故障录波图在故障分析中的应用

故障录波图在故障分析中的应用

刘盼锋

深能南京能源控股有限公司 江苏南京 211200

摘要：故障录波图是正确分析事故原因、评价继电保护动作行为、发现一二次缺陷等的重要依据。当系统发生大的扰动时，故障录波装置能够将故障或扰动前后的波形及数据记录下来，厂站若能通过录波数据快速而准确地判断故障类型及故障位置，就能快速采取相应措施及时处理并有效防范。本文以一起风电场集电线路发生单相接地故障为例简述如何通过故障录波图进行故障分析。

关键词：故障录波图；保护动作；故障位置

这是2020年4月某风电场发生1#集电线路单相接地故障时的录波波形（截取主要部分）：

故障录波图提供的主要信息通常包括：①录波启动量名称；②波形起始时间、触发时间，时间刻度线；③通道量名称；④模拟量及开关量录波波形。

在分析波形之前，首先收集该风电场的主要设备参数及资料，如下：

（1）一次系统图（红色数字为各支路接入故障录波的CT变比）；

（2）一次设备参数较多，此处省略，仅将各元件序阻抗示意如下（按基准容量100MVA及平均额定电压进行折算）：

对风电场有了初步熟悉后，对波形数据开始分析。

一、根据波形特征判断故障类型及故障位置

观察故障发生时各状态量的明显变化有：

（1）35kV母线A、B相电压幅值增大，C相电压幅值减小，0ms时出现了较大的零序电压；

（2）接地变电流ABC三相幅值、相角相等，即接地变出现了较大的零序电流，I0与相电流相等；

（3）1#集电线路C相电流幅值减小，由于故障录波没有接入1#集电线零序电流，故采用软件分析的方法计算零序电流，发现1#集电线路出现了较大的零序电流。

根据以上故障特征，初步判断这是一起单相接地故障。然后详细分析序网络的电流流向，以确定故障位置。

对各支路电流波形进行序分量分解（注意对不同支路进行变比折算，详细过程省略），得到35kV网络中：

（1）正序电流流通回路包含主变低压侧、1#集电线路、2#集电线路；

（2）负序电流流通回路包括主变低压侧、1#集电线路；

（3）零序电流流通回路包括1#集电线路、接地变，且在数值关系上1#集电线的I0与I2相近，接地变3I0与1#集电线路3I0相近。

又根据35kV母线的A相B相电压升高，C相电压大幅降低，判断本次故障为1#集电线路上发生的C相接地故障。

二、故障判断验证

首先根据厂站的设备参数对该风电场发生上述故障的短路电流进行理论计算，理论计算结果如下：当系统运行在最小方式下，1#集电线路出线处发生金属性单相接地故障时，3I0一次值约为193A（二次值1.61A），最小运行方式下当1#集电线路末端发生金属性单相接地故障时，3I0约为182A（二次值1.52A）。故障后3I0应该落后于故障前C相电压一个阻抗角，金属性接地故障时该阻抗角的理论值约在23度。

本次故障中，实际3I0约为174A（二次值1.45A），零序电流与故障前C相电压相角差为-21.08°，该值与理论计算值差距不大，因为实际故障时3I0的幅值及相位还受到系统运行方式、故障点位置、过渡电阻、变压器特性等的影响。

基于该零序电流的大小结合不对称故障分析相关理论，对各通道的电压电流波形进行验算，可以从波形发现诸如以下几点信息：

（1）观察1#集电线路的三相电流波形，故障前风力发电机组发电良好，线路电流一次值约为294A，录波图中1#集电线路电流与35kV母线电压基本同相。如果PT接线无误，那么风电场接入故障录波的CT方向为线路指向母线。这与通常情况下受电侧的CT极性接法相反。

（2）故障发生后，1#集电线路零序电流与接地变零序电流相位相同。理论上这两条支路的CT方向应该相同，故障时时两者零序电流应为反相，波形中两电流为同相反映了两条支路CT方向相反的情况。

（3）1#集电线路发生故障后，故障相C相电流反而变小了。利用叠加法分析这一问题。0ms后相当于在正常的线路电流上叠加了一个故障电流，A、B两相故障电流分量为0，故A、B两相故障前后电流未发生变化；而C相正常电流分量与A、B相电流三相对称（如向量图中Ic正常分量所示），C相故障电流分量为三倍零序电流，大小为174A，相角落后于故障前C相电压21.08°。根据以上数据将C相电流的叠加过程用向量图示意如下：

从图中可以看出，由于零序电流与正常风机电流几乎反相，所以叠加后的C相电流确实变小了。

三、评价继电保护动作行为

对于故障时保护的动作评价需要结合保护装置动作报告以及故障录波中各变位信号进行具体分析。由录波图可见，0ms时故障发生，240ms故障结束，215ms1#集电线路和接地变保护出口跳闸，423ms1#集电线路和接地变保护出口命令返回。

故障电流持续了240ms，1#集电线路和接地变保护同时动作，动作时间约为215ms，断路器开断时间约为25ms，保护返回时间约为83ms。查看风电场继电保护装置定值，其中1#集电线路零序过流保护I段定值为2.91A/0.2s（一次值58.2A），接地变零序过流保护I段定值为2.91A/0.2s（一次值58.2A）。在该定值设置下装置本身动作正确，但是定值存在问题。

保护定值间的正确配合关系应为：集电线路配置两段零序过流保护作集电线路单相接地故障的主保护和后备保护；由集电线路零序过流I段切除线路，零流II段作为I段的后备；接地变压器配置两段零序过流保护作接地变压器单相接地故障的主保护和系统各元件单相接地故障的总后备保护，跳开母线的所有断路器。故0.2s时接地变零流I段不应动作。

四、结束语

以上便是一个完整的故障录波分析过程。结合电力系统暂态分析与稳态分析等所学知识，利用对称分量法等方法对故障录波进行分析，综合理论计算与逻辑推理，就能快速准确的判定相关故障，为迅速排除故障与制定预防措施提供有力帮助。

参考文献

[1]薛峰，怎样分析电力系统故障录播图. 北京：中国电力出版社，2014.