電壓暫降事件分類及短路類型識別研究

張宸宇， 史明明， 范　忠，鄭建勇, 袁曉冬

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210000；3. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0　引言

電壓暫降是電力系統(tǒng)不可避免的電能質(zhì)量擾動事件，被認(rèn)為是最嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題[1-4]，通常會給半導(dǎo)體制造、信息、計(jì)算機(jī)或電子通信等行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并造成極大的社會影響。2010年徐州曾因電網(wǎng)運(yùn)行方式的調(diào)整造成電壓暫降，引起某卷煙廠生產(chǎn)線變頻器工作異常，生產(chǎn)工藝受到中斷。2011年蘇州某次500 kV電網(wǎng)故障造成的電壓暫降曾引起某化纖企業(yè)拉絲生產(chǎn)線驟停，造成不小的經(jīng)濟(jì)損失。2014年南京某次220 kV線路故障造成的電壓暫降曾引起高鐵南京南站配電開關(guān)低壓脫扣，全站照明失電，造成較大的社會影響。

可以說電壓暫降水平是電力部門“供好電”、用戶“用好電”的關(guān)鍵，是優(yōu)質(zhì)供電的直接反映，也是保障用戶安全生產(chǎn)、提高用戶經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo)。鑒于以上情況，有必要開展電壓暫降事件分類及短路類型識別研究相關(guān)工作。不同類型故障引起的電壓暫降特征不同，通過江蘇電力已經(jīng)上線的電壓暫降監(jiān)測系統(tǒng)提供的暫降波形，識別出發(fā)生電壓暫降的故障類型，則可為電力系統(tǒng)的運(yùn)行管理、事故調(diào)查和故障定位等提供有益的參考。

為了解決上述問題，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)[5]對基于暫降類型判斷的短路故障類型識別進(jìn)行了研究，基于電壓暫降事件錄波數(shù)據(jù)，提出了一種通過判斷不同電壓暫降類型來進(jìn)行短路故障類型識別的方法。文獻(xiàn)[6—7]考慮到變壓器對電壓暫降的傳遞作用，研究了中性點(diǎn)不同接地方式下的電壓暫降類型及其在變壓器間的傳遞。文獻(xiàn)[8]對電壓暫降原因進(jìn)行了分析并考慮其源定位。文獻(xiàn)[9]則利用高級算法對電壓暫降進(jìn)行分析。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，首先根據(jù)來源電壓暫降事件進(jìn)行分類，主要來源包括短路故障、大型電機(jī)啟動和雷電等，接下來文章對短路故障引起電壓暫降進(jìn)行識別，使電壓暫降系統(tǒng)能夠根據(jù)監(jiān)測到的暫降波形識別出短路故障類型。最后通過江蘇電網(wǎng)電壓暫降監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)波形進(jìn)行案例分析，給出短路故障分類，驗(yàn)證了文中算法的可行性。

1　電壓暫降事件分類及特征

電網(wǎng)電壓暫降的來源主要有短路故障、大型電機(jī)啟動、雷擊等。引起暫降的不同來源，其電氣特征上也存在區(qū)別，利用電壓暫降波形之間的差異可區(qū)分出電壓暫降源的類型。文中所有波形均來源于江蘇電網(wǎng)電壓暫降監(jiān)測系統(tǒng)。

1.1　短路故障引起的電壓暫降

短路故障是引起系統(tǒng)中電壓暫降的主要原因之一[10-17]。輸電線路和配電饋線大多暴露在自然環(huán)境中，因此大風(fēng)、雨雪等天氣因素，動物或樹枝搭接線路、工程運(yùn)輸活動等也會引起線路短路故障。由于系統(tǒng)的保護(hù)裝置不能無延時(shí)地切除故障，短路電流的系統(tǒng)中傳播必然造成鄰近線路的電壓暫降，因此得到了用戶的密切關(guān)注。系統(tǒng)中某一點(diǎn)發(fā)生這種電壓暫降時(shí)，其暫降幅值主要取決于短路類型、故障點(diǎn)位置、變壓器接線方式和短路阻抗。故障可能是對稱的(三相短路)，也可能是非對稱的(單相接地故障或兩相相間短路或兩相短路接地)。因此，每一相的電壓暫降幅值可能相同(對稱故障)，也可能不同(非對稱故障)。

1.1.1典型三相短路故障

通過江蘇電力公司電壓暫降監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，2017年4月份典型電壓暫降事件如下：某變10 kVⅠ段母線發(fā)生電壓暫降事件，持續(xù)時(shí)間111 ms, 殘余電壓11.090%，如圖1所示。

圖1　典型三相短路故障電壓暫降事件Fig.1　A typical three-phase short circuit fault voltage sags event

1.1.2典型非對稱短路故障

某變10 kVⅠ段母線發(fā)生電壓暫降事件，持續(xù)事件199 ms，殘余電壓28.570%，如圖2所示。

圖2　典型非對稱短路故障電壓暫降事件Fig.2　Typical asymmetrical short circuit fault voltage sags

通過圖1—2可以看出，短路故障引發(fā)的電壓暫降具有典型的特征：

(1) 電壓暫降的幅值較低，一般低于0.7 p.u.，持續(xù)時(shí)間與保護(hù)動作時(shí)間有關(guān)。

(2) 不同的短路故障會引發(fā)不同的電壓暫降現(xiàn)象。三相短路故障引發(fā)的電壓暫降三相電壓幅值相等；其他類型短路引發(fā)的電壓暫降三相幅值不同；發(fā)生不對稱短路時(shí)有可能在引起某相電壓暫降的同時(shí)，另一相出現(xiàn)電壓暫升。

(3) 電壓暫降發(fā)生和恢復(fù)的波形陡；故障期間可能發(fā)生多級暫降；在暫降開始和結(jié)束瞬間，幅值均發(fā)生突變，在暫降過程中，電壓幅值基本不發(fā)生變化。

(4) 電壓暫降中有可能產(chǎn)生相位跳變。

1.2　感應(yīng)電機(jī)啟動引起的電壓暫降

感應(yīng)電動機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常工作中得到廣泛應(yīng)用。在電網(wǎng)的總負(fù)荷中，感應(yīng)電動機(jī)用電量約占60%以上，是電網(wǎng)中的重要負(fù)荷，在啟動時(shí)會引起附近區(qū)域的電壓暫降。

忽略其他負(fù)荷電流，當(dāng)感應(yīng)電動機(jī)啟動后，定子電流增加(一般是正常工作電流的2～8倍)，則流過系統(tǒng)阻抗的電流增加，使得系統(tǒng)阻抗的分壓增大，導(dǎo)致PCC點(diǎn)電壓下降，引起電壓暫降。

感應(yīng)電動機(jī)啟動電流大是引起電壓下降的根本原因，但并不是電壓下降深度的決定因素。電動機(jī)啟動容量和上級變壓器的剩余容量以及局部電網(wǎng)容量共同決定了電壓暫降程度。如果電動機(jī)啟動容量接近上級變壓器剩余容量，則會引起較大的電壓暫降，并對其他用電負(fù)荷造成影響；否則電壓暫降程度輕微。

通過電壓暫降監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，2017年4月份典型電壓暫降事件如下：某變10 kVⅠ段母線發(fā)生電壓暫降事件，持續(xù)時(shí)間499 ms，殘余電壓87.710%，如圖3所示。

圖3　感應(yīng)電機(jī)啟動引起暫降事件Fig.3　Induction motor sags caused by induction motor

通過圖3分析可以看出感應(yīng)電機(jī)啟動引起的電壓暫降典型特征為：

(1) 三相電壓同時(shí)發(fā)生暫降，三相暫降幅值相同；

(2) 暫降幅值一般不會低于0.85 p.u.；

(3) 電壓暫降是逐漸恢復(fù)的，恢復(fù)過程中沒有突變；

(4) 暫降過程中有功功率會有一定的變化。

1.3　雷擊引起的電壓暫降

輸電線路落雷后，若雷電流超過線路的耐雷水平，線路絕緣就會發(fā)生沖擊閃絡(luò)，雷電流沿閃絡(luò)通道入地，由于時(shí)間僅幾十微秒 ，線路開關(guān)來不及動作，工頻短路電流繼續(xù)流過閃絡(luò)通道并建立起穩(wěn)定電弧持續(xù)燃燒，形成接地故障，線路將跳閘。

線路雷擊后會產(chǎn)生雷電行波在系統(tǒng)中傳播，系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)電壓由于行波傳播與折反射會上升波動。在絕緣子閃絡(luò)造成接地故障后，工頻短路電流必將引起電壓暫降在系統(tǒng)中傳播，節(jié)點(diǎn)電壓在上升波動后再下降。

通過圖4可以得到雷擊引起暫降的典型特征是：雷擊故障后，雷電波在系統(tǒng)中傳播，母線電壓信號中帶有高頻分量，而普通短路故障的電壓信號中通常不含有高頻分量，母線電壓不會上升波動，而是直接下降發(fā)生電壓暫降。

圖4　雷擊引起電壓暫降事件Fig.4　Lightning stroke caused by voltage sags

2　短路故障引起電壓暫降識別

2.1　故障引起的電壓暫降分類

大多數(shù)電壓暫降都是由短路故障引起的，各種類型的短路故障都能夠引起電壓暫降現(xiàn)象。經(jīng)過不同連接方式的變壓器，電壓暫降的幅值和相角會發(fā)生變化，同時(shí)負(fù)荷的連接方式也會影響電壓暫降的傳播。假設(shè)電源電壓標(biāo)幺值為1，正序系統(tǒng)阻抗與負(fù)序系統(tǒng)阻抗相等且忽略故障發(fā)生前后和故障期間的負(fù)荷電流，根據(jù)故障原因?qū)㈦妷簳航捣譃?種類型(含經(jīng)過變壓器由高壓側(cè)向低壓側(cè)傳遞后的類型)，如表1所示。通過表1可以看出三相短路引起A類型，其三相電壓降低的幅值相同，相角不發(fā)生變化；中性點(diǎn)接地系統(tǒng)單相接地故障引起的類型B，故障相電壓降低，而另兩相電壓不變；由兩相短路引起的暫降根據(jù)負(fù)荷連接方式不同可分為類型C和D，分別適用于星形和三角形連接的負(fù)荷；兩相接地故障引起的電壓暫降為類型E，經(jīng)不同類型變壓器的傳遞后還包括類型F和G。

表1　不同故障引起的電壓暫降類型Tab.1　Type of voltage sags caused by different faults

所有分析過程均以A相作為參考相，故障引起的各種電壓暫降類型的各相相電壓幅值示例計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　不同類型電壓暫降幅值Tab.2　Different types of voltage sags

2.2　故障引起的電壓暫降類型識別

除了通過波形庫識別的方式，還可以通過下面的方法判斷短路故障類型。

2.2.1判斷是否對稱故障識別A型

A型故障時(shí)三相短路故障，一般來說三相暫降是對稱的，也就是此時(shí)不存在負(fù)序電壓存在。即可以判定U2=0時(shí)未三相短路故障導(dǎo)致的電壓暫降，即A型暫降，對于其他暫降類型U2≠0。

2.2.2B型和E型暫降區(qū)分

通過判斷表2只有B型和E型暫降含有零序分量，也就是說當(dāng)U0≠0時(shí)，暫降為B型或E型。此時(shí)三相電壓的相位均沒有變化，這種情況一定是接地故障，可以通過幾相電壓有效值降低來判斷是單相接地故障還是兩相接地故障。也可以根據(jù)正、負(fù)序運(yùn)算結(jié)果來判斷是B還是E型故障。當(dāng)|U1+U2| <|U1-U2|時(shí)為單相接地故障，也就是B型故障；反之|U1+U2|> |U1-U2|時(shí)，為兩相接地故障，也就是E型故障。

2.2.3C型、D型、F型和G型暫降區(qū)分

當(dāng)U0=0時(shí)，暫降可為C型、D型、F型或G型，此時(shí)情況比較復(fù)雜。考察電壓幅值變化情況，其中如果一相幅值不變，其他兩相幅值變小，則為類型C；如果三相電壓幅值均減小，則為類型D或F或G。具體來說如果|U1+U2|> |U1-U2|，則為類型G；如果|U1+U2| <|U1-U2|，則為D型或F型，此時(shí)故障并不在本級，而是由上級故障傳導(dǎo)。若上級是B類型，則本級是D類型；若上級是E類型，則本級是F類型。

綜上所述，短路故障類型識別流程如圖5所示。類型D和類型F一般不是本級短路故障導(dǎo)致的電壓暫降，需要判斷上一電壓等級暫降類型。通過短路故障類型識別流程圖系統(tǒng)可以判斷出具體是哪個(gè)類型短路故障，通過暫降類型識別可以更好了解判斷導(dǎo)致電壓暫降的短路故障情況是單相接地、兩相短路、兩相接地或是三相接地，具體暫降程度量化計(jì)算將會在后續(xù)進(jìn)行展開研究。

圖5　短路故障類型識別流程Fig.5　Flow chart of type identification for short circuit fault

3　典型短路導(dǎo)致暫降案例分析

3.1　三相短路故障

對上節(jié)中的短路引起故障分類進(jìn)行分析，對于前面提到的江蘇地區(qū)某變電壓暫降事件。三相短路故障電壓暫降事件如圖6所示。暫降時(shí)刻電壓矢量圖如圖7所示。

圖6　三相短路故障電壓暫降事件Fig.6　Three-phase short circuit fault voltage sags event

圖7　三相短路故障電壓暫降事件矢量圖Fig.7　Vectorgraph of three-phase short circuit fault voltage sags

通過圖7計(jì)算出，暫降發(fā)生時(shí)正序電壓標(biāo)幺值1.86 p.u.，負(fù)序電壓標(biāo)幺值-0.12 p.u.，零序電壓標(biāo)幺值0.13 p.u.，零序和負(fù)序電流均接近0，通過矢量圖和表1對比可以看出該變電壓暫降事件屬于三相短路事件，即A類型故障暫降。

3.2　單相接地故障

2017年4月江蘇某變10 kV Ⅱ段母線發(fā)生電壓暫降事件，持續(xù)時(shí)間116 ms，殘余電壓44.770%，波形如圖8所示。暫降時(shí)刻電壓矢量圖如圖9所示。通過圖9計(jì)算出，暫降發(fā)生時(shí)正序電壓標(biāo)幺值4.20 p.u.，負(fù)序電壓標(biāo)幺值-1.53 p.u.，零序電壓標(biāo)幺值4.77 p.u.，可以看出零序電壓不為0，同時(shí)滿足條件|U1+U2| <| U1-U2|，通過矢量圖和表1對比可以看出該變電站電壓暫降事件屬于單相接地短路(B相)事件，即B類型故障暫降。

圖8　單相接地故障電壓暫降事件Fig.8　Voltage sags for single-phase grounding fault

圖9　單相接地故障電壓暫降事件相電壓矢量圖Fig.9　Phase voltage vector graph of voltage sags event of single-phase grounding fault

3.3　兩相短路故障

對于2017年4月江蘇某變電壓暫降事件如圖10所示。暫降時(shí)刻電壓矢量圖如圖11所示。

圖10　兩相短路故障電壓暫降事件Fig.10　Two phase short circuit fault voltage sags event

圖11　兩相短路故障電壓暫降事件矢量圖Fig.11　Vector graph of voltage sags event of two phase short circuit fault

通過圖11計(jì)算出，暫降發(fā)生時(shí)正序電壓標(biāo)幺值3.45 p.u.，負(fù)序電壓標(biāo)幺值2.44 p.u.，零序電壓標(biāo)幺值0.60 p.u.，可以看出U0=0時(shí)，一相幅值不變，其他兩相幅值變小，通過矢量圖和表1對比可以看出該變電站電壓暫降事件屬于兩相短路(AB相)故障，即C類型故障暫降。

3.4　兩相接地故障

對于2017年4月江蘇地區(qū)某變電壓暫降事件如圖12所示，給出暫降時(shí)刻電壓矢量圖如圖13所示。

圖12　兩相接地故障電壓暫降事件Fig.12　Voltage sags of two phase grounding fault

圖13　兩相接地故障電壓暫降事件矢量圖Fig.13　Vector graph of voltage sags event of two phase grounding fault

通過圖13計(jì)算出，暫降發(fā)生時(shí)正序電壓標(biāo)幺值5.27 p.u.，負(fù)序電壓標(biāo)幺值0.57 p.u.，零序電壓標(biāo)幺值0.36 p.u.，可以看出零序電壓很小，同時(shí)|U1+U2|> | U1-U2|，通過矢量圖和表1對比可以看出該變電站電壓暫降事件屬于兩相接地(AB相)故障，即G類型故障暫降。

4　結(jié)語

本文通過江蘇電網(wǎng)暫降系統(tǒng)采集的大量案例分析首先對電壓暫降事件進(jìn)行分類。電壓暫降的電壓波形特征是和特定的干擾源相聯(lián)系的，針對最常見的短路引起的電壓暫降，對短路故障類型進(jìn)行識別，這樣可以有效利用電壓暫降系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測到的暫降波形識別出系統(tǒng)可能存在的短路故障類型。最后通過江蘇電網(wǎng)電壓暫降監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)波形進(jìn)行案例分析，歸類到4種典型短路故障分類，驗(yàn)證了算法的可行性。通過本文研究可以通過電壓暫降波形了解到電網(wǎng)故障情況，為電網(wǎng)暫降工作的治理和電能質(zhì)量提升提供了輔助作用。在未來的工作中將進(jìn)一步通過編程利用高級算法對電壓暫降波形進(jìn)行識別，可為短路、大型負(fù)荷啟動等暫降干擾源降做出辨識。

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