電網故障特性分析與故障錄波器應用研究

張飛飛，劉清泉，宋 健,王旭東

(1.國網河北省電力公司，石家莊 050021；2.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021)

電網故障特性分析與故障錄波器應用研究

張飛飛1，劉清泉2，宋 健1,王旭東2

(1.國網河北省電力公司，石家莊 050021；2.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021)

針對電網在故障時刻電流、電壓急劇變化，給電網運行人員快速、準確判斷故障帶來的困難，借助對稱分量法，對220 kV及以上電網典型故障時電流、電壓特性原理進行分析，以電網典型故障特性分析為基礎，分析各類故障錄波圖，判斷故障類型，為電網調度運行人員快速判斷故障類型、分析保護動作情況以及做出準確處置措施提供參考依據。

故障錄波器；對稱分量法；電網故障；波形圖

1 概述

隨著電網規模的增大，電網安全運行對社會重要性與日俱增。但由于自然災害、設備老化等原因，電網故障在所難免，并對經濟、居民生活帶來損失。因此，有必要對故障發生前、發生中、發生后電網特點、保護動作情況等進行研究，對有效避免故障、快速消除故障有著重大意義，而故障錄波器是實現這一研究的有力工具。

故障錄波器一般能夠準確記錄故障前幾百ms和故障后幾千ms內電壓、電流、功率變化及繼電保護等情況，可依此正確分析事故原因、評價繼電保護和自動裝置是否正確動作、快速定位故障點位置、提供轉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，必須對故障發生時電流、電壓等電氣量變化規律以及波形特點進行研究分析，才能應對各類故障。首先，借助對稱分量法，對220 kV及以上電網典型故障時電流、電壓特性原理進行分析、總結；其次，以電網典型故障特性分析為基礎，對各類故障錄波圖進行分析，并判斷故障類型。為電網調度運行人員快速判斷故障類型、分析保護動作情況以及做出準確處置措施提供參考依據。

2 電網典型故障特性分析

2.1 對稱分量法

電網中故障大多數是不對稱故障(單相、兩相接地等)，當電網發生該類故障時，故障點電流、電壓不再對稱，需引入對稱分量法進行短路計算。

對稱分量法[1]是分析對稱系統不對稱運行狀態的一種基本方法。任何不對稱的三相相量Fa，Fb，Fc可以分解為3組相序不同的對稱分量：正序分量Fa(1)，Fb(1)，Fc(1)；負序分量Fa(2)，Fb(2)，Fc(2)；零序分量Fa(0)，Fb(0)，Fc(0)。即存在如下關系：

(1)

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

(2)

其正相序的相序(順時針方向)依次為UU1、UV1、UW1，大小相等，互隔120°；負相序的相序(逆時針方向)依次為UU2、UV2、UW2，大小相等，互隔120°；零相序大小相等且同相。在對稱分量法中引用算子a，其定義是單位相量依逆時針方向旋轉120°，則有：

(3)

注意以上都是以U相為基準，都是矢量計算。

2.2 單相接地短路

2.2.1 故障時各相電流分析

中性點直接接地系統發生單相接地故障時，僅故障相流過故障電流，非故障相不與故障點形成通路，因此非故障相短路電流為零。故障接地點電壓為零。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)

由復合序網圖[1]及式(1)、(5)，可解得故障處U相得短路電流為：

其中：Uf∣0∣為故障點正常時電壓，Z∑(1)、Z∑(2)、Z∑(0)分別為正序、負序、零序網等值阻抗。

2.2.2 故障時各相電壓分析

由復合序網圖及式(1)、(5)，可將故障處三相電壓轉換為：

(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，則故障點三相對地電壓及流出該點的相電流(短路電流)具有下列邊界條件：

(9)

根據式(3)進行轉換如下：

(10)

即為：

(11)

說明兩相短路故障點沒有零序電流。

由復合序網圖及式(1)、(10)聯立可得：

(12)

由此可見，當正序阻抗等于負序阻抗時，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)

轉成對稱分量，可解得

若忽略系統電阻，短路處非故障相電壓為：

(14)

即對于中性點不接地系統，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電壓的升高。

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

3 典型故障錄波圖分析與應用

以河北南部電網220 kV及以上電壓等級線路為例，對各類故障情況下故障點電流、電壓、開關變位、保護動作情況以及故障錄波圖等進行分析。為便于分析，先對220 kV及以上電壓等級線路保護設置情況進行簡單介紹：

a. 每條線路設置兩套主保護。

b. 重合閘方式為單相重合閘，動作時間為0.8 s(若為一個半開關接線方式，邊開關重合時間為0.8 s，中開關重合時間為1.2 s，若邊開關重合失敗，中開關不重合)。

c. 重合閘充電時間為10～15 s，充電未完成期間不能再次重合。

3.1 單相瞬時性故障

根據1.2節分析，單相接地故障點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(實際上有殘壓，不為零)。

如圖1為某220 kV線路故障時的故障錄波圖。由圖中可看出，故障時刻線路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后重合閘動作，V相開關由分變合，且無故障電流，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性故障電流電壓特性相同，區別在于故障相開關重合后仍然有故障電流存在，且重合不成功，開關三相跳開，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1.2節分析，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線路故障時的故障錄波圖。由圖中可看出，故障時刻U、W相電流大小相等，相位相反，非故障相V相無故障電流；故障時刻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1.2節分析，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線路故障時刻的故障錄波圖。由圖中可以看出，故障時刻U、V相電流較大，W相無故障電流，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 同一設備連續故障

圖5為某線路連續故障時故障錄波圖。在0 s發生W相接地故障，保護動作，跳開W相開關，0.8 s后，重合閘動作，重合成功，0.85 s后線路再次發生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 同一設備連續故障錄波1

4 結束語

以對稱分量法為基礎，對單相接地短路、兩相短路以及兩相接地短路時的電流、電壓進行計算，對發生各類故障時電流、電壓特點進行總結，并結合分析以及故障錄波圖對各類故障進行分析，為有關專業人員正確使用故障錄波器提供技術參考，有助于調度運行人員快速判斷故障類型、分析保護動作情況以及做出準確處置措施。參考文獻:

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本文責任編輯：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，主要從事電網運行與控制工作。