配电网瞬时故障暂态信息的利用.pdf

配 电网瞬时故障暂态信息的利用 陈斯丹 李天友 2 蔡金锭 ( 1 福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 3 5 0 1 0 8 ； 2 国网福建省电力有限公 司，福建 福州 3 5 0 0 0 2 ) 技 术 与 应 用 摘要本文阐述 了配电网瞬时故障暂态信息的产 生原理和故障暂态信号的采集方法，介绍 了 配 电网瞬时故障暂态信 息在接地故障选线上的研 究与应用，并指 出其存在 问题，最后提 出了本课 题对基于配电网瞬时故障暂态信息的配电网绝缘监测的研 究与应用展望。 关键词：配电网；瞬时故障；暂态信息；选线；绝缘监测；故障预警 The Us e o f Tr a ns ie nt Fa u l t I nf o r m a t io il in Dis t r ibut iO i l Ne t wo r k Ch e n S id a nl Li Ti a n y ou 2 Ca iJi n din gl ( 1 Co l l e g e o f El e c t r ic a l En g in e e r in g a n d Au t o ma t io n ， F u z h o u Un iv e r s it y , F u z h o u 3 5 0 1 0 8 ； 2 S t a t e G r id F u j ia n P r o v in c e E l e c t r ic P o w e r C o mp a n y , F u z h o u 3 5 0 0 0 2 ) Abs t r a c t This p a p e r e x pl a in s t he g e ne r a t i ng p r in c ip l e a n d c ol l e c t io n me t h o d o f t r a ns ie n t in fo r ma t io n in dis t r ib u t i on ne t wo r ki nt r o du c e s t he r e s e a r c h a n d a p pl ic a t io n of f a ul t l in e s e l e c t io n t e c h no l o g y ba s e d o n t r a ns ie nt i nf o r ma t io n o f t r a ns ie nt f a ul t ，a nd p o in t s o u t it s p r o b l e ms Fin a l l y ,p u t s f o r wa r d t h e f u t u r e r e s e a r c h me th o d s f o r ins u l a t i on m o n it o r in g o f d is t r ib ut io n n e t wo r k b a s e d o n t r a n s ie n t f a u l t in fo r ma t io n Ke y wo r ds ：d is t r ib u t io n ne t wo r k；t r a n s ie n t f a u l t ：t r a ns ie n t in f o r ma t io n；1 i ne s e l e c t io n； i ns u l a t i on m o n it o r in g： f a u l t e a r l y wa r ni ng 随着智能配电网的进一步发展，电力用户对配 电网的供 电可靠性提出了更高的要求。统计表 明， 在配 电网故障引起 的停 电事故中，单相接地故障约 占事故总数的 8 0 1 ，而其中 7 0 的故障是 由绝缘 劣化引起 的I 2 。配电网在绝缘劣化的过程中，会发 生 大量 瞬 时故 障 ，而每 次瞬 时性 故 障 的发 生 ，都会 伴随着瞬时暂态信号的产生 。因此，通过对暂态信 号 的分 析研 究 ，可 找 出绝 缘 劣化 线路 ，提 高供 电可 靠 性 。本文 将介 绍配 电网瞬 时故 障暂 态信 号 的产 生 原因及采集方法，并介绍暂态信号在接地故障选线 上 的应 用 ，最后 指 出暂态 信 号在绝 缘 监测 方面 的应 用前 景 。 1 瞬时故障暂态信息的产生与采集 1 1 瞬时故障暂态信号产生的原理分析 配 电设备 在 绝缘 劣化 之后 ，绝缘 薄弱 点 易发 生 瞬时性接地故障，并产生暂态信号。本节将对该暂 态信 号 的产 生原理 作详 细分 析 。 国家电网公司重大科技项 目 ( 0 3 1 2 0 1 2 1 9 ) 我 国配 电网大多采用谐振接地方式 ，在发生瞬 时单相接地后，由于 电容、电感类线路动态元件的 存在，会产生明显的暂态过程 ，其暂态过程主要 由 三个部分叠加组成 扪 。第一部分是 ：暂态放电电容 电流 。第 二部分 是 ：暂态 充 电 电容 电流 。第 一和第 二 部分又 称 为暂态 电容 电流 的 自由振 荡分 量 ，第三 部 分是 ：暂态 电感直 流分 量 。 综上 所述 ，三 个 电流暂 态信 号 的产生 可 以等效 为 当发 生瞬 时单相 接地 故 障 时，在 电 网零 序 网络故 障 点处加 入 了一个 零序 电压 而导 致 的暂态 过程 。具 体过程可 由图 1所示的近似零序等效电路L 4 1 进行分 析 。 图 1中，C为配 电网三 相对 地 电容 ； 。 为 三相 线路和电源变压器等在零序回路 中的等值 电感 ； 为零序回路中的等值 电阻 ( 其中包括故障点的接地 电阻和弧道 电阻) ；r 、三分别为消弧线圈的有功损 耗 电阻 和 电感 ； 。为零序 电源 电压 ； 在发 生接地 故障时瞬间闭合 。 对 图 1 分回路进行拉普拉斯变 2 0 1 5 2 期电 毒鼍 l 技 撤I 7 7 技 术 与 应 用 换与反变换可求出各回路的电流表达式： = ( si n si n 一 c。 s c。s w r e-6t+ cos(w t+ (p ( 1 ) 一 i L = L m l c o s (a e 一 c o s ( w t + ) 1 ( 2 ) l j 式中，厶 为电容 电流幅值；w 为电容电流 自由振荡 角频率； W为电源 电压角频率； 为故障初相角； 为电容电流 自由振荡分量的衰减系数； L 为电感电 流幅值； 为电感回路时间常数。 图 1 单相接地近似零序等效电路图 其中，i 。回路为电容回路，由于存在电感和电 容，暂态 电容 电流 i。 中存在高频 自由振荡分量 ，因 电阻 0 的存在，使其快速衰减；f 中的另一部分为 接地后 的稳态电容电流分量；i 回路中，由于存在 电感和 电阻而不存在电容，所 以暂态电感 电流 i 中 存在衰减的直流分量而不存在振荡分量，i 中的另 一 部分为接地后的稳态 电感 电流分量。 把暂态电容电流与暂态电感 电流进行叠加后即 可得暂态总电流 ，即 广 厂 、 f = fc + t ： l ， cm j Wrvf s 1Il s 1n c o s fp c o s w f t le 一 + L 一 I L m C O S o e T L l + ( m 一 L m ) c o s ( w t + ) J ( 3) 由于配网发生绝缘击穿引起瞬时单相接地大多 发生在接近于 =n 2的时刻， 因此 自由振荡分量幅 值大 ，且 自由振荡高，前后两项频率与幅值相差较 大，无互相补偿的情况 。由此可见，绝缘劣化引起 单相接地后的暂态 电流幅值与频率主要由暂态 电容 电流 的幅值与 频率所 决定 。 1 2 瞬时故障暂态信号的采集 由上节瞬时故障暂态过程的分析可知，配 电网 出线单相接地故障时，其暂态过程存在着丰富的故 7 8 f 嘲 麓 艰 2 o 1 5 年 第 2 期 障信息，又因为故障时的暂态过程不受接地方式的 影 响 ，因此 ，采 集瞬 时故 障暂态 信 息用于 分析 配 电 网接地故障有着非常重要的意义 。以下将对瞬时故 障暂态信号的采集作简要介绍。 瞬时故障暂态信号可通过安装于变 电站内的故 障录波装置获取 。故障录波装置采集 电网的零序电 压 、电流信号，并以零序电压瞬时值超过设定的门 槛值来 作 为起动 单相接 地 故障记 录 的条件 ，其 中门 槛值一般设定为 1 0 额定相 电压幅值f 。 如图 2所示，故障录波装置的零序 电压信号来 自变 电站母线上电压互感器二次开 口三角，经隔离 变压器转换为合适的电压信号，再经保护电路、低 通滤波后，利用采样保持器对模拟信号进行采样离 散化处理 ，最后经多路开关、A D 转换把模拟量转 化为相应的数字量。以通信方式送入 C P U 进行处 理 。单 相接 地故 障记 录起 动后 ，故 障录波 装 置记录 相关的故障测量信息和故障特征信息。故障测量信 息包括故障前、故障起止及故障后的电压、电流幅 值和波形 。故障特征信息包括故障方向、故障发生 时间及持续时间等 。 故 障 录 波 装 置 中 的 电流 一 电压变 换 器 设 计 应遵 循 1 7 J ：优先保证下限电流量化值 的精度 ，即满足 测量精度要求的最小工作电流幅值所对应的数字量 值；在可能出现 的最大短路电流情况下，变换后 的电压值不使 A D转换器 出现溢 出。故障录波装置 中的采样保持器则应选择合理的采样频率，保证采 样信号 ( f )准确反映被采样信号 ( 的变化特征。 依据奈奎斯特采样定理，在进行模拟 数字信号的转 换过程 中， 当采样频率 大等于信号中最高频率厂 m 的 2倍时 12 f m 。 ) ，采样之后的数字信号完整地 保留了原始信号中的信息。实际应用中，常采用 ( 5 1 0 ) f m 。 。 图 2 故 障录波 装置 系统框 图 2 配 电网瞬时故障暂态信号的利用 从发生单相接地 故障瞬间到故障进入稳态之 前 ，系统 将经 历一 个 复杂 的暂 态过 渡过 程 ，该暂 态 过程含有丰富的故障信息，暂态零序电流幅值 比稳 态值大几倍到几十倍且不受消弧线圈的影响。 因此， 提取该暂态信号可用于分析故障。本节将主要介绍 基 于配 电网瞬时故障暂态信号 的接 地故障选线技 术 。 目前 ，对 于暂 态信 号 的研 究主要 体 现在对 暂 态 信号处理的数学分析工具应用方面、暂态信号特征 量提取方面及特征量处理方面。这里将对基于暂态 行波的接地选线技术、基于暂态零序 电流特征频带 的接地 选线 技术 和 基于 小波 变换 的接 地选 线技 术 等 进行介绍。 1 )基于暂态行波的接地选线技术 当配 电网发生单相接地故障时，在故障线路和 非故障线路上会产生暂态行波【 8 】 。暂态行波 白故障 点向两侧传播，往母线方 向在母线处发生反射、折 射 ，入射 波 与反 射波 在 故障 线路 上发 生叠 加 ，形成 故障线路 的初始行波 ，其值最大；非故障线路上的 初始行波则 由故障点发出的暂态行波在母线处折射 得来 ，数值 很 小 9 - 1 o l 。 因此 ，借 鉴 比幅 比相法 ，选 出故障线路。 基于暂态行波的配 电网故障选线装置已应用于 全 国十多 个变 电站 。现 场试 验表 明，基 于暂 态行 波 的接地选线技术具有较高的选线精度和灵敏度。但 是行波的传播速度很快，采样频率需 1 MHz左右 ， 硬件成本要求较高 ，且对于开关动作产生的此类操 作波，则易产生误判等现象，还需进一步改进。 2 ) 基于暂态零序 电流特征频带的接地选线技术 故障时零序网络中线路的相频特性 ( 在正负9 0 。 上交变的周期方波函数 ) ，随着频率的逐渐升高，线 路零序阻抗会交替呈容性 、感性出现 ，并且在首段 频带呈容性，基于暂态零序电流特征频带的接地选 线技术就是据此提出的 1 1 - 1 2 】 。若选取所有线路共有 的这个容性频带作为特征频带 ( S e l e c t e d F r e q u e n c y B a n d ，S F B) ，则 S F B内各健全线路的零序分量均呈 容性 。 因此，故障线路暂态零序电流的幅值等于所有 线 路 暂 态 零 序 电 流 幅 值 总 和 的1 2 ( 记 为 I ( f ) 2) ，但健全线路暂态零序电流幅值不到一 半 ，据 此对 故 障线 路做 出选 择 。 以此选 线方 法研 制 的选线装置，已应用于 国内多个地方，应用效果表 明该方法具有较高的选线正确率 。但是该选线方法 的选线准确度易受 S F B选取影响，而配 电线路因结 技 术 与 应 用 构 复杂 ，系 统参 数 多变 ，故障情 况各 不相 同，S F B 不 易确定 。 3 )基于小波变换的接地选线技术 当谐振 接地 系统 发 生 了单 相接 地故 障 时 ，产 生 的暂态零序 电流信号为非平稳信号，而小波变换非 平稳性好，能较好的处理此类信号。故基于小波变 换 的接地选线技术引起了人们 的重视，国内外出现 了大量 的相 关研 究 z 3 - z 4 】 。人们 选取 合适 的小 波包 基 函数，如 D B N小波系，分析故障暂态信号，比较暂 态零序 电流的幅值和极性，判定零序 电流幅值最大 且极性与其他线路相反的线路为故障线路。 采用 小 波原 理 的选 线装 置 也被广 泛应 用于 国 内 诸多地方 ，现场应用表 明，基于小波变换的接地选 线 装置 由于 具有较 强 的抗过 渡 电阻 的能 力 ，且 不 易 受故障发生时刻和补偿度的影响，因此具有较高的 选线 正确 率和可靠 性 。 3 基于配电网瞬时故障暂态信号的应用展望 现阶 段 ，选 线 技术 的研 究是基 于 故障 已经 发生 的情况，即在配电线路发生永久性接地故障后，由 选线 装置 依据选 线 算法选 出故障线 路 。对于 发 生永 久性接地故障，在选 出故障线路后，由运维人员以 人工巡检或借助故障定位的方式，查找故障点；对 于发生瞬时性接地故障，在选 出故障线路后，只能 依靠增加巡检力度来预防因电气设备绝缘劣化导致 的永久性接地故障，而无法永久性故障发生前 ，及 早发现绝缘劣化的设备，做出故障预警。基于以上 分析，对瞬时故障暂态信号在配 电网绝缘监测预警 方 面 的应 用提 出 以下 展望 ： 1 )统计表 明，电力设 备运行 中的故障 ，7 0 是 由绝 缘劣 化 引起 的 。因配 电 网电气设 备在 长期 运行 电压和外界环境因素的影响下，其绝缘劣化为一个 缓慢的过程，刚开始一般发生零星的瞬时故障，随 着绝缘劣化的加剧 ，瞬时故障次数逐渐增多，直至 绝缘完全破坏发生永久性接地故障【 】 。故可依靠分 析瞬时接地故障的暂态信号来监测 电气设备 的绝缘 状 态 。 2 ) 配 电网绝缘监测技术的关键是接地故障选线 技术。但是现有的选线技术均无法满足在各种条件 下的高准确度，故只能依靠技术较为完善的故障波 形采集 记录 装置 ，以零序 电压 超过 阈值 作为 波形 记 录的起动条件，采集记录故障前 、故障时和故障后 的零序 电压、零序电流波形数据 。之后在针对不同 2 o 1 5 年 第 2 期嘲 |舅 l 麓 磁l 7 9 技 术 与 应 用 的条件，采用不同的数学分析方法，如小波变换、 H HT变换等处理暂态信号，再用接地选线故障判据 选 出故 障线路 。 3 )在确定故障线路后，可再进一步使用相关的 定位算法，如复合导纳法定位故障点，亦或是数学 分析算法推断故障原因等，确定绝缘劣化的配电设 备，以便运维人员在巡检时着重检查该设备，提高 巡检的工作效率。 4 结论 本文 通 过分析 暂态 信 号 的产 生原 理分 析 、介绍 瞬时故障暂态信号的采集 ，以及介绍基于故障暂态 信号的在接地故障选线技术方面的应用 ，指出对配 电网瞬时故障暂态信号的利用至关重要。最后，本 文提 出瞬时故障暂态信号在配电网绝缘监测应用的 展望，利用基于瞬时故障暂态信号的绝缘监测技术 在永久性接地故障发生前做 出故障预警，判断绝缘 劣化线路，以保障配电网的可靠运行。同时，本文 指 出实现基于瞬时故障暂态信号的绝缘监测预警的 关键技术是瞬时故障接地选线技术。 参考文献 1 李天友，林秋金中低压配 电技能实务【 M 北京： 中 国电力 出版 社， 2 0 1 2 2 肖登明电力设备在线监测与故障诊断 M】 上海： 上海 交通 大学 出版 社， 2 0 0 5 f 3 贺家李，李永丽，董新洲，等电力系统继 电保护原 理 M 北京：中 国电力 出版 社， 2 0 1 0 f 4 要焕年，曹梅 月电力系统谐振接地【 M 北京：中 国电力 出版社 2 0 0 0 5 武兰 民，穆广祺，王天正消弧线圈在 电力 网的应 用 及优 选 J _山西 电力， 2 0 0 9 ， 5 ( 5 ) ： 5 1 - 5 4 6 】 Y u X ia l i Me t h o d s o f g e t t in g Z e r o s e q u e n c e c u r r e n t i n a S in g l e - P h a s e t o Gr o u n d f a u l t Z 2 0 1 2 ： 6 1 4 - 6 1 5 7 】 郭谋发配电网自动化技术 M 北京：机械工业出 版 社 2 0 1 2 8 王侃，施慎行，杨建明，等基于暂态行波 的接地选 线 装 置及 其 现 场 试 验 J 电 力 自动 化 设 备 ，2 0 0 8 ， 2 8 ( 6 ) ： 1 1 8 - 1 2 1 9 黄悦华，王永辉暂态初始行波相位 比较法接地故 障选线研究 J 中国电力， 2 0 0 8 ， 4 1 ( 4 ) ： 1 1 - 1 4 f l O )董 新洲，毕见广配 电线路暂态行波的分析和接地 选线研究 J 中国电机工程学报， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 4 ) ： 1 - 6 1 1 刘豪基于暂态信号原理的小电流选线装置的应用 及效果分析 J 】 贵州电力技术， 2 0 1 3 ， 1 6 ( 6 ) ： 5 8 6 3 1 2 薛永端，冯祖仁，徐丙垠，等基于暂态零序电流比 较 的 小电流接 地选 线研 究 f J 电力系统 自动 化， 2 0 0 3 ， 2 7 ( 9 ) ： 4 8 - 5 3 1 3 李也 白，唐克义，张霄霄，等小波包原理小 电流接 地选线装置的研发与应用 J 电力系统及其 自动化 学报 ， 2 0 1