电气技术

配电网弧光高阻接地故障仿真与实测波形差异性分析

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林万里 , 杨耿杰 , 郭谋发

电气技术 | 研究与开发 2025,26(6): 38-44

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配电网弧光高阻接地故障仿真与实测波形差异性分析

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林万里, 杨耿杰, 郭谋发

作者信息

福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108

林万里（2000—），男，福建泉州人，硕士，主要研究方向为配电网及其自动化技术。

Analysis of the difference between simulation and measured waveforms of arc high impedance fault in distribution network

Wanli LIN, Gengjie YANG, Moufa GUO

Affiliations

College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108

出版时间: 2025-06-15

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摘要

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针对现有配电网弧光高阻接地故障波形多样、仿真所得波形与工程实际差异较大，导致已有故障识别模型难以泛化等问题，本文首先分析已有的仿真模型伏安特性，然后通过试验获取实测伏安特性，并分析仿真波形与实测波形的差异性，最后对影响波形的故障非线性、随机性、间歇性、热惯性、零休偏移等特性进行总结，提出在考虑无功分量的基础上改进建模方法的建议。

关键词

配电网 / 弧光高阻接地故障 / 仿真模型 / 差异性 / 伏安特性

Abstract

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In response to issues such as the diverse waveforms of arc high impedance faults in distribution networks, significant discrepancies between simulated and actual waveforms, which resulting difficulty in generalizing existing fault recognition models, the voltage-current characteristics of existing simulation models are analyzed firstly in this paper. Then experimental data are obtained to examine the actual voltage-current characteristics, and the differences between simulation and measured waveforms are analyzed. Finally, the characteristics influencing waveforms, including nonlinearity, stochasticity, intermittency, thermal inertia, and “shoulder” offset, are summarized, and improvement suggestions are proposed based on the consideration of reactive components.

Key words

distribution network / arc high impedance fault / simulation model / difference / voltage- current characteristic

引用本文

林万里, 杨耿杰, 郭谋发. 配电网弧光高阻接地故障仿真与实测波形差异性分析. 电气技术, 2025 , 26 (6) : 38 -44 .

Wanli LIN, Gengjie YANG, Moufa GUO. Analysis of the difference between simulation and measured waveforms of arc high impedance fault in distribution network[J]. Electrical Engineering, 2025 , 26 (6) : 38 -44 .

正文

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0 引言

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配电网馈线非预期地经非理想导体（如树木、沙土、绝缘子等）接地放电^[1]称为高阻接地故障（high impedance fault, HIF），因其与电弧伴生，又称弧光高阻接地故障（arc high impedance fault, AHIF）。长期存在的弧光高阻接地故障容易诱发山火^[2]、引起人身触电，发展严重后或导致大规模停电。区别于单相接地故障，配电网发生AHIF后，故障信号微弱，难以被传统零序保护检测到。

为规避AHIF信号的微弱性，利用AHIF波形特性进行故障检测的算法得到深入研究。这些波形特性包括电弧导致的零序电流零休^[3]（“肩部”特性），高次谐波及更为全面的时频特性^[4]，以及系统侧电压^[5-6]、电流^[7]的暂态变化特性。

在充分捕捉波形特征后，采用阈值法或人工智能法^[8]进行故障判别。其中，阈值法的主观性较强且容易因系统变化而需要重新整定，人工智能法通用性强但依赖大量的AHIF数据进行模型训练^[9]。受限于配电网现有技术，实际录波的AHIF样本极为稀少^[10]；受限于安全因素与成本，人工试验建立数据集的方法实施困难。因此，通过大量不同工况的仿真来建立仿真数据集进行人工智能模型训练，再利用少量的实测数据验证模型的有效性，成为最常用的方法。这种方法的缺陷在于：现有的仿真模型难以模拟工程实际中复杂变化的AHIF场景，实测波形与仿真波形存在较大差异。图1展示了某馈线发生AHIF后的柱上馈线终端（feeder terminal unit, FTU）录波波形，零序电流呈现出零休偏移、燃弧畸变、升降过程不对称等波形特征。

文献[11-12]将仿真数据与实测数据混合输入、利用数据增殖模型扩充数据集，得到更接近真实数据特征的生成波形。这种做法虽能解决不均衡小样本问题，然数学构建的增殖模型并不遵循实际的AHIF放电机理，生成波形不具备物理可解释性。

针对仿真与实测波形的差异性问题，本文利用试验重现多种故障场景，获取时变的阶段性AHIF波形数据；通过伏安特性，完成仿真波形与实测波形的差异性比对，并充分指出差异原因；对AHIF波形的仿真、实测特性进行总结。

1 AHIF仿真分析

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现有常用的AHIF模型主要包括Mayr电弧串接固定电阻模型^[13]、Cassie电弧串接固定电阻模型^[14]、Emanuel电路模型^[15]、改进Emanuel电路模型^[16]、对数（或称指数）电弧模型^[17-18]和修正对数电弧模型^[19-20]。其中，Mayr电弧串接固定电阻模型、Cassie电弧串接固定电阻模型基于能量平衡推导得到，部分文献在此基础上结合经验公式得到改进模型，如畸变可控（distortion-controllable, DIST-C）模型^[21]，但仍未脱离基础模型，因此本文不予讨论；Emanuel电路模型、改进Emanuel电路模型为早期基于实测伏安特性推导的电路模型；对数电弧模型、修正对数电弧模型通过汤逊放电理论推导得到，并进行了一定修正。以上模型均为静态模型，现有的针对具体场景（如触树^[22]、污闪^[23]）的动态模型主要面向长时幅值变化，对波形细节的模拟效果差，因此不在本文的讨论范围内。

1.1 AHIF仿真模型

1）Mayr电弧串接固定电阻模型。基本假设为单位长度弧柱损耗功率为一常数，包括固定电阻部分与电弧部分。固定电阻包括接地高阻介质的等效电阻和大地导电等效球壳电阻，电弧部分基本形式为

（1） $\frac{1}{g} \cdot \frac{\mathrm{~d} g}{\mathrm{~d} t}=\frac{1}{t_{\mathrm{m}}}\left(\frac{E i}{P_{\mathrm{m}}}-1\right)$

式中：t为时间；g为电弧电导率；t_m为Mayr热惯性时间常数；P_m为单位长度电弧能量损耗常数；E为电弧电场强度；i为电弧电流即故障支路电流。

2）Cassie电弧串接固定电阻模型。与Mayr模型几乎一致，但基本假设改为单位体积弧柱损耗功率为一常数。电弧部分基本形式为

（2） $\frac{1}{g} \cdot \frac{\mathrm{~d} g}{\mathrm{~d} t}=\frac{1}{t_{\mathrm{c}}}\left(\frac{E^{2}}{E_{\mathrm{c}}^{2}}-1\right)$

式中：t_c为Cassie热惯性时间常数；E_c为弧柱静态电场强度。

3）Emanuel电路模型。拓扑如图2所示，由两组理想二极管VD、电压源V、电阻R组成。当正/反向电压超过V时，正/反向二极管导通，电流流过电阻R；正/反向电压未超过V时，支路完全不导通。

4）改进Emanuel电路模型。拓扑如图3所示，在支路中串联电感L以模拟热惯性无功分量。

5）对数电弧模型。基本形式为

（3） $u=\operatorname{sgn}(i) \cdot U_{\mathrm{T}} \ln \left(\left|\frac{i}{I_{\mathrm{s}}}\right|+1\right)$

式中：u为故障点电压；U_t和I_s分别为电压、电流常数；SGN(·)为符号函数。

6）修正对数电弧模型。为解释实测数据的电压、电流相位差，通过数学方法将对数电弧模型数据进行一定变换，使伏安特性呈现出一定容性面积。值得一提的是，文献[19]将实测数据存在相位差解释为热惯性，而热惯性是因弧柱温度变化相对滞后导致的电流滞后于电压，应呈现为感性，但其实测数据与对数电弧模型修正结果却呈现容性。

1.2 AHIF仿真模型伏安特性分析

AHIF的过渡电阻较高，不容易引起故障相电压变化，文献[24]指出，故障相电压幅值略微降低，形状几乎呈正弦。为充分结合电压、电流，并反映一定的AHIF介质性质，本文以伏安特性而非仅支路电流的形式呈现AHIF的形状特性。

通过Matlab及数值仿真，获取6种仿真模型的伏安特性，如图4所示，呈现出各具特色的扭曲“S”形，这是电弧导致过渡电阻非线性变化的体现。其中，除了Emanuel电路模型外，其他模型的波形过渡均较为平滑，无突变；Mayr电弧串接固定电阻模型、Cassie电弧串接固定电阻模型、改进Emanuel电路模型和修正对数电弧模型的波形呈现出滞回特点，导致电流的升降过程不对称，也导致AHIF具有一定无功分量。

2 AHIF试验分析

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2.1 试验平台与试验设计

试验在一座10kV配电网真型试验系统进行，由380V电压经过升压变得到10kV三相电，系统包括4条不同馈线（含电缆、架空线）、消弧线圈、台区变等配电网设备，设备参数参照实际配电网。试验系统拓扑如图5所示。

通过位于馈线节点的引出线与AHIF发生器相连实现可控的AHIF投入/切除。AHIF发生器原理如图6所示，可利用伺服电动机控制钢芯铝绞线与介质进行持续性/间歇性的触碰，从而模拟实际配电网发生异物接触架空线的情况；也可接入污秽绝缘子，与断路器配合模拟污秽绝缘子闪络。

为获取高分辨率的伏安特性，在AHIF发生器附近装设电压互感器（电压比10kV:100V，准确度等级0.2）和电流互感器（电流比50A:5A，准确度等级0.2S），并配备法拉第笼。

模拟场景包括风致线路触树、架空线接触地面介质、盐雾污秽绝缘子闪络等。试验耗材包括杨树枝、毛竹段、沙土箱、砖块、碎石及ZSW—110/10户外支柱绝缘子等。

已有大量文献针对单一AHIF场景试验过程中的现象进行归纳，如触树的4个典型阶段、绝缘子的动态变化等，本文不再重复介绍，仅从伏安特性角度对AHIF进行分析。

2.2 AHIF实测伏安特性分析

不同场景/不同阶段下，试验伏安特性曲线差异较大。图7展示了具有一定试验次数支撑的典型AHIF实测伏安特性，其中图7（a）~图7（c）为触树故障演化不同阶段的伏安特性，图7（d）~图7（f）为沙土介质的试验伏安特性，图7（g）~图7（i）为污秽绝缘子闪络中的伏安特性。以正半周为例，用红色实线箭头标注随时间围成顺时针面积的部分（感性），用蓝色虚线箭头标注随时间围成逆时针面积的部分（容性）。可以证实，在电压为正弦的条件下，伏安特性曲线面积与该周期的2π 倍无功功率接近^[25-26]。下面给出证明过程。

故障相电压与故障支路电流可分别记为

（4） $u(t)=\sum_{h}^{H} \sqrt{2} U_{h} \sin \left(h \omega t-\phi_{h}\right)$

（5） $i(t)=\sum_{h}^{H} \sqrt{2} I_{h} \sin \left(h \omega t-\phi_{h}-\varphi_{h}\right)$

式中：h为谐波次数；H为总谐波次数；U_h和I_h为对应h次谐波电压和电流幅值；$\phi_{h}$为对应h次谐波的电压相位；$\varphi_{h}$为对应h次谐波电压与电流的相位差；ω 为工频角频率。

伏安曲线的有向面积可以计算为

（6） $A=\int_{i(0)}^{i(T)} u(t) \mathrm{d} i(t)=\int_{0}^{T} u(t) \cdot \frac{\mathrm{d} i(t)}{\mathrm{d} t} \mathrm{~d} t$

式中，T为基波周期。

将式（4）和式（5）代入式（6）得

（7） $\begin{aligned} A= \int_{0}^{T}\left(\sum_{h}^{H} \sqrt{2} U_{h} \sin \left(h \omega t-\phi_{h}\right)\right) \\ \left(\sum_{h}^{H}(h \omega) \sqrt{2} I_{h} \cos \left(h \omega t-\phi_{h}-\varphi_{h}\right)\right) \mathrm{d} t \end{aligned}$

将式（7）展开，进行和差化积并消去积分量为0的部分后可得

（8） $A=\int_{0}^{T} \sum_{h}^{H} h \omega U_{h} I_{h} \sin \varphi_{h} \mathrm{~d} t=\sum_{h}^{H} 2 \pi h U_{h} I_{h} \sin \varphi_{h}$

由于故障相电压接近正弦，所含谐波分量可以忽略，有

（9） $u(t)=\sqrt{2} U_{1} \sin \left(\omega t-\phi_{1}\right)$

将式（9）代入式（8）可得

（10） $\frac{A}{2 \pi}=U_{1} I_{1} \sin \varphi_{1}=Q$

由此证明在电压为正弦的情况下，单周期伏安特性曲线面积恰是该周期无功功率的2π倍。

需要注意的是，这里的无功功率指Budeanu功率理论中的位移无功功率。伏安特性曲线有向面积在考虑方向时，沿时间方向左手边取负、右手边取正，此时所求得面积方向恰符合容性无功为负、感性无功为正。

不难发现：在3类故障中，触树故障的非线性程度最低，阶段Ⅱ甚至呈现近似直线；多数伏安特性均出现容性面积，容性多集中在过零处（零休期间），推测为接触点气隙的电容^[27]效应/介质电容^[28]的作用或电弧产生前的势垒电场所致；感性部分均在故障中后期才出现，说明热惯性需要故障充分演化与离子的积累。

2.3 仿真与实测波形差异性分析

实际接地电弧两端的电压、电弧电流难以直接测量，部分仿真模型通过将断路器电弧研究^[29]迁移后与电阻串联而得，以此得到的AHIF模型的波形细节并不准确。图4展示的模型多是针对电弧的热惯性和零休现象进行建模，仿真模型并不能充分解释2.2节中实测数据的特征。本文认为，排除静态仿真模型的局限性外，已有AHIF仿真模型并未充分考虑零休期间的电容效应。图1中电力系统AHIF录波波形出现了“高低肩”特点，这充分证明了上述观点。

图8为试验所得典型波形。其中，图8（a）反映了线路触树过程的演化特性，图8（b）说明触树过程中零休现象不明显；图8（c）体现了沙土试验中电流较小且逐渐减弱的特点，图8（d）表明电流先于电压过零，并且零休期间电流仍不为零的特征；图8（e）反映了污闪现象的随机性，图8（f）表明电流的显著不对称性，可能受罗氏线圈零漂影响。

3 AHIF波形特性总结

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根据前文描述，AHIF波形的特性包括单周期（静态）特性和长期（动态）特性。静态特性包括非线性、热惯性、零休偏移（容性过零），动态特性包括随机性、间歇性、电流连续性^[30]、特定场景下的故障演化特性。

非线性：因交流电弧特性导致的过渡电阻周期性变化，电弧熄灭期间电接触等效电阻高，电弧燃烧期间电弧成为主要导电通道使等效电阻大幅降低。在波形中体现为：电流的零休（“肩部”），伏安特性出现“S”形。

热惯性：指电弧在热动态过程中的热响应滞后特性，主要描述电弧温度或导电特性随输入能量变化的迟滞性。在波形中体现为：电流峰值滞后电压峰值，电流缓慢上升但快速下降（“头”右偏），伏安特性出现外围感性面积。

零休偏移：指由于电接触气隙电容的影响，零休期间气隙两端的电势逐渐积累。在波形中体现为：零休期间电流不为零且几乎不变，电流先于电压过零（电流“高低肩”），伏安特性出现中心容性面积。

随机性：因介质干湿不均动态变化导致的周期间电流幅值突变。常见于架空线接触高阻地面后期和轻度的污秽绝缘子闪络。污秽绝缘子闪络中的电流随机性如图9所示。

间歇性：空气不稳定击穿导致故障时而发生、时而消失。常见于电缆破损和绝缘子早期故障。另外，因风力强弱导致树木-架空线不稳定接触的特性，称作风致间歇性。

电流连续性：风致间歇性触树中，树木的持续破坏不可逆，导致树木-架空线发生脱离-再接触，两次故障间故障电流幅值/有效值几乎连续，称为电流连续性。

演化特性：特定场景（如触树）下的AHIF具有相似的演化规律。利用物理参数对触树故障过渡电阻变化进行数值计算，可为故障溯源提供参考^[31]。

4 结论

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配电网发生弧光高阻接地故障的潜在危害大，现有人工智能方法无法从仿真数据中获取弧光高阻接地故障除零休外的其他特征，本文针对这一问题进行试验研究，得到以下结论：

1）已有仿真模型仅针对弧光高阻接地故障的非线性和热惯性提出，忽略了实际弧光高阻接地故障的复杂特征。

2）实际弧光高阻接地故障的伏安特性与故障场景和进程高度相关，热惯性和零休偏移等现象不能被忽略，二者充分反映了故障的无功分量。

3）弧光高阻接地故障具有非线性、热惯性、零休偏移、随机性、间歇性、电流连续性、演化特性等复杂特征。

深入研究弧光高阻接地故障的动态特性，有利于在检测到故障后进一步实现故障的成因辨识、状态感知，辅助决策及人工排查，侧面解决故障定位的“最后一公里”问题。

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2025年第26卷第6期

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接收时间：2025-01-20
首发时间：2025-10-30
出版时间：2025-06-15

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收稿日期：2025-01-20
修回日期：2025-02-18

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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