小电阻接地系统高阻接地故障检测技术综述.pdf

第6 0 卷第6 期2023年6 月15日电测与仪 表Electrical Measurement&InstrumentationVol.60 No.6Jun.15,2023小电阻接地系统高阻接地故障检测技术综述李景丽，袁豪，徐铭铭，田凤兰（1.郑州大学电气工程学院，郑州450 0 0 1；2.国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州450 0 52；3.国网河南省电力公司郑州供电公司，郑州450 0 52)摘要：小电阻接地系统发生高阻接地故障时电流小于传统的零序电流保护动作阈值，并且时常伴随有电弧的发生，难以准确检测与切除高阻接地故障。文章基于零序等效网络分析了小电阻接地系统单相高阻接地故障时母线零序电压理论特性和各出线零序电流特征；针对高阻接地故障常伴随发生的电弧现象,从故障点燃弧的物理过程出发，详尽分析了常用的Cassie电弧模型、Mayr电弧模型、改进的Mayr电弧模型、Mayr-Cassie组合电弧模型和Em-anuel电路模型等六种电弧模型的物理近似过程、数值推导过程、试验验证及适用条件；分别从时域的伏安特性分析法和零序电流畸变法、频域的故障电流信号法和故障电压信号法出发，分析了高阻接地故障检测方法中的信号处理过程、故障特征提取方法、检测方法的优点与不足；认为采用零序电流波形在过零点附近畸变引起的波形斜率曲线变化作为故障特征具有明确的数学与物理意义,采用零序电压信号经小波包分解后高频段与低频段能量比作为故障特征,基本不受故障条件、系统结构等因素的影响,具有较好的检测效果。关键词：小电阻接地系统；高阻接地故障；电弧模型；故障检测；零序电流D0I:10.19753/j.issn1001-1390.2023.06.002中图分类号：TM862Overview of high impedance fault detection technology in small(1.School of Electrical Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China.2.Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company,Zhengzhou 450052,China.3.Zhengzhou Power Supply Company,State Grid Henan Electric Power Company,Zhengzhou 450052,China)Abstract:When high impedance fault occurs in a small resistance grounding system,the current is less than the tradition-al zero-sequence current protection action threshold,and arcs are often accompanied.It is difficult to accurately detectand remove high impedance faults.The characteristics of bus zero-sequence voltage and each outlet zero-sequence currentin single-phase high impedance fault of small resistance grounding system are analyzed theoretically.For the arc phenome-non that often accompanies high impedance faults,starting from the physical process of fault ignition arc,the physical ap-proximation process,numerical derivation process,experimental verification and applicable conditions of six arc models,such as the commonly used Cassie arc model,Mayr arc model,improved Mayr arc model,Mayr-Cassie combined arcmodel and Emanuel circuit model,are analyzed in detail.The signal processing process,fault feature extraction,advanta-ges and disadvantages of detection methods in the high impedance grounding fault detection method are analyzed from theperspectives of volt-ampere characteristic analysis method and the zero-sequence current distortion method in the time do-main and the fault current signal method and the fault voltage signal method in the frequency domain respectively.And itis considered that it has clear mathematical and physical significance to use the waveform slope curve change which iscaused by the distortion of zero-sequence current waveform near the zero-crossing point as the fault feature.The energy ra-基金项目：国家自然科学基金资助项目（5130 7 152）一10 一文献标识码：Aresistance grounding systemLi Jinglil,Yuan Hao,Xu Mingming”,Tian Fenglan?文章编号：10 0 1-139 0(2 0 2 3)0 6-0 0 10-0 9L第6 0 卷第6 期2023年6 月15日tio of high frequency band and low frequency band of zero-sequence voltage signal that is decomposed by the wavelet pack-et and is used as the fault feature,which is not affected by the fault conditions,system structure and other factors,andhas a good detection effect.Keywords:small resistance grounding system,high impedance fault,arc model,fault detection,zero-sequence current0引 言渡电阻和中性点接地电阻;U,=-UA,U,和UA分别为在城市配电网中，当小电阻接地系统发生单相低故障处等效电压和系统正常运行时的相电压；U.为母阻接地故障时，因过渡电阻较小故障电流较大，配网采线零序电压;lon和Ion分别为系统中性点电流和第n条用的零序电流保护可以快速检测故障并隔离故障源。出线的零序电流。而当系统中的部分架空线路因架空高度较低或其他因UoRol素,与树枝、沙土、水泥等介质接触，接地电阻往往可达Iol几百欧姆甚至几千欧姆,此时将导致高阻接地故障 。Ro2高阻接地故障现象不稳定、故障过渡电阻较大以及故3RN障电流微弱等因素，导致故障线路电流小于传统的零：序电流保护动作阈值，从而使得高阻接地故障不易检三测与切除2 ,高阻接地故障一般会长时间存在,极易引发不稳定接地电弧3。不稳定接地电弧及接地点周围的高温甚至引发火灾等事故，极大可能酿成严重的系统设备事故以及人身安全事故4。文章分析了小电阻接地系统单相高阻接地故障时母线零序电压特性以及中性点零序电流和各出线零序电流之间的关系。针对高阻接地故障常伴随发生的电弧现象,文章对比分析了5种电弧模型,包括Cassie模型、Mayr模型、Mayr-Cassie组合模型、改进的Mayr模型以及Emanuel高阻故障电路模型。针对小电阻接地系统高阻接地故障检测方法，从时域的伏安特性分析法和零序电流畸变法、频域的故障电流信号法和故障电压信号法出发，分析了各种方法中的信号处理过程与故障特征提取以及检测方法的优点与不足。在此基础上,认为基于零序电流波形斜率的时域检测方法具有明确的物理和数学意义，基于零序电压高频段与低频段小波包能量比的频域检测方法具有良好的效果。17高阻接地故障分析及模拟首先分析小电阻接地系统单相高阻接地故障母线零序电压特性以及中性点零序电流和各出线零序电流的关系；其次针对高阻接地故障经常产生的电弧现象，根据电弧的物理过程，分析高阻接地故障模拟中五种电弧数学模型和Emanuel电路模型的特点和适用性。1.1小电阻接地系统高阻接地故障分析系统单相接地故障零序等效网络如图1所示。图1中,Ron=Roln、Lo n=Lo l,、Co n=Co l n 分别为第n条线路的零序电阻、零序电感和零序电容，即线路长度l，与线路单位长度的阻抗参数的乘积;R,和R分别为故障过电测与仪 表Electrical Measurement&InstrumentationonRon图1小电阻接地系统单相接地故障零序网络Fig.1 Distribution diagram of zero-sequence current ofsingle-phase grounding fault in small resistance grounding system将图1所示的零序等效网络简化，其等值电路如图2 所示。Zon3RfZom-11onUf图2 单相接地故障零序等值电路Fig.2 Zero-sequence equivalent circuit ofsingle-phase grounding fault由图1和图2 可得,线路L,的零序阻抗Zon为：由于线路容抗远大于线路感抗，式(1)可简化为：1Zon=Ron+ijoCon由图2 易得系统的零序阻抗Z.为：Z。=3R v/Z o 1/Z o 2/./Z o n-1母线处零序电压U.为：U.=Uu Z+Zom+3R,Z=-UV,电流从线路流向大地；当V,VphV,电流被抵消,无电流通过；当VphV,时,电流反向流动。相较于Mayr模型、Schwarz模型以及“控制论”模型,Emanuel模型不含复杂的微分方程,且容易搭建和调整参数，因其提出时间较早，发展较为成熟，在反映(30)大部分弧光高阻接地故障时都有很好的效果。利用Simulink搭建10 kV小电阻接地系统配网单相高阻接地故障模型以及“控制论”电弧模型，弧光高阻接地故障的仿真采用“控制论”模型与过渡电阻串联接地，仿真得到过渡电阻为8 0 0 和150 0 的电弧电流波形与故障线路零序电流波形如图4所示。从图4中可以看出,二者电流波形在过零点附近骤然变缓,斜率骤减至0 左右，相较于正弦波发生明显畸变即“零休”现象。零序电流波形的畸变也将引起其斜率曲线及其凹凸性的变化，部分学者利用电流波形畸变和线路伏安特性曲线畸变开展高阻接地故障检测的研究。100.0140.0150.0165Time0-5-100V/甲8642-2-4-60图4故障线路零序电流与电弧电流仿真波形图Fig.4Simulation waveform of fault linezero-sequence current and arc currentVol.60 No.6Jun.15,2023故障线路零序电流电弧电流0.010.02时间/s(a)800Q过渡电阻0.015.0.016gTime电弧电流0.010.02时间/s(b)1500Q过渡电阻0.03故障线路零芹龟流0.030.040.04第6 0 卷第6 期2023年6 月15日2时域分析法目前小电阻接地系统高阻接地故障检测方法主要有时域分析法和频域分析法。时域分析法从故障电气量波形畸变角度出发，分析提取故障特征进行故障检测,主要有基于伏安特性分析的方法和基于零序电流波形的方法。2.1基于伏安特性的时域分析法发生高阻接地故障时，忽略故障线路阻抗，故障线路所在回路(即故障线路经高阻接地故障点接地与中性点经小电阻接地所形成的回路）的阻抗近似为过渡电阻与中性点接地电阻之和，即该回路阻抗为阻性。但故障线路故障相电压和电流的伏安特性曲线发生畸变,并不是理想状态下的呈阻性的伏安特性曲线。故障线路的伏安特性曲线畸变如图5（d）所示，文献16-17就是利用故障线路的伏安特性曲线发生畸变这一特征开展高阻接地故障检测研究。电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation检测方法。将近似尖顶状的故障线路零序电流波形等效为三角波,等效后的伏安特性曲线与未等效的相似。三角波的峰值系数为：Kpalk=IRMS式中peak为正半周波峰值;IMs为正半周波的有效值,其与波形占空比有关，波形占空比越小，峰值系数Kpeak越大。等效三角波占空比的大小实则反映了零序电流波形过零点附近的“零休”时间长短，“零休”时间越短,故障线路的伏安特性畸变越不明显，等效三角波的占空比越大，当占空比最大为1时,峰值系数达到最小,若等效得到的三角波的峰值系数大于其最小值,则认为线路发生了高阻接地故障。1nd/审nd/0Vol.60 No.6Jun.15,2023(36)0伏安特性曲线可以直观地反映阻抗特性，在此电流和电压均取标么值以便于分析探讨。对于阻性负载,其两端电压和流经负载的电流没有相角差，其伏安特性曲线为经过坐标原点且斜率为1的直线，如图5（a)所示;对于非阻性负载,设其功率因数角为,两端电压u=coswt,流经它的电流为i=cos（w t）,则有：u+i=coswt+cos(ot-)(31)(32)u-i=coswt-cos(wt-)对式(31)和式（32)进行三角函数变换可得：u+i=2coscos(ot-)22u-i=-2sinsinWt-22号,b=2sin号,与式(33)和式(34)令a=2cos2联立可得：(u+i)?(u-i)?+=162由式(35)可知,对于电容或电感负载,其两端电压和流经负载的电流相位相差/2,则有=b,其伏安特性曲线为圆心位于坐标原点的单位圆,如图5（b)所示；对于阻感或阻容负载,其功率因数角为（/2 和0）,其两端电压和流经负载的电流相位相差,则有b,所以其伏安特性曲线为以坐标原点为中心的椭圆，如图 5(c)所示。文献16 利用电流波形畸变与伏安特性曲线畸变之间的联系，提出一种基于波形峰值系数的高阻故障-1-1电流/pu(a)阻性负载1nd/甲0-1-1-10电流/pu(c)阻感或阻容负载（故障线路阻性畸变(33)图5各类负载和故障线路伏安特性曲线Fig.5 Various loads and fault lines volt-ampere(34)文献17 分析发现,故障线路故障相的伏安特性2曲线在电压和电流过零点附近的斜率变化明显与故障线路健全相和健全线路不同。利用最小二乘线性拟合(35)的方法得到故障线路的伏安特性拟合曲线，并得到该拟合曲线在过零点附近的斜率，以该斜率和拟合误差是否超过阈值作为是否发生高阻接地故障的判据。2.2基于零序电流波形畸变的时域分析法引起高阻接地故障零序电流波形畸变的原因主要有两点：一是高阻接地故障常发生于树枝、水泥地等介质表面，接地点导电介质的等效电阻常表现为非线性；二是故障点与介质接触间隙产生的电弧,其电阻在电弧整个发展过程中复杂变化，故障电流含有大量谐波，引起零序电流波形畸变。文献18 计算高阻接地故障时零序电流波形各个一15 一-1L01(b）电容或电感负载阻性畸变阻性1-1电流/pucharacteristic curves-1电流/pu0101第6 0 卷第6 期2023年6 月15日采样点的斜率,观察每半个周期波形发现，得到的斜率曲线在故障情况下近似呈“M”形；而在非故障情况下，近似呈“倒U”形,并以此特征设计检测算法，但是该算法应用受限于低压配电网较不平衡运行方式的情况。除此之外，高阻接地故障电弧燃烧产生的剧烈随机波动严重影响零序电流波形的畸变程度，该方法在实际应用中有待改进。零序电流波形在过零点附近的畸变从而引起零序电流波形斜率曲线的变化，这一故障特征具有明确的数学与物理意义，有学者继续从数学分析角度挖掘零序电流波形畸变所蕴含的特征。文献19 的检测判据从零序电流波形凹凸性的角度提出：如果采样滤波后的零序电流波形过零点时二阶导数大于0（小于0），即显凹（凸)性,在过零点之后的1/8 周期内有连续n个点二阶导数小于0（大于0）,即显凸（凹)性,则认为发生了疑似高阻接地故障，n的取值与算法的灵敏性有关。如果零序电流波形的凹凸性在一个工频周期内变化次数过多超过给定的阈值则认为是噪声。当信噪比小于10 dB,算法或将失效,抗噪能力有待提高。而且当发生高阻接地故障时的过渡电阻达到上千欧姆，零序电流很小时，此方法将不能准确检测出高阻接地故障。峭度可以反映信号波形的尖峰度，在配网高阻故障检测中,也有学者利用波形的峭度作为故障特征。文献2 0 利用高阻接地故障的零序电流波形在过零点附近相比其他地方略微平坦，引入峭度比，即将采样零序电流1/4工频周波的离散峭度与一个工频周波的离散峭度的比值作为故障判据。但如若零序电流畸变程度较小,该检测方法的准确性将降低。文献2 1 截取故障时刻前一个周期和后三个周期的零序电流波形，通过变分模态分解得到本征模态分量，并计算峭度最大的模态分量的五个图信号指标，利用随机森林算法从选取最敏感的三个指标作为故障特征。作者分析了电容器投切、负荷变化等相似扰动下算法的可靠性，但并未分析不同过渡电阻等故障条件下算法的灵敏性。除此之外，国外有学者对电压信号进行时域分析开展高阻接地故障检测的研究。文献2 2 基于数学形态学的非线性时域信号处理方法，利用CODO（Cl o s i n gOpening Difference Operation）对电压互感器二次侧的电压波形进行处理发现，高阻接地故障经CODO处理输出的波形含有非均匀分布的一系列峰值,明显区别于正常运行状态下几乎为O的CODO输出。高阻接地故障的时域电气特性利用时域分析法可一16 一电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation以直观反映，但由于时域波形信息量巨大，对建模精度要求较高,接地故障的过渡电阻达到上千欧姆以及对于故障电阻非线性极不明显的情况，时域分析法的可靠性不能得到保证。除此之外，一些时域分析法易受噪声影响，抗噪能力较弱致使算法灵敏性较低。3频域分析法频域分析法通过对故障时电压或电流信号进行傅里叶变换或小波变换获取频域信息，在频域中提取高阻接地故障时电气量特征进行故障检测。相较于傅里叶变换，小波变换因可以对信号产生自适应性变化（窗口形状可变面积不变）2 3，许多学者选择应用小波变换来进行高阻故障检测的研究。3.1基于故障电流信号的频域分析法文献2 4 利用小波分析得出基于小波高频系数的高阻接地故障特征。极性上，故障相电流与零序电流二者的小波高频系数模极大值极性一致,非故障相电流与之相反；数值上，非故障相电流的小波高频系数小于故障相电流的。作者通过设置高阻接地故障时不同的过渡电阻(50 Q50 0 Q)验证了所提判据具有一定的准确性,但对于过渡电阻大于50 0 的情况和电容器投切等其他相似扰动，作者并没有给出算法的可靠性验证。文献2 5 采用小波能量矩算法提取故障后第一个工频周期电流信号的高频分量，对高频段范围的小波能量矩进行归一化处理，然后对它们求和并取对数得到一个特征值，当该特征值大于0 则认为是高阻接地故障,反之判断为其他暂态扰动。接地故障点的位置以及过渡电阻等因素对该算法的准确性有一定的影响。除此之外，当发生电容器投入该算法也有可能会发生误判。文献2 6 对不同接触面的电流进行小波变换,基于小波变换系数提出了一种新的检测方法，即小波变换系数在设定的阈值内则为高阻接地故障，否则为其他瞬态扰动。作者并对三种小波，包括Haar小波、Daubechies（D b N）小波和 Coiflet（Co i f N）小波的检测性能进行分析,最后得出结论Db4小波是高阻接地故障检测最合适的选择。文献2 7 提出了一种基于S变换采用窗口标准差和自适应阈值连续监测电流信号的三次谐波相位角的方法，当三次谐波相位角基于S变换的窗口标准差在预定时间段内小于自适应阈值则判断为高阻故障。文献2 8 基于 S变换得到三相电流7次谐波以下的低次谐波的能量变化，分析发现高阻接地故障低次谐波在连续周期的能量变化较大，而正常运行状态或其他相似扰动则不会出现此种现象。Vol.60 No.6Jun.15,2023第6 0 卷第6 期2023年6 月15日随着基于深度学习的智能算法的研究愈加成熟，还有一些学者将频域信息与人工智能算法相结合开展高阻接地故障检测的研究。文献2 9 先对中性点零序电流采样后对其进行广义S变换，对得到的时频矩阵各行所对应的能量经过归一化处理后，将这些数据输入极限学习机进行识别。文献30 利用离散小波变换分析三相电压电流波形，并将故障特征量输入利用粒子群算法进行特征空间优化的贝叶斯分类器进行检测。文献31 对零序电流采样进行傅里叶变换并将其基波、谐波及间谐波的能量组成特征向量输入支持向量机。当接地电阻在150 附近或者12 0 0 Q以上，所提方法不能准确检测高阻接地故障。除此之外，当故障合闸角在0 和350 附近,算法也会发生误判。3.2基于故障电压信号的频域分析法文献32 主要分析了弧光高阻接地故障电压相位和谐波含量的特征。在相位上，故障相电压与故障线路零序电压几乎反向，二者的相位差约为18 0；在波形上，3次、5次等含量较高的奇次谐波是影响故障相电压和故障线路零序电压非线性畸变的主要因素。文献33利用小波包频段分解提取故障零序电压能量特征，即高阻接地故障时的零序电压高频段能量高于低频段，将二者的比值作为故障检测的判据,并利用MATLAB/Simulink验证了该方法不受中性点接地方式、系统结构、相似扰动以及故障状况的影响。文献34 考虑到不同接触材料的高阻接地故障特征可能有所不同，其主要针对线路与植被接触引发的高阻接地故障，使用澳大利亚维多利亚州提供的大量真型试验数据提取电压信号的高频分量并采用改进的决策树进行故障检测。文献35 通过离散小波变换分析电压信号小波系数的能量谱，若能量谱的值大于给定阈值，则认为发生了高阻接地故障，文章并对有无分布式电源、电容组投切、负荷变化等相似扰动进行了检测方法验证。频域分析法的优点在于通过分析不同频带或者基波与谐波可以有效应对故障电气量波形畸变繁杂、信息量大等问题。但是电容器投切、负荷变化等暂态扰动以及不同的故障条件同样会影响到频域分析法的可靠性。基于小波变换的频域分析法的灵敏性还会受到采样频率、母小波选取以及分解级别的影响。而基于数学形态学的故障检测技术则会受结构元素形状和大小选择的影响。S变换被认为是傅里叶变换和小波变换的结合,克服了二者的部分缺点，其应用于高阻接地故障检测正成为热点研究36 高阻接地故障实际样本数据较少是利用人工智能电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation算法进行高阻故障检测存在的主要问题，这将影响人工智能算法的训练程度从而降低算法的准确性37 其次，人工智能算法用以检测高阻接地故障其物理意义不明确，不能准确解释内在的物理本质。4结束语（1）当小电阻接地系统发生单相接地故障时,传统的零序电流保护极易无法识别高阻故障下较小的线路零序电流，此将严重影响系统供电可靠性及运行安全；(2)对于高阻接地故障伴随产生的电弧现象的仿真,Cassie模型与Mayr模型分别适用于模拟小电阻和大电阻电弧;Schwarz模型的电弧时间常数和耗散功率与电弧电导成幂函数，“控制论”模型引人电弧长度；Emanuel模型不含复杂的微分方程,易于搭建和参数调整;Mayr-Cassie组合模型更能真实反映实际电弧放电，关于Mayr和Cassie模型之间的过渡参数的选取有待开展深入研究；（3)时域分析法中,高阻接地故障线路的零序电流波形在过零点附近畸变引起波形斜率曲线变化,该特征具有明确的物理与数学意义；频域分析法中,通过小波包频段分解利用零序电压高低频段能量的比值进行故障检测,具有较好的检测效果。参考文献1朱瑞。基于特征谐波和注人行波的配电网高阻接地故障检测研究D哈尔滨：哈尔滨理工大学，2 0 16.Zhu Rui.Study on the model of forcasting for photovoltaic power genera-tion considering meterologic elements 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