水電廠10 kV配電網(wǎng)故障判斷與定位研究

黃建瓊,唐國(guó)民,郭乃理,隋良紅

(1.中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院,四川成都610065；2.四川中測(cè)電子科技有限公司,四川成都610065)

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水電廠10kV配電網(wǎng)故障判斷與定位研究

黃建瓊1,2,唐國(guó)民1,郭乃理1,隋良紅1

(1.中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院,四川成都610065；2.四川中測(cè)電子科技有限公司,四川成都610065)

摘要：水電廠10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)龐大,分布廣泛且所處環(huán)境復(fù)雜,易發(fā)生故障。在配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障后,保護(hù)裝置可快速準(zhǔn)確切除故障,但無(wú)法判斷故障類型及對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位。10 kV配電網(wǎng)故障類型較多,快速準(zhǔn)確的故障判斷與定位可以有效縮短故障搶修時(shí)間,對(duì)單相接地故障、相間短路故障、鐵磁諧振、勵(lì)磁涌流四種典型故障的判斷與定位分析方法及其應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)。

關(guān)鍵詞：10 kV配電網(wǎng)；單相接地故障；相間短路故障；鐵磁諧振；勵(lì)磁涌流；故障判斷與定位

0引言

大型水電廠廠用電10kV配電網(wǎng)直接為水電廠的機(jī)組自用電、輔助系統(tǒng)、公用系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及大功率異步電機(jī)(如檢修排水泵、滲漏排水泵)提供電源。在10kV系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),繼電保護(hù)裝置一般均能快速準(zhǔn)確切除故障[1],但其無(wú)法判斷故障類型并定位故障點(diǎn)的準(zhǔn)確位置,故障點(diǎn)的判斷與查找仍然依賴于檢修人員的分析與檢查。

廠用電配電網(wǎng)故障類型較多,本文重點(diǎn)研究下述4種故障類型的判斷與定位：?jiǎn)蜗嘟拥毓收?、相間短路故障、鐵磁諧振、勵(lì)磁涌流。其中10kV線路單相接地故障出現(xiàn)的概率最多,且其發(fā)生后如不及時(shí)處理易引發(fā)非故障相的絕緣損壞,從而發(fā)展為相間故障；廠用電10kV配電網(wǎng)變壓器種類繁多,如照明變、公用變、檢修變等,研究變壓器的相間故障,特別是兩相故障特征,可以為現(xiàn)場(chǎng)查找故障點(diǎn)提供依據(jù)；在廠用電10kV系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振時(shí),將出現(xiàn)過(guò)電壓和過(guò)電流,會(huì)造成電壓互感器一次高壓熔絲頻繁燒斷、避雷器爆炸、變壓器燒毀等嚴(yán)重事故[2- 4],嚴(yán)重威脅廠用電配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行；勵(lì)磁涌流是變壓器空載合閘的一個(gè)典型特征,在變壓器保護(hù)定值設(shè)置不合理時(shí),易引起保護(hù)裝置誤動(dòng)。

本文首先從原理上分析了上述4種故障的故障特征,再通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行了故障分析,最后通過(guò)某大型水電廠廠用電10kV配電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的故障錄波數(shù)據(jù)對(duì)故障進(jìn)行判斷與定位。

1單相接地故障

1.1單相接地故障理論分析

廠用電10kV配電網(wǎng)為不接地系統(tǒng),目前,不接地系統(tǒng)單相接地故障點(diǎn)定位技術(shù)的理論研究較為廣泛[5- 6],但水電廠廠用電配電網(wǎng)故障定位裝置的應(yīng)用并未普及,故障的查找仍要依賴檢修人員。因此熟悉不接地系統(tǒng)配電網(wǎng)的故障特征對(duì)查找故障點(diǎn)有著指導(dǎo)作用。

記廠用電線路每相對(duì)地電容為Cg,線路三相額定相電壓分別為EA、EB、EC,中性點(diǎn)零序電壓為U0,系統(tǒng)頻率為f。廠用電線路在A相M點(diǎn)處發(fā)生了經(jīng)過(guò)渡電阻Rf的接地故障,故障示意如圖1所示。

圖1　線路單相接地故障原理

根據(jù)基爾霍夫電流定律,以線路中性點(diǎn)N為研究對(duì)象,則

(1)

假設(shè)系統(tǒng)三相電壓對(duì)稱,則根據(jù)式(1)可得

(2)

系統(tǒng)三相對(duì)地電壓如式(3)所示

(3)

1.2單相接地故障分析

根據(jù)式(1)～式(3),利用MATLAB軟件對(duì)廠用電線路經(jīng)不同過(guò)渡電阻接地情況進(jìn)行分析,Rf變化時(shí)U0的變化軌跡和UAd、UBd、UCd的變化軌跡如圖2所示。當(dāng)Rf=0～∞變化時(shí),地電位點(diǎn)的軌跡是以故障相(A相)模值為直徑的半圓弧(見(jiàn)圖2),將沿此半圓弧而改變。

圖2　過(guò)渡電阻變化時(shí)電壓的變化軌跡

水電廠因不同廠用線路的長(zhǎng)度不同,其所帶負(fù)荷主要可以分為變壓器及異步電機(jī),相應(yīng)系統(tǒng)的對(duì)地電容也不一致。由于變壓器的對(duì)地電抗作用,帶變壓器線路的對(duì)地電容值一般比帶異步電機(jī)的電容小。本文以某大型水電廠帶變壓器線路的對(duì)地電容值423uF和帶異步電機(jī)線路的對(duì)地電容值781uF兩個(gè)不同的對(duì)地電容值為例,通過(guò)MATLAB對(duì)廠用電兩種典型線路的A相經(jīng)0～10kΩ的過(guò)渡電阻接地故障進(jìn)行了分析計(jì)算,其結(jié)果如圖3所示。

圖3　線路三相對(duì)地電壓與過(guò)渡電阻關(guān)系曲線

從圖3波形可以看出,在同一對(duì)地電容值下,故障相的上一相電壓最高,本例中A相故障,則C相電壓最高；在同一故障過(guò)渡電阻下,對(duì)地電容小的系統(tǒng)其電壓變化率較對(duì)地電容大的系統(tǒng)變化更快。根據(jù)上述故障特征可以為接地故障點(diǎn)判斷與查找提供依據(jù)。

1.3單相接地故障應(yīng)用實(shí)例

圖4所示的故障波形為10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生的B相經(jīng)過(guò)渡電阻接地時(shí)的故障波形,故障顯示值為二次電壓(二次額定相電壓為57.7V)。圖4中A相電壓為76.65V,B相電壓為42.85V,C相電壓為60.60V,A相電壓最高,由此判斷B相發(fā)生了接地故障,這與上述理論分析及結(jié)果一致。

圖4　經(jīng)過(guò)渡電阻接地現(xiàn)場(chǎng)故障錄波

2變壓器相間故障

研究廠用電10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)相間故障特征,特別是兩相故障特征,對(duì)配電網(wǎng)故障判斷與查找具有指導(dǎo)作用。本文以Y,d11結(jié)構(gòu)式變壓器發(fā)生兩相短路故障為例研究其故障特征。

2.1變壓器相間故障電流特征分析

圖5　變壓器△側(cè)兩相故障原理

根據(jù)基爾霍夫電流定律,△側(cè)三相線電流及相電流滿足

(4)

根據(jù)式(4),可計(jì)算出△側(cè)三相相電流如下

(5)

則Y側(cè)三相故障電流分為

(6)

(7)

根據(jù)式(6)可以看出在Y,d11結(jié)構(gòu)式變壓器低壓側(cè)發(fā)生兩相短路故障時(shí),Y側(cè)故障電流最大相的下一相為低壓側(cè)的非故障相,根據(jù)式(7)可以看出在△側(cè)發(fā)生兩相短路時(shí),Y側(cè)最大相的電流已等于低壓側(cè)發(fā)生三相短路的故障電流。變壓器發(fā)生兩相故障后,會(huì)迅速發(fā)展成三相故障。

2.2變壓器相間故障應(yīng)用實(shí)例

圖6為某水電廠廠用電10kV配電網(wǎng)變壓器△側(cè)b、c兩相短路發(fā)展為三相短路的實(shí)際故障波形。圖6中所示37ms前變壓器Y側(cè)A相電流是B、C相電流的2倍,電流極性相反,三相電流矢量和為0,37ms后三相電流均變?yōu)榕cA相電流幅值一致且電流相序?yàn)檎?表明變壓器低壓側(cè)先發(fā)生了兩相故障而后發(fā)展為了三相相間短路,上述理論分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果一致。

圖6　兩相短路發(fā)展為三相短路故障錄波

3鐵磁諧振

3.1鐵磁諧振特征分析

當(dāng)廠用電線路發(fā)生接地故障時(shí),對(duì)于鐵磁式電壓互感器,一次側(cè)電壓的變化會(huì)引起鐵芯飽和,勵(lì)磁電抗變小[7]。故障、投切負(fù)荷會(huì)引起系統(tǒng)對(duì)地容抗發(fā)生變化。當(dāng)XC/XLe(系統(tǒng)對(duì)地容抗/PT勵(lì)磁電抗)計(jì)算值不同時(shí),將產(chǎn)生不同頻率諧振。

(1)XC/XLe=0.01～0.07時(shí),為分頻諧振。三相電壓周期性輪流上升,發(fā)生低頻波動(dòng),過(guò)電壓較小。

(2)XC/XLe=0.01～0.55時(shí),為基頻諧振。某一相相電壓低,但不等于零,另二相電壓高于線電壓,零序電壓大于100V。

(3)XC/XLe=0.45～2.8時(shí),為高頻諧振。三相電壓都升高,過(guò)電壓較高,或一相升高其余下降,零序電壓大于100V。

3.2鐵磁諧振故障應(yīng)用實(shí)例

某水電廠廠用電10kV配電網(wǎng)發(fā)生的分頻鐵磁諧振故障錄波波形如圖7所示,圖中三相電壓周期性輪流上升,發(fā)生低頻波動(dòng),過(guò)電壓基本不超過(guò)線電壓,零序電壓不超過(guò)100V。從而可以判斷配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生了鐵磁諧振而非單相接地故障,此時(shí)可以通過(guò)拉開(kāi)其余饋線改變系統(tǒng)對(duì)地容抗的方式來(lái)消除鐵磁諧振。

圖7　分頻鐵磁諧振故障錄波

產(chǎn)生該鐵磁諧振的原因在于配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后,電壓互感器鐵芯飽和,勵(lì)磁電抗變小,切除故障線路后,配電網(wǎng)的對(duì)地容抗又發(fā)生了變化,容抗與感抗的比值進(jìn)入了分頻鐵磁諧振的區(qū)域所致。

了解配電網(wǎng)鐵磁諧振產(chǎn)生的機(jī)理后,就可從其產(chǎn)生的源頭避免鐵磁諧振[8-9]。也可以根據(jù)鐵磁諧振產(chǎn)生的機(jī)理,在電壓互感器的開(kāi)口繞組上加裝消諧裝置來(lái)縮短諧振的過(guò)程,以保護(hù)一次設(shè)備。

4勵(lì)磁涌流

廠用電10kV配電網(wǎng)中變壓器正常運(yùn)行時(shí),鐵芯不會(huì)飽和。但在進(jìn)行空載合閘時(shí),不同工況下變壓器鐵芯會(huì)出現(xiàn)不同程度的飽和情況,從而導(dǎo)致鐵芯勵(lì)磁涌流,如果主變差動(dòng)保護(hù)無(wú)法躲過(guò)勵(lì)磁涌流或者定值整定不合理,保護(hù)裝置將會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。

影響勵(lì)磁涌流的因素復(fù)雜[10],本文主要分析以下兩個(gè)影響因素：電壓等級(jí)及合閘初始角、合閘前鐵芯磁通的方向和大小。

4.1勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理分析

記變壓器的電壓為U,磁通為Φ,則兩者之間的關(guān)系為

U=dΦ/dt

(8)

記變壓器在0時(shí)刻空載合閘,加在變壓器上的電壓為u=Usin(ωt+α)(其中α為初始相角),解式(8)微分方程,得

φ=-Φmcos(ωt+α)+Φ0

(9)

式中,-Φmcos(ωt+α)為穩(wěn)態(tài)磁通分量,其中Φm=Um；Φ0為自由分量,為衰減的直流分量。變壓器鐵芯磁通不能突變,因此

Φ0=Φmcos(α)+Φr

(10)

式中,Φr為變壓器鐵芯的剩磁,其大小和方向與切除變壓器時(shí)刻的電壓有關(guān)。

從式(9)～式(10)可以看出,造成鐵芯飽和最嚴(yán)重的情況是在電壓過(guò)零(α=0)時(shí)刻合閘,半個(gè)周期后變壓器將達(dá)到磁通最大值2Φm+Φr,此時(shí)變壓器嚴(yán)重飽和,形成勵(lì)磁涌流。

4.2勵(lì)磁涌流特征分析

勵(lì)磁涌流有三個(gè)特征：波形完全偏離時(shí)間軸的一側(cè),并有間斷角；含有很大成分的非周期分量；含有大量的高次諧波分量,而以二次諧波為主。

4.3勵(lì)磁涌流故障應(yīng)用實(shí)例

圖8為某水電廠廠用電10kV變壓器的勵(lì)磁涌流故障錄波。

從圖8可以明顯看出波形中間的間斷角,且A、C相電流波形均偏離坐標(biāo)軸一側(cè)。三相電流(CT二次值)的非周期含量見(jiàn)表1,可以看出三相中A相非周期分量含量已高達(dá)61.9%。

分析其諧波含量,2、3、4、5、6、7、8、9、10次諧波含油率分別為44.95%、

圖8　勵(lì)磁涌流故障錄波

相序基波電流/A非周期分量電流/A百分比/%A0.0840.05261.9B0.0530.03362.2C0.0320.01031.2

14.68%、5.16%、5.99%、6.89%、0.67%、3.04%、1.15%、0.55%。因此可以判斷10kV饋線的變壓器在空充時(shí)產(chǎn)生了較大的勵(lì)磁涌流。

上述勵(lì)磁涌流特征均直接或者間接的作為變壓器差動(dòng)保護(hù)在空載合閘時(shí)的防誤閉鎖判據(jù)[11-12]。在對(duì)保護(hù)定值整定時(shí),要根據(jù)變壓器的特性,合理整定相應(yīng)的定值。

5結(jié)語(yǔ)

隨著水電領(lǐng)域的開(kāi)發(fā),水電廠廠用電配電網(wǎng)的要求也在不斷提高。利用故障特征對(duì)故障類型和位置進(jìn)行分析查找,有助于縮短故障搶修時(shí)間,為機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

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(責(zé)任編輯高瑜)

收稿日期：2015- 12- 10

基金項(xiàng)目：四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014GZ0083)

作者簡(jiǎn)介：黃建瓊(1984—),女,四川巴中人,工程師,碩士,主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)及電氣安全性能檢測(cè)技術(shù)研究．

中圖分類號(hào)：TM727

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0559- 9342(2016)04- 0068- 04

ResearchonFaultJudgmentandPositioningof10kVDistributionNetworkinHydropowerPlant

HUANGJianqiong1,2,TANGGuomin1,GUONaili1,SUILianghong1

(1.NationalInstituteofMeasurementandTestingTechnology,Chengdu610065,Sichuan,China;2.SichuanZhongceElectronicTechnologyCo.,Ltd.,Chengdu610065,Sichuan,China)

Abstract:The 10 kV distribution network in hydropower plant is huge and widely distributed, and the environment is also complex, so it easy to break down. After fails, the protection device can quickly and accurately remove the faults, but can’t judge fault type and locate fault point. Fast and accurate fault judgment and positioning can effectively shorten fault repair time. The analysis methods and its application for four kinds of typical fault’s judgment and positioning are introduced in detail, including single-phase ground fault, two-phase fault, ferro-resonance and magnetic inrush current．

Key Words:10 kV distribution network; single-phase ground fault; two-phase fault; ferro-resonance; magnetic inrush current; fault judgment and positioning