电压差特征引起电压暂降的故障类型识别

王建波，邵文权，张艳丽，王 龙，吉 玥

（1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安 710054；2.西安工程大学电子信息学院，陕西西安 710048）

电压差特征引起电压暂降的故障类型识别

王建波1，邵文权2，张艳丽1，王 龙2，吉 玥2

（1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安 710054；2.西安工程大学电子信息学院，陕西西安 710048）

短路故障是引起电压暂降的主要原因之一，快速准确地判断故障类型有利于实施有效的按相电压暂降补偿措施.以Δ／Y接线变压器方式的中性点直接接地系统为例，提出一种利用相电压差特征引起电压暂降故障类型识别方案.利用相电压差特征对导致电压暂降的故障类型进行区分并确认故障相，为实施按相电压暂降补偿提供依据.仿真分析结果证明了该方案的正确性和有效性.

电力系统；故障类型；相电压差；电压暂降

0 引 言

电压暂降是电力系统中最严重的电能质量问题之一［1］.短路故障是导致电压暂降的主要因素，为有针对性地实施按相电压暂降补偿，准确判断故障类型及电压暂降相别是必不可少的关键环节.

目前电压暂降的研究主要集中在电压暂降幅值和相位跳变［2］，主要包括采用dq变换法［3－5］、数学形态学［6］、广义逆算法［7］、S变换［8］.对故障类型与电压暂降之间的关系研究较少，文献［9－10］研究了不同接地方式电压暂降变压器的传递规律，采用对称分量法结合暂降期间的电压幅值和相角信息给出了电压暂降类型的判断依据；文献［11］提出在不同故障情况下，根据三相电压有效值大小，对引起电压暂降的故障进行分类；文献［12］提出了一种基于双dq变换短路故障分类方法，构造了有效值和相位特征量，建立短路故障类型与构造特征量之间的对应关系.利用电能质量监测装置捕捉到的电压暂降，快速确定发生短路的故障类型，能够为电力系统的运行管理、事故调查和故障定位等提供有益的参考.

为了实现引起电压暂降的故障类型快速准确判别，文中以变压器Δ／Y接线方式的中性点直接接地系统为例，在讨论不同故障类型的电压差特征的基础上，明确了不同故障类型电压差特征与故障的相对应关系，提出了一种采用相电压差特征进行引发电压暂降的故障类型识别方案，最后仿真验证了该方案的有效性和适用性.

1 变压器Δ／Y接线方式的中性点直接接地系统

基于变压器采用Δ／Y型中性点直接接地系统，如图1所示，分析在不同故障类型情况下的电压暂降幅值和相位跳变特征：（1）单相接地故障，故障相电压减小，非故障相电压及三相电压相位不变；（2）两相接地故障，故障相电压减小，非故障相电压及三相电压相位不变；（3）发生两相故障，故障相电压减小，相位发生变化，非故障相电压及相位不变；（4）三相故障时，故障相电压减小，三相电压相位不变.电压暂降故障类型和各故障类型电压暂降幅值如表1～2所示.

图1 中性点直接接地系统Fig.1 Neutral grounding power system

表1 不同故障类型引起的电压暂降Table 1 Type of voltage sag caused by different fault types

表2 不同类型电压暂降幅值Table 2 The magnitude of voltage sag under different fault types

由表1～2的分析可知，电压暂降幅值与故障类型之间具有明确的对应关系.因此，根据电压暂降的幅值可以进一步判断引起该暂降的故障类型，为实施按相进行电压暂降补偿提供依据.

2 故障类型判别

以图1所示的中性点直接接地方式下的单相接地故障为例，分析故障引起的电压暂降的电压差特征，并对其他故障类型的电压差特征进行简要分析.设故障前电源E＝1，其中ZS为系统等效到本电压等级的阻抗，ZL为短路点到公共连接点（PCC）处的线路阻抗.图1中，ZL＝RL＋j XL，ZS＝RS＋j XS，如果XS／RS＝XL／RL，则三相短路引起的电压暂降不会发生相角跳变.

一般情况下，对于单相经阻抗接地，过渡电阻为Rg，其对应的复合序网如图2所示，正序、负序和零序电压表达式如式1所示，A相、B相、C相的电压表达式如式2所示.

图2 单相经阻抗接地时的复合序网图Fig.2 Sequence network under single－phase－to－ground fault condition

对于中性点直接接地系统，存在ZS1＝ZS2和ZS0／ZS1＝1的关系，则单相接地时三相电压如式3所示.当ZS0／ZS1接近于1时，非故障相电压不变，故障相电压降低，最严重时近母线单相接地，电压幅值为零.

对应式3的电压差表达式如式4所示.

为了便于鉴别不同故障引起的电压暂降类型，将上述线电压逆时针旋转90°，即乘以j，则如式5所示，其对应的向量图如表3所示.

表3 不同故障类型对应的电压差Table 3 Different type of voltage sag corresponding line voltage

由以上分析可知，对于变压器Δ／Y接线方式下的中性点直接接地系统，不同故障类型下的电压差有以下特征：（1）对于单相接地故障，故障相与非故障相的电压差小于非故障相的电压差，以A相接地故障为例，存在｜AB｜＝｜AC｜＜｜BC｜；（2）对于两相接地故障，非故障相与故障相的电压差大于故障相的电压差，以BC相接地为例，存在｜AB｜＝｜AC｜＞｜BC｜；（3）对于两相相间故障，故障相与非故障相的电压差大于故障相的电压差，以AB相间故障为例，存在｜AC｜＝｜BC｜＞｜AB｜；（4）对于三相故障，故障相之间的电压差相互相等，存在｜AB｜＝｜˙UAC｜＝｜˙UBC｜.据以上分析得到不同故障类型下的电压差特征如表4所示.

表4 不同故障类型下的电压差特征Table 4 The differential－voltage under different fault types

由以上分析可知，在电压暂降发生期间可以利用三相电压差的特征进行故障类型的识别，同时确认相应的暂降相，相电压的计算可由DFT算法或其他短窗算法计算得到，能满足暂降期间快速实施按相电压暂降补偿的要求.

图3 PSCAD仿真建模Fig.3 Simulation model based on PSCAD

3 仿真验证

为了验证故障类型判断的正确性，文中利用PSCAD／EMTDC建立如图3所示的简单模型进行仿真验证.仿真中设定系统电压值为0.38kV，频率为50Hz，在0.5s～1.0s之间发生故障，故障持续时间0.5s.

为了验证文中所研究引起电压暂降的故障类型检测方法的正确性和有效性，进行了大量的不同故障情况下的仿真验证.典型的分析结果如图4～7所示.

可以看出，A单相接地故障时，非故障BC相电压差值的有效值为最大，A相与非故障相电压差近似相等，按照前节相关电压差特征，可确认A相为故障相；BC两相接地故障和两相故障时，故障相BC相电压差值的有效值为最小，可确认BC相为故障相；发生三相故障时，三相电压之间差值的近似相等，可确认三相故障.大量仿真结果表明，利用相电压差特征能够有效区分引发电压暂降的故障类型，同时可靠的识别对应的故障相，为实施按相补偿提供有力依据.

图4 A相接地故障Fig.4 Results of A－phase grounded fault

图5 BC相接地故障Fig.5 Results of BC two－phase grounded fault

图6 BC相间故障Fig.6 Results of BC phase－to－phase fault

图7 三相故障Fig.7 Results of three－phase fault

4 结束语

针对电压暂降后实施按相补偿的要求，提出一种基于相电压差的故障类型识别方案.分析了不同故障情况下相电压差特征，构建了利用电压暂降期间的相电压差特征确认故障相别的方案.最后，利用PSCAD软件建模进行大量的仿真实验，结果表明所提方案能够有效区分引发电压暂降的故障类型，同时对不同情况下的电压暂降下的故障相别进行可靠确认，为现场实施按相的精确补偿提供依据.

［1］ 肖湘宁.电能质量分析与控制［M］.北京：中国电力出版社，2010.

XIAO Xiangning.Power quality analysis and control［M］.Beijing：China Electric Power Press，2010.

［2］ 周林，吴红春，孟婧，等.电压暂降分析方法研究［J］.高电压技术，2008，34（5）：1010－1016.

ZHOU Lin，WU Hongchun，MENG Jing，et al.Study of the voltage sag analysis methods［J］.High Voltage Engineering，2008，34（5）：1010－1016.

［3］ 刘云潺，黄纯，欧立权，等.基于dq变换的三相不平衡电压暂降检测方法［J］.电力系统及其自动化学报，2007，19（3）：72－76.

LIU Yunchan，HUANG Chun，OU Liquan，et al.Method for unbalanced voltage sags detection based on dq transform［J］.Proceedings of the CSU－EPSA，2007，19（3）：72－76.

［4］ 杨淑英，杜彬.基于dq变换的动态电压恢复器综合求导检测算法［J］.电力系统自动化，2008，32（2）：40－44.

YANG Shuying，DU Bin.A novel integrated derivation detection algorithm based on dq transformation for the dynamic voltage restorer［J］.Power System Automation，2008，32（2）：40－44.

［5］ 金显吉，佟为明，卢雷，等.基于改进单相dq变换与形态滤波的电压暂降检测方法［J］.电机与控制学报，2015，19（4）：46－52.

JIN Xianji，TONG Weiming，LU Lei，et al.A detection algorithm of voltage sag based on improved single－phase dq transformation and morphological filtering［J］.Electric Machines and Control，2015，19（4）：46－52.

［6］ 王莹，谢林柏.基于改进αβ变换和数学形态学电压暂降检测方法［J］.电源学报，2015，13（2）：77－81；87.

WANG Ying，XIE Linbo.Voltage sag detection based on improvedαβtransform and mathematical morphology［J］.Journal of Power Supply，2015，13（2）：77－81；87.

［7］ 王佳兴，杨洪耕，王泽，等.基于广义逆算法的电压暂降状态估计［J］.电工电能新技术，2015，34（4）：18－23.

WANG Jiaxing，YANG Honggeng，WANG Ze，et al.Method of voltage sag state estimation based on generalized inverse matrix［J］.Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，2015，34（4）：18－23.

［8］ 肖助力，龚仁喜，陈双.一种改进不完全S变换的电压暂降检测方法［J］.电力系统保护与控制，2015，43（9）：62－68.

XIAO Zhuli，GONG Renxi，CHEN Shuang.Detection of voltage sag by a modified incomplete S－transform［J］.Power System Protection and Control，2015，43（9）：62－68.

［9］ 肖湘宁，陶顺.中性点不同接地方式下的电压暂降类型及其在变压器间的传递（一）［J］.电工技术学报，2007，22（9）：143－147.

XIAO Xiangning，TAO Shun.Voltage sags types under different grounding modes of neutral and their propagation：Part I［J］.Transactions of China Electro－technical Society，2007，22（9）：143－147.

［10］ 陶顺，肖湘宁.中性点不同接地方式下的电压暂降类型及其在变压器间的传递（二）［J］.电工技术学报，2007，22（10）：156－159.

TAO Shun，XIAO Xiangning.Voltage sags types under different grounding modes of neutral and their propagation：PartⅡ［J］.Transactions of China Electro－technical Society，2007，22（10）：156－159.

［11］ 王玲，高倩倩，陶顺，等.基于暂降类型判断的短路故障类型识别研究［J］.电测与仪表，2013，50（6）：8－13.

WANG Ling，GAO Qianqian，TAO Shun，et al.Research of short－circuit fault type recognition based on sag type detection［J］.Electrical Measurement ＆Instrumentation，2013，50（6）：8－13.

［12］ 杜雄，周雒维，许可夫.基于双dq变换的引起电压暂降的短路故障分类［J］.电力系统自动化，2010，34（5）：86－90.

DU Xiong，ZHOU Luowei，XU Kefu.Classification of short circuit faults causing voltage sags based on double dq transformation［J］.Power System Automation，2010，34（5）：86－90.

编辑、校对：武 晖

A fault type detection scheme for voltage sag based on differential－voltage

WANG Jianbo1，SHAO Wenquan2，ZHANG Yanli1，WANG Long2，JI Yue2
（1.State Grid Electric Power Company，Shaanxi Electric Power Research Institute，Xi′an 710054，China；
2.School of Electronics and Information，Xi′an Polytechnic University，Xi′an 710048，China）

Short circuit fault is a major cause of voltage sag in power system.Quick and accurate judgment of fault types is helpful to implement the voltage sag compensation based the faulted phase.Taking the transformer withΔ／Y－type grounding mode as an example，a method using phase voltage difference is proposed to identify the fault type on which the phase voltage sag compensation is based.The simulation results show that the discussed method is effective and correct.

power system；fault types；phase voltage difference；voltage sag

TM 727

A

1674－649X（2015）05－0617－06

10.13338／j.issn.1674－649x.2015.05.018

2015－05－27

国网陕西省电力公司电力科学研究院科技资助项目（2014KJ－088）

邵文权（1978—），男，湖北省十堰市人，西安工程大学副教授，研究方向为电力系统电能质量分析、继电保护等.E－mail：shaowenquan＠xpu.edu.cn