水電廠10 kV配電網故障判斷與定位研究

黃建瓊,唐國民,郭乃理,隋良紅

(1.中國測試技術研究院,四川成都610065；2.四川中測電子科技有限公司,四川成都610065)

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水電廠10kV配電網故障判斷與定位研究

黃建瓊1,2,唐國民1,郭乃理1,隋良紅1

(1.中國測試技術研究院,四川成都610065；2.四川中測電子科技有限公司,四川成都610065)

摘要：水電廠10 kV配電網系統龐大,分布廣泛且所處環境復雜,易發生故障。在配電網系統發生故障后,保護裝置可快速準確切除故障,但無法判斷故障類型及對故障點進行定位。10 kV配電網故障類型較多,快速準確的故障判斷與定位可以有效縮短故障搶修時間,對單相接地故障、相間短路故障、鐵磁諧振、勵磁涌流四種典型故障的判斷與定位分析方法及其應用實踐進行了詳細的總結。

關鍵詞：10 kV配電網；單相接地故障；相間短路故障；鐵磁諧振；勵磁涌流；故障判斷與定位

0引言

大型水電廠廠用電10kV配電網直接為水電廠的機組自用電、輔助系統、公用系統、照明系統及大功率異步電機(如檢修排水泵、滲漏排水泵)提供電源。在10kV系統發生故障時,繼電保護裝置一般均能快速準確切除故障[1],但其無法判斷故障類型并定位故障點的準確位置,故障點的判斷與查找仍然依賴于檢修人員的分析與檢查。

廠用電配電網故障類型較多,本文重點研究下述4種故障類型的判斷與定位：單相接地故障、相間短路故障、鐵磁諧振、勵磁涌流。其中10kV線路單相接地故障出現的概率最多,且其發生后如不及時處理易引發非故障相的絕緣損壞,從而發展為相間故障；廠用電10kV配電網變壓器種類繁多,如照明變、公用變、檢修變等,研究變壓器的相間故障,特別是兩相故障特征,可以為現場查找故障點提供依據；在廠用電10kV系統發生鐵磁諧振時,將出現過電壓和過電流,會造成電壓互感器一次高壓熔絲頻繁燒斷、避雷器爆炸、變壓器燒毀等嚴重事故[2- 4],嚴重威脅廠用電配電網的安全穩定運行；勵磁涌流是變壓器空載合閘的一個典型特征,在變壓器保護定值設置不合理時,易引起保護裝置誤動。

本文首先從原理上分析了上述4種故障的故障特征,再通過MATLAB軟件進行了故障分析,最后通過某大型水電廠廠用電10kV配電網現場實際的故障錄波數據對故障進行判斷與定位。

1單相接地故障

1.1單相接地故障理論分析

廠用電10kV配電網為不接地系統,目前,不接地系統單相接地故障點定位技術的理論研究較為廣泛[5- 6],但水電廠廠用電配電網故障定位裝置的應用并未普及,故障的查找仍要依賴檢修人員。因此熟悉不接地系統配電網的故障特征對查找故障點有著指導作用。

記廠用電線路每相對地電容為Cg,線路三相額定相電壓分別為EA、EB、EC,中性點零序電壓為U0,系統頻率為f。廠用電線路在A相M點處發生了經過渡電阻Rf的接地故障,故障示意如圖1所示。

圖1　線路單相接地故障原理

根據基爾霍夫電流定律,以線路中性點N為研究對象,則

(1)

假設系統三相電壓對稱,則根據式(1)可得

(2)

系統三相對地電壓如式(3)所示

(3)

1.2單相接地故障分析

根據式(1)～式(3),利用MATLAB軟件對廠用電線路經不同過渡電阻接地情況進行分析,Rf變化時U0的變化軌跡和UAd、UBd、UCd的變化軌跡如圖2所示。當Rf=0～∞變化時,地電位點的軌跡是以故障相(A相)模值為直徑的半圓弧(見圖2),將沿此半圓弧而改變。

圖2　過渡電阻變化時電壓的變化軌跡

水電廠因不同廠用線路的長度不同,其所帶負荷主要可以分為變壓器及異步電機,相應系統的對地電容也不一致。由于變壓器的對地電抗作用,帶變壓器線路的對地電容值一般比帶異步電機的電容小。本文以某大型水電廠帶變壓器線路的對地電容值423uF和帶異步電機線路的對地電容值781uF兩個不同的對地電容值為例,通過MATLAB對廠用電兩種典型線路的A相經0～10kΩ的過渡電阻接地故障進行了分析計算,其結果如圖3所示。

圖3　線路三相對地電壓與過渡電阻關系曲線

從圖3波形可以看出,在同一對地電容值下,故障相的上一相電壓最高,本例中A相故障,則C相電壓最高；在同一故障過渡電阻下,對地電容小的系統其電壓變化率較對地電容大的系統變化更快。根據上述故障特征可以為接地故障點判斷與查找提供依據。

1.3單相接地故障應用實例

圖4所示的故障波形為10kV配電網系統發生的B相經過渡電阻接地時的故障波形,故障顯示值為二次電壓(二次額定相電壓為57.7V)。圖4中A相電壓為76.65V,B相電壓為42.85V,C相電壓為60.60V,A相電壓最高,由此判斷B相發生了接地故障,這與上述理論分析及結果一致。

圖4　經過渡電阻接地現場故障錄波

2變壓器相間故障

研究廠用電10kV配電網系統變壓器低壓側相間故障特征,特別是兩相故障特征,對配電網故障判斷與查找具有指導作用。本文以Y,d11結構式變壓器發生兩相短路故障為例研究其故障特征。

2.1變壓器相間故障電流特征分析

圖5　變壓器△側兩相故障原理

根據基爾霍夫電流定律,△側三相線電流及相電流滿足

(4)

根據式(4),可計算出△側三相相電流如下

(5)

則Y側三相故障電流分為

(6)

(7)

根據式(6)可以看出在Y,d11結構式變壓器低壓側發生兩相短路故障時,Y側故障電流最大相的下一相為低壓側的非故障相,根據式(7)可以看出在△側發生兩相短路時,Y側最大相的電流已等于低壓側發生三相短路的故障電流。變壓器發生兩相故障后,會迅速發展成三相故障。

2.2變壓器相間故障應用實例

圖6為某水電廠廠用電10kV配電網變壓器△側b、c兩相短路發展為三相短路的實際故障波形。圖6中所示37ms前變壓器Y側A相電流是B、C相電流的2倍,電流極性相反,三相電流矢量和為0,37ms后三相電流均變為與A相電流幅值一致且電流相序為正序,表明變壓器低壓側先發生了兩相故障而后發展為了三相相間短路,上述理論分析結果與現場檢查結果一致。

圖6　兩相短路發展為三相短路故障錄波

3鐵磁諧振

3.1鐵磁諧振特征分析

當廠用電線路發生接地故障時,對于鐵磁式電壓互感器,一次側電壓的變化會引起鐵芯飽和,勵磁電抗變小[7]。故障、投切負荷會引起系統對地容抗發生變化。當XC/XLe(系統對地容抗/PT勵磁電抗)計算值不同時,將產生不同頻率諧振。

(1)XC/XLe=0.01～0.07時,為分頻諧振。三相電壓周期性輪流上升,發生低頻波動,過電壓較小。

(2)XC/XLe=0.01～0.55時,為基頻諧振。某一相相電壓低,但不等于零,另二相電壓高于線電壓,零序電壓大于100V。

(3)XC/XLe=0.45～2.8時,為高頻諧振。三相電壓都升高,過電壓較高,或一相升高其余下降,零序電壓大于100V。

3.2鐵磁諧振故障應用實例

某水電廠廠用電10kV配電網發生的分頻鐵磁諧振故障錄波波形如圖7所示,圖中三相電壓周期性輪流上升,發生低頻波動,過電壓基本不超過線電壓,零序電壓不超過100V。從而可以判斷配電網系統發生了鐵磁諧振而非單相接地故障,此時可以通過拉開其余饋線改變系統對地容抗的方式來消除鐵磁諧振。

圖7　分頻鐵磁諧振故障錄波

產生該鐵磁諧振的原因在于配電網系統發生單相接地故障后,電壓互感器鐵芯飽和,勵磁電抗變小,切除故障線路后,配電網的對地容抗又發生了變化,容抗與感抗的比值進入了分頻鐵磁諧振的區域所致。

了解配電網鐵磁諧振產生的機理后,就可從其產生的源頭避免鐵磁諧振[8-9]。也可以根據鐵磁諧振產生的機理,在電壓互感器的開口繞組上加裝消諧裝置來縮短諧振的過程,以保護一次設備。

4勵磁涌流

廠用電10kV配電網中變壓器正常運行時,鐵芯不會飽和。但在進行空載合閘時,不同工況下變壓器鐵芯會出現不同程度的飽和情況,從而導致鐵芯勵磁涌流,如果主變差動保護無法躲過勵磁涌流或者定值整定不合理,保護裝置將會發生誤動。

影響勵磁涌流的因素復雜[10],本文主要分析以下兩個影響因素：電壓等級及合閘初始角、合閘前鐵芯磁通的方向和大小。

4.1勵磁涌流產生機理分析

記變壓器的電壓為U,磁通為Φ,則兩者之間的關系為

U=dΦ/dt

(8)

記變壓器在0時刻空載合閘,加在變壓器上的電壓為u=Usin(ωt+α)(其中α為初始相角),解式(8)微分方程,得

φ=-Φmcos(ωt+α)+Φ0

(9)

式中,-Φmcos(ωt+α)為穩態磁通分量,其中Φm=Um；Φ0為自由分量,為衰減的直流分量。變壓器鐵芯磁通不能突變,因此

Φ0=Φmcos(α)+Φr

(10)

式中,Φr為變壓器鐵芯的剩磁,其大小和方向與切除變壓器時刻的電壓有關。

從式(9)～式(10)可以看出,造成鐵芯飽和最嚴重的情況是在電壓過零(α=0)時刻合閘,半個周期后變壓器將達到磁通最大值2Φm+Φr,此時變壓器嚴重飽和,形成勵磁涌流。

4.2勵磁涌流特征分析

勵磁涌流有三個特征：波形完全偏離時間軸的一側,并有間斷角；含有很大成分的非周期分量；含有大量的高次諧波分量,而以二次諧波為主。

4.3勵磁涌流故障應用實例

圖8為某水電廠廠用電10kV變壓器的勵磁涌流故障錄波。

從圖8可以明顯看出波形中間的間斷角,且A、C相電流波形均偏離坐標軸一側。三相電流(CT二次值)的非周期含量見表1,可以看出三相中A相非周期分量含量已高達61.9%。

分析其諧波含量,2、3、4、5、6、7、8、9、10次諧波含油率分別為44.95%、

圖8　勵磁涌流故障錄波

相序基波電流/A非周期分量電流/A百分比/%A0.0840.05261.9B0.0530.03362.2C0.0320.01031.2

14.68%、5.16%、5.99%、6.89%、0.67%、3.04%、1.15%、0.55%。因此可以判斷10kV饋線的變壓器在空充時產生了較大的勵磁涌流。

上述勵磁涌流特征均直接或者間接的作為變壓器差動保護在空載合閘時的防誤閉鎖判據[11-12]。在對保護定值整定時,要根據變壓器的特性,合理整定相應的定值。

5結語

隨著水電領域的開發,水電廠廠用電配電網的要求也在不斷提高。利用故障特征對故障類型和位置進行分析查找,有助于縮短故障搶修時間,為機組的穩定運行提供保障。

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(責任編輯高瑜)

收稿日期：2015- 12- 10

基金項目：四川省科技計劃項目(2014GZ0083)

作者簡介：黃建瓊(1984—),女,四川巴中人,工程師,碩士,主要研究方向為智能電網及電氣安全性能檢測技術研究．

中圖分類號：TM727

文獻標識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)04- 0068- 04

ResearchonFaultJudgmentandPositioningof10kVDistributionNetworkinHydropowerPlant

HUANGJianqiong1,2,TANGGuomin1,GUONaili1,SUILianghong1

(1.NationalInstituteofMeasurementandTestingTechnology,Chengdu610065,Sichuan,China;2.SichuanZhongceElectronicTechnologyCo.,Ltd.,Chengdu610065,Sichuan,China)

Abstract:The 10 kV distribution network in hydropower plant is huge and widely distributed, and the environment is also complex, so it easy to break down. After fails, the protection device can quickly and accurately remove the faults, but can’t judge fault type and locate fault point. Fast and accurate fault judgment and positioning can effectively shorten fault repair time. The analysis methods and its application for four kinds of typical fault’s judgment and positioning are introduced in detail, including single-phase ground fault, two-phase fault, ferro-resonance and magnetic inrush current．

Key Words:10 kV distribution network; single-phase ground fault; two-phase fault; ferro-resonance; magnetic inrush current; fault judgment and positioning