电力系统故障波形图中关键点识别及分析

众所周知，电力系统的故障过程越短越好，故障时间越短，对设备的损坏程度越小，对电网的安全稳定运行越有利。目前，国内的高压或超高压保护对于多数的故障均可以做到在0.1S以内切除故障，甚至可以达到几个毫秒，故障过程是非常短暂的。但各种故障被切除后，根据《电力生产事故调查规程》规定在一定时间范围，必须明确故障设备是否能否恢复送电，超时否则算电网事故处理。为此需要了解故障前及故障时的全过程，判断事故性质。其中最有效、最直接的方法是快速读懂故障波形图来了解故障发生的全过程。即了解故障过程中电流、电压幅值和相位，故障性质、故障的持续时间，以及保护、断路器的动作时间等信息。为此本文以常见事故波形图为例，介绍故障波形图几个关键点识别和分析方法，从中了解相关故障信息和保护等设备的动作行为，以便快速帮助管理部门确定故障性质和制定事故处理方案，及时恢复送电。

一、故障波形图录取现状

电力系统的各种故障信息必须通过专用故障录波器或保护本身动作报告记录。目前现场采用的均是微机保护和微机故障录波器，它主要由故障启动、信息数据采集、存储分析及波形输出等部分组成。

不论是保护或是专用的故障录波器启动主要是利用故障特征明显的电气量来启动工作，一般的启动量有电流、电压突变量启动，电流、电压越限启动，频率变化量启动及开关量启动等。采集到的信息数据一般不作滤波处理，尽可能地保持故障信息真实性和实时性。信息数据主要有两种类型，一种为记录电流、电压瞬时值的交变信号，一种为反映正负跃变的开关量信号。为了便于分析故障，信息数据一般包括故障前的一部分和故障的全过程，反映电流、电压变化的瞬时值波形及反映电位变化的开关量均采用同一时标绘制。输出部分包括简要分析报告、重要故障信息数据及故障全过程波形图、输出波形的幅度及多少可根据需要在显示和打印输出时设定。

二、关键点识别与分析

在现场使用的保护生产长家较多，型号亦很多，各种型号的保护故障波形图结构不尽相同，标注信息的方式也差别很大，但归结起来可以分为两大部分，第一部分是故障分析简报，第二部分为故障波形图信息。

1. 故障波形图中读取准确事件时间

在第一部分是故障分析简报中给出的各事件时间均是根据相关量的开入时刻，由保护自动给出的分析报告，有时并不十分准确，如断路器跳开或合上时间，一般是以断路器位置触点为基准的，断路器位置触点与主触头在多数情况下并不十分同步，从而会产生一定的误差。另外，给出的信息不一定完整，因此往往需要从波形图中直接读取各事件的相对时间，即以电流或电压波形变化比较明显的时刻为基准，读取各事件的相对时间，这是因为电流变大和电压变小时刻可较准确判断故障已发生，故障电流消失和电压恢复正常的时刻可较准确判断故障已切除。为了便于理解，以图1所示为例说明在故障波形图中读取准确事件时间的方法，并将关键点的事件时间进行了标注。[1]

故障持续时间：故障持续时间为从电流开始变大或电压开始减低开始到故障电流消失或电压恢复正常的时间，如图1所示A段，故障持续时间为60ms。

保护动作时间：保护动作时间是从故障开始到保护出口的时间，即从电流开始变大或电压开始降低到保护输出触点闭合的时间，如图1所示的B段，保护动作最快时间为15ms。

断路器跳闸时间：断路器跳闸时间是从保护输出触点闭合到故障电流消失的时间，一般不能以断路器位置触点闭合或返回为准，以避开断路器位置触点与主触头的不同步，如图2所示C段，断路器跳闸时间为45ms。

保护返回时间：保护返回时间是从故障电流消失开始到保护输出触点断开的时间，如图1所示D段，保护返回时间为30ms。

重合闸装置出口动作时间：重合闸装置出口动作时间是从故障消失开始计时到重合闸装置发出合闸命令(重合闸触点闭合)的时间，如图1所示E段，重合闸动作时间为862ms。

断路器合闸动作时间：断路器合闸时间是从重合闸输出触点闭合到再次出现负荷电流的时间，同样不能以断路器位置触点闭合或返回为准，如图1所示F段，断路器合闸时间为218ms.

为了方便分析事故的发展，可以将中各过程时间汇集成时间轴，将上述各类时间汇集成下图，见图2所示：

2. 故障波形图中读取电流、电压的有效值

可以利用故障波形图中的电流、电压波形测量故障期间电流、电压的有效值。如图3所示，B相发生故障后，B相电流通道上存在故障电流，B相通道上电压明显降低，非故障A、C相电压相位基本没有变。[2]

电流计算方法：先以IB通道上存在的故障电流波形两边的最高波峰为基准点画出一条刻度标尺垂直线，如图3所示，最后在刻度标尺上计算出两边最高波峰之间存在的间隔有几格标尺，计算出来总标尺格除以2得到电流具体存在标尺格，在图中显示的I：4.0A/格(说明：不同故障波形该值是不相同)，在除以√2得到二次电流有效值，最后再乘以本间隔的CT变比，即得到一次电流有效值。假设本间隔CT变比为1200/1。

IB：I=[(总格×电流标度I)/(2×√2)] ×变比=[(3.8×4)/(2×√2)] ×1200/1=6450A

I0的计算方法与IB相同，需要说明的是I0实际指的是3I0。

电压计算方法：先以UB通道上存在的故障电压波形两边的最低波峰为基准点画出一条刻度标尺垂直线，同样如图3所示，最后在刻度标尺上计算出两边最低波峰之间存在的间隔有几格标尺，计算出来总标尺格除以2得到电压具体存在标尺格，在图中显示的U：45V/格(说明：不同故障波形该值是不相同)，在除以√2得到二次电压有效值，最后再乘以本间隔母线PT的变比，即得到一次电压有效值。假设本间隔PT变比为1100/1。

UB：U=[(总格×电流标度I)/(2×√2)] ×变比=[(2×45)/(2×√2)] ×1100/1=35kV

U0的计算方法与UB相同，需要说明的是U0实际指的是3U0。

3. 故障波形图中读取电流、电压相位

判断某次故障的相位是否正确不能凭借报告一些简单信息判断，为了准确分析清楚故障的相位必须借助波形图。

故障电流、电压相位读取：可以利用故障波形图中的电流、电压波测量故障期间电流、电压的相位，分析故障时的测量阻抗角。测量方法为通过测量电流、电压波形过零的时间差来计算相位，若电流过零时间在电压过零时间之后则为滞后相位，否则为超前相位。电流过零变负滞后电压过零变负约4ms,，相当于滞后18°×4=72°，因此也可以判断故障发生在正方向，阻抗角接近线路阻抗角为金属性接地故障。若实测电流超前电压110°左右则说明是反向发生故障，如图4所示。再由图4可以看出，B相发生故障后，B相相电压明显降低，非故障A、C相电压相位基本没有变，因此可以画出它们的相量图，如图5所示。

4.波形图中区分故障性质

当系统故障后，在对应的保护屏处打印出一张波形图时，应该首先观察波形图的全貌，再判断故障类型、保护的动作行为及断路器的动作行为、故障的持续时间等信息，写出简要的故障分析报告，由于故障波形图中含有大量的故障信息，还可以详细地分析电流、电压波形特点及其变化过程，从中得到与查找事故有用信息。本文以线路故障为例进行说明。

(1)正向区内瞬时故障波图分析。[3]

图所6所示，变电站的一次正向区内瞬时故障波形图。可以看出，发生区内瞬时性故障后，B相相电压明显降低，保护大约2-3mms发信，过8-9ms收信，保护判断为区内发生B相故障，发出跳闸指令，最快相对时间为15ms断路器跳开，在922ms时保护发出合闸指令，断路器重合闸成功。电流、电压恢复正常。也可以用3所示的方法去判断正向区内故障。

(2)正向区内永久故障波图分析

图所7所示，变电站的一次正向区内永久性故障波形图。可以看出，发生永久性故障后，B相电压明显降低，保护大约2-3mms发信，过8-9ms收信，保护判断为区内发生B相故障，发出跳闸指令，最快相对时间为15ms断路器跳开，在922ms时保护发出合闸指令，断路器重合闸成功。重合到故障的线路，保护立即又发生第二次故障，断路器跳开三相，未合闸成功(原因是第一次跳闸后重合闸未充电成功)。同样也可以用3所示的方法去判断正向区内故障。

三、结束语

本文通过对故障波形图的几个关键点分析，总结了通过故障波形图读取典型事件的准确事件时间，计算电流、电压有效值和相位以及故障性质的区分方法。当系统发生故障后，可以从这些方法中了解相关故障信息和保护等设备的动作行为，并迅速准确地判断故障情况，为事故处理、恢复供电争取了宝贵的时间。希望对现场工作人员分析故障具有一定参考价值。

参考文献：

[1] 国家电力调度通信中心.电力系统继电保护实用技术问答[[M]. 中国电力出版社1999

State power Dispatch Communication Center of China.The Applied Technology of Power System Relay Protection [M]. Beijing:China Electric Power Press,1999[2]

[2] 袁季修等.保护用电流互感器应用指南. 中国电力出版社,2004Yuan

Ji-Xiu, e tal. Application guide of current transformer for protection. China Electric Power Press, 2004.

[3] 国家电力调度通信中心.电力系统继电保护典型事故分析[M].北京.中国电力出版社2003

State power Dispatch Communication Center of China.Typical Fault Analysis of power System Relay Protection [M].Beijing:China Electric Power Press,2003