（电力系统及其自动化专业论文）故障录波数据中的故障信息提取与分析.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文故障录波数据中的故障信息提取 与分析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：至! 塑e t 期：圣竺五王! ! 墨 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：量f 鲨远 导师签名： 华北电力大学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着电网的规模和范围越来越大，其安全运行对国民经济的影响也越重。电力 系统主要由：发电机、变压器、母线、输电线、电抗器、电容器、电动机等设备组 成，构成复杂、元器件数量庞大。在电力系统中，由于自然灾害、设备老化及各种 人为原因，不可避免的会发生电力系统故障，停电对于社会生活生产造成的损失将 是巨大的。因此，保证电力系统安全、稳定、可靠的运行，也是我国经济发展的基 本保障之一。 通过对故障信号的特征信息提取和分析，为工作人员正确分析事故原因并采取 相应对策提供了有力支持。其应用还有检验保护和自动装置 4 5 1 动作、故障地位、保 存故障信息资料等方面。目前，在各种先进技术的支持下，用于故障综合分析与计 算已成为研究的必然方向。其中故障录波器是在电力系统发生异常扰动、故障及振 荡时能自动记录扰动过程的装置，提供分析所用的原始数据，是分析的基础。它可 以记录因短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等大扰动引起的系统电流、电 压、有功、无功及系统频率的全过程变化。目前，故障录波器的应用已很广泛，2 2 0 k v 及以上等级电网和大型发电机组已基本普及。尤其在电网中，主要因为输电线空间 距离大，一般为几十至几百公里，由于长期暴露其运行环境条件恶劣，进行有效的 维护难，所以输电线发生短路故障的可能性比其他冗器件的可能性要大得多。 利用通信设备将各个录波器的故障信息通过信道传送到调度中心，故障信息分 析软件根据录波数据提供的系统暂态过程中系统各电参量的变化提取故障过程的 特征信息，在现有的故障分析原理的理论支持下，进行全面综合准确的故障分析。 自动化的故障分析，不但可以大大提高整个电网的自动化水平，更重要的是加强了 对故障的分析处理能力，同时，故障信息提取与分析也给故障测距提供了很好的外 部条件，为推动故障测距技术的进步拓展了更广泛的发展空间。 现有的利用故障录波数据进行故障分析与诊断的功能在实际中应用还较少并 不十分成熟。这是由于对录波数据本身特点还缺乏够全面彻底的了解，以及结合这 些特点对故障从原理上分析不足，从而降低了录波数据的利用率。目前录波器数据 采集系统的采样频率高达1 0 k h z ，可以得到较高分辨率的电气量波形和数据，其中 包含了丰富的故障暂态信息，有着巨大的分析潜力。现在存在的主要问题是对电气 量波形能够进行记录和谐波分析以及对某些故障量的特征分析，但是真正用于系统 参数的识别及暂态过程分析的内容还很少，远末达到进行精确故障分析的标准，故 华北电力大学硕士学位论文 障录波数据中所含的丰富信息依然有待挖掘。 1 2 国内外故障录波技术 故障录波器【1 1 已经过机械一油墨式故障录波器、机械一光学式故障录波器发展 到目前的微机数字式故障录波器。由于微机一数字式故障录波器硬件设计灵活经 济，性能优越，广泛被国内各电厂、变电站采用，是故障录波器当今发展的主流。 1 2 1 国内故障录波器的现状发展 国内对故障录波器【l l 的研制和开发已经有多年的历史，经过早期的机电式录波 器、光纤式录波器和采用固态数据存储器的录波器，现在微机数字录波器已经开始普 遍应用。目前硬件典型结构为d s p + c p u 的双c p u 模块化结构，能在完成高速采样 的同时进行快速傅立叶( f f t ) 等复杂的数字滤波运算，提高了录波启动的准确性和抗干 扰性。整个装置可分为：前置机和后台机。 前置机完成数据采集通过p c i 总线与后台工控机为后台机进行数据交换，后台 机与各前置机相对独立，每个模拟量前置机可管多路模拟量，每个开关量前置机可管 理多路开关量，前置机的数量可根据用户的不同要求而配置。 模拟量前置机主要负责将输入的电流、电压、高频等电量经过整理变换成数字 信号并存入数据存贮器；开关量前置机将开关接点信号经过光耦隔离变换成数字信 号，存入数据存贮器，然后再传给后台机；后台机是整个录波器的核心，它负责录波 器的人机对话、数据的处理和存贮、和各前置机交换数据、与上级部门通信等。 目前，装置的主要性能为：模拟信号采样频率可高达1 0 k h z ；分辨率为1 6 位； 谐波分辨率3 0 次，开关事件分辨率0 1 m s ；电流、电压波形采样精度：0 5 级，故障 测距精度优于5 。除高频信号外，所有输入信号都可作为启动量，越限启动量精 度优于5 ，突变启动量精度优于1 0 。相应的后台软件，以多任务控制系统为软 件核心，任务项包括录波、故障自动分析、打印、参数修改、通信等，现在装置上 还设有g p s 接口，可接收g p s 对时信息。目前国内变电站综合自动化的发展，对 故障录波器提出了更高的要求。除已开发的集中式故障录波器外，分散式故障录波 器也正在开发。 1 2 2 国外故障录波器的现状和发展 国外的故障录波器【1 1 - - 般采用分散式结构，标准化模块设计，可以分散安装在 开关柜或保护小室内，通过以太网可以连到一台所级计算机或远传到调度中心。以 西门子公司的故障及数字录波器s i m e a s r 为例。该仪器主要特点为：模拟量采样 2 华北电力大学硕士学位论文 频率为1 2 81 【h z ；分辨率为1 6 位；开关量输入以2k h z 的频率采样。每一路输入 都装有放大器、抗混叠滤波器和一个a d 转换器。数据采集模块通过高速的1 6 m b s 的总线跟中央处理器连接。 s i m e a sr 在硬件配置和软件设计方面都有自己与众不同的特点。概括起来，主 要有以下几个方面： 1 ) 新的变送器原理允许电流的测量范围为有效值0 4 0 0 a ，这种互感器使得 记录2 0 0 a 的同时可有1 0 0 的直流偏移分量； 2 ) 测量误差小于0 2 ，1 2 8 k h z 的采样频率，具有5 0 次谐波的分析能力； 3 ) 采用数据压缩技术，使大量数据减少为原来的2 5 ，不仅提高了存贮能 力，还利于存贮器进行分布数据归档和快速向电力控制中心传输数据； 4 )每个s i m e a s r 设备都可以和l a n 及模拟或数字i s d n 电话网连接； 西门子故障录波系统装有自动计算程序，当数据被记录后，程序自动启动并产 生一个目录文件，包括所有需要的信息，并对每一条馈线都进行诊断。d a k o n 故 障数据管理装置就实现这一功能，它装有o s c o p p 故障分析软件包，能实现高精度 测距、谐波分析、电能质量分析等功能。如果在调度端装有0 s c o p p 程序包，就可 实现远方控制和管理。除了西门子公司的产品外，国外其它些厂家也有类似的产 品。 1 2 3 国内外故障录波器的比较 与国外相比，国内的故障录波器主要还还存在一些不足：元器件的制造工艺、结 构、质量等方面差距明显。国外录波器的模块式结构使以后的扩展被简单集成到现 有的结构中，且采用数据压缩技术，存贮容量大。但硬件配置如芯片、系统容量、结 构等开始接近国外故障录波器数据的采集、计算和判断能力有了大幅度提高。 国外的故障录波器一般是多功能的智能化装置，能记录短路故障、低频振荡、 暂态故障，还能进行故障定位、谐波分析和电能质量分析，而国内的录波器数据分析 能力还不足，故障测距结果不准；由于国内的故障录波器机型各种各样，录波的数据 格式、远传实现的格式各也不相同，缺少统一的技术规范，不利于应用的通用性。 另外，我们国内的后台分析软件与国外的相比也有一定的差距。国外的故障录 波器一般是多功能的智能化装置，能记录短路故障、低频振荡、暂态故障，还能进 行故障定位、谐波分析和电能质量分析，而国内的录波器数据分析能力较差。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 3 故障信息提取与分析的意义及现状 1 3 1 故障信息提取与分析的意义 故障录波装置能够相继记录电网故障发生前后电气量和状态变化过程信息，完 整地反映故障后的瞬间变化及继电保护的动作行为，并能数据存档。在此基础上， 通过提取故障过程的特征信息，为工作人员提供运行维护的参考，同时为故障分析 提供依据。例如在系统中电力传输线是一个极为重要有特殊的组成部分。由于电力 传输线线路长，又暴露在空气中，很容易发生故障。安全可靠供电是电力系统的主要 目标之一。因此如何及时确定故障地点和快速地抢修就成为重要任务。而要完成这个 任务就必须找到可以精确、快速、可靠地测量出故障所在位置的算法。 故障分析主要是对各种保护装置产生的报警信息、断路器的状态变化信息以及 电压电流等测量量进行分析。分析的作用主要有：分析事故的原因并研究对策、评估 继电保护和自动装置的工作、检验继电保护与安全自动装置的动作行为、寻找故障 点、发现一次设备缺陷，及时消除隐患、发现继电保护和自动装置缺陷，便于改进 和完善装置、提供转换性故障和非全相运行再故障资料、研究电力系统内部过电压、 实测系统参数、分析研究系统振荡问题。诊断故障原因同时，了解系统暂态过程中 系统各电参量的变化规律，校核电力系统计算程序及模型参数的正确性 3 】。 统计结果表明：在线路故障中，超过7 0 的故障为单相接地短路，其中8 0 以 上都是瞬时故障。当发生单相接地短路时，只跳开故障相并进行重合是确保电力系 统安全稳定运行的重要举措之一，但若重合于永久性故障，将会给系统和设备带来 极大的危害。诊断装置自动重合闸动作可靠性，就依赖于准确地分析永久性和瞬时 性故障。 当系统发生振荡时，故障录波装置的录波图可以提供系统振荡从发生、失步、 同步振荡、异步振荡和再同步的全过程以及振荡周期、电流、电压等参数的特征和 变化规律。因此，利用录波资料，可帮助分析和研究系统振荡问题，以确定处理方 法，缩短振荡时间，实现快速再同步，尽快平息振荡。 在电力系统运行中，在发生一种故障且该故障并未消除时又可能发生另外一种 故障，或者在非全相运行过程中可能又发生故障。由于这些情况是发生在很短时间 内，值班人员很难发现，主控室内的仪表也很难反映出来，如无故障录波就很难弄 清这些情况，也很难判断继电保护和自动装置能否适应此种情况。而根据故障录波 数据分析，则可了解线路故障时的故障类型转换和非全相运行过程又发生事故的情 况、特点和时间等等。 以上只是故障分析应用得一部分，由于系统规模的扩大，组成元件种类繁多数 量巨大，造成系统结构极其复杂。单个元件的故障就有可能引发大扰动，进而导致 4 华北电力大学硕士学位论文 系统不稳定。美、加“8 1 4 ”大停电、欧洲各国发生的大停电和我国海南电网、华 中电网发生的事故等充分说明了这一点。所以通过故障分析不仅对于电力系统的安 全可靠运行起着十分重要的作用，而且对于系统规划设计也是重要的参考。 1 3 2 相关技术与发展 分析的主要方法有两大类，一、是通过现有故障计算理论根据计算结果和实测 电气量进行分析，主要有对称分量法和集中在频域以傅氏算法为基础的谐波分析。 但故障分析算法有待改进，准确性有待提高现有的故障录波信息处理系统在故障分 析过程中精确性不高，有时甚至出现误判。当前的故障录波信息处理中主要是利用 离散傅立叶变换实现谐波分析的，但是直接使用离散傅立叶变换计算量太大。随着 硬件性能的快速提高，数字信号处理波技术在故障录波数据分析中开始广泛应用， 如小波理论、形态学等分析高频暂态分量，从原理上改进精确度，实时性上。文献 1 6 、1 7 提到小波分析具有局部放大，多分辨分析功能，特别适于分析局部特性， 检测奇异点等。而形态学【4 】只需加减运算，因此数度快，实时性好，而且对噪声的 抑制特别有效。但是，应用这些方法必须要求硬件方面有很大的提高，尤其是采样 率方面要求很高，目前的故障录波器采样速率虽有提高但在应用暂态分析原理时还 是不够。此外，这些方法在实际应用中还存在不少待解决的问题。因此，在新的方 法应用之前，在现有硬件条件基础上，充分挖掘现有录波器的潜能，得到更精确、 实时的算法，极具现实意义。二、是根据保护动作的逻辑和运行人员的经验来推断 可能的故障位置和故障类型，由于这过程很难用传统的数学方法描述，人工智能 技术在处理问题的过程中有了广阔的应用空问。如模糊理论( f u z z yt h e o r y ) 、专家系 统( e x p e rs y s t e m ) 、人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ) 、遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m s ) 及p e t r i 网( p e t r in e t ) 等概念。 现有故障定位方法【3 8 】中，主要采用单端电气量的故障定位算法，即使利用双端数据 进行故障定位，大多也是采用集中式参数模型，利用解微分方程的方法，并且没有进行 参数的在线估计，因此，其定位的精确度不商。所以要求对当前故障分析算法进行改进， 实现准确、高效的故障分析。为此许多电力工作者做了大量的工作。他们在基于双端量， 分布参数模型的基础上，已成功的进行了线路测距的研究。并且已利用故障前后的电压、 电流相量修正由于不同步角，实际线路参数与给定参数不同等因素而产生的测距误差， 但还有测距时实际线路长度与给定线路长度不同等，测距过程中依然存在诸多影响测距 误差的因素。 1 4 本文的主要研究内容 通过现有故障录波装置，获得故障过程的录波数据文件已经非常方便。在此基础上， 故障录波分析的作用主要是事后分析而非反应于保护，所以在很多情况下，对于故障录 5 华北电力大学硕士学何论文 波数据分析而言，速度并不是占第一位的，准确性才是占第一位的指标。目前研究中存 在的以下难点：由于录波器的不同，信息提取会有局限性，在故障过程中各种状态时刻 的确定因具体故障和对象较通用的特征不易得到；录波数据的时标准确度影响数据同 步，通用性更高的故障分析算法等问题。针对这些问题本文进行了如下主要工作。 1 、分析了故障录波器录波数据的特性； 2 、分析故障分析的对象在各种故障时的各种特征及其提取方法，以及算法的适用 范围； 3 、总结各种故障诊断方法的应用经验，提出应用频谱特征的小波提取方法获得故 障特征，设计基于能量变化的故障性质分析方案； 4 、根据录波数据特性，选取基于工频向量的分布参数故障定位模型，通过参数识 别方法改进测距算法。 6 华北电力大学硕+ 学位论文 第二章故障录波数据特性分析 分析、研究故障发生、发展的规律，并采取相应的措施，能有效地减少它们的 发生。而记录下故障发生前、发生时、发生后的波形和数据，是进行行之有效的故 障规律研究的基础。故障录波器就是达到这些要求的有力工具。采集故障录波数据 时故障录波器的主要工作，同时故障录波数据是故障分析、故障定位等功能的根本 依据。所以，了解掌握数据本身特点是进行后续分析工作的基础。 故障录波器是电力系统发生故障时能自动记录相关电气量的装置。正常情况下 不启动或只进行系统数据采集，发生故障或振荡时启动进行录波。一般可以记录故障 前几百毫秒，故障后几千毫秒时间段内的电压、电流、功率变化及继电保护动作等情 况，从而为分析事故提供科学依据。 电力系统的故障动态记录可分为三种【2 l ； 1 高速故障记录用于记录因短路故障或系统操作引起的、由线路分布参数作 用的、在线路上出现的电流及电压暂态过程。 2 故障动态过程记录记录因大扰动引起的系统电流、电压及其导出量，主要 用于监测继电保护与安自装置的动作行为。现在系统中运行的各种故障录波器 多属此类。 3 长过程动态记录用于记录线路的潮流、母线电压及频率等。 t = o i u s 系统久掺础歼毓州受 一j 一l v si 梭拟礁采 时段顺皆 a 时段：系统大扰动开始前的状态数据，输出高速原始记录波形，记录时问不少于 4 0 m s 。 b 时段：系统大扰动后初期的状态数据，输出高速原始记录波形，记录时间大于 o 1 s 。 c 时段：系统动态过程数据，输出低速原始记录波形，记录时间大于2 s 。 d 时段：系统长过程的动态数据，低速输出一个工频有效值，记录时间大于6 0 0 s 。 故障录波器的数据通过采集一次电压互感器和电流互感器传变的电气量，因而 电压互感器和电流互感器的性能直接影响故障分析和测距的准确性。 7 十 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 1 故障录波器电气接线图 2 1 电压互感器特性及对数据的影响 2 1 1 电压互感器发展现状 电力系统中，电压的测量是不可缺少的基本参数测量。电压互感器【5 】按工作原 理可以分为电磁式和电容式两大类。最早1 1 0 、2 2 0 k v 等级的发电厂升压站和降压 变电站的母线，多采用电磁式电压互感器( 简称t v ) 作为测量电压和功率的设备，但 电磁式电压互感器存在先天缺陷，如容易与线路分布电容产生铁磁谐振、只能够作 测量电压、功率和发电保护等，虽然经过多次改型，但是事故仍末杜绝。而且随着 电力系统输电电压的提高，t v 体积越来越大，成本也越来越高，因此需要寻求其 他型式的电压互感器来满足电力系统日益发展的要求。就是在这样的要求下，电容 式电压互感器( c a p a c i t o rv o l t a g et r a n s f o r m e r 简称c v t ) 在上世纪五十年代被研究开 发出来了，它建立于原有电容套管电压抽取装置的基础上，可供1 1 0 k v 及以上等级 中性点直接接地系统电压测量、高频通讯和继电保护使用，发展至今已经有五十多 年的历史，在电力系统中广泛应用于发电厂升压站和降压变电站的母线上。c v t 与 t v 相比较，具有体积小，重量轻，维护工作量少，电场强度裕度大，绝缘可靠性 高，且分压电容可兼作耦合电容器供高频载波通道使用，不会与开关端口电容形成 铁磁谐振、价格便宜等优点。 据调查，在国外，7 2 5 k v 以上的电压等级的电压互感器几乎全部采用c v t 已 有较长的运行经验。而在国内，c v t 虽然还没有完全普及，但随着国产c v t 技术 性能的改进，c v t 应用也越来越广泛。2 2 0 k v 及以上电压等级的c v t 的造价比电磁 式低，且具有绝缘冲击强度高等优点，在国内此类电压等级的电力系统中，c v t 已 逐步代替t v 。对于1 1 0 、2 2 0 k v 的c v t ，过去多用于出线上作为并列监视用，通 过长期的考验，其运行较稳定，从事故统计看，其事故概率远小于t v ，且事故原 8 华北电力大学硕十学位论文 因大都是制造质量或维护不当等人为因素造成的。因此，在我国1 1 0 k v 及以上的发 电厂升压站和变电站母线以及出线上均将逐步采用c v t 。以下就c v t 特性进行详 细分析。 2 1 2 电容式电压互感器特性分析 上 鱼营 阻皑嚣 图2 - 2 电容式电压互感器原理接线图 常规的电容式电压互感器( c v t ) 由于截止频率太低【5 】，不能真实地传变故障暂态 信号。根据i e c 的相关规定，在一次端子与接地端之间的电源短路，电容式电压互 感器的二次输出电压随即出现衰减，其电压衰减到短路前的电压峰值的1 0 所需的 时间应小于额定频率的1 个周期( 我国5 0h z 系统，为2 0 m s ) 。c v t 的过渡过程性能 较普通的电磁型电压互感器差，因为电容和电感中所储存的电磁能量不能突变，所 以当一次电压突然变化时，二次端输出电压不能随之线性变化，而需经过一个振荡 过程才能达到稳定状态。根据电容式电压互感器的一般参数，振荡过程的频率远低 于系统频率，衰减过程也比较长。另外，在使用c v t 时，其二次侧电压经过全波( 或 者半波1 傅立叶算法后，计算出的电压有效值并不是单调一下降到稳定值，而是存在 一个波动的过程，在某段时间内比稳定故障电压还要低。 目前阻尼器采用较多的是谐振型阻尼器和速饱和型阻尼器。谐振型c v t 的暂态 过程比速饱和型c v t 严重，暂态量的幅值较大，最大能达到额定电压的1 5 ，但 其衰减较快，4 0 m s 后，基本衰减完毕：速饱和型c v t 的暂态量幅值最大可达额定 电压的5 ，但其衰减较慢，需要l o o m s 以上的衰减时间，这主要是由于其阻尼器 虽然储能少，但对暂态能量的衰减作用也小造成的。 c 。lr上n 辟i n ：l t ，总， 图2 - 3 谐振型c v t 的完整电路图 9 华北电力大学硕士学伉论文 u l为一次侧线路电压； c 1 ，c 2分压电容； l 。r 为补偿电抗器； c t l为一次侧线圈的等效杂散电容； l t l ，r t l ，lt 2 r 3 2分别为中间变胝器的一次侧、二次侧漏感，漏阻； l 。，r f 。为中间变压器的励磁线圈的非线性的电感和铁耗； r f ，l f ，f f ，c f 组成谐振型阻尼器； l o ，为c v t 的二次负载。 圈2 4c v t 的运算电路图 令z 12 石1 哪鸭；z 2 2 r 坶z 3 2 髟+ 面 电压变换传递函数： g ( s ) ：呈磐：一互墨一 ( 2 1 ) u ( s ) z l z 2 + z 2 2 3 + z l 乙 系统线路阻抗比( s i r ) 系统等效阻抗与线路阻抗之比，对c v t 的暂态误差 影响很大【6 1 。线路末端三相短路，线路正序阻抗角与电源等效正序阻抗角相等，则c v t 安装处的残压为矿= 再丢e ，电压变化量为u = 1 + s i 跚r e c v t 暂态分量与电压 变化量成正比，相同线路相同故障，随着s i r 的增大。c v t 的暂态分量也随着变大，对 保护的影响增大。 对于对应频率测量的误差，国家标准g b 4 7 0 3 - - 8 4 及i e c l 8 6 a 规定电容式电压 互感器r ( c v t ) 的测量绕组应在其额定频率氐的( 9 9 1 0 1 ) 范围内满足精度要求：保 护绕组应在其额定频率的( 9 6 1 0 2 ) 范围内满足精度要求。 1 0 华北电力大学硕十学位论文 冒 量 l 图2 - 5c v t 的幅频和相频特性 由此可以看出，c v t 是一带通的系统【川，对低次谐波和高次谐波具有滤波效果， 其通带为8 0 1 1 0 0 r a d s ，合1 2 h z 一2 0 0 h z 。这对于滤除一次系统的衰减非周期分量及 高频分量意义重大。 经过上述电容式电压互感器的特性描述和分析，可得到其综合特性： 1 分压电容和阻尼器的作用使之无法线性的反映故障暂态信号。 2 随着s i r 的增大，c v t 暂态误差分量也随之增大。 3 c v t 具有带通特性，只能传变部分故障信号。 2 2 电流互感器特- 眭及对数据的影响 2 2 1 电流互感器发展现状 目前，电力系统中广泛采用的传统电磁式电流互感器，利用电磁感应原理将电流变 换为5 a ，l a ，是为满足电磁式继电保护和控制装置、电动式量测和计量仪表的输入要 求而设计的。其主要优点是：简单、可靠性高、输出容量大，性能比较稳定，适合长期 运行，并且有长期运行的经验。 电流互感器( t a ) 是将一次回路的大电流成正比地变换为二次小电流。电流互感器的 一次绕组和二次绕组绕在同一个磁路闭合的铁芯上，如果次绕组带电而二次绕组开 路，互感器成为一个带铁心的电抗器。一次绕组中的电压降等于铁心磁通在该绕组中引 起的电动势，铁心磁通也在二次绕组中感应出相应的电动势。如果二次回路通过一个阻 抗形成闭路，则_ 次回路将产生一个电流，此电流在铁心中产生的磁通趋向于抵消一次 绕组电流产生的磁通。忽略误差时，二次回路电流与一次回路电流之比等于一次绕组匝 数与二次绕组匝数之比。 电流互感器按其性能和用途可分为两大类： 华北电力大学顽十学位论文 a 镤0 量用互感器：电力系统正常运行时，将相应电路的电流变换供给测量仪表、积 分仪表和其他类似电器，用于运行状态监视、记录和电能计量等用途。 b 保护用互感器：电力系统非正常运行和故障状态下，将相应电路的电流变换供给 给继电保护装置和其他类似电器。测量用和保护用两类电流互感器的工作范围和性能差 别很大，一般不能共用。 其中，保护用电流互感器又分【8 】：p 和t p 。p 意为保护，主要包括p ，p x 和p r 等 类型。该类电流互感器的准确限值是由次电流为稳态对称电流时的复合误差或励磁特 性拐点来确定的。是当前最广泛采用的电流互感器，一般按通过互感器的最大稳态短路 电流选用电流互感器，不特殊考虑暂态饱和问题，而由继电保护装置采取必要的措施防 止互感器暂态饱和引起保护装置的误动或拒动。t p 意为暂态保护，此类电流互感器要 求在最严重的暂态条件下不饱和，二次电流的误差在规定范围内。准确限值是考虑一次 电流中同时具有周期分量和非周期分量，并按某一种规定的暂态工作循环时的峰值误差 来确定。因此，该类电流互感器适用于考虑短路电流中非周期分量暂态影响的情况。为 此，需要显著增大电流互感器的尺寸，保持准确性。这类互感器广泛用在超高压系统和 大容量发电机组。 然而，随着电力系统传输容量的增加，电压等级升高，传统电流互感器的传感原理 出现了以下问题 9 1 ：结构日趋复杂，体积大、造价高；在故障电流下铁芯易饱和，使二 次电流值和波形失真，产生测量误差；充油易爆炸而导致突然失效；若输出端开路，产 生高电压对周围设备和人员存在潜在的威胁，易受电磁干扰。 因此，必须研制利用其他传感原理的新型电流互感器。目前，在电力系统的保护装 置、电网运行监视与控制系统等已基本实现微机化，取用功率很小，故利用其他原理实 现电流传感已成为可能。新型电流互感器按高、低压部分的耦合方式，可分为无线电电 磁波耦合式、电容耦合式和光电耦合式。其中，光电式电流互感器o c t ( o p t i c a lc u r r e n t t r a n s d u c e r ) 性能最佳。 2 2 2 电流互感器特性分析 1 电流互感器比值误差与相角误差1 0 】 电流互感器的磁通是由流过一次绕组的电流i 。产生的，i o w 。称为激磁磁势，激 磁磁势i o w 。的相位和大小决定于接到电流互感器次级电路的负载，以及铁芯材料的 导磁率和电流互感器的结构参数，其大小只占l i w ，额定值的很小比例，电流i 。称谓 激磁电流。 1 2 华北电力大学硕十学位论文 图2 6t a 等值电路图 其中，z 1 为一次绕组的漏抗 z 2 为二次绕组的漏抗 z l 为负载阻抗 z m 为励磁阻抗。 显然激磁磁势i o w 。：即要平衡次级磁势i 。w 。，又要平衡初级磁势i t w 。因此，它 应该满足i o w l - i w 。+ i 。w 。电流互感器的误差是由励磁电流产生的。励磁阻抗越大， 误差越小。误差包括比差和角差。 如果电流互感器的比值误差不大于1 0 ，角度误差应不大于7 。 规程规定，保护用电流互感器( 包括中间电流互感器) 的稳态比值误差不应大于 1 0 。因此，在已知包括一次电缆在内的负载阻抗值，在通过最大短路电流条件下， 要求电流互感器的误差不大于1 0 。1 0 误差曲线可以利用制造厂家提供的资料，或 利用电流互感器的伏安特性曲线求出。 在我国，继电保护用的电流互感器一般分为d 级和b 级，它的使用条件是在规 定负载阻抗和短路电流对额定电流的倍数下，电流比值误差不大于1 0 。另一种用 于测量表计回路的电流互感器为0 。5 级，它在额定电流条件下的电流比值误差为 0 5 ，但不保证在短路电流条件下的误差值，所以测量用电流互感器一般不接入继 电保护或故障录波装置。 2 电流互感器的1 0 误差曲线 电流互感器的1 0 误差曲线，是以一次回路流过的最大电流与电流互感器的额 定电流的变比m 为横轴，以流过此电流互感器的误差不超过1 0 的- 次侧负载阻抗 为纵轴绘制的曲线。 - - 攻负蔫，n i o 赫帮l h , k 5 器 二= 赢直膏，o 舢一蛐咀疏n 癌嚣 图2 7 电流互感器1 0 误差特性 1 3 华北电力大学硕士学位论文 校验电流互感器误差时，根据实际短路电流对电流互感器题定一次电流的比值 m ，从1 0 误差曲线取得电流互感器的允许负载阻抗z ，值。二次电缆的电阻“应为 如果电流互感器的误差不能满足小于1 0 的要求时，产生的后果是，反应故障电流 比实际电流小。 3 电流互感器的饱和问题【1 0 】 由电流互感器的等值电路，我可得到其负载磁链方程： 皇竖：厶堕+ i 见 ( 2 2 ) d ld t 两边积分 y ( f ) = y ( o ) + 厶岛+ 【是之d ( 2 - 3 ) 将i 。= i 广i 。代入 ( f ) 2 ( o ) + ( 厶十l 兄m ) 一( 岛+ l 恐疵) ( 2 4 ) 当电流互感器一次侧电流为直流时，积分是一直增加的，最终将使得电流互感 器达到饱和磁通，从而使一次侧电流全部流入励磁支路，二次侧电流变为零，不能 传变一次侧电流。由此可见，在一次电流较大或有较大直流分量时，可能导致磁链 积分值的连续增加，最终使t a 进入饱和状态。 电流互感器饱和的因素主要有以下几点： ( 1 ) 一次侧暂态短路电流中非周期分量的大小，与短路电流水平和短路时刻有 关。 ( 2 ) 一次侧系统的时间常数。 ( 3 ) 二次侧负荷的大小与性质。 ( 4 ) 电流互感器铁芯中的剩磁。由于在正常运行情况下，电流互感器铁芯工作 在低密条件下，发生短路后剩磁对电流互感器饱和影响不大，但当短路切除后，铁 芯中的磁通将沿着磁滞回线下降到剩磁值，如果剩磁的极性与故障时短路电流所产 生的极性相同，铁芯将更快地趋于饱和。 实际电力系统中故障电流由衰减的直流分量和稳态的工频分量组成的，衰减的 直流分量的持续积分作用导致t a 进入饱和，如果剩磁方向和直流分量的作用同向， 饱和将更加严重；而工频电流在一个周期内积分等于零，叠加在衰减直流分量后使 t a 在一段时问内工作在偏向于励磁特性一侧的饱和区，电流在一个周期内一段时间 饱和，一段时间退出饱和。这就是t a 的暂态饱和，随着时间的推移，当直流分量 衰减结束，导致励磁电流越来越小，最后，t a 就完全退出饱和，并且能够正确的反 映一次侧的稳态短路电流。在故障刚发生的时候，直流分量的持续时间还没有使t a 达到饱和。一般t a 在故障发生后的1 4 个周波时间内还没有进入饱和，这是许多 保护装置用来检测t a 饱和的一个重要特征。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 由于t a 饱和主要是由于非周期分量在励磁回路逐渐建立起饱和磁通而产生的， 所以次回路的时间常数的大小也是影响t a 饱和的重要因素。当次系统的时间 常数较大时，由于非周期分量电流在t a 的励磁线圈内由足够长的增长时间，即使 短路电流不大，也可使t a 产生较为严重的饱和。从电流互感器的1 0 误差曲线，可 以看出较大的二次侧负载阻抗更易使t a 进入饱和，同时，t a 二次侧负载性质的不 同也会对二次电流波形产生一定的影响。 4 铁心剩磁i l o 】 电流互感器的剩磁是电流互感器饱和的重要原因之一。通过互感器的一次电流 和铁心材料是影响电流互感器剩磁的主要因素。在正常工况下，一次电流较小，不 存在剩磁问题。而发生故障，产生的短路电流使电流互感器工作在高磁密下，在二 次回路时间常数内无法完全衰减，最后产生剩磁。 经测量发现有相当数量的电流互感器有较大的剩磁。超高压电网中系统的时间 常数t 值很大，电流互感器的工作条件更为严重。因此，近年来，在中高压电网中 已广泛地采用带有小气隙地电流互感器，以适应快速继电保护可靠工作的需要。 耋鋈0025005一 篱州 扣m s 【川 o i o 。，。j 。 萎：蓁l o o 一 霉 n 毪铲劳苍产1 一 f 叠k 图2 - 8 电流互感器幅频相频特性 综合上述分析，电流互感器在实际应用中主要的问题依然是，故障电流引起互 感器饱和而无法在故障期间准确反映故障电流。但电流互感器频带较宽，可达 l o o k h z 以上，且有明显的高频放大特点。所以在现有的技术条件下，利用故障全 过程电流量信息仍有实际意义。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 第三章故障分析 通过对录波数据的分析可以得到如下信息包括：故障线路，故障时间，故障相 别，故障距离，故障后电流、电压的有效值，跳闸时间，重合闸时间，再次故障的 信息等，以及启动线路，开关变化等。根据这些信息，有助于判断故障过程和性质。 目前对于电力系统中发生的故障进行的性质分析主要有几个方面：故障选线与选 相、判断故障为瞬时性或永久性、系统振荡与故障识别、转换性故障和非全相运行 再故障等。 3 1 故障特征提取 故障分析是在故障分析原理的基础上通过提取相应故障特征并综合判断完成 的。要完成故障分析不论是通过现有故障计算理论根据计算结果和实测电气量进行 分析，还是根据保护动作的逻辑和运行人员的经验来推断可能的故障位置和故障类 型，都要通过提取录波信息中的故障特征作为基础。 传统的故障分析法有对称分量法，在保护原理算法和故障分析中应用最早且原 理成熟。随着数字信号处理技术及理论的快速发展和广泛应用，电力系统故障分析 也大量引进了这些先进技术。比如，小波理论、形态学等特征提取方法。目前，时 域信号的信息提取技术中，小波分析法逐渐成为广泛应用的理想工具。 根据特征提取方法的应用条件和适用范围，提前特征信息并用于对应的分析原 理，才能确保分析的可靠性和准确性。 3 1 1 对称分量法 对称分量法是电力系统故障分析最经典的分析法之一。据统计系统发生不对称 短路居多，对三相电力系统进行故障计算分析时，电路的对称性受到破坏，网络中 出现了三相不对称的电压和电流，对称电路变成了不对称电路，不能只取一相进行 计算。直接地去解这种不对称的电路是相当复杂的。如果将一组不对称的三相分量 看成是三组不同的对称三相之和，对这三组对称分量分别按对称三相电路去解，然 后将其结果叠加起来，就是不对称三相电路的解答，这个方法就叫对称分量法。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 隧箍蛰m h 1 ，i l 口n 2 n 推导出 fl ：f = l1 口2 口f | f ( 3 2 ) l 匕j 。l l1 1 快j 目前采用对称分量法得到负序和零序分量选相1 1 】。采用以零序电流和负序电流 的相位差来判别故障相别的谓之序分量的选相元件。序分量选相元件具有受故障点 过渡电阻的影响较小和不受负荷电流影响等优点。 但当两相经过渡电阻接地时，对零序电流i o 和负序电流1 2 的相位差影响较大，可 能会影响选相元件的正确选择，造成误选相，则采用比较电压幅值的方法进行修正 c n 】。由于单相接地故障时，故障相的1 0 和1 2 同相位，非故障相的i o 和1 2 相差1 2 0 。； 两相接地故障时，非故障相的i o 和1 2 同相位，故障相的1 0 和1 2 相差1 2 0 。造成不能 区分单相接地和两相接地，必须采用其它辅助选相方法【1 ；另外在转换性故障( 点 在保护正方向，另一点在保护反方向) 中，零序电流和负序电流的相位不能正确反映 故障相别，在同杆并架线路的跨线故障中也存在类似的问题。 3 1 2 电流突变量 线路发生故障时，对于结构不发生变化的线性系统可利用叠加原理将故障时电 路分解为正常状态和故障附加状态。根据这一原理，利用记忆故障前一周波负荷电 流即可得到故障附加分量即故障分量。 i d = i f il 3 - 3 ) l 故障分量；厶故障电流 ； 厶负荷电流 推出瞬时计算公式 17 华北电力大学硕士学位论文 丘= i 一一，i ( 3 - 4 ) 式中为第k 次电流采样，n 为一个工频周期内的采样次数 实际该式在电流有变化时才有输出，又由于系统工况复杂，并非故障时才出现， 所以求得电流称突变量。为防止系统频率偏离额定值时造成不平衡电流，可采 用 刊i t 一i l 一，一t 一：，0 ( 3 - 5 ) 目前突变量选相主要应用两相电流差突变量，其幅值特征利用对称分量法的概 念，可以将两相电流差突变量表示为 a ，仰= ( 1 - a 2 ) a l l + ( 1 一口) a 2 ( 3 6 ) c = ( 口2 - a ) l $ 1 a i + ( a - a 2 ) 虬2 ( 3 7 ) 屯= ( 口一1 ) 4 t , a 1 + ( 口2 1 ) u a 2 ( 3 _ 8 ) 两相电流差突变量选相是在系统发生故障时利用两相电流差的变化量幅值特 点来区分各类故障的，在保护的选相中应用突出。其主要特点为1 2 】： ( 1 ) 在单相接地时，反应两非故障相电流差的突变量选相元件不动作；而对于 有多相短路的情况，三个选相元件都动作。因而在单相接地时，可以准确地选出故 障相；而在多相故障时，又能可靠地给出允许跳三相信号，从而可以相当地简化重 合闸的逻辑回路。 ( 2 ) 由于只反应故障电流量，不需要躲过负荷电流，因此动作灵敏，并且具有 较大的允许故障点经过电阻接地的能力。 ( 3 ) 只反应电流量，不需要电压量。因此不存在失压问题和电流、电压相位关 系问题，简化了二次回路，方便现场运行维护。 ( 4 ) 在非全相过程中，接入两非故障相电流差的突变量选相元件不会误动作， 因此，在非全相运行过程中它仍然可以投入工作。 相电流差突变量选相具有不受负荷电流和过渡电阻影响等特点，能正确区分单 相接地故障和两相或三相短路，但是，在正序阻抗与负序阻抗不相等的系统中，可能会 出现误判断的情况。 3 1 3 频谱分析 把信号从时域变换到频域，最基本的方法是把信号分解为频率不同的正( 余) 弦 信号的叠加，即用傅立叶变换的方法进行信号分析，找出信号的特征值或特征点， 这种方法也称为“频谱分析”。表述信号的频率与幅值关系的描述称为幅值谱，表 1 8 华北电力大学硕七学位论文 述信号的频率与相位关系的描述称为相位谱，统称为频谱；另外表述信号的功率或能 量在频域中随频率的变化情况称为功率谱。 相比较而言，时域分析所有的分析全部在时域里进行，不作任何变换，比较直 观，反映了信号随时问变化的特征，它不能明确揭示信号中的频率信息；但正弦信 号的主要特征是频率、幅值和相位。而频域分析却可得到直观的频谱图，信号用频 谱描述使过去许多难以认识的动态现象经过频谱分析就可以一目了然。通过信号的 频域分析，可以估计和分析信号的组成和特征量，可以确定信号中含有的频率组成 成分和频率分布范围，确定各个频率成分的幅值和能量，分析各信号之间的相互关 系。同时时域分析法一般要直接求解微分方程，因此对复杂信号的分解很困难，而 频域分析法可转化为简单的代数方程求解，所以频域分析法得到了更为广泛的实际 应用。 电力电子技术的飞速发展，使它在国民经济中得到了越来越广泛的应用，并且 取得了巨大的社会效益和经济效益。但与此同时，电力电子技术及设备的应用也造 成了电力系统的谐波污染，并且日益严重。 以下列出了谐波对电力系统及用户不良影响d 3 ( 1 ) 介质击穿或无功过载而使电容器组故障 ( 2 ) 网络谐振引起过电压和过电流 ( 3 ) 谐波过电压引起绝缘电缆的介质击穿 ( 4 ) 引起感应式电度表计量误差 ( 5 ) 引起信号干扰和保护误动作，特别是固态的和微机型的 ( 6 ) 干扰大型电机控制系统和电厂励磁系统 ( 7 ) 引起基于电压过零检侧或闭锁的触发电路的不稳定运行 在造成大量危害的同时，谐波也成为了故障分析中故障的重要特征。对理想正 弦波的偏离一般用谐波分量的多少来表示。对于电信号，谐波的定义则是频率为系 统基波频率( 即发电机产生的主要频率) 整数倍的信号分量。由于谐波频率总是高于 基波频率，因此谐波又称为高次谐波。在确定波形时，谐波对基波的相位关系是很 重要的。 当电力系统发生故障时。故障信号成分很复杂，其中包括短时的暂态信息，还有 故障后的稳态信息。随着故障类型的不同，故障的过程的不同阶段，信号频谱也会 发生变化。故障信息分配到各个频带上的信息就存在着差异。 1 9 华北电力大学硕十学位论文 图3 - 1 2 各种典型线路故障故障相电流频谱 l 单相接地2 相问短路3 ，4 分别为两相短路接地两故障相 图为同一故障点发生的不同故障，故障相电流的频谱即其所含的谐波分量。由 图中看出，不对称故障过程中谐波的含量随故障类型的不同，也会发生变化。 频谱分析的基础是傅氏算法，全周富氏算法能算出所有整次谐波分量，且有稳定 性好的优点，但其数据窗需要一个周期。在电力系统发生故障时，实际输入信号中的 非周期分量包含的是衰减的直流分量，这时采用傅氏算法计算所得的频谱结果必将 带来误差。目前，已有很多改进方法提出提高了谐波分析的准确性。 3 1 4 小波变换分析 。 ： 。l i 冬! 叠w a v e 幻t 蔓# ” 誓 i 加。砌 1 卜 u 。 “r 华北电力大学硕士学位论文 小波是满足一定条件的函数甲b ) ，通过伸缩和平移产生一个函数族v o a x ) ， 呲，= 南v ( 等) 咖咄删9 ， 其中，a 是用于控制伸缩的变量，称为尺度因子；b 用于控制平移的变量，称为 平移因