水电厂10 kV配电网故障判断与定位研究

黄建琼,唐国民,郭乃理,隋良红

(1.中国测试技术研究院,四川成都610065；2.四川中测电子科技有限公司,四川成都610065)



水电厂10kV配电网故障判断与定位研究

黄建琼1,2,唐国民1,郭乃理1,隋良红1

(1.中国测试技术研究院,四川成都610065；2.四川中测电子科技有限公司,四川成都610065)

摘要：水电厂10 kV配电网系统庞大,分布广泛且所处环境复杂,易发生故障。在配电网系统发生故障后,保护装置可快速准确切除故障,但无法判断故障类型及对故障点进行定位。10 kV配电网故障类型较多,快速准确的故障判断与定位可以有效缩短故障抢修时间,对单相接地故障、相间短路故障、铁磁谐振、励磁涌流四种典型故障的判断与定位分析方法及其应用实践进行了详细的总结。

关键词：10 kV配电网；单相接地故障；相间短路故障；铁磁谐振；励磁涌流；故障判断与定位

0引言

大型水电厂厂用电10kV配电网直接为水电厂的机组自用电、辅助系统、公用系统、照明系统及大功率异步电机(如检修排水泵、渗漏排水泵)提供电源。在10kV系统发生故障时,继电保护装置一般均能快速准确切除故障[1],但其无法判断故障类型并定位故障点的准确位置,故障点的判断与查找仍然依赖于检修人员的分析与检查。

厂用电配电网故障类型较多,本文重点研究下述4种故障类型的判断与定位：单相接地故障、相间短路故障、铁磁谐振、励磁涌流。其中10kV线路单相接地故障出现的概率最多,且其发生后如不及时处理易引发非故障相的绝缘损坏,从而发展为相间故障；厂用电10kV配电网变压器种类繁多,如照明变、公用变、检修变等,研究变压器的相间故障,特别是两相故障特征,可以为现场查找故障点提供依据；在厂用电10kV系统发生铁磁谐振时,将出现过电压和过电流,会造成电压互感器一次高压熔丝频繁烧断、避雷器爆炸、变压器烧毁等严重事故[2- 4],严重威胁厂用电配电网的安全稳定运行；励磁涌流是变压器空载合闸的一个典型特征,在变压器保护定值设置不合理时,易引起保护装置误动。

本文首先从原理上分析了上述4种故障的故障特征,再通过MATLAB软件进行了故障分析,最后通过某大型水电厂厂用电10kV配电网现场实际的故障录波数据对故障进行判断与定位。

1单相接地故障

1.1单相接地故障理论分析

厂用电10kV配电网为不接地系统,目前,不接地系统单相接地故障点定位技术的理论研究较为广泛[5- 6],但水电厂厂用电配电网故障定位装置的应用并未普及,故障的查找仍要依赖检修人员。因此熟悉不接地系统配电网的故障特征对查找故障点有着指导作用。

记厂用电线路每相对地电容为Cg,线路三相额定相电压分别为EA、EB、EC,中性点零序电压为U0,系统频率为f。厂用电线路在A相M点处发生了经过渡电阻Rf的接地故障,故障示意如图1所示。

图1　线路单相接地故障原理

根据基尔霍夫电流定律,以线路中性点N为研究对象,则

(1)

假设系统三相电压对称,则根据式(1)可得

(2)

系统三相对地电压如式(3)所示

(3)

1.2单相接地故障分析

根据式(1)～式(3),利用MATLAB软件对厂用电线路经不同过渡电阻接地情况进行分析,Rf变化时U0的变化轨迹和UAd、UBd、UCd的变化轨迹如图2所示。当Rf=0～∞变化时,地电位点的轨迹是以故障相(A相)模值为直径的半圆弧(见图2),将沿此半圆弧而改变。

图2　过渡电阻变化时电压的变化轨迹

水电厂因不同厂用线路的长度不同,其所带负荷主要可以分为变压器及异步电机,相应系统的对地电容也不一致。由于变压器的对地电抗作用,带变压器线路的对地电容值一般比带异步电机的电容小。本文以某大型水电厂带变压器线路的对地电容值423uF和带异步电机线路的对地电容值781uF两个不同的对地电容值为例,通过MATLAB对厂用电两种典型线路的A相经0～10kΩ的过渡电阻接地故障进行了分析计算,其结果如图3所示。

图3　线路三相对地电压与过渡电阻关系曲线

从图3波形可以看出,在同一对地电容值下,故障相的上一相电压最高,本例中A相故障,则C相电压最高；在同一故障过渡电阻下,对地电容小的系统其电压变化率较对地电容大的系统变化更快。根据上述故障特征可以为接地故障点判断与查找提供依据。

1.3单相接地故障应用实例

图4所示的故障波形为10kV配电网系统发生的B相经过渡电阻接地时的故障波形,故障显示值为二次电压(二次额定相电压为57.7V)。图4中A相电压为76.65V,B相电压为42.85V,C相电压为60.60V,A相电压最高,由此判断B相发生了接地故障,这与上述理论分析及结果一致。

图4　经过渡电阻接地现场故障录波

2变压器相间故障

研究厂用电10kV配电网系统变压器低压侧相间故障特征,特别是两相故障特征,对配电网故障判断与查找具有指导作用。本文以Y,d11结构式变压器发生两相短路故障为例研究其故障特征。

2.1变压器相间故障电流特征分析

图5　变压器△侧两相故障原理

根据基尔霍夫电流定律,△侧三相线电流及相电流满足

(4)

根据式(4),可计算出△侧三相相电流如下

(5)

则Y侧三相故障电流分为

(6)

(7)

根据式(6)可以看出在Y,d11结构式变压器低压侧发生两相短路故障时,Y侧故障电流最大相的下一相为低压侧的非故障相,根据式(7)可以看出在△侧发生两相短路时,Y侧最大相的电流已等于低压侧发生三相短路的故障电流。变压器发生两相故障后,会迅速发展成三相故障。

2.2变压器相间故障应用实例

图6为某水电厂厂用电10kV配电网变压器△侧b、c两相短路发展为三相短路的实际故障波形。图6中所示37ms前变压器Y侧A相电流是B、C相电流的2倍,电流极性相反,三相电流矢量和为0,37ms后三相电流均变为与A相电流幅值一致且电流相序为正序,表明变压器低压侧先发生了两相故障而后发展为了三相相间短路,上述理论分析结果与现场检查结果一致。

图6　两相短路发展为三相短路故障录波

3铁磁谐振

3.1铁磁谐振特征分析

当厂用电线路发生接地故障时,对于铁磁式电压互感器,一次侧电压的变化会引起铁芯饱和,励磁电抗变小[7]。故障、投切负荷会引起系统对地容抗发生变化。当XC/XLe(系统对地容抗/PT励磁电抗)计算值不同时,将产生不同频率谐振。

(1)XC/XLe=0.01～0.07时,为分频谐振。三相电压周期性轮流上升,发生低频波动,过电压较小。

(2)XC/XLe=0.01～0.55时,为基频谐振。某一相相电压低,但不等于零,另二相电压高于线电压,零序电压大于100V。

(3)XC/XLe=0.45～2.8时,为高频谐振。三相电压都升高,过电压较高,或一相升高其余下降,零序电压大于100V。

3.2铁磁谐振故障应用实例

某水电厂厂用电10kV配电网发生的分频铁磁谐振故障录波波形如图7所示,图中三相电压周期性轮流上升,发生低频波动,过电压基本不超过线电压,零序电压不超过100V。从而可以判断配电网系统发生了铁磁谐振而非单相接地故障,此时可以通过拉开其余馈线改变系统对地容抗的方式来消除铁磁谐振。

图7　分频铁磁谐振故障录波

产生该铁磁谐振的原因在于配电网系统发生单相接地故障后,电压互感器铁芯饱和,励磁电抗变小,切除故障线路后,配电网的对地容抗又发生了变化,容抗与感抗的比值进入了分频铁磁谐振的区域所致。

了解配电网铁磁谐振产生的机理后,就可从其产生的源头避免铁磁谐振[8-9]。也可以根据铁磁谐振产生的机理,在电压互感器的开口绕组上加装消谐装置来缩短谐振的过程,以保护一次设备。

4励磁涌流

厂用电10kV配电网中变压器正常运行时,铁芯不会饱和。但在进行空载合闸时,不同工况下变压器铁芯会出现不同程度的饱和情况,从而导致铁芯励磁涌流,如果主变差动保护无法躲过励磁涌流或者定值整定不合理,保护装置将会发生误动。

影响励磁涌流的因素复杂[10],本文主要分析以下两个影响因素：电压等级及合闸初始角、合闸前铁芯磁通的方向和大小。

4.1励磁涌流产生机理分析

记变压器的电压为U,磁通为Φ,则两者之间的关系为

U=dΦ/dt

(8)

记变压器在0时刻空载合闸,加在变压器上的电压为u=Usin(ωt+α)(其中α为初始相角),解式(8)微分方程,得

φ=-Φmcos(ωt+α)+Φ0

(9)

式中,-Φmcos(ωt+α)为稳态磁通分量,其中Φm=Um；Φ0为自由分量,为衰减的直流分量。变压器铁芯磁通不能突变,因此

Φ0=Φmcos(α)+Φr

(10)

式中,Φr为变压器铁芯的剩磁,其大小和方向与切除变压器时刻的电压有关。

从式(9)～式(10)可以看出,造成铁芯饱和最严重的情况是在电压过零(α=0)时刻合闸,半个周期后变压器将达到磁通最大值2Φm+Φr,此时变压器严重饱和,形成励磁涌流。

4.2励磁涌流特征分析

励磁涌流有三个特征：波形完全偏离时间轴的一侧,并有间断角；含有很大成分的非周期分量；含有大量的高次谐波分量,而以二次谐波为主。

4.3励磁涌流故障应用实例

图8为某水电厂厂用电10kV变压器的励磁涌流故障录波。

从图8可以明显看出波形中间的间断角,且A、C相电流波形均偏离坐标轴一侧。三相电流(CT二次值)的非周期含量见表1,可以看出三相中A相非周期分量含量已高达61.9%。

分析其谐波含量,2、3、4、5、6、7、8、9、10次谐波含油率分别为44.95%、

图8　励磁涌流故障录波

相序基波电流/A非周期分量电流/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%。因此可以判断10kV馈线的变压器在空充时产生了较大的励磁涌流。

上述励磁涌流特征均直接或者间接的作为变压器差动保护在空载合闸时的防误闭锁判据[11-12]。在对保护定值整定时,要根据变压器的特性,合理整定相应的定值。

5结语

随着水电领域的开发,水电厂厂用电配电网的要求也在不断提高。利用故障特征对故障类型和位置进行分析查找,有助于缩短故障抢修时间,为机组的稳定运行提供保障。

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(责任编辑高瑜)

收稿日期：2015- 12- 10

基金项目：四川省科技计划项目(2014GZ0083)

作者简介：黄建琼(1984—),女,四川巴中人,工程师,硕士,主要研究方向为智能电网及电气安全性能检测技术研究．

中图分类号：TM727

文献标识码：A

文章编号：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