電力系統(tǒng)故障波形圖中關(guān)鍵點(diǎn)識(shí)別及分析

眾所周知，電力系統(tǒng)的故障過(guò)程越短越好，故障時(shí)間越短，對(duì)設(shè)備的損壞程度越小，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行越有利。目前，國(guó)內(nèi)的高壓或超高壓保護(hù)對(duì)于多數(shù)的故障均可以做到在0.1S以?xún)?nèi)切除故障，甚至可以達(dá)到幾個(gè)毫秒，故障過(guò)程是非常短暫的。但各種故障被切除后，根據(jù)《電力生產(chǎn)事故調(diào)查規(guī)程》規(guī)定在一定時(shí)間范圍，必須明確故障設(shè)備是否能否恢復(fù)送電，超時(shí)否則算電網(wǎng)事故處理。為此需要了解故障前及故障時(shí)的全過(guò)程，判斷事故性質(zhì)。其中最有效、最直接的方法是快速讀懂故障波形圖來(lái)了解故障發(fā)生的全過(guò)程。即了解故障過(guò)程中電流、電壓幅值和相位，故障性質(zhì)、故障的持續(xù)時(shí)間，以及保護(hù)、斷路器的動(dòng)作時(shí)間等信息。為此本文以常見(jiàn)事故波形圖為例，介紹故障波形圖幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)識(shí)別和分析方法，從中了解相關(guān)故障信息和保護(hù)等設(shè)備的動(dòng)作行為，以便快速幫助管理部門(mén)確定故障性質(zhì)和制定事故處理方案，及時(shí)恢復(fù)送電。

一、故障波形圖錄取現(xiàn)狀

電力系統(tǒng)的各種故障信息必須通過(guò)專(zhuān)用故障錄波器或保護(hù)本身動(dòng)作報(bào)告記錄。目前現(xiàn)場(chǎng)采用的均是微機(jī)保護(hù)和微機(jī)故障錄波器，它主要由故障啟動(dòng)、信息數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)分析及波形輸出等部分組成。

不論是保護(hù)或是專(zhuān)用的故障錄波器啟動(dòng)主要是利用故障特征明顯的電氣量來(lái)啟動(dòng)工作，一般的啟動(dòng)量有電流、電壓突變量啟動(dòng)，電流、電壓越限啟動(dòng)，頻率變化量啟動(dòng)及開(kāi)關(guān)量啟動(dòng)等。采集到的信息數(shù)據(jù)一般不作濾波處理，盡可能地保持故障信息真實(shí)性和實(shí)時(shí)性。信息數(shù)據(jù)主要有兩種類(lèi)型，一種為記錄電流、電壓瞬時(shí)值的交變信號(hào)，一種為反映正負(fù)躍變的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。為了便于分析故障，信息數(shù)據(jù)一般包括故障前的一部分和故障的全過(guò)程，反映電流、電壓變化的瞬時(shí)值波形及反映電位變化的開(kāi)關(guān)量均采用同一時(shí)標(biāo)繪制。輸出部分包括簡(jiǎn)要分析報(bào)告、重要故障信息數(shù)據(jù)及故障全過(guò)程波形圖、輸出波形的幅度及多少可根據(jù)需要在顯示和打印輸出時(shí)設(shè)定。

二、關(guān)鍵點(diǎn)識(shí)別與分析

在現(xiàn)場(chǎng)使用的保護(hù)生產(chǎn)長(zhǎng)家較多，型號(hào)亦很多，各種型號(hào)的保護(hù)故障波形圖結(jié)構(gòu)不盡相同，標(biāo)注信息的方式也差別很大，但歸結(jié)起來(lái)可以分為兩大部分，第一部分是故障分析簡(jiǎn)報(bào)，第二部分為故障波形圖信息。

1. 故障波形圖中讀取準(zhǔn)確事件時(shí)間

在第一部分是故障分析簡(jiǎn)報(bào)中給出的各事件時(shí)間均是根據(jù)相關(guān)量的開(kāi)入時(shí)刻，由保護(hù)自動(dòng)給出的分析報(bào)告，有時(shí)并不十分準(zhǔn)確，如斷路器跳開(kāi)或合上時(shí)間，一般是以斷路器位置觸點(diǎn)為基準(zhǔn)的，斷路器位置觸點(diǎn)與主觸頭在多數(shù)情況下并不十分同步，從而會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。另外，給出的信息不一定完整，因此往往需要從波形圖中直接讀取各事件的相對(duì)時(shí)間，即以電流或電壓波形變化比較明顯的時(shí)刻為基準(zhǔn)，讀取各事件的相對(duì)時(shí)間，這是因?yàn)殡娏髯兇蠛碗妷鹤冃r(shí)刻可較準(zhǔn)確判斷故障已發(fā)生，故障電流消失和電壓恢復(fù)正常的時(shí)刻可較準(zhǔn)確判斷故障已切除。為了便于理解，以圖1所示為例說(shuō)明在故障波形圖中讀取準(zhǔn)確事件時(shí)間的方法，并將關(guān)鍵點(diǎn)的事件時(shí)間進(jìn)行了標(biāo)注。[1]

故障持續(xù)時(shí)間：故障持續(xù)時(shí)間為從電流開(kāi)始變大或電壓開(kāi)始減低開(kāi)始到故障電流消失或電壓恢復(fù)正常的時(shí)間，如圖1所示A段，故障持續(xù)時(shí)間為60ms。

保護(hù)動(dòng)作時(shí)間：保護(hù)動(dòng)作時(shí)間是從故障開(kāi)始到保護(hù)出口的時(shí)間，即從電流開(kāi)始變大或電壓開(kāi)始降低到保護(hù)輸出觸點(diǎn)閉合的時(shí)間，如圖1所示的B段，保護(hù)動(dòng)作最快時(shí)間為15ms。

斷路器跳閘時(shí)間：斷路器跳閘時(shí)間是從保護(hù)輸出觸點(diǎn)閉合到故障電流消失的時(shí)間，一般不能以斷路器位置觸點(diǎn)閉合或返回為準(zhǔn)，以避開(kāi)斷路器位置觸點(diǎn)與主觸頭的不同步，如圖2所示C段，斷路器跳閘時(shí)間為45ms。

保護(hù)返回時(shí)間：保護(hù)返回時(shí)間是從故障電流消失開(kāi)始到保護(hù)輸出觸點(diǎn)斷開(kāi)的時(shí)間，如圖1所示D段，保護(hù)返回時(shí)間為30ms。

重合閘裝置出口動(dòng)作時(shí)間：重合閘裝置出口動(dòng)作時(shí)間是從故障消失開(kāi)始計(jì)時(shí)到重合閘裝置發(fā)出合閘命令(重合閘觸點(diǎn)閉合)的時(shí)間，如圖1所示E段，重合閘動(dòng)作時(shí)間為862ms。

斷路器合閘動(dòng)作時(shí)間：斷路器合閘時(shí)間是從重合閘輸出觸點(diǎn)閉合到再次出現(xiàn)負(fù)荷電流的時(shí)間，同樣不能以斷路器位置觸點(diǎn)閉合或返回為準(zhǔn)，如圖1所示F段，斷路器合閘時(shí)間為218ms.

為了方便分析事故的發(fā)展，可以將中各過(guò)程時(shí)間匯集成時(shí)間軸，將上述各類(lèi)時(shí)間匯集成下圖，見(jiàn)圖2所示：

2. 故障波形圖中讀取電流、電壓的有效值

可以利用故障波形圖中的電流、電壓波形測(cè)量故障期間電流、電壓的有效值。如圖3所示，B相發(fā)生故障后，B相電流通道上存在故障電流，B相通道上電壓明顯降低，非故障A、C相電壓相位基本沒(méi)有變。[2]

電流計(jì)算方法：先以IB通道上存在的故障電流波形兩邊的最高波峰為基準(zhǔn)點(diǎn)畫(huà)出一條刻度標(biāo)尺垂直線，如圖3所示，最后在刻度標(biāo)尺上計(jì)算出兩邊最高波峰之間存在的間隔有幾格標(biāo)尺，計(jì)算出來(lái)總標(biāo)尺格除以2得到電流具體存在標(biāo)尺格，在圖中顯示的I：4.0A/格(說(shuō)明：不同故障波形該值是不相同)，在除以√2得到二次電流有效值，最后再乘以本間隔的CT變比，即得到一次電流有效值。假設(shè)本間隔CT變比為1200/1。

IB：I=[(總格×電流標(biāo)度I)/(2×√2)] ×變比=[(3.8×4)/(2×√2)] ×1200/1=6450A

I0的計(jì)算方法與IB相同，需要說(shuō)明的是I0實(shí)際指的是3I0。

電壓計(jì)算方法：先以UB通道上存在的故障電壓波形兩邊的最低波峰為基準(zhǔn)點(diǎn)畫(huà)出一條刻度標(biāo)尺垂直線，同樣如圖3所示，最后在刻度標(biāo)尺上計(jì)算出兩邊最低波峰之間存在的間隔有幾格標(biāo)尺，計(jì)算出來(lái)總標(biāo)尺格除以2得到電壓具體存在標(biāo)尺格，在圖中顯示的U：45V/格(說(shuō)明：不同故障波形該值是不相同)，在除以√2得到二次電壓有效值，最后再乘以本間隔母線PT的變比，即得到一次電壓有效值。假設(shè)本間隔PT變比為1100/1。

UB：U=[(總格×電流標(biāo)度I)/(2×√2)] ×變比=[(2×45)/(2×√2)] ×1100/1=35kV

U0的計(jì)算方法與UB相同，需要說(shuō)明的是U0實(shí)際指的是3U0。

3. 故障波形圖中讀取電流、電壓相位

判斷某次故障的相位是否正確不能憑借報(bào)告一些簡(jiǎn)單信息判斷，為了準(zhǔn)確分析清楚故障的相位必須借助波形圖。

故障電流、電壓相位讀?。嚎梢岳霉收喜ㄐ螆D中的電流、電壓波測(cè)量故障期間電流、電壓的相位，分析故障時(shí)的測(cè)量阻抗角。測(cè)量方法為通過(guò)測(cè)量電流、電壓波形過(guò)零的時(shí)間差來(lái)計(jì)算相位，若電流過(guò)零時(shí)間在電壓過(guò)零時(shí)間之后則為滯后相位，否則為超前相位。電流過(guò)零變負(fù)滯后電壓過(guò)零變負(fù)約4ms,，相當(dāng)于滯后18°×4=72°，因此也可以判斷故障發(fā)生在正方向，阻抗角接近線路阻抗角為金屬性接地故障。若實(shí)測(cè)電流超前電壓110°左右則說(shuō)明是反向發(fā)生故障，如圖4所示。再由圖4可以看出，B相發(fā)生故障后，B相相電壓明顯降低，非故障A、C相電壓相位基本沒(méi)有變，因此可以畫(huà)出它們的相量圖，如圖5所示。

4.波形圖中區(qū)分故障性質(zhì)

當(dāng)系統(tǒng)故障后，在對(duì)應(yīng)的保護(hù)屏處打印出一張波形圖時(shí)，應(yīng)該首先觀察波形圖的全貌，再判斷故障類(lèi)型、保護(hù)的動(dòng)作行為及斷路器的動(dòng)作行為、故障的持續(xù)時(shí)間等信息，寫(xiě)出簡(jiǎn)要的故障分析報(bào)告，由于故障波形圖中含有大量的故障信息，還可以詳細(xì)地分析電流、電壓波形特點(diǎn)及其變化過(guò)程，從中得到與查找事故有用信息。本文以線路故障為例進(jìn)行說(shuō)明。

(1)正向區(qū)內(nèi)瞬時(shí)故障波圖分析。[3]

圖所6所示，變電站的一次正向區(qū)內(nèi)瞬時(shí)故障波形圖?？梢钥闯觯l(fā)生區(qū)內(nèi)瞬時(shí)性故障后，B相相電壓明顯降低，保護(hù)大約2-3mms發(fā)信，過(guò)8-9ms收信，保護(hù)判斷為區(qū)內(nèi)發(fā)生B相故障，發(fā)出跳閘指令，最快相對(duì)時(shí)間為15ms斷路器跳開(kāi)，在922ms時(shí)保護(hù)發(fā)出合閘指令，斷路器重合閘成功。電流、電壓恢復(fù)正常。也可以用3所示的方法去判斷正向區(qū)內(nèi)故障。

(2)正向區(qū)內(nèi)永久故障波圖分析

圖所7所示，變電站的一次正向區(qū)內(nèi)永久性故障波形圖?？梢钥闯?，發(fā)生永久性故障后，B相電壓明顯降低，保護(hù)大約2-3mms發(fā)信，過(guò)8-9ms收信，保護(hù)判斷為區(qū)內(nèi)發(fā)生B相故障，發(fā)出跳閘指令，最快相對(duì)時(shí)間為15ms斷路器跳開(kāi)，在922ms時(shí)保護(hù)發(fā)出合閘指令，斷路器重合閘成功。重合到故障的線路，保護(hù)立即又發(fā)生第二次故障，斷路器跳開(kāi)三相，未合閘成功(原因是第一次跳閘后重合閘未充電成功)。同樣也可以用3所示的方法去判斷正向區(qū)內(nèi)故障。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)故障波形圖的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)分析，總結(jié)了通過(guò)故障波形圖讀取典型事件的準(zhǔn)確事件時(shí)間，計(jì)算電流、電壓有效值和相位以及故障性質(zhì)的區(qū)分方法。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障后，可以從這些方法中了解相關(guān)故障信息和保護(hù)等設(shè)備的動(dòng)作行為，并迅速準(zhǔn)確地判斷故障情況，為事故處理、恢復(fù)供電爭(zhēng)取了寶貴的時(shí)間。希望對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員分析故障具有一定參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國(guó)家電力調(diào)度通信中心.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)用技術(shù)問(wèn)答[[M]. 中國(guó)電力出版社1999

State power Dispatch Communication Center of China.The Applied Technology of Power System Relay Protection [M]. Beijing:China Electric Power Press,1999[2]

[2] 袁季修等.保護(hù)用電流互感器應(yīng)用指南. 中國(guó)電力出版社,2004Yuan

Ji-Xiu, e tal. Application guide of current transformer for protection. China Electric Power Press, 2004.

[3] 國(guó)家電力調(diào)度通信中心.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)典型事故分析[M].北京.中國(guó)電力出版社2003

State power Dispatch Communication Center of China.Typical Fault Analysis of power System Relay Protection [M].Beijing:China Electric Power Press,2003