单相重合闸范文

单相重合闸范文（精选9篇）

单相重合闸 第1篇

在电力系统中, 架空输电线路最容易发生故障。近年来电力系统继电保护与安全自动装置运行情况表明, 在220 kV及以上电压等级的输电线路接地故障中, 单相接地故障所占的比例为87.07%～92.68%[1]。发生单相接地故障时, 为保证电力系统安全稳定地运行, 一般采用切除故障相并进行再次重合的措施, 若重合于暂时性故障时, 可以大大提高供电的可靠性。目前, 对于重合闸故障性质的判断一般采用电压判据法[2], 但该方法存在一定的误动作区域, 若再次重合于永久性故障, 那么对系统将产生严重的冲击, 甚至可能失稳。因此, 本文提出一种基于模糊神经网络的自适应重合闸方法, 将神经网络与模糊控制理论结合, 使之具备处理模糊信息的功能, 为隶属函数的生成和模糊规则的提取提供了有效途径。它能够依据单相接地故障时电容耦合电压有效值与电感耦合电压有效值的比值m的隶属度, 以及故障相端电压的工频分量有效值与电感耦合电压有效值的比值CV作出模糊推理, 判断是否需要重合闸。笔者采用Matlab进行仿真分析, 验证了该方法的可行性和准确性。

1 单相重合闸电压判据及其存在的缺陷

在输电线路发生单相接地故障时, 高压架空输电线路在各相之间有相互耦合的作用, 因此, 发生故障时, 线路两端的断路器断开后, 故障相的两端仍有残余电压。如图1所示, 设A相发生接地故障, 故障相线路两侧断路器断开, 线路为两相运行状态。

Cm-线路相间电容;C0-线路对地电容;L1、Ln1、L2、Ln2-并联电抗器参数

由于健全相与故障相之间电磁与静电耦合的作用, 因此, 故障相电压的工频分量为电磁耦合电压$\dot{U}{}_{\text{x}\text{L}}$与电容耦合电压$\dot{U}{}_{\text{y}}$的矢量和。

$\begin{array}{l}\dot{U}{}_{\text{x}\text{L}}=(\dot{{\rm I}}{}_{\text{B}}+\dot{{\rm I}}{}_{\text{C}}){\rm Z}{}_{\text{m}}L(1)\\ \dot{U}{}_{\text{y}}=(\dot{U}{}_{\text{B}}+\dot{U}{}_{\text{C}})\frac{\text{j}X{}_0}{\text{j}X{}_{\text{m}}+2\text{j}X{}_0}(2)\end{array}$

式中:$\dot{U}{}_{\text{B}}$、$\dot{U}{}_{\text{C}}$为健全相电压;$\dot{{\rm I}}{}_{\text{B}}$、$\dot{{\rm I}}{}_{\text{C}}$为健全相电流。Zm为输电线路单位长度阻抗;L为线路长度;Xm、X0分别为相对地电抗和相间容性电抗。

采用T型等效电路分析, 可得到发生瞬时故障时A相端电压有效值的表达式[3]:

$|U{}_{\text{m}}|=\sqrt{U{}_{\text{y}}+\left(\frac{1}{2}U{}_{\text{x}\text{L}}\right){}^2}(3)$

由于单相永久性故障的故障点始终存在, 线路发生对地电容放电, 因此, 故障相端电压由电磁耦合电压$\dot{U}{}_{\text{x}\text{L}}$与故障点位置决定, 即

$\dot{U}{}_{\text{x}\text{L}}=(\dot{{\rm I}}{}_{\text{B}}+\dot{{\rm I}}{}_{\text{C}}){\rm Z}{}_{\text{m}}l(4)$

式中:l为故障点到线路首端的距离。

瞬时性故障由于电容耦合电压的存在, 所以端电压要大于永久性故障的端电压, 重合闸的电压判据就是基于故障相端电压的这一特性提出的。对于上述判据, 没有考虑Uy与UxL的大小, 因此, 可能造成误判, 设|Uy|/|UxL|=m, 对于瞬时性故障, 由式 (3) 得:

$|U{}_{\text{m}}|=\sqrt{U{}^2+\left(\frac{1}{2}U{}_{\text{x}\text{L}}\right){}^2}=U{}_{\text{x}\text{L}}\sqrt{m{}^2+\frac{1}{4}}(5)$

当$0m\frac{\sqrt{3}}{2}$时, |Um|<UxL, 判断电路发生的是永久性故障。由于Uy和UxL的独立性, 以及线路参数、电网结构和运行方式等各方面因素的影响, m值为$\left[0‚\frac{\sqrt{3}}{2}\right]$的可能性是存在的, 因此, 可能将瞬时性故障判断为永久性故障。

2 基于模糊神经网络的自适应单相自动重合闸

2.1 网络模型的确定

针对电压判据法存在的缺陷, 可采用模糊推理的方法修正电压判据[4]。发生单相接地故障时, 设$m=\frac{|U{}_{\text{y}}|}{|U{}_{\text{x}\text{L}}|}‚CV=\frac{|U{}_{\text{m}}|}{|U{}_{\text{x}\text{L}}|}$。m的基本论域为[0, 1], 当m>1时, 按上述电压判据判断;当0m1时, 运用模糊推理进行判断。CV的基本论域为[0.5, 1.1], 当CV<0.5时, 判定为永久性故障;CV>1时, 判定为瞬时性故障;在[0.5, 1.1]之内的值则运用模糊推理判断。考虑给定参数测量值和计算值之间存在一定误差, 致使永久性故障和瞬时性故障的边界模糊, 建立模糊神经网络 (FNN) , 如图2所示。

由于故障相断路器断开后, 故障相的端电压中有衰减的直流分量、工频分量和许多高频分量, 因此, 用滤波器滤去直流分量与高频分量, 只提取工频分量。将CV与m作为模糊神经网络的输入, 输出层节点数取为1, 瞬时性故障时输出值为1, 永久性故障时输出值为0。模糊化层采用高斯型隶属度函数f (x) =exp[- (x-a) 2/b2], 其中a为中心, b为宽度, 每个输入量用“大”、“中”、“小”3个语言值表示, 2个相邻语言变量的隶属度函数曲线交点不低于0.5。模糊推理层是整个网络的核心部分, 输入N组样本数据, 根据初始隶属度函数值计算模糊化层中“大”、“中”、“小”3个语言值的隶属度, 分别记为“L”、“M”、“S”, 取值最大的那个为隶属度值。例如一个由2个输入、1个输出构成的模糊神经网络, 其中的一条规则为M、L、S、0.3, 代表If x1 is middle, x2 is big, then y is small, CF=0.3, 可以得到m (mN) 条规则作为模糊推理层的模糊映射。

2.2 网络学习算法

为提高网络训练速度、抑制网络陷入局部极小, 本文采用自适应学习速率动量梯度下降反向传播算法, 将动量项引入到负梯度算法中, 并采用变化的学习率。设误差函数为$e=\frac{1}{2}(y{}_{\text{d}}-y)$, yd为理想输出, y为网络实际输出。分别对变量求偏导, 模糊推理层中的取大取小运算, 按照乘积与求和运算后求偏导, 各参数的修正量定义为

$\text{Δ}x(k)=\alpha \cdot \text{Δ}x(k-1)+(1-\alpha )\cdot l(k)\cdot g{}_x(k)(6)$

式中:α为动量因子;l (k) 为网络的学习率;gx (k) 为误差函数对权值的梯度;Δx (k) 为各参数的修正量;Δx (k-1) 为前一时刻各参数的修正量。

将得到的新参数再次输入网络, 通过不断修正网络权值, 达到迭代次数及误差精度的要求。

3 仿真及结果

本文选取单机无穷大系统作为研究对象, 利用Matlab7.0/Simulink构建一个500 kV的电力系统仿真模型, 如图3所示。线路参数:正序电阻R1=0.013 Ω/km, 电感L1=0.86 mH/km, 电容C1=0.012 μF/km, 零序电阻R0=0.267 Ω/km, 电感L0=3.0 mH/km, 电容是C0=0.006 μF/km。

为了体现各种可能的因素对判别结果造成的影响, 对系统两侧的不同故障地点、不同相对阻抗角以及经过渡电阻g (取g=200 Ω) 接地的永久性故障和瞬时性故障进行仿真分析, 滤波后得到250组训练样本数据以及50组检验样本数据, 经归一化处理后输入到模糊神经网络中。表1列出了部分检验样本及其结果。从表1可以看出, 理论值与网络实际输出非常接近。因此, 在线路发生单相接地故障时, 将模糊神经网络用于自适应重合闸电压判据中能够区分出瞬时性故障和永久性故障。

4 结语

针对在线路一端出口的附近发生永久性故障时对端的自适应重合闸有可能出现误判的情况, 本文将模糊神经网络应用于单相重合闸电压判据中, 仿真分析验证了该方法能准确有效地识别瞬时性故障与永久性故障, 在一定程度上克服了现有的重合闸电压判据在高压输电线路中应用的缺点, 证实了其在单相自适应重合闸应用中的可行性。

参考文献

[1]周玉兰, 王玉玲, 赵曼勇.2004年全国继电保护与安全自动装置运行情况[J].电网技术, 2005, 29 (16) :42~48.

[2]刘凤霞, 刘前进.基于模糊神经网络的故障类型识别[J].继电器, 2006, 34 (3) :12~14.

[3]聂宏展, 董爽, 李天云, 等.基于模糊神经网络的单相自适应重合闸[J].电网技术, 2005, 29 (10) :75~79.

继电保护及自动重合闸设计 第2篇

[关键词]110kV，电网，继电保护，一次自动重合闸

[中图分类号]F407.61 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0377-01

1 引言

继电保护装置一般可视为由测量元件部分、逻辑环节部分和执行输出部分等几个主要部分组成。对作用于跳闸的继电保护装置，在技术上有四个基本要求：选择性、速动性、灵敏性和可靠性。以上四个基本要求是分析研究继电保护性能的基础。在它们之间，既有矛盾的一面，又有在一定条件下统一的一面。为适应我国电力工业的迅速发展，各大电力系统的容量和电网区域的不断扩大，相继出现超高压电网和大容量机组，电网结构的日趋复杂，电力系统稳定问题的日益突出，对电力系统继电保护提出了更高的要求。

2 电网继电保护的主要规则

关于电网继电保护的选择，一般要考虑的主要规则为：（1）电力设备和线路必须有主保护和后备保护，必要时增加辅助保护，其中主保护主要考虑系统稳定和设备安全；后备保护主要是考虑主保护和断路器拒动时用于故障切除；辅助保护是补充前二者的不足或在主保护退出时起保护作用；（2）线路保护之间或线路保护与设备保护之间应在灵敏度、选择性和动作时间上相互配合，以保证系统安全运行；（3）对线路和设备所有可能的故障或异常运行方式均应设置相应的保护装置，以切除这些故障和给出异常运行的信号；（4）对于不同电压等级的线路和设备，应根据系统运行要求和相关规程要求，配置不同的保护装置，一般电压等级越高，保护的性能应越高越完善，如采用“双重化”保护装置等。

3 110kV电网继电保护措施

110RV电网继电保护的设计要点主要包括以下几点：

3.1 在电网变压器中性点接地的数目和位置不变的条件下，当系统运行方式变化时，零序电流变化较小，因此，零序电流速断保护的保护范围长而稳定。而相间短路电流速断保护，受系统运行方式变化的影响较大。

3.2 采用了零序电流保护后，相间短路的电流保护就可以采用两相星形接线方式，并可和零序电流保护合用一组电流互感器，又能满足技术要求，而且接线也简单。应该指出，在110KV电压系统中，单相接地短路故障约占所有故障的80%以上，所以，采用专门的零序电流保护就有其更重要的意义。因而，在大接地电流系统中，零序电流保护获得广泛的应用。但是，零序电流保护也存在一些缺点，主要表现在以下两方面：

（1）于短线路或运行方式变化很大的电网，零序电流保护往往难于满足系统运行所提出的要求，如保护范围不够稳定或由于运行方式的改变需要新整定零序电流保护。

（2）220kV及以上电压的电力系统，由于单相重合闸的应用，影响了零序电流保护的正确工作，这时必须增大保护的起动值，或采取措施使保护退出工作，待全相运行后再投入。

4 自动重合闸设计

4.1 采用自动重合闸的目的

在电力系统中，输电线路（特别是架空线路）最容易发生故障。故障分为两类，一类是暂时性故障一类是永久性故障。如果把断开的线路断路器重新合上，仍能使输电线路继续供电，这类故障为暂时性故障。此外，也还有永久性故障，例如，倒塔杆、断线、绝缘子击穿或损坏等引起的故障，在故障线路被断开以后，故障点的绝缘强度不能恢复，即故障仍然存在，这时即使再合上断路器，输电线路还要再次断开，因而不能立即恢复正常供电。在线路上装设自动重合闸装置以后，由于它不能判别是暂时性故障还是永久性故障，因此，重合闸后就有可能成功（即恢复供电），也可能不成功。根据运行资料统计，重合闸的成功率（重合闸的成功数与总动作数之比）在60%～90%之间，可见其成功率是相当高的。

采用自动重合闸的技术经济效果主要有：（1）可以提高输电线路供电的可靠性，减少线路的停电机会，特别是对于单回线单侧电源尤为显著。（2）可以提高电力系统并列运行的稳定性。（3）在电网的设计和建设过程中，由于考虑了自动重合闸的作用，可以暂缓架设或不架设双回线路，节约投资。（4）对由于断路器本身机构不良或继电保护误动作而引起的误跳闸，能起纠正作用。

4.2 自动重合闸应满足的基本要求

（1）在下列情况下，自动重合闸装置不应动作。

1）由变电站值班人员手动操作或通过遥控装置将断路器断开时。2）手动投入断路器，由于线路上存在故障，随即由保护动作将其断开，因为在这种情况下，故障大多都是属于永久性的。它可能是由于检修质量不合格、隐患未能消除或者是保安地线没有拆除等原因造成的。因此，即使再重合一次也不可能成功。3）在某些不允许重合的情况下例如，断路器处于不正常状态（如气压、液压降低等）以及变压器内部故障，差动或瓦斯保护动作使断路器跳闸时，均应使闭锁装置不进行重合闸。

（2）除上述条件外，当断路器由继电保护动作或其他原因而跳闸后，重合闸都应该动作，使断路器重新合闸。在某些情况下（如使用单相重合闸时），也允许只在保护动作于跳闸后进行重合闸。

（3）自动重合闸装置的动作次数应符合预先的规定。如一次重合闸就只应该动作一次。当重合于永久性故障而再次跳间后，就不应该再动作。装置本身也不允许出现元件损坏或异常时，使断路器多次重合的现象，以免损坏断路器设备和扩大事故范围。

（4）自动重合闸在动作以后，应能够自动复归。自动重合闸的类型自动重合闸的采用是系统运行的实际需要。随着电力系统的发展，自动重合闸的类型一般有以下三类：三相重合闸，单相重合闸，综合重合闸。本设计采用三相一次重合闸，所谓三相重合闸是指不论在输、配线上发生单相短路还是相间短路时，继电保护装置均将三相断路器同时跳开，然后启动自动重合闸同时合三相断路器的方式。若故障为暂时性故障，则重合闸成功；否则保护再次动作，跳三相断路器。三相重合闸结构相对比较简单，保护出口可直接动作控制断路器，保护之间互为后备的保护性能良好。

4.3 自动重合闸与继电保护的配合

重合闸和继电保护之间的密切良好的配合可以较迅速切除多数情况下的故障，提高供电的可靠性和安全性，对系统的安全稳定产生极其重要的作用。目前，在电力系统中，自动重合闸与继电保护配合的方式有两种，即自动重合闸前加速保护动作和自动重合闸后加速保护动作。重合闸的前加速是当线路上发生故障时，靠近电源侧的保护先无选择性的瞬时动作于跳闸，而后再借助自动重合闸来纠正这种非选择性动作；重合闸后加速保护是当线路故障时，先按正常的继电保护动作时限有选择性的动作于断路器跳闸，然后装置动作将断路器重合，同时将过电流保护的时限解除，实现后加速的方法是在被保护的各条线路上都装设有选择性的保护和自动重合闸装置。一般的，“前加速”方式只适用于35kV及以下的网络；“后加速”方式适用于35kV以上的高压网络中。

4.4 自动重合闸的选择及整定计算

4.5 自动重合闸的配置办法

基于故障相相角的单相自适应重合闸 第3篇

自动重合闸能提高系统的暂态稳定性, 是保证电力系统连续可靠供电的重要措施, 长期以来在高压线路中得到了广泛的应用。但是, 因为自动重合闸是盲目的, 当重合于永久性故障时, 接连两次短路故障的冲击, 无疑会对系统的暂态稳定构成很大的威胁。而且重合于永久性故障时对系统稳定和电气设备所造成的危害将远远超过正常运行状态下发生短路所造成的后果。若能在重合闸前确定故障类型, 使重合闸装置能够根据具体的线路不同的故障情况决定动作与否, 永久性故障时闭锁, 瞬时性故障时启动, 再确定合理的合闸时间, 就能够使系统避免再次受到短路的冲击, 基于此, 提出了自适应重合闸的概念, 主要任务就是对瞬时故障或永久性故障进行预先判断, 以确定是否重合闸。

1 瞬时性故障和永久性故障过渡电阻的不同

根据实践经验表明, 永久性故障多为金属性接地, 其突出的特点就是过渡过程快, 过渡电阻 (电弧电阻) 很小, 而且电阻呈明显的减小趋势, 基本在两个工频周期内降为0。而瞬时性故障则相反, 与永久性故障相比, 其过渡过程较慢, 过渡电阻 (电弧电阻) 较大, 在整个燃弧期间, 电弧电阻值比较稳定。这是由于瞬时性故障往往伴随着明显的电弧现象, 电弧会经历点燃、熄灭、复燃、再次熄灭等几个过程, 所以时间较长。而且由于瞬时性故障电弧较长, 所以往往电阻值较大。同时由于电弧只有在过零点附近电压、电流有明显的畸变, 而在其它时间段较稳定, 所以电阻值较稳定, 基于以上的特点, 提出电弧电阻对于输电线路阻抗角影响的判据。

2 基于故障相相角判据

2.1 理论计算

为了简化计算, 电源采用恒定电压源, 并不加负载, 输电线路忽略电阻和电导。理论计算的三相输电线路模型如图1所示。

X-输电线路等效单位阻抗;B-输电线路等效单位导纳;k1-故障点前输电线路长度;k2-故障点后输电线路长度

采用中性点直接接地系统模型, 在单相短路不考虑电磁耦合的情况下, 可以对单相进行计算。

在正常运行时, 故障点电阻ra=∞, 即阻抗角由线路参数决定, 其计算模型如图2所示。

根据网孔电流法, 可得

undefined

式中, k=k1+k2为输电线路总长度。解得

undefined

令undefined, 解得电流

undefined (3)

式中, φ′为电流相角, 正常运行时, 可得阻抗角为φ=0-φ′=90°。

当非正常情况时, 故障点电阻ra≠∞, 所以用一特定值来模拟电弧电阻。其理论计算模型如图3所示。

根据网孔电流法, 各电流方向如图3标注。

可得:undefined (4)

式中, A1=kundefinedkundefinedB2X3-4kundefinedk2BX2-

2kundefinedBX2+8k2X

A2=2kundefinedkundefinedB2X2-4kundefinedk2BX+

2k1kundefinedB2X2-8k2k1BX-

4BXkundefined+8R

A3=8k1kundefinedBX2+16k1+

2kundefinedkundefinedB2X2-8kundefinedk2BX+

16k2-4kundefinedBX+4kundefinedBX+

2kundefinedkundefinedB2X2

A4=-4kundefinedk2BX2-4k1kundefinedX2B

+16k1k2X+kundefinedkundefinedB2X3

令undefined, 解得电流

I1=Imax∠φ' (5)

可得电流相角为

undefined (6)

实际工程中, 只要输电线路给定, A1、A2、A3、A4就是常数, 所以电流相角只由电弧电阻ra决定。考虑到故障发生点位置的影响, 即k1和k2值对电流相角的影响, 根据式 (6) , 分别得到在线路五个等分点发生故障时的ra和φ′关系曲线, 如图4所示。

所以线路的阻抗角应为

undefined

根据式 (7) 可得ra和阻抗角φ的关系曲线, 如图5所示。

对于永久性故障而言, 电弧电阻较小, 而且电弧电阻整体呈减小的趋势, 对于图5来说, 主要发生在下降阶段;而对于瞬时性故障来说, 电弧电阻较大, 而且电弧电阻整体呈较稳定的趋势, 对于图5来说, 主要发生在上升阶段。

2.2 提出判据

根据以上分析结果, 得如下判据。

a.计算电弧第一个半周期对相角的影响, 即求取故障发生后的第一个半周期时的阻抗角。取故障发生后的第一个半周期的电压、电流过零点, 得阻抗角。若该阻抗角与正常值比较, 变化较小, 初步判断为瞬时性故障;若该阻抗角与正常值比较, 变化较大, 初步判断为永久性故障。

b.计算电弧第四个半周期对相角的影响, 即求取故障发生后的第四个半周期时的阻抗角。取故障发生后的第四个半周期的电压、电流过零点, 得阻抗角。用该相角与故障后第一个半周期阻抗角比较, 如果变化较大的, 判断为永久性故障;变化较小的, 判断为瞬时性故障。

3 MATLAB数值仿真及判据验证

3.1 仿真模型的建立

在通常的继电保护计算中, 一般用一个线性电阻来表示电弧的过渡电阻, 这是一种近似的表示方法。一次电弧实质上是个非线性电阻, 在一个周期内电弧电压的幅值主要取决于电弧的长度, 随电流过零而改变极性, 其波形接近于方波。但是, 由于一次电弧的电阻较小, 当用一个较小的线性电阻模拟时对稳态计算影响不大, 所以用一个小线性电阻来表示电弧电阻, 主要根据电弧电阻的大小不同, 来区分瞬时性故障和永久性故障。仿真模型的结构框图如图6所示。

3.2 故障仿真

用220 kV电压等级的输电线路作为仿真模型, 其系统机构如图7所示。

系统参数设置如下:

电源:U=220 kV, f=50 Hz, Rs=0.892 9 Ω,

Ls=16.5810-3H;

输电线路:

正序参数为:R1=0.012 73 Ω/km,

L1=0.933 710-3H/km,

C1=12.7410-9F/km;

零序参数为:R0=0.386 4 Ω/km,

L0=4.126 410-3H/km,

C0=7.75110-9F/km;

线路共长:300 km。

用MATLAB对不同的电弧电阻、不同的故障点进行永久性单相接地故障和瞬时性单相接地故障的仿真。具体内容如下:

a.以A相为故障相;

b.以理想开关的打开和闭合模拟故障发生和结束, 瞬时性故障发生时间在0.1 s内结束, 永久性故障保持到仿真结束;

c.故障点共5点, 分别位于距电源 (测量点) 50 km, 100 km, 150 km, 200 km, 250 km的位置;

d.永久性故障接地初始电阻分别取1 Ω、10 Ω、20 Ω, 在两个工频周期内衰减到0;瞬时性故障电弧电阻分别取10 Ω、50 Ω、100 Ω。

3.3 仿真数据及分析

根据图7模型, 进行仿真。对数据进行如下处理。

a.分别取故障发生后的四个半工频周期的电流、电压过零点时间。

b.由电流、电压过零点时间差, 得故障相相角, 如表1、表2所示。数据处理后得到故障相相角如表3、表4所示。

通过数据分析, 可以得到, 绝大多数永久性故障有三个特点不同于瞬时性故障。

a.第一个半工频周期时阻抗角≥85°, 第四个半工频周期时阻抗角也≥85°。

b.第一个半工频周期时阻抗角<85°, 第四个半工频周期时阻抗角也85°, 同时这两个相角差大于10°。

c.永久性故障的最后相角为90°, 而瞬时性故障最后的相角均小于90°。瞬时性故障没有以上三个特点, 因此将上述三个特点作为单相永久性故障判据。

3.4 完整判据

a.在继电保护装置发现故障时启动。

b.单相接地短路故障:

检测第一个和第四个电流过零点, 得到阻抗角。

第一个半工频周期时阻抗角≥85°, 第四个半工频周期时阻抗角也≥85°。

第一个半工频周期时阻抗角<85°, 第四个半工频周期时阻抗角也85°, 同时这两个相角差大于10°;

第四个半工频周期时阻抗角为90°。

只要满足这三个条件之一的, 可以判断为单相永久性故障。

3.5 判据验证

故障点取五点, 分别在距离电源端30 km、、80 km、130 km、180 km、230 km, 过渡电阻分别取:永久性故障:5 Ω、10 Ω、15 Ω;瞬时性故障:20 Ω、60 Ω、80 Ω。数据处理后得到故障相相角, 如表3、表4所示。

根据3.4节提出的单相永久性故障判据, 以上数据完全满足单相永久性故障的判据。所以单相永久性故障判据是成立的。

4 结束语

通过仿真模拟, 证明该方法能够作为自适应重合闸的判据, 为将来的实验验证和工程应用提供一定的借鉴。

只是此方法是基于软件仿真数据验证的还有待于动模实验和现场实际情况的考验。因此, 期望能够在实际的装置中应用论文所提及的方法来验证算法的性能, 检验算法的实用性, 进一步完善本方法的判据。

摘要：为了避免重合闸重合于永久性故障, 根据永久性故障过渡电阻较瞬时性故障过渡电阻小且衰减速度快的特点, 提出了基于故障相相角的自适应重合闸判断方法。利用MATLAB中PSB模块进行仿真, 对该方法进行验证并提出了最终的判据。

关键词：自适应重合闸,瞬时性故障,永久性故障,过渡电阻,阻抗角

参考文献

[1]胡科.自适应重合闸研究[D].北京:华北电力大学, 2004.

[2]葛耀中.在单相自动重合闸过程中判别瞬时和永久故障的方法[J].西安文通大学学报, 1984, 18 (2) :23~32.

[3]刘浩芳.特高压输电线路保护新原理及自适应重合闸技术的研究[D], 北京:华北电力大学, 2007.

[4]范越, 施围.输电线路单相自动重合闸中电压判据的修正[J], 电力系统自动化, 2000, 24 (6) :44~47.

单相重合闸 第4篇

关键词：10 kV操作；重合闸；误动；措施

中图分类号：TM762 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）27-0115-02

1 事件过程

2016年5月4日，×局220 kV××变电站的10 kV系统处于正常运行方式。该站运行人员在进行“将10 kV F19东兴甲线线路由运行转检修”的操作。当进行到“将F19小车开关由工作位置摇至试验位置”这一操作步骤的过程中，该线路配置的CSC-211数字式线路保护测控装置上的“充电完成”指示灯亮起，但并未引起操作人员的重视。F19小车开关到达试验位置之后，CSC-211数字式线路保护测控装置重合闸突然出口，合上了F19小车开关。

2 事件原因分析

事件发生后，当值人员调取后台机时序记录，如图1所示（节选）。

2.1 装置的重合闸充电条件

经查阅CSC-211数字式线路保护测控装置的说明书，该装置的重合闸充电条件为：

①开关在“合闸”位置（该装置此处逻辑判断的是接入保护装置的跳闸位置继电器 TWJ 取反）；

②未投入“停用重合闸”方式；

③重合闸启动回路不动作；

④没有闭锁重合闸条件。

2.2 重合闸闭锁条件

①控制回路断线后，延时10 s放电；

②弹簧未储能端子高电位，延时2 s放电；

③闭锁重合闸端子高电位；

④永跳后（如低周动作、低压解列动作、过负荷动作）；

⑤手跳或遥跳；

⑥检无压或检同期不成功。

由此，可以分析出本次重合闸误动事件的过程：10：03：08.359时刻，小车开关开始移动并断开开关控制回路，保护装置采不到开关辅助接点，造成TWJ信号消失。按照装置定值，重合闸充电开始计时5 s，控制回路断线闭锁重合闸开始计时

10 s。10：03：13.500时刻，保护装置重合闸充电满电。10：03：17.437时刻，小车开关到达工作位置，此时控制回路断线计时未到达10 s，因此未能闭锁重合闸。控制回路接通后，装置检测到TWJ给出的分位信号，触发位置不对应启动重合闸，经过1.5 s定值后出口，将开关合闸。

综上所述，本次事件发生的直接原因是“重合闸充电时间整定值”5秒与“控制回路断线后放电”的延时10 s配合不当，导致重合闸在未判明控制回路断线的前提下就已经完成了充电。间接原因则是该型号保护装置的逻辑对开关合闸的判断仅仅采用了“TWJ取反”的方式，在TWJ消失后，保护装置收到TWJ为“0”，即认为开关合闸，并在控制回路接通后误认为开关发生偷跳，启动了重合闸。

此外，运行操作人员在摇动小车开关的过程中没有发现装置重合闸异常充电而及时查明原因，也是造成本次事件的原因之一。

事件发生后，×局继保专业将该装置重合闸充电时间整定值由5 s更改为15 s，大于控制回路断线后放电延时10 s，并进行了模拟试验，装置重合闸异常充电现象消失。经查，该线路保护在近期的综自改造中更换了新装置，因此直到本次操作才暴露出定值设置错误的问题。

目前绝大部分10 kV和110 kV保护装置都具备控制回路断线闭锁重合闸功能，只要时间定值和控制字设置正确，一般不会发生重合闸误动。

但仍有部分在三重方式下存在误动风险的保护装置，如应用于220 kV线路的四方CSC-103BN装置，投入三相重合闸功能时，其内部对开关三相偷跳的判断逻辑仅与三相TWJ位置和“三相TWJ启动重合闸”控制字有关，在开关因保护动作跳闸、出现控制回路断线而又没有闭锁重合闸充电的情况下，重合闸充电满、三相TWJ恢复后满足不对应起动重合闸的动作判据，将会导致重合闸误动作，甚至在线路永久故障时由于控制回路断线（弹簧储能）而发生多次误重合动作。

3 整改、防范措施

3.1 消除时间定值配合不当现象

立即开展对该地区所有变电站10 kV出线保护重合闸定值的检查工作，特别针对更换过装置且尚未有过操作记录的应重点检查。通过查阅保护说明书确定各类保护装置的重合闸闭锁条件，与重合闸充电时间进行比对，可能造成误动作的要及时上报整改。

3.2 在10 kV小车开关操作过程中退出重合闸

修改10 kV线路操作的典型操作票。在摇小车操作之前，除了将“远方/就地”切换把手切换至就地位置以阻止遥控合闸外，还应增加“退出保护重合闸出口压板”的操作步骤，以防止保护重合闸误动。在摇小车操作完毕后再按要求投入或保持退出状态。

3.3 排查其它类似的误动隐患

对于10 kV、110 kV三相机械联动的线路开关以及投入三相重合闸功能的220 kV线路开关，在启用三相跳位启动重合闸功能后，需要考虑其合闸控制回路断线、TWJ位置消失后对重合闸充电的影响，以防止控制回路恢复后重合闸误动作。常见造成合闸控制回路断线的因素包括摇10 kV小车开关操作、开关弹簧机构储能、断开开关操作电源等。

对于具备控制回路断线闭锁重合闸功能的装置，正常运行时应投入该功能，且需要考虑重合闸充电时间与断线闭锁重合闸时间配合问题，在控制回路断线发生后及时闭锁重合闸。

对于不具备控制回路断线闭锁重合闸的装置，需要考虑控制回路断线是否会造成重合闸误动，否则应考虑增加避免误动的措施：①非三相联动的开关在三重方式下应考虑退出“三相跳位启动重合闸”功能；②三相联动开关在储能时间大于重合闸充电时间的前提下，应考虑将弹簧未储能接点接入闭锁重合闸回路。

3.4 加强对运行人员的技术和技能培训

①在任何电气设备的操作过程中，操作人和监护人应时刻留意设备状态的变化，比如保护测控装置指示灯和液晶面板显示的内容。出现异常必须查明原因后再操作，严禁盲目作业。

②摇小车的动作应连贯、果断，不可长时间在中间位置停留。如确因机构卡涩需退回运行位置，应确定开关没有合闸的风险后再操作。

③加强专业知识培训，使运行人员清楚重合闸的动作逻辑，在核对验收定值和控制字的过程中及时发现并提出问题。

④在保护装置动作跳闸或继保专业进行过跳闸试验后，应及时复归保护装置后再进行后续操作，以降低位置不对应误启动重合闸的可能性。

3.5 确保开关柜机械防误的可靠性

在开关柜维护检修作业时，应仔细验证机械闭锁的可靠性。当小车处于工作位置与试验位置间时，限位开关能有效的断开开关控制回路，使开关不能合闸；当开关处于合闸状态时，不能移动小车，确保“最后一道防线”的有效性。

3.6 技术改进

在新建和改造变电站设计过程中，考虑使保护装置的重合闸出口受开关本体“远方/就地”把手闭锁，以降低人身伤害的风险，并在装置选型和接线方面考虑控制回路断线时对三相重合闸功能的有效闭锁。

4 结 语

本文通过一起事件分析了引起10 kV设备操作过程中重合闸误动的原因——重合闸充电时间与控制回路断线闭锁重合闸时间配合不当，并从装置设计接线、定值配合、操作方法和人员运维技能等方面提出了一些相应的改进措施，为类似性质的保护装置运维和设备操作提供了指引。

参考文献：

[1] 贺家李.电力系统继电保护原理[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2] 刘键，倪建立，邓永辉.配电自动化系统[M].北京：中国水利水电出版社， 1999：74-100.

[3] 王彦辉，张志强.CSC-200系列数字式保护测控装置说明书[M].北京：北 京四方继保自动化股份有限公司，2009.

单相重合闸 第5篇

电力系统中,超高压输电线路故障超过90%为单相接地短路,而其中80%以上又为瞬时性故障。因此,采用单相自适应重合闸对于电力系统的安全稳定运行具有重要意义[1]。然而,若重合于永久性故障,不仅会使电力系统再次受到短路电流的冲击,还会使电气设备的工作条件更加恶化[2]。因此,重合之前对故障性质进行识别非常必要。

现代超高压大容量电力系统中,常安装一定数量的并联电抗器对线路分布电容进行补偿。因此,故障断开相恢复电压幅值较小,线路侧电压互感器获取的该电压存在较大误差,且瞬时性故障存在低频振荡分量,这些直接影响了基于恢复电压特性判别方法[1,2,3,4,5]的有效应用。基于参数识别[6,7]以及利用瞬时性故障时的拍频特性[8]的方法可在熄弧之后快速、准确地判别故障性质,可靠性较高,但均适用于恢复电压阶段,受到二次电弧熄灭时间长短的制约。此外,利用故障电弧特性等方法[9,10]还不够成熟,受暂态信号获取精度等影响,难以实用化。

为完善带并联补偿超高压输电线路的自适应重合闸体系,本文提出一种利用并联补偿电流进行故障识别的新判据。

1 自由分量的变化特征

1.1 自由分量变化特征分析

目前,国内超高压线路可分为不带并联电抗器、仅首端带并联电抗器、仅末端带并联电抗器、两端带并联电抗器等接线方式[8]。本文针对仅首端带并联电抗器线路模型进行讨论,等效电路如图1所示。

假设A相为故障相。永久性故障时,故障点一直存在[11],因此,当断路器跳开后,故障相并联补偿经线路及过渡电阻(金属性接地故障时为0)放电,自由分量呈衰减趋势,直至为0。自由分量的衰减速度主要取决于过渡电阻的大小,过渡电阻越大,衰减越快,反之越慢。

瞬时性故障情况下,断路器跳开后将进入二次电弧阶段[12],并联电抗器经线路和电弧电阻放电,同时并联补偿电流也随着电弧的熄灭重燃而发生变化。二次电弧熄灭后,各储能元件所储存的电磁能量将按网络的固有频率以自由振荡的方式衰减,呈现出拍频特性[13]。自由振荡分量的幅值受开关动作和短路点等因素的影响,变化较大,一般情况下,自由分量幅值接近于工频分量[14],其频率会随着线路补偿度的变化而发生改变[15]。

通过上述分析可见,瞬时性故障时,由于电弧的熄灭和重燃以及彻底熄弧之后自由振荡分量的出现,并联补偿电流也会随之波动。这与永久性故障时的单一衰减趋势有明显不同,因此可以利用这一差异进行故障类型的识别。

1.2 仿真验证

为对上述理论进行验证,在ATP/EMTP中搭建了首端带并联电抗器的500 kV输电线路模型。如图1所示,m端配置了并联电抗器,补偿度为70%,中性点小电抗器按1/3单相并联补偿选择。输电线路应用了较为准确的JMarti模型[16],长度为280 km,并在距离m端275 km处的A相线路末端分别设置了瞬时性故障、金属性接地及经300 Ω过渡电阻接地的永久性故障。0.1 s时故障发生,0.2 s时两端断路器跳闸。跳闸之后,流过故障相并联电抗器的电流如图2～图4所示。

对比图2～图4,瞬时性故障时,两端断路器跳开后,存在一个迅速衰减的直流分量,这是由电抗器迅速放电导致的;0.3 s左右时,电抗器放电基本结束,电流值随二次电弧的熄灭重燃而发生变化,由图可知,这一阶段开始,电流幅值的包络线关于0轴基本对称;二次电弧熄灭后,并联电抗器、线路电感、对地电容等储能元件所储存的能量将按系统固有频率以自由振荡形式衰减,自由振荡分量与工频分量叠加,呈现图中的拍频特性,经频谱分析可知,图2中自由振荡分量的频率约为40 Hz。永久性故障时,无论有无过渡电阻,都不会出现二次电弧及拍频现象。同时,从波形上看,2种永久性故障情况下均存在一个衰减的直流分量,二者衰减速度明显不同,经过渡电阻接地情况下,直流分量衰减较快。

为直观再现自由分量的变化趋势,对故障相并联补偿电流进行全周积分,滤除基频分量,结果见图5～图7。由于小电流时并联电抗器电流互感器的测量精度高,能够准确测量几安培的小电流[6],使得精确提取故障相并联补偿电流并进行进一步处理成为可能;同时,全周积分后的结果与自由分量的变化趋势相似,因此可用于进行故障识别。

从图5～图7可知,永久性故障时,自由分量一直呈衰减趋势,无限接近于0,并且接地故障时衰减较慢,而经过渡电阻接地时衰减较快。

瞬时性故障时,自由分量的变化较为复杂,可根据自由分量变化规律的不同大致划分为3个波段。如图5所示,第1个波段为0.2～0.3 s,这一阶段的电流主要因并联补偿能量的释放而产生,呈快速衰减趋势;第2个波段为0.3～0.5 s,这一阶段是依靠电磁和静电耦合维持的二次电弧阶段,电流随着电弧的熄灭和重燃而发生相应的变化;二次电弧彻底熄灭后进入第3个波段,与拍频阶段相对应,呈现自由振荡的变化趋势。

可见,在不同故障情况下,故障相并联补偿电流的自由分量有着不同的变化趋势。永久性故障时,自由分量呈衰减趋势;瞬时性故障时,自由分量随着二次电弧的熄灭重燃以及自由振荡分量的出现而上下波动、有正有负。基于此,通过合理地构造判据,即可进行故障类型的识别。

2 故障识别判据

2.1 新判据的提出

如何准确识别故障类型是自适应重合闸研究的关键问题,直接关系到重合闸是否成功。本文详细分析了不同故障类型情况下,故障相并联补偿电流自由分量的波形特征,在此基础上,提出一种新的适用于带并联电抗器超高压输电线路的单相自适应重合闸判据。新判据应用了不同故障类型时,自由分量变化趋势不同的基本原理,并融合了滑动数据窗的基本思想,如下式所示:

$\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^n|}x{}_i|}{\left|{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}x}{}_i\right|}>k(1)$

式中:n为各数据窗内的采样点数;xi为数据窗内第i个采样点的自由分量电流值;k>1,为门槛值。

由图6、图7可见,发生永久性接地故障时,无论是否经过渡电阻接地,自由分量值一直同号(正负取决于故障时刻并联电抗器的电流),因此判据左侧比值恒定为1;而发生瞬时性故障时,二次电弧的熄灭重燃以及彻底熄弧后自由振荡分量的出现,使得自由分量呈现出正负波动的特征,应用式(1)计算结果大于1。因此,理论上如果有大于1的数值出现,即可判别为瞬时性故障。考虑频率偏移、传变误差等不确定因素的影响,可设置一个大于1的门槛值k,以提高判据对故障类型正确识别的可靠性。

从原理上看,要应用新判据,只需对故障相并联电抗器电流互感器侧测得的电流进行全周积分提取自由分量即可。同时,不同故障类型时自由分量的变化趋势不同,其根本原因在于故障回路的不同,因此,判据基本不会受到线路长度、熄弧时间、故障位置、采样频率等因素的影响。

2.2 k值的选取及判据可靠性分析

由2.1节可知,新判据应用了数据窗内自由分量的符号特征。而根据上文分析,故障相并联补偿电流自由分量在二次电弧阶段和拍频阶段是有正有负、上下波动的,且拍频阶段自由振荡分量的频率具有不确定性。因此,每个数据窗的比值会随着数据窗长度及自由振荡频率的不同而发生变化,而这直接关系到k的最佳取值以及判据可靠性的问题。

文献[14]中指出,拍频阶段,自由振荡的频率一般在30～40 Hz左右。但是,自由振荡频率会随着补偿度的变化而变化,补偿度越高,自由振荡分量的频率越大,但为了避免线路发生谐振,补偿度应低于100%,因此线路的自由振荡频率一般低于49 Hz。在数据窗长度固定为0.028 4 s(近似等于35 Hz分量的周期)时,频率为30～49 Hz的正弦波按式(1)计算之后的比值如图8所示。

由图8可见,当数据窗长度固定时,自由振荡分量的周期越接近数据窗长,其比值越大;反之,与窗长相差越远,比值越小,且频率大于数据窗的频率时,比值变化较为缓慢。图中的最小值在49 Hz处出现,约为2.5。为了保证判据的可靠性,可设门槛值k=2。既留有一定的裕度,保证永久性故障时不误判,又不受自由振荡频率的影响,保证瞬时性故障时在电弧熄灭之后能够顺利重合。

3 新判据仿真验证

为验证新判据的可靠性,针对图5～图7中的自由分量进行了仿真。设采样频率为每周期50点,数据窗长度与2.2节一致,为0.028 4 s,按新判据计算后的结果如图9～图11所示。

对比图9～图11可见,永久性故障情况下,无论金属性接地还是经过渡电阻接地,其比值恒定为1,这是由于故障相并联补偿电流自由分量呈单一衰减趋势,其符号一直相同而造成的;而瞬时性故障时,比值波动很大,这是由二次电弧的熄灭和重燃以及彻底熄弧之后自由振荡分量的出现引起的。拍频阶段最小值近似为5.5,大于2;二次电弧阶段,最小值为1,且不断有大于2的值出现。因此,设置门槛值k=2时,能够对故障性质正确识别。

此外,由于二次电弧阶段仍有许多值小于2,因此当不再出现小于2的值时,则可认为电弧已完全熄灭,即可发重合闸信号。

4 结语

本文针对带并联电抗器的超高压输电线路,研究了发生不同类型故障时,故障相并联补偿电流的组成及自由分量的变化特性。永久性故障时,并联补偿通过故障点放电,自由分量呈现衰减趋势;瞬时性故障时,二次电弧的熄灭重燃以及熄弧之后拍频现象的出现,使得自由分量变化趋势较为复杂,上下波动。因此,本文提出一种应用并联补偿电流中自由分量的不同变化趋势来进行故障识别的单相自适应重合闸。从原理上看,该方法基本不受线路长度、熄弧时间、故障位置、采样频率等因素的影响,具有较好的应用前景。大量ATP/EMTP仿真表明,该方法能够快速、准确地识别故障性质,可应用于带并联补偿超高压输电线路的单相自适应重合闸。

单相重合闸 第6篇

关键词：电力系统,线路,单相重合闸,电抗器,电力系统保护

0 引言

超/特高压线路由于相间距离大,发生相间故障的概率很低,其故障以单相瞬时性故障为主要形式,采用单相重合闸技术有利于其在瞬时性故障时快速恢复供电,同时也有利于降低单相重合过电压,对保证整个系统的安全稳定运行更为重要[1]。

但现有单相重合闸技术存在盲目重合于永久性故障或未熄弧瞬时性故障产生二次冲击的危险,同时超/特高压输电线路重合再跳闸不同步可能产生过电压,给电力系统的重要设备的安全稳定运行带来威胁。带并联电抗器是现代超/特高压电网的特色,研究能够避免盲目重合的适用于带并联电抗器线路的单相重合闸技术尤为重要。本文在分析适用于带并联电抗器线路单相自适应重合闸技术现状的基础之上,给出了一种实用的单相重合闸方案。

1 带并联电抗器线路单相自适应重合闸

现有单相重合闸研究多数集中在不带并联电抗器线路[2],主要包括利用电弧特性和恢复电压特性2类,难以直接有效应用于带并联电抗器线路单相自适应重合闸。研究实用可行的适用于带并联电抗器线路的单相自适应重合闸技术必须有效解决以下问题。

1.1 永久性故障和瞬时性故障的可靠识别

故障性质识别是自适应重合闸的核心,要求能够在故障后至重合期间可靠地识别瞬时性故障和永久性故障,实现瞬时性故障重合而永久性故障时重合闸可靠闭锁,有效地避免盲目重合于永久性故障的问题,从而消除重合于永久性故障所带来的潜在危害。

对于带并联电抗器线路单相重合闸的永久性故障识别的相关研究相对较少,按利用电气量分为电压量[3,4,5,6,7,8,9]和电流量[10,11,12,13,14,15,16]2类。前者判别思路与不带并联电抗器线路相似,利用了断开相端电压的幅值特性、相位特征、拍频特性来实现;对于并联电抗器中性点安装高补偿度小电抗器的线路,由于断开相恢复电压幅值较小,甚至不到额定电压5%,线路电压互感器的测量精度难以满足要求,导致该类判别方法在工程应用中存在一定的局限性。后者利用测量精度高的电流量为实现永久性故障判别提供了一种新的思路,分别有利用测量电流幅值比、工频差动原理、电流拍频特性、低频分量含量等判别方法。

一方面要求永久性故障可靠识别不盲目重合,另一方面要求瞬时性故障不被误判为永久性故障而失去重合机会,而两要求是相互制约的,如何权衡取舍是必须解决的关键问题。

1.2 瞬时性故障熄弧时刻的确认

现有自动重合闸采用固定重合时间,对于熄弧快速的瞬时性故障,意味着要等待重合时刻到达才能重合,以致人为延长了停电时间;同时对于部分熄弧缓慢(如受雨雪等恶劣气候条件影响)的瞬时性故障,在固定重合时刻到达可能仍未熄弧则导致重合不成功,以致丧失了瞬时性故障重合成功机会。

因此,要求自适应重合闸可靠确认故障熄弧时刻,保证快速熄弧的瞬时性故障快速重合以减小停电时间,对于熄弧缓慢的瞬时性故障亦能自适应地待熄弧后重合,进而保证瞬时性故障最大机会地重合成功。故障熄弧时刻确认对于长距离超/特高压输电线路熄弧缓慢的瞬时性故障的成功重合具有重要价值,需要永久性故障和瞬时性故障判据本身具有熄弧时间确认功能。

1.3 降低合闸过电压的最优合闸时间

限制过电压以保证设备安全成为特高压电网的首要问题,尤其是重合过电压更是成为特高压电网绝缘水平的决定性因素。由于自适应重合闸能够有效避免传统自动重合闸动作的盲目性,进一步提高瞬时性故障重合的成功率,有助于防止超/特高压电网短时间内连续重合引起的操作过电压;同时寻找最优重合时刻,保证了重合闸过程中过电压对设备损害很小;即使是部分非严重永久性故障误判为瞬时性故障误重合,按最优重合时刻合闸亦可以将合闸过电压限制在允许过电压水平之内。

只有确实有效地解决以上问题,才能更好地凸显单相自适应重合闸的优势,进一步提高现有重合方案的实用性和可行性。

2 实用单相自适应重合闸方案

2.1 重合闸方案

2.1.1 故障选相

只有单相故障时才进行单相重合,对于相间故障则单相重合应该闭锁,按现有三相重合闸方案动作。因此,故障后可靠确认单相故障并判别故障相别将有利于单相重合闸的正确动作。现有线路保护的故障选相的原理及技术已经十分成熟,线路保护能够可靠判别故障类型并对于单相故障能够可靠确认故障相,并将对应的断路器接点信息传递给重合闸模块。由于当前线路保护难以获取电抗器的电气量信息,限制了利用电流量的重合闸功能的应用,但在未来数字化变电站中利用电抗器电气量的重合闸能够方便实现。

2.1.2 严重永久性故障可靠不重合

防止过电压是超/特高压电网安全运行的重要因素,误重合于严重的单相永久性故障则导致严重的二次短路冲击及过电压问题。实际上,对于部分非严重的永久性故障由于故障特征不明显可能误判为瞬时性故障而导致误重合,但此时对电力系统的冲击应在允许范围之内。总之,对于非严重的永久性故障,允许其误判为瞬时性故障重合再次跳闸,但此时的短路电流冲击和过电压均在允许的范围内。

2.1.3 瞬时性故障可靠重合

超/特高压电网输送功率容量大,不允许将瞬时性故障判为永久性故障而失去成功重合机会。对于具有显著拍频特征的瞬时性故障,应采用可靠性高的拍频判据[15];对于部分拍频特征微弱的瞬时性故障则需要采用灵敏度高的判据,即不受拍频特征影响的判别方法,如模型参数识别原理判别方法[16]。

2.2 故障识别原理

以图1所示的两端带并联电抗器线路为例进行分析。图中,Xp1、Xp2分别为两端并联电抗器的等值感抗;Xn1、Xn2分别为两端并联电抗器中性点小电抗器等值感抗;iMLφ、iNLφ(φ=A,B,C)分别为两端并联电抗器的电流。

2.2.1 拍频特性判别原理[11]

以图1所示线路为例,当线路发生单相瞬时性故障时,故障点熄弧瞬间故障相电感电容储能基本释放完全,之后健全相潜供电流对断开相对地电容快速充电,随后断开相电容的储能经并联电抗器与线路电容构成的低频振荡回路缓慢释放,导致恢复阶段的电压电流量除了工频分量以外,还存在幅值较大的低频自振分量及其他自振分量,以致断开相并联电抗器电流存在明显拍频现象。

理论上,单相瞬时性故障时断开相并联电抗器电流量的低频自由分量的幅值IL接近或大于工频分量的幅值I1。以M侧断开相并联电抗器电流iMLF(t)为例,即

其中,IL、I1分别为低频自由分量、工频分量幅值;λL、λ1分别为低频分量、工频分量衰减因子;θL、θ1分别为低频自由分量、工频分量初相位;ωL、ω1分别为低频自由分量、工频分量角频率。

而单相永久性故障时,故障相两侧断路器跳闸后,断开相储能通过故障点可靠放电,断开相并联电抗器电流量以工频分量为主要形式,不存在低频分量,此时对应的低频电流分量幅值IL应接近0。以M侧断开相并联电抗器电流iMLF(t)为例,即

因此可以通过提取断开相并联电抗器电流的低频分量实现单相故障性质识别。显然,具有较大的低频分量幅值的故障则必然是瞬时性故障,给出瞬时性故障识别判据:

其中,系数Kk1取0.01~0.02,ILN为并联电抗器的额定工作电流。

2.2.2 电容参数识别原理[12]

以线路瞬时性故障(熄弧后)模型为参考模型,建立参数识别网络方程,将线路电容参数Cm、C0作为待求解参数,即

其中,为线路电容参数的计算值;iMLφ、iNLφ(φ=A、B、C)为相并联电抗器电流;Lp1、Lp2为两端并联电抗器电感;Ln1、Ln2为两端中性点小电抗器电感。

理论上,瞬时性故障时,实际故障模型与参考模型一致,电容参数识别结果与真实电容参数CmR、C0R保持一致,且不应随时间变化;而永久性故障(未熄弧瞬时性故障)时,实际故障模型与参考模型不一致,电容参数识别结果与实际电容参数差异明显。据此特点给出如下永久性故障判据:

其中,CmR、C0R为线路相间电容、对地电容的真实值;KC1、KC2为裕度系数,可取0.10~0.20。

只要式(5)在判别时间内持续满足至少有一个电容参数的识别结果与真实值差异显著,则判为永久性故障(未熄弧瞬时性故障),重合闸闭锁;在判别周期内,只有当2个电容参数的计算值均与对应的真实值一致时,可靠判为瞬时性故障且已熄弧。

2.3 单相重合判别流程

结合前面的分析,给出图2所示的单相重合闸重合流程。为了避免在部分永久性故障情况下断开相并联电抗器电流幅值过小(如不带中性点小电抗器线路系统)以致电流互感器测量不可靠带来的判别结果可信度低的问题,在单相跳闸后增加电流幅值启动元件,如式(6)所示:

其中,KE取0.01~0.02;ILφ为断开相并联电抗器电流幅值;ILN为并联电抗器的额定工作电流。

只有当启动元件动作以后,才进入永久性故障判别。采用电流启动元件能够进一步提高永久性故障判别的可靠性,保证了在断开相并联电抗器电流幅值过小的永久性故障时不会误重合。

待单相跳闸断开相断路器断开状态确定后,考虑到故障点灭弧和周围介质去游离的时间,取200 ms固定延时后开始采样计算,电流拍频判据判为瞬时性故障则表明瞬时性故障且熄弧,经延时确认并收到对端允许重合信号后发合闸脉冲;如果电流拍频判据判为永久性故障时,需要电容参数判据进一步确认,直至算法终止时刻到达,可靠判为永久性故障不重合。

3 仿真验证

为了进一步验证本文所提单相重合闸永久性故障判别方案的实用性和有效性,利用西安交通大学动模试验室进行带并联电抗器330 k V线路的各种单相故障仿真并利用大量仿真数据进行验证。

线路仿真系统如图3所示,其中线路长度400 km,线路正序阻抗Z1=20.34+j 141.45Ω,线路零序阻抗Z0=109.28+j421.50Ω,并联电抗器感抗Xp1=Xp2=1828.8Ω,中性点小电抗器感抗Xn1=Xn2=574.3Ω。线路TV变比为330 kV/0.1 kV,TA变比为1 250 A/1 A;并联电抗器TA变比为300 A/1 A。在线路M侧电抗器侧出口处、线路长度30%处、线路长度50%处、线路长度80%处、N侧电抗器出口处共设计了K1、K2、K3、K4、K55个故障点,分别进行了大量的单相瞬时性、单相永久性故障仿真。故障录波装置的采样频率fs=1 200 Hz,即每周期24点。

首先给出K2处发生单相故障时的动模仿真录波波形,瞬时性故障和永久性故障时M侧故障相端电压及对应并联电抗器电流分别如图4、图5所示。

由图4、图5的故障录波结果可知,单相瞬时性故障待故障熄弧后,断开相端电压及并联电抗器电流均具有较大幅值且在熄弧后初始阶段具有显著拍频特征;尽管随着低频自振分量的衰减,断开相电气量的拍频特征逐渐减弱,但熄弧后具有显著拍频特征的时间已经足以实现瞬时性故障的判别。单相永久性故障待故障相跳闸后,二次电弧熄弧快速,很快进入稳态阶段,断开相端电压和对应并联电抗器电流基本为工频周期信号;断开相端电压幅值很小,甚至不到线路额定电压的5%,但此时对应的断开相并联电抗器电流则具有较大幅值,甚至超过正常工作电流的20%。相对而言,利用断开相并联电抗器的电流判别较端电压更为可靠。

接下来利用部分仿真数据对本文所提的电流低频分量幅值判据及线路电容参数识别判据的性能进行了验证。图6、图7分别给出了瞬时性故障时所提拍频特性判据和电容参数识别判据的计算结果;图8、图9分别给出了永久性故障时拍频特性判据和电容参数识别判据的计算结果。

由图6(a)的计算结果可以看出,瞬时性故障熄弧后断开相并联电抗器电流的低频自振分量具有较大的幅值,且低频分量衰减缓慢,在熄弧至重合前较长时间内均具有较大幅值;尽管当低频分量的幅值接近衰减完全时,此时拍频特征不明显以致基于拍频特征的判别方法失效,但熄弧后较长时间内断开相并联电抗器电流所具备的显著拍频特征已经足以实现瞬时性故障的判别,且可以实现随熄弧快慢的自适应调整重合时间。图6(b)所示的永久性故障时拍频特性判据的计算结果表明,低频分量的幅值很小,在进入稳态阶段低频分量幅值小于整定门槛,可靠判为永久性故障。

由图7(a)的计算结果可知,瞬时性故障待故障点熄弧后较长的时间内,由于熄弧后故障模型与识别模型一致,此时线路相间电容参数和对地电容参数的计算值均与对应的真实值接近,相对误差在10%以内,能够可靠判为瞬时性故障。图7(b)所示永久性故障时线路电容参数计算结果与对应真实值差异显著,甚至出现负值,表明实际故障模型与识别参考模型差异显著,即可靠判为永久性故障。相对低频分量幅值特性的判据,线路电容参数识别判据的适用时间更长,其性能基本不受低频分量的影响。

从上述仿真计算结果可以看出,低频电流幅值判据对于具有显著拍频特征的瞬时性故障能够灵敏可靠识别,一旦拍频特征不明显即存在误判为永久性故障的可能性。线路电容参数识别的永久性故障判别方法不受拍频特性的影响,较低频电流分量幅值特性判据的性能更加优良,但需要双端电气量,对于具有双端通信的线路具有良好的适用性。

4 结论

关于自动重合闸装置原理的研究 第7篇

电力系统由发电、输电、配电和用电四部分组成, 由于电能不可以大量储存, 所以这四部分是一个整体存在, 任何一个环节出现故障, 都将会影响到整个电力系统。输电是电力系统中覆盖面积最广、跨越地区最多, 也是最容易出现故障的部分, 因此, 如何能更好地对输电线路进行保护与自动控制就显得尤其重要。而自动重合闸装置就是这样一个对输电线路的正常运行起到重要作用的自动装置, 它的具体作用如下:

1.可以大大地减少停电时间, 也减少了相当一部分的经济损失, 这对提高电力线路的供电可靠性有非常重要的作用。

2.在两个电力系统并列运行的情况下, 由于通常只有一个母联断路器进行连接, 实际运行中极为不可靠。采用了自动重合闸后, 可以很好地提高此种系统结构的稳定性。

3.在某些情况下, 断路器在长期工作或是断开较大的短路电流后, 可能会出现误跳闸, 或“偷跳”, 采用自动重合闸可以纠正这种错误的动作。

4.弥补了部分线路耐雷水平降低的影响。一般10 k V及以下线路都不装设避雷线, 一旦被雷电击中将造成跳闸断电, 如果安装了自动重合闸便可以自动迅速地将断开的断路器重新合闸, 减少停电时间。

通过以上四个方面作用的分析, 在电力系统发生瞬时性短路故障的情况下, 自动重合闸可以很快地将系统恢复运行, 因而在输电线路上得到了广泛应用, 只要是属于高压输电线路, 在断路器上就必须装设自动重合闸。

但是, 自动重合闸也有缺点存在。当电力线路发生永久性故障时, 自动重合闸将断开的断路器重新闭合后, 故障仍然存在, 所以还要第二次将断路器断开, 这样, 系统将第二次受到短路电流的冲击, 这对于系统本身来说影响较大, 甚至会出现系统振荡, 进而产生冲击电流, 危及系统安全。同时, 断路器也是第二次切断短路电流, 大大地缩短了断路器的电气寿命。因此, 自动重合闸的使用有时受系统和设备条件的制约。

二对自动重合闸装置的基本要求

为了能够让自动重合闸更好地服务于电力系统, 就必须使其满足电力系统及其设备的工作需要, 因此, 我们对自动重合闸装置规定了一些必要的要求。

1. ARC动作应迅速。

为了尽量减少对用户停电造成的损失, 要求ARC动作时间愈短愈好。但自动重合闸的动作时间也不能设置成零, 因为还要考虑下一次的动作, 所以必须要留有足够的时间让继电保护装置复归, 否则系统将在没有保护的情况下运行, 这是不允许的, 同时还要考虑断路器是否做好了下次动作的准备。

2. 手动跳闸检修时ARC就闭锁。

当电力线路或断路器等设备需要检修时, 运行人员会手动或遥控将断路器跳闸, 这是正常的运行转检修倒闸操作, 自动重合闸应闭锁。

3. 手动合闸于故障线路时, ARC应闭锁。

既然之前已经是故障线路, 就有没修复好的可能, 所以合闸于故障线路后, 断路器又断开就不应该再重合, 即自动重合闸应闭锁。

4. 动作次数符合规定。

因为, 当自动重合闸第一次没成功时, 说明可能这是永久性故障, 所以一般情况下只允许重合一次, 极特殊情况下才允许重合两次。

5. 自动重合闸在动作重合后, 必须立即自动复归, 准备好下次动作。

6. 自动重合闸应能与电力系统继电保护互相配合, 加速故障切除, 尽快恢复系统的正常运行。

7. ARC可自动闭锁。

当断路器出现某种故障时, 比如可能无法将它闭合, 那么此时必须将线路断开, 对断路器进行检修, 所以不应重合。

三自动重合闸的起动方式

自动重合闸要求在断路器断开时能自动迅速地动作, 将断开的断路器重新闭合, 但如何才能满足这一要求?

为此, 要对自动重合闸的起动方式做一定的设计。在断路器事故跳闸时, 重合闸应能起动;正常跳闸时, 重合闸应闭锁。为了区别正常跳闸与事故跳闸, 一般有两种起动方式。

1. 不对应起动方式, 就是指控制开关在“合后”位置, 而

断路器在“跳后”位置, 两位置不对应, 表明断路器因继电保护动作或误动作而跳闸, 重合闸装置起动。这种起动方式适用于有人值班就地控制的水电厂或变电所, 不适用于遥控的线路。

2. 保护起动方式。

利用线路保护动作于断路器跳闸的同时, 使自动重合闸装置起动。这种起动方式对断路器误跳闸不能起纠正作用, 适用于遥控场合。

四自动重合闸的闭锁方式

自动重合闸可以将刚刚断开的断路器重新闭合, 但并不是每次都必须要进行重合, 比如工作人员需要检修线路等。所以自动重合闸也应有不动作的情况, 即自动重合闸的闭锁方式。

1. 在进行由运行转检修的正常倒闸操作时, 运行人员会将断路器断开, 然后派检修人员去进行检修, 此时自动重合闸严禁动作, 否则会危及检修人员的生命安全, 所以应闭锁。

2. 当手动投入断路器或自动投入断路器时, 若线路上有故障, 随即被继电保护将其断开时, 自动重合闸不应起动, 不发出重合闸脉冲。

3. 按频率自动减负荷装置动作将断路器断开时, 自动重合闸装置应闭锁。

4. 母线保护或桥形接线的主变差动保护动作跳闸, 因不属线路故障, 自动重合闸装置也应闭锁。

五单侧电源线路的三相一次自动重合闸

在众多的电力线路结构中, 单侧电源线路是最简单、投资最少、最容易实现的, 而且也不会有非同步问题。但缺点是一旦主线路上的断路器断开, 则会造成大面积的停电事故。所以为了提高系统的可靠性, 单电源线路都应采用三相一次自动重合闸。即无论线路上发生的是何种短路故障, ABC三相的三个断路器一起断开, 然后再一起重合, 若为瞬时性故障, 则重合成功, 若为永久性故障, 则重合失败, 但只重合一次, 不成功就不会再动作进行重合。

三相一次自动重合闸由起动元件、时间继电器、电容器构成的一次合闸元件及执行元件四部分组成。重合闸起动回路是用以起动重合闸时间元件的回路, 一般按控制开关与断路器位置不对应原理起动;重合闸时间元件是用来保证断路器断开之后, 故障点有足够的去游离时间和断路器操作机构复归所需的时间, 以使重合闸成功;一次合闸脉冲元件用以保证重合闸装置只重合一次, 通常利用电容放电来获得重合闸脉冲;执行元件用来将重合闸动作信号送至合闸回路和信号回路, 使断路器重合及发出重合闸动作信号。

在某些情况下, 断路器跳闸后不允许自动重合。例如, 按频率自动减负荷装置动作时, 重合闸装置应闭锁。在这种情况下, 应将自动重合闸装置闭锁。为此, 可将母线保护动作触点, 自动按频率减负荷装置的出口辅助触点与SA (2) 、 (4) 触点并联。当母线保护或自动按频率减负荷装置动作时, 相应的辅助触点闭合, 接通电容器C对R6的放电回路, 从而保证了重合闸装置在这些情况不会动作, 达到闭锁重合闸的目的。

六双侧电源线路的三相自动重合闸

1. 双侧电源线路需要考虑的问题。

双端均有电源的输电线路, 采用自动重合闸装置时, 除了满足之前所说的七项基本要求以外, 还有两个复杂问题要引起注意。

(1) 断路器动作时间问题。当双侧电源线路发生故障时, 线路两侧的继电保护装置由于有阶梯性、时限特性的要求, 可能会先后以不同的动作时间跳开, 即两侧的断路器可能不同时跳闸, 因此, 只有在后跳闸的断路器断开后, 故障点才能断电而去游离。为使重合闸成功, 应保证在线路两侧断路器均已跳闸, 故障点电弧熄灭且绝缘强度已恢复的条件下进行自动重合闸, 即应保证故障点有足够的断电时间。

(2) 非同步问题。在双电源线路上, 当发生短路故障时, 两侧的断路器先后都会断开, 这样实际上就是把一个双电源系统解列成了两个单电源系统, 过了一定时间后, 极有可能会出现这两个单电源系统的供求关系不平衡, 进而会导致两侧的电压频率发生变化。再进行重合闸时, 后重合的一个断路器就是在进行并列操作, 那么只要一重合就可能会出现非同步的状况。

2. 三相快速自动重合闸。

三相快速自动重合闸指的是继电保护将两侧断路器迅速断开后, 直接进行重合, 但要求继电保护的动作速度一定要快。所以, 此种重合闸方式必须具备以下条件:

(1) 电力线路两侧都装有动作速度最快的全线速动保护, 如高频保护等。

(2) 线路两侧必须具有快速动作的断路器, 如空气断路器等。

(3) 合闸瞬间所产生的冲击电流不超过规定的允许值。

若具备上述条件就可以保证从线路短路开始到重新合闸的整个时间间隔在0.5 s~0.6 s以内, 在如此短的时间内, 两侧的非同步影响尚且很小, 不足以对系统的同步造成影响, 所以相当于在进行同步操作。显然, 三相快速重合闸方式具有快速的特点, 所以220 k V以上的线路应用比较多, 它是提高系统并列运行稳定性和供电可靠性的有效措施。

3. 三相非同期自动重合闸。

三相非同期自动重合闸是指当输电线路发生故障时, 两侧断路器跳闸后, 不管两侧电源是否同步就进行自动重合。非同期重合时合闸瞬间电气设备可能要承受较大的冲击电流, 系统可能发生振荡。所以, 只有当线路上不具备采用快速重合闸的条件, 且符合下列条件并认为有必要时, 可采用非同期重合闸。

(1) 非同期重合闸时, 流过发电机、同步调相机或电力变压器的冲击电流未超过规定的允许值, 冲击电流的允许值与三相快速自动重合闸的规定值相同;不过在计算冲击电流时, 两侧电动势间夹角取180°。当冲击电流超过允许值时, 不应使用三相非同期重合闸。

(2) 在非同期重合闸所产生的振荡过程中, 对重要负荷的影响应较小。因为在振荡过程中, 系统各点电压发生波动、从而产生甩负荷的现象, 所以必须采取相应的措施减小其影响。

(3) 重合后, 电力系统可以迅速恢复同步运行。

七结论

为了满足电力系统供电可靠性的要求, 在输电线路上, 特别是架空线上, 无论是单侧电源还是双侧电源, 必须要使用自动重合闸装置。只要发生了瞬时性短路故障, 自动重合闸都可以在1秒钟之内将线路恢复运行, 保证电力系统不会轻易停电。

参考文献

[1]郭相国, 张保会.自适应自动重合闸现状与发展[J].继电器, 2004, 32 (16)

电力系统自适应重合闸技术 第8篇

1 单相自适应重合闸

1.1 单回线单相自适应重合闸

在无并联电抗器时,目前主要利用故障相恢复电压幅值和相位特性、二次电弧特性来实现单相自适应重合闸。

结合恢复电压幅值和相位特点,文献[1]利用输电线路上的工频恢复电压进行瞬时性与永久性故障判别是国内外最早的研究方法,该文根据单相跳闸后线路上是否存在电容耦合电压来区分瞬时性和永久性故障,最先提出了电压判别法、补偿电压判别法,但对于带并联电抗器和长距离重负载线路存在误将瞬时性故障判断为永久性故障,造成重合闸不成功。而文献[2]提出了基于工频恢复电压的相位判据。瞬时性故障下断开相电压相位是线路互感阻抗角与功率因数角之差,而永久性故障时断开相电压相位与耦合电压相位相似。文献[3]针对文献[1]存在的问题,进行了原因分析,并提出了改进措施,但模糊控制规则表的确定需要取得系统各种运行方式下的数据,缺乏客观性。

文献[4]利用人工神经网络的波形识别功能解决了自适应重合闸中永久性故障和瞬时性故障的判别问题,但该方法对网络结构及其权值离线用学习样本进行训练,需要模拟大量的故障类型得到不同的模型,还需要存储大量的数据,因此应用起来相对复杂。

文献[5]提出了基于故障测距的永久性故障判据。该判据以故障点瞬时故障电压理论值为定值,由故障测距结果求出故障点实际电压,当故障点实际电压小于定值时为永久性故障,反之为瞬时性故障。文献[6]提出了基于电压补偿原理的新型相位判据:对断开相端电压分别进行2种适当的补偿,获得用于比较相位的2个相量,保证在瞬时性故障时两者反向;而在永久性故障时,两者接近于同向。该判据原理简单、可靠,不受过渡电阻、负荷电流和故障点位置的影响,仅利用线路的单端信息即可实现故障的判别,不需要故障测距装置。

基于电弧特性区分故障性质,文献[7]在对瞬时性故障情况下二次电弧特性分析的基础上,通过对故障产生的谐波特性及含量分析比较,提出了基于电压信号判别故障性质的奇次谐波能量判据。文献[8]通过对不同故障时母线处谐波性质的比较,用一种改进递归复小波的相位特性来区分故障性质,并且利用幅值特性来辅助检测各暂态过程,但未考虑接地电阻的影响。文献[9]建立了基于电压双窗函数暂态能量比的判据,通过该判据来识别故障性质,并且利用形态学分别构造了形态学闭开-开闭梯度滤波算子,更有效地提取出高频信号。文献[10]同样利用数学形态学方法研究了电弧特性,根据提取出的故障相母线电压谱能量来判别故障性质。文献[11]采用小波包能量熵值来定量检测故障相电压的时频分布特性区分故障性质,以实现自适应重合闸。

对超/特高压电网来说,为限制工频过电压,需补偿线路容性无功,抑制潜供电流,一般需要装设并联电抗器。由于并联电抗器对对地电容的补偿,使得线路的电容电流减小,断开相恢复电压中电容耦合电压将减小,可能造成所采用的永久性故障时电容耦合电压判据不再满足要求,会造成瞬时性故障误判。因此,对带并联电抗器输电线路单相故障,通常对恢复电压判据进行修正,并且此时的二次电弧会出现拍频现象,利用存在的自由振荡分量与工频分量也可实现故障性质判别。同样利用恢复电压特点,文献[12]提出了修正电压判据,该判据需要对端信号配合。而文献[2]基于瞬时性故障下断开相电压相位是线路互感阻抗角与功率因数角之差,而永久性故障时断开相电压相位与耦合电压相位相似。利用此相位特性提出了相位判据,并对线路近端发生经过渡电阻故障情况进行了充分考虑,提出了补充判据。

而利用工频分量和自由振荡分量的区别时,文献[14]根据工频分量特性,分析了带并联电抗器输电线路的故障相电流、电压特性,提出了在1个振荡周期内,利用故障相并联电抗器的电流与中性点小电抗器的电流幅值比判别瞬时性故障和永久性故障的方法。文献[15]分析出在单相接地故障中,恢复电压由于电容和电感元件本身的特性会产生自由振荡分量,从而出现拍频现象,并以此提出拍频判据进行故障性质的判别。该判据原理清晰,判断结果无交叉模糊区,但判断时间较长。文献[16-18]均是通过检测自由分量(其中包括高频和低频分量)来区别故障性质,但其运用的方法各不相同。文献[16]对断开相恢复电压在1个工频周期内进行积分检测自由分量。文献[17]利用拉普拉斯变换求解出恢复电压中个暂态分量,并提出了基于断开相端电压衰减周期分量幅值判据和提取低频衰减周期分量幅值的方法。文献[18]根据恢复电压阶段并联电抗器中故障相电流的低频分量判别故障性质(通过设定的能量函数)。

1.2 同杆双回线单相自适应重合闸

为节省输电走廊,目前电网大多采用同杆双回线结构,该结构可能会使得线路间间距较近,易出现跨线故障,并且当发生故障跳开后时,电磁耦合和电容耦合作用较单回输电线路更强,进而电弧熄灭时间更短,故障点绝缘强度还未恢复就可能重合,使得瞬时性故障重合失败,这也就对同杆双回线自适应重合闸提出了新的要求。

对同杆双回线来说,发生的故障类型不同其特点也将不一样,主要的类型有同回线单相故障、同回线多相故障和双回线之间的同名相和异名相跨线故障。对同杆双回线的分析要充分考虑双回线之间的耦合关系。

目前对同杆双回线自适应重合闸的研究多倾向于对重合闸顺序的研究,而对故障性质判别的研究还待进一步深入。文献[19]针对在同杆双回线路无并联电抗器投入时发生的I回线A相与II回线B相跨线故障(IAIIBGI)类型故障,提出了断开相实测端电压基波、3次谐波、5次谐波分量的自适应重合闸判据,并对带全补偿并联电抗器时增设了判据。文献[20]提出了适用于同杆双回线路的基于故障测距的瞬时性接地故障判据。

2 三相自适应重合闸

目前,单相自适应重合闸的研究已经比较成熟,然而对三相自适应重合闸的研究却较少。主要原因为:输电线路发生故障后断路器断开之前的一次电弧阶段,由于故障暂态分量的存在,一次电弧特性不能得到很好的研究。而在三相断路器跳开之后,失去了电源,二次电弧很快熄灭,难以提出二次电弧的特征量[21]。

文献[22]提出了基于自振电压幅值特性的永久性故障判别方法。但该方法易受线路电压互感器的影响。文献[23]利用高频电流的传输特性,提出利用高频通道及信号来区别故障性质,但该方法受线路长度、天气等因素影响较大。文献[24]将模糊神经网络应用于三相自适应重合闸,能准确地判别故障性质。但该方法实现复杂,难以满足保护快速性要求。文献[25]针对带并联电抗器的高压输电线路,利用三相故障跳闸后,分布电容和并联电抗器的储能而存在的残余电压进行研究分析,提出了用于三相自适应重合闸的识别三相瞬时和永久性故障的线路差模电压(频率接近工频的衰减周期分量)幅值判据。文献[26,27]均以瞬时性π模型为参考模型,利用三相并联电抗器电流量为基础,通过不同的量来实现三相自适应重合闸,文献[26]求取出双端线模电压和电容电流的线模分量,获得并联电抗器电流和电容电流线模分量之和。以此求解值来区别故障性质。而文献[27]针对接地故障和相间故障不同,分别采用零模和线模分量的参数识别方程求解出并联电抗器电感参数,通过参数求解值与实际值的差异来区别故障性质。

3 综合分析与研究

3.1 自适应重合闸故障识别存在的问题

(1)恢复电压法。实现原理是通过断开相的相对地电压中存在的电容耦合电压的大小来判别故障性质的。但该电压的获得受电压互感器二次回路的影响,并且由于电容耦合电压一般较低,测量精度存在问题,灵敏度低,并且在带并联电抗器输电线路上,电容耦合电压将更低,该方法有可能不能采用。

(2)电弧特性。由于电弧由很多因素决定,涉及到许多复杂的时变过程,其中许多因素又是高度非线性的,故利用电弧电压判别故障的瞬时性存在预测和推理因素,同时要建立准确的电弧模型是很困难的,且不同类型的电弧特性存在差异,因此基于瞬时性故障电弧特性的故障识别方法实用性较差。目前利用电弧特性来实现故障判别的研究均需要较高的采样频率,随着小波技术和人工神经网络的发展,各类数学方法的应用发挥了一定作用,但实现起来却增加了复杂性。另外,实际工程应用中存在各种误差,当电弧电压不足时,测量精度将无法保证,可信度较差。

(3)其他方法。利用高频通道或者利用原有的故障测距装置所测出的故障测距实现自适应重合闸,前者会随着光纤技术的引入而被淘汰,而后者受故障测距误差影响较大。

(4)同杆双回线。对于同杆双回线中的单相故障,同样存在前面的问题,而对于多相故障,特别是跨线故障,研究将更加复杂,要实现故障性质判别将更加困难,如何准确识别故障性质的研究必需更加深入。

(5)三相自适应重合闸。由于三相故障断开后,输电线路因失去了电气联系,电弧会很快熄灭,电容耦合电压将变得更低,要实现故障性质的判别将是很困难的。因此,三相自适应重合闸的实现将还有很长一段路要走。

3.2 重合闸实现过程研究

(1)单回线重合闸。通常采用单相重合闸、三相重合闸或综合重合闸。

(2)同杆双回线重合闸。根据故障类型不同重合顺序将不同,同杆双回线路有120种故障,根据各种故障时六序分量的相位特征,可以归纳为13种故障类型,分别是:I回线A相接地(IAG)、I回线BC两相故障(IBC)、I回线ABC三相故障(IABC)、I回线B相II回线C相跨线故障(IBIIC)、I回线BC两相与II回线B相跨线故障(IBCIIB)、I回线BC两相与II回线C相跨线故障(IBCIIC)、I回线A相与II回线BC两相跨线故障(IAIIBC)、II回线AB两相与II回线BC两相跨线故障(IABIIBC)、I回线ABC三相与II回线BC两相跨线故障(IABCIIBC)、I回线ABC三相与II回线A相跨线故障(IABCIIA)、I回线A相与II回线A相跨线接地故障(IAIIAG)、I回线BC两相与II回线BC两相跨线故障(IBCIIBC)、I回线ABC三相与II回线ABC两相跨线故障(IABCIIABC)。其中前3种为单回线故障,后10种为跨线故障[28]。对于前3种按照单回线重合闸执行,而对于多相故障则有按相顺序重合闸[19]:首先故障发生后,故障相断开,判断是否有两异名相健全,无则跳开健全相;有则按照下列重合顺序进行重合:(1)同名相优先重合且可同时重合;(2)超前相优先重合;(3)多相故障线路超前相优先重合。

4 结束语

综上所述,自适应重合闸的实现,关键在于故障性质的判别,其次就是合闸顺序的配合,特别是对于同杆双回线来说,合理的重合闸顺序是很重要的。尽管单相自适应重合闸技术发展至今,已步入较为成熟阶段,但随着电网的不断发展,超/特高压远距离同杆双回线的架设,电网的安全性与稳定性要求越来越高,根据目前自适应重合闸的发展现状,还可对其进行进一步研究的方面有:

(1)国家投入的西电东送、南北互供工程促进特高压电网技术的发展,而特高压电网对重合闸技术要求将更加严苛。如何在解决重合闸过程中,对特高压电网过电压的影响将是研究的重点。

(2)随着经济的高速发展,将使得输电网走廊变得更为紧张,因而同塔双回、同塔多回线路将不断增加,如何解决这些线路出现跨线故障时保护与重合闸配合问题,也将是难点问题。

线路保护与自动重合闸配合的探讨 第9篇

关键词：线路保护,重合闸,单相接地故障

0 引言

500千伏T变电站是上海电网大截面外环网的重要节点, 该站500kV电压等级设备为3/2接线方式, 断路器配置RCS-921A断路器失灵保护及自动重合闸装置, 第四串的5042开关与5043开关间引出500千伏W线路, 线路保护为RCS-931DM_HD超高压线路成套保护保护装置。

2011年8月7日, 上海受到台风”梅花”影响, 500千伏W线路的一起事故致使线路保护的多次事故跳闸及重合闸的多次重合。本文探讨线路保护与自动重合闸之间可行的配合动作, 以避免此类事故对电网安全稳定运行所造成的影响。

1 500千伏W线路事故概况

1.1 事故背景

2011年8月7日6时, 台风“梅花”影响上海, 上海市区的阵风普遍达到7至8级, 沿海地区的风力更强, 一度达到11至13级。

1.2 事故经过

2011年8月7日05:55:59, 500千伏W线路C相故障跳闸, 重合成功后再次故障三相跳闸, 5042开关、5043开关跳闸, 故障测距46.2KM;检查站内一次设备无明显故障点, 二次设备正常。汇报总调, 总调06:24发令强送合上5043开关、06:31发令合上5042开关。

2011年8月7日06:36:21 500千伏W线路C相故障, 重合成功, 故障测距46.2KM;

2011年8月7日06:38:06 500千伏W线路C相故障, 重合成功, 故障测距46.4KM;

2011年8月7日06:39:22 500千伏W线路C相故障, 重合闸启动, 合于故障三相跳闸, 5042开关、5043开关跳闸, 故障测距46.4KM。

经线路抢修班巡线, 寻找到了故障点, 事故起因为, 由于受强力的台风, 导致W线架空线路上方的避雷线断裂, 触碰到W线架空线路C相导致单相接地故障。同时在台风的影响下, 导致了避雷线多次与带电线路接触, 造成了之后的多次跳闸与重合闸。

1.3 事故影响

此次事故, 短时间内多次的重合闸及事故跳闸, 使电力系统受到多次的故障的冲击, 对电力设备安全及系统的稳定性造成较大伤害, 线路对侧的Y站, 5053开关在短时间内多次切断故障电流的过程中, 发生了故障, 断路器失灵拒分, 导致失灵保护启动, 二母母差保护动作跳开二母上所有开关, 二母失电, 同时5053开关也在事故中损坏。

2 线路保护与重合闸动作逻辑

2.1 RCS-931DM_HD线路保护跳闸逻辑[1]

1) 发单跳令后若该相持续有流 (>0.06In) 经150ms延时发单跳失败三跳命令;

2) 选相达二相及以上时跳三相;

3) 采用三相跳闸方式、有沟三闭重输入、重合闸投入时充电未完成或处于三重方式时, 任何故障三相跳闸。

2.2 RCS-921A断路器失灵保护及自动重合闸装置动作逻辑[2]

2.2.1 重合闸充放电逻辑

为了避免多次重合, 必须在“充电”准备完成后才能启动合闸回路。

重合闸放电条件为 (或门条件) :

1) 重合闸启动前压力不足, 经延时400ms后“放电”;

2) 重合闸方式在退出位置时“放电”;

3) 单重位置, 如果三相跳闸位置均动作或收到三跳命令或本保护装置三跳, 则重合闸“放电”;

4) 收到外部闭锁重合闸信号时立即“放电”;

5) 合闸脉冲发出的同时“放电”;

6) 失灵保护、死区保护、不一致保护、充电保护动作时立即“放电”;

7) 收到外部发变三跳信号时立即“放电”;

8) 对于后合重合闸, 当单重或三重时间已到, 但后合重合延时未到, 这之间如再收到线路保护的跳闸信号, 立即放电不重合。这可以确保先合断路器合于故障时, 后合断路器不再重合。

重合闸充电条件 (与门条件) :

1) 跳闸位置继电器TWJ不动作或线路有流;

2) 保护未启动;

3) 不满足重合闸放电条件。

2.2.2 沟通三跳逻辑

当线路有流, 保护有跳闸开入, 重合闸在未充好电状态且未充电沟通三跳控制字投入或重合闸为三重方式, 则保护发沟通三跳命令跳本断路器。

为了防止误开入等引起的沟通三跳误动, 只有当电流变化量启动或零序启动元件动作时才能开放沟通三跳

3 线路保护与重合闸配合动作逻辑的改进

3.1 事故中线路保护与重合闸动作的不合理

这次事故中, 线路保护与重合闸虽然都按各自的逻辑动作正确, 但却使电力系统受到多次的故障的冲击, 对系统的稳定性造成了较大影响, 重合闸的作用原先是当线路发生非永久性故障时, 能够迅速恢复线路的正常供电, 但在本次类型的事故中, 其性质相当于发生了永久性故障, 保护应能加以判断, 闭锁重合闸的动作, 避免此后的多次故障跳闸与重合闸。

3.2 线路保护与自动重合闸之间可行的配合动作

由于此类事故多在短时间内并发生在同一地点, 在此, 可引入RCS-931DM线路保护在一个时限内对相邻两次单相接地故障测距的比较。

设时限为180s, 上一次故障测距为Akm, 本次故障测距为Bkm, 则可引入判据A-0.5BA+0.5, 即本次故障测距点在上次故障测距点的周围500m内。

单相故障后, 重合闸成功并充电完成, 启动RCS-931DM线路保护的故障判别, 若180s内再次发生单相接地故障, 且故障测距点在上次故障测距点的周围500m内, 则沟通三跳并闭锁重合闸。 (逻辑图如图1)

针对此次事故, 本文探讨了一种线路保护与自动重合闸配合动作, 能避免发生此类事故时不必要的多次重合闸和事故跳闸, 保证了系统运行的稳定性。

参考文献

[1]RCS-931D (M、MS) _HD型超高压线路成套保护装置技术和使用说明书.南京南瑞继保电气有限公司.