電壓暫降事件分類(lèi)及短路類(lèi)型識(shí)別研究

張宸宇， 史明明， 范　忠，鄭建勇, 袁曉冬

(1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210000；3. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0　引言

電壓暫降是電力系統(tǒng)不可避免的電能質(zhì)量擾動(dòng)事件，被認(rèn)為是最嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題[1-4]，通常會(huì)給半導(dǎo)體制造、信息、計(jì)算機(jī)或電子通信等行業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并造成極大的社會(huì)影響。2010年徐州曾因電網(wǎng)運(yùn)行方式的調(diào)整造成電壓暫降，引起某卷煙廠生產(chǎn)線變頻器工作異常，生產(chǎn)工藝受到中斷。2011年蘇州某次500 kV電網(wǎng)故障造成的電壓暫降曾引起某化纖企業(yè)拉絲生產(chǎn)線驟停，造成不小的經(jīng)濟(jì)損失。2014年南京某次220 kV線路故障造成的電壓暫降曾引起高鐵南京南站配電開(kāi)關(guān)低壓脫扣，全站照明失電，造成較大的社會(huì)影響。

可以說(shuō)電壓暫降水平是電力部門(mén)“供好電”、用戶(hù)“用好電”的關(guān)鍵，是優(yōu)質(zhì)供電的直接反映，也是保障用戶(hù)安全生產(chǎn)、提高用戶(hù)經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo)。鑒于以上情況，有必要開(kāi)展電壓暫降事件分類(lèi)及短路類(lèi)型識(shí)別研究相關(guān)工作。不同類(lèi)型故障引起的電壓暫降特征不同，通過(guò)江蘇電力已經(jīng)上線的電壓暫降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的暫降波形，識(shí)別出發(fā)生電壓暫降的故障類(lèi)型，則可為電力系統(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。

為了解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)[5]對(duì)基于暫降類(lèi)型判斷的短路故障類(lèi)型識(shí)別進(jìn)行了研究，基于電壓暫降事件錄波數(shù)據(jù)，提出了一種通過(guò)判斷不同電壓暫降類(lèi)型來(lái)進(jìn)行短路故障類(lèi)型識(shí)別的方法。文獻(xiàn)[6—7]考慮到變壓器對(duì)電壓暫降的傳遞作用，研究了中性點(diǎn)不同接地方式下的電壓暫降類(lèi)型及其在變壓器間的傳遞。文獻(xiàn)[8]對(duì)電壓暫降原因進(jìn)行了分析并考慮其源定位。文獻(xiàn)[9]則利用高級(jí)算法對(duì)電壓暫降進(jìn)行分析。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，首先根據(jù)來(lái)源電壓暫降事件進(jìn)行分類(lèi)，主要來(lái)源包括短路故障、大型電機(jī)啟動(dòng)和雷電等，接下來(lái)文章對(duì)短路故障引起電壓暫降進(jìn)行識(shí)別，使電壓暫降系統(tǒng)能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)到的暫降波形識(shí)別出短路故障類(lèi)型。最后通過(guò)江蘇電網(wǎng)電壓暫降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)波形進(jìn)行案例分析，給出短路故障分類(lèi)，驗(yàn)證了文中算法的可行性。

1　電壓暫降事件分類(lèi)及特征

電網(wǎng)電壓暫降的來(lái)源主要有短路故障、大型電機(jī)啟動(dòng)、雷擊等。引起暫降的不同來(lái)源，其電氣特征上也存在區(qū)別，利用電壓暫降波形之間的差異可區(qū)分出電壓暫降源的類(lèi)型。文中所有波形均來(lái)源于江蘇電網(wǎng)電壓暫降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1.1　短路故障引起的電壓暫降

短路故障是引起系統(tǒng)中電壓暫降的主要原因之一[10-17]。輸電線路和配電饋線大多暴露在自然環(huán)境中，因此大風(fēng)、雨雪等天氣因素，動(dòng)物或樹(shù)枝搭接線路、工程運(yùn)輸活動(dòng)等也會(huì)引起線路短路故障。由于系統(tǒng)的保護(hù)裝置不能無(wú)延時(shí)地切除故障，短路電流的系統(tǒng)中傳播必然造成鄰近線路的電壓暫降，因此得到了用戶(hù)的密切關(guān)注。系統(tǒng)中某一點(diǎn)發(fā)生這種電壓暫降時(shí)，其暫降幅值主要取決于短路類(lèi)型、故障點(diǎn)位置、變壓器接線方式和短路阻抗。故障可能是對(duì)稱(chēng)的(三相短路)，也可能是非對(duì)稱(chēng)的(單相接地故障或兩相相間短路或兩相短路接地)。因此，每一相的電壓暫降幅值可能相同(對(duì)稱(chēng)故障)，也可能不同(非對(duì)稱(chēng)故障)。

1.1.1典型三相短路故障

通過(guò)江蘇電力公司電壓暫降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，2017年4月份典型電壓暫降事件如下：某變10 kVⅠ段母線發(fā)生電壓暫降事件，持續(xù)時(shí)間111 ms, 殘余電壓11.090%，如圖1所示。

圖1　典型三相短路故障電壓暫降事件Fig.1　A typical three-phase short circuit fault voltage sags event

1.1.2典型非對(duì)稱(chēng)短路故障

某變10 kVⅠ段母線發(fā)生電壓暫降事件，持續(xù)事件199 ms，殘余電壓28.570%，如圖2所示。

圖2　典型非對(duì)稱(chēng)短路故障電壓暫降事件Fig.2　Typical asymmetrical short circuit fault voltage sags

通過(guò)圖1—2可以看出，短路故障引發(fā)的電壓暫降具有典型的特征：

(1) 電壓暫降的幅值較低，一般低于0.7 p.u.，持續(xù)時(shí)間與保護(hù)動(dòng)作時(shí)間有關(guān)。

(2) 不同的短路故障會(huì)引發(fā)不同的電壓暫降現(xiàn)象。三相短路故障引發(fā)的電壓暫降三相電壓幅值相等；其他類(lèi)型短路引發(fā)的電壓暫降三相幅值不同；發(fā)生不對(duì)稱(chēng)短路時(shí)有可能在引起某相電壓暫降的同時(shí)，另一相出現(xiàn)電壓暫升。

(3) 電壓暫降發(fā)生和恢復(fù)的波形陡；故障期間可能發(fā)生多級(jí)暫降；在暫降開(kāi)始和結(jié)束瞬間，幅值均發(fā)生突變，在暫降過(guò)程中，電壓幅值基本不發(fā)生變化。

(4) 電壓暫降中有可能產(chǎn)生相位跳變。

1.2　感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)引起的電壓暫降

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常工作中得到廣泛應(yīng)用。在電網(wǎng)的總負(fù)荷中，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)用電量約占60%以上，是電網(wǎng)中的重要負(fù)荷，在啟動(dòng)時(shí)會(huì)引起附近區(qū)域的電壓暫降。

忽略其他負(fù)荷電流，當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，定子電流增加(一般是正常工作電流的2～8倍)，則流過(guò)系統(tǒng)阻抗的電流增加，使得系統(tǒng)阻抗的分壓增大，導(dǎo)致PCC點(diǎn)電壓下降，引起電壓暫降。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流大是引起電壓下降的根本原因，但并不是電壓下降深度的決定因素。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)容量和上級(jí)變壓器的剩余容量以及局部電網(wǎng)容量共同決定了電壓暫降程度。如果電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)容量接近上級(jí)變壓器剩余容量，則會(huì)引起較大的電壓暫降，并對(duì)其他用電負(fù)荷造成影響；否則電壓暫降程度輕微。

通過(guò)電壓暫降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，2017年4月份典型電壓暫降事件如下：某變10 kVⅠ段母線發(fā)生電壓暫降事件，持續(xù)時(shí)間499 ms，殘余電壓87.710%，如圖3所示。

圖3　感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)引起暫降事件Fig.3　Induction motor sags caused by induction motor

通過(guò)圖3分析可以看出感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)引起的電壓暫降典型特征為：

(1) 三相電壓同時(shí)發(fā)生暫降，三相暫降幅值相同；

(2) 暫降幅值一般不會(huì)低于0.85 p.u.；

(3) 電壓暫降是逐漸恢復(fù)的，恢復(fù)過(guò)程中沒(méi)有突變；

(4) 暫降過(guò)程中有功功率會(huì)有一定的變化。

1.3　雷擊引起的電壓暫降

輸電線路落雷后，若雷電流超過(guò)線路的耐雷水平，線路絕緣就會(huì)發(fā)生沖擊閃絡(luò)，雷電流沿閃絡(luò)通道入地，由于時(shí)間僅幾十微秒 ，線路開(kāi)關(guān)來(lái)不及動(dòng)作，工頻短路電流繼續(xù)流過(guò)閃絡(luò)通道并建立起穩(wěn)定電弧持續(xù)燃燒，形成接地故障，線路將跳閘。

線路雷擊后會(huì)產(chǎn)生雷電行波在系統(tǒng)中傳播，系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)電壓由于行波傳播與折反射會(huì)上升波動(dòng)。在絕緣子閃絡(luò)造成接地故障后，工頻短路電流必將引起電壓暫降在系統(tǒng)中傳播，節(jié)點(diǎn)電壓在上升波動(dòng)后再下降。

通過(guò)圖4可以得到雷擊引起暫降的典型特征是：雷擊故障后，雷電波在系統(tǒng)中傳播，母線電壓信號(hào)中帶有高頻分量，而普通短路故障的電壓信號(hào)中通常不含有高頻分量，母線電壓不會(huì)上升波動(dòng)，而是直接下降發(fā)生電壓暫降。

圖4　雷擊引起電壓暫降事件Fig.4　Lightning stroke caused by voltage sags

2　短路故障引起電壓暫降識(shí)別

2.1　故障引起的電壓暫降分類(lèi)

大多數(shù)電壓暫降都是由短路故障引起的，各種類(lèi)型的短路故障都能夠引起電壓暫降現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)不同連接方式的變壓器，電壓暫降的幅值和相角會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)負(fù)荷的連接方式也會(huì)影響電壓暫降的傳播。假設(shè)電源電壓標(biāo)幺值為1，正序系統(tǒng)阻抗與負(fù)序系統(tǒng)阻抗相等且忽略故障發(fā)生前后和故障期間的負(fù)荷電流，根據(jù)故障原因?qū)㈦妷簳航捣譃?種類(lèi)型(含經(jīng)過(guò)變壓器由高壓側(cè)向低壓側(cè)傳遞后的類(lèi)型)，如表1所示。通過(guò)表1可以看出三相短路引起A類(lèi)型，其三相電壓降低的幅值相同，相角不發(fā)生變化；中性點(diǎn)接地系統(tǒng)單相接地故障引起的類(lèi)型B，故障相電壓降低，而另兩相電壓不變；由兩相短路引起的暫降根據(jù)負(fù)荷連接方式不同可分為類(lèi)型C和D，分別適用于星形和三角形連接的負(fù)荷；兩相接地故障引起的電壓暫降為類(lèi)型E，經(jīng)不同類(lèi)型變壓器的傳遞后還包括類(lèi)型F和G。

表1　不同故障引起的電壓暫降類(lèi)型Tab.1　Type of voltage sags caused by different faults

所有分析過(guò)程均以A相作為參考相，故障引起的各種電壓暫降類(lèi)型的各相相電壓幅值示例計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　不同類(lèi)型電壓暫降幅值Tab.2　Different types of voltage sags

2.2　故障引起的電壓暫降類(lèi)型識(shí)別

除了通過(guò)波形庫(kù)識(shí)別的方式，還可以通過(guò)下面的方法判斷短路故障類(lèi)型。

2.2.1判斷是否對(duì)稱(chēng)故障識(shí)別A型

A型故障時(shí)三相短路故障，一般來(lái)說(shuō)三相暫降是對(duì)稱(chēng)的，也就是此時(shí)不存在負(fù)序電壓存在。即可以判定U2=0時(shí)未三相短路故障導(dǎo)致的電壓暫降，即A型暫降，對(duì)于其他暫降類(lèi)型U2≠0。

2.2.2B型和E型暫降區(qū)分

通過(guò)判斷表2只有B型和E型暫降含有零序分量，也就是說(shuō)當(dāng)U0≠0時(shí)，暫降為B型或E型。此時(shí)三相電壓的相位均沒(méi)有變化，這種情況一定是接地故障，可以通過(guò)幾相電壓有效值降低來(lái)判斷是單相接地故障還是兩相接地故障。也可以根據(jù)正、負(fù)序運(yùn)算結(jié)果來(lái)判斷是B還是E型故障。當(dāng)|U1+U2| <|U1-U2|時(shí)為單相接地故障，也就是B型故障；反之|U1+U2|> |U1-U2|時(shí)，為兩相接地故障，也就是E型故障。

2.2.3C型、D型、F型和G型暫降區(qū)分

當(dāng)U0=0時(shí)，暫降可為C型、D型、F型或G型，此時(shí)情況比較復(fù)雜?？疾祀妷悍底兓闆r，其中如果一相幅值不變，其他兩相幅值變小，則為類(lèi)型C；如果三相電壓幅值均減小，則為類(lèi)型D或F或G。具體來(lái)說(shuō)如果|U1+U2|> |U1-U2|，則為類(lèi)型G；如果|U1+U2| <|U1-U2|，則為D型或F型，此時(shí)故障并不在本級(jí)，而是由上級(jí)故障傳導(dǎo)。若上級(jí)是B類(lèi)型，則本級(jí)是D類(lèi)型；若上級(jí)是E類(lèi)型，則本級(jí)是F類(lèi)型。

綜上所述，短路故障類(lèi)型識(shí)別流程如圖5所示。類(lèi)型D和類(lèi)型F一般不是本級(jí)短路故障導(dǎo)致的電壓暫降，需要判斷上一電壓等級(jí)暫降類(lèi)型。通過(guò)短路故障類(lèi)型識(shí)別流程圖系統(tǒng)可以判斷出具體是哪個(gè)類(lèi)型短路故障，通過(guò)暫降類(lèi)型識(shí)別可以更好了解判斷導(dǎo)致電壓暫降的短路故障情況是單相接地、兩相短路、兩相接地或是三相接地，具體暫降程度量化計(jì)算將會(huì)在后續(xù)進(jìn)行展開(kāi)研究。

圖5　短路故障類(lèi)型識(shí)別流程Fig.5　Flow chart of type identification for short circuit fault

3　典型短路導(dǎo)致暫降案例分析

3.1　三相短路故障

對(duì)上節(jié)中的短路引起故障分類(lèi)進(jìn)行分析，對(duì)于前面提到的江蘇地區(qū)某變電壓暫降事件。三相短路故障電壓暫降事件如圖6所示。暫降時(shí)刻電壓矢量圖如圖7所示。

圖6　三相短路故障電壓暫降事件Fig.6　Three-phase short circuit fault voltage sags event

圖7　三相短路故障電壓暫降事件矢量圖Fig.7　Vectorgraph of three-phase short circuit fault voltage sags

通過(guò)圖7計(jì)算出，暫降發(fā)生時(shí)正序電壓標(biāo)幺值1.86 p.u.，負(fù)序電壓標(biāo)幺值-0.12 p.u.，零序電壓標(biāo)幺值0.13 p.u.，零序和負(fù)序電流均接近0，通過(guò)矢量圖和表1對(duì)比可以看出該變電壓暫降事件屬于三相短路事件，即A類(lèi)型故障暫降。

3.2　單相接地故障

2017年4月江蘇某變10 kV Ⅱ段母線發(fā)生電壓暫降事件，持續(xù)時(shí)間116 ms，殘余電壓44.770%，波形如圖8所示。暫降時(shí)刻電壓矢量圖如圖9所示。通過(guò)圖9計(jì)算出，暫降發(fā)生時(shí)正序電壓標(biāo)幺值4.20 p.u.，負(fù)序電壓標(biāo)幺值-1.53 p.u.，零序電壓標(biāo)幺值4.77 p.u.，可以看出零序電壓不為0，同時(shí)滿(mǎn)足條件|U1+U2| <| U1-U2|，通過(guò)矢量圖和表1對(duì)比可以看出該變電站電壓暫降事件屬于單相接地短路(B相)事件，即B類(lèi)型故障暫降。

圖8　單相接地故障電壓暫降事件Fig.8　Voltage sags for single-phase grounding fault

圖9　單相接地故障電壓暫降事件相電壓矢量圖Fig.9　Phase voltage vector graph of voltage sags event of single-phase grounding fault

3.3　兩相短路故障

對(duì)于2017年4月江蘇某變電壓暫降事件如圖10所示。暫降時(shí)刻電壓矢量圖如圖11所示。

圖10　兩相短路故障電壓暫降事件Fig.10　Two phase short circuit fault voltage sags event

圖11　兩相短路故障電壓暫降事件矢量圖Fig.11　Vector graph of voltage sags event of two phase short circuit fault

通過(guò)圖11計(jì)算出，暫降發(fā)生時(shí)正序電壓標(biāo)幺值3.45 p.u.，負(fù)序電壓標(biāo)幺值2.44 p.u.，零序電壓標(biāo)幺值0.60 p.u.，可以看出U0=0時(shí)，一相幅值不變，其他兩相幅值變小，通過(guò)矢量圖和表1對(duì)比可以看出該變電站電壓暫降事件屬于兩相短路(AB相)故障，即C類(lèi)型故障暫降。

3.4　兩相接地故障

對(duì)于2017年4月江蘇地區(qū)某變電壓暫降事件如圖12所示，給出暫降時(shí)刻電壓矢量圖如圖13所示。

圖12　兩相接地故障電壓暫降事件Fig.12　Voltage sags of two phase grounding fault

圖13　兩相接地故障電壓暫降事件矢量圖Fig.13　Vector graph of voltage sags event of two phase grounding fault

通過(guò)圖13計(jì)算出，暫降發(fā)生時(shí)正序電壓標(biāo)幺值5.27 p.u.，負(fù)序電壓標(biāo)幺值0.57 p.u.，零序電壓標(biāo)幺值0.36 p.u.，可以看出零序電壓很小，同時(shí)|U1+U2|> | U1-U2|，通過(guò)矢量圖和表1對(duì)比可以看出該變電站電壓暫降事件屬于兩相接地(AB相)故障，即G類(lèi)型故障暫降。

4　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)江蘇電網(wǎng)暫降系統(tǒng)采集的大量案例分析首先對(duì)電壓暫降事件進(jìn)行分類(lèi)。電壓暫降的電壓波形特征是和特定的干擾源相聯(lián)系的，針對(duì)最常見(jiàn)的短路引起的電壓暫降，對(duì)短路故障類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別，這樣可以有效利用電壓暫降系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)到的暫降波形識(shí)別出系統(tǒng)可能存在的短路故障類(lèi)型。最后通過(guò)江蘇電網(wǎng)電壓暫降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)波形進(jìn)行案例分析，歸類(lèi)到4種典型短路故障分類(lèi)，驗(yàn)證了算法的可行性。通過(guò)本文研究可以通過(guò)電壓暫降波形了解到電網(wǎng)故障情況，為電網(wǎng)暫降工作的治理和電能質(zhì)量提升提供了輔助作用。在未來(lái)的工作中將進(jìn)一步通過(guò)編程利用高級(jí)算法對(duì)電壓暫降波形進(jìn)行識(shí)別，可為短路、大型負(fù)荷啟動(dòng)等暫降干擾源降做出辨識(shí)。

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