電力系統故障錄波器的應用研究

中鐵電氣化鐵路運營管理有限公司 蘇 萬

1 引言

電力系統錄波器作為一類常見的供電系統應用裝置，可對供電系統內常見故障實施信息保存，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），并針對電路中的導通與輸出全過程變化實施監控，包括檢測系統軟件工作頻率和有功、無功功率。該系統能夠針對自動繼電保護裝置與安全裝置的特性和行為完成監控步驟，并對暫態穩定全環節之中的電氣參數變化情況實施分析，檢查供電系統測量程序流程和物理模型主要參數的準確性。多年來，故障記錄儀已成為分析系統異常的重要依據[1]。

近年來，煤炭工業在生產和制造中的日常生活中變得越來越重要，礦山災害和煤炭行業的安全隱患引起了大家的高度關注。煤炭行業用電安全越來越受到重視，煤炭行業常用的故障錄波儀是煤炭行業電網科學研究的基礎，也是審查繼電保護裝置的姿態和個人行為、數據分析系統以及設備的故障特征和原因的重要依據。高質量的常見故障錄波設備對于保證電力工程系統的優化運行，以及提高電能質量分析具有至關重要的作用。由于其作用日益強大，DSP已廣泛應用于許多行業，如通用數字圖像處理、通信、圖形/圖像信號分析、操控、國防等諸多方面。近年來，在供電系統中的應用也慢慢展開，已經被添加到供電系統的各個領域。如維修、操作、自動化技術設備等。因此，在應用和故障記錄儀中可以獲得其特性。

2 煤礦供電的特點

2.1 雙回路供電

由于煤炭行業用電安全防范措施，煤礦配電采用雙回路供電或多控制回路供電。當一種方式出現問題時，另一種方式應該能夠承擔煤礦的所有負荷，這是煤炭行業的供給和分配，也是電氣系統最重要的特性之一。

2.2 中性點接地方式

由于礦井配電自然環境的特殊要求，《煤炭安全規程》要求嚴禁將地面上的電動機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，現階段我國煤礦行業部分6kV電網采用中性線不接地裝置方式，屬于小電流接地保護。但這種方式下，電網短路故障電流較大，不利于安全，主要表現在兩個層面：一方面，接地裝置過大的孤立電流由于動能大，不易自熄，會燒毀電纜絕緣層，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，可能導致電纜的薄弱點或電氣設備的絕緣層被擊穿。因此，目前煤礦都經歷了通過消弧線圈接地裝置或消弧線圈并聯（串）電阻接地裝置進行中性線的操作方法。發生短路故障時，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論：我國煤礦配電系統中的中性點接地方式，通常采用消弧線圈或中性不接地裝置實施小電流接地處理。

2.3 電容電流較大

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

3 故障錄波器在煤礦供電系統中的作用

3.1 事故追憶及事故原因分析

全面準確的判據是故障記錄儀質量的標志。正常運行狀態與常見故障之間的數據信號區別是供電系統故障錄波器功能發揮的基礎，各行各業故障錄波器均如此，煤炭行業也不例外。煤礦供配電系統一旦出現安全事故，電網故障出現的剎那，其運行電流（壓）、頻率、零序電流（壓）和每一只開關運行狀態均會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秒內電網所有模擬量、各種開關量均可以基于本次記錄的各類參數值而延續，就此奠定事故原因分析、事故防范和電網完善基礎，將同種或類似事故重新出現的可能性避免。

3.2 故障點定位、接地選線、諧波分析

電網復雜程度高，這主要是因為其規模較大所造成的。故障形成瞬間，常見故障點必須能在最短時間內迅速定位，否則將會增加故障檢測及恢復難度，之所以如此，主要是由于逐級檢查電源電路任務繁重，過程極為繁雜，需要長時間進行檢查判斷，就此持續增加排除故障、恢復運行及電網維護難度。故障點定位功能能將故障大體部位在盡可能短的時間內確定，人力成本與時間成本節約效果顯著，對于供電系統的保護具有非常關鍵的現實意義。同時，由于小電流接地保護中的短路故障等常見故障，系統軟件可重新運行1～2h。若能及時發現接地裝置的常見故障相故障檢測，供電系統可繼續運行。

3.3 繼電保護動作的評價

繼電保護設備在供電系統安全事故出現前提下有可能同時故障，也有可能拒動。分析其數據信號可以發現，工作人員并不能準確評價或判斷繼電保護設備、自動裝置工作狀態。從普通故障錄波儀器方面來看，普通故障錄波數據即能讓工作人員對繼電保護設備的準確性展開檢查，或者作出正確的評價。尤其是在出現常見故障時，必須利用記錄的數據信息進行適當的評估。

4 故障錄波器的錄波過程

供電系統常見故障的動態記錄可分為三類：

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軟件實際運行，引起的線路上產生的電流和工作電壓的瞬態過程。二是常見故障動態全過程記錄系統軟件電流量、工作電壓和大振蕩引起的導出量，用于檢測繼電保護裝置和自裝設備的姿態和個人行為。目前，運行在系統軟件中的各種故障記錄儀大都屬于這一類。三是長期動態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，滿足供電系統長期動態的需要。參考DL/T553-94標準，記錄方式一般按照圖1執行。

圖1 標準分段記錄方式（系統大擾動開始的絕對時刻=0）

A時段：系統大擾動開始前的狀態數據，輸出原始波形及有效值，記錄時間不少于0.04s。B時段：系統大擾動初期的狀態數據，可直接輸出原始記錄波形及有效值，可觀察到5次諧波，同時也可輸出每一周波的工頻有效值及直流分量值，記錄時間不少于0.1s。C時段：系統大擾動中期狀態數據，輸出連續的工頻有效值，記錄時間不少于1.1s。D時段：系統動態過程數據，每0.1s輸出一個工頻有效值，記錄時間不少于20s。E時段：系統長時間的動態數據，每1s輸出一個工頻有效值，記錄時間不少于10min。進入D，E時段后，恢復故障判別模塊的執行，若有相繼故障則又轉入ABCDE段錄波。

本設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時間段為基礎。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設計運行簡單、內存小，所以采用了一些重點。目前，制定的高密度B段（采樣率25.6kH）可以達到要求的BCD段。

圖2 裝置采用的分段記錄方式

5 故障分析和啟動判據的設計

5.1 單相接地故障

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

短路故障是煤礦電網運行頻率最高的常見故障，因此被認為是煤礦行業供配電系統中的關鍵常見故障，設計方案提供了良好的評價標準。短路故障常見故障主要分為穩定接地裝置常見故障和電氣隔離接地裝置常見故障，兩者的特點是不同的。如果在設計方案的判斷中不考慮，很可能會導致漏選或錯誤的選擇。在判斷標準設計方案的情況下，充分考慮了兩種常見的故障特征，采用設計方案為錄波操作提供更有效的評價標準。

當發生穩定的普通故障時，中性線由消弧線圈接地裝置的小電流量保護。穩定接地裝置的常見故障判斷標準較小，電流量的大小與方位角的大小和失諧程度相當，相關性大，其常見的失效評價標準不易設定和完善。對于通過消弧線圈和（串）電阻接地保護的中性線，零序電流有功功率是一個很好的判據。但目前中性線是通過消弧線圈接地的，關鍵是用消弧線圈并聯（串聯）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2～3A），所以選擇零序電流有功功率權重為判據。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，均受到相應煤炭行業的一定限制或限制。

不管中性線的接地方案如何，只要有電氣隔離接地設備，公共故障通路的零序電流、高頻衰減系數就會處于相對較高狀態，直流零序電流可能僅有其幾分之一。從接地設備角度來看，高頻電流參數極具決定性，判據可以選擇高頻衰減系數零序電流。基于異常故障路徑的高頻電流總和與常見故障路徑高頻電流相等特征，基于暫態過程的電流互積理論（評價時間與標準等）就此形成。已設置完近年來發生的頻率分析。

在本文中不再使用，因為其技術完善度并不高，所以其實用性低[4]。

無論中性線采用不接地裝置還是消弧線圈接地裝置，當出現穩定接地裝置或電隔離接地裝置時，零序電壓都會發生變化，幅值會大幅增加。

5.2 兩相短路及兩相短路接地故障

電源電路如果出現的是兩相短路故障，那么正、負序分量將會在系統軟件內同時出現，但只有0零序分量。兩個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，判據會更加依賴于故障點位置，如果供電系統末端出現故障，那么系統不會出現達大的短路電流，漏判即有可能發生。兩相短路故障時，判斷標準同樣會明顯受到共同故障點的負面影響，供配電系統末端出現故障時，錯誤可能性會增加，這是因為系統軟件缺少足夠的短路容量。如果故障形成了供配電系統頭部，則會相對較高的短路容量，所以此時的區分比較簡單。但無論是尾端還是頭部故障，負序電流都會出現。所以，兩相短路故障的基本特征表現在相電壓升高、負序電流形成，兩個故障相、大流量偏差特征同樣具有利用價值。此處判據選擇的是相電壓升高和協同效應（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，系統軟件中只存儲了正序電流，幅值比較大。當發生短路故障時，是因為在系統軟件中總特性阻抗大大降低，所以短路容量很可能很大。強大的短路能力引起的熱和電驅動力效應會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，如果同時強烈放大三相電流，則問題的特征更適合獲取和區分。

綜上，故障記錄儀是煤炭行業電網分析的基礎，具有高質量特性的常見故障記錄儀對于保證安全運行和提高電能質量分析具有至關重要的作用。本文將DSP技術應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，闡述了電力系統故障錄波器的應用。