電壓差特征引起電壓暫降的故障類型識(shí)別

王建波，邵文權(quán)，張艷麗，王 龍，吉 玥

（1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西西安 710054；2.西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安 710048）

電壓差特征引起電壓暫降的故障類型識(shí)別

王建波1，邵文權(quán)2，張艷麗1，王 龍2，吉 玥2

（1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西西安 710054；2.西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安 710048）

短路故障是引起電壓暫降的主要原因之一，快速準(zhǔn)確地判斷故障類型有利于實(shí)施有效的按相電壓暫降補(bǔ)償措施.以Δ／Y接線變壓器方式的中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)為例，提出一種利用相電壓差特征引起電壓暫降故障類型識(shí)別方案.利用相電壓差特征對(duì)導(dǎo)致電壓暫降的故障類型進(jìn)行區(qū)分并確認(rèn)故障相，為實(shí)施按相電壓暫降補(bǔ)償提供依據(jù).仿真分析結(jié)果證明了該方案的正確性和有效性.

電力系統(tǒng)；故障類型；相電壓差；電壓暫降

0 引 言

電壓暫降是電力系統(tǒng)中最嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題之一［1］.短路故障是導(dǎo)致電壓暫降的主要因素，為有針對(duì)性地實(shí)施按相電壓暫降補(bǔ)償，準(zhǔn)確判斷故障類型及電壓暫降相別是必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié).

目前電壓暫降的研究主要集中在電壓暫降幅值和相位跳變［2］，主要包括采用dq變換法［3－5］、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)［6］、廣義逆算法［7］、S變換［8］.對(duì)故障類型與電壓暫降之間的關(guān)系研究較少，文獻(xiàn)［9－10］研究了不同接地方式電壓暫降變壓器的傳遞規(guī)律，采用對(duì)稱分量法結(jié)合暫降期間的電壓幅值和相角信息給出了電壓暫降類型的判斷依據(jù)；文獻(xiàn)［11］提出在不同故障情況下，根據(jù)三相電壓有效值大小，對(duì)引起電壓暫降的故障進(jìn)行分類；文獻(xiàn)［12］提出了一種基于雙dq變換短路故障分類方法，構(gòu)造了有效值和相位特征量，建立短路故障類型與構(gòu)造特征量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.利用電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置捕捉到的電壓暫降，快速確定發(fā)生短路的故障類型，能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的運(yùn)行管理、事故調(diào)查和故障定位等提供有益的參考.

為了實(shí)現(xiàn)引起電壓暫降的故障類型快速準(zhǔn)確判別，文中以變壓器Δ／Y接線方式的中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)為例，在討論不同故障類型的電壓差特征的基礎(chǔ)上，明確了不同故障類型電壓差特征與故障的相對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了一種采用相電壓差特征進(jìn)行引發(fā)電壓暫降的故障類型識(shí)別方案，最后仿真驗(yàn)證了該方案的有效性和適用性.

1 變壓器Δ／Y接線方式的中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)

基于變壓器采用Δ／Y型中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，如圖1所示，分析在不同故障類型情況下的電壓暫降幅值和相位跳變特征：（1）單相接地故障，故障相電壓減小，非故障相電壓及三相電壓相位不變；（2）兩相接地故障，故障相電壓減小，非故障相電壓及三相電壓相位不變；（3）發(fā)生兩相故障，故障相電壓減小，相位發(fā)生變化，非故障相電壓及相位不變；（4）三相故障時(shí)，故障相電壓減小，三相電壓相位不變.電壓暫降故障類型和各故障類型電壓暫降幅值如表1～2所示.

圖1 中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)Fig.1 Neutral grounding power system

表1 不同故障類型引起的電壓暫降Table 1 Type of voltage sag caused by different fault types

表2 不同類型電壓暫降幅值Table 2 The magnitude of voltage sag under different fault types

由表1～2的分析可知，電壓暫降幅值與故障類型之間具有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系.因此，根據(jù)電壓暫降的幅值可以進(jìn)一步判斷引起該暫降的故障類型，為實(shí)施按相進(jìn)行電壓暫降補(bǔ)償提供依據(jù).

2 故障類型判別

以圖1所示的中性點(diǎn)直接接地方式下的單相接地故障為例，分析故障引起的電壓暫降的電壓差特征，并對(duì)其他故障類型的電壓差特征進(jìn)行簡(jiǎn)要分析.設(shè)故障前電源E＝1，其中ZS為系統(tǒng)等效到本電壓等級(jí)的阻抗，ZL為短路點(diǎn)到公共連接點(diǎn)（PCC）處的線路阻抗.圖1中，ZL＝RL＋j XL，ZS＝RS＋j XS，如果XS／RS＝XL／RL，則三相短路引起的電壓暫降不會(huì)發(fā)生相角跳變.

一般情況下，對(duì)于單相經(jīng)阻抗接地，過(guò)渡電阻為Rg，其對(duì)應(yīng)的復(fù)合序網(wǎng)如圖2所示，正序、負(fù)序和零序電壓表達(dá)式如式1所示，A相、B相、C相的電壓表達(dá)式如式2所示.

圖2 單相經(jīng)阻抗接地時(shí)的復(fù)合序網(wǎng)圖Fig.2 Sequence network under single－phase－to－ground fault condition

對(duì)于中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，存在ZS1＝ZS2和ZS0／ZS1＝1的關(guān)系，則單相接地時(shí)三相電壓如式3所示.當(dāng)ZS0／ZS1接近于1時(shí)，非故障相電壓不變，故障相電壓降低，最嚴(yán)重時(shí)近母線單相接地，電壓幅值為零.

對(duì)應(yīng)式3的電壓差表達(dá)式如式4所示.

為了便于鑒別不同故障引起的電壓暫降類型，將上述線電壓逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，即乘以j，則如式5所示，其對(duì)應(yīng)的向量圖如表3所示.

表3 不同故障類型對(duì)應(yīng)的電壓差Table 3 Different type of voltage sag corresponding line voltage

由以上分析可知，對(duì)于變壓器Δ／Y接線方式下的中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，不同故障類型下的電壓差有以下特征：（1）對(duì)于單相接地故障，故障相與非故障相的電壓差小于非故障相的電壓差，以A相接地故障為例，存在｜AB｜＝｜AC｜＜｜BC｜；（2）對(duì)于兩相接地故障，非故障相與故障相的電壓差大于故障相的電壓差，以BC相接地為例，存在｜AB｜＝｜AC｜＞｜BC｜；（3）對(duì)于兩相相間故障，故障相與非故障相的電壓差大于故障相的電壓差，以AB相間故障為例，存在｜AC｜＝｜BC｜＞｜AB｜；（4）對(duì)于三相故障，故障相之間的電壓差相互相等，存在｜AB｜＝｜˙UAC｜＝｜˙UBC｜.據(jù)以上分析得到不同故障類型下的電壓差特征如表4所示.

表4 不同故障類型下的電壓差特征Table 4 The differential－voltage under different fault types

由以上分析可知，在電壓暫降發(fā)生期間可以利用三相電壓差的特征進(jìn)行故障類型的識(shí)別，同時(shí)確認(rèn)相應(yīng)的暫降相，相電壓的計(jì)算可由DFT算法或其他短窗算法計(jì)算得到，能滿足暫降期間快速實(shí)施按相電壓暫降補(bǔ)償?shù)囊?

圖3 PSCAD仿真建模Fig.3 Simulation model based on PSCAD

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證故障類型判斷的正確性，文中利用PSCAD／EMTDC建立如圖3所示的簡(jiǎn)單模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證.仿真中設(shè)定系統(tǒng)電壓值為0.38kV，頻率為50Hz，在0.5s～1.0s之間發(fā)生故障，故障持續(xù)時(shí)間0.5s.

為了驗(yàn)證文中所研究引起電壓暫降的故障類型檢測(cè)方法的正確性和有效性，進(jìn)行了大量的不同故障情況下的仿真驗(yàn)證.典型的分析結(jié)果如圖4～7所示.

可以看出，A單相接地故障時(shí)，非故障BC相電壓差值的有效值為最大，A相與非故障相電壓差近似相等，按照前節(jié)相關(guān)電壓差特征，可確認(rèn)A相為故障相；BC兩相接地故障和兩相故障時(shí)，故障相BC相電壓差值的有效值為最小，可確認(rèn)BC相為故障相；發(fā)生三相故障時(shí)，三相電壓之間差值的近似相等，可確認(rèn)三相故障.大量仿真結(jié)果表明，利用相電壓差特征能夠有效區(qū)分引發(fā)電壓暫降的故障類型，同時(shí)可靠的識(shí)別對(duì)應(yīng)的故障相，為實(shí)施按相補(bǔ)償提供有力依據(jù).

圖4 A相接地故障Fig.4 Results of A－phase grounded fault

圖5 BC相接地故障Fig.5 Results of BC two－phase grounded fault

圖6 BC相間故障Fig.6 Results of BC phase－to－phase fault

圖7 三相故障Fig.7 Results of three－phase fault

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)電壓暫降后實(shí)施按相補(bǔ)償?shù)囊?，提出一種基于相電壓差的故障類型識(shí)別方案.分析了不同故障情況下相電壓差特征，構(gòu)建了利用電壓暫降期間的相電壓差特征確認(rèn)故障相別的方案.最后，利用PSCAD軟件建模進(jìn)行大量的仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明所提方案能夠有效區(qū)分引發(fā)電壓暫降的故障類型，同時(shí)對(duì)不同情況下的電壓暫降下的故障相別進(jìn)行可靠確認(rèn)，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施按相的精確補(bǔ)償提供依據(jù).

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編輯、校對(duì)：武 暉

A fault type detection scheme for voltage sag based on differential－voltage

WANG Jianbo1，SHAO Wenquan2，ZHANG Yanli1，WANG Long2，JI Yue2
（1.State Grid Electric Power Company，Shaanxi Electric Power Research Institute，Xi′an 710054，China；
2.School of Electronics and Information，Xi′an Polytechnic University，Xi′an 710048，China）

Short circuit fault is a major cause of voltage sag in power system.Quick and accurate judgment of fault types is helpful to implement the voltage sag compensation based the faulted phase.Taking the transformer withΔ／Y－type grounding mode as an example，a method using phase voltage difference is proposed to identify the fault type on which the phase voltage sag compensation is based.The simulation results show that the discussed method is effective and correct.

power system；fault types；phase voltage difference；voltage sag

TM 727

A

1674－649X（2015）05－0617－06

10.13338／j.issn.1674－649x.2015.05.018

2015－05－27

國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院科技資助項(xiàng)目（2014KJ－088）

邵文權(quán)（1978—），男，湖北省十堰市人，西安工程大學(xué)副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)電能質(zhì)量分析、繼電保護(hù)等.E－mail：shaowenquan＠xpu.edu.cn