電力系統(tǒng)故障錄波器的應(yīng)用研究

中鐵電氣化鐵路運(yùn)營管理有限公司 蘇 萬

1 引言

電力系統(tǒng)錄波器作為一類常見的供電系統(tǒng)應(yīng)用裝置，可對供電系統(tǒng)內(nèi)常見故障實(shí)施信息保存，包括記錄工作電壓電流方面的異常（如短路崩潰，頻率崩潰等），并針對電路中的導(dǎo)通與輸出全過程變化實(shí)施監(jiān)控，包括檢測系統(tǒng)軟件工作頻率和有功、無功功率。該系統(tǒng)能夠針對自動(dòng)繼電保護(hù)裝置與安全裝置的特性和行為完成監(jiān)控步驟，并對暫態(tài)穩(wěn)定全環(huán)節(jié)之中的電氣參數(shù)變化情況實(shí)施分析，檢查供電系統(tǒng)測量程序流程和物理模型主要參數(shù)的準(zhǔn)確性。多年來，故障記錄儀已成為分析系統(tǒng)異常的重要依據(jù)[1]。

近年來，煤炭工業(yè)在生產(chǎn)和制造中的日常生活中變得越來越重要，礦山災(zāi)害和煤炭行業(yè)的安全隱患引起了大家的高度關(guān)注。煤炭行業(yè)用電安全越來越受到重視，煤炭行業(yè)常用的故障錄波儀是煤炭行業(yè)電網(wǎng)科學(xué)研究的基礎(chǔ)，也是審查繼電保護(hù)裝置的姿態(tài)和個(gè)人行為、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)以及設(shè)備的故障特征和原因的重要依據(jù)。高質(zhì)量的常見故障錄波設(shè)備對于保證電力工程系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行，以及提高電能質(zhì)量分析具有至關(guān)重要的作用。由于其作用日益強(qiáng)大，DSP已廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)，如通用數(shù)字圖像處理、通信、圖形/圖像信號(hào)分析、操控、國防等諸多方面。近年來，在供電系統(tǒng)中的應(yīng)用也慢慢展開，已經(jīng)被添加到供電系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域。如維修、操作、自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備等。因此，在應(yīng)用和故障記錄儀中可以獲得其特性。

2 煤礦供電的特點(diǎn)

2.1 雙回路供電

由于煤炭行業(yè)用電安全防范措施，煤礦配電采用雙回路供電或多控制回路供電。當(dāng)一種方式出現(xiàn)問題時(shí)，另一種方式應(yīng)該能夠承擔(dān)煤礦的所有負(fù)荷，這是煤炭行業(yè)的供給和分配，也是電氣系統(tǒng)最重要的特性之一。

2.2 中性點(diǎn)接地方式

由于礦井配電自然環(huán)境的特殊要求，《煤炭安全規(guī)程》要求嚴(yán)禁將地面上的電動(dòng)機(jī)或變壓器的中性線立即接地到礦井。礦用配電變壓器的中性線不得立即接地。因此，現(xiàn)階段我國煤礦行業(yè)部分6kV電網(wǎng)采用中性線不接地裝置方式，屬于小電流接地保護(hù)。但這種方式下，電網(wǎng)短路故障電流較大，不利于安全，主要表現(xiàn)在兩個(gè)層面：一方面，接地裝置過大的孤立電流由于動(dòng)能大，不易自熄，會(huì)燒毀電纜絕緣層，造成雙色短路。另一方面，電氣隔離接地裝置過電壓的概率增加，可能導(dǎo)致電纜的薄弱點(diǎn)或電氣設(shè)備的絕緣層被擊穿。因此，目前煤礦都經(jīng)歷了通過消弧線圈接地裝置或消弧線圈并聯(lián)（串）電阻接地裝置進(jìn)行中性線的操作方法。發(fā)生短路故障時(shí)，消弧線圈可以減少對地的電容電流。通過上文描述可以得到結(jié)論：我國煤礦配電系統(tǒng)中的中性點(diǎn)接地方式，通常采用消弧線圈或中性不接地裝置實(shí)施小電流接地處理。

2.3 電容電流較大

從作業(yè)礦井外到作業(yè)礦井內(nèi)的電力工程傳輸都是基于電纜線路，所以礦山的電纜較多。電網(wǎng)的接地電阻較低，但其值仍遠(yuǎn)大于接地電容和雙色電容的容抗。因此，在進(jìn)行接地裝置常見故障分析時(shí)，可以忽略接地電阻。此時(shí)，電網(wǎng)的容性電流比較大，當(dāng)電網(wǎng)接地裝置發(fā)生常見故障時(shí)，容性電流較大。消弧線圈通過消弧線圈的補(bǔ)償功能接地保護(hù)，使容性電流降低或發(fā)生合理的電流流動(dòng)[2]。

3 故障錄波器在煤礦供電系統(tǒng)中的作用

3.1 事故追憶及事故原因分析

全面準(zhǔn)確的判據(jù)是故障記錄儀質(zhì)量的標(biāo)志。正常運(yùn)行狀態(tài)與常見故障之間的數(shù)據(jù)信號(hào)區(qū)別是供電系統(tǒng)故障錄波器功能發(fā)揮的基礎(chǔ)，各行各業(yè)故障錄波器均如此，煤炭行業(yè)也不例外。煤礦供配電系統(tǒng)一旦出現(xiàn)安全事故，電網(wǎng)故障出現(xiàn)的剎那，其運(yùn)行電流（壓）、頻率、零序電流（壓）和每一只開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)均會(huì)被故障錄波器逐一記錄下來。歷史故障形成過程中及形成后數(shù)秒內(nèi)電網(wǎng)所有模擬量、各種開關(guān)量均可以基于本次記錄的各類參數(shù)值而延續(xù)，就此奠定事故原因分析、事故防范和電網(wǎng)完善基礎(chǔ)，將同種或類似事故重新出現(xiàn)的可能性避免。

3.2 故障點(diǎn)定位、接地選線、諧波分析

電網(wǎng)復(fù)雜程度高，這主要是因?yàn)槠湟?guī)模較大所造成的。故障形成瞬間，常見故障點(diǎn)必須能在最短時(shí)間內(nèi)迅速定位，否則將會(huì)增加故障檢測及恢復(fù)難度，之所以如此，主要是由于逐級(jí)檢查電源電路任務(wù)繁重，過程極為繁雜，需要長時(shí)間進(jìn)行檢查判斷，就此持續(xù)增加排除故障、恢復(fù)運(yùn)行及電網(wǎng)維護(hù)難度。故障點(diǎn)定位功能能將故障大體部位在盡可能短的時(shí)間內(nèi)確定，人力成本與時(shí)間成本節(jié)約效果顯著，對于供電系統(tǒng)的保護(hù)具有非常關(guān)鍵的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，由于小電流接地保護(hù)中的短路故障等常見故障，系統(tǒng)軟件可重新運(yùn)行1～2h。若能及時(shí)發(fā)現(xiàn)接地裝置的常見故障相故障檢測，供電系統(tǒng)可繼續(xù)運(yùn)行。

3.3 繼電保護(hù)動(dòng)作的評價(jià)

繼電保護(hù)設(shè)備在供電系統(tǒng)安全事故出現(xiàn)前提下有可能同時(shí)故障，也有可能拒動(dòng)。分析其數(shù)據(jù)信號(hào)可以發(fā)現(xiàn)，工作人員并不能準(zhǔn)確評價(jià)或判斷繼電保護(hù)設(shè)備、自動(dòng)裝置工作狀態(tài)。從普通故障錄波儀器方面來看，普通故障錄波數(shù)據(jù)即能讓工作人員對繼電保護(hù)設(shè)備的準(zhǔn)確性展開檢查，或者作出正確的評價(jià)。尤其是在出現(xiàn)常見故障時(shí)，必須利用記錄的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑u估。

4 故障錄波器的錄波過程

供電系統(tǒng)常見故障的動(dòng)態(tài)記錄可分為三類：

一是快速常見故障記錄用于記錄由于短路故障問題或系統(tǒng)軟件實(shí)際運(yùn)行，引起的線路上產(chǎn)生的電流和工作電壓的瞬態(tài)過程。二是常見故障動(dòng)態(tài)全過程記錄系統(tǒng)軟件電流量、工作電壓和大振蕩引起的導(dǎo)出量，用于檢測繼電保護(hù)裝置和自裝設(shè)備的姿態(tài)和個(gè)人行為。目前，運(yùn)行在系統(tǒng)軟件中的各種故障記錄儀大都屬于這一類。三是長期動(dòng)態(tài)記錄用于記錄流行趨勢、主相電壓和工作頻率。故障錄波器的記錄方式一般選擇分段記錄的方式，可以記錄長期的沖擊和長期的振蕩，滿足供電系統(tǒng)長期動(dòng)態(tài)的需要。參考DL/T553-94標(biāo)準(zhǔn)，記錄方式一般按照圖1執(zhí)行。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)分段記錄方式（系統(tǒng)大擾動(dòng)開始的絕對時(shí)刻=0）

A時(shí)段：系統(tǒng)大擾動(dòng)開始前的狀態(tài)數(shù)據(jù)，輸出原始波形及有效值，記錄時(shí)間不少于0.04s。B時(shí)段：系統(tǒng)大擾動(dòng)初期的狀態(tài)數(shù)據(jù)，可直接輸出原始記錄波形及有效值，可觀察到5次諧波，同時(shí)也可輸出每一周波的工頻有效值及直流分量值，記錄時(shí)間不少于0.1s。C時(shí)段：系統(tǒng)大擾動(dòng)中期狀態(tài)數(shù)據(jù)，輸出連續(xù)的工頻有效值，記錄時(shí)間不少于1.1s。D時(shí)段：系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程數(shù)據(jù)，每0.1s輸出一個(gè)工頻有效值，記錄時(shí)間不少于20s。E時(shí)段：系統(tǒng)長時(shí)間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，每1s輸出一個(gè)工頻有效值，記錄時(shí)間不少于10min。進(jìn)入D，E時(shí)段后，恢復(fù)故障判別模塊的執(zhí)行，若有相繼故障則又轉(zhuǎn)入ABCDE段錄波。

本設(shè)備常見故障記錄全過程針對快速常見故障采樣頻率不足的情況制定，以圖2中記錄ABC時(shí)間段為基礎(chǔ)。不僅可以記錄常見故障從開始到電源跳閘重合閘的全過程，而且采樣率變化頻率很小，所以解決方法很簡單。由于原故障錄波器單片機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)行簡單、內(nèi)存小，所以采用了一些重點(diǎn)。目前，制定的高密度B段（采樣率25.6kH）可以達(dá)到要求的BCD段。

圖2 裝置采用的分段記錄方式

5 故障分析和啟動(dòng)判據(jù)的設(shè)計(jì)

5.1 單相接地故障

在煤礦電網(wǎng)中，金屬接地裝置僅占5%，而電源常見故障則高達(dá)95%。其中單相供電和接地裝置常見故障占所有電氣設(shè)備接地裝置常見故障的80%以上[3]。

短路故障是煤礦電網(wǎng)運(yùn)行頻率最高的常見故障，因此被認(rèn)為是煤礦行業(yè)供配電系統(tǒng)中的關(guān)鍵常見故障，設(shè)計(jì)方案提供了良好的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。短路故障常見故障主要分為穩(wěn)定接地裝置常見故障和電氣隔離接地裝置常見故障，兩者的特點(diǎn)是不同的。如果在設(shè)計(jì)方案的判斷中不考慮，很可能會(huì)導(dǎo)致漏選或錯(cuò)誤的選擇。在判斷標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案的情況下，充分考慮了兩種常見的故障特征，采用設(shè)計(jì)方案為錄波操作提供更有效的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)發(fā)生穩(wěn)定的普通故障時(shí)，中性線由消弧線圈接地裝置的小電流量保護(hù)。穩(wěn)定接地裝置的常見故障判斷標(biāo)準(zhǔn)較小，電流量的大小與方位角的大小和失諧程度相當(dāng)，相關(guān)性大，其常見的失效評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不易設(shè)定和完善。對于通過消弧線圈和（串）電阻接地保護(hù)的中性線，零序電流有功功率是一個(gè)很好的判據(jù)。但目前中性線是通過消弧線圈接地的，關(guān)鍵是用消弧線圈并聯(lián)（串聯(lián)）電阻繼承接地裝置的方法，消弧線圈本身的有功功率比較大（短路故障的有功功率可達(dá)2～3A），所以選擇零序電流有功功率權(quán)重為判據(jù)。其他基本原理，如更大的零序電流、零序輸出功率方位角基本原理、前半波基本原理、諧波方位角基本原理等，均受到相應(yīng)煤炭行業(yè)的一定限制或限制。

不管中性線的接地方案如何，只要有電氣隔離接地設(shè)備，公共故障通路的零序電流、高頻衰減系數(shù)就會(huì)處于相對較高狀態(tài)，直流零序電流可能僅有其幾分之一。從接地設(shè)備角度來看，高頻電流參數(shù)極具決定性，判據(jù)可以選擇高頻衰減系數(shù)零序電流?；诋惓９收下窂降母哳l電流總和與常見故障路徑高頻電流相等特征，基于暫態(tài)過程的電流互積理論（評價(jià)時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)等）就此形成。已設(shè)置完近年來發(fā)生的頻率分析。

在本文中不再使用，因?yàn)槠浼夹g(shù)完善度并不高，所以其實(shí)用性低[4]。

無論中性線采用不接地裝置還是消弧線圈接地裝置，當(dāng)出現(xiàn)穩(wěn)定接地裝置或電隔離接地裝置時(shí)，零序電壓都會(huì)發(fā)生變化，幅值會(huì)大幅增加。

5.2 兩相短路及兩相短路接地故障

電源電路如果出現(xiàn)的是兩相短路故障，那么正、負(fù)序分量將會(huì)在系統(tǒng)軟件內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)，但只有0零序分量。兩個(gè)常見故障相電壓方向相反，但大小無差異，兩相短路故障有可能就是這種情況造成的。兩相短路故障一旦出現(xiàn)，判據(jù)會(huì)更加依賴于故障點(diǎn)位置，如果供電系統(tǒng)末端出現(xiàn)故障，那么系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)達(dá)大的短路電流，漏判即有可能發(fā)生。兩相短路故障時(shí)，判斷標(biāo)準(zhǔn)同樣會(huì)明顯受到共同故障點(diǎn)的負(fù)面影響，供配電系統(tǒng)末端出現(xiàn)故障時(shí)，錯(cuò)誤可能性會(huì)增加，這是因?yàn)橄到y(tǒng)軟件缺少足夠的短路容量。如果故障形成了供配電系統(tǒng)頭部，則會(huì)相對較高的短路容量，所以此時(shí)的區(qū)分比較簡單。但無論是尾端還是頭部故障，負(fù)序電流都會(huì)出現(xiàn)。所以，兩相短路故障的基本特征表現(xiàn)在相電壓升高、負(fù)序電流形成，兩個(gè)故障相、大流量偏差特征同樣具有利用價(jià)值。此處判據(jù)選擇的是相電壓升高和協(xié)同效應(yīng)（相電壓差）[5]。

5.3 三相短路故障

三相短路故障屬于煤礦常見故障，常見故障后三相電流仍對稱，系統(tǒng)軟件中只存儲(chǔ)了正序電流，幅值比較大。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，是因?yàn)樵谙到y(tǒng)軟件中總特性阻抗大大降低，所以短路容量很可能很大。強(qiáng)大的短路能力引起的熱和電驅(qū)動(dòng)力效應(yīng)會(huì)造成明顯的不良影響，因此必須立即去除。由于三相短路故障的特征非常明顯，如果同時(shí)強(qiáng)烈放大三相電流，則問題的特征更適合獲取和區(qū)分。

綜上，故障記錄儀是煤炭行業(yè)電網(wǎng)分析的基礎(chǔ)，具有高質(zhì)量特性的常見故障記錄儀對于保證安全運(yùn)行和提高電能質(zhì)量分析具有至關(guān)重要的作用。本文將DSP技術(shù)應(yīng)用到故障錄波器的制定中，針對我國目前的不足來改善元器件的特性，闡述了電力系統(tǒng)故障錄波器的應(yīng)用。