電壓暫降事件分類及短路類型識別研究

張宸宇， 史明明， 范　忠，鄭建勇, 袁曉冬

(1. 國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103；2. 國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210000；3. 東南大學電氣工程學院，江蘇 南京 210096)

0　引言

電壓暫降是電力系統不可避免的電能質量擾動事件，被認為是最嚴重的電能質量問題[1-4]，通常會給半導體制造、信息、計算機或電子通信等行業帶來巨大的經濟損失，并造成極大的社會影響。2010年徐州曾因電網運行方式的調整造成電壓暫降，引起某卷煙廠生產線變頻器工作異常，生產工藝受到中斷。2011年蘇州某次500 kV電網故障造成的電壓暫降曾引起某化纖企業拉絲生產線驟停，造成不小的經濟損失。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關低壓脫扣，全站照明失電，造成較大的社會影響。

可以說電壓暫降水平是電力部門“供好電”、用戶“用好電”的關鍵，是優質供電的直接反映，也是保障用戶安全生產、提高用戶經濟效益的重要指標。鑒于以上情況，有必要開展電壓暫降事件分類及短路類型識別研究相關工作。不同類型故障引起的電壓暫降特征不同，通過江蘇電力已經上線的電壓暫降監測系統提供的暫降波形，識別出發生電壓暫降的故障類型，則可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。

為了解決上述問題，國內外學者對其進行了大量研究，文獻[5]對基于暫降類型判斷的短路故障類型識別進行了研究，基于電壓暫降事件錄波數據，提出了一種通過判斷不同電壓暫降類型來進行短路故障類型識別的方法。文獻[6—7]考慮到變壓器對電壓暫降的傳遞作用，研究了中性點不同接地方式下的電壓暫降類型及其在變壓器間的傳遞。文獻[8]對電壓暫降原因進行了分析并考慮其源定位。文獻[9]則利用高級算法對電壓暫降進行分析。本文在前人研究的基礎上，首先根據來源電壓暫降事件進行分類，主要來源包括短路故障、大型電機啟動和雷電等，接下來文章對短路故障引起電壓暫降進行識別，使電壓暫降系統能夠根據監測到的暫降波形識別出短路故障類型。最后通過江蘇電網電壓暫降監測系統中的數據波形進行案例分析，給出短路故障分類，驗證了文中算法的可行性。

1　電壓暫降事件分類及特征

電網電壓暫降的來源主要有短路故障、大型電機啟動、雷擊等。引起暫降的不同來源，其電氣特征上也存在區別，利用電壓暫降波形之間的差異可區分出電壓暫降源的類型。文中所有波形均來源于江蘇電網電壓暫降監測系統。

1.1　短路故障引起的電壓暫降

短路故障是引起系統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境中，因此大風、雨雪等天氣因素，動物或樹枝搭接線路、工程運輸活動等也會引起線路短路故障。由于系統的保護裝置不能無延時地切除故障，短路電流的系統中傳播必然造成鄰近線路的電壓暫降，因此得到了用戶的密切關注。系統中某一點發生這種電壓暫降時，其暫降幅值主要取決于短路類型、故障點位置、變壓器接線方式和短路阻抗。故障可能是對稱的(三相短路)，也可能是非對稱的(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(對稱故障)，也可能不同(非對稱故障)。

1.1.1典型三相短路故障

通過江蘇電力公司電壓暫降監測系統數據分析發現，2017年4月份典型電壓暫降事件如下：某變10 kVⅠ段母線發生電壓暫降事件，持續時間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典型非對稱短路故障

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

圖2　典型非對稱短路故障電壓暫降事件Fig.2　Typical asymmetrical short circuit fault voltage sags

通過圖1—2可以看出，短路故障引發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.，持續時間與保護動作時間有關。

(2) 不同的短路故障會引發不同的電壓暫降現象。三相短路故障引發的電壓暫降三相電壓幅值相等；其他類型短路引發的電壓暫降三相幅值不同；發生不對稱短路時有可能在引起某相電壓暫降的同時，另一相出現電壓暫升。

(3) 電壓暫降發生和恢復的波形陡；故障期間可能發生多級暫降；在暫降開始和結束瞬間，幅值均發生突變，在暫降過程中，電壓幅值基本不發生變化。

(4) 電壓暫降中有可能產生相位跳變。

1.2　感應電機啟動引起的電壓暫降

感應電動機因其結構簡單、運行可靠等優點在工農業生產和日常工作中得到廣泛應用。在電網的總負荷中，感應電動機用電量約占60%以上，是電網中的重要負荷，在啟動時會引起附近區域的電壓暫降。

忽略其他負荷電流，當感應電動機啟動后，定子電流增加(一般是正常工作電流的2～8倍)，則流過系統阻抗的電流增加，使得系統阻抗的分壓增大，導致PCC點電壓下降，引起電壓暫降。

感應電動機啟動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。電動機啟動容量和上級變壓器的剩余容量以及局部電網容量共同決定了電壓暫降程度。如果電動機啟動容量接近上級變壓器剩余容量，則會引起較大的電壓暫降，并對其他用電負荷造成影響；否則電壓暫降程度輕微。

通過電壓暫降監測系統數據分析發現，2017年4月份典型電壓暫降事件如下：某變10 kVⅠ段母線發生電壓暫降事件，持續時間499 ms，殘余電壓87.710%，如圖3所示。

圖3　感應電機啟動引起暫降事件Fig.3　Induction motor sags caused by induction motor

通過圖3分析可以看出感應電機啟動引起的電壓暫降典型特征為：

(1) 三相電壓同時發生暫降，三相暫降幅值相同；

(2) 暫降幅值一般不會低于0.85 p.u.；

(3) 電壓暫降是逐漸恢復的，恢復過程中沒有突變；

(4) 暫降過程中有功功率會有一定的變化。

1.3　雷擊引起的電壓暫降

輸電線路落雷后，若雷電流超過線路的耐雷水平，線路絕緣就會發生沖擊閃絡，雷電流沿閃絡通道入地，由于時間僅幾十微秒 ，線路開關來不及動作，工頻短路電流繼續流過閃絡通道并建立起穩定電弧持續燃燒，形成接地故障，線路將跳閘。

線路雷擊后會產生雷電行波在系統中傳播，系統中各節點電壓由于行波傳播與折反射會上升波動。在絕緣子閃絡造成接地故障后，工頻短路電流必將引起電壓暫降在系統中傳播，節點電壓在上升波動后再下降。

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

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別

2.1　故障引起的電壓暫降分類

大多數電壓暫降都是由短路故障引起的，各種類型的短路故障都能夠引起電壓暫降現象。經過不同連接方式的變壓器，電壓暫降的幅值和相角會發生變化，同時負荷的連接方式也會影響電壓暫降的傳播。假設電源電壓標幺值為1，正序系統阻抗與負序系統阻抗相等且忽略故障發生前后和故障期間的負荷電流，根據故障原因將電壓暫降分為7種類型(含經過變壓器由高壓側向低壓側傳遞后的類型)，如表1所示。通過表1可以看出三相短路引起A類型，其三相電壓降低的幅值相同，相角不發生變化；中性點接地系統單相接地故障引起的類型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負荷連接方式不同可分為類型C和D，分別適用于星形和三角形連接的負荷；兩相接地故障引起的電壓暫降為類型E，經不同類型變壓器的傳遞后還包括類型F和G。

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

所有分析過程均以A相作為參考相，故障引起的各種電壓暫降類型的各相相電壓幅值示例計算結果如表2所示。

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

2.2　故障引起的電壓暫降類型識別

除了通過波形庫識別的方式，還可以通過下面的方法判斷短路故障類型。

2.2.1判斷是否對稱故障識別A型

A型故障時三相短路故障，一般來說三相暫降是對稱的，也就是此時不存在負序電壓存在。即可以判定U2=0時未三相短路故障導致的電壓暫降，即A型暫降，對于其他暫降類型U2≠0。

2.2.2B型和E型暫降區分

通過判斷表2只有B型和E型暫降含有零序分量，也就是說當U0≠0時，暫降為B型或E型。此時三相電壓的相位均沒有變化，這種情況一定是接地故障，可以通過幾相電壓有效值降低來判斷是單相接地故障還是兩相接地故障。也可以根據正、負序運算結果來判斷是B還是E型故障。當|U1+U2| <|U1-U2|時為單相接地故障，也就是B型故障；反之|U1+U2|> |U1-U2|時，為兩相接地故障，也就是E型故障。

2.2.3C型、D型、F型和G型暫降區分

當U0=0時，暫降可為C型、D型、F型或G型，此時情況比較復雜。考察電壓幅值變化情況，其中如果一相幅值不變，其他兩相幅值變小，則為類型C；如果三相電壓幅值均減小，則為類型D或F或G。具體來說如果|U1+U2|> |U1-U2|，則為類型G；如果|U1+U2| <|U1-U2|，則為D型或F型，此時故障并不在本級，而是由上級故障傳導。若上級是B類型，則本級是D類型；若上級是E類型，則本級是F類型。

綜上所述，短路故障類型識別流程如圖5所示。類型D和類型F一般不是本級短路故障導致的電壓暫降，需要判斷上一電壓等級暫降類型。通過短路故障類型識別流程圖系統可以判斷出具體是哪個類型短路故障，通過暫降類型識別可以更好了解判斷導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算將會在后續進行展開研究。

圖5　短路故障類型識別流程Fig.5　Flow chart of type identification for short circuit fault

3　典型短路導致暫降案例分析

3.1　三相短路故障

對上節中的短路引起故障分類進行分析，對于前面提到的江蘇地區某變電壓暫降事件。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

通過圖7計算出，暫降發生時正序電壓標幺值1.86 p.u.，負序電壓標幺值-0.12 p.u.，零序電壓標幺值0.13 p.u.，零序和負序電流均接近0，通過矢量圖和表1對比可以看出該變電壓暫降事件屬于三相短路事件，即A類型故障暫降。

3.2　單相接地故障

2017年4月江蘇某變10 kV Ⅱ段母線發生電壓暫降事件，持續時間116 ms，殘余電壓44.770%，波形如圖8所示。暫降時刻電壓矢量圖如圖9所示。通過圖9計算出，暫降發生時正序電壓標幺值4.20 p.u.，負序電壓標幺值-1.53 p.u.，零序電壓標幺值4.77 p.u.，可以看出零序電壓不為0，同時滿足條件|U1+U2| <| U1-U2|，通過矢量圖和表1對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

對于2017年4月江蘇某變電壓暫降事件如圖10所示。暫降時刻電壓矢量圖如圖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

通過圖11計算出，暫降發生時正序電壓標幺值3.45 p.u.，負序電壓標幺值2.44 p.u.，零序電壓標幺值0.60 p.u.，可以看出U0=0時，一相幅值不變，其他兩相幅值變小，通過矢量圖和表1對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類型故障暫降。

3.4　兩相接地故障

對于2017年4月江蘇地區某變電壓暫降事件如圖12所示，給出暫降時刻電壓矢量圖如圖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

通過圖13計算出，暫降發生時正序電壓標幺值5.27 p.u.，負序電壓標幺值0.57 p.u.，零序電壓標幺值0.36 p.u.，可以看出零序電壓很小，同時|U1+U2|> | U1-U2|，通過矢量圖和表1對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類型故障暫降。

4　結語

本文通過江蘇電網暫降系統采集的大量案例分析首先對電壓暫降事件進行分類。電壓暫降的電壓波形特征是和特定的干擾源相聯系的，針對最常見的短路引起的電壓暫降，對短路故障類型進行識別，這樣可以有效利用電壓暫降系統根據監測到的暫降波形識別出系統可能存在的短路故障類型。最后通過江蘇電網電壓暫降監測系統中的數據波形進行案例分析，歸類到4種典型短路故障分類，驗證了算法的可行性。通過本文研究可以通過電壓暫降波形了解到電網故障情況，為電網暫降工作的治理和電能質量提升提供了輔助作用。在未來的工作中將進一步通過編程利用高級算法對電壓暫降波形進行識別，可為短路、大型負荷啟動等暫降干擾源降做出辨識。

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