浅谈直流接地对电力系统的危害

浅谈直流接地对电力系统的危害

马静波

身份证号码： 53030219940910****

摘要：直流电源接地分为室内接地和室外接地两种。室内接地是由于设备老化或施工工艺不规范引起的直流电源接地故障；室外接地是由于雷雨等异常天气，使得端子箱或机构箱受潮、积水，降低二次回路正负电源的绝缘性，导致直流电源接地。另外，施工人员、维修人员的误操作，也会导致直流电源接地现象的出现。一般来说，设备老化、异常天气是造成直流电源接地的主要原因，因此，及时找出直流电源接地故障点，或依据直流电源异常变化进行故障点预判，是目前电力系统亟待解决的问题。基于上述原因，本文提出一种基于遗传算法的接地故障搜索模型，可以帮助维修人员、监测人员进行故障搜索。

关键词：直流接地；电力系统；危害

1 直流接地故障的数学描述

直流电源出现接地故障以后会产生暂态的不稳定电流，使得线路中频繁出现电流幅值的变化。假设电网中的电容用C表示，线路为L，等值电阻为R，那么任意线路两端的暂态电流可以表示为：

由公式（1）可知， 时，直流电源两端的暂态电流呈现周期性波动； 时，说明R为初始值，直流电源两端的暂态电流呈非周期性波动。其中，I为暂态电容电流，该电流由振荡电流I振荡、稳定电流I稳定组成，初始值为0。暂态电容电流与振荡电流I振荡、稳定电流I稳定的关系可以用拉氏变换等运算表示，公式如下：

式中：Itotle为暂态下的总电流值；wt为暂态下的电流角频率；sinθt为暂态下的电流变化幅值；δ为暂态下的电流衰变系数。

当电流变化幅值最大时， ，I振荡幅值最大，提示直流电源接地；否则，为I稳定最大，非接地故障点。

2 故障点位置确定

以S为直流电源，用遗传算法对直流电源的各个线路进行划分，得到各个线路相应的特征信号，用于判断接地线路，具体如图1所示。

图1 直流电源线路分解

图1中，S为直流电源，L后面的数字代表不同层和位置。对直流电源的各个线路进行判断时，遗传算法将上级线路细分，利用Hilbert空间，得到精准的接地位置。遗传算法将线路Ljn分为同层位置Vj和上层位置Wj，具体计算公式如下：

公式通过遗传算法逐层进行搜索，直至找到直流接地故障点。

3 直流电源接地故障模型的构建

3.1 电流信号识别函数

在进行直流电源接地判断时，要利用主直流电源函数进行电流信号突变、频率变化检测，主要分为4个步骤：第一，将正交函数作为直流电源判断函数；第二，设置电流变化幅度阈值，分别得到稳定电流集合、振荡电流集合；第三，比较不同集合的电流值，电流变化幅度超过预期，则发出直流电源接地信号；第四，找出电流变化幅度最大的时间，并进行接地位置追踪。

3.2 选择暂态电流判断尺度

依据直流电源函数，得到暂态电流判断尺度。（1）确定最大暂态电流变化幅值；（2）暂态电流幅值对整个电力系统的影响；（3）噪声对暂态电流信号的影响程度。依据上述3个方面，确定暂态电流判断尺度。

3.3 接地故障定位

直流电源运行正常时，电流无显著变化，呈现相同的波形。如果直流电源出现接地故障，将出现反向波形，并对电力系统造成危害。暂态电流变化波形中，反向波形出现的频率越多，说明接地越严重。假设电流波形正常，输出结果为0；出现反向波形，输出结果为1；如果电力系统由于反向波形受到危害，输出结果为2。依据上述标准设定，对电力系统中的电流接地故障进行判断，并得出是否对电力系统造成危害。

4 基于遗传算法的接地故障搜索模型验证

4.1 案例介绍

以IEEE 36为测试对象，对节点中的直流电源接地故障进行判断，得出接地故障对电力系统的危害。具体的线路模型如图2所示。

图2 直流电源接地线路模型 

图2中直流电源属于110 k V电源，由6条线路组成，编号分别为L1～L6，各线路长度为10 km、12 km、16 km、22 km、24 km、27 km。所有线路的等值电阻均设置为1Ω/km，那么长度数值与电阻值相等。

4.2 直流电源接地判断

依据公式（3）将直流电源线路分解，S=[1.275×e-5,1.884×e-5,9.645×e-4]。其中，第3列值9.645×e-4高于其他序列，所以以此为阈值，对整个线路进行判断。同时，将整个故障的频率划分为高、低两个频率带，并构建矩阵如下：

其中，C（·）为不同线路的分析结果数值。在实际测试过程中，发现C(6）、C(5）均出现了直流电源接地，C(5）并未对电力系统产生危害，而C(6）对电力系统产生危害。为了更好地分析C(6）对电力系统的具体危害，进行如表1所示分析。

表1 暂态信号判断结果

由表1可知，针对不同线路正常运行或出现接地故障的不同情况，其与额定电流的差值、与额定电压的差值和设备绝缘性均会出现不同的变化。虽然线路5的绝缘性显著下降，但是并未对电力系统产生危害，但线路6的绝缘性出现了负值，且对电力系统产生危害。

4.3 接地判断的准确性

针对基于遗传算法来判断直流电源接地，需要进行仿真分析，具体结果如图3所示。由仿真结果可知，理论预测电流幅值、电压幅值、绝缘性与实际测量电流幅值、电压幅值、绝缘性误差较小，整体准确率较高。同时，在多次的迭代计算中，发现理论测试与实际测试之间的差值变化幅度比较稳定。

图3 理论电流、电压、绝缘性、危害预测判断的准确性

由图3可知，整体来说，电流、电压的平均判断结果准确性高于90%，接地故障对电力系统危害、绝缘性的判断准确性也高于85%，所以该模型的整体预测效果较佳。

5 结语

直流电源接地是电力系统常见的故障，其具有搜索难度大、联锁危害强的特点，严重威胁电网运行的稳定性。随着电网规模的扩大以及智能设备的增加，直流电源接地搜索问题成为各界关注的焦点。本文提出了一种基于遗传算法的接地故障搜索模型，依据直流电源各线路的电流、电压特征值变化幅度，判断出接地故障位置，预测接地故障对整个电网的危害程度。同时，对该模型预测的准确性进行了仿真分析，结果表明，其整体预测效果较佳。

参考文献

[1]郑州.船舶水密门24 V直流电源接地故障实例[J].航海技术，2020(5):55-58.

[2]朱凯，胡振华，王振华，等.直流电源接地故障分级定位和隔离系统[J].科技创新与应用，2020(19):66-69.

[3]宋海涛.变电站寄生回路引起的两组直流电源同时接地故障原因分析[J].内蒙古电力技术，2015,33(4):90-93.