Classification of ground faults in distribution lines according to phase-plane trajectories of waveforms

Recently, a greater demand for stable supply of electric power has resulted from a higher standard of living. It becomes important that the causes and locations of ground faults in distribution lines be found early and defects be repaired as soon as possible. Therefore, a unit for recording the waveform I₀ of ground fault's current and the waveform V₀ of its voltage is installed in distribution substations. The establishment of a technology to distinguish fault causes automatically is being hastened. This paper presents a new classification method for ground fault waveforms, based on phase-plane trajectories for the current or voltage and their differential values. Examinations of ground fault waveforms based on real data show that the waveform of current I₀ is more suitable than that of voltage V₀ for the classification of waveforms at ground faults and that the trajectory of each of the three types of waveforms, such as sine waves, trapezoidal waves, and spikes, has all of the characteristics in its figure. It is also found from the distribution of 167 sampling points on the phase plane that any waveforms at a real ground fault may be classified into three characteristic point distributions, which gives the possibility of easy display for the classification of ground fault causes. © 1998 Scripta Technica. Electr Eng Jpn, 122(1): 8–16, 1998     

Development of fault cause estimation method for distribution line

We are planning to develop the new Advanced Distribution Automation System (ADAS) equipped with optical communication network and sectionalizer with sensor for more grid reliability and efficiency on maintenance operation. The new system is featured with the function of fault cause or damaged part estimation. The new sectionalizer captures the waveform of electrical line surge originated by fault and the system analyzes the waveform for this function. This paper mainly introduces the system configuration of ADAS and an early stage examination of fault cause estimation technology.     

大型汽轮发电机定子单相接地故障定位新方法

发电机定子绕组单相接地故障定位能扩展目前定子接地保护的功能,为快速检修故障提供依据。分析了大型汽轮发电机的电动势分布特征,推导了定子绕组电势与故障位置的关系,给出了新的定子绕组电势表达式。分析了定子绕组单相接地故障时零序电压、三相电压的幅值变化特征,推导了三相电压幅值变化与故障位置和接地电阻的关系。在此基础上,提出了一种综合利用零序电压和三相电压幅值特征的定子绕组单相接地故障定位新原理。理论分析和仿真计算表明:应用本方法能可靠识别故障位置,且该方法不受中性点接地方式的影响。该方案仅需要零序电压和机端三相电压,简单易行,不需增加额外设备,适用于高阻接地故障,仿真数据验证了算法的可行性。     

并阻尼谐振接地系统对地参数测量与高阻故障选线新方法

针对谐振接地系统对地参数测量不准确以及高阻接地故障选线困难的问题,提出了并阻尼谐振接地系统对地参数测量与高阻故障选线新方法。基于消弧线圈并联阻尼电阻的投切特性,利用投切阻尼电阻前后零序电压幅值与相位的变化关系,测量系统对地电导与电容参数。在系统正常运行时,通过调整并联阻尼电阻值大小,测量各馈线零序导纳值。在发生接地故障后退出阻尼电阻,测量故障后各馈线零序导纳值,可消除系统参数不对称、互感器采样不同步的影响,主动构造故障前后各馈线的零序导纳相角差,实现故障线路的准确判别。在PSCAD仿真环境下对所提方法进行验证,结果表明：所提方法能够精确测量对地电导与电容参数,测量相对误差不高于0.6%;在不同馈线、不同过渡电阻下发生接地故障时,能准确判别故障线路,耐过渡电阻能力达10 kΩ。     

基于柔性接地装置的不对称配电网接地故障选相选线方法

配电网高阻接地故障选相和选线一般较为困难。为解决这两个问题,提出了一种基于柔性接地装置的不对称配电网接地故障选相选线方法。首先详细分析各馈线零序电流在中性点零序电压调控前后的变化情况。利用不同调控状态下故障与健全馈线零序等值导纳的离散程度来辨识故障馈线,得出故障馈线辨识函数并构造了选线判据。其次,根据分相调控过程中馈线零序等值导纳与故障前馈线对地导纳差值的相角关系进行故障相判别,得出故障选相函数并构造了选相判据。理论分析和PSCAD/EMTDC仿真实验表明：配电网三相对地导纳不对称情况对所提方法并无影响,低、高阻接地故障时均有较高灵敏度,故障选相与选线结果准确,且选相和选线方法得到有效结合。     

注入式定子单相接地保护的应用分析

注入式定子接地保护能单独实现发电机定子 1 0 0 %绕组的保护。在考虑注入电源内阻的基础上 ,通过对故障电流的详细分析 ,扩展定子接地保护中电流突变量的概念 ,采用更加有效的保护动作分量 ,提高了保护灵敏度     

T型同杆四回线线路故障选线新方法

对由同杆四回线与同杆双回线构成的T型同杆四回线的故障选线进行了研究,提出一种先判断故障侧并识别故障侧支路的故障选线方法。首先对同杆四回线电路部分进行解耦,分别得到两端的反序电流之间的关系。基于此电流关系判断出故障侧,从而可以迅速确定故障发生的区域。在此基础上,引入正序电压差参数,实现对故障线路的进一步的选线。理论分析及EMTP仿真验证了所提方法的正确性,且选线精度高。     

基于柔性调控零序电压的不平衡配电网故障检测方法

柔性消弧过程中实现故障选线、过渡电阻测量与故障性质判定对现有配电网单相接地故障检测具有重要意义。针对配电网三相对地参数不对称的柔性接地系统,首先分析不平衡零序电压对消弧效果的影响,提出柔性消弧全补偿电流的计算方法。然后分析正常运行状态下和单相接地故障状态下注入电流和母线零序电压之间的约束关系。结果表明：无论系统处于何种状态,均可通过改变注入电流来柔性调控母线零序电压,进而调控各线路零序电流。并根据柔性调控零序电压前后各线路零序电流的变化规律,提出一种可实现故障选线、过渡电阻测量和故障性质判定的故障检测方法。Matlab/Simulink仿真验证了该方法的有效性和准确性。     

Analysis of ground fault current distribution along nonuniform multi-section lines

In case of a substation supplied by a combined overhead-cable line, most of the ground fault current flows through the cable sheaths and discharges into the soil surrounding the point of discontinuity, where cables are connected to the overhead line. In the paper a new method is presented for computing the ground fault current distribution in case of feeding line consisting of two or more different sections, i.e. part overhead and part underground cable. Besides the calculation of the earth current at the fault location, the leakage current at the transit/transition stations as well as at the overhead line towers can be evaluated, in order to ensure proper safety conditions. Based on the two-port theory, the method allows to take into account all the relevant conductively and inductively coupled parameters which take part to the fault current distribution. A computer program based on the proposed method has been developed and some application examples are reported.     

基于接地故障比的不平衡配电网单相接地故障选相方法

为了解决传统故障选相方法可能因配电网不平衡度高或者高故障接地电阻而失效的问题,提出了一种基于接地故障比的不平衡配电网单相接地故障选相方法。首先建立了发生A相单相接地故障后接地故障比幅值和相位的解析表达式,通过将两个表达式对接地电导进行求导,并进行不同参数下的单调性分析,最终确定了发生A相SLG故障时零序电压幅值和相位的变化规律。然后将两种变化规律进行了整合,提出基于幅值和相位综合变化规律的故障选相方法。此外,还将A相的变化规律推广到B、C两相,并分析了欠补偿、过补偿和全补偿接地条件对所提方法的影响。最后通过Matlab仿真验证了零序电压变化规律和所提故障选相方法的有效性。仿真结果表明：在阻尼率为5%、三相不对称度为4.5%的4种工况下,传统故障选相方法均会失效,而所提方法能够保证故障选相的正确性。     

一种基于频率整合法的配电网单相接地故障测距技术

我国中压配电网绝大多数采用中性点非有效接地运行方式,故障类型以单相接地为主。文章首先对配网的单相接地故障过程进行了详细分析,理论上分析了基于故障暂态信号频率进行故障测距的可行性。为了提高测距的可靠性和灵敏性,利用prony算法对故障暂态零序电流信号进行了提取整合,提出了基于频率整合法的单端故障测距方法。最后通过PSCAD/EMTDC软件搭建了仿真线路模型,利用MATLAB进行数据分析和算法仿真,结果验证了文章的测距方法具有较理想的测距效果。     

基于权重修正D-S理论多判据融合的含新能源低压配网中性线断线判别方法

中性线断线故障的识别与定位对低压配电网的故障诊断有重要作用。但传统基于电流或电压故障特征量的断线检测方法会因负载的波动和其不平衡度的大小而导致漏判误判,并且随着大规模分布式新能源的接入,故障特征随着低压配电网拓扑结构的改变而改变,传统故障识别判据不再精确有效。为此,在考虑新能源接入的情况下提出了一种基于权重修正D-S理论多判据融合的中性线断线检测方法。根据中性线断线故障特性的分析结果,分别对基于中性线电流和三次谐波电流变化的电流故障特征判据以及基于中性点偏移电压的电压故障特征判据进行改进,修正新能源接入对多种判据带来的影响。最后基于动态临近历史数据的判断结果,采用权重修正D-S 证据理论将改进电流、电压多个判据信息进行融合,形成中性线断线故障综合判据。该方法能够提高对不同场景的适应度,并解决传统检测带来的误判问题。仿真结果验证了该方案的有效性。     

一种快速的配电网单相接地故障时域测距方法

配电网故障测距技术是保证配电系统安全可靠运行的关键技术。为了及时有效地确定故障位置,研究了一种快速的配电网单相接地故障时域测距方法。首先建立配电线路的单相接地故障等效模型,分析了故障点分别与母线侧和负荷侧故障信息的关系,并建立时域测距方程。然后通过对特定时刻下的线路参数进行分析,简化计算过程,实现快速故障测距。最后利用Matlab对所提方法进行仿真,验证其可行性和有效性。实验表明,所提方法用时较短,具有较高的精度,且不受故障电阻影响,为配电网的单相接地故障测距提供了一种新的思路。     

基于电压故障分量的超高压线路故障选相新方法

针对目前超高压线路中所用选相方法不能快速准确地识别所有故障类型的问题,提出一种基于电压故障分量和卡尔曼滤波算法的新型选相方法。该方法定义每相电压故障分量和其余两相电压故障分量差值的比值为故障相识别系数。通过研究该系数在不同故障条件下的变化特征,可实现快速选相的目的。仿真结果表明,在高压线路故障中利用卡尔曼滤波算法提取基波相量速度快、准确率高。同时该选相算法受过渡电阻、故障位置、故障初相角的影响很小,在半周波内可准确选出故障相,且在强弱电源侧均具有较高的选相灵敏度。     

基于双层负序差值与负序测距的风电场集电线不对称故障定位

针对风电场集电线上复杂电源密集接入使得现有定位方法应用困难的问题,提出一种基于双层负序差值与负序测距的风电场集电线故障定位方案。首先,深入分析风机故障电流特性,从负序分量出发实现风机建模,同时计及风电场结构特点对其负序网络实施等效。然后,引入故障模拟策略,通过负序电压差值表征模拟故障与实际故障的差异以识别故障区域第一节点,进一步探究从实际故障场景到特定模拟故障场景的负序电压变化趋势,并定义负序电压比消除故障点电流影响,由此提出负序电压比差值判据以实现故障区域第二节点识别。最后,针对故障区域利用双端负序量推导测距公式确定故障位置。PSCAD/EMTDC验证表明,所提方案能够以较少测点计及含线路分支集电线的适用性准确定位集电线各类不对称故障,且定位效果不受故障位置、过渡电阻、风机、风速分布及相量不同步等因素影响。     

基于Hilbert-Huang变换的HVDC突变量方向纵联保护方法

高压直流输电线路的行波保护存在对装置采样率要求高及耐受过渡电阻能力差等问题。作为后备保护的纵联电流差动保护,为了防止线路分布电容等问题导致的误动,失去了速动性的优点,动作时间较长。利用HVDC线路发生区内外故障时,两端保护装置检测的电压和电流突变量的极性差异,提出基于Hilbert-Huang变换的突变量方向纵联保护方法。在分析不同故障时电压和电流突变量相位差别的基础上,采用Hilbert-Huang变换求取突变量相位差,识别两者的极性差异,进而判断故障发生的方向。基于PSCAD/EMTDC搭建了高压直流输电仿真模型,仿真结果表明,所提方法在各种故障情况下都能够实现保护的快速识别,可靠性高,且受过渡电阻的影响较小。     

10kV配电线路单相接地故障定位新方法的研究和应用

提出了一种简捷实用的接地故障定位新方法,并根据该原理研制了配电线路单相接地故障巡查设备。实际应用情况表明,该设备可以快速定位接地故障点,尤其可以对一些外部特征不明显的隐蔽接地故障点进行快速定位。     

配电网单相接地故障的柔性熄弧装置

现有柔性熄弧方法仅利用有源逆变器控制故障点电压为零,熄弧电源容量高达50 kVA,且体积较大。针对这一问题,在电压熄弧的基础上,提出了功率源转换与有源逆变器结合的柔性熄弧方法。在配电网发生单相接地故障时,通过功率源转换将中性点电压反相钳位到接近于故障相电源电压,偏差电压的幅值和相位通过有源逆变器进行精确补偿,使故障点电压远小于熄弧电压,实现快速熄弧。在利用Matlab/Simulink对传统消弧线圈的仿真基础上,仿真了仅投功率源转换、功率源转换结合有源逆变器的柔性熄弧方法在各工况下的运行特性。通过10 kV真型配网实验场,验证了该方法的有效性。结果表明该柔性熄弧装置可以有效降低故障点电压,实现快速熄弧,大大降低有源逆变器的容量。     

A new fault location method for distribution networks using sparse measurements

In response to the growing demand to improve reliability and quality of power supply, distributed monitoring devices are gradually being implemented in distribution networks. On the other hand, utilities are demanding more accurate and reliable fault location systems to reduce the economic impact of power outages. This paper presents a novel method that takes full advantage of all available measurements to provide an accurate fault location. The developed method first uses an iterative state estimation based algorithm to find the nearest node to the fault location. It then examines all lines connected to the selected node and locates the fault. The performance of the proposed method is studied by simulation tests on a real 13.8 kV, 134-node distribution system under different fault scenarios. The results verify the accuracy of the algorithm and its robustness even under uncertain measured data. The method robustly handles measurement errors, and is applicable to any distribution network with laterals, load taps and heterogeneous lines.     

基于磁场测量的配电网单相接地选线及定位新方法

输电线路发生接地故障时,架空线下方磁场能反映线路故障信息。输电线路短路电流大小不同,线路下方磁场相应地不同,即输电线路下方磁场的变化能够完全反映线路中电流的变化,磁场可以应用到电力系统保护中。配电网多为单端电源供电方式,针对配电网的复杂性及传统定位方法精度不高提出了一种基于磁场的非接触式故障选线及定位的新方法。利用磁阻传感器非接触测量杆塔下方磁场,根据磁场的幅值和相位选出故障线路,确定故障点位置。磁阻传感器测量精度高,成本低,故障距离可以确定在两个杆塔之间。利用MATLAB建立线路模型,仿真验证了理论的可行性。