（高电压与绝缘技术专业论文）配电线路故障智能诊断装置的研究.pdf

11丫1i1111itdlli召11ii4i111ii116171111 嗵 r e s e a r c ho ni n t e l l e c t u a l i z e dd i a g n o s t i cd e v i c e a p p l i e dt od i s t r i b u t i o nl i n e s b y p e n gl i q i a n g b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y l n s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r f e s s o rl ij i n g l u a p r i l ，2 0 11 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名嘭邪象 日期：矽f 年j 广月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网 络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名嘭辱l 导师签名 日期：如年厂月矽日 眺2 0 l i 多月2 7 日 、 ， 八r 一爿。，一，j j i j i j ： p 摘要 配电网是电力系统的重要组成部分，由于其结构复杂、分布广泛、绝缘水平 不高，加之在技术管理和运行维护上存在较多缺陷，以至于配电线路故障频繁发 生配电线路的故障主要有瞬时性故障和永久性故障两大类型，其中绝大多数故 障都是瞬时性的，为了减少线路因瞬时性故障等原因引起的停电事故，提高供电 可靠性，在配电系统中普遍采用投运自动重合闸的运行方式。但传统自动重合闸 无法对故障性质作出判断，其投入具有盲目性，不可避免地会重合到永久性故障 上，造成事故扩大。因此，当配电线路发生故障后，为了避免自动重合闸重合于 永久性故障，重合之前对线路故障性质进行准确判断是十分必要的 本文针对上述问题，对目前已有的各种判别瞬时性故障与永久性故障的方法 进行了分析与比较，并结合配电线路自身具有的特点，研制了一种能对线路故障 性质进行有效判别的配电线路故障智能诊断装置该装置在配电线路发生故障跳 闸后，通过检测线路对地绝缘电阻的大小，对其绝缘恢复情况进行实时监控，从 而判断出线路的故障类型，决定线路是否重新恢复供电 根据配电线路故障智能诊断装置的研发思想，对其硬件和软件部分进行了设 计。硬件部分主要对线路状态传感器、控制模块、外围电路和通信系统等部分的 硬件框图和功能进行了介绍；软件部分结合软件设计流程图阐述了数据采集、故 障判断、数据通信、故障统计及人机对话等功能的实现方法。 研究表明，该装置具有可靠性高、抗干扰能力强、实现了智能化检测等优点； 该课题的研究克服了传统自动重合闸投运的盲目性，极大地提高了配电网的供电 可靠性。 关键词：配电线路；故障智能诊断；自动重合闸；瞬时性故障；永久性故障 a b s t r a c t d i s t r i b u t i o nl i n e sa r ei m p o r t a n tp a r t so fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m t h e yh a v es o m e f e a t u r e ss u c ha sc o m p l i c a t ec o n s t r u c t i o n ，w i d ed i s t r i b u t i o n ，l o wi n s u l a t i o nl e v e l ， i m p e r f e c t i o ni nt e c h n o l o g ym a n a g e m e n t ，o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，s of a u l t s o f t e n h a p p e nt od i s t r i b u t i o nl i n e s d i s t r i b u t i o nl i n e s f a u l t sm a i n l yi n c l u d et r a n s i e n t f a u l t s a n dp e r m a n e n tf a u l t s a n dm o s to fw h i c ha r et r a n s i e n tf a u l t s s oi nd i s t r i b u t i o ns y s t e m ， a u t o m a t i cr e c l o s u r ei sw i d e l ya p p l i e dt or e d u c et h ep o s s i b i l i t yo fb l a c k o u td u i n gt o r e a s o n sa st r a n s i e n tf a u l t sa n ds oo n ，s t r e n g t h e n i n gp o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t y b u t t r a d i t i o n a la u t o m a t i cr e c l o s i n gc a nn o td i s t i n g u i s ht h et y p eo ff a u l t s t h e ya c tb l i n d l y a f t e rf a u l t sh a p p e n e d ，s ot h e ys o m e t i m e si n e v i t a b l ya c ti np e r m a n e n tf a u l t s ，b r i n g i n g m o r es e r i o u sd a m a g et os t a b l eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m w h e nf a u l t sh a p p e nt o d i s t r i b u t i o nl i n e s ，i no r d e rn o tt oa c ti np e r m a n e n tf a u l t s ，i ti se s s e n t i a lt od i s t i n g u i s h t y p eo ff a u l t sb e f o r ea u t o m a t i cr e c l o s i n ga c t t h i s p a p e rc a r r i e sa n a l y s i s a n dc o m p a r i s o no na l le x i s t i n gm e t h o d s o f d i s t i n g u i s h i n gt r a n s i e n t f a u l t sa n dp e r m a n e n tf a u l t s ，d e v e l o p sa ni n t e l l e c t u a l i z e d d i a g n o s t i cd e v i c ew h i c hc a nd i s t i n g u i s ht y p e o ff a u l t sa c c u r a t e l ya n de f f i c i e n t l y c o m b i n i n gw i t hd i s t r i b u t i o nl i n e s o w nf e a t u r e s w h e n d i s t r i b u t i o nl i n e st r i p ，t h i s d e v i c ed i s t i n g u i s h e st y p eo ff a u l t sb yd e t e c t i n gi n s u l a t i o nr e s i s t a n c ea n dt i m e l y m o n i t o r i n gs i t u a t i o no f i n s u l a t i o nr e c o v e r y ，t h e nd e c i d e sw h e t h e rs u p p l yp o w e ra g a i n b a s i n go ni d e a so fi n t e l l e c t u a l i z e dd i a g n o s t i cd e v i c ea p p l i e dt od i s t r i b u t i o nl i n e s ， t h i sd e s i g ni n c l u d e sh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n i nh a r d w a r ed e s i g n ，w e g i v ei n t r o d u c et of l o wd i a g r a m sa n df u n c t i o nf o rl i n es t a t es e n s o r s ，c e n t r e lm o d u l e ， p e r i p h e r a lc i r c u i ta n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e me t c i ns o f t w a r ed e s i g n ，c o m b i n i n g w i t h s o f t w a r ed e s i g nf l o wc h a r t ，w er a i s ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so fd a t aa c q u i s i t i o n f u n c t i o n ，f a u l tj u d g i n gf u n c t i o n ，d a t a c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n ，f a u l tc o n c l u d i n g f u n c t i o na n dm a n m a c h i n ei n t e r a c t i o nf u n c t i o ne t c r e s e a r c hs h o w st h a tt h i sd e v i c e h a sf e a t u r e ss u c h a sh i g hr e l i a b i l i t y ，s t r o n g a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y ，e m b o d i e si n t e l l e c t u a l i z e dm e r i t s t h ed e v i c eo v e r c o m e s b l i n da c t i o no fa u t o m a t i cr e c l o s i n g ，i m p r o v e sp o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t yt r e m e n d o u s l y k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nl i n e s ；i n t e l l e c t u a l i z e dd i a g n o s i s ；a u t o m a t i cr e c i o s i n g ； t r a n s i e n tf a u l t ；p e r m a n e n tf a u l t 2 2 1 配电线路短路故障分析6 2 2 2 配电线路断线故障分析8 2 2 3 电缆线路的故障分析9 2 3 自动重合闸装置在电力系统中的应用1 0 2 3 1 自动重合闸装置的基本工作原理1 0 2 3 2 自动重合闸装置的作用及要求1 2 2 3 3 自动重合闸装置存在的主要问题1 3 2 4 本章小结13 第三章配电线路故障智能诊断装置的研制思想及主要功能 3 1 配电线路故障智能诊断装置的研制思想1 5 3 2 配电线路故障智能诊断装置判据的选择1 6 3 2 1 判据分析比较1 6 3 2 2 配电线路故障智能诊断装置判据选择的方法与原则1 6 3 3 配电线路故障智能诊断装置的主要功能1 8 3 3 1 功能实施步骤1 8 3 3 2 功能实施方式1 9 3 3 3 装置动作时限的选择2 0 3 4 本章小结2 l 第四章配电线路故障智能诊断装置的硬件设计 4 1 配电线路故障智能诊断装置的硬件构成2 2 4 2 线路状态传感器模块设计2 3 4 2 1 开关模块一2 3 4 2 2 电流电压( i v ) 转换电路2 4 4 3 控制模块设计2 4 4 3 1 可编程控制器( p l c ) 2 5 4 3 2p l c 的模数( a d ) 转换模块2 7 4 4 外围电路的设计2 7 4 4 1 隔离电路i 的设计2 7 4 4 2 隔离电路i i 的设计。2 9 4 5 通信系统的硬件设计2 9 4 6 电源模块的设计3 0 4 6 1 检测电源模块3 0 4 6 2 供电电源模块。3 0 4 7 本章小结3 0 第五章配电线路故障智能诊断装置的软件设计 5 1 软件的总体设计3 2 5 2 数据采集功能的软件设计与实现3 3 5 2 1 模数( a d ) 转换功能的实现3 4 5 2 2 数字滤波功能的实现3 5 5 3 故障判断过程的软件设计与实现3 6 5 4 数据通信的软件设计与实现。3 7 5 5 线路跳闸统计分析功能的软件设计与实现3 9 5 6 人机交互功能的软件设计与实现3 9 5 7 本章小结。4 0 第六章同类技术对比及应用前景分析 6 1 同类技术对比4 2 6 2 应用前景及经济效益分析。4 4 结论4 5 参考文献4 7 致谢5 0 附录a 攻读学位期间发表的学术论文5 l 附录b 攻读学位期间参与的科研项目5 2 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 电力系统是由发电厂、电力网以及电能用户( 电力负荷) 所组成的统一整体， 其任务是生产、变换、输送、分配和消费电能。电力系统的出现，使高效、无污 染、使用方便、易于调控的电能得到了广泛应用，推动了社会生产各个领域的变 化，开创了电力时代，发生了第二次技术革命；电力系统的规模和技术水准已成 为一个国家经济发展水平的标志之一。 配电网处于电力系统的末端，是直接向广大电力用户分配电能的网络，是电 力系统中与客户直接相联系的一环，对整个系统的供电可靠性影响巨大。据不完 全统计，我国配电网7 5 以上的发电量需通过配电网供给用户，8 0 以上的用户 停电事故都是由配电系统故障所引起的。因此，配电网的供电可靠性直接体现了 电力企业的服务水平，提高配电网的供电可靠性，不仅与提高用户对企业的信任 程度有关，而且也关系到电力企业自身的经济利益和长远发展。随着社会对电能 这种清洁的二次能源供应需求的增大，对电能质量的要求也越来越高，依赖程度 不断上升，从而配电网的安全和供电可靠性越来越受到重视。但是我国的配电网 由于历史原因，还比较落后，配电投资在整个电力投资中的比例远低于国际平均 水平，对配电网的规划、建设、管理等方面重视不够、研究不多，使得配电网成 为电网中最薄弱的一环；在网络结构、技术管理和运行维护上还存在较多缺陷， 以至于配电网故障频繁发生，尤其是在雷电、污染、内过电压作用等诸多因素影 响时配电网故障更是频繁，这不仅影响了人民群众的正常生产、生活用电，亦严 重危及到了电力系统的安全、稳定运行【1 ：】。 一般而言，配电线路的故障可大致分为瞬时性故障和永久性故障；若发生的 故障为瞬时性故障则重合成功后线路即可稳定运行；但若为永久性故障，即使再 合上电源，由于故障依然存在，不能成功重合闸，因而不能恢复正常供电1 3 4 l 。统 计资料表明，配电网事故中瞬时性故障占9 0 左右，永久性故障一般不到1 0 ； 虽然如此，但由于发生永久性故障使线路跳闸后，绝缘不能自行恢复，如果自动 重合闸将线路重新投运则会投到永久性故障点上，将导致事故扩大，甚至引起人 身安全事故，因而大多数供电企对配电线路投运自动重合闸都是顾虑重重，甚至 不敢投运自动重合闸，这样极大地影响了配电网的供电可靠性，影响了配电网的 安全稳定运行。 因此，配电线路发生故障后，对其故障属性进行正确判断显得异常重要：准 确的故障诊断，能使故障处理得以及早进行，保证迅速恢复供电，明显降低因故 障造成的综合经济损失。针对上述情况，电力系统迫切需要开发一种配电线路故 障智能诊断装置；当线路发生故障跳闸之后，该装置启动，根据线路传感器传回 的数据进行自动分析，判断故障属于瞬时性故障还是永久性故障，进而决定是否 将断路器再次合上。该装置可以在极大程度上减少因自动重合闸本身的缺陷而造 成对设备和人员的伤害。配电线路故障智能诊断装置的研究开发，不仅对提高配 电网的安全性和稳定性具有重要意义，同时还能创造巨大的社会效益和经济效益； 该课题的提出符合我国电力系统发展的客观要求，也是我国建设“坚强智能电网” 的具体体现。 1 2 课题的研究现状 - ， 一 - 一。 电力系统运行经验表明，架空线路的故障大都是“瞬时性”的，在线路被断开 以后再进行一次合闸，就有可能大大提高供电的可靠性；由运行人员手动进行合 闸，固然也能够实现上述作用，但由于停电时间过长，用户电动机多数已经停转， 故效果就不显著【s l 。因此，作为保证电力系统可靠供电和安全运行的重要措施之 一，自动重合闸技术在电力系统架空线路中得到了普遍应用。 自动重合闸( a u t o m o t i v er e e l o s i n gd e v i c e s ，a r d ) 是指当断路器跳闸之后，能 够自动将断路器重新合闸的装置【s l 。自动重合闸作为保证电力系统安全供电的有 效措施之一，能够显著减少不必要的停电事故，在输、配电线路中已经得到了广 泛的应用。但是线路中装设的自动重合闸装置是在断路器跳闸后盲目进行重合的， 由于它并不能判断是瞬时性故障还是永久性故障，因此，再重合以后可能成功( 即 恢复供电不再断开) ，也可能不成功。用重合成功的次数与总动作次数之比来表 示重合闸的成功率，根据运行资料的统计，成功率一般在6 0 0 o - , - 9 0 之间。为了克 服传统自动重合闸投入的盲目性，近2 0 多年来，国内外学者从不同的角度进行了 大量的研究，其研究重点主要集中在对瞬时性故障和永久性故障的判断方面。 2 0 世纪8 0 年代初，我国学者葛耀中教授提出了“自适应重合闸”的思想，其 目的是保证永久性故障时不重合f 7 1 ，这为电力系统应用开辟了广阔的前景，其一 系列研究成果为该研究领域奠定了基础。自适应重合闸是指当线路发生故障以后， 断路器在重合之前对瞬时性与永久性故障进行正确区分，以决定重合闸是否动作， 若为瞬时性故障则经过最佳重合时间进行重合，若为永久性故障则不再重合l s 枷l 。 而国外对重合闸的研究起步较晚。总体而言，国内对于瞬时性故障和永久性故障 的判断主要是基于故障点电弧消失后，恢复电压阶段某些特征量的不同来进行区 分的，不考虑电弧的影响；国外则主要是基于电弧的特点，通过检测有无电弧来 对故障的性质进行判别。应该说明的是无论是瞬时性故障还是永久性故障实际上 都会有电弧产生，但其电弧的电压和波形因故障性质不同而有质的区另l j t , , 3 。 2 国内最早的单相自适应重合闸是根据线路单相跳闸后工频量的差异来对两种 故障进行区分的，其基本思路是：当故障相被切除后，健全相的电压和负载电流 分别通过相间静电耦合和电磁耦合在被断开相上产生感应电压，瞬时性故障时， 电弧在故障相断开后迅速熄灭，故障相上的电压为电容耦合电压与电磁耦合电压 的向量和；永久性故障时，因接地电阻很小，可以忽略电容耦合电压分量的影响， 所以断开相两端的电压由健全相电流和接地点的位置决定【他 l ，l 。由于此方法只能 在电弧熄灭后才能对瞬时性故障和永久性故障进行判别，而电弧自行熄灭需要有 一个等待时间，因此在瞬时性故障时该等待时间可能会使最佳重合闸时机失去； 另外该判据是基于线路集中参数模型的，对于长线路易发生误判。基于工频量的 判别方法较多，主要包括电压幅值判别法、补偿电压判别法、综合补偿电压判别 法、故障测距后的电压判别法、电压相位判别法等【h l 。 国外的研究方法主要是基于故障点有无电弧来区分两种故障的。主要是根据 故障点一次电弧的特点来区分单相接地故障类型，通过母线电压谐波分量与故障 点谐波分量的关系来确定故障点有无电弧存在，进而确定故障的类型【2 0 1 有文 献1 2z - 2 4 1 还提出利用故障母线电压所含暂态高频信号的不同来区分两种故障，其出 发点是：瞬时性故障时，故障点的电弧可视为一个非线性电阻，其在故障母线上 产生高频信号反映在母线高频电压的能谱较高，永久性故障时没有电弧存在，反 映在母线高频电压的能谱较低，从而通过门槛电压即可判定故障类型，且由于故 障的判断是在故障产生到断路器跳闸期间做出的，所以此方法还可应用于三相自 适应重合闸；但缺点是高频信号不能通过常规的线路电容式电压互感器( c v t ) 进行传递，采用上述方法时需要改善c v t 的响应特性，因此，利用暂态量实现自 适应重合闸的技术还并不成熟，无法应用于电力系统的生产中。 相关文献 2 5 j 还提出了利用空气中电弧的特性来判别瞬时性与永久性故障的数 字信号处理算法，但电弧是一个非常复杂的物理化学过程，很难建立准确的电弧 模型，加之不同类型的电弧特性存在差异，致使该方法的普遍适用性受到限制。 利用人工神经网络( a n n ) 技术识别瞬时性故障和永久性故障也是近年来提出 的一种新方法，该方法能可靠识别瞬时性与永久性故障，并且在瞬时性故障情况 下，能决定确切的熄弧时间，精度相对较高，但是训练神经网络需要做大量的故 障计算，实现较复杂，目前难以应用到实际系统中【：“，0 1 。 以上国内外对瞬时性与永久性故障判别的众多方法的研究，为自适应重合闸 的完善及其在电力系统中的实际运用打下了理论基础。但是实际上在输配电网的 运行中，上述的各种方法由于其局限性与稳定性的差异，并未得到广泛应用。特 别是在配电网中，由于配电网网络结构复杂、线路形式多样、绝缘水平低，加上 故障类型的多样性与不确定性、故障发生时间和地点的随机性，极大地制约了一 些成功的高压输电网故障判断方法在配电线路中的应用。 3 1 3 本课题的主要工作 配电线路故障诊断存在的特点，使其成为电力系统中研究的一个重点也是难 点。目前对于配电线路故障诊断理论上的研究相对较少，而实现对配电线路故障 的准确诊断，可以提高电网运行的稳定性，减少不必要的停电损失，对于安全可 靠、优质经济供电具有重要意义。 本论文主要针对配电线路的主要特点及故障诊断方面存在的难点，研究开发 一种能在线路发生故障而跳闸后，通过检测各相对地绝缘电阻的大小来判断线路 故障类型的配电线路故障智能诊断装置。具体工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 提出了本文的研究背景及意义、对本课题的研究现状进行综述。结合目 前国内外电力系统在输配电线路故障诊断方面的研究现状和发展趋势，对几种典 型的判断电力系统瞬时性故障与永久性故障的方法进行了阐述；通过其特点的对 比，确立了本课题研究的出发点。 ( 2 ) 对配电线路的故障特征进行详细分析，并介绍了传统的自动重合闸装置 在电力系统中的应用情况及存在的主要问题。 ( 3 ) 提出了本课题配电线路故障智能诊断装置的研发思想及主要功能。在对 配电线路中出现的永久性与瞬时性故障的特征进行分析比较的基础之上，提出了 区分永久性故障和瞬时性故障的有效判据；并对其主要功能的实现方式、步骤进 行了介绍。 ( 4 ) 介绍了配电线路故障智能诊断装置的硬件电路设计方法。详细介绍了硬 件部分的组成、各模块的功能等；对装置中各模块功能实现的硬件要求作了分析， 设计了系统的硬件框图，并给出了详细的设计方案。 ( 5 ) 对配电线路故障智能诊断装置的软件进行开发设计。分别介绍了该装置 各主要模块功能的软件实现方法，给出了具体的设计流程；并以流程图为指引， 对装置的软件部分进行了设计。 ( 6 ) 结合配电线路故障智能诊断装置的特点，将其与配电线路中传统的故障 诊断方法和装置进行同类技术对比，并对该装置的应用前景和经济效益进行分析。 4 ( a )( b ) ( c ) 图2 1 配电网结构示意图 ( a ) 辐射状网( b ) 树状网( c ) 环状网 配电网是电力生产和供用电的最后一个环节，直接与各种用户相关联，也是 保证对用户安全、稳定、连续供电的一个重要环节。但是与输电网相比，由于配 电网的绝缘水平较低，运行环境恶劣，网络结构复杂，各种防护措施不完善等因 素的影响，使得配电网故障率居高不下，极大地影响了配电网的供电可靠性。 目前，我国中压配电网大多采用中性点非有效接地的运行方式，当发生单相 接地故障时，由于不能构成短路回路，接地短路电流比负荷电流小得多，故该系 统又称为小电流接地系统。尤其是我国l o k v 配电系统自5 0 年代以来，一直沿用中 性点非有效接地方式，一般为环网和辐射结构，开环运行，具有树枝状拓扑结构， 并且随着供电范围的不断扩大，其在整个架空线路中已占有相当大的比重，它分 布和覆盖面广，直接面向用户，故障几率高。 当前，我国配电线路主要有以下几个方面的特点3 2 1 ： ( 1 ) 供电设备运行时间长，绝缘老化严重，易发生漏电和短路事故。 ( 2 ) 配电线路主要采用干式供电方式，负荷点多，分布广：常穿越或分布在 山区、丘陵等地形复杂地区，气候条件复杂多变，运行中易受到风、雪、雷等自 然灾害的影响及人为损害。 ( 3 ) 配电网保护装置仍然采用传统的继电保护方法，配置不合理，发生故障 时易造成大面积停电；监控系统虽然引入了先进的微机监控，但对于故障分析仍 存在较大难度。 ( 4 ) 配电网接地电流往往偏高，而配电网接地等故障引起的停电约占全部停 电时间的8 0 以上，且单相接地故障时按照电力系统运行规程仍允许系统短时间 带故障运行。 随着我国生产的发展和人们生活水平的提高，对用电质量( 包括供电连续性) 也提出了新的要求：因此故障发生后，要求快速、准确地发现并排除故障，在尽 可能短的时间内恢复正常供电。因此，针对目前我国配电线路的特点，对其故障 特征进行分析，并采取有效的故障诊断措施，对保证可靠供电和电力系统的安全 稳定运行至关重要。 2 2 配电线路的故障类型及特征分析 电力线路的故障大致可分为瞬时性故障和永久性故障两大类型。其中瞬时性 故障占绝大多数，如雷电等过电压引起的绝缘子闪络、大风引起的短时碰线、通 过鸟类身体放电及树枝等物掉落在导线上引起的短路等，这些故障，当被继电保 护装置迅速切除之后，故障点的电弧即行熄灭，绝缘强度重新恢复，这时如果把 断开的线路重新投入，往往可恢复正常供电，所以瞬时性故障不会造成致命的绝 缘损害。此外，线路上也可能发生永久性故障；永久性故障是指导体之间以及包 括一个或多个导体对地的短路故障，此类故障多由机械外力造成，如线路倒杆、 断线、绝缘子击穿或损坏等引起的故障；在故障被继电保护切除后，如果重新投 入，线路会再次被继电保护装置切除。 根据线路结构和类型的不同，其故障的种类和特征也呈现出不同的特点。配 电线路中，架空裸导线的故障以短路故障( 包括永久性故障和瞬时性故障) 为主； 架空绝缘导线则断线情况比较常见，尤其是雷击断线事故较多，属于永久性故障： 电缆线路的故障较为复杂，一般均为永久性故障。下面将针对配电线路中的不同 故障类型进行分析。 2 2 1 配电线路短路故障分析 在电力系统尤其是配电网中，短路故障的危害最为严重，且电力系统短路故 障大多数发生在架空线路部分( 约占7 0 以上) 。配电系统中的短路，是指相导体 之间或相导体与地之间不通过负载阻抗而发生的电气连接，是系统常见故障之一。 6 短路发生的主要原因是系统中某一部位的绝缘遭到破坏所致，具体主要有如下几 个方面【3 3 1 ： ( 1 ) 雷击或高电位入侵。电气设备的绝缘都有一定的介电强度，即绝缘耐压 值；超过规定的介电强度，绝缘就会被击穿雷击或高电位入侵是系统常见的过 电压形式，一旦过电压超过电气设备的耐压值，绝缘就会被击穿，从而造成短路。 ( 2 ) 元件损坏，如绝缘材料的自然老化，设计、安装及维护不良所带来的设 备缺陷发展成短路等。 ( 3 ) 气象条件恶化，例如架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌等。 ( 4 ) 人为事故，例如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备检修后未拆除接地 线便加上电压等。 ( 5 ) 动植物造成的短路。如鸟兽跨接在相导体之间或相导体与地之间，藻类 植物生长使相导体绝缘净距离减小，霉菌造成的绝缘性能下降，都可能引发短路。 在三相供电系统中，对于中性点有效接地系统，可能发生的短路类型主要有： 三相短路、两相短路、单相接地短路和两相接地短路；对于中性点非有效接地系 统，可能发生的短路类型有：三相短路和两相短路；另外，在此类系统中，出现 单相接地时，因故障电流不大，称为不正常运运行状态，不属于短路故障。以上 各种类型的短路中，三相短路称为对称短路，其他类型的短路统称为不对称短路。 各种短路的示意图和代表符号如表2 1 所示。 表2 1 各种短路的示意图及其代表符号 7 电力系统的运行经验表明，各种短路故障发生的概率是不同的：单相接地短 路所占的比例最高，约为6 5 ；两相接地短路约占2 0 ；两相短路约占1 0 ； 三相短路最小，约为5 。 随着短路类型、发生地点和持续时间的不同，短路的后果可能破坏局部地区 的正常供电，也可能威胁整个系统的安全运行。短路的危害有以下几个方面 3 , 3 3 i ： ( 1 ) 短路电流远大于正常工作电流，短路电流产生的力效应和热效应足以使 设备遭到破坏。 ( 2 ) 短路点附近母线电压严重下降，使接在母线上的其他回路电压严重低于 正常工作电压，会影响电气设备的正常工作，甚至可能造成电机烧毁等事故。 ( 3 ) 短路点处可能产生电弧，电弧高温将对人身安全及环境安全带来危害。 ( 4 ) 不对称短路可能在系统中产生复杂的电磁过程，从而产生过电压等新的 危害。 ( 5 ) 当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时，并列运行的发电厂可 能失去同步，破坏系统稳定性，造成大面积停电；这是短路故障的最严重后果 ( 6 ) 不对称短路使磁场不平衡，会影响通信系统和电子设备的正常工作，造 成空间电磁污染。 2 2 2 配电线路断线故障分析 配电线路中另一个危害比较严重的故障是导线断线。其中，尤其以架空绝缘 导线雷击断线故障最为突出。 目前，我国配电网大量采用架空绝缘导线，特别是在城市配电线路中，采用 绝缘导线已成为当前城网改造的发展方向。架空绝缘导线是介于裸导线与电缆线 路之间的配电线路，与裸导线相比，能有效地降低“线树矛盾”引起的停电事故； 而与电缆相比，可避免道路开挖，投资相对较少。但是，架空绝缘导线雷击断线 事故比较频繁，并且随着绝缘导线线路长度的增加而呈上升趋势，已成为严重威 胁配电线路安全运行的主要原因之一。 架空绝缘导线由于其特殊的导线结构，使其雷击耐受特性明显不同于架空裸 导线。当直击雷或感应雷过电压作用于裸导线引起绝缘子闪络时，连续的工频电 流电弧受电动力的作用，沿导线向两端快速移动，使电弧的弧根无阻碍地在导线 上运动，而弧腹在随弧根向前运动的同时，受到热应力的作用不断向上空漂浮， 电弧弧根处的温度最高，对导线的烧损最严重，弧腹的温度较低，一般不会烧损 导线；在架空裸导线中，电弧的弧根是沿导线向两端运动的，而不是固定的在一 点燃烧，所以不会集中烧伤导线的某一处，基本上不会引发断线事故。对于绝缘 导线而言，雷电过电压发生闪络时，如果瞬时的雷电流很大，但时间很短，仅在 架空绝缘导线上形成击穿孔，不会烧断导线；而当发生雷击闪络，特别是在两相 8 或三相之间发生闪络时，在电网工频电压作用下沿着雷电击穿而形成的短路通道 将有工频续流流过，电弧能量将剧增，此时，架空绝缘导线绝缘层如有损伤，将 阻碍电弧在其表面滑移，高温弧根被固定在绝缘层的击穿点灼烧，产生局部过热， 使之烧熔，最终导致断线。另外，绑扎线与绝缘导线之间的间隙，会导致局部放 电，从而也会造成绝缘导线断线1 3 1 。 架空绝缘导线一旦发生雷击断线，将是永久性故障，必须在运行人员将故障 排除之后才能重新恢复供电，会导致长时间的供电中断；同时，带电的导线断落 在地面上，有可能引起路过人员的触电事故。因此，绝缘导线断线故障严重影响 了配电网的安全运行，造成了巨大的经济损失 2 2 3 电缆线路的故障分析 随着城市电网的不断改造和升级，电缆取代原有的架空线路已成为必然趋势， 电缆线路最大优点是占地少、受自然灾害影响小，故已普遍应用于配电线路工程 当中电缆线路的应用能够有效解决原有线路供电能力不足、供电可靠性低、安 全性差、影响市容、阻碍地区经济增长等较为突出的问题。但是，电缆线路由于 多埋于地下，一旦发生故障，寻找起来十分困难，因此，往往会造成较大的停电 损失。 电缆在长期运行过程中，由于过载或受外力的破坏，使芯线和绝缘遭到不同 程度的损伤，造成电缆事故。比较常见的电力电缆的故障主要有以下几种1 3 ，。，】： ( 1 ) 低阻故障，即低电阻接地或短路故障。电缆一芯或者数芯对地绝缘电阻 或芯与芯之间的绝缘电阻低于1 0 z c ( z c 为电缆特性阻抗，一般不超过4 0 q ) 时， 而导体连续性良好者称为低阻故障。一般常见的低阻故障有单相接地、两相短路 或接地等。 ( 2 ) 高阻故障，即高电阻接地或短路故障。电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或 芯与芯之间的绝缘电阻低于正常值很多，但高于l oz c ，而导体连续性良好者称为 高阻故障。一般常见的高阻故障有单相接地、两相短路或接地等。 ( 3 ) 断线故障。电缆各芯绝缘均良好，但有一芯或数芯导体不连续。 ( 4 ) 断线并接地或短路故障。电缆有一芯或数芯导体不连续，经过( 高或低) 电阻接地或短路。 ( 5 ) 闪络故障。在电压达到某一数值时，电缆相间或相对地闪络击穿，当电 压降低时击穿停止。有时即使再提高电压，也不会出现击穿现象，而经过一段时 间后又会发生。 电缆线路的故障类型是多种多样的，而致使电缆线路发生故障的原因也是多 方面的。常见的主要原因有机械损伤、绝缘受潮、绝缘老化、过电压、过热、产 品质量缺陷以及设计不良等。 9 可见，电缆线路由于其本身固有的一些特点和缺陷，其故障原因和类型都较 为复杂，且一旦发生故障则是永久性故障，因此，在电缆线路中一般采用不投运 自动重合闸的运行方式。 2 3 自动重合闸装置在电力系统中的应用 由上一节的分析可知，配电线路发生故障的几率高、故障类型复杂，如果配 电线路发生故障后不及时采取相应措施，往往会造成严重后果。目前，在配电网 中通常采用基于断路器的阶段式电流保护的继电保护方式，用于切除、隔离故障 线路；同时，人们在实践中发现，架空线路的故障多属于雷击闪络、电线碰触、 与树木或鸟兽接触等瞬时性故障，一旦电压消失，则故障点绝缘恢复，再加上电 压时，则可继续正常供电。因此，为了提高电网的供电可靠性，降低因瞬时性故 障等原因造成的停电损失，自动重合闸在电力系统中得到了广泛的应用。 在配电系统中，按照线路所连接的电源情况，自动重合闸可分为单电源线路 的自动重合闸和双电源线路的自动重合闸；按其功能的不同，分为三相自动重合 闸、单相自动重合闸和综合自动重合闸装置；按照允许动作的次数多少，可分为 一次动作的自动重合闸、两次动作的自动重合闸等；对于双侧电源线路的三相自 动重合闸，根据系统的情况，按不同的重合闸方式，分为三相快速重合闸、非同 步自动重合闸、检查线路无压和检查同步的三相自动重合闸、解列三相自动重合 闸和自同步三相重合闸；按与继电保护的配合，分为重合闸前加速继电保护动作 的自动重合闸和重合闸后加速继电保护动作的自动重合闸1 2 1 2 3 1 自动重合闸装置的基本工作原理 在我国电力系统中，三相一次自动重合闸方式使用非常广泛。所谓三相一次 自动重合闸方式，就是不论在线路上发生单相接地短路还是相间短路，继电保护 装置均将线路三相断路器一起断开，然后重合闸装置启动，将三相断路器一起合 上。若故障为瞬时性的，则重合成功；若为永久性的，则继电保护再次将断路器 三相一起跳开，而不再重合三相一次重合闸种类繁多，但基本工作原理均相同， 有直流操作的，也有交流操作的，电磁型、晶体管型和微机型均有相关产品【3 l 】。 其基本原理框图如图2 2 所示。 1 0 图2 2 自动重合闸基本原理框图 本文以单侧电源送电线路晶体管三相一次重合闸为例，对其基本工作原理进 行简要说明 3 9 1 图2 3 所示为晶体管三相一次重合闸装置的原理接线图。它主要 由重合闸启动元件、重合闸延时元件、一次合闸脉冲元件、执行元件和后记忆电 路组成。启动元件的作用是当断路器跳闸之后，使重合闸的延时元件启动；延时 元件是为了保证断路器跳闸后，故障点有足够的去游离时间及断路器和其传动机 构能准备好再次动作的时间；一次重合闸元件保证自动重合闸装置只重合一次； 执行原件可将重合闸动作信号送至合闸回路，使断路器重新合闸，并通知值班人 员知道重合闸已动作。 i 雾嘉蓦凳馨 放电一次合闸手动重合闸信号 后记忆回路 电闸触点 i 回路脉冲元件闭镇与执行回路 + eri r 2 r 。1 r 7r 。r 1 2 l 【s 1脚2瑚 “ 2 1 5 【 l 】 【l 【 l 【 1 】 【 卅 c i _ _ 且 v 3 r 。 * _ 1 。1一 h j r - 1 h 。一 一一 v l l 一 一 0 l、 、 c s 2 _ 击 时 后 ， + i s v - v21 ：c3 i l ，o |一l ，o 亡 厶 v_v2 件 s t 卜 以弋 ， | = i o 留h 一|， _ ：c 1_ 一 r1 、v 甜 l 并1 i a2【 】r s l s a c 。 c ； l i ( b ) 图2 3 晶体管三相一次重合闸装置的原理接线图 i l 去合闸 去后加速 去信号屏 图中q f l 为断路器辅助常开触点，当断路器在合闸位置时，该触点