带并联电抗器的超高压输电线路自适应三相重合闸判定方法

摘要

本发明公开了一种带并联电抗器的超高压输电线路自适应三相重合闸判定方法，采用线路残余电压模分量幅值作为判据，在输电线路两侧断路器重合之前能够准确地判断出故障性质，分别实现瞬时性故障时重合闸快速动作及永久性故障时重合闸闭锁。本发明与现有技术相比，首先避免了由于断路器三相重合于永久性故障而对电气设备造成的二次冲击及对系统稳定的威胁；其次可以加速瞬时性故障时的合闸时间，有利于系统的稳定性和供电的持续性；最后，不用附加任何装置，只需利用微机保护装置对线路端电压的采样数据进行处理即可，不影响保护的动作时间，算法简单。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统中输电线路的自动重合闸控制方法，特别是涉及了一种输电线路自适应三相重合闸故障性质(永久性故障或瞬时性故障)判定的实现方法。

背景技术

架空线路上发生的故障大多是瞬时性的，在故障点熄弧后重合线路跳开相即可恢复系统的正常运行，因此，为保障电力系统能够持续稳定供电，自动重合闸技术在高压电网中广泛应用。当前的自动重合闸装置分为针对单相故障、单相跳闸、单相重合的单相重合闸和针对多相故障、三相跳闸、三相重合的三相重合闸两类，但是，不论哪种方式，在重合之前都不检测线路中发生瞬时性故障还是永久性故障，仅仅是在线路两侧跳开后经过一定延时即进行重合，一旦重合于永久性故障，不仅不能恢复系统的正常供电，而且因再次重合于故障所导致的对电气设备的二次冲击，将超过正常运行状态下发生短路时的危害，同时，还可能破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至瓦解。为了解决上述盲目重合造成的危害，业界一直在寻求避免重合于永久性故障的方法，目前，在单相重合闸方面，已有在重合之前能够对故障性质出判断并选择是否重合的自适应重合闸的实用技术。

运行经验表明，两相和三相短路约占输电线路故障的20％～30％，虽然比例较小，但是三相重合于永久性故障比单相重合于永久性故障时造成的冲击更大，危害也更严重。因此，在重合之前对故障性质进行判定的需求更加迫切。但是，由于三相跳闸之后线路中可提取的信息甚少，使得三相自适应重合闸的研究难度较大，至今还没有可以实际应用的方法出现。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的提出了一种带并联电抗器的超高压输电线路自适应三相重合闸判定方法，采用线路残余电压模分量幅值作为判据，在输电线路两侧断路器重合之前能够准确地判断出故障性质，分别实现瞬时性故障时重合闸快速动作及永久性故障时重合闸闭锁，从而保证系统供电的持续性和稳定性，避免三相重合于永久性故障对电气设备造成的损坏。

本发明提出了一种带并联电抗器的超高压输电线路自适应三相重合闸判定方法，通过检测线路三相跳开后残余电压中差模电压的幅值并与整定值进行比较，实现三相重合闸的自适应动作评定，该方法包括以下步骤：

判断线路两侧是否发生三相跳闸；

三相跳闸后，判断为三相故障，还是两相故障：

如果是三相故障，取线路一侧的三相电压瞬时值U_A、U_B、U_C，求出α、β模电压U_α、U_β的瞬时值：

U_α＝U_A-U_B，U_β＝U_A-U_C：

以α和β模电压的频率f_D为基波频率，计算公式如下：

${\omega }_D=\sqrt{\frac{2}{C_1{L}_1}}=\omega ·\sqrt{K_{\mathrm{SR}}}$

K_SR为并联电抗器补偿度，ω为工频角频率，对应基波频率为$f_D=\frac{1}{2\pi }{\omega }_D;$

用全波傅氏算法求出α和β模电压的幅值，并求其最大值|U_D|：

|U_D|＝max{|U_A-U_B|，|U_A-U_C|}

将|U_D|与整定值|U_DZ|作比较，如果|U_D|能够在重合设定时间内持续大于或等于整定值|U_DZ|持续1/8～1/4个工频周波，则判定为瞬时性故障，经一定延时后发送三相合闸命令；

将|U_D|与整定值|U_DZ|作比较，如果在重合闸设定时间内，|U_D|始终不能满足大于整定值持续1/8～1/4个工频周波，则判定为永久性故障，闭锁三相重合闸；

如果是两相故障，取线路一侧的两故障相电压瞬时值，并求出两相电压之差；

以α和β模电压的频率为基波频率f_D，计算公式为：

${\omega }_D=\sqrt{\frac{2}{C_1{L}_1}}=\omega ·\sqrt{K_{\mathrm{SR}}},$

用全波傅氏算法求出两相中各相电压差中衰减周期分量的幅值|U_D|，|U_D|＝|U_A-U_B|，与整定值|U_DZ|作比较，如果幅值|U_D|能够在重合闸设定时间内持续大于整定值|U_DZ|1/8～1/4个工频周波，则判定为瞬时性故障，经一定延时后发送三相合闸命令；如果在设定时间内，幅值|U_D|始终不能大于整定值1/8～1/4个工频周波，则判定为永久性故障，闭锁三相重合闸。

根据超高压输电线路上的重合闸要求，一般500kV输电线路重合闸设定时间为1S左右。

本发明与现有技术相比，该方法的有益效果是：首先，本发明避免了由于断路器三相重合于永久性故障而对电气设备造成的二次冲击及对系统稳定的威胁；其次，本发明可以加速合闸时间，当判定为瞬时性故障后，可以从判定时刻起附加一定短延时的方式进行重合而不必等重合闸事先设定的固定延时再去重合(为了保证故障点的熄弧，此延时通常较大)，这样可以最大限度的保证线路供电的持续性，同时对系统的稳定性也非常有利；最后，本发明不用附加任何装置，只需利用微机保护装置对线路端电压的采样数据进行处理即可，不影响保护的动作时间，算法简单。

附图说明

图1为本发明提出的三相自适应重合闸实现流程示意图。

图2为瞬时性三相故障时线路集中参数等效模型。

图3为永久性三相故障时线路集中参数等效模型。

具体实施方式

本发明提供一种带并联电抗器超高压输电线路自适应三相重合闸故障性质的判定方法，更直接的是要在超高压输电线路三相重合闸前判断所发生的是瞬时性故障，还是永久性故障。本发明通过检测线路三相跳开后残余电压中差模电压的幅值并与整定值进行比较，从而实现三相重合闸的自适应动作。

其判据流程如图1所示：首先，线路上发生多相故障使得线路两侧断路器三相跳闸，判断线路两侧是否发生三相跳闸，如果是三相故障(包括相间和接地)，取线路一侧的三相电压瞬时值并求出α、β模电压的瞬时值(u_α＝u_A-u_B，u_β＝u_A-u_C)，然后以α和β模电压的频率(两个模电压频率相同，可根据线路参数算得)为基波频率f_D，用全波傅氏算法求出三相中各相电压差中衰减周期分量的幅值|U_α|、|U_β|、，选取三者中的最大者|U_D|，与整定值|U_DZ|作比较，如果其能够从某一时刻起在1/8～1/4个工频周波内持续大于整定值，则判定为瞬时性故障，经一定延时后发三相合闸命令；如果在设定的重合时间内|U_D|始终不能大于整定值，则判定为永久性故障，闭锁三相重合闸。

线路上发生多相故障使得线路两侧断路器三相跳闸，判断线路两侧是否发生三相跳闸，如果是两相故障(包括相间和接地)，取线路一侧的两故障相电压瞬时值并求出两相电压之差，然后以α和β模电压的频率为基波频率f_D，用全波傅氏算法求出两相中各相电压差中衰减周期分量的幅值|U_D|，与整定值|U_DZ|作比较，如果幅值|U_D|能够从某一时刻起在一定时间(1/8～1/4个工频周波)内持续大于整定值|U_DZ|，则判定为瞬时性故障，保护经一定延时后发三相合闸命令；如果在设定时间内其始终不能大于整定值，则判定为永久性故障，闭锁三相重合闸。

本发明被保护的动作方程和动作判据给出如下：

α、β模电压的角频率：${\omega }_D=\sqrt{\frac{2}{C_1{L}_1}}=\omega ·\sqrt{K_{\mathrm{SR}}}---\left(1\right)$

K_SR为并联电抗器补偿度，ω为工频角频率，对应基波频率为$f_D=\frac{1}{2\pi }{\omega }_D.$

三相相间及三相接地故障：|U_D|＝max{|u_A-u_B|，|u_A-u_C|}              (2)

两相相间及两相接地故障(假设为AB相)：|U_D|＝|U_A-U_B|                (3)

瞬时性故障判据：|U_D|≥U_DZ                                        (4)

下面通过具体实施例更进一步地说明本发明三相自适应重合闸瞬时性故障判定技术方案。

(一).三相瞬时性故障时的残余电压特性

假设线路中发生瞬时性三相相间短路故障，线路两侧断路器跳闸后，故障点经过一段时间熄弧。采用T形等效，故障点熄弧后跳开线路集中参数等效模型如图2所示。线路分布电容等效为线路中点的相间电容C_m和对地电容C₀，两侧并联电抗器和中性点小电抗等效为相间电抗L_m Lm和对地电抗L_g，线路的自阻抗均分于等效电容两侧。

综合考虑故障点熄弧后线路分布电容及两端并联电抗器的储能，对以上线路等效模型采用复频域分析，使用节点电压法，针对线路m端、中点和n端的三相残余电压共九个量进行求解；忽略线路阻抗的影响后，近似认为每相中沿线各点电压相等，使方程变量简化为三个相电压；通过凯伦贝尔变换对方程组进行解耦，分别对变换后的三个模电压进行求解，并进行拉普拉斯反变换求得m侧残余电压各模量的时域解如下：

1.零模电压为三相电压之和(U_A+U_R+U_C)，由上式求得其角频率为：

${\omega }_0=\sqrt{\frac{2}{C_1{L}_0}}=\omega ·\sqrt{K_{\mathrm{SR}0}}---\left(5\right)$

C₀为线路全长的零序电容，L₀为并联电抗器电抗，K_SR0为并联电抗器及中性点小电抗对线路零序电容(对地电容)的补偿度，ω为工频角频率。

可以看出，零模电压是由并联电抗器的等效对地电感(即零序电感)和线路的等效对地电容(即零序电容)耦合产生的，与并联电抗器的等效相间电感和线路的等效相间电容无关，因此故障点位置对其没有影响。综合考虑线路阻抗对储能的衰减作用，它是一个频率为f₀的衰减周期分量。由于故障时刻和跳闸时刻决定了线路电容和并联电抗器的储能，因此衰减周期分量的初始幅值大小取决于故障时刻和跳闸时刻。由于线路电阻很小，因此其衰间时间常数较大，衰减速度较慢。

2.α和β模电压分别为两相电压之差(u_A-u_B、u_A-u_C)考虑线路阻抗对储能的衰减作用，他们是同一频率的衰减周期分量，角频率为：

${\omega }_D=\sqrt{\frac{2}{C_1{L}_1}}=\omega ·\sqrt{K_{\mathrm{SR}}}---\left(6\right)$

上式中，C₁为线路全长的正序电容，L₁为并联电抗器电抗，K_SR为并联电抗器补偿度。

可以看出，α和β模电压由并联电抗器的正序电抗和线路的正序电容耦合产生。由于线路电阻较小，因此其衰减时间常数较大，衰减速度较慢。

对于瞬时性三相接地故障，因为三相线路在故障点与大地可靠连接，所以零模电压为零，α和β模电压不受接地影响。

(二).三相永久性故障时的残余电压特性

假设线路中发生ABC三相相间短路故障，故障点始终存在。线路两侧各相断路器跳闸后，其集中参数等效模型如图3所示。故障点距线路左侧保护安装点距离与线路全长之比为x，故障点左右两侧线路都采用T型等效。线路分布电容可等效为故障点左侧线路中点的相间电容xC_m和对地电容xC₀及故障点右侧线路中点的相间电容和对地电容(1-x)C₀，两段线路的自阻抗均分于等效电容两侧。

由于线路阻抗远小于分布电容和并联电抗器感抗，故在下面的分析过程中求取各衰减周期分量的频率时，忽略线路阻抗的影响，近似认为每相中沿线各点电压相等。因为故障点可靠连接，故三相电压也相等(U_A＝U_B＝U_C)，此时线路等效相间电容和并联电抗器等效相间电感均被故障点短接。采用复频域分析并对线路电压进行求解，公式如下：

$\left(\begin{array}{c}{U}_0\left(S\right)=[U_{0\Sigma }(0-)C_{0\Sigma }{L}_{0}S+i_{0\Sigma }(0-)L_0]/C_0{L}_0{S}^2+2\\ U_{\alpha }\left(S\right)=0\\ U_{\beta }\left(S\right)=0\end{array}\right)---\left(7\right)$

线路上暂态残余电压中的零模电压与瞬时性故障时相同。可以认为零模电压的含量与故障点是否熄弧及熄弧时刻无关，既零模电压不会因故障性质而发生变化，且与故障点位置无关。由于线路残余电压的各相电压相等，因此永久性故障情况下α、β模分量均为零。

对于永久性三相接地故障，因为三相线路在故障点与大地可靠连接，所以，零模电压为零。

两相故障(包括相间和接地)时，其分析方法与三相故障时相同，结果表明，不同故障性质下，线路残余电压的α和β模电压的特征与三相故障时是相同的，通过求两故障相端电压之差可以看出，瞬时性故障时其幅值很大，永久性故障时其幅值为零。

(三).三相重合闸模分量幅值判据的提出

当线路中发生瞬时性三相故障，故障点熄弧后，三相残余电压中的α、β模电压频率为f_D的衰减周期分量，其幅值很大，衰减较慢，可以通过求两相电压之差来检测。而永久性故障时α、β模电压为零，两相电压之差中仅含有衰减很快的高频分量，。因此，我们可以通过检测线路中两相端电压之差中频率为f_D的衰减周期分量的幅值大小判断线路中发生了瞬时性故障还是永久性故障。

三相(包括相间和接地)瞬时性故障时，故障点熄弧后，u_α和u_β的幅值是不一样的，其大小与故障时刻、跳闸时刻和熄弧时刻都有关系，但二者不会同时为零或很小；而永久性故障时二者都为零。因此，我们可以用二者中幅值最大者作为自适应三相重合闸的模电压幅值判据：

|u_D|≥U_DZ

|u_D|＝max{|u_A-u_B|，|u_A-u_C|}                         (8)

两相(包括相间和接地)瞬时性故障时，故障点熄弧后，两故障相电压之差的幅值很大；而永久性故障时两故障相电压之差的幅值为零。因此，我们用两故障相电压之差的幅值作为自适应三相重合闸的模电压幅值判据(以AB相故障为例)：

|u_D|≥U_DZ

|u_D|＝|u_A-u_B|                            (9)

由于本判据实际上是区分某一衰减周期分量的“有”与“无”，因此，整定值只要考虑硬件装置足够的分辨率和抗干扰特性即可。实际应用此判据时，由于f_D可以根据线路参数求得，我们可以使用基波频率为f_D的全波傅立叶算法来求取衰减周期分量的幅值。

以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的系统及方法的限制，本发明的保护范围以权利要求为准。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。