duì)各類(lèi)接地故障分別以10kV和35kV的配電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，線路的參數(shù)按架空線路的參數(shù)（因電纜饋線的助增TCC更大），并保證全系統(tǒng)的電容電流為：10kV配網(wǎng)不超過(guò)20A；35kV配網(wǎng)不超過(guò)10A。 各類(lèi)接地故障狀態(tài)特征的類(lèi)型有：① 故障相故障時(shí)刻相電壓瞬時(shí)角為0°，45°，90°3種不同情況；② 過(guò)渡電阻從0W ～300W ，步長(zhǎng)為10W變化；③ 故障線路長(zhǎng)度變化或非故障線路線路長(zhǎng)度變化，步長(zhǎng)為1km。對(duì)不同故障狀態(tài)特征進(jìn)行組合，形成1272個(gè)樣本進(jìn)行ATP仿真和MATLAB小波分析測(cè)試。 　　 3.2 一條獨(dú)立故障饋線的仿真和分析 　　 以只有一條出線的配電系統(tǒng)（在實(shí)際系統(tǒng)中一般是不存在）對(duì)繼電器的最小運(yùn)行方式進(jìn)行動(dòng)作能力的考核，據(jù)此可分析其各相TCC特征頻帶的特征相對(duì)比值KFF的規(guī)律。仿真故障類(lèi)型由546個(gè)樣本集構(gòu)成，如表1所示，表中，Rf為過(guò)渡電阻；LFD為故障點(diǎn)距離；LFF為FF的長(zhǎng)度；q為故障相電壓的瞬時(shí)角。圖1給出了FF特征頻帶的KFF變化規(guī)律。 由圖1和表1的數(shù)據(jù)可得出結(jié)論：故障相與非故障相上的任何一條高頻帶和測(cè)度比值都是2.0，2個(gè)非故障相對(duì)應(yīng)頻帶之間的測(cè)度比值是1，如圖1所示。由于故障相TCC的自供性是來(lái)自于FF本身非故障相的TCC，因此該基本性質(zhì)確定了KFF不受過(guò)渡電阻、故障瞬時(shí)角、線路長(zhǎng)度、故障點(diǎn)位置等因素的影響。 　　 3.3 一條故障饋線和一條非故障饋線的仿真分析 　　 文中以2條饋線系統(tǒng)作為研究模型，仿真多條饋線運(yùn)行時(shí)故障饋線和非故障饋線特征頻帶的測(cè)度比值性能，以分析KFF判斷準(zhǔn)則的可靠性，并確定FF（即區(qū)內(nèi)故障）的識(shí)別界限，仿真時(shí)共采集726個(gè)帶負(fù)載樣本集。仿真各故障類(lèi)型的組合如表2所示。表中，LHF為HF的長(zhǎng)度。由于HF各非故障相上TCC都需由故障接地點(diǎn)流經(jīng)FF的故障相形成回路，顯然對(duì)故障相TCC起到了助增作用，因此，F(xiàn)F故障相TCC的特征頻帶值與非故障相特征頻帶值的特征比值KFF>2，即大于單一饋線的情況。根據(jù)該機(jī)理就可確定單相接地繼電器的動(dòng)作判據(jù)，本文提出饋線區(qū)內(nèi)接地故障的判據(jù)特征頻帶的測(cè)度比值KFF>1.9（不用2.0，主要是考慮工程可存在的10%的饋線長(zhǎng)度誤差）；根據(jù)TCC分布和流動(dòng)回路，HF流經(jīng)各相的TCC是饋線本身的TCC，但故障相與非故障相不同，它們的差別是故障相的TCC不經(jīng)過(guò)變壓器的低壓線圈阻抗。因此經(jīng)大量的仿真得出，本文提出的對(duì)饋線區(qū)外接地故障的識(shí)別判據(jù)為測(cè)度比值KHF<1.33（見(jiàn)表2），考慮實(shí)際工程的可能誤差，本文提出HF的識(shí)別判據(jù)為KHF>1.9，顯然，該判據(jù)在識(shí)別區(qū)內(nèi)和區(qū)外之間留出了足夠大的安全空間，因此本文提出原理的判據(jù)準(zhǔn)則是可靠的和可行的。全部仿真的區(qū)內(nèi)、外測(cè)度比值如表2所示。圖2給出了特征頻帶上測(cè)度比值KFF、KHF的變化規(guī)律。由圖可知：所提出的原理對(duì)任何饋線都只需在自身內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)度的求取即可。 　　 3.4 仿真結(jié)果分析和結(jié)論 　　 通過(guò)大量的仿真和計(jì)算，得出以下結(jié)論： 　　 （1）FF上故障相的特征比值KFF隨著HF對(duì)地電容電流的增長(zhǎng)而變大，因此，HF對(duì)接地保護(hù)是起助增的作用。根據(jù)大量的仿真得知，在有助增饋線存在時(shí)，可確保單相接地FF（即區(qū)內(nèi)故障）的故障相識(shí)別和判斷的測(cè)度比值KFF>1.9，HF（即區(qū)外故障）可靠識(shí)別測(cè)度比值為KHF>1.9； 　　 （2）由于FF故障相的TCC是由本身非故障相提供的自供性TCC和其它HF提供的相似性TCC，為小波分解時(shí)特征頻帶的提取提供了可行性、有效性和穩(wěn)定性； 　　 （3）由于在發(fā)生單相接地時(shí)FF和HF所形成的TCC具有基本的自供性和相似性，而本文所提出的判據(jù)是故障相與非故障相之間特征頻帶測(cè)度的相對(duì)比值，所以完全不同于早先的選線原理。且由于不是用零序而是基于三相的暫態(tài)特征分量原理和特征頻帶測(cè)度的相對(duì)比值來(lái)判斷，所以故障前的穩(wěn)態(tài)性能如負(fù)載電流大孝不對(duì)稱(chēng)、TA的特性等與判據(jù)無(wú)關(guān)；由于采用了測(cè)度的相對(duì)比值，使接地故障狀態(tài)參數(shù)的影響因素得到了有效的抑制。大量的仿真證實(shí)了如過(guò)渡電阻、故障距離、運(yùn)行方式和故障瞬時(shí)角等都能得到有效的抑制； （4）有關(guān)小波分析的計(jì)算時(shí)間是被特別關(guān)注的問(wèn)題。本文用10kHz的采樣頻率，50ms數(shù)據(jù)窗，即500點(diǎn)。對(duì)于DB5（支撐是10，就是10個(gè)點(diǎn)）小波，只計(jì)算（2,0）頻帶序列需要3750次乘法，3475次加法。對(duì)主頻12M的單片機(jī)，大約需要12ms，計(jì)算三相需36ms，加存儲(chǔ)器操作的輔助時(shí)間約為1.5倍，為54ms，總計(jì)為90ms，該計(jì)算時(shí)間是具可行性的。 4 單相接地保護(hù)繼電器的構(gòu)造和實(shí)現(xiàn) 　　 4.1 單相接地保護(hù)的啟動(dòng)方式 　　 根據(jù)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地時(shí)的暫態(tài)特征，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況選用不同的啟動(dòng)方式，可供選擇的啟動(dòng)方式有：零序電壓突變量啟動(dòng)、相電流突變量啟動(dòng)和零序電流突變量啟動(dòng)。 　　 4.2 饋線單相接地保護(hù)的實(shí)現(xiàn) 　　 考慮到接地保護(hù)的特點(diǎn)，本文提出利用測(cè)量TA獲取三相TCC的采樣數(shù)據(jù)，以提高檢測(cè)精度，故要求配置三相式測(cè)量TA；采樣頻率為10kHZ，對(duì)常規(guī)測(cè)量可隔10點(diǎn)抽取一點(diǎn) （即20點(diǎn)/周） 進(jìn)行計(jì)算。保護(hù)啟動(dòng)后，錄波得到故障時(shí)刻前半周、后2周共50ms的采樣數(shù)據(jù)，對(duì)三相TCC信號(hào)分別進(jìn)行正交小波分解，得到（2,0）特征頻帶測(cè)度值，選取其中最大測(cè)度作為依據(jù)，進(jìn)行相間測(cè)度比值KFF>1.9的判別......。保護(hù)原理要求三相測(cè)量TA配置，如現(xiàn)場(chǎng)已是兩相式TA和零序TA也可經(jīng)轉(zhuǎn)換求齲若判斷為該條線路發(fā)生單相接地，則可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況發(fā)出報(bào)警信號(hào)或作用于跳閘后再重合（電纜饋線除外）。 　　 5 結(jié)論 　　 本文提出了一種基于相電流暫態(tài)特征分量原理的單相接地饋線暫態(tài)電流保護(hù)，其特點(diǎn)如下： 　　 （1）在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，F(xiàn)F故障相中的TCC是由本FF的非故障相提供的自供性TCC和其它HF提供的相似性TCC組成，為小波分解的特征頻帶提取提供了可行性、有效性和穩(wěn)定性，為本文研究的保護(hù)繼電器提供了理論依據(jù)。 　　 （2）所提出的固定判斷準(zhǔn)則對(duì)任何不接地模式的配電網(wǎng)都適用，毋須整定計(jì)算，其中，單相接地FF（區(qū)內(nèi)）故障相識(shí)別和測(cè)度比值大于判斷準(zhǔn)則，即KFF>1.9；HF（區(qū)外）可靠識(shí)別測(cè)度比值小于或等于判斷準(zhǔn)則，即KHF>1.9。HF對(duì)接地保護(hù)是起助增作用的。 　　 （3）所提出的判據(jù)準(zhǔn)則是特征頻帶測(cè)度的相對(duì)比值，完全不同于常規(guī)選線原理，也不同于目前保護(hù)原理的定值。它對(duì)系統(tǒng)的多變因素、不確定因素具有較強(qiáng)的抑制性和自適應(yīng)能力。 　　 （4）所提出的保護(hù)方式能與分布式饋線保護(hù)單元構(gòu)成一體化間隔單元，就地安裝在開(kāi)關(guān)柜上，有利于方便地實(shí)現(xiàn)饋線自動(dòng)化。 　　 本文的研究雖然進(jìn)行了大量的仿真測(cè)試，但還須在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中接受驗(yàn)證。