基于故障点电压的输电线路单相自适应重合闸实现方法

摘要

本发明属于电力系统输电线路继电保护领域，涉及一种基于故障点电压的单相自适应重合闸故障性质判断方法：实时采集输电线路一侧的各相电压和电流值；故障测距；实时计算当前实际的故障点电压；求出线路两端的健全相电流和故障相电压，再利用此结果和故障测距结果求出故障点的近似开路电压，并求取整定压；将故障点电压与整定电压作比较，若在单相跳闸后的设定时间段内，故障点电压值能够持续大于整定值，则判定为瞬时性故障，保护经一定延时后发重合命令；若在设定时间段内始终不能大于整定值，则判定为永久性故障，保护将线路三相跳开并不再重合。本发明能够保证系统供电的持续性和稳定性，避免单相重合于永久性故障对电气设备造成的损坏。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统输电线路继电保护领域，具体涉及一种电力系统输电线路自动重合闸实现方法。

背景技术

高压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。然而当前实际应用的自动重合闸装置都是在断路器跳闸后盲目进行重合的，不能进行瞬时性故障和永久性故障的判断。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损害，甚至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，造成大面积停电。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，因此，能够对故障性质进行判断并选择重合的自适应重合闸受到广泛关注。运行经验表明，在超高压电力线路发生的各类故障中，单相接地故障约占70％～80％，研究单相自适应重合闸装置具有重大的实际意义。

单相自适应自动重合闸装置的主要任务就是利用线路跳闸后的信息，对故障性质进行有效识别，判断结果如果是瞬时性故障，即可进行重合，如果是永久性故障则跳开三相并闭锁重合。这样就避免了传统单相自动重合闸在重合时的盲目性，保证了在各种故障性质下电网的可靠性和稳定性。

单相自适应重合闸技术发展十几年来，取得了许多理论成果，其中典型的有电压幅值判据等。这些判据都是使用线路跳开相端电压进行故障性质的判断，一般适用于解决无并联电抗器补偿线路的单相自适应重合问题。而对于重负荷长距离输电线路，线路互感电压很大，造成误判的几率就会很大；对于带并联电抗器补偿的线路，并联电抗器的补偿效果使得故障相恢复电压很小，因此电压判据也存在误判的可能；在故障点经过渡电阻接地时，也可能会造成误判。为此需要研究发明更加全面可靠适应范围更广的单相自适应重合闸故障性质判断方法。

发明内容

本发明克服现有单相自适应重合闸技术的缺陷，提出一种能够确保输电线路两侧断路器重合之前能够准确的判断出故障性质，实现瞬时性故障时重合闸快速动作，永久性故障时重合闸闭锁的输电线路自动重合闸，从而保证系统供电的持续性和稳定性，避免单相重合于永久性故障对电气设备造成的损坏。本发明采用如下的技术方案：

一种基于故障点电压的输电线路单相自适应重合闸实现方法，在输电线路发生单相故障使得线路两侧断路器单相跳闸后，执行下列步骤：

(1)实时采集输电线路一侧的各相电压和电流值；

(2)故障测距；

(3)应用均匀传输线方程实时计算当前实际的故障点电压；

(4)根据线路健全相两端电压值和故障相两端电流值，利用线路全长均匀传输线方程求出线路两端的健全相电流和故障相电压，再利用此结果和故障测距结果求出故障点的近似开路电压；

(5)将所述的近似开路电压乘以最大过渡电阻的分压系数及可靠系数，求得实时整定电压；

(6)将故障点电压与整定电压作比较，若在单相跳闸后的设定时间段内，故障点电压值能够持续大于整定值，则判定为瞬时性故障，保护经一定延时后发重合命令；若在设定时间段内始终不能大于整定值，则判定为永久性故障，保护将线路三相跳开并不再重合。

上述的基于故障点电压的输电线路单相自适应重合闸实现方法，步骤(6)中，设定时间段的大小可以在1/8～1/4个工频周波之间。

本发明解决了自动重合闸盲目重合的缺陷，实现了瞬时性故障和永久性故障的可靠识别。与现有技术相比，本方法适用范围广，可以应用于各种线路长度和负载情况，并且不受线路是否带并联电抗器的限制，考虑了过渡电阻的影响，使重合闸功能得到了最大程度的发挥，最大限度的保障了电网供电的稳定性和可靠性，避免了单相重合于永久性故障对电气设备造成的损坏。

附图说明

图1为线路单相经过渡电阻接地故障集中参数等效网络(忽略线路阻抗)。

图2为经过渡电阻接地故障从故障点处看入的戴维南等效电路。

最佳实施方式

本发明通过对线路故障点电压进行求取并与整定值比较，可靠区分输电线路的故障性质，实现单相重合闸的自适应动作。其具体实现步骤如下：第一步，求取故障点电压。输电线路上发生单相故障使得线路两侧断路器单相跳闸后，首先根据线路一侧的实时电压电流采样值和故障测距结果，应用均匀传输线方程实时计算当前实际的故障点电压；第二步，确定实时整定值。根据线路健全相两端电压和故障相两端电流(此时为零)，用线路全长均匀传输线方程求出线路两端的健全相电流和故障相电压，再利用此结果和故障测距结果求出故障点的近似开路电压并乘以最大过渡电阻的分压系数及一定的可靠系数作为实时整定电压。第三步，判断故障性质。将故障点电压与整定电压作比较，如果能够从某一时刻起在一定时间内持续大于整定值，则判定为瞬时性故障，保护经一定延时后发重合命令；如果在设定时间内(设定时间的大小可在1/8～1/4个工频周波之间)，始终不能大于整定值，则判定为永久性故障，保护将线路三相跳开并不再重合。

本发明被保护的动作方程和动作判据给出如下：

$\left|{\stackrel{·}{U}}_f\right|<U_{\mathrm{DZ}}---\left(1\right)$

$U_{\mathrm{DZ}}=k_k·k_R·\left|{\stackrel{·}{U}}_{f·\mathrm{open}}\right|---\left(2\right)$

下面首先说明本发明的故障判据提出的依据，再结合具体实施例更进一步地说明本发明的单相自适应重合闸永久性故障判定技术方案。

(一).单相重合闸故障点电压幅值判据的提出

假设线路中发生永久性单相接地故障，若过渡电阻为零，则故障点电压为零；而如果线路中发生瞬时性故障，熄弧后故障点电压较高，因此可用故障点电压有效的区分永久性和瞬时性单相接地故障。

当线路中发生带有过渡电阻的永久性单相接地故障时，故障点电压会随过渡电阻的增大而增大；在线路带有负载的情况下，不同的故障位置其故障点电压也有很大不同。因此，需要针对不同的线路运行情况和故障情况选择合适的动作电压，以确保判据足够的灵敏度和可靠性。下面通过分析各种故障类型下永久性故障和瞬时性故障时故障点电压之间的关系来提出故障性质的判断方法。

对于永久性单相接地故障，经过渡电阻接地后的等效网络如图1，在故障相两端断路器跳开后，可以视为故障点和地之间的等效网络，内部系统等效为电压源和阻抗的串联，等效电路如图2所示。

等效电压源大小为故障点接地支路的开路电压，即为瞬时性故障时的故障点电压。

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{eq}}={\stackrel{·}{U}}_{f·\mathrm{open}}---\left(3\right)$

等效阻抗为把系统内部电压源置为零时从故障点看入的等值对地阻抗。故障相两侧断路器跳开后，故障相与健全相之间通过线间电容和互感联系，由于线路的容抗远大于阻抗，忽略线路阻抗后，等值对地阻抗为一恒定值，可以用跳开相的等值对地容抗来代替。各种类型故障时，跳开相在故障点处的等值对地阻抗Z_eq计算公式如下：

$Z_{\mathrm{eq}}=Y_{\mathrm{eq}}^{-1}---\left(4\right)$

            Y_eq＝Y_s                  (5)

即故障点处的等效导纳为故障线路的自导纳。

永久性故障经过渡电阻接地时故障点电压和内部等效电压源之间满足：

${\stackrel{·}{U}}_f^{\prime }=\frac{R_g}{R_g+Z_{\mathrm{eq}}}{\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{eq}}---\left(6\right)$

k_R∠θ为故障过渡电阻的分压系数。

$k_R=\frac{R_g}{\sqrt{{R^2}_g+{Z^2}_{\mathrm{eq}}}},\theta =\arg \left(\frac{R_g}{R_g-j{Z}_{\mathrm{eq}}}\right)---\left(7\right)$

由以上推导可知，如果已知当前故障情况下故障点接地支路的开路电压，就可求得永久性故障时故障点等效网络的内部等效电压源电压，由式(6)可以算出永久性故障经过渡电阻接地时故障点的电压如下：

线路中发生单相接地故障后，由线路端电压和电流可算得实际故障点电压取过渡电阻最大的情况(500kV电压等级取300Ω)下的故障点电压作为整定值，可以准确的判定带过渡电阻的永久性故障。给出判据如下：

$\left|{\stackrel{·}{U}}_f\right|<U_{\mathrm{DZ}}---\left(9\right)$

$U_{\mathrm{DZ}}=k_k·k_R·\left|{\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{tran}}\right|---\left(10\right)$

k_k为可靠系数，可取1.1～1.3。

(二).故障点电压的求取方法

不论单相瞬时性故障还是永久性故障，都可以通过以下方法进行故障点电压的求取。

首先通过相模变换，把保护中各相端电压和电流相量变为模量。为计算方便，这里采用Karranbauer变换，变换矩阵如下：

$S=\frac{1}{3}\left(\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -1& 0\\ 1& 0& -1\end{array}\right)$$S^{-1}=\frac{1}{3}\left(\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -2& 1\\ 1& 0& -2\end{array}\right)$

${\stackrel{·}{U}}_{0\mathrm{\alpha \beta }}={S\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{ABC}}---\left(11\right)$

${\stackrel{·}{I}}_{0\mathrm{\alpha \beta }}=S{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{ABC}}---\left(12\right)$

阻抗矩阵变换如下：

            Z_0αβ＝S^-1Z_ABCS                    (13)

变换后，阻抗矩阵完全解耦。

导纳矩阵变换如下：

            Y_0αβ＝S^-1Y_ABCS                    (14)

变换后，导纳矩阵完全解耦。

线路不同模量的传播常数和波阻抗如下：

${\gamma }_0=\sqrt{Z_0{Y}_0},$${\gamma }_{\alpha }=\sqrt{Z_{\alpha }{Y}_{\alpha }},$${\gamma }_{\beta }=\sqrt{Z_{\beta }{Y}_{\beta }}---\left(15\right)$

$Z_{c0}=\sqrt{Z_0/Y_0},$$Z_{\mathrm{c\alpha }}=\sqrt{Z_{\alpha }/Y_{\alpha }},$$Z_{\mathrm{c\beta }}=\sqrt{Z_{\beta }/Y_{\beta }}---\left(16\right)$

已知线路首端(m侧)电压和电流量，则线路上距m侧长度为l处发生故障时，故障点的电压为：

$\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{U}}_{f0}={\stackrel{·}{U}}_{m0}\cosh {\gamma }_{0}l-Z_{c0}{\stackrel{·}{I}}_{m0}{\sinh \gamma }_{0}l\\ {\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{f\alpha }}={\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{m\alpha }}{\cosh \gamma }_{a}l-Z_{\mathrm{c\alpha }}{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{m\alpha }}{\sinh \gamma }_{\alpha }l\\ {\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{f\beta }}={\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{m\beta }}{\cosh \gamma }_{\beta }l-Z_{\mathrm{c\beta }}{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{m\beta }}{\sin \gamma }_{\beta }l\end{array}\right)---\left(17\right)$

同理可写出已知线路末端(n侧)电压和电流而计算出的故障点电压和电流(略)。

对故障点电压进行Karranbauer反变换，即可求得各相故障点电压。

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{fABC}}=S^{-1}·{\stackrel{·}{U}}_{f0\mathrm{\alpha \beta }}---\left(18\right)$

对于带并联电抗器线路，并联电抗器上会流过电流，因此计算故障点电压时用到的电流应为线路端电流减去并联电抗器上流过的电流，公式如下：

$\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_{m0}^{\prime }={\stackrel{·}{I}}_{m0}-{\stackrel{·}{U}}_{m0}/(X_L+3X_N)\\ {\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{m\alpha }}^{\prime }={\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{m\alpha }}-{\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{m\alpha }}/X_L\\ {\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{m\beta }}^{\prime }={\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{m\beta }}-{\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{m\beta }}/X_L\end{array}\right)---\left(19\right)$

X_L和X_N分别为并联电抗器和中性点小电抗的电抗值。

n侧电流也可采用同样方法求出。把用上式求出的电流带入式(17)，即可求出带并联电抗器线路的故障点电压。

(三).实时整定值的求取方法

本判据的整定值采用浮动门槛，针对线路不同的运行情况实时进行整定，其方法如下。

线路故障相跳闸后，健全相的电压受故障性质影响很小，因此，在求故障点接地支路的开路电压时，可以假设故障点接地支路已经断开，这样就可以把当前健全相两端电压和故障相两端电流(为零)作为已知量，用线路全长(L)的均匀传输线方程可以求出在此种假设下线路两端的健全相电流和故障相电压：

$\left(\begin{array}{cccc}{\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{mGZ},}^{\prime }& {\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{mJQ},}& {\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{mGZ},}^{\prime }& {\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{mJQ}}\end{array}\right)=\left[\mathrm{TL}\right]\left(\begin{array}{cccc}{\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{nGZ},}^{\prime }& {\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{nJQ},}& {\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{nGZ}},& {\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{nJQ}}^{\prime }\end{array}\right)---\left(20\right)$

变换为：

$\left(\begin{array}{cccc}{\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{mGZ}}^{\prime },& {\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{mJQ}}^{\prime },& {\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{nGZ}}^{\prime },& {\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{nJQ}}^{\prime }\end{array}\right)=\left[\mathrm{TP}\right]\left(\begin{array}{cccc}{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{mGZ}},& {\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{mJQ}},& {\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{nGZ}},& {\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{nJQ}}\end{array}\right)---\left(21\right)$

左边为未知量，右边为已知量。

利用计算后的任一侧的电压和电流量及已知的测距结果，即可求出故障点的开路电压。

$\left(\begin{array}{cccc}{\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{fGZ},}& {\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{fJQ},}& {\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{fGZ}},& {\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{fJQ}}\end{array}\right)=\left[\mathrm{Tl}\right]\left(\begin{array}{cccc}{\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{mGZ},}^{\prime }& {\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{mJQ},}& {\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{mGZ}}^{\prime },& {\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{mJQ}}\end{array}\right)---\left(22\right)$

与故障点电压公式一样，在计算带并联电抗器线路瞬时性故障下故障点电压时，注意所用的线路端电流要减去并联电抗器上流过的电流。

不论当前为何种性质的故障，以上假设计算所得的故障点开路电压与实际故障点开路电压非常接近。用此故障点开路电压乘以一定的可靠系数，作为判据的整定值，消除了线路运行状态对判据的影响，确保本判据在各种负载条件下都有足够的可靠性和灵敏度。

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。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。