電網(wǎng)故障特性分析與故障錄波器應(yīng)用研究

張飛飛，劉清泉，宋 健,王旭東

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 050021；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

電網(wǎng)故障特性分析與故障錄波器應(yīng)用研究

張飛飛1，劉清泉2，宋 健1,王旭東2

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 050021；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

針對(duì)電網(wǎng)在故障時(shí)刻電流、電壓急劇變化，給電網(wǎng)運(yùn)行人員快速、準(zhǔn)確判斷故障帶來(lái)的困難，借助對(duì)稱分量法，對(duì)220 kV及以上電網(wǎng)典型故障時(shí)電流、電壓特性原理進(jìn)行分析，以電網(wǎng)典型故障特性分析為基礎(chǔ)，分析各類故障錄波圖，判斷故障類型，為電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行人員快速判斷故障類型、分析保護(hù)動(dòng)作情況以及做出準(zhǔn)確處置措施提供參考依據(jù)。

故障錄波器；對(duì)稱分量法；電網(wǎng)故障；波形圖

1 概述

隨著電網(wǎng)規(guī)模的增大，電網(wǎng)安全運(yùn)行對(duì)社會(huì)重要性與日俱增。但由于自然災(zāi)害、設(shè)備老化等原因，電網(wǎng)故障在所難免，并對(duì)經(jīng)濟(jì)、居民生活帶來(lái)?yè)p失。因此，有必要對(duì)故障發(fā)生前、發(fā)生中、發(fā)生后電網(wǎng)特點(diǎn)、保護(hù)動(dòng)作情況等進(jìn)行研究，對(duì)有效避免故障、快速消除故障有著重大意義，而故障錄波器是實(shí)現(xiàn)這一研究的有力工具。

故障錄波器一般能夠準(zhǔn)確記錄故障前幾百ms和故障后幾千ms內(nèi)電壓、電流、功率變化及繼電保護(hù)等情況，可依此正確分析事故原因、評(píng)價(jià)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置是否正確動(dòng)作、快速定位故障點(diǎn)位置、提供轉(zhuǎn)換性故障和非全相再故障資料等。

故障錄波器只是一種使用工具，要想深入了解故障特點(diǎn)，必須對(duì)故障發(fā)生時(shí)電流、電壓等電氣量變化規(guī)律以及波形特點(diǎn)進(jìn)行研究分析，才能應(yīng)對(duì)各類故障。首先，借助對(duì)稱分量法，對(duì)220 kV及以上電網(wǎng)典型故障時(shí)電流、電壓特性原理進(jìn)行分析、總結(jié)；其次，以電網(wǎng)典型故障特性分析為基礎(chǔ)，對(duì)各類故障錄波圖進(jìn)行分析，并判斷故障類型。為電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行人員快速判斷故障類型、分析保護(hù)動(dòng)作情況以及做出準(zhǔn)確處置措施提供參考依據(jù)。

2 電網(wǎng)典型故障特性分析

2.1 對(duì)稱分量法

電網(wǎng)中故障大多數(shù)是不對(duì)稱故障(單相、兩相接地等)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生該類故障時(shí)，故障點(diǎn)電流、電壓不再對(duì)稱，需引入對(duì)稱分量法進(jìn)行短路計(jì)算。

對(duì)稱分量法[1]是分析對(duì)稱系統(tǒng)不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)的一種基本方法。任何不對(duì)稱的三相相量Fa，F(xiàn)b，F(xiàn)c可以分解為3組相序不同的對(duì)稱分量：正序分量Fa(1)，F(xiàn)b(1)，F(xiàn)c(1)；負(fù)序分量Fa(2)，F(xiàn)b(2)，F(xiàn)c(2)；零序分量Fa(0)，F(xiàn)b(0)，F(xiàn)c(0)。即存在如下關(guān)系：

(1)

在計(jì)算電力系統(tǒng)不平衡情況下引用了對(duì)稱分量法，即任何三相不平衡的電流、電壓或阻抗都可以分解成為3個(gè)平衡的相量成分即正相序(UU1、UV1、UW1)、負(fù)相序(UU2、UV2、UW2)和零相序(UU0、UV0、UW0)，即有：

(2)

其正相序的相序(順時(shí)針?lè)较?依次為UU1、UV1、UW1，大小相等，互隔120°；負(fù)相序的相序(逆時(shí)針?lè)较?依次為UU2、UV2、UW2，大小相等，互隔120°；零相序大小相等且同相。在對(duì)稱分量法中引用算子a，其定義是單位相量依逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)120°，則有：

(3)

注意以上都是以U相為基準(zhǔn)，都是矢量計(jì)算。

2.2 單相接地短路

2.2.1 故障時(shí)各相電流分析

中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，僅故障相流過(guò)故障電流，非故障相不與故障點(diǎn)形成通路，因此非故障相短路電流為零。故障接地點(diǎn)電壓為零。因此，單相接地短路的接地邊界條件(以U相為例)為：

(4)

由式(1)～(3)可得出式(5)：

(5)

由復(fù)合序網(wǎng)圖[1]及式(1)、(5)，可解得故障處U相得短路電流為：

其中：Uf∣0∣為故障點(diǎn)正常時(shí)電壓，Z∑(1)、Z∑(2)、Z∑(0)分別為正序、負(fù)序、零序網(wǎng)等值阻抗。

2.2.2 故障時(shí)各相電壓分析

由復(fù)合序網(wǎng)圖及式(1)、(5)，可將故障處三相電壓轉(zhuǎn)換為：

(6)

如果忽略電阻，解方程組(2-6)可得：

(7)

同理可得：

(8)

2.3 兩相短路

假定V、W相兩相短路，則故障點(diǎn)三相對(duì)地電壓及流出該點(diǎn)的相電流(短路電流)具有下列邊界條件：

(9)

根據(jù)式(3)進(jìn)行轉(zhuǎn)換如下：

(10)

即為：

(11)

說(shuō)明兩相短路故障點(diǎn)沒(méi)有零序電流。

由復(fù)合序網(wǎng)圖及式(1)、(10)聯(lián)立可得：

(12)

由此可見，當(dāng)正序阻抗等于負(fù)序阻抗時(shí)，非故障相電壓等于故障前電壓，故障相電壓幅值降低一半。

2.4 兩相短路接地

假定U、W相兩相短路接地，其邊界條件為：

(13)

轉(zhuǎn)成對(duì)稱分量，可解得

若忽略系統(tǒng)電阻，短路處非故障相電壓為：

(14)

即對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，非故障相電壓升高最多，為正常電壓的1.5倍，但仍小于單相接地時(shí)電壓的升高。

式(4)-式(14)中：Ufu、Ufv、Ufw分別指U、V、W相故障時(shí)刻電壓；Ifu、Ifv、Ifw分別指U、V、W相故障時(shí)刻電流。Uf(1)、Uf(2)、Uf(3)分別指對(duì)應(yīng)相電壓的正、負(fù)、零序電壓；If(1)、If(2)、If(3)分別指對(duì)應(yīng)相電流的正、負(fù)、零序電流。

3 典型故障錄波圖分析與應(yīng)用

以河北南部電網(wǎng)220 kV及以上電壓等級(jí)線路為例，對(duì)各類故障情況下故障點(diǎn)電流、電壓、開關(guān)變位、保護(hù)動(dòng)作情況以及故障錄波圖等進(jìn)行分析。為便于分析，先對(duì)220 kV及以上電壓等級(jí)線路保護(hù)設(shè)置情況進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：

a. 每條線路設(shè)置兩套主保護(hù)。

b. 重合閘方式為單相重合閘，動(dòng)作時(shí)間為0.8 s(若為一個(gè)半開關(guān)接線方式，邊開關(guān)重合時(shí)間為0.8 s，中開關(guān)重合時(shí)間為1.2 s，若邊開關(guān)重合失敗，中開關(guān)不重合)。

c. 重合閘充電時(shí)間為10～15 s，充電未完成期間不能再次重合。

3.1 單相瞬時(shí)性故障

根據(jù)1.2節(jié)分析，單相接地故障點(diǎn)故障相的短路電流較大，非故障相電流保持不變，故障相電壓理論上為零(實(shí)際上有殘壓，不為零)。

如圖1為某220 kV線路故障時(shí)的故障錄波圖。由圖中可看出，故障時(shí)刻線路V相故障電流很大，U、W相故障電流為零，故障期間V相電壓降低(由于有殘壓，故不為零)，因此可判斷故障為V相接地短路。

故障0.8 s后重合閘動(dòng)作，V相開關(guān)由分變合，且無(wú)故障電流，可判斷重合成功。由此可判斷該次故障為單相瞬時(shí)性接地故障。

圖1中的UU、UV、UW、3U0、IU、IV、IW、3I0分別指U、V、W相電壓，3倍零序電壓，U、V、W相電流以及三相零序電流，圖2-圖5中字符含義與此相同，不再贅述。

圖1 單相瞬時(shí)性接地故障錄波

3.2 單相永久性故障

單相永久性故障與單相瞬時(shí)性故障電流電壓特性相同，區(qū)別在于故障相開關(guān)重合后仍然有故障電流存在，且重合不成功，開關(guān)三相跳開，如圖2所示。

圖2 單相永久性接地故障錄波

3.3 相間不接地故障

根據(jù)1.2節(jié)分析，相間不接地故障的電流電壓特性為：兩故障相故障電流較大，非故障相故障電流為零；非故障相電壓等于故障前電壓，故障相電壓幅值降低一半；零序電流為零。

如圖3為某220 kV線路故障時(shí)的故障錄波圖。由圖中可看出，故障時(shí)刻U、W相電流大小相等，相位相反，非故障相V相無(wú)故障電流；故障時(shí)刻U、W相電壓較正常電壓降低約一半，另外由故障錄波圖中可看出故障時(shí)刻零序電流為零，由此可判斷該次故障屬于相間不接地短路。

圖3 相間不接地故障錄波

3.4 相間接地故障

根據(jù)1.2節(jié)分析，相間接地故障故障相電流較大，非故障相短路電流為零，且存在零序電流。

圖4為某220 kV線路故障時(shí)刻的故障錄波圖。由圖中可以看出，故障時(shí)刻U、V相電流較大，W相無(wú)故障電流，且U、V相電壓降低，有零序電流，可判斷該次故障為U、V相間接地故障。

圖4 相間接地故障錄波

3.5 同一設(shè)備連續(xù)故障

圖5為某線路連續(xù)故障時(shí)故障錄波圖。在0 s發(fā)生W相接地故障，保護(hù)動(dòng)作，跳開W相開關(guān)，0.8 s后，重合閘動(dòng)作，重合成功，0.85 s后線路再次發(fā)生W相接地故障，由于重合閘未重滿電，線路不重合，三跳。

需要注意永久性故障與重合成功后再次故障之間的區(qū)別。如圖2，單相永久性故障重合不成功后立即三跳；如圖5，單相故障重合成功后，又隔了0.85 s再次故障，由于重合閘充電未成功，直接三跳。

圖5 同一設(shè)備連續(xù)故障錄波1

4 結(jié)束語(yǔ)

以對(duì)稱分量法為基礎(chǔ)，對(duì)單相接地短路、兩相短路以及兩相接地短路時(shí)的電流、電壓進(jìn)行計(jì)算，對(duì)發(fā)生各類故障時(shí)電流、電壓特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，并結(jié)合分析以及故障錄波圖對(duì)各類故障進(jìn)行分析，為有關(guān)專業(yè)人員正確使用故障錄波器提供技術(shù)參考，有助于調(diào)度運(yùn)行人員快速判斷故障類型、分析保護(hù)動(dòng)作情況以及做出準(zhǔn)確處置措施。參考文獻(xiàn):

[1] 朱聲石．高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)原理與技術(shù)(第三版)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004：15-27.

[2] 張保會(huì)，尹項(xiàng)根．電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2005：15-158.

[3] 王 穎，王增平，潘明九．一種基于故障錄波信息的調(diào)度端電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2003，31(12)：37-40.

[4] 杜新偉，李 媛，劉滌塵.電力故障錄波數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(12)：75-78.

[5] 姚金雄.電力輸電線路故障錄波裝置研究[J] .電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31(10)：92-96.

[6] 駱 健，丁網(wǎng)林，唐 濤. 國(guó)內(nèi)外故障錄波器的比較[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2001，21(7)：27-31.

[7] 孫淑東.電力系統(tǒng)故障錄波器裝置使用中的幾個(gè)問(wèn)題[J]. 繼電器，2000，28(8)：59-61.

[8] 胡林獻(xiàn)，杜萬(wàn)森，李劍新. 基于 DSP+MCU 技術(shù)的新型故障錄波器[J].繼電器，2005，34(9)：54-57.

[9] 桂 勛，郭 凱，譚永東，等.基于網(wǎng)絡(luò)的全圖形化故障錄波分析軟件系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2004，32(24)：44-48．[10] 邵玉槐，許三宜，何海祥，等. 電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析[J] .電氣技術(shù)，2009，25(6)：56-59.

本文責(zé)任編輯：靳書海

Analysis about Gird Fault Feature and Application of Fault Wave Record

Zhang Feifei1,Liu Qingquan2,Song Jian1，Wang Xudong2

(1.State Grid Hebei Electric Power Corporation,Shijiazhuang 050021,China; 2.State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

The current and voltage of the power grid changes rapidly when failure occurrences,and different types of power grid data characteristics are different,which make it difficult for the power grid operators to judge the fault quickly and accurately. In this paper, with the help of a symmetrical component method, the typical 220 kV and above power grid fault current and voltage characteristic principle is analyzed, and based on the typical fault feature analysis grid, analyze all kinds of fault wave record chart,judge the fault types,for power grid dispatching operation personnel to quickly determine fault types, analysis of situation and make an accurate measure of protection operation to provide the reference basis.

fault recorder；symmetrical component method；grid fault；wave form figure

TM76

：B

：1001-9898(2017)04-0039-04

2017-01-09

張飛飛(1986-)，男，工程師，主要從事電網(wǎng)運(yùn)行與控制工作。