电网故障特性分析与故障录波器应用研究

张飞飞，刘清泉，宋 健,王旭东

(1.国网河北省电力公司，石家庄 050021；2.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021)

电网故障特性分析与故障录波器应用研究

张飞飞1，刘清泉2，宋 健1,王旭东2

(1.国网河北省电力公司，石家庄 050021；2.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021)

针对电网在故障时刻电流、电压急剧变化，给电网运行人员快速、准确判断故障带来的困难，借助对称分量法，对220 kV及以上电网典型故障时电流、电压特性原理进行分析，以电网典型故障特性分析为基础，分析各类故障录波图，判断故障类型，为电网调度运行人员快速判断故障类型、分析保护动作情况以及做出准确处置措施提供参考依据。

故障录波器；对称分量法；电网故障；波形图

1 概述

随着电网规模的增大，电网安全运行对社会重要性与日俱增。但由于自然灾害、设备老化等原因，电网故障在所难免，并对经济、居民生活带来损失。因此，有必要对故障发生前、发生中、发生后电网特点、保护动作情况等进行研究，对有效避免故障、快速消除故障有着重大意义，而故障录波器是实现这一研究的有力工具。

故障录波器一般能够准确记录故障前几百ms和故障后几千ms内电压、电流、功率变化及继电保护等情况，可依此正确分析事故原因、评价继电保护和自动装置是否正确动作、快速定位故障点位置、提供转换性故障和非全相再故障资料等。

故障录波器只是一种使用工具，要想深入了解故障特点，必须对故障发生时电流、电压等电气量变化规律以及波形特点进行研究分析，才能应对各类故障。首先，借助对称分量法，对220 kV及以上电网典型故障时电流、电压特性原理进行分析、总结；其次，以电网典型故障特性分析为基础，对各类故障录波图进行分析，并判断故障类型。为电网调度运行人员快速判断故障类型、分析保护动作情况以及做出准确处置措施提供参考依据。

2 电网典型故障特性分析

2.1 对称分量法

电网中故障大多数是不对称故障(单相、两相接地等)，当电网发生该类故障时，故障点电流、电压不再对称，需引入对称分量法进行短路计算。

对称分量法[1]是分析对称系统不对称运行状态的一种基本方法。任何不对称的三相相量Fa，Fb，Fc可以分解为3组相序不同的对称分量：正序分量Fa(1)，Fb(1)，Fc(1)；负序分量Fa(2)，Fb(2)，Fc(2)；零序分量Fa(0)，Fb(0)，Fc(0)。即存在如下关系：

(1)

在计算电力系统不平衡情况下引用了对称分量法，即任何三相不平衡的电流、电压或阻抗都可以分解成为3个平衡的相量成分即正相序(UU1、UV1、UW1)、负相序(UU2、UV2、UW2)和零相序(UU0、UV0、UW0)，即有：

(2)

其正相序的相序(顺时针方向)依次为UU1、UV1、UW1，大小相等，互隔120°；负相序的相序(逆时针方向)依次为UU2、UV2、UW2，大小相等，互隔120°；零相序大小相等且同相。在对称分量法中引用算子a，其定义是单位相量依逆时针方向旋转120°，则有：

(3)

注意以上都是以U相为基准，都是矢量计算。

2.2 单相接地短路

2.2.1 故障时各相电流分析

中性点直接接地系统发生单相接地故障时，仅故障相流过故障电流，非故障相不与故障点形成通路，因此非故障相短路电流为零。故障接地点电压为零。因此，单相接地短路的接地边界条件(以U相为例)为：

(4)

由式(1)～(3)可得出式(5)：

(5)

由复合序网图[1]及式(1)、(5)，可解得故障处U相得短路电流为：

其中：Uf∣0∣为故障点正常时电压，Z∑(1)、Z∑(2)、Z∑(0)分别为正序、负序、零序网等值阻抗。

2.2.2 故障时各相电压分析

由复合序网图及式(1)、(5)，可将故障处三相电压转换为：

(6)

如果忽略电阻，解方程组(2-6)可得：

(7)

同理可得：

(8)

2.3 两相短路

假定V、W相两相短路，则故障点三相对地电压及流出该点的相电流(短路电流)具有下列边界条件：

(9)

根据式(3)进行转换如下：

(10)

即为：

(11)

说明两相短路故障点没有零序电流。

由复合序网图及式(1)、(10)联立可得：

(12)

由此可见，当正序阻抗等于负序阻抗时，非故障相电压等于故障前电压，故障相电压幅值降低一半。

2.4 两相短路接地

假定U、W相两相短路接地，其边界条件为：

(13)

转成对称分量，可解得

若忽略系统电阻，短路处非故障相电压为：

(14)

即对于中性点不接地系统，非故障相电压升高最多，为正常电压的1.5倍，但仍小于单相接地时电压的升高。

式(4)-式(14)中：Ufu、Ufv、Ufw分别指U、V、W相故障时刻电压；Ifu、Ifv、Ifw分别指U、V、W相故障时刻电流。Uf(1)、Uf(2)、Uf(3)分别指对应相电压的正、负、零序电压；If(1)、If(2)、If(3)分别指对应相电流的正、负、零序电流。

3 典型故障录波图分析与应用

以河北南部电网220 kV及以上电压等级线路为例，对各类故障情况下故障点电流、电压、开关变位、保护动作情况以及故障录波图等进行分析。为便于分析，先对220 kV及以上电压等级线路保护设置情况进行简单介绍：

a. 每条线路设置两套主保护。

b. 重合闸方式为单相重合闸，动作时间为0.8 s(若为一个半开关接线方式，边开关重合时间为0.8 s，中开关重合时间为1.2 s，若边开关重合失败，中开关不重合)。

c. 重合闸充电时间为10～15 s，充电未完成期间不能再次重合。

3.1 单相瞬时性故障

根据1.2节分析，单相接地故障点故障相的短路电流较大，非故障相电流保持不变，故障相电压理论上为零(实际上有残压，不为零)。

如图1为某220 kV线路故障时的故障录波图。由图中可看出，故障时刻线路V相故障电流很大，U、W相故障电流为零，故障期间V相电压降低(由于有残压，故不为零)，因此可判断故障为V相接地短路。

故障0.8 s后重合闸动作，V相开关由分变合，且无故障电流，可判断重合成功。由此可判断该次故障为单相瞬时性接地故障。

图1中的UU、UV、UW、3U0、IU、IV、IW、3I0分别指U、V、W相电压，3倍零序电压，U、V、W相电流以及三相零序电流，图2-图5中字符含义与此相同，不再赘述。

图1 单相瞬时性接地故障录波

3.2 单相永久性故障

单相永久性故障与单相瞬时性故障电流电压特性相同，区别在于故障相开关重合后仍然有故障电流存在，且重合不成功，开关三相跳开，如图2所示。

图2 单相永久性接地故障录波

3.3 相间不接地故障

根据1.2节分析，相间不接地故障的电流电压特性为：两故障相故障电流较大，非故障相故障电流为零；非故障相电压等于故障前电压，故障相电压幅值降低一半；零序电流为零。

如图3为某220 kV线路故障时的故障录波图。由图中可看出，故障时刻U、W相电流大小相等，相位相反，非故障相V相无故障电流；故障时刻U、W相电压较正常电压降低约一半，另外由故障录波图中可看出故障时刻零序电流为零，由此可判断该次故障属于相间不接地短路。

图3 相间不接地故障录波

3.4 相间接地故障

根据1.2节分析，相间接地故障故障相电流较大，非故障相短路电流为零，且存在零序电流。

图4为某220 kV线路故障时刻的故障录波图。由图中可以看出，故障时刻U、V相电流较大，W相无故障电流，且U、V相电压降低，有零序电流，可判断该次故障为U、V相间接地故障。

图4 相间接地故障录波

3.5 同一设备连续故障

图5为某线路连续故障时故障录波图。在0 s发生W相接地故障，保护动作，跳开W相开关，0.8 s后，重合闸动作，重合成功，0.85 s后线路再次发生W相接地故障，由于重合闸未重满电，线路不重合，三跳。

需要注意永久性故障与重合成功后再次故障之间的区别。如图2，单相永久性故障重合不成功后立即三跳；如图5，单相故障重合成功后，又隔了0.85 s再次故障，由于重合闸充电未成功，直接三跳。

图5 同一设备连续故障录波1

4 结束语

以对称分量法为基础，对单相接地短路、两相短路以及两相接地短路时的电流、电压进行计算，对发生各类故障时电流、电压特点进行总结，并结合分析以及故障录波图对各类故障进行分析，为有关专业人员正确使用故障录波器提供技术参考，有助于调度运行人员快速判断故障类型、分析保护动作情况以及做出准确处置措施。参考文献:

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本文责任编辑：靳书海

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

张飞飞(1986-)，男，工程师，主要从事电网运行与控制工作。