電壓差特征引起電壓暫降的故障類型識別

王建波，邵文權，張艷麗，王 龍，吉 玥

（1.國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西西安 710054；2.西安工程大學電子信息學院，陜西西安 710048）

電壓差特征引起電壓暫降的故障類型識別

王建波1，邵文權2，張艷麗1，王 龍2，吉 玥2

（1.國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西西安 710054；2.西安工程大學電子信息學院，陜西西安 710048）

短路故障是引起電壓暫降的主要原因之一，快速準確地判斷故障類型有利于實施有效的按相電壓暫降補償措施.以Δ／Y接線變壓器方式的中性點直接接地系統為例，提出一種利用相電壓差特征引起電壓暫降故障類型識別方案.利用相電壓差特征對導致電壓暫降的故障類型進行區分并確認故障相，為實施按相電壓暫降補償提供依據.仿真分析結果證明了該方案的正確性和有效性.

電力系統；故障類型；相電壓差；電壓暫降

0 引 言

電壓暫降是電力系統中最嚴重的電能質量問題之一［1］.短路故障是導致電壓暫降的主要因素，為有針對性地實施按相電壓暫降補償，準確判斷故障類型及電壓暫降相別是必不可少的關鍵環節.

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］、數學形態學［6］、廣義逆算法［7］、S變換［8］.對故障類型與電壓暫降之間的關系研究較少，文獻［9－10］研究了不同接地方式電壓暫降變壓器的傳遞規律，采用對稱分量法結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；文獻［11］提出在不同故障情況下，根據三相電壓有效值大小，對引起電壓暫降的故障進行分類；文獻［12］提出了一種基于雙dq變換短路故障分類方法，構造了有效值和相位特征量，建立短路故障類型與構造特征量之間的對應關系.利用電能質量監測裝置捕捉到的電壓暫降，快速確定發生短路的故障類型，能夠為電力系統的運行管理、事故調查和故障定位等提供有益的參考.

為了實現引起電壓暫降的故障類型快速準確判別，文中以變壓器Δ／Y接線方式的中性點直接接地系統為例，在討論不同故障類型的電壓差特征的基礎上，明確了不同故障類型電壓差特征與故障的相對應關系，提出了一種采用相電壓差特征進行引發電壓暫降的故障類型識別方案，最后仿真驗證了該方案的有效性和適用性.

1 變壓器Δ／Y接線方式的中性點直接接地系統

基于變壓器采用Δ／Y型中性點直接接地系統，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）發生兩相故障，故障相電壓減小，相位發生變化，非故障相電壓及相位不變；（4）三相故障時，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 中性點直接接地系統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應關系.因此，根據電壓暫降的幅值可以進一步判斷引起該暫降的故障類型，為實施按相進行電壓暫降補償提供依據.

2 故障類型判別

以圖1所示的中性點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，并對其他故障類型的電壓差特征進行簡要分析.設故障前電源E＝1，其中ZS為系統等效到本電壓等級的阻抗，ZL為短路點到公共連接點（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發生相角跳變.

一般情況下，對于單相經阻抗接地，過渡電阻為Rg，其對應的復合序網如圖2所示，正序、負序和零序電壓表達式如式1所示，A相、B相、C相的電壓表達式如式2所示.

圖2 單相經阻抗接地時的復合序網圖Fig.2 Sequence network under single－phase－to－ground fault condition

對于中性點直接接地系統，存在ZS1＝ZS2和ZS0／ZS1＝1的關系，則單相接地時三相電壓如式3所示.當ZS0／ZS1接近于1時，非故障相電壓不變，故障相電壓降低，最嚴重時近母線單相接地，電壓幅值為零.

對應式3的電壓差表達式如式4所示.

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

表3 不同故障類型對應的電壓差Table 3 Different type of voltage sag corresponding line voltage

由以上分析可知，對于變壓器Δ／Y接線方式下的中性點直接接地系統，不同故障類型下的電壓差有以下特征：（1）對于單相接地故障，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）對于三相故障，故障相之間的電壓差相互相等，存在｜AB｜＝｜˙UAC｜＝｜˙UBC｜.據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，在電壓暫降發生期間可以利用三相電壓差的特征進行故障類型的識別，同時確認相應的暫降相，相電壓的計算可由DFT算法或其他短窗算法計算得到，能滿足暫降期間快速實施按相電壓暫降補償的要求.

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

3 仿真驗證

為了驗證故障類型判斷的正確性，文中利用PSCAD／EMTDC建立如圖3所示的簡單模型進行仿真驗證.仿真中設定系統電壓值為0.38kV，頻率為50Hz，在0.5s～1.0s之間發生故障，故障持續時間0.5s.

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

可以看出，A單相接地故障時，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，按照前節相關電壓差特征，可確認A相為故障相；BC兩相接地故障和兩相故障時，故障相BC相電壓差值的有效值為最小，可確認BC相為故障相；發生三相故障時，三相電壓之間差值的近似相等，可確認三相故障.大量仿真結果表明，利用相電壓差特征能夠有效區分引發電壓暫降的故障類型，同時可靠的識別對應的故障相，為實施按相補償提供有力依據.

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 結束語

針對電壓暫降后實施按相補償的要求，提出一種基于相電壓差的故障類型識別方案.分析了不同故障情況下相電壓差特征，構建了利用電壓暫降期間的相電壓差特征確認故障相別的方案.最后，利用PSCAD軟件建模進行大量的仿真實驗，結果表明所提方案能夠有效區分引發電壓暫降的故障類型，同時對不同情況下的電壓暫降下的故障相別進行可靠確認，為現場實施按相的精確補償提供依據.

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編輯、校對：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

國網陜西省電力公司電力科學研究院科技資助項目（2014KJ－088）

邵文權（1978—），男，湖北省十堰市人，西安工程大學副教授，研究方向為電力系統電能質量分析、繼電保護等.E－mail：shaowenquan＠xpu.edu.cn