線路故障引起電壓暫降影響因素的研究

章海靜，梁振鋒，彭書(shū)濤，李樹(shù)芃

（1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西西安 710054；2.西安理工大學(xué)，陜西西安 710048）

線路故障引起電壓暫降影響因素的研究

章海靜1，梁振鋒2，彭書(shū)濤1，李樹(shù)芃1

（1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西西安 710054；2.西安理工大學(xué)，陜西西安 710048）

目前，電壓暫降成為電能質(zhì)量的主要問(wèn)題。研究了線路故障引起的電壓暫降的影響因素。建立了分析模型，給出了線路三相短路和單相接地短路的等效電路及公共連接點(diǎn)（PCC）處殘余電壓表達(dá)式。指出故障點(diǎn)距PCC電氣距離越短，電壓暫降深度越大；單相接地短路的電壓暫降深度小于三相短路；故障饋線是否與敏感負(fù)荷處于同一母線對(duì)電壓暫降的影響不同；過(guò)渡電阻的存在有利于電能質(zhì)量。PSASP仿真結(jié)果驗(yàn)證了分析結(jié)論的正確性。

電壓暫降；暫降深度；故障類(lèi)型；三相短路；單相接地短路

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高。對(duì)于工業(yè)負(fù)荷來(lái)說(shuō)，電壓暫降的影響尤為明顯。電壓暫降，也稱(chēng)電壓跌落，是指供電電壓均方根值在短時(shí)間突然下降至額定電壓幅值的10%～90%，持續(xù)時(shí)間0.5～30周波的一種現(xiàn)象[1-2]。電壓暫降不能提供給用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電能，用電設(shè)備的性能會(huì)下降，在極端情況下甚至完全停止工作，可能造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

引起電壓暫降的原因有2個(gè)[2-3]：1）短路故障，是產(chǎn)生電壓暫降的首要原因。2）大容量負(fù)荷的投切，遠(yuǎn)距離供電線路末端大型電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，可變負(fù)荷和/或變速驅(qū)動(dòng)、電弧爐、焊接設(shè)備等負(fù)荷和裝置所產(chǎn)生的功率大幅度波動(dòng)（尤其是無(wú)功功率），都可能引起電壓暫降。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)短路故障引起的電壓暫降開(kāi)展了廣泛的研究。文獻(xiàn)[4]提出了一種確定電壓暫降凹陷域的算法。文獻(xiàn)[5]提出了故障線路一側(cè)斷路器跳開(kāi)后的特殊情況下電壓暫降幅值的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[6]提出了一種針對(duì)復(fù)雜電網(wǎng)多重故障的電壓暫降分析方法。文獻(xiàn)[7-8]研究了保護(hù)性能與電壓暫降頻次評(píng)估之間的關(guān)系，提出了電壓暫降頻次評(píng)估方法。

本文研究了線路故障引起的電壓暫降的影響因素，考慮了系統(tǒng)運(yùn)行方式、故障類(lèi)型、故障位置、過(guò)渡電阻等對(duì)公共連接點(diǎn)（即PCC）電壓暫降的影響?；陉兾麟娋W(wǎng)實(shí)際參數(shù)，利用電力系統(tǒng)綜合程序（PSASP）進(jìn)行了大量數(shù)字仿真分析計(jì)算，主要研究了線路故障對(duì)某企業(yè)（敏感負(fù)荷）電壓暫降的影響。仿真結(jié)果驗(yàn)證了分析結(jié)論的正確性和有效性。

1 電壓暫降的特征參數(shù)

表征電壓暫降的特征參數(shù)有3個(gè)[1]，分別是：1）電壓暫降幅值，常用暫降深度來(lái)表示。暫降深度是指標(biāo)稱(chēng)電壓與殘余電壓的差值。2）電壓暫降持續(xù)時(shí)間。3）電壓暫降的相位跳變。

2 線路故障引起電壓暫降的影響因素

2.1 分析模型

利用圖1所示模型分析線路故障引起電壓暫降。圖1中k1為輸電線路故障點(diǎn)；NP回路為與公共連接點(diǎn)（PCC）相連接的故障支路，MP回路為與PCC相連接的其他支路。k2為饋線故障點(diǎn)。

圖1 分析模型Fig.1 Analysis model

2.2 故障點(diǎn)位于輸電線路

利用圖1所示系統(tǒng)，以三相短路為例分析故障點(diǎn)k1位于輸電線路時(shí)的電壓暫降影響因素。

圖2為輸電線路k1三相短路故障時(shí)的等效電路圖。圖中，EM、EN為系統(tǒng)等效電勢(shì)；ZsM、ZsN為系統(tǒng)阻抗；ZMP1、ZPK1、ZNK1為線路正序阻抗；im為流過(guò)MP回路的短路電流；in為流過(guò)NP回路N側(cè)的短路電流；Rf為過(guò)渡電阻；UP為PCC處的電壓。圖2中忽略了PCC流出的負(fù)荷電流。

圖2 輸電線路三相短路故障等效電路Fig.2 Equivalent circuit of transmission line under three-phase short circuit fault

當(dāng)ZsM=∞，即PCC僅由NP一個(gè)回路供電，若發(fā)生三相短路故障，UP由負(fù)荷中的儲(chǔ)能元件和PCC與故障點(diǎn)線路中的儲(chǔ)能建立，將會(huì)快速衰減，在PCC處會(huì)出現(xiàn)電壓短時(shí)中斷。因此，對(duì)于敏感負(fù)荷，不能采用單回線路供電運(yùn)行方式。

對(duì)于PCC，當(dāng)采用多回線路供電時(shí)，設(shè)Rf=0，則

由式（1）可見(jiàn)，ZPK與UP成正比關(guān)系。ZPK越大，則UP越大。即故障點(diǎn)距PCC電氣距離越遠(yuǎn)，電壓暫降深度越小。

又由式（1）可見(jiàn)，ZsM越大，即接入PCC的回路越少，UP越??；相反，ZsM越小，即接入PCC的回路越多，UP越大。因此，為了減小電壓暫降對(duì)敏感負(fù)荷造成的損失，應(yīng)采用多回路、多電源供電方式。

若Rf≠0，PCC處的電壓

由式（2）可見(jiàn)，過(guò)渡電阻的存在會(huì)增加PCC處的殘余電壓幅值，降低暫降深度。

2.3 故障點(diǎn)位于饋線

饋線（配電網(wǎng)）相間故障同樣會(huì)造成電壓暫降。3種情況：

1）故障位于敏感負(fù)荷所在饋線，則必然會(huì)出現(xiàn)電壓短時(shí)中斷。

2）故障饋線與敏感負(fù)荷在同一母線，等效電路如圖3所示。

圖3 饋線三相短路故障等效電路Fig.3 Equivalent circuit of feeders under three-phase short circuit fault

圖3為圖1中k2三相短路故障時(shí)的等效電路圖。圖中，E為系統(tǒng)等效電勢(shì)；Zs為系統(tǒng)阻抗；ZL為輸電線路阻抗；Zk為PCC至故障點(diǎn)的線路阻抗；Rf為過(guò)渡電阻。分析中忽略了敏感負(fù)荷電流。PCC處的電壓：

分析式（3）可見(jiàn)，饋線故障對(duì)電壓暫降的影響取決于系統(tǒng)運(yùn)行方式、故障位置。

3）故障饋線與敏感負(fù)荷不在同一母線，可用圖2所示等效電路分析。圖中Rf應(yīng)為Zeq，包括饋線所在母線至故障點(diǎn)線路阻抗和過(guò)渡電阻，考慮到饋線電壓等級(jí)低，阻抗值Zeq大，因此PCC母線殘余電壓較大。

饋線所在網(wǎng)絡(luò)若為中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)僅流過(guò)對(duì)地電容電流，線電壓仍對(duì)稱(chēng)，而敏感負(fù)荷通常連接于相間，因此分析單相接地故障對(duì)電壓暫降的影響時(shí)可不考慮中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)。

2.4 故障類(lèi)型的影響

實(shí)際上輸電線路三相短路故障概率較低，多為單相接地故障。仍以圖1為例分析輸電線路單相接地故障對(duì)電壓暫降的影響。單相接地故障時(shí)的等效電路如圖4所示。

圖4 輸電線路單相接地故障復(fù)合序網(wǎng)圖Fig.4 Compound sequence network of transmission line under single-phase earth fault

圖4為k1點(diǎn)單相接地短路故障時(shí)的復(fù)合序網(wǎng)圖。圖中，ZsM0、ZsN0為系統(tǒng)零序阻抗；ZMP2、ZPK2、ZNK2為線路負(fù)序阻抗；ZMP0、ZPK0、ZNK0為線路零序阻抗；I˙1K、I˙2K、I˙0K為故障點(diǎn)的正序、負(fù)序、零序電流；U˙1K、U˙2K、U˙0K為故障點(diǎn)的正序、負(fù)序、零序電壓；I˙M1、I˙M2、I˙M0為母線M處的正序、負(fù)序和零序電流。其余符號(hào)同圖2。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]可知，不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)分析電壓暫降幅度，主要考察正序分量的有效值。設(shè)Rf=0，由圖4（b）可知PCC處的正序電壓

從式（4）可知，即故障點(diǎn)距PCC電氣距離越遠(yuǎn)，電壓暫降深度越小。

當(dāng)故障點(diǎn)處于PCC處時(shí)，電壓暫降將最嚴(yán)重，利用對(duì)稱(chēng)分量法，以A相PCC處接地故障為例，可知：

由式（5）可見(jiàn)，在PCC處發(fā)生單相接地故障時(shí)（即電壓暫降最嚴(yán)重情況），PCC處的正序電壓幅值約為故障前相電壓幅值的66.7%。

進(jìn)一步分析線電壓的變化情況，仍考慮最嚴(yán)重情況，即PCC處發(fā)生單相接地故障。非故障相相間線電壓幾乎不變，非故障相與故障相間線電壓將會(huì)降為故障前線電壓的。

2.5 繼電保護(hù)及自動(dòng)重合閘的影響

線路故障，繼電保護(hù)會(huì)動(dòng)作切除故障，故障清除時(shí)間與電壓暫降持續(xù)時(shí)間相對(duì)應(yīng)。對(duì)于線路，故障切除后往往會(huì)采用自動(dòng)重合閘重合斷路器，重合成功，線路恢復(fù)正常運(yùn)行，與故障有關(guān)的饋線電壓也將恢復(fù)；但若重合失敗，會(huì)再次造成電壓暫降。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證分析結(jié)論，基于陜西電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)，針對(duì)含有敏感負(fù)荷的某企業(yè)的PCC，利用電力系統(tǒng)分析綜合程序（Power System Analysis Software Package，PSASP）進(jìn)行了大量仿真計(jì)算。圖5為含有敏感負(fù)荷的局部網(wǎng)絡(luò)圖。圖中AC和AB四回線路為110 kV線路，其余均為330 kV線路。

圖5 局部網(wǎng)絡(luò)圖Fig.5 Local power grid

表1為不同供電回路情況下AC線路之一三相短路故障時(shí)PCC處母線上的殘余電壓。表1和表2中故障位置是指故障點(diǎn)距相應(yīng)母線占線路全長(zhǎng)的百分比。

表1 線路三相短路PCC母線殘余電壓Tab.1 Residual voltage of PCC bus under three phase short circuit of transmission lines pu

表2 BD線路A相接地短路PCC母線殘余電壓Tab.2 Residual voltage of PCC bus under single-phase earth fault of transmission lines pu

由表1結(jié)果可知，接入PCC的供電回路數(shù)越少，在相同故障位置發(fā)生三相短路故障，電壓暫降深度越大，造成的影響也越大。距離PCC越遠(yuǎn)處發(fā)生故障，供電回路數(shù)的影響越大。

仿真了B母線上發(fā)生三相短路，PCC處的殘余電壓為0.075 6。B母線單相接地故障，B母線正序電壓為0.599 9，與分析結(jié)論一致。表2給出了BD線路上單相接地短路故障時(shí)PCC母線故障相電壓、線電壓及正序電壓幅值。

由表2可知，故障相電壓與故障位置相關(guān)，離PCC電氣距離越近，故障相電壓越低。正序電壓、線電壓受故障位置的影響較小。與B母線三相短路故障相比，單相接地故障時(shí)PCC處故障相電壓、正序電壓均較大。與理論分析相一致。

利用正序電壓來(lái)評(píng)估電壓暫降深度，依據(jù)ITIC曲線[9]對(duì)電氣設(shè)備的要求，當(dāng)故障點(diǎn)靠近PCC時(shí)，電壓暫降深度會(huì)造成設(shè)備不正常工作。若利用SEMI F47曲線要求電氣設(shè)備時(shí)，根據(jù)《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定[10]，330 kV線路全線速動(dòng)保護(hù)近端故障整組動(dòng)作時(shí)間小于等于20 ms，遠(yuǎn)端故障整組動(dòng)作時(shí)間小于等于30 ms，加上斷路器跳閘時(shí)間，單相接地故障對(duì)電氣設(shè)備工作的影響將很小。

為了驗(yàn)證過(guò)渡電阻對(duì)電壓暫降的影響，對(duì)D母線發(fā)生經(jīng)不同值過(guò)渡電阻單相接地短路進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同過(guò)渡電阻情況下PCC母線殘余電壓Tab.3 Residual voltage of PCC bus under various transition resistances pu

由表3可見(jiàn)，隨著過(guò)渡電阻的增加，PCC殘余電壓也相應(yīng)增加。尤其是金屬性故障與10 Ω大小過(guò)渡電阻之間，殘余電壓增加明顯。由此可見(jiàn)，不利于繼電保護(hù)和故障測(cè)距的過(guò)渡電阻的存在有助于電壓電能質(zhì)量的改善。

由表4可見(jiàn)，與敏感負(fù)荷未處于同一母線上的110 kV線路發(fā)生單相接地故障，PCC電壓暫降深度很小，不會(huì)對(duì)敏感負(fù)荷造成影響。

表4 F站110 kV出線單相接地短路PCC處殘余電壓Tab.4 Residual voltage of PCC under single-phase earth fault of 110 kV line of F substation pu

4 改善電壓電能質(zhì)量的措施

針對(duì)線路故障引起的電壓暫降，改善電壓電能質(zhì)量的措施和方法主要有：1）減少與敏感負(fù)荷同一母線上的饋線回路數(shù)；2）架空線外加絕緣或更換為電纜線路，減小線路故障次數(shù)；3）加強(qiáng)巡視和剪樹(shù)作業(yè)管理；4）與敏感負(fù)荷處于同一母線的饋線配置全線速動(dòng)保護(hù)。5）對(duì)用戶(hù)，采用采用動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）和不間斷電源（UPS）。

5 結(jié)論

本文研究了線路故障引起電壓暫降的影響因素，得出以下結(jié)論：

1）敏感負(fù)荷所在饋線相間故障，會(huì)造成電壓短時(shí)中斷。其他線路，包括輸電線路和饋線相間故障，與PCC電氣距離越短，對(duì)敏感負(fù)荷影響越大。

2）中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)單相接地故障對(duì)敏感負(fù)荷幾乎沒(méi)有影響。中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)輸電線路單相接地故障，故障相電壓暫降明顯，但正序電壓和線電壓暫降深度較小。

3）過(guò)渡電阻的存在有利于電壓電能質(zhì)量。

4）繼電保護(hù)的速動(dòng)性和重合閘的成功率都會(huì)影響到電壓暫降。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理總局.GB/T 30137-2013電能質(zhì)量電壓暫降與短時(shí)中斷[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[2]程浩忠，艾芊，張志剛，等.電能質(zhì)量概論 [M].2版.北京:中國(guó)電力出版社，2013.

[3]Angelo Boggini.電能質(zhì)量手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2010.

[4]常學(xué)飛，田立軍，秦英林.一種精確確定電壓暫降凹陷域的算法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31（4）:64-68.CHANG Xuefei，TIAN Lijun，QIN Yinglin.Method to accurately determine vulnerable areas of voltage sag[J].Electric Power Automation Equipment，2011，31（4）:64-68（in Chinese）.

[5]蘭劍，王東旭，葉曦，等.故障線路單端跳閘條件下節(jié)點(diǎn)電壓暫降幅值計(jì)算方法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2014，34（8）:78-82.LAN Jian，WANG Dongxu，YE Xi，et al.Calculation of voltage sag amplitude for single-terminal trip of faulty line[J].Electric Power Automation Equipment，2014，34（8）:78-82（in Chinese）.

[6]王東旭，樂(lè)健，劉開(kāi)培，等.復(fù)雜電網(wǎng)多重故障條件下的電壓暫降分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（7）: 101-106.WANG Dongxu，LE Jian，LIU Kaipei，et al.Voltage dip analysis for multiple faults case in complex power grid[J].Proceedings of the CSEE，2012，32（7）:101-106（in Chinese）.

[7]陳禮頻，肖先勇，汪穎，等.考慮保護(hù)配合動(dòng)作隨機(jī)性的電壓暫降頻次評(píng)估[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（5）：132-138.CHEN Lipin，XIAO Xianyong，WANG Ying，et al.Assessment on voltage sag frequency considering randomness of protection cooperation[J].Power System Technology，2012，36（5）：132-138（in Chinese）.

[8]陳禮頻，肖先勇，張志，等.考慮保護(hù)時(shí)限特性的電壓暫降頻次評(píng)估[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（2）：113-119.CHEN Lipin，XIAO Xianyong，ZHANG Zhi，et al.Voltage sags frequency assessment considering the time characteristic of protection system[J].Power System Protection and Control，2013，41（2）：113-119（in Chinese）.

[9]劉玡朋，于明濤，管春偉，等.基于電壓暫降的標(biāo)準(zhǔn)SARFI參數(shù)與ITIC曲線 分析保護(hù)裝置對(duì)電壓暫降的影響[J].電網(wǎng)與清潔能源，2015，31（8）:15-20.LIU Yapeng，YU Mingtao，GUAN Chunwei，et al.Influence of SARFI parameter based on voltage sag and ITIC curve analysis protection device on voltage sag[J].Power Systemand Clean Energy，2015，31（8）:15-20（in Chinese）.

[10]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 14285-2006繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

章海靜（1970—），高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析計(jì)算；

梁振鋒（1974—），博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)與控制；

彭書(shū)濤（1978—），碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析；

李樹(shù)芃（1981—），碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析。

（編輯 李沈）

Study on the Influencing Factors of Voltage Sag Induced by Transmission Line Faults

ZHANG Haijing1，LIANG Zhenfeng2，PENG Shutao1，LI Shupeng1
（1.State Grid Shaanxi Electric Power Research Institute，Xi’an 710054，Shaanxi，China；2.Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

Voltage sag is one of the main problems in power quality.The influencing factors of voltage sag induced by transmission line fault are studied in this paper.The analysis model for transmission line fault is established.The equivalent circuits and expressions of residual voltage of the point of common coupling（PCC）under single-phase earth fault and three-phase short circuit are given.The depth of voltage sag is larger if the electric distance from PCC to fault point is shorter.The residual voltage of PCC under single-phase earth fault is larger than it under three phase short circuit.The residual voltage is obviously different whether or not the fault feeder and the PCC are in the same bus.The transition resistance is beneficial to improve power quality.PSASP simulation results show that the conclusion is correct.

voltage sag；depth of voltage sag；fault type；three-phase short circuit；single-phase earth short circuit

2015-10-20。

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014 JM7293）。

Project Supported by the Natural Science Basic Research Support Project of Shaanxi Province（No.2014JM7293）.

1674-3814（2016）05-0007-05

TM74

A