基于故障录波图的电力系统故障特征分析_范召典.pdf

照明电气 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明234基于故障录波图的电力系统故障特征分析范召典1，孟庆超2，张 军2，赵传生21.诸城维奥新能源有限公司，山东 潍坊 2610002.北京京能国际控股有限公司华北分公司，北京 100000摘要：文章讲述了故障录波装置的作用和基本原理，并详细讲解了故障录波图中电气量的幅值、相位关系、时间的阅读方法。通过分析电力系统主要故障的典型录波图，总结得到单相接地故障、两相短路故障、两相短路接地故障、三相短路故障等主要故障的特点，同时针对小电流接地系统的单相金属性接地故障进行分析，对其故障特点进行了总结。利用录波图分析能很快完成故障的基本定性分析和简单定量分析。关键词：电力系统；故障录波；短路故障；接地故障分类号：TM7110引言近年来，随着社会经济的快速发展，新能源发电装机大规模地接入电网，使电力系统变得愈加复杂，由设备质量问题、自然灾害及人为原因导致的电力系统事故风险随之提升，对电力系统的安全稳定运行造成了较大影响。因此，电力系统研究故障发生的规律、采取相应措施来提高电力系统的运行水平，对保障电力生产经济效益意义重大1。故障录波设备可以记录下故障发生前、发生时、发生后的波形和数据，为故障分析提供依据，是评价继电保护动作行为、分析设备故障性质、查找事故原因的有效手段。通过正确阅读故障录波图，研究电力系统主要故障的特征，能够快速有效地判定故障类型2。1故障录波装置的作用故障录波装置在电力系统中主要有以下三个方面的作用：（1）能够在电力设备发生故障时记录下故障时的电气量，并通过自身的逻辑运算来进行故障测距，能够方便工作人员尽快找到故障点3。（2）电力系统中发生异常或故障跳闸时，可以通过分析故障录波装置记录的模拟量波形判断故障原因。（3）可以通过故障录波装置判断继电保护装置的动作情况，确定保护装置是否存在拒动或误动作、保护配置是否符合设计要求等4。2故障录波图的阅读2.1 故障录波图的基本构成故障录波图可以分为保护及自动装置的录波图和专用故障录波器的录波图两种。虽然不同装置形成的录波图在图形格式上有所区别，但是各类故障录波图的基本格式相同。故障录波图一般由文字信息、录波图比例标尺、通道注解、时间刻度、录波波形等五个部分构成5。2.2 故障录波图的阅读方法2.2.1 幅值的阅读方法以大电流接地系统单相接地故障录波图的为例，0 ms 为故障发生的零时刻；-60 ms0 ms 为故障前正常状态，此时三相电压幅值正常，三相电流幅值略有起伏，负荷电流较小。在 0 ms 时刻开始发生 A 相单相接地短路故障，较小的负荷电流突变成故障电流，A相电压幅值下降，所录波形的特点是故障期间电流波形的正负半周幅值相等，波形基本不含非周期分量6。已知录波图中电流标尺为 17.0 A/格（二次瞬时值），电压标尺为 100 V/格（二次瞬时值），TA 变比为1 200/5。A 相故障电流峰值约占 0.9 格，A 相故障电压峰值约占 0.3 格，则 A 相故障电流的有效值可估算为二次有效值=（0.9 格 17 A/格）1.414=10.82 A （1）一次有效值=10.82（1 200/5）=2 596.8 A （2）A 相故障电压有效值可估算为作者简介：范召典，男，本科，研究方向为电力系统故障录波应用与分析。文章编号：2096-9317（2023）01-0234-03光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 照明电气235二次有效值=（0.3 格 100 V/格)1.414=21.22 V （3）一次有效值=21.2（220/0.1）=46.64 kV （4）2.2.2 相位关系的阅读方法（1）不同电气量之间的相位关系阅读。对于不同电气量之间的相位关系，在阅读时首先确定被比较的两个波形中一个波形的过零点或峰值点，然后通过该点作垂直于时间轴的辅助线与需要比较的另一个波形相交7。在辅助线与另一波形的交点的前后找同方向的最近的过零点或峰值点，如果该点所在的时间刻度比辅助线所在的时间刻度小，则所得角为后一波形超前前一波形的相位角；如果该点所在的时间刻度比辅助线所在的时间刻度大，则所得角为前一波形超前后一波形的相位角；如果该点正好在辅助线上，则两个波形同相位8。（2）同一电气量故障前与故障期间的相位关系阅读。阅读同一电气量故障前与故障期间的相位关系时，主要阅读电压波形9。利用故障前电压正弦波中两个同方向上波形的峰值点或过零点，在录波图中作出两点间的水平线段，然后将线段等幅延长到故障时间区域，再作垂直辅助线与故障期间的电压波形相交，在其最临近的同方向波形的过零点或峰值点的位置与辅助线做比较，可以得到故障前后相位的变化10。2.2.3 时间的阅读方法时间可以通过录波图中时间轴的刻度获得，也可以通过波形本身的周波数来计算获得，当系统频率变化时，利用波形本身的周波数来计算时间的方法可能存在偏差，但一般情况下的定性分析均可忽略这种偏差11。其中，故障电流持续时间是故障电流从 0 ms 时开始突变至故障结束的时间；保护动作时间是电流发生突变后保护出口跳闸的时间；断路器的开断时间是从保护出口跳闸到故障电流消失的时间；保护返回时间是故障电流消失、保护跳闸出口命令返回的时间12。3主要电力系统故障特征分析在大电流接地系统中，主要的电力系统故障有单相接地故障、两相短路故障、两相短路接地故障、三相短路故障，其中单相接地短路故障比较常见，约占输电线路故障的 75%以上，而三相短路故障比较少见。在小电流接地系统中，常见故障是单相金属性接地故障13。3.1 单相接地故障单相接地故障典型录波图如图 1 所示，其特点是发生故障的相别电压明显降低，故障相别的电流明显增大，同时有零序电流和零序电压产生；非故障相的电流、电压保持不变；零序电流与故障相电流同向，超前零序电压约 100；零序电压与故障相电压反向，故障相电流滞后故障相电压约 80（系统阻抗角）。图 1单相接地故障典型录波图3.2 两相短路故障两相短路故障典型录波图如图 2 所示，其特点是短路两相的电流急剧增大，短路两相电压急剧减小；无零序电压和零序电流出现；故障两相的电流方向相反；故障两相相间电压超前故障两相相间电流约 75。图 2两相短路故障典型录波图3.3 两相接地短路故障两相接地短路故障典型录波图如图 3 所示，其特点是故障两相电流大幅增大，故障两相电压减小；产生零序电流、零序电压；故障两相相间电压超前故障两相相间电流约 75；产生的零序电流超前零序电压约 100。3.4 三相短路故障三相短路故障典型录波图如图 4 所示，其特点是故障时三相仍然对称，三相电压同时变小，三相电流同时变大，故障特点明显；无零序电压、电流分量；相电压超前相电流约 75。照明电气 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明236图 3两相接地短路故障典型录波图图 4三相短路故障典型录波图3.5 小电流接地系统单相金属性接地故障小电流接地系统是中性点不接地、经消弧线圈接地、高阻接地的电力系统。在我国 3 66 kV 配电网中一般采用小电流接地系统，当电力系统发生单相接地故障时，故障点的接地电流很小，线电压仍保持对称，可以允许运行 1 2 h；但非故障相电压会升高为线电压，对设备的绝缘造成威胁，若不及时处理可能会使事故扩大14。小电流接地系统单相接地故障相量图如图 5 所示，其主要特点是正常时中性点电压为零，而故障时中性点电压变成相电压，与相电压反方向；三相对地电压均发生变化，故障相变为零，非故障相变为线电压。当发生单相接地时，线电压与正常时保持不变，故不影响采用线电压的用电负荷；正常时没有零序电压，发生单相接地故障时会产生零序分量，零序电压等于相电压；发生接地故障后对地电容电流不再是零，而是正常运行时每一相对地电容电流的 3 倍15。4结束语综上，文章总结了大电流接地系统中单相接地故障、两相短路故障、两相短路接地故障、三相短路故障以及小电流接地系统中单相接地故障的基本特点，根据这些故障的基本特点，可以快速初步判断电力系统的故障类型。然后根据故障类型进一步分析电压和电流的相位关系、幅值变化及故障持续时间，进一步确定故障状态。文章的研究为故障定量分析和故障处理提供了理论支撑。参考文献1 国家电力调度通信中心.国家电网公司继电保护培训教材M.北京:中国电力出版社,2009.2 薛峰.怎样分析电力系统故障录波图M.北京:中国电力出版社,2015.3 刘万顺,黄少锋,徐玉琴.电力系统故障分析(第三版)M.北京:中国电力出版社,2010.4 谢国财,温锐,陈琛.基于模糊神经网络的高压电力设备故障预测模型J.电网与清洁能源,2022,38(9):120-125.5 冯俊宗,叶志祥,丁嘉熹,等.电力系统惯量安全机组组合优化决策研究J.哈尔滨理工大学学报,2022,27(5):122-129.6 李群山,刘志成,李鑫,等.基于模糊逻辑算法的电力线路绝缘故障预警方法J.电力科学与技术学报,2022,37(6):190-197.7 谢庆,张煊宇,王春鑫,等.新一代人工智能技术在输变电设备状态评估中的应用现状及展望J.高压电器,2022,58(11):1-16.8 董理科,白鹭,武娜,等.基于知识图谱的电力变压器故障预测方法研究J.高压电器,2022,58(11):151-159.9 邱海枫,苏宁,田松林.改进支持向量机在电力变压器故障诊断中的应用研究J.电测与仪表,2022,59(11):48-53.10 高际航,张艳.基于FWA-PSO-MSVM的船舶区域配电电力系统故障诊断J.计算机科学,2022,49(S2):956-960.11 吴璐子,缪希仁,庄胜斌,等.含分布式电源配电网故障检测与定位研究综述J.福州大学学报(自然科学版),2022,50(6):751-759.12 张彩友,汤耀景,龚列谦,等.GPU并行的电力系统连锁故障快速仿真算法J.电网与清洁能源,2022,38(10):28-34.13 罗兵,王婷婷,石鑫,等.面向电力变压器PHM的数字孪生技术J.南方电网技术,2022,16(12):16-28.14 肖立军,万新宇,刘丹,等.电力电子变压器可靠性评估与故障预诊断J.电力电子技术,2022,56(12):44-47.15 梁剑,黄志鸿,张可人.基于多尺度引导滤波和决策融合的电力设备热故障诊断方法研究J.红外技术,2022,44(12):1344-1350.图 5小电流接地系统单相接地故障相量图