线路故障引起电压暂降影响因素的研究

章海静，梁振锋，彭书涛，李树芃

（1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安 710054；2.西安理工大学，陕西西安 710048）

线路故障引起电压暂降影响因素的研究

章海静1，梁振锋2，彭书涛1，李树芃1

（1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安 710054；2.西安理工大学，陕西西安 710048）

目前，电压暂降成为电能质量的主要问题。研究了线路故障引起的电压暂降的影响因素。建立了分析模型，给出了线路三相短路和单相接地短路的等效电路及公共连接点（PCC）处残余电压表达式。指出故障点距PCC电气距离越短，电压暂降深度越大；单相接地短路的电压暂降深度小于三相短路；故障馈线是否与敏感负荷处于同一母线对电压暂降的影响不同；过渡电阻的存在有利于电能质量。PSASP仿真结果验证了分析结论的正确性。

电压暂降；暂降深度；故障类型；三相短路；单相接地短路

随着计算机技术和自动控制技术的广泛应用，用户对电能质量的要求越来越高。对于工业负荷来说，电压暂降的影响尤为明显。电压暂降，也称电压跌落，是指供电电压均方根值在短时间突然下降至额定电压幅值的10%～90%，持续时间0.5～30周波的一种现象[1-2]。电压暂降不能提供给用电设备正常运行所需的电能，用电设备的性能会下降，在极端情况下甚至完全停止工作，可能造成巨大经济损失。

引起电压暂降的原因有2个[2-3]：1）短路故障，是产生电压暂降的首要原因。2）大容量负荷的投切，远距离供电线路末端大型电动机的启动，可变负荷和/或变速驱动、电弧炉、焊接设备等负荷和装置所产生的功率大幅度波动（尤其是无功功率），都可能引起电压暂降。

国内外学者针对短路故障引起的电压暂降开展了广泛的研究。文献[4]提出了一种确定电压暂降凹陷域的算法。文献[5]提出了故障线路一侧断路器跳开后的特殊情况下电压暂降幅值的计算方法。文献[6]提出了一种针对复杂电网多重故障的电压暂降分析方法。文献[7-8]研究了保护性能与电压暂降频次评估之间的关系，提出了电压暂降频次评估方法。

本文研究了线路故障引起的电压暂降的影响因素，考虑了系统运行方式、故障类型、故障位置、过渡电阻等对公共连接点（即PCC）电压暂降的影响。基于陕西电网实际参数，利用电力系统综合程序（PSASP）进行了大量数字仿真分析计算，主要研究了线路故障对某企业（敏感负荷）电压暂降的影响。仿真结果验证了分析结论的正确性和有效性。

1 电压暂降的特征参数

表征电压暂降的特征参数有3个[1]，分别是：1）电压暂降幅值，常用暂降深度来表示。暂降深度是指标称电压与残余电压的差值。2）电压暂降持续时间。3）电压暂降的相位跳变。

2 线路故障引起电压暂降的影响因素

2.1 分析模型

利用图1所示模型分析线路故障引起电压暂降。图1中k1为输电线路故障点；NP回路为与公共连接点（PCC）相连接的故障支路，MP回路为与PCC相连接的其他支路。k2为馈线故障点。

图1 分析模型Fig.1 Analysis model

2.2 故障点位于输电线路

利用图1所示系统，以三相短路为例分析故障点k1位于输电线路时的电压暂降影响因素。

图2为输电线路k1三相短路故障时的等效电路图。图中，EM、EN为系统等效电势；ZsM、ZsN为系统阻抗；ZMP1、ZPK1、ZNK1为线路正序阻抗；im为流过MP回路的短路电流；in为流过NP回路N侧的短路电流；Rf为过渡电阻；UP为PCC处的电压。图2中忽略了PCC流出的负荷电流。

图2 输电线路三相短路故障等效电路Fig.2 Equivalent circuit of transmission line under three-phase short circuit fault

当ZsM=∞，即PCC仅由NP一个回路供电，若发生三相短路故障，UP由负荷中的储能元件和PCC与故障点线路中的储能建立，将会快速衰减，在PCC处会出现电压短时中断。因此，对于敏感负荷，不能采用单回线路供电运行方式。

对于PCC，当采用多回线路供电时，设Rf=0，则

由式（1）可见，ZPK与UP成正比关系。ZPK越大，则UP越大。即故障点距PCC电气距离越远，电压暂降深度越小。

又由式（1）可见，ZsM越大，即接入PCC的回路越少，UP越小；相反，ZsM越小，即接入PCC的回路越多，UP越大。因此，为了减小电压暂降对敏感负荷造成的损失，应采用多回路、多电源供电方式。

若Rf≠0，PCC处的电压

由式（2）可见，过渡电阻的存在会增加PCC处的残余电压幅值，降低暂降深度。

2.3 故障点位于馈线

馈线（配电网）相间故障同样会造成电压暂降。3种情况：

1）故障位于敏感负荷所在馈线，则必然会出现电压短时中断。

2）故障馈线与敏感负荷在同一母线，等效电路如图3所示。

图3 馈线三相短路故障等效电路Fig.3 Equivalent circuit of feeders under three-phase short circuit fault

图3为图1中k2三相短路故障时的等效电路图。图中，E为系统等效电势；Zs为系统阻抗；ZL为输电线路阻抗；Zk为PCC至故障点的线路阻抗；Rf为过渡电阻。分析中忽略了敏感负荷电流。PCC处的电压：

分析式（3）可见，馈线故障对电压暂降的影响取决于系统运行方式、故障位置。

3）故障馈线与敏感负荷不在同一母线，可用图2所示等效电路分析。图中Rf应为Zeq，包括馈线所在母线至故障点线路阻抗和过渡电阻，考虑到馈线电压等级低，阻抗值Zeq大，因此PCC母线残余电压较大。

馈线所在网络若为中性点非有效接地系统，发生单相接地故障时，故障点仅流过对地电容电流，线电压仍对称，而敏感负荷通常连接于相间，因此分析单相接地故障对电压暂降的影响时可不考虑中性点非有效接地系统。

2.4 故障类型的影响

实际上输电线路三相短路故障概率较低，多为单相接地故障。仍以图1为例分析输电线路单相接地故障对电压暂降的影响。单相接地故障时的等效电路如图4所示。

图4 输电线路单相接地故障复合序网图Fig.4 Compound sequence network of transmission line under single-phase earth fault

图4为k1点单相接地短路故障时的复合序网图。图中，ZsM0、ZsN0为系统零序阻抗；ZMP2、ZPK2、ZNK2为线路负序阻抗；ZMP0、ZPK0、ZNK0为线路零序阻抗；I˙1K、I˙2K、I˙0K为故障点的正序、负序、零序电流；U˙1K、U˙2K、U˙0K为故障点的正序、负序、零序电压；I˙M1、I˙M2、I˙M0为母线M处的正序、负序和零序电流。其余符号同图2。

根据文献[3]可知，不对称故障时分析电压暂降幅度，主要考察正序分量的有效值。设Rf=0，由图4（b）可知PCC处的正序电压

从式（4）可知，即故障点距PCC电气距离越远，电压暂降深度越小。

当故障点处于PCC处时，电压暂降将最严重，利用对称分量法，以A相PCC处接地故障为例，可知：

由式（5）可见，在PCC处发生单相接地故障时（即电压暂降最严重情况），PCC处的正序电压幅值约为故障前相电压幅值的66.7%。

进一步分析线电压的变化情况，仍考虑最严重情况，即PCC处发生单相接地故障。非故障相相间线电压几乎不变，非故障相与故障相间线电压将会降为故障前线电压的。

2.5 继电保护及自动重合闸的影响

线路故障，继电保护会动作切除故障，故障清除时间与电压暂降持续时间相对应。对于线路，故障切除后往往会采用自动重合闸重合断路器，重合成功，线路恢复正常运行，与故障有关的馈线电压也将恢复；但若重合失败，会再次造成电压暂降。

3 仿真验证

为了验证分析结论，基于陕西电网系统参数，针对含有敏感负荷的某企业的PCC，利用电力系统分析综合程序（Power System Analysis Software Package，PSASP）进行了大量仿真计算。图5为含有敏感负荷的局部网络图。图中AC和AB四回线路为110 kV线路，其余均为330 kV线路。

图5 局部网络图Fig.5 Local power grid

表1为不同供电回路情况下AC线路之一三相短路故障时PCC处母线上的残余电压。表1和表2中故障位置是指故障点距相应母线占线路全长的百分比。

表1 线路三相短路PCC母线残余电压Tab.1 Residual voltage of PCC bus under three phase short circuit of transmission lines pu

表2 BD线路A相接地短路PCC母线残余电压Tab.2 Residual voltage of PCC bus under single-phase earth fault of transmission lines pu

由表1结果可知，接入PCC的供电回路数越少，在相同故障位置发生三相短路故障，电压暂降深度越大，造成的影响也越大。距离PCC越远处发生故障，供电回路数的影响越大。

仿真了B母线上发生三相短路，PCC处的残余电压为0.075 6。B母线单相接地故障，B母线正序电压为0.599 9，与分析结论一致。表2给出了BD线路上单相接地短路故障时PCC母线故障相电压、线电压及正序电压幅值。

由表2可知，故障相电压与故障位置相关，离PCC电气距离越近，故障相电压越低。正序电压、线电压受故障位置的影响较小。与B母线三相短路故障相比，单相接地故障时PCC处故障相电压、正序电压均较大。与理论分析相一致。

利用正序电压来评估电压暂降深度，依据ITIC曲线[9]对电气设备的要求，当故障点靠近PCC时，电压暂降深度会造成设备不正常工作。若利用SEMI F47曲线要求电气设备时，根据《继电保护和安全自动装置技术规程》中的规定[10]，330 kV线路全线速动保护近端故障整组动作时间小于等于20 ms，远端故障整组动作时间小于等于30 ms，加上断路器跳闸时间，单相接地故障对电气设备工作的影响将很小。

为了验证过渡电阻对电压暂降的影响，对D母线发生经不同值过渡电阻单相接地短路进行了仿真。仿真结果见表3。

表3 不同过渡电阻情况下PCC母线残余电压Tab.3 Residual voltage of PCC bus under various transition resistances pu

由表3可见，随着过渡电阻的增加，PCC残余电压也相应增加。尤其是金属性故障与10 Ω大小过渡电阻之间，残余电压增加明显。由此可见，不利于继电保护和故障测距的过渡电阻的存在有助于电压电能质量的改善。

由表4可见，与敏感负荷未处于同一母线上的110 kV线路发生单相接地故障，PCC电压暂降深度很小，不会对敏感负荷造成影响。

表4 F站110 kV出线单相接地短路PCC处残余电压Tab.4 Residual voltage of PCC under single-phase earth fault of 110 kV line of F substation pu

4 改善电压电能质量的措施

针对线路故障引起的电压暂降，改善电压电能质量的措施和方法主要有：1）减少与敏感负荷同一母线上的馈线回路数；2）架空线外加绝缘或更换为电缆线路，减小线路故障次数；3）加强巡视和剪树作业管理；4）与敏感负荷处于同一母线的馈线配置全线速动保护。5）对用户，采用采用动态电压恢复器（DVR）和不间断电源（UPS）。

5 结论

本文研究了线路故障引起电压暂降的影响因素，得出以下结论：

1）敏感负荷所在馈线相间故障，会造成电压短时中断。其他线路，包括输电线路和馈线相间故障，与PCC电气距离越短，对敏感负荷影响越大。

2）中性点非直接接地系统单相接地故障对敏感负荷几乎没有影响。中性点直接接地系统输电线路单相接地故障，故障相电压暂降明显，但正序电压和线电压暂降深度较小。

3）过渡电阻的存在有利于电压电能质量。

4）继电保护的速动性和重合闸的成功率都会影响到电压暂降。

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理总局.GB/T 30137-2013电能质量电压暂降与短时中断[S].北京：中国标准出版社，2013.

[2]程浩忠，艾芊，张志刚，等.电能质量概论 [M].2版.北京:中国电力出版社，2013.

[3]Angelo Boggini.电能质量手册[M].北京:中国电力出版社，2010.

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[9]刘玡朋，于明涛，管春伟，等.基于电压暂降的标准SARFI参数与ITIC曲线 分析保护装置对电压暂降的影响[J].电网与清洁能源，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]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 14285-2006继电保护和安全自动装置技术规程[S].北京:中国标准出版社，2006.

章海静（1970—），高级工程师，研究方向为电力系统分析计算；

梁振锋（1974—），博士，副教授，研究方向为电力系统继电保护与控制；

彭书涛（1978—），硕士，高级工程师，研究方向为电力系统分析；

李树芃（1981—），硕士，工程师，研究方向为电力系统分析。

（编辑 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。

陕西省自然科学基础研究计划资助项目（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