宋亚伟，陈传生，晏 凯，叶泽浩
基于小波分析的舰船中压电网间歇性接地故障选线研究
宋亚伟，陈传生，晏 凯，叶泽浩
（空军预警学院，武汉 430019）
为了对中压条件下舰船电网愈发频发的间歇性接地故障进行故障定位，本文提出了一种基于小波分析的间歇性接地故障选线方法。该方法针对舰船中压电网暂态故障电流特性，利用小波分析工具对暂态电流进行特征提取获得各支路电流的模极大值，然后按照双门限检测策略对故障支路进行故障定位，最后在Matlab/Simulink平台上对该方法进行了仿真验证，仿真结果证明了该方法的可行性和正确性。
舰船中压电网 小波分析 间歇性接地故障
随着舰船电网的电压等级从低压升级到中压，在低压交流供电方式下不会出现或出现频率很低的间歇性绝缘故障在中压条件下逐渐显现或出现的更加频繁[1]。在舰船上的间歇性绝缘故障主要包括间歇性电弧接地故障和电缆受机箱振动的间歇性虚接故障，而舰船上安装的绝缘监测装置对于此类故障尚无法进行有效诊断，并且很容易发生虚警。另一方面间歇性接地故障往往是供电网络绝缘开始恶化的前兆，如果对间歇性绝缘故障监测不及时很容易导致绝缘进一步恶化最终演变为金属性接地故障[2]。
针对间歇性接地故障对舰船中压电网的危害，本文对于舰船中压电网的暂态电流特性进行了分析，提出了一种基于小波分析的双门限检测方法来完成对于故障支路的判定和选线，并且在Matlab/Simulink上完成了仿真，仿真结果证明了该方法的正确性。
当舰船中压电网中发生绝缘故障时，故障相的相电压会发生突降，系统对地分布电容发生暂态放电现象，形成暂态放电电流。而另一方面，非故障相的相电压在发生绝缘故障的一瞬间，产生瞬间的骤升，对地分布电容发生暂态的充电现象，形成暂态的充电电流。这两部分电流共同组成了绝缘故障时系统的暂态电流[3-5]。
图1为舰船中压中性点高阻接地系统的绝缘故障暂态等效电路图：
图1 绝缘故障暂态等效电路图
由基尔霍夫电压定律可得：
由于舰船电力网络构成的特殊性，电缆中形成的对地分布电容要比陆地电网大很多，这样造成发生绝缘故障时，系统的暂态特性更加激烈，而且得持续时间更短，具有瞬时性和很强的冲击性。
列出暂态零序电流的公式：
发生单相绝缘故障时，暂态电流的表达式为：
最后归纳得出单相绝缘故障时暂态接地电流特性为：
1）系统中零序电流的暂态分量比稳态分量大很多，跟陆上电网相比暂态特性更加激烈，持续的时间更短，具有瞬时性和很强的冲击性；
2）在方向上，暂态特性与稳态特性一致，非故障支路方向是从母线流往支路，故障支路是支路流向母线；
3）暂态故障电流的大小和初相角有关，故障合闸角越大，幅值也越大。
间歇性接地故障具有瞬时性和冲击性，含有大量的暂态故障信息，所以可以利用基于暂态信号的选线方法完成对间歇性接地故障支路的选线。
利用小波分析法能够对发生故障瞬间的高频暂态信号进行分析，在此基础上采用小波包分解对信号进一步分析，得到更为准确的暂态高频信息。正是由于小波分析的此种能力和不错的选线能力，此方法被广大学者广泛采用。在对各条支路的零序电流进行小波分析处理后，故障支路的模极大值最大而且极性与其它正常支路相反，当发生间歇性接地故障时，模极大值也会重复出现，基于此特性可以在一个检测窗口内对采集到的零序电流进行小波变换后与模值门限进行比较，统计大于阈值的个数，再将其与个数门限0进行比较，如果＞0，那么就判定该支路发生了间歇性接地故障。
双门限检测策略的主要选线流程如图：
图2 双门限检测策略选线流程图
图3 舰船中压电网仿真模型图
1）电网分布电容平衡仿真分析
当电网分布电容平衡时，过渡电阻为R为500 Ω时，当发生间歇性接地故障对各支路下的漏电流进行小波分析，得到的小波分析波形如图4所示：
图4 模极大值
当过渡电阻为20 kΩ时，小波分析波形如图5所示：
图5 电容平衡时过渡电阻为20 kΩ，零序电流小波分析波形
综上，当电网分布电容平衡时，过渡电阻的大小会影响到小波分析后得到的模极大值的大小，但是正常支路和故障支路的模极大值都有明显差别，设置好合适的阈值就可以采用双门限的检测方法对故障支路进行选线定位。
2）电网分布电容不平衡仿真分析
当B相分布电容为1.5 μF，即电网分布电容不平衡度为0.5，过渡电阻为500 Ω时，对各支路的漏电流进行小波分析，得到的波形如图6：
图6 电容不平衡度为0.5，过渡电阻为500 Ω，零序电流小波分析波形
当过渡电阻为20 kΩ时，对各支路的漏电流进行小波分析，得到的波形如图7：
图7 电容不平衡度为0.5，过渡电阻为20 kΩ，零序电流小波分析波形
在电网分布电容不平衡度为0.5的条件下，对比过渡电阻为500 Ω和20 kΩ的小波分析波形，正常支路和故障支路的模极大值还是有明显差距，因此双门限的检测方法依然适用，设置好合适的门限值可以很容易对间歇性接地故障进行判定选线。
综合以上两种工况，小波分析法对于电网平衡和不平衡的状态都有很好的故障支路选线定位能力，但是在过渡电阻过大的情况下，零序电流已经十分微弱，这对装置的微弱信号采样能力提出了很高的要求。
本文针对舰船电网愈发频发的间歇性接地故障提出了一种基于小波分析的间歇性接地故障选线方法。该方法主要是利用小波分析工具获得各支路暂态电流的模极大值，然后再运用双门限检测策略对故障支路进行故障定位。最后在Matlab/Simulink搭建的仿真模型上对于电网分布电容平衡和电网电容不平衡的工况下进行了仿真，仿真结果证明该方法对间歇性接地故障都有很好的判定选线能力，为间歇性接地故障的选线定位提供了一种新思路。
[1] 宋亚伟, 涂灏, 韩伟等. 基于模糊理论的舰船中压电网绝缘故障选线研究[J]. 空军预警学院学报, 2020,34(6): 434-439.
[2] 张子杰. 舰船配电线缆绝缘在线监测技术的研究[D]. 西安:西安理工大学, 2020:1-4.
[3] 张彦魁, 毕大强, 刘同和. 船舶中压电网高阻接地方式机理研究中国舰船研究[J]. 中国舰船研究, 2014,9(2):89-94.
[4] 张晓锋, 李耕, 陈亮等. 船舶交流电力系统电制选择与工作接地[J]. 海军工程大学学报, 2017,29(2):85-91
[5] 张志霞. 小电流接地系统单相接地故障选线理论研究[M]. 沈阳:辽宁科学技术出版社, 2014.
Research on intermittent ground fault line selection of ship medium voltage grid based on wavelet analysis
Song Yawei, Chen Chuansheng, Yan Kai, Ye Zehao
(Air Force Early Warning Academy，Wuhan 430019, Hubei, China）
TM74
A
1003-4862（2022）09-0001-03
2022-03-15
宋亚伟(1990-)，硕士，讲师。研究方向：电力系统安全运行和预警装备实现技术。E-mail: songyawei@126.com
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