[科普中國]-單相故障

在我國3～66kV配電網(wǎng)中，廣泛采用小電流接地系統(tǒng)，而此系統(tǒng)發(fā)生最多的是單相接地故障，所以如何快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出故障線路一直是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的重要研究課題。

概念單相故障在我國3～66kV配電網(wǎng)中發(fā)生頻率較高，所以如何快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出故障線路一直是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的重要研究課題。研究結(jié)合重-同步發(fā)電機(jī)定子單相接地故障暫態(tài)仿真及其保護(hù)措施，研究單相故障的判定中低壓電網(wǎng)。由于其中性點(diǎn)接地方式的靈活性，在發(fā)生單相故障以后，往往不跳閘，對(duì)于運(yùn)行人員來說，如何根據(jù)電壓來判斷故障成為一個(gè)焦點(diǎn)問題。為充分利用單相接地故障的互補(bǔ)信息提高選線保護(hù)的可靠性，提出中性點(diǎn)非有效接地電網(wǎng)信息融合選線方法。該方法采用D—S證據(jù)理論，針對(duì)故障選線問題的具體特點(diǎn)，合理構(gòu)造了選線識(shí)別框架和信度分配函數(shù)，將故障選線問題轉(zhuǎn)化為證據(jù)理論模型。

小電流接地系統(tǒng)單相故障的 Matlab 仿真小電流接地系統(tǒng)又稱為中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)，包括三種接地類型：中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地。我國110 kV以下的電網(wǎng)多采用該系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)不形成短路回路，只是經(jīng)線路對(duì)地電容形成回路，接地點(diǎn)的電流很小，三相線電壓仍然保持對(duì)稱關(guān)系，不影響對(duì)負(fù)荷連續(xù)供電，故不必立即跳閘，規(guī)程規(guī)定可以繼續(xù)運(yùn)行1～2 h，從而提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。但是小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，其它兩相對(duì)地電壓升高，有可能進(jìn)一步擴(kuò)大成兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地甚至是相間短路。所以，一旦發(fā)生了單相接地故障，希望能盡快找到故障點(diǎn)以便運(yùn)行人員及時(shí)排除故障。

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)以中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)為例，對(duì)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障作理論分析。假定饋線2的A相經(jīng)過渡電阻接地，接地電阻為50Ψ。當(dāng)饋線2的A相接地后，如果忽略負(fù)荷電流和電容電流在阻抗上的壓降，則故障線路各相對(duì)地電
壓為

式中，EA、EB、EC是發(fā)電機(jī)三相電動(dòng)勢(shì)?？芍到y(tǒng)A相對(duì)地的電壓等于零，因此各元件A相對(duì)地電容電流也等于零；而故障線路的非故障相的電壓升高到原來的3倍，其對(duì)地電容電流也隨之升高3倍。如考慮負(fù)荷電流和電容電流在阻抗上的壓降，故障相電壓電流不會(huì)降低到0，但較故障前依然會(huì)降低。非故障相的電壓電流不會(huì)升高3倍，但較故障前依然會(huì)升高。

系統(tǒng)仿真Matlab的電力系統(tǒng)工具箱PSB(power system block)含有豐富的電力系統(tǒng)元件模型，包括電源、電機(jī)、電力電子、控制和測(cè)量以及三相元件庫等，再借助于其他模塊庫或工具箱，在Simulink環(huán)境下，可以進(jìn)行電力系統(tǒng)的仿真，尤其可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制方法仿真。

分析小電流接地系統(tǒng)接地故障，最重要的目標(biāo)是獲得零序電流或零序電壓的數(shù)據(jù)；應(yīng)用對(duì)于Matlab分析，就是得到各出線的零序電流或零序電壓的波形，對(duì)其故障期間的波形進(jìn)行分析，從而判斷故障相與故障線路。

為測(cè)得各線路的零序電流和零序電壓，首先在各線路首段串聯(lián)三相電流電壓測(cè)量模塊Three phase V-I measurement，此模塊有兩個(gè)輸出端，輸出矢量信號(hào)，分別輸出線路的三相電流和三相電壓；然后用分路器模塊Demux將矢量信號(hào)分解成三個(gè)單一信號(hào)，分別是A相、B相和C相的電流或電壓；最后用加法器將三個(gè)單一信號(hào)合成一個(gè)信號(hào)，即 3 倍的零序電流或零序電壓，再經(jīng)過數(shù)值為 1/3 的增益模塊 Gain，將零序電流或零序電壓在示波器Scope中輸出。 如果需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行其它處理，可在示波器中將信號(hào)存為 mat 的數(shù)據(jù)文件，保存在Matlab的工作空間Workspace，然后就可以利用 Matlab 的各種信號(hào)及圖形處理工具對(duì)其進(jìn)行處理。

故障選線及選相運(yùn)行 Simulink，運(yùn)行完后，在各個(gè)示波器中就可以參看線路的零序電流波形。仿真得到的各線路的零序電流波形如圖1所示。通過對(duì)圖1(a) (b) (c)比較，可以發(fā)現(xiàn)：0 s～0.045 s各線路完好，三相電流對(duì)稱，因此零序電流等于0。而 0.045 s系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，三相電流不再對(duì)稱，且直到仿真結(jié)束時(shí)刻 0.2 s，系統(tǒng)單相接地故障仍未排除；因此0.045 s～0.2 s各線路存在較大的零序電流。 線路 3 零序電流的方向與線路1、2 零序電流的方向相反，并且數(shù)值比它們大；在同樣時(shí)刻對(duì) 3 個(gè)圖形進(jìn)行采樣，會(huì)發(fā)現(xiàn)線路 3 零序電流等于線路1、2零序電流和，且極性相反。

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，可以通過比較各線路零序電流的大小和方向，由故障線路零序電流與非故障線路零序電流在大小和方向上的差異性，從而做出選線判斷，也就是基波零序電流比幅比相法。再確定故障相，可用故障線路的電流電壓的波形作為判據(jù)，如圖2所示。比較圖2中電流電壓波形：故障發(fā)生后，A相電壓降低，同時(shí)A相電流升高。由此可以判斷出A相就是故障相。1

帶并聯(lián)電抗器輸電線路單相故障性質(zhì)識(shí)別判據(jù)研究進(jìn)展輸電線路采用單相自動(dòng)重合閘技術(shù)快速恢復(fù)供電是國內(nèi)外廣泛采用的一種有效措施。但是現(xiàn)有自動(dòng)重合閘的動(dòng)作具有一定的盲目性，存在重合于永久性故障給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的二次沖擊的危險(xiǎn)。因此，研究自動(dòng)識(shí)別永久性和瞬時(shí)性故障避免盲目重合的自適應(yīng)重合閘具有重要意義。

自適應(yīng)重合閘的核心就是區(qū)分瞬時(shí)性和永久性故障，按其利用的電氣量可分為兩類：基于電壓量和基于電流量判別方法。電壓量判別方法主要包括電容耦合電壓幅值及相位特性2、拍頻特性、一次二次電弧特征等。此類方法在電壓信號(hào)獲取精度高的前提下具有較好的適用性；但對(duì)于帶并抗補(bǔ)償?shù)某?特高壓電網(wǎng)由于斷開相電壓幅值較小，線路電壓互感器的測(cè)量精度難以滿足要求，會(huì)導(dǎo)致該類判別方法工程應(yīng)用存在一定的局限性。而利用電流量包括正交性檢測(cè)低頻自由分量、斷開相并抗電流和中性點(diǎn)小電抗電流幅值比、電流差動(dòng)原理的方法；由于利用了測(cè)量精度高的并聯(lián)電抗器電流量，且信號(hào)獲取可靠性高，為帶并聯(lián)電抗器的線路的單相故障性質(zhì)判別提供了新的可行思路。

研究結(jié)合帶并抗補(bǔ)償線路的自由分量拉普拉斯等值電路分析了系統(tǒng)阻抗及故障點(diǎn)位置變化對(duì)斷開相并抗電流低頻分量頻率的影響，在低頻分量頻率準(zhǔn)確計(jì)算的前提下，預(yù)設(shè)斷開相并抗電流最小二乘擬合模型以求取低頻分量和工頻分量的幅值，由電流幅值特性實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)性和永久性故障的判別。該方法判別原理簡(jiǎn)單，計(jì)算量較小，能夠方便地應(yīng)用于工程實(shí)際。

斷開相電流低頻自由分量特點(diǎn)超/特高壓輸電線路發(fā)生永久性故障時(shí)，由于故障點(diǎn)一直存在，線路電容對(duì)地可靠放電，斷開相并抗電流主要以工頻成分為主，不含低頻振蕩分量。在瞬時(shí)性故障時(shí)，故障點(diǎn)二次電弧熄滅以后斷開相儲(chǔ)存的能量經(jīng)并聯(lián)電抗器與線路電容構(gòu)成的 LC 振蕩回路釋放，導(dǎo)致恢復(fù)階段的電壓電流量除了工頻分量以外，還存在幅值接近或超過工頻量的低頻振蕩分量，以致斷開相并聯(lián)電抗器電流存在明顯拍頻現(xiàn)象。

瞬時(shí)性故障時(shí)，在故障點(diǎn)電弧熄滅瞬間，由于潛供電流為電容性，可近似認(rèn)為此時(shí)能量?jī)?chǔ)存于故障相對(duì)地電容中。假定A相發(fā)生瞬時(shí)性故障，圖3給出了前述線路系統(tǒng)的自由分量的拉普拉斯等值電路。

對(duì)于帶固定補(bǔ)償度并聯(lián)電抗器的線路來說，電抗器電感器參數(shù)為常數(shù)，自由分量頻率可離線準(zhǔn)確計(jì)算；對(duì)于帶可控并聯(lián)電抗器線路來說，當(dāng)并聯(lián)電抗器補(bǔ)償度變化時(shí)對(duì)應(yīng)等值電感參數(shù)也隨之變化，但等值電感可由故障前的電氣量信息計(jì)算得到， 之后計(jì)算低頻自由分量頻率。另外，考慮到線路自阻抗只有幾十歐， 遠(yuǎn)小于自由振蕩回路的數(shù)千歐的容抗和感抗，因此線路自阻抗對(duì)自由分量頻率的影響甚微，即低頻振蕩分量頻率基本不受故障點(diǎn)位置的影響。

以上分析表明，不管是固定補(bǔ)償度線路還是可控補(bǔ)償線路，自由分量頻率基本不受系統(tǒng)阻抗及故障點(diǎn)位置變化影響，計(jì)算自由分量頻率具有較高的精度。因此，在準(zhǔn)確計(jì)算自由分量頻率的前提下，提出一種基于斷開相并抗電流低頻自由分量和工頻分量幅值特性的單相自適應(yīng)重合閘快速判別算法。該算法利用最小二乘擬合原理，可在一個(gè)工頻周期內(nèi)快速計(jì)算斷開相并抗電流的低頻自由分量和工頻分量幅值，且基本不受直流分量和整次諧波影響。

基于電流幅值特征的新判據(jù)由前面的分析可知，低頻自由分量的存在是導(dǎo)致瞬時(shí)性故障電流拍頻現(xiàn)象的直接原因，而永久性故障時(shí)以工頻分量和直流分量為主要形式。因此，據(jù)低頻分量這一特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)單相故障瞬時(shí)性和永久性故障的區(qū)分。理論上，瞬時(shí)性故障時(shí)斷開相并聯(lián)電抗器電流量的低頻自由分量的幅值 IL 接近或大于工頻分量的幅值 I1 ；而永久性故障時(shí)，斷開相并聯(lián)電抗器電流量以工頻分量和直流分量為主要形式，不存在低頻分量，此時(shí)對(duì)應(yīng)的低頻電流分量幅值 IL 應(yīng)接近0。

實(shí)際上，自由分量頻率的計(jì)算誤差會(huì)影響工頻、自由分量幅值計(jì)算精度，但由于采用了具有穩(wěn)定良好的最小二乘擬合方法，可在一定程度上減小自由分量頻率誤差帶來的誤差，因此在整定判據(jù)門檻時(shí)要考慮該因素影響。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李雪梅 - 副教授 - 西南大學(xué)