電力系統(tǒng)故障波形圖中關鍵點識別及分析

眾所周知，電力系統(tǒng)的故障過程越短越好，故障時間越短，對設備的損壞程度越小，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行越有利。目前，國內(nèi)的高壓或超高壓保護對于多數(shù)的故障均可以做到在0.1S以內(nèi)切除故障，甚至可以達到幾個毫秒，故障過程是非常短暫的。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)定在一定時間范圍，必須明確故障設備是否能否恢復送電，超時否則算電網(wǎng)事故處理。為此需要了解故障前及故障時的全過程，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了解故障發(fā)生的全過程。即了解故障過程中電流、電壓幅值和相位，故障性質(zhì)、故障的持續(xù)時間，以及保護、斷路器的動作時間等信息。為此本文以常見事故波形圖為例，介紹故障波形圖幾個關鍵點識別和分析方法，從中了解相關故障信息和保護等設備的動作行為，以便快速幫助管理部門確定故障性質(zhì)和制定事故處理方案，及時恢復送電。

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專用故障錄波器或保護本身動作報告記錄。目前現(xiàn)場采用的均是微機保護和微機故障錄波器，它主要由故障啟動、信息數(shù)據(jù)采集、存儲分析及波形輸出等部分組成。

不論是保護或是專用的故障錄波器啟動主要是利用故障特征明顯的電氣量來啟動工作，一般的啟動量有電流、電壓突變量啟動，電流、電壓越限啟動，頻率變化量啟動及開關量啟動等。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性和實時性。信息數(shù)據(jù)主要有兩種類型，一種為記錄電流、電壓瞬時值的交變信號，一種為反映正負躍變的開關量信號。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程，反映電流、電壓變化的瞬時值波形及反映電位變化的開關量均采用同一時標繪制。輸出部分包括簡要分析報告、重要故障信息數(shù)據(jù)及故障全過程波形圖、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設定。

二、關鍵點識別與分析

在現(xiàn)場使用的保護生產(chǎn)長家較多，型號亦很多，各種型號的保護故障波形圖結構不盡相同，標注信息的方式也差別很大，但歸結起來可以分為兩大部分，第一部分是故障分析簡報，第二部分為故障波形圖信息。

1. 故障波形圖中讀取準確事件時間

在第一部分是故障分析簡報中給出的各事件時間均是根據(jù)相關量的開入時刻，由保護自動給出的分析報告，有時并不十分準確，如斷路器跳開或合上時間，一般是以斷路器位置觸點為基準的，斷路器位置觸點與主觸頭在多數(shù)情況下并不十分同步，從而會產(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時間，即以電流或電壓波形變化比較明顯的時刻為基準，讀取各事件的相對時間，這是因為電流變大和電壓變小時刻可較準確判斷故障已發(fā)生，故障電流消失和電壓恢復正常的時刻可較準確判斷故障已切除。為了便于理解，以圖1所示為例說明在故障波形圖中讀取準確事件時間的方法，并將關鍵點的事件時間進行了標注。[1]

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

保護動作時間：保護動作時間是從故障開始到保護出口的時間，即從電流開始變大或電壓開始降低到保護輸出觸點閉合的時間，如圖1所示的B段，保護動作最快時間為15ms。

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

保護返回時間：保護返回時間是從故障電流消失開始到保護輸出觸點斷開的時間，如圖1所示D段，保護返回時間為30ms。

重合閘裝置出口動作時間：重合閘裝置出口動作時間是從故障消失開始計時到重合閘裝置發(fā)出合閘命令(重合閘觸點閉合)的時間，如圖1所示E段，重合閘動作時間為862ms。

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

為了方便分析事故的發(fā)展，可以將中各過程時間匯集成時間軸，將上述各類時間匯集成下圖，見圖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相電壓相位基本沒有變。[2]

電流計算方法：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點畫出一條刻度標尺垂直線，如圖3所示，最后在刻度標尺上計算出兩邊最高波峰之間存在的間隔有幾格標尺，計算出來總標尺格除以2得到電流具體存在標尺格，在圖中顯示的I：4.0A/格(說明：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。假設本間隔CT變比為1200/1。

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

I0的計算方法與IB相同，需要說明的是I0實際指的是3I0。

電壓計算方法：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點畫出一條刻度標尺垂直線，同樣如圖3所示，最后在刻度標尺上計算出兩邊最低波峰之間存在的間隔有幾格標尺，計算出來總標尺格除以2得到電壓具體存在標尺格，在圖中顯示的U：45V/格(說明：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。假設本間隔PT變比為1100/1。

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

U0的計算方法與UB相同，需要說明的是U0實際指的是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告一些簡單信息判斷，為了準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、電壓波測量故障期間電流、電壓的相位，分析故障時的測量阻抗角。測量方法為通過測量電流、電壓波形過零的時間差來計算相位，若電流過零時間在電壓過零時間之后則為滯后相位，否則為超前相位。電流過零變負滯后電壓過零變負約4ms,，相當于滯后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。若實測電流超前電壓110°左右則說明是反向發(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相電壓相位基本沒有變，因此可以畫出它們的相量圖，如圖5所示。

4.波形圖中區(qū)分故障性質(zhì)

當系統(tǒng)故障后，在對應的保護屏處打印出一張波形圖時，應該首先觀察波形圖的全貌，再判斷故障類型、保護的動作行為及斷路器的動作行為、故障的持續(xù)時間等信息，寫出簡要的故障分析報告，由于故障波形圖中含有大量的故障信息，還可以詳細地分析電流、電壓波形特點及其變化過程，從中得到與查找事故有用信息。本文以線路故障為例進行說明。

(1)正向區(qū)內(nèi)瞬時故障波圖分析。[3]

圖所6所示，變電站的一次正向區(qū)內(nèi)瞬時故障波形圖?？梢钥闯?，發(fā)生區(qū)內(nèi)瞬時性故障后，B相相電壓明顯降低，保護大約2-3mms發(fā)信，過8-9ms收信，保護判斷為區(qū)內(nèi)發(fā)生B相故障，發(fā)出跳閘指令，最快相對時間為15ms斷路器跳開，在922ms時保護發(fā)出合閘指令，斷路器重合閘成功。電流、電壓恢復正常。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?？梢钥闯觯l(fā)生永久性故障后，B相電壓明顯降低，保護大約2-3mms發(fā)信，過8-9ms收信，保護判斷為區(qū)內(nèi)發(fā)生B相故障，發(fā)出跳閘指令，最快相對時間為15ms斷路器跳開，在922ms時保護發(fā)出合閘指令，斷路器重合閘成功。重合到故障的線路，保護立即又發(fā)生第二次故障，斷路器跳開三相，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、結束語

本文通過對故障波形圖的幾個關鍵點分析，總結了通過故障波形圖讀取典型事件的準確事件時間，計算電流、電壓有效值和相位以及故障性質(zhì)的區(qū)分方法。當系統(tǒng)發(fā)生故障后，可以從這些方法中了解相關故障信息和保護等設備的動作行為，并迅速準確地判斷故障情況，為事故處理、恢復供電爭取了寶貴的時間。希望對現(xiàn)場工作人員分析故障具有一定參考價值。

參考文獻：

[1] 國家電力調(diào)度通信中心.電力系統(tǒng)繼電保護實用技術問答[[M]. 中國電力出版社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.保護用電流互感器應用指南. 中國電力出版社,2004Yuan

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

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

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