电网故障监测与定位

电网故障监测与定位第1页/共101页参考书葛耀中．新型继电保护和故障测距的原理与技术（第2版）．西安：西安交通大学出版社，2007

第2页/共101页绪论第3页/共101页电力系统构成发电用电输电变电配电RTURTURTU通信网络应用服务器电网调度第4页/共101页电力系统构成水库G~M~M~电力网电力系统动力系统发电厂水轮机发电机变电所升压变压器电力线路变电所降压变压器用户用电设备第5页/共101页电网：通常把由输电、变电、配电设备及相应的辅助系统组成的联系发电与用电的统一整体称为电力网，简称电网。什么是电网？第6页/共101页电力网按规模划分远距离输电网区域电力网地方电力网第7页/共101页远距离输电网地方电力网区域电力网110kV~35kV~35kV500kV220kV110kV10kV水力发电厂火力发电厂变电所A：枢纽变电所C：地区变电所D：终端变电所B：中间第8页/共101页电力网按作用划分输电网配电网第9页/共101页电力网特高压(UHV)：1000kV及以上超高压(EHV)：330kV，500kV，750kV输电网配电网高压：220kV高压：35kV，66kV,110kV中压：6kV，10kV，20kV低压：380V/220V交流直流特高压(UHVDC)：±800kV高压(HVDC)：±100kV，±500kV

第10页/共101页输电网接线方式交流输电网：一般采用多电源环网结构双端线路

T型线路（220kV）带串联补偿线路（500kV）双回线路输电电缆（500kV海底电缆）架空线－电缆混合输电线路（220kV，500kV）直流输电系统：采用点对点接线（带接地极线路）第11页/共101页变电站小电流接地系统接线方式进线1进线235kV配电网35kV配电网35kVII35kVI10kV配电网10kV配电网10kVI10kVII第12页/共101页配电网接线方式“手拉手”环网接线

单电源辐射网接线架空配电网接线方式“手拉手”环网接线第13页/共101页电缆配电网接线方式

单环网配电网接线方式第14页/共101页

双环网双射网双射网=双射网+双射网电缆配电网接线方式配电网接线方式第15页/共101页电网故障故障原因根本原因是绝缘损坏。

1）架空线与电缆故障原因不同

2）输电网与配电网故障原因不同故障类型架空线：单相接地、相间短路（接地）、断线电缆：短路、开路故障性质架空线：高阻/低阻，永久/瞬时电缆：低阻/高阻（泄漏、闪络性），一般为永久性故障。

第16页/共101页电网故障监测基本概念采用特定的技术手段对电网运行状态量进行实时监视，旨在判断电网是否发生故障，并定性或定量给出故障信息。

定性故障信息：故障类型、故障性质、故障点所处范围等。

定量故障信息：故障及其持续时间、故障点准确位置等。第17页/共101页电网故障监测故障监测内容故障发生时间

故障线路（选线，定位到故障线路）故障类型（选相）故障性质（高阻/低阻，永久/瞬时）故障持续时间

故障位置（定位到故障区段或故障点）故障录波

第18页/共101页电网故障监测故障监测基本算法稳态相量算法故障分量算法对称分量算法功率算法暂态能量算法第19页/共101页电网故障监测与继电保护电网故障监测开关驱动控制信号采集开关操作控制故障监测是继电保护的核心继电保护第20页/共101页电网保护与故障信息管理系统故障录波器及其联网系统系统结构、功能、特点、存在问题继电保护与故障信息管理系统系统结构、功能、特点、存在问题第21页/共101页电网故障定位基本概念当电网发生故障后，采用特定的技术手段（在线或离线），定性或定量给出故障点位置信息。

定性的故障点位置信息：故障线路、故障区段等。

定量的故障点位置信息：故障点坐标、故障距离等。故障监测故障定位第22页/共101页电网故障定位输电网故障定位

通过专门的在线故障定位（测距）原理计算出故障点到线路末端的距离。

（1）交流输电线路双端线路

T型线路带串联补偿线路双回线路输电电缆架空线－电缆混合输电线路（2）直流输电线路（含接地极线路）第23页/共101页电网故障定位配电网故障定位（架空线、电缆、混合线路）故障选线（定位到故障线路，在线）故障区段定位（定位到故障区段，在线）故障测距（定位到故障点，在线或离线）第24页/共101页电网故障监测与定位系统监测终端通信网络主站系统主站系统通信网络监测终端监测终端监测终端监测终端第25页/共101页电网故障监测与定位发展概况继电保护（线路、变压器）故障录波器及故障信息管理系统输电线路故障定位（测距）配电线路故障定位（馈线自动化）配电线路故障选线配电线路故障指示器及定位系统配电线路故障测距第26页/共101页山东理工大学智能电网研究中心成果在利用暂态（行波）信号的电力线路故障监测与定位研究方面走在世界前列。研究成果获2007年度国家技术发明二等奖。第27页/共101页电力线路行波故障测距系统第28页/共101页山东理工大学智能电网研究中心成果小电流接地故障监测（选线）系统第29页/共101页山东理工大学智能电网研究中心成果架空配电网自动化系统（具有故障区段定位功能）第30页/共101页山东理工大学智能电网研究中心成果电缆配电网自动化系统（具有故障区段定位功能）第31页/共101页电力系统故障分量

基本理论第32页/共101页电力系统故障信息电力系统的故障是通过故障信息来表征的。故障信息分为内部故障信息和外部故障信息，其中蕴涵故障发生时间、故障方向、故障类型、故障距离及故障持续时间等信息，因而是区别正常运行状态与故障状态最本质的特征。故障信息的识别、处理和利用一直是继电保护及故障测距发展的基础。

第33页/共101页故障分量的基本概念电力系统的故障状态可视为故障前状态与故障附加状态的叠加，其中故障前状态可以是各种非故障状态，也可以是前一次故障状态的继续，而故障附加状态则是由当前故障所激发的。故障附加状态中的电气量（电压、电流）称为故障分量。第34页/共101页故障分量的基本概念

故障分量是仅在系统发生故障时出现，而在系统正常运行及不正常运行时不存在的电气分量，即它随着故障的出现而出现，随着故障的消失而消失。所以，故障分量的存在，是电力系统处于故障状态的表征。故障信息实际上蕴涵于故障分量之中，因而对故障信息的提取和处理可以转化为对故障分量的提取和处理，即通过故障分量来判别故障方向、故障类型及故障距离等。

第35页/共101页故障分量的基本概念应用故障分量构成继电保护动作判据时，只需要寻找区内故障与区外故障的“差异”，而不必考虑正常及不正常情况，因而，保护具有较高的灵敏度，一般也具有较快的动作时间和较好的选择性，不必采用振荡闭锁等防止振荡时保护误动的措施。第36页/共101页故障分量的分析方法－－叠加原理故障状态故障前状态故障附加状态第37页/共101页故障分量的特点

非故障状态下不存在故障分量，故障分量仅在故障状态下出现；故障分量独立于非故障状态，受电网运行方式的影响不大（有一定的影响，但比传统保护小）；故障点的电压故障分量最大，系统中性点处故障分量电压为零；保护安装处故障分量电压电流之间的关系，取决于背后系统的阻抗，与故障点的远近及过渡电阻的大小没有关系（但故障分量值的大小受过渡电阻及故障点远近的影响）。第38页/共101页故障分量的分类故障分量分为稳态故障分量和暂态故障分量，二者都是可以利用的。为了研究稳态故障分量，输电线路模型取为集中参数模型就可以了，如果还要进一步消除暂态故障分量的影响，除了采取滤波措施以外，输电线路模型也要加以修正。为了研究暂态故障分量，输电线路模型必须取为分布参数模型，如果还要进一步考虑线路损耗及参数的依频特性，同样要对线路模型予以修正。第39页/共101页故障分量的组成第40页/共101页故障分量的利用上述这些分量都可以用来构成继电保护：：即故障分量中的工频分量，可以用来构成工频变化量方向保护、工频变化量距离保护、工频变化量差动保护、零序保护、负序保护等；：即全部的故障分量，可以用来构成电流突变量起动元件、电流突变量选相元件、方向行波元件、行波距离（测距）保护等；：暂态分量中的高频部分，用来构成反映单端电气量的暂态保护。第41页/共101页故障分量的提取与识别方法

来自电压互感器TV和电流互感器TA的电压电流都是故障后的全电压和全电流，构成反映故障分量的继电保护时，应设法将故障分量从全电压和全电流中提取出来。在微机保护中，故障分量的提取方法为（电流）：第42页/共101页故障分量的提取与识别方法通常情况下，取n＝1、2或4：

n＝1：

n＝2：

n＝4：这样可以计算出故障分量的采样序列，利用微机保护中的各种算法可以求出其幅值、相位等特征量。第43页/共101页故障分量的提取与识别方法以n＝2为例，波形如下：第44页/共101页故障分量的应用目前在电力系统中广泛采用反应工频电气量的微机保护装置，这类装置利用了由稳态故障分量构成的电流元件、方向元件、选相元件和距离元件等分别构成不同原理的保护，包括电流保护、方向性保护、差动保护、距离保护、纵联保护及自适应保护等。在这些保护装置中，暂态故障分量被视作干扰和噪声而被滤除，因而所有的研究重点在于如何设计性能较好的工频滤波器。第45页/共101页故障分量的应用随着电力系统输送功率的不断增加，电压等级也在不断提高，系统的暂态稳定性问题也日趋严重，而提高系统暂态稳定性最直接而又简单有效的方法是超高速切除系统中发生的各种故障。为了适应现代电力系统发展的需要，研究超高速线路保护具有十分重要的现实意义。第46页/共101页故障分量的应用由于电压等级的提高，系统暂态的持续时间加长，故障后的一次波形严重畸变，再加上传感器暂态过程的影响，使得基于工频电气量的继电保护需要采用大量的滤波措施才能保证测量精度。严格来说，故障信号为一非平稳信号即时变信号，传统的Fourier分析方法存在先天不足，因而常规保护不能较好地解决可靠性与速动性之间的矛盾，从而很难满足超高速动作的要求。第47页/共101页故障分量的应用20世纪70年代以来，国内外许多继电保护工作者一直在致力于超高速线路保护的理论研究，并取得丰硕成果。这些研究工作完全摈弃传统的继电保护思想，而直接分析故障产生暂态分量的特征以期从中提取出有用的故障暂态信息。研究表明，暂态故障分量中含有比稳态故障分量中更多的故障信息，且这些信息不受系统振荡、负荷变化及CT饱和等因素的影响，从而为继电保护理论的发展开辟了一条新的途径，这就是反应故障暂态信息的超高速继电保护。第48页/共101页故障分量的应用故障测距问题一直困绕着广大的继电保护工作者。传统的阻抗测距法以及基于单端信息的故障分析法只能通过计算测量回路的阻抗实现故障测距，这不可避免地受过渡电阻的影响。为了彻底消除过渡电阻的影响，必须能够准确获得线路两端的系统参数，而这在实际系统中是很难的。基于双端信息的故障分析法不受过渡电阻的影响，但需要交换两端的信息，而且两端的数据采集一般还要求能够同步。此外，上述测距方法均受传感器误差的影响，因而测距精度得不到保证。第49页/共101页故障分量的应用理论研究和现场运行经验表明，从暂态故障分量中提取出来的故障行波信息可以用于故障测距，而且基本不存在上述缺陷，完全可以将故障距离定位到一个杆塔之内（误差小于1km）。因而可以预见，反应故障行波信息的故障测距技术必将成为快速、准确查找输电线路故障点的有力武器。

第50页/共101页故障分量的应用在暂态故障分量中，最引人注目的莫过于行波分量，迄今为止的绝大多数超高速保护及高精度故障测距原理都是基于行波理论提出的。第51页/共101页故障分量的应用利用暂态故障分量的小电流接地故障定位（选线）技术可望彻底解决长期困扰电力部门的小电流接地故障定位问题。第52页/共101页进线1进线235kV配电网35kV配电网35kVII35kVI10kV配电网10kV配电网10kVI10kVII第53页/共101页电网故障监测第54页/共101页电网故障监测基本概念采用特定的技术手段对电网运行状态量进行实时监视，旨在判断电网是否发生故障，并定性或定量给出故障信息。

定性故障信息：故障类型、故障性质、故障点所处范围等。

定量故障信息：故障及其持续时间、故障点准确位置等。第55页/共101页电网故障监测故障检测启动元件故障方向检测元件故障选相元件距离元件输电网故障定位配电网故障定位电网故障监测基本算法第56页/共101页故障启动元件第57页/共101页故障启动元件第58页/共101页故障启动元件第59页/共101页故障方向检测元件正方向故障反方向故障第60页/共101页故障选相元件（1）意义有助于投入故障特征最明显的阻抗测量元件；可用于选相跳闸。第61页/共101页故障选相元件（2）选相算法的基本原理突变量电流选相

单相接地故障：两个非故障相电流之差为零。第62页/共101页故障选相元件（2）选相算法的基本原理突变量电流选相

两相不接地短路：非故障相电流为零，两个故障相电流之差最大。第63页/共101页故障选相元件（2）选相算法的基本原理突变量电流选相

两相接地短路：两个故障相电流之差最大。第64页/共101页故障选相元件（2）选相算法的基本原理突变量电流选相

三相短路：三个相电流差的有效值均相等。第65页/共101页故障选相元件（2）选相算法的基本原理突变量电流选相第66页/共101页故障选相元件（2）选相算法的基本原理对称分量选相

基本思路：首先通过检测是否同时存在零序电流和负序电流分量来区分相间短路和接地故障。对于接地故障，可通过比较零序电流和负序电流之间的相位差进一步区分单相接地短路和两相接地短路。第67页/共101页故障选相元件（2）选相算法的基本原理对称分量选相第68页/共101页距离元件－阻抗判据距离元件动作条件：第69页/共101页距离元件－阻抗判据距离元件动作条件：第70页/共101页距离元件－电压判据Zset定义：第71页/共101页k1zZsetk2k3(a)(b)(c)(d)距离元件－电压判据第72页/共101页保护区内k1点故障：保护区外k2点故障：保护区反向k3点故障：距离元件－电压判据第73页/共101页保护动作判据：

满足该条件，说明为区内故障，否则为区外故障。距离元件－电压判据第74页/共101页输电网故障定位第75页/共101页配电网故障定位第76页/共101页配电网故障定位第77页/共101页故障选线大电流接地系统线路保护装置能够可靠检测被保护线路发生的各种类型故障，故无需配备单独的选线设备。小电流接地系统线路保护装置只能可靠检测被保护线路发生的相间故障，而不能检测单相接地故障，故需要配备单独的选线设备。第78页/共101页小电流接地系统中性点不接地（绝缘）系统IL谐振（消弧线圈）接地系统第79页/共101页小电流接地系统的优点避免接地故障跳闸，提高供电可靠性。大部分情况下，接地电弧能够熄灭，电网自动恢复正常运行。接地电流小，可防止事故进一步扩大。第80页/共101页小电流接地系统存在的问题单相接地故障会导致非故障相电压升高，危害电网绝缘。一般情况下，单相接地引起非故障相电压升高1.732倍。接地点间歇拉电弧，线路电容反复充放电，电压升高可达3.5倍。接地电弧长期存在，可能烧坏接地点绝缘，造成相间短路故障，导致保护跳闸。第81页/共101页小电流接地系统存在的问题继电保护配置困难单相接地故障电流微弱，接地电弧不稳定，接地故障选线的问题一直没有得到很好地解决；小电流接地故障选线难，主要难在谐振接地系统；许多供电部门仍然采用拉路法选择接地线路。供电瞬时中断，影响用户用电设备正常工作，甚至可能造成停电事故。第82页/共101页小电流接地系统新技术消弧线圈自动调谐技术可以精确地补偿电容电流，使接地点电流尽可能的小，提高了电弧自动熄灭的几率。利用暂态行波的小电流接地故障选线保护技术利用暂态行波的小电流接地系统故障定位技术利用暂态行波的小电流接地系统瞬时性故障监测技术第83页/共101页小电流接地故障仿真110KVRfl2=6kml3=9kml4=12kml5=15kml6=20kml1=3kmZL10kVTYY0LNRLK中性点不接地和经消弧线圈接地系统仿真模型

第84页/共101页中性点不接地系统仿真结果（1）不接地系统故障时零模电压和各条出线零模电流

第85页/共101页中性点不接地系统仿真结果（2）零模电压和各出线零模电流的暂态放大图第86页/共101页中性点不接地系统仿真结果（3）零模电压和各出线零模电流的特征分量第87页/共101页中性点谐振接地系统仿真结果（1）40

50

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70

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100

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120-10

0

10

Time/msZerovoltage/kV40506070809010011012050050Time/msZerocurrents/A消弧线圈接地系统故障时零模电压和各条出线零模电流

第88页/共101页中性点谐振接地系统仿真结果（2）4850525456586010010time/msZerovoltage/KV4850525456586050050time/msZerocurrents/A故障线路健全线路零模电压和各出线零模电流的暂态