電力系統(tǒng)故障分析方法探究

溫敏明

（惠州供電局，廣東 惠州 516000）

近年來，隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)故障錄波器已經(jīng)成為發(fā)電廠、變電站及大型工礦企業(yè)的一種分析電網(wǎng)故障不可缺少的工具。故障錄波器是電力系統(tǒng)發(fā)生故障時能自動記錄的一種裝置，正常情況下不啟動或只進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，發(fā)生故障或振蕩時啟動進(jìn)行錄波。故障錄波器一般可以記錄故障前幾百毫秒，故障后幾千毫秒時間段內(nèi)的電壓、電流、功率變化及繼電保護(hù)動作情況，從而為分析事故提供科學(xué)依據(jù)。故障錄波器還可以起到以下作用：a.分析事故原因，制訂反事故措施；b.為查找故障點提供依據(jù)；c.積累運行經(jīng)驗，提高運行水平等。然而，一些安裝有錄波器的變電站，對故障錄波裝置的利用效果，并不能令人滿意。究其原因大致為：a早期的錄波功能不理想，不方便使用，不利于進(jìn)行事故分析；b管理與運行人員對故障錄波器的功能作用了解不夠，未能認(rèn)識到錄波器在進(jìn)行事故分析、查找故障等場合下的作用，對其不夠重視；C對變電站運用的保護(hù)裝置了解不足，對保護(hù)裝置判別不同的故障類型所采用的判據(jù)模型，還不是很清楚。為此，文中通過一條線路的事故分析，介紹如何利用故障錄波數(shù)據(jù)，進(jìn)行詳細(xì)地剖析，借以闡述故障錄波數(shù)據(jù)與事故分析處理之間的關(guān)系，供變電站管理與運行人員參考。

1 相關(guān)繼電保護(hù)技術(shù)

1.1 微機(jī)故障錄波裝置工作原理

目前微機(jī)故障錄波裝置大多是采用工控機(jī)為核心，配置智能化前置機(jī)系統(tǒng)，完成模擬量的采集及時鐘顯示，配置開關(guān)量輸入、輸出處理電路，完成與外界的接口。前置機(jī)CPU采用單片機(jī) (或DSP模塊)，對多路模擬量完成采樣后，向主機(jī)發(fā)送中斷信號，由主機(jī)讀取采樣數(shù)據(jù)。正常運行時，錄波屏不斷對模擬量進(jìn)行采集，對開關(guān)量進(jìn)行掃描，同時主機(jī)通過對采集的數(shù)據(jù)處理分析，判斷是否起動：觸發(fā)條件滿足時，啟動錄波，然后將錄波數(shù)據(jù)存入磁盤，再進(jìn)行分析計算，打印輸出錄波報告。

1.2 線路高頻閉鎖方向保護(hù)原理

高頻閉鎖方向保護(hù)是根據(jù)比較輸電線路兩側(cè)短路功率方向的原理而構(gòu)成的。短路功率的正方向規(guī)定為由母線流向線路，負(fù)方向為由線路流向母線。當(dāng)被保護(hù)線路發(fā)生內(nèi)部故障時，兩側(cè)的短路功率均為正方向，兩側(cè)保護(hù)裝置中的收發(fā)信機(jī)都不發(fā)閉鎖信號，當(dāng)然也收不到閉鎖信號，保護(hù)就動作，使兩側(cè)斷路器跳閘。當(dāng)線路外部發(fā)生故障時，本線路距故障點近的一側(cè)短路功率方向為負(fù)，該側(cè)保護(hù)起動，收發(fā)信機(jī)發(fā)出閉鎖信號，這個閉鎖信號被本線路兩側(cè)的保護(hù)所接收，把兩側(cè)的保護(hù)都閉鎖起來，不能跳閘。由于這種保護(hù)裝置是以高頻通道經(jīng)常無電流，而當(dāng)保護(hù)區(qū)外發(fā)生故障時，由短路功率方向為負(fù)的一側(cè)發(fā)出高頻信號，去閉鎖本側(cè)和對側(cè)的保護(hù)，因此叫做高頻閉鎖方向保護(hù)。

2 案例分析

2.1 故障錄波圖形及故障過程分析

2008年2月15日，某局220kV線路發(fā)生B相單相接地故障。該條線路兩個保護(hù)屏分別運行了許繼電氣股份有限公司的WXH一801／802數(shù)字式微機(jī)線路保護(hù)裝置，該保護(hù)主要具有縱聯(lián)高頻方向保護(hù)、三段式相間距離及接地距離保護(hù)、六段式零序電流保護(hù)、故障錄波以及重合閘功能。

2.1.1 微機(jī)故障錄波分析報告

a.故障分析報告(微機(jī)保護(hù))

距離啟動時間/ms：5

零序啟動時間/ms：5

縱聯(lián)啟動時間/ms：5

縱聯(lián)保護(hù)收訊時間/ms：8

縱聯(lián)保護(hù)停訊時l～/ms：145

零序Ⅱ段出口時間/ms：561，BN 實測Io=8.490 A，定值=6.500 A

其他保護(hù)三跳停訊時間/ms：568

測距：實測(Q)X=0.200，R=6.570，距離(km)=4.450(此處為二次阻抗值)

羅馬的風(fēng)光雖然并沒有人傳說的那么美，但由于我早有心理準(zhǔn)備，所以并不感覺過分的失望。生命中比預(yù)想要糟糕的事隨處可見。在這樣古老而繁華的大城市中，人又怎么能只有一種感覺呢？

b.故障波形報告

該保護(hù)裝置的故障錄波模塊的電流波形比較形象、準(zhǔn)確，而電壓波形相對不能正確反映當(dāng)時的故障情形，仍有待改善。本線路保護(hù)裝置中各種保護(hù)的錄波波形見圖1～ 4。

c.疑點

從微機(jī)保護(hù)故障錄波報告中可以看到，此次故障屬于B相單相接地故障，且發(fā)生在線路本段內(nèi)，與平時相比該次故障具有以下疑點：①高頻保護(hù)沒有及時切除故障；②零序Ⅱ段出口后，線路上的重合閘沒有進(jìn)行任何動作；③Ⅰ段距離接地保護(hù)沒有動作。

圖1 高頻保護(hù)故障錄波

圖2 零序Ⅱ段保護(hù)故障錄波

圖3 距離保護(hù)故障錄波

圖4 縱聯(lián)零序保護(hù)故障錄波(對側(cè))

2.2 高頻方向動作分析

查閱WXH-801/802數(shù)字式微機(jī)線路保護(hù)裝置和SF600集成電路收發(fā)信機(jī)技術(shù)說明書 ，得到如下結(jié)論：正常情況下，系統(tǒng)全相運行時，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，兩端的該線路保護(hù)，啟動元件啟動，通知收發(fā)信機(jī)開始起信(即本側(cè)向?qū)?cè)發(fā)信)，且如中間不被停信，將一直持續(xù)10S，在保護(hù)起動后，本側(cè)功率方向元件開始進(jìn)入故障處理程序判別短路功率方向。當(dāng)方向為正時，保護(hù)裝置作用于收發(fā)信機(jī)停訊，在保護(hù)啟動的同時判斷收信時間，持續(xù)收信5ms后就準(zhǔn)備接收對側(cè)的高頻信號。如果本側(cè)判為正向后，在持續(xù)5～8ms沒有收到對側(cè)任何高頻信號，則保護(hù)裝置認(rèn)為故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)，應(yīng)經(jīng)選相后出口跳閘；相反，若在本側(cè)收發(fā)信機(jī)停訊后5～8ms內(nèi)，又收到了對側(cè)的高頻閉鎖信號，保護(hù)裝置則認(rèn)為故障發(fā)生在區(qū)外，應(yīng)閉鎖出口。另外，收發(fā)信機(jī)的收信回路在裝置發(fā)信時只收本側(cè)信號不接收對側(cè)信號，僅當(dāng)本側(cè)停訊時才收對側(cè)信號。如圖5所示。

圖5 高頻閉鎖式方向保護(hù)流程圖

從本側(cè)故障錄波圖1和保護(hù)報告可以得出，在線路本側(cè)的高頻保護(hù)在故障發(fā)生5ms后保護(hù)啟動，因故障點可能處于功率方向臨界點，直至150ms后保護(hù)才判為正向，作用于收發(fā)信機(jī)停訊，且準(zhǔn)備接收對側(cè)高頻信號，保護(hù)裝置準(zhǔn)備出口跳閘。對側(cè)是在故障發(fā)生后，571.6ms開始停訊，因此在停訊之前一直處于發(fā)信狀態(tài)。對于本側(cè)高頻保護(hù)而言，在本側(cè)停信后的5～8ms內(nèi)，收到了對側(cè)的高頻信號，裝置誤認(rèn)為是區(qū)外故障，所以閉鎖了高頻保護(hù)出口，最后只能由后備零序保護(hù)在561ms時出口。

對于對側(cè)高頻保護(hù)沒有及時動作的原因，分析認(rèn)為：由于兩側(cè)本高頻保護(hù)的方向元件都設(shè)有正、反2個方向元件(為了防止因功率倒向引起誤動)，正方向元件正序電流定值可以整定，反方向元件不能整定，靈敏度比正方向元件靈敏(電流門檻取正方向的0.75倍，動作角范圍為正方向的1.25倍)，任一反方向元件動作閉鎖所有的正方向元件。由圖4可以看出，對側(cè)在其起信后可能由于當(dāng)時保護(hù)裝置的功率方向元件處于臨界狀態(tài)；由于原來保護(hù)裝置的負(fù)序元件是在起信時立即投入，當(dāng)發(fā)生了近距離的故障，而出現(xiàn)功率臨界狀態(tài)時，高頻零序反方向元件有可能動作而閉鎖了所有正方向元件，從而對側(cè)的收發(fā)信機(jī)也就一直處于發(fā)信狀態(tài)，直到602.4ms時，方向元件判斷短路功率方向為正向，因此裝置作用于收發(fā)信機(jī)停訊。又由于此時本側(cè)已經(jīng)跳閘出口，經(jīng)TWJ(跳閘位置繼電器)停止向?qū)?cè)發(fā)信，所以對側(cè)保護(hù)裝置經(jīng)停訊延時5～8ms后，縱聯(lián)零序保護(hù)選擇了B相跳閘。220kV旗山變也發(fā)生過類似上述高頻保護(hù)拒動故障。經(jīng)廠家分析后，升級了保護(hù)裝置軟件，將負(fù)序元件投入時間改為起信后50ms，以避免上述功率臨界點的情況，升級后至今沒有發(fā)生類似情形。

2.3 零序Ⅱ段動作分析

由于高頻保護(hù)失效，WBH-802數(shù)字式微機(jī)線路保護(hù)裝置在故障發(fā)生后的561 ms時，實測BN(B相接地短路)，零序電流I0=8.49A，而后備保護(hù)零序Ⅱ段定值為6.500 A，因此滿足了零序Ⅱ段出口的條件，線路的B相斷路器應(yīng)該可以跳閘。通常，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生了單相接地故障時，應(yīng)是跳單相后，單相重合閘一次，若重合到永久性故障時，跳開三相并再進(jìn)行自動重合，但從上述錄波波形可以看出，自動重合閘裝置根本沒有動作過。為此，查看了這條線路的繼電保護(hù)相應(yīng)整定值，發(fā)現(xiàn)此條線路的零序Ⅱ段整定為：I0dz=6.5A，三相永跳(永跳與三跳相比，多了閉鎖自動重合裝置功能)，因此一旦本線路的零序Ⅱ段出口后，跳三相且閉鎖本側(cè)的線路的自動重合閘，分析結(jié)果和微機(jī)保護(hù)提供的錄波波形十分吻合，這一部分保護(hù)裝置是正常動作。

2.4 距離保護(hù)動作分析

在本保護(hù)裝置中，距離保護(hù)作為高頻保護(hù)的后備保護(hù)，在高頻沒有出口跳閘的情況下，線路的速斷保護(hù)之一的接地距離I段保護(hù)，理應(yīng)能夠迅速出口跳閘，然而在本次故障中，距離保護(hù)只是啟動，卻沒有出口。根據(jù)保護(hù)裝置測得的距離參數(shù)：實測 X=0.200，R=6.570(單位為 Q)，而保護(hù)裝置的接地距離保護(hù)的I段的整定值為：R1=6.55，X 1=1.52(單位為 Q)。通過計算可以得出：{(R12+X12)=(6.552+1.522)}>{(R 2+X 2)=(6.572+0.2002)}，即測得阻抗的幅值小于接地距離保護(hù)I段的整定值，如果接地距離保護(hù)是采用全阻抗繼電器模型作為保護(hù)出口判據(jù)的話，接地距離保護(hù)I段應(yīng)該出口。查閱該保護(hù)裝置技術(shù)說明書可知：接地綜合阻抗元件采用具有多邊形特性的阻抗繼電器模型，相間綜合阻抗元件則采用具有全阻抗的阻抗繼電器模型，因此在遇到不同類型距離故障時應(yīng)該采用與之對應(yīng)的阻抗繼電器模型來分析事故。從圖6可以看出，R=6.57Ω的折線，沒有落在多邊形內(nèi)(即陰影區(qū)內(nèi)，且多邊形內(nèi)為動作區(qū))，因此保護(hù)沒有達(dá)到出口跳閘的條件。綜上所述，本次故障的接地距離保護(hù)沒有出口理所當(dāng)然，保護(hù)裝置工作正常。

圖6 多邊形阻抗繼電器模型

結(jié)語

故障錄波裝置已為電網(wǎng)的運行管理帶來明顯的效益。利用線路兩側(cè)或相鄰設(shè)備的故障錄波數(shù)據(jù)來分析事故原因，具有一定的實用價值，因此，在條件允許時，應(yīng)該考慮將本區(qū)域電網(wǎng)的故障錄波裝置進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，這樣在具體分析事故時可以結(jié)合對側(cè)或相鄰元件的采樣數(shù)據(jù)，更加方便、準(zhǔn)確地查找出事故原因。另外，為了更好、更可靠、更真實地反映不同的故障類型，往往會利用這些故障類型各自特征量去分析、處理故障數(shù)據(jù)，因此可能在同一保護(hù)中，經(jīng)常會利用相同原理的不同判據(jù)(或繼電器模型)來分析不同故障(如：接地距離和相間距離采用不同的繼電器模型)。在利用保護(hù)裝置的技術(shù)說明書時，應(yīng)該理清該裝置針對不同故障類型所采用的不同原理模型，分別用對應(yīng)的原理去判別不同的故障類型。另外，在分析故障的過程中遇到難點時，參考該保護(hù)裝置總原理圖，可以從整體上考慮問題。

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[2]全國電力工人技術(shù)教育供電委員會.變電運行崗位技能培訓(xùn)教材 (220kV)[M].北京：中國電力出版社.2000.

[3]賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].北京：中國電力出版社.2000.

[4]許繼電氣股份有限公司，許昌繼電器研究所線路室.WXH-801/802數(shù)字式微機(jī)線路保護(hù)裝置技術(shù)說明書[Z].2001.

[5]許繼電氣股份有限公司，通信事業(yè)部.SF600集成電路收發(fā)信機(jī)技術(shù)說明書[Z].