电力系统的故障分析及应对措施

2010．9

143 电力系统的故障分析及应对措施

杨 利

鸡西电业局密山一次变电所 黑龙江 密山 158300

【摘 要】电力是国家的支柱能源和经济命脉。随着现代社会生产力水平的不断提高，电能用户对于供电可靠性特别是连续性的要求越来越高，优质、可靠、稳定的电力供应己成为电力用户的普遍需求。电网的扩大、运行条件日趋复杂、电网用电设备种类和数量的大量增加、自然灾害和误操作等因素使得电网故障频繁发生。但是，电力系统的事故，尤其是由于各种偶然因素造成的事故从客观上讲是不可能完全避免的。如果局部故障未能得到及时有效的处理，还可能导致全网的大规模停电事故。

【关键词】电力系统 故障 措施 线路

电力系统可能发生的故障类型比较多，其中短路故障是电力系统中最常见危害最严重的故障。在电力系统正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的，如果由于某种原因使其绝缘破坏而构成了通路，就称电力系统发生了短路故障。产生短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏。电力系统的运行经验表明，短路故障主要是单相接地短路。 1、电力系统主要故障分类 1.1 输电网络故障 输电网络是电力系统中的一个中间环节，负责将电能从各发电中心送到各负荷中心。输电网络包括输电线路、母线以及监控装置。电力系统运行中，输电网络的异常与事故主要可以划分为输电线路故障、母线故障、系统振荡、系统瓦解等。 1.2 输电线路故障 输电线路的故障，大都是“瞬时性”的故障，在线路被继电保护迅速动作控制断路器跳闸后，故障点的绝缘平衡可自行恢复，故障随即消失。此时，如果把跳闸的线路断路器重新合上，就能够恢复正常的供电。在输电线路故障中，常见的几种故障类型包括: (1)单相接地短路；单相接地短路是最常见的故障，约占全部故障的80%以上。对于中性点直接接地系统，发生单相接地时，要求迅速切除故障点。对于中性点不接地或中性点经消弧线圈接地的系统，发生单相接地时，允许短时间带电运行，但要求尽快寻找接

地点，将接地部分退出运行并进行处理。

(2)两相接地短路；两相接地短路一般不会超过全部故障机率

的10%。在中性点直接接地系统中，这种故障多在同一地点发生;

在中性点非直接接地系统中，常见情况是先发生一点接地，而后其

他两相对地电压升高，在绝缘薄弱处形成第_接地点，此两点多数

不在同一点。

(3)两相短路及二相短路；两相短路及二相短路相对较少，一

般不超过全部故障机率的5%，但这种故障比较严重，故障发生后

要求更迅速的切除。

1.3 母线故障

电力系统中枢纽变电所的母线上发生故障时，可能会使系统用

户停电，使相关的联络线过载，严重的还可能引起系统稳定的破坏，

造成严重后果。发生母线故障的原因主要有:母线短路或母线保护

拒动、误动作;送出故障引起的越级跳闸等等。

1.4 系统振荡

系统振荡对输电网络的打击要更大，严重的可能使系统瓦解。系

统振荡时，各发电机和电源联络线电力系统故障诊断上的功率、电流、

以及某些节点的电压将有不同程度的周期性的变化。同步振荡时，规

程规定还有较多的时间允许来消除振荡源，当异步振荡时，规定在系

统振荡超过二分钟仍未消除时，就应迅速按规定的解列点解列。

1.5 系统瓦解

系统瓦解是指由于电力系统稳定破坏、频率崩溃、电压崩溃、

连锁反应或自然灾害等原因造成的大面积的停电事故状态，对电力

系统和用户危害最大，损失也最大。一般这种系统瓦解事故起源于

一条输电线路或一组变压器的过负荷造成的连锁反应。所以对单个

元件的事故处理务必要迅速、及时，防止事故的扩大、对输电网络

产生毁灭性的影响。

1.6 电力变压器故障

（1）绝缘结构:电力变压器包括油浸变压器和十式变压器，而

大容量的变压器一般都是油浸变压器。其绝缘结构主要由油、纸、纸板和其他固体绝缘等构成的固体——油绝缘结构。绝缘故障是影响变压器正常运行的主要原因。虽然在设计上具有足够的电气强度和优良的机械性能，但是在制造过程中的偶然因素会造成一些先天性局部缺陷是这些缺陷会造成绝缘体内部或表面出现某些区域电场强度高于平均电场强度，当这些区域的击穿场强低于平均击穿场强时，将会首先发生放电、而其他区域仍保持绝缘特性，从而形成局部放电。

（2）高压断路器故障:在电力系统中，高压断路器是最重要的设备之一，高压断路器在电网中主要有控制和保护两种作用，即能根据电网的需要进行相应电力设备及线路的投切以及当电力设备或线路发生故障时，将故障部分迅速从电网中切除，保证电网无故障部分可靠运行。高压断路器的主要技术参数有::额定电压、额定

电流、额定开断电流、额定峰值耐受电流、额定短时耐受电流、额定短路持续时间、额定短路关合电流和动作时间。高压断路器性能的可靠性关系到整个电力系统的安全运行。 1.7 其它电力设备故障

除了变压器和断路器，电力系统中还包括隔离开关、电压电流

匀_感器、避雷器和电容型设备等重要设备。这些设备的情况也会影响整个系统的正常运行。

2、电力系统运行保护措施及改进建议 2.1 闭锁操作 闭锁食指式电压无功综合控制装置在检测并判断到装置本身自检出现异常、变压器和电容器以及系统出现异常时，即使停止自动调节，并能发出信号的功能。电力系统采用式电压无功综合控制系统设置多种闭锁功能，当闭锁信号发出时，运行人员应仔细查看菜单显示的异常信息，并作出相应处理。只有确认外围回路确实没有问题才能按复归按钮。属于保护动作或遥控拒动情况时更应仔细检查,如电容器、主变保护动作后,只有故障消除、设备重新投入运行,才能解除闭锁。 2.2 压板投退操作 式电压无功综合控制系统设有专门的压板控制变压器和电容器的动作,当电容器检修时未退相应的出口压板,当达到动作定值时,式电压无功综合控制系统可能会投入电容器,若恰好此时电容器处有检修工作人员,则会威胁到人身安全,建议将压板投退操作编入典型操作票中,运行人员当作现场规程来执行。 2.3 统计功能的完善 电容器投退前后母线电压值、电容器动作时间、投退动作次数,主变分接头动作前后的档位及母线电压、分接头动作时间和次数等数据,是分析设备运行情况、为设备检修提供依据的基础数据,也是电力系统运行月报中的必要内容。目前式电压无功综合控制系统只能显示一条闭锁信息,而不能将这些数据发送到后台机。建议将闭锁信息的详细内容发送到后台机,并增加数据统计功能,以利于运行人员及时发现和处理异常,提高系统利用率。 参考文献 [1] 王晓东.电力系统故障诊断[M].河北工业大学,2007.12. [2] 毛晓东.电力系统故障诊断应用技术研究[M].哈尔滨工程大学,2009.03. [3] 李强.电力系统故障诊断方法研究[M].山东大学.2004.

电力系统的故障分析及应对措施

作者：杨利

作者单位：鸡西电业局密山一次变电所,黑龙江,密山,158300

刊名：

中国科技纵横

英文刊名：CHINA SCIENCE & TECHNOLOGY

年，卷(期)：2010，(18)

被引用次数：0次

1.王晓东电力系统故障诊断 2007

2.毛晓东电力系统故障诊断应用技术研究 2009

3.李强电力系统故障诊断方法研究 2004

1.期刊论文曹国臣.李林琳电力系统故障分析中故障端口开路电压的计算-继电器2004,32(15)

在不修改故障前原网节点阻抗参数矩阵的条件下,研究了电力系统故障分析中横向故障和纵向故障端口开路电压的计算方法.根据横向故障端口开路电压的物理意义和叠加原理,在已知电力系统内各发电机电势幅值和相位角或已知各发电机电势幅值相等、相位角相同的条件下,推导出计算横向故障端口开路电压的方法.根据纵向故障端口开路电压的物理意义、网络等值方法和叠加原理,在已知电力系统内各发电机电势幅值和相位角或已知各发电机电势幅值和断相支路两侧等效电源相位差的条件下,推导出计算纵向故障端口开路电压的方法.文中的计算方法可满足各种情况下电力系统故障分析计算的需要.

2.学位论文樊永波面向对象的电力系统复杂故障暂态稳定分析2005

随着电力系统自动化水平不断提高，其软件规模也越来庞大，用传统程序设计方法开发的电力系统应用软件面临着日益突出的扩充、维护困难等问题。20世纪90年代初，发展日臻成熟的面向对象技术成功的解决了这个问题，使得面向对象技术在电力系统软件开发中逐渐得到了应用。本文主要研究将面向对象技术应用到暂态稳定计算的软件开发中。

稳定性分析对于电力系统的安全可靠运行具有极其重要的意义。在电力系统的运行和设计中，大量需要解决的是简单故障下的暂态稳定情况，但近几年，为了利用数字计算机研究各种故障状态下电力系统运行的稳定性和快速继电保护装置的动作情况，对电力系统复杂故障的分析计算日益迫切。

在进行复杂故障的暂态稳定分析时，本文将简单不对称故障的综合阻抗概念，利用网络变换原理，推广为任意复杂故障的综合阻抗矩阵，从而使复杂故障问题的处理转化为和简单故障一样，可以将综合阻抗矩阵并入到正序网络中，从而简化了计算程序。

在用面向对象思想建立暂态稳定计算模型的基础上，本文用VC++开发了面向对象的复杂故障暂态稳定计算软件。针对电力系统各元件模型的精确程度，采用成熟的数值算法实现了复杂模型和简化模型下的复杂故障暂态稳定计算，并与已有的图形化电力系统图编辑界面进行了很好的连接，实现了复杂故障暂态稳定计算的图形化。

对于线路发生单相接地故障，增加了自动重合闸以及保护动作设置，使得本计算系统能更有效的进行仿真。

同时实现了文本输出结果和曲线输出结果两种形式，其中曲线输出可以对各发电机转子角以及任意两台发电机相对转子角的变化曲线进行方便的显示和打印输出，使得整个暂态稳定计算过程更形象直观。

本文完成了考虑线路保护动作时的暂态稳定计算，增加了复杂故障暂态稳定计算的功能，实现了结果输出图形化，并通过了BPA程序的验证。实例测试结果表明，该软件具有计算准确、操作直观和易学易用的特点，具有很强的实用性。同时也进一步证明了面向对象技术在电力系统软件开发应用中的潜力。

3.期刊论文赵晋泉.江晓东.张伯明.ZHAO Jin-quan.CHIANG Hsiao-dong.ZHANG Bo-ming一种用于电力系统静态稳定性分析的故障筛选与排序方法-电网技术2005,29(20)

提出了一种用于电力系统静态稳定性分析的故障筛选和排序方法,该方法分为两个阶段:在第1阶段采用基于灵敏度的负荷裕度预估方法和通过两次潮流迭代预估系统电压降的方法从全部故障中筛选出严重故障集;在第2阶段采用改进的二次曲线预估方法对严重故障进行负荷裕度的预估和排序,同时应用故障连续潮流对失稳故障进行识别和排序.利用该方法开发的电力系统静态稳定分析与控制软件在国外某实际电力系统中的成功运行表明了该方法的有效性.

4.学位论文朱旭凯电力系统连锁反应故障的预防与控制研究2007

随着电网互联程度的加深，在取得了较大经济效益的同时，电网的整体安全性也受到更严重的威胁，局部电网某些故障的影响有可能波及附近的区域电网，并诱发连锁反应，元件相继退出运行造成大面积停电甚至整个电网的崩溃。因此，如何有效地防止电力系统连锁反应故障是避免大停电事故的关键。

论文首先通过对三起连锁故障导致的大停电事故演化过程的总结分析，概括了连锁故障导致大停电的一般模式，得出连锁故障在传播过程表现出来的演化规律。典型的连锁反应大停电事故初始故障与触发故障发生时刻之间的时间间隔都比较长，初始故障集合各元素发生时刻的时间间隔也较长，初始故障集合中的各个故障不断恶化系统的状态，而触发故障导致系统发生连锁反应，最终可能导致系统崩溃，连锁故障阶段各个故障间的时间间隔小到几分钟、几秒钟，有时甚至是同时发生。因此应在初始故障阶段进行调整，避免进入连锁故障阶段。

论文结合协同学理论解释了连锁故障的演化机理。连锁故障导致大停电的过程在一定意义上可以看成是电网各元件间关联作用逐渐增强，某个或某几个元件故障，导致与其关联强的元件退出运行，促使系统进入临界状态，最终形成整个系统崩溃的过程。

论文建立了连锁故障预防的多阶段序贯博弈模型。模型将连锁故障博弈多阶段过程分解为单个阶段，每个阶段以电网的一次扰动开始，以电网的调整结束，即包含博弈双方的各一次行动。调整后的电网，能够承受电网的下次扰动，下次扰动发生后再进行调整，如此反复。在此基础上，提出了博弈模型的单阶段逆向归纳解法，并用博弈树描述博弈的过程。由于仅针对博弈过程的单个阶段进行求解，且在求解过程中反复剔除电网扰动方的劣行动，因此计算量非常小，适合于在线应用。同时，模型具有良好的开放性，新的电网扰动类型以及扰动带来系统新的问题都可计入模型。

最后，论文给出了上述模型在实际电网中可行的两种应用模式，提出了基于模式识别理论的电网运行方式匹配方法，基于该方法，应用模式一的实现成为可能。

5.期刊论文吕飞鹏.米麟书.LU Fei-peng.MI Lin-shu变结构电力系统互感线路断相故障断口模型-四川大学学报(工程科学版) 2001,33(1)

基于电流补偿法和网络分块算法，提出了计算变结构电力系统互感/无互感线路上故障的统一断口模型以及计算断口等值参数的新方法，避免了现有方法的复杂繁琐，简化了互感线路的断相故障计算,并能简捷得到故障线路及其互感耦合线路上的故障电流。

6.会议论文索南加乐.许庆强.李小斌.刘世明.毛鹏电力系统高压输电线路发展性故障判别元件2004

文中提出了一种电力系统高压输电线路发展性故障判别元件.发生单相接地后,如果零序电流与负序电流之比的角度变化超过门槛值,或者故障后期的|I<,0>/I<,2>|与单相接地故障时得到的|I<,0>/I<,2>|之比不在门槛范围之内,就判断为系统已经发生了发展性故障.与目前所用的判别元件相比,该元件能更加准确有效地判断出系统是否发生了发展性故障,并且不受电力系统振荡的影响.该判别元件在系统非全相运行期间发生故障,也能准确判断出来.数字实了新判别原理的准确性.

7.学位论文符玲基于信息测度的电力系统故障识别方法研究2010

电力系统故障暂态信号蕴涵了丰富的信息，充分利用这些信息，对实现电力系统故障识别、故障检测、继电保护等应用具有重要的理论和现实意义。故障暂态信号的分析和应用中，存在的一个关键问题是如何有效可靠地提取出蕴含在故障暂态信号中的故障特征信息，一方面，由于故障暂态信号通常混杂在稳态量中，而且由于能量低、幅值小，往往容易被稳态量和系统噪声所淹没；另一方面，由于故障暂态信号所包含的故障信息往往是海量的、不规则数据信息，难以用来直接达到故障识别研究的目的。这两方面的原因，就给故障信号特征信息的有效提取造成了困难。针对故障识别中特征信息提取困难的问题，尤其是对大量不确定信息的处理难题，本论文在将信息理论中相关的信息测度原理引入到电力系统故障信号特征信息的提取和处理中作出了尝试和研究，并取得了较好的实验效果，从而为基于故障暂态信号的电力系统故障识别研究提供了一条新的解决思路和辅助方法。
　　 论文在研究信息测度理论的基础上，结合时域、频域和时频域多种信号变换空间内的信号处理方式，提出了推广和泛化的信息测度概念。这是因为信息测度理论本身是定义在时域范围内的测度指标，而电力系统故障信号的特征信息往往需要从不同的信号变换空间来综合研究，因此将信息测度理论推广到不同的信号变换空间会更有利于对故障信号特征信息进行处理。文中主要研究了信息熵测度指标和近似熵测度指标在对故障特征信息进行处理中的应用，具体是将时域信息熵、频域信息熵、小波信息熵以及时域近似熵、时频域近似熵这5种信息测度应用到励磁涌流和故障电流识别、高压输电线路故障类型识别、小电流接地系统中故障线路识别、低频振荡中故障信号识别以及超高压输电线路故障类型识别中。

论文首先研究了时域信息熵测度在变压器励磁涌流和故障电流识别中的应用。时域信息熵是信息熵测度与时域统计分析方法相结合的产物，基于时域信息熵的励磁涌流和故障电流识别算法在非对称性励磁涌流、对称性励磁涌流、电流互感器饱和、合闸到故障以及受到较大谐波干扰等多种工况下都能正确地识别励磁涌流和故障电流，并且克服了传统识别方法中阈值设定、互感器饱和影响、数据窗的选取、波形的拟合等固有局限，体现了时域信息熵在特征信息处理中的优势。
　　

其次，论文研究了小波信息熵测度中的小波奇异熵在高压输电线路故障类型识别中的应用。小波奇异熵是一种基于时频域分析的信息熵测度，是小波分析和信息熵相结合的产物。文中将小波奇异熵应用于高压输电线路故障类型的识别，并在不同的故障类型、故障电压初始角、故障过渡电阻和故障位置等工况下仿真对故障类型识别的效果，仿真结果证明基于小波奇异熵的故障识别算法基本不受到故障工况和系统噪声的影响，而且算法计算复杂度也满足应用的需求。验证了小波信息熵算法在故障类型识别中取得了理想的实验效果。

再次，论文研究了近似熵测度对理想电力信号内部复杂性的分析结果，并将近似熵测度和小波变换相结合的时频近似熵测度应用到小电流接地系统故障选线和低频振荡下故障信号识别中，通过对故障线路以及不同类型故障的正确识别，再次验证了信息测度在故障识别中的可行性和有效性。
　　

最后，论文在研究信息融合思想的基础上，建立了融合多种信息测度的特征信息来研究故障识别的模型，一方面，建立了多种小波熵测度证据融合模型，将来自四种不同小波熵测度的特征信息进行融合；另一方面，建立了基于“频域信息熵测度-时域近似熵测度”的复合信息测度模型，将不同信息测度的特征信息进行融合。信息测度的融合克服了电力系统故障识别中诸多不确定因素的影响，通过第一种信息融合模型在小电流接地系统的故障线路识别和故障类型识别中的应用，以及第二种信息融合模型在超高压输电线路故障类型识别中的应用，验证了信息融合模型的正确有效性。
　　

本论文是国家自然科学基金项目《小波熵理论及其在电力系统故障检测与分类中的应用》(No.50407009，2005-2007)和《基于信息理论的多信源电网故障诊断方法及应用》

(No.50877068，2009-2011)成果的组成部分。

8.期刊论文陈青.江世芳.CHEN Qing.JIANG Shi-fang一种求解电力系统复杂故障的新算法-中国电机工程学报2000,20(9)

从故障的一般形式出发,导出了一种既适用于各种类型简单故障,又适用于多重复故障计算的计算机通用数学模型.模型简单实用,通用性强.该算法可适用于具有不对称故障阻抗的任意横向故障或纵向故障及其组合,不需要考虑序网的串并联及多重复故障中理想变压器的转角问题.

9.学位论文黄群古基于小波理论的电力系统电机故障信号分析方法研究2001

该论文在分析了国内外小波理论及其在电力系统中的应用研究现状的基础上,提出了一系列适合是民办科技系统故障信号分析的新的小波函数和小波变换及其新的小波快速算法.1、为了提高小波分析在电力系统机电故障信号分析应用中的计算速度,该论文提出了两种相拟Haar小波函数和相庆的小波变换、整数和分数小波变换,以及半小波函数的半小波变换.2、为了有效地检测到电力系统电机故障信号的幅值特征和相位特征,该论文提出了基于幅频特性的复值小波函数构造方法和复值小波变换、新的实值小波函数和小波变换,以及改进的Morlet小波函数和相应的小波变换.3、为了提高基于小波变换的电机故障信号分析水平.该论文提出了梯度小波函数和梯形小波变换.此外,还提出了多频带小波函数及其相应的多频带小波变换.4、提出了多层分辨分析的快速算法.而且,还研究了适合电力系统谐波分析的两种并行小波变换算法.此外,该论文还利上面提出的新出的小波函数、新的小波变换和算法,(1)对电力系统发电机转子故障进行了分析;(2)对电力系统电动机故障进行了分析;(3)对电力系统几种常见的故障信号进行了分析;(4)对电力系统谐波进行了检测和分析,并且还研究了基于小波变换的电力系统频率跟踪的新方法.最后,该论文指出了小波理论及其在电力系统应用研究中存在的问题及应用前景.

10.期刊论文陈为化.江全元.曹一家.CHEN Wei-hua.JIANG Quan-yuan.CAO Yi-jia考虑继电保护隐性故障的电力系统连锁故障风险评估

-电网技术2006,30(13)

提出了考虑继电保护隐性故障的电力系统连锁故障风险评估方法.采用继电保护隐性故障的概率模型描述保护装置对电力系统风险的影响,通过分析保护系统的机理表明保护装置在连锁故障中的作用,用母线孤立风险、负荷孤立风险、电网解列风险及系统综合风险来评估系统的连锁故障风险,并据此提出了减小系统连锁故障风险的预防措施.应用蒙特卡罗方法产生系统事故、保护装置和隐性故障的随机特性,编写了电力系统连锁故障风险评估与预防软件.IEEE 118节点系统的应用结果证明了该方法的可行性及软件的有效性.

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