（电力系统及其自动化专业论文）高压输电线路自适应重合闸技术研究.pdf

浙江人学顾1 ：学位论文 摘要 路的大量仿真发现，自适应重合闸期间，线路跳开多相与线路跳开单相时，跳开 相端电压上的特性类似，都是含有工频分量和自由振荡分量，于是本文将提出的 自适应单相重合闸新拍频判据推广到自适应分相重合闸中，并通过大量的e m t p 仿真和数据计算验证了判据在自适应分相重合闸应用中的可行性和可靠性。至 此，本文提出的新拍频判据将自适应单相重合闸和自适应分相重合闸统一起来， 完全打破了分不同故障类型来判定故障性质的模式。 关键词：自适应单相重合闸；自适应分相重合闸；瞬时性故障；永久性故障； 电容耦合电压；电磁耦合电压；工频分量；自由振荡分量；并联电抗器 浙江人学硕1 ：学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t r e l i a b l ea d a p t i v er e c l o s i n gt e c h n i q u ec a l ln o to n l yi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h e p o w e rs y s t e m ，b u ta l s op l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ns e c u r i t y , s t a b i l i t ya n de c o n o m i c o p e r a t i o no f t h ep o w e r s y s t e m i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fe x i s t i n gc r i t e r i o ns u c h a si n a c c u r a t er e s u l t sa n dl o n gd e t e r m i n i n gt i m e ，t h ef o l l o w i n ga r e a sa r ed e e p l y d i s c u s s e di nt h i sp a p e rb yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ： t h ev o l t a g ea m p l i t u d ea n dv o l t a g ep h a s ec r i t e r i o no fa d a p t i v e s i n g l e - p h a s e r e c l o s i n ga r ed e d u c e di n t h i sp a p e r f r o mt h ep r o c e s so ft h ed e d u c i n g ，w ec a n c o n c l u d et h a tt h er e c o v e r yv o l t a g ea to p e n - p h a s eh a sad i f f e r e n tn a t u r ei nd i f f e r e n t p r o p e r t yf a u l tc a s e s ，t h ei m p a c to fv a r i o u sf a c t o r so nt h ec r i t e r i o na n dt h ea p p l i c a t i o n s c o p eo ft h ec r i t e r i o n i no r d e rt of u r t h e ru n d e r s t a n dt h ep o t e n t i a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e c o v e r yv o l t a g e a to p e n - p h a s ed u r i n gt h et i m eo fa d a p t i v es i n g l e - - p h a s er e c l o s i n gi nt r a n s m i s s i o nl i n e w i t hn o n - - s h u n tr e a c t o r ，e x a c te x p r e s s i o n so ft e r m i n a lv o l t a g ea to p e n - - p h a s ea r e c o n c l u d e dt h r o u g hd i s t r i b u t e dp a r a m e t e rm o d e l ，w h i l et h ee l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n g v o l t a g ea n dc a p a c i t i v ec o u p l i n gv o l t a g e ，a sw e l la st h ev a r i o u sf a c t o r sa s s o c i a t e dw i t h w h i c ha r ec o m p a r a t i v ea n a l y z e d t h i sp r o v i d e sar e l i a b l er e f e r e n c ef o rd e v e l o p i n ga n a c c u r a t ea n dr e l i a b l ea d a p t i v er e c l o s i n gc r i t e r i o ni nt r a n s m i s s i o nl i n ew i t hn os h u n t r e a c t o r s c o n s i d e r i n gt h a tt h e r ea r es om a n ys h u n tr e a c t o r sw i t hn e u t r a ls m a l lr e a c t o r si n h vt r a n s m i s s i o nl i n e st oc o m p e n s a t ef o rt h ec a p a c i t i v ec u r r e n t ，t h i sp a p e rd e t a i l e d a n a l y s i st h et r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c so fr e c o v e r yv o l t a g ea to p e n p h a s ed u r i n gt h et i m e o fa d a p t i v es i n g l e p h a s er e c l o s i n gb yt h el a p l a c ef r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i si n t r a n s m i s s i o nl i n ew i t hs h u n tr e a c t o r s b e c a u s eo ft h ee x i s t i n gs h u n tr e a c t o r sw i t h i n i t i a le n e r g y , t h et e r m i n a lv o l t a g ea to p e n p h a s ec o n t a i n sm o r ec o m p o n e n t st h a no n l y f u n d a m e n t a lf r e q u e n c yc o m p o n e n t f o rt r a n s i e n tf a u l t ，t h et e r m i n a l v o l t a g e a t o p e n - p h a s en o to n l yc o n t a i n sf u n d a m e n t a lf r e q u e n c yc o m p o n e n tw h i c hi si n c e n t e db y t h ep o w e rg e n e r a t o r s ，b u ta l s oc o n t a i n st h ef r e eo s c i l l a t i o nc o m p o n e n tw h i c hi s i i i 浙江人学硕l ：学位论文 a b s t r a c t p r o d u c e db yt h ei n i t i a le n e r g yi ns h u n tr e a c t o r s b u tf o rp e r m a n e n tf a u l t ，t h et e r m i n a l v o l t a g ea to p e n p h a s ec o n t a i n so n l yf u n d a m e n t a lf r e q u e n c yc o m p o n e n t ，b e c a u s et h e f r e eo s c i l l a t i o nc o m p o n e n th a v ed e c a y e dt oz e r oq u i c k l yt h r o u g ht h eg r o u n d i n g r e s i s t a n c e b a s e do nt h i sd i f f e r e n tn a t u r ei nr e c o v e r yv o l t a g e ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa n e w a l g o r i t h mt od i s t i n g u i s ht h ep r o p e r t i e so ff a u l t t h ep r i n c i p l eo f t h i sm e t h o di st o m a k ea ni n t e g r a lo ft h er e c o v e r yv o l t a g ed u r i n gaf u n d a m e n t a lf r e q u e n c yc y c l e t h e n e wc r i t e r i o ni ss i m p l ef o ri m p l e m e n t a t i o n ，a n di to b t a i n sr e s u l t sf a s tw i t hh i 曲 s e n s i t i v i t y , r e l i a b i l i t ya n da c c u r a c y t h ep e r f o r m a n c eo ft h i sn e w c r i t e r i o nw i l ln o tb e a f f e c t e da ta l lb yt r a n s i t i o nr e s i s t a n c e ，i n t e g r a li n i t i a lt i m e ，i n i t i a lp h a s eo ff r e e c o m p o n e n t ，i n t e g r a lh a r m o n i c sa n d s oo n c o n s i d e r i n gt h a tc i r c u i tb r e a k e r si n2 2 0 - 5 0 0 k vt r a n s m i s s i o nl i n eh a v et h e f u n c t i o no fs e q u e n t i a lo p e r a t i o na n df a u l t p h a s es e l e c t i o n ，i tm a k e sa d a p t i v e s e q u e n t i a lr e c l o s i n gp o s s i b l e t h r o u g hq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，w e f o u n dt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft e r m i n a lv o l t a g ea to p e n - p h a s ew h e ns i n g l ep h a s ei s o p e n e da r es i m i l a rw i t ht h a tw h e nm u l t i p h a s ea r eo p e n e d ，w h i c hb o t hc o n t a i n s f u n d a m e n t a lf r e q u e n c yc o m p o n e n ta n df r e eo s c i l l a t i o nc o m p o n e n t s ot h en e w c r i t e r i o ni se x t e n d e dt ot h ea r e ao fa d a p t i v es e q u e n t i a lr e c l o s i n g al a r g en u m b e ro f e m t ps i m u l a t i o n sa n dd a t av a l i d a t ei t sf e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y n o w , t h et e c h n i q u e o fa d a p t i v es i n g l e - p h a s er e c l o s i n ga n da d a p t i v es e q u e n t i a lr e c l o s i n ga l eu n i f i e db yt h e n e wc r i t e r i o na n dt h em o d et h a td i s t i n g u i s h e st h ef a u l tp r o p e r t yi nd i f f e r e n tf a u l tt y p e i sc o m p l e t e l yb r o k e nd o w n k e yw o r d s ：a d a p t i v es i n g l e p h a s er e c l o s i n g ；a d a p t i v es e q u e n t i a lr e c l o s i n g ； t r a n s i e n tf a u l t ；p e r m a n e n t f a u l t ；c a p a c i t i v ec o u p l i n gv o l t a g e ；e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n gv o l t a g e ；f u n d a m e n t a lf r e q u e n c yc o m p o n e n t ；f r e eo s c i l l a t i o nc o m p o n e n t ； s h u n tr e a c t o r 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘茔或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：i 结捺 签字日期：少，年弓月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江大学有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江大堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝储繇啼瓠 新虢钐貅秒 签字日期：耖，、年；月pr签字日期：沙厂q 年 ；月g 日 浙江人学顾l j 学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 随着现代社会进步速度的加快，我们对能源的依赖也越来越明显，电能作为 清洁的二次能源，其优质可靠的电力供应将是社会持续发展的重要保证。电力工 业的迅速发展使得我国现代电力系统结构越来越复杂，输电线路的电压等级和传 输容量不断提高，远距离重负载输电线路日益增多。于今，高压远距离输电线路 已逐步成为我国电力网络的主动脉，并仍在进一步地飞快发展，担负着输送电能 的重要使命。它是地区和区域电网之间联系的枢纽，也是电厂和终端用户之间紧 密联系的桥梁，但同时还是电力系统中发生故障最多的环节。高压输电线路稳定 可靠运行将直接关系到工农业生产和人民的日常生活。 1 1课题研究的背景和意义 在电力系统输电线路故障中，大多数故障都是瞬时性故障，例如，由雷电造 成的绝缘子表面闪络，强风引起的碰线，鸟类以及树枝等物体掉落在导线上引起 的短路等。这些瞬时性故障在故障线路被继电保护装置切断以后，故障电弧会自 行熄灭，此时，如果把断开线路的断路器再合上，就能够恢复正常的供电。除此 之外，电力系统中还存在永久性故障，例如由于线路杆塔倒地、断线、绝缘子直 接击穿或损坏等引起的故障，在线路被断开后，这些故障仍然存在，即使此时再 合上断路器，由于故障依然存在，线路还是要被继电保护装置断开，因而也就不 能恢复正常供电，相反，重合于永久性故障将会使电力系统第二次受到故障的冲 击，对高压输电系统还可能降低并列运行的稳定性，同时也会使断路器的工作条 件变得更加恶劣。因此，为了区分故障性质，避免重合于永久性故障，电力系统 中广泛采用自适应重合闸技术，其经济效果主要可归纳如下： ( 1 ) 大大提高供电可靠性，减小线路停电的次数； ( 2 ) 避免重合于永久性故障，使电力系统再次遭受故障冲击； ( 3 ) 提高电力系统并列运行的稳定性，从而提高传输容量。 对自适应重合闸技术的研究一直是继电保护中重要的内容，随着电压等级和 对供电可靠性要求的提高，如何在更短的时间内精准地判定故障性质进行自适应 浙江人学硕i ：学位论文第i 章绪论 重合闸具有重大的理论和实际意义【2 】o 1 2自适应重合闸技术的发展和研究现状 1 2 1自适应重合闸技术的发展过程 长期以来，对输电线路重合闸技术的研究一直受到国内外学者和我国电力工 业部的重视。自动重合闸因其本身投资低，原理简单，工作可靠而较早地在我国 电力系统中获得应用。采用自动重合闸后可避免因瞬时性故障停电而造成的损 失，极大地提高了系统安全供电和稳定运行的可靠程度，有着显著的经济效益。 我国有章程规定，在l k v 及以上电压等级的架空线路或电缆与架空线的混合线 路上，只要装设断路器，一般都应装设自动重合闸装置【3 1 。但重合于永久性故障 对系统造成的危害却不容忽视。虽然在发生短路故障时，继电保护装置有主保护、 近后备和远后备，层层设防，但是自动重合闸都是在不知道故障性质，即不知道 故障是瞬时性故障还是永久性故障的情况下进行盲目的重合闸，而且重合于永久 性故障时对电力系统稳定和系统电气设备所造成的第二次冲击的危害将超过正 常运行状态下发生短路时对系统的危害。这便是传统的自动重合闸的最大缺点。 为了解决这一问题，希望能找出一些其他的有效方法来减小或者避免重合于永久 性故障时对系统造成的危害。于是，有许多学者便将目光集中在对重合闸时间的 整定上。 电力系统传统的自动合闸时间整定思想都是越快越好，它以保证对瞬时性故 障能够重合成功，对永久性故障能再次跳开为原则，在保证稳定性的基础上，取 一个最小的时间作为重合间歇时间。然而文献 4 】指出这种传统的“重合越快越好” 的思想是一种误解。后来有学者提出并详细研究了按“最佳重合闸时间”来自动重 合闸的方法【5 ，6 1 。该方法利用微分方程求解和初值的关系，认为对瞬时性故障和 永久性故障都存在一个最佳的重合时间，在这个时间重合，在瞬时故障时可以使 系统经历较小的摇摆而很快进入稳定状态；在永久故障时可以有效阻尼系统摇 摆，从而提高系统的暂态稳定极限。其基本原理就是在故障切除后的第一个摇摆 周期内不失步的前提下，采用系统功角6 的加速的达到负的最大时刻作为重合闸 时间。由于在重合闸时，系统功角6 的加速度达到负的最大，所以当重合于永久 性故障时系统功角的正加速度将被部分或者完全抵消，系统将在最短时间内达到 2 浙江人学硕1 ：学位论文第1 章绪论 新的平衡状态。后来，暂态能量函数法逐步发展成熟并应用到对最佳重合的分析。 文献 7 9 1 通过建立系统暂态能量函数模型，认为最佳网络操作时刻即是能量函数 值最小的时刻，通过分析重合闸最后一次操作后系统能量函数中受到重合时刻影 响的部分，给出系统稳定的能量函数条件，从而确定最佳重合时间。这些方法都 可以改善重合于永久性故障时系统的稳定性，但却不能避免当重合于永久性故障 时给系统中电气设备造成的冲击。为了从根本上彻底解决盲目重合闸的问题，国 内学者在上世纪8 0 年代末期提出了自适应重合闸的概念。 自适应重合闸与自动重合闸的根本区别在于重合前是否区分故障性质，如图 1 1 所示。由于自适应重合闸在重合前会区分故障是瞬时性故障还是永久性故障， 若是瞬时性故障，则予以重合；若是永久性故障，则闭锁重合闸信号。所以，自 适应重合闸可以从根本上彻底避免重合于永久性故障时给电力系统造成的危害。 r i 线路发牛故障 巫堕 上上 、 ( 重合断路器)( 不重合断路器) 、- - 、- - 。 自动重合闸 图1 1自适应重合闸与自动重合闸的区别 f i g 1 1 d i f f e r e n c eb e t w e e na d a p t i v er e c l o s i n ga n da u t o m a t i cr e c l o s i n g 1 2 2 对自适应重合闸的基本要求 如果自适应重合闸技术发展到一定程度，并具有相当高的可靠性，那么可以 将目前安装在电力系统中的自动重合闸装置进行改进，将其升级为自适应重合 圃熹 闸一合一 蕈一 府一厂，严 上巫上一上圃 叵砂 土一性一i一闸一 一时一 五三 幸一 浙江人学硕f ：学位论文第1 帝绪论 闸。由于自适应重合闸的核心问题是在断路器重合闸前识别故障性质，因此对自 适应重合技术有如下几点要求： ( 1 ) 值班人员手动操作断路器或断路器处于不正常状态而不希望或不允许 重合闸时，自适应重合闸不应动作。 ( 2 )当断路器由继电保护装置动作或其他原因而跳闸后，且判定为永久性故 障时，自适应重合闸不应动作。 ( 3 )当断路器由继电保护装置动作或其他原因而跳闸后，且判定为瞬时性故 障时，自适应重合闸应该动作。 ( 4 )自适应重合闸动作后，一般应该能自动复位，准备好下一次再动作。但 是对于l o k v 以下电压线路，若当地有值班人员时，为简化自适应重合闸的实现， 也可以采用手动复位的方式。 ( 5 ) 在双侧电源线路上实现自适应重合闸时，应考虑重合闸时两侧电源闻的 同步问题，并满足其同步的条件。 1 2 3自适应重合闸技术的分类及研究现状 由于自适应重合闸技术相对当前普遍运用的自动重合闸技术来说，只是多了 一项判别故障性质的过程，所以其分类，后续合闸操作过程以及与各种保护的配 合问题同自动重合闸相似。自适应重合闸按照其重合闸控制断路器相数的不同， 分为自适应单相重合闸、自适应三相重合闸和自适应分相重合闸。 针对判定故障性质的原理及其各种因素对其性能影响的问题，国内学者做了 了大量的研究。由于自适应重合闸技术在继电保护中是一个比较新的课题，其发 展还处于初始阶段，所以自适应单相重合闸因其故障分析的简单而首先得到国内 学者的关注。目前，在自适应单相重合闸技术方面，学者们已经提出了许多基于 不同原理的识别故障性质的判据。但是对于自适应三相重合闸，特别是白适应分 相重合闸，其原理基本上都是从自适应单相重合闸的原理中衍生而来，研究人员 更多关注的是如何更科学更可靠地进行合闸的方案。 1 2 3 1 自适应单相重合闸研究现状 4 由于高压输电线路中绝大部分故障属于单相接地故障【10 1 ，因此国内外学者主 浙江人学硕i ：学位论文第1 帝绪论 要研究单相自适应重合闸技术，并制定了各种不同的识别故障性质的判据。 文献 2 ，l l 】最先提出了电压幅值判据，补偿电压幅值判据和组合补偿电压幅 值判据。其基本原理就是考察一相因线路故障跳闸后，另外两个正常相在断开相 上引起的电容耦合电压和电磁祸合电压。对于瞬时性故障，由于跳开相故障点已 经消除，电容耦合电压和电磁耦合电压同时存在；而对于永久性故障，由于故障 点一直存在，电容耦合电压对地放电并迅速下降至零，只剩下电磁耦合电压。也 就是说，在一般情况下，瞬时性故障时的断开相电压大于永久性故障时的断开相 电压值。因此可以找出一个临界值作为识别故障性质的整定值，从而区分故障性 质。对于电压幅值判据，由于没有考虑到电容耦合电压和电磁耦合电压的比例大 小，其性能受电网结构、线路参数和运行方式等因素的影响比较大，因此可能造 成误判，特别是当重负载长线发生单相短路或在端口处发生故障时，这种误判的 可能性会更大。为了避免在端口附近发生短路和重负载长线发生短路时由各因素 的影响使得电压幅值判据造成误判，文献进一步得到了补偿电压幅值判据和组合 补偿电压幅值判据。为了同时照顾两端口，使其都得到最佳的补偿效果，补偿电 压幅值判据将补偿点设置在线路的中点。虽然这样确实可以避免在端口处发生故 障时的误判，但其仍然受电网结构和运行方式的影响，同样对于重负载长线，电 磁耦合电压可能会比电容耦合电压高许多，当在线路中点附近发生瞬时性故障 时，会将其误判为永久性故障。而组合电压补偿判据则是在线路中设置两处互相 对称的补偿点，并对线路两端同时进行判别，必须同时满足两判定条件。可是这 种方法只能略微减小误判的可能性。 文献 1 2 】提出了修正电压判据的方法。其原理是在线路两端的测定电压中考 虑电容耦合电压同电磁耦合电压的比例大小，通过一定的判定流程进行故障性质 的识别。由于考虑到了电容祸合电压和电磁耦合电压的相对大小，修正电压判据 的方法较之以前的电压幅值判据及其补偿判据有了一定的进步，但是它受运行方 式的影响仍然比较大。 文献【1 3 】提出了电压相位判据。该方法将电磁耦合电压作为参考电压，通过 比较补偿电压和参考电压的相位差来识别故障性质。一般情况下，在瞬时性故障 时，补偿电压的向量要超前电磁耦合电压的向量9 0 度；而在永久性故障时，两 者相角比较接近，其差接近于0 ，所以可以很轻易的判定故障性质。但是这种方 法受负载功率因数的影响比较大，线路上负载功率因数的变化很容易造成判据的 s 浙江人学硕i ：学位论文第l 章绪论 误判。特别地，当线路中点或附近发生接地短路时，亦或当线路空载或轻载时， 参考电压为0 ，电压相位判据将失效。 文献 1 4 ，1 5 】提出了基于电压谐波信号的判据。文章认为对于不同的故障性 质，暂态分量中的谐波含量是不同的。对于瞬时性故障，由于二次电弧的变化规 律是一个熄灭、重燃的反复过程，其熄弧时间较长，电弧电压所产生的各奇次谐 波将在一段时间内始终存在并影响线路端电压【陆1 8 】，与此同时，系统中其他谐波 源产生的谐波在逐渐衰减，这使得电弧电压的影响逐渐显现，致使在故障断开相 的端电压中含有较高比例的奇次谐波分量；而对于永久性故障，线路电压中的暂 态谐波主要来源于各种电力设备，其谐波的衰减速度明显快于瞬时性故障。所以， 依据二次电弧阶段奇次谐波的衰减速度及其能量百分比在不同故障性质下随时 间的变化规律存在差异的特性，便可识别故障性质。由于电弧的非线性和随机性， 这种方法实现比较困难，并且可靠性不高。 目前在高电压等级线路中，大部份都装设了并联电抗器以限制潜供电流。当 这些线路发生瞬时性故障时，电感、电容等元件的初始储能将产生低频周期分量， 与工频分量叠加后，有可能使得断开相恢复电压的值变得很小很小，因此上面介 绍的几种判据在带有并联电抗器的线路上极易造成误判，为此文献 1 9 ，2 0 提出了 在带有并联电抗器线路中适用的判据。 文献 1 9 】认为在带有并联电抗器的线路中，发生瞬时性故障时因电感、电容 元件初始储能引起的低频周期分量同工频分量叠加后产生出一种拍频的特性，其 包络线的最大值和最小值之差比较大；而发生永久性故障时，这个低频周期分量 通过故障点放电而很快衰减消失，只剩下工频分量，其包络线的最大值和最小之 差为0 。根据这一明显差别能够很轻易地识别出故障性质。该方法不仅原理清晰， 而且对于不同的故障性质，计算结果没有交叉模糊区域，判定可靠。但是，其判 定时间至少需要半个拍频周期，当自由分量频率很小时，其判定时间会很长。 文献【2 0 】则是利用三角函数正交的特性来识别故障性质。具体方法是利用恢 复电压的表达式乘以倍频正弦或余弦函数表达式后在一个工频周期内积分，瞬时 性故障情况下，恢复电压中因含有低频周期分量的缘故，与倍频正弦或余弦函数 表达式相乘并在一个工频周期内积分后，其结果是一个非0 的值；而在永久性故 障情况下，由于恢复电压仅含工频分量，根据三角函数正交的特性，乘以倍频正 弦或余弦函数表达式并在一个工频周期内积分后，其结果为0 。这种方法判定时 浙江人学顾 j 学位论文第j 章绪论 间短，只用一个工频周期即可，但当低频周期分量的频率是工频的一半时，判据 将会失效。 除了上述的判据之外，还有基于故障相电流的自适应单相重合闸判据 2 i - 2 4 l ， 具有较高的灵敏性。另外，随着数字信号处理和人工智能技术的发展，一些基于 功率谱【2 5 1 、小波变换1 2 6 , 2 7 1 和人工神经网络【2 8 。4 1 原理来判断故障性质的方法也逐步 应用于自适应单相重合闸技术，但是这些方法原理非常复杂，其可靠性有待进一 步验i i i 3 5 , 3 6 】，目前都难以应用到实际保护装置中。 1 2 3 2 自适应三相重合闸研究现状 在超高压输电线路发生故障的情况中，两相和三相短路故障占输电线路故障 的2 0 3 0 。虽然相对单相接地短路故障来说，两相和三相短路故障所占比例 较小，但三相自动重合闸重合于永久性故障时对系统造成的冲击和危害却更为严 重。在自适应三相重合闸过程中，当三相跳开之后，由于故障线路同两侧系统的 电源完全脱离了联系，二次电弧会很快熄灭，所以很难提取二次电弧的特征【1 7 j 。 从另一方面讲，自适应三相重合闸过程中能够在故障状态中提取的信息较少，其 技术难度要比自适应单相重合闸大很多，因而学者对自适应三相重合闸的研究非 常少，也没有多少令人满意的方案出现。 当带有并联电抗器的线路因故障三相跳闸后，由于并联电抗器和线路电容初 始储能的作用，线路中的电磁能量将以线路的自由振荡频率衰减振荡。文献【2 ， 3 7 】利用三序网和拉氏变换的方法，详细分析了带并联电抗器的高压输电线路三 相跳闸后故障相上自由振荡电压的特点，得出结论认为不同的故障情况下，其特 点也各不相同：当发生接地短路时，永久性故障下，各故障相自振电压为零，瞬 时性故障下，各故障相自振电压有一定的幅值；当发生不接地短路时，永久性故 障下，各故障相自振电压相等，瞬时性故障下，各故障相自振电压不相等。根据 这些差别，就可以利用三相跳闸后线路自由振荡电压作为永久性故障和瞬时性故 障的判据。在使用判据的过程中，还应特别注意自振电压的拍频现象以及某一相 自振电压特别低的情况，以防止误判。 文献 3 8 ，3 9 】根据实际情况，在现有高频保护的硬件基础上，利用模分量法 精确计算各故障情况下的高频接受信号，并通过分析高频电流和高频电压信号在 7 浙江人学硕i j 学位论文第l 章绪论 三相电力载波线通道上的传输特性，提出了一种基于高频信号的方法来区分瞬时 性故障和永久性故障。文献认为，由于一般采用三相电力线作为高频信号的传输 通道，所以线路故障会对这种高频信号的传输产生一定的影响。不同的故障性质， 这种影响也不同。其具体方法是：对于非单相接地故障，在线路两侧断路器因故 障而跳开三相后，控制高频保护的发讯机发出高频信号，同时控制对端的收讯机 启动接受高频信号，并将接收的高频信号与一参考电平进行比较。该参考电平是 指在线路无故障情况下预先存储的一个接受信号电平。如果接收信号小于参考电 平的5 0 ，则说明线路上故障点始终存在，该故障是永久性故障；如果接收信号 始终大于参考电平的5 0 ，则说明线路上故障消失，该故障是瞬时性故障。根据 这一差别，便可实现自适应三相重合闸。但是对于单相接地故障，由于它对高频 信号的接受影响较小，利用高频信号来区分故障性质的可靠性不高，所以文献特 别建议使用较为成熟的自适应单相重合闸判据来区分单相接地故障的故障性质。 和自适应单相重合闸技术一样，一些基于模糊神经网络的人工智能技术也应 用于自适应三相重合l 译- l f 4 0 4 1 】，但这些方法始终还停留在理论分析的基础上，其可 靠性有待进一步验证，并且与实际应用还相差甚远。 1 2 3 3 自适应分相重合闸研究现状 当输电线路因故障跳开三相断路器并失去与系统电源的联系后，虽然瞬时性 故障相对永久性故障来说，其线路上的电磁能量衰减较慢，但在稳态时，线路端 电压仍然很小，特别是不带并联电抗器的线路，当三相跳闸后，即使是瞬时性故 障，其端电压和永久性故障时一样，接近于零。因此，仅靠断开三相后的线路状 态是很难区别故障性质的。为了解决这一问题，有学者便提出了自适应分相重合 的概念。其基本原理是当发生故障的线路三相跳闸后，根据故障选相的结果，先 重合非故障的一相，当线路的一相重合带电后，便可利用与自适应单相重合闸相 类似的方法识别故障性质。如果是永久性故障，那么不再重合其他未合的相并再 次断开三相；如果是瞬时性性故障，则重合发生故障的相，线路便可恢复正常运 行。因此，自适应分相重合闸相对白适应三相重合闸来说，当一相重合成功并带 电后，可以从中检测到更高的电流电压值，从而使得其有较高的可靠性和灵敏性。 另一方面，即使自适应分相重合闸重合一相于永久性故障，它给系统造成的冲击 浙江大学硕l ：学位论文 第l 章绪论 远远没有自适应三相重合闸重合三相于永久性故障时造成的冲击大，所以自适应 分相重合闸可以避免系统重合多相于永久性故障，缓解重合操作过程对系统稳定 性以及汽轮发电机组轴系扭振的影响。最后，对于同杆并架或者平行双回线这样 相数比较多的输电线路，使用自适应分相重合闸，如果选择比较科学合理的合闸 方案，其优越性更是自适应三相重合闸无法比拟的。总的来说，由于自适应分相 重合闸是按先后顺序一相一相地重合，因此必须选择科学合理的重合闸顺序或者 重合闸逻辑方案，才能实现更可靠的自适应分相重合闸【4 2 4 4 1 。 文献 4 2 提出的分相重合闸逻辑是：对于单相故障，先合上一个距故障相最 远的非故障相；对于三相故障，选择哪一相先合是任意的；对于两相相间短路故 障，合上两故障相中任一相即可；对于两相接地短路故障，则应合上非故障相。 根据线路一相合闸后线路侧的电压状态，再配合电压耦合判据，就可以区分其它 故障相是瞬时性故障还是永久性故障，从而确定是否继续合闸。这一种方法简单 易行。 文献 4 4 1 提出的分相重合逻辑是：单相故障可以直接采用现有比较成熟的判 据来区分故障性质。多相故障跳开三相断路器后，对于两相故障，选择非故障相 首先重合，对于三相故障，则可以任意选择一相首先重合，这便为瞬时性故障或 永久性故障的判别提供了判据。为了避免首合相重合于永久性故障，本文作者还 在文献 4 5 】中进一步提出了首合相判据。根据判定结果，决定能否继续重合第二 相，如果第二相也重合成功，那么就可以利用附加判据判别能否重合第三相。在 这个过程中，如果有任意一相被判定为永久性故障，则闭锁其它的未合相并跳开 已合相。这一种方法可靠但比较保守。 自适应分相重合闸技术也应用于同杆并架双回线中4 6 - 5 1 ，但因其存在跨线故 障，所以与单回线有所不同。当双回线以单回线方式运行或只是其中一回线上出 现故障时，可以按文献【4 2 ，4 4 】中介绍的重合闸逻辑实现自适应分相重合闸。当双 回线发生跨线故障时，自适应分相重合闸的启动条件是要求两回线综合起来有两 异名相健全，相当于把两回线当一回线看待，这样就使得重合闸的逻辑回路比较 简单【5 2 1 ，相当于实现自适应单相重合闸。其具体的重合闸逻辑是：同名相优先重 合且可以同时重合，以减少重合闸时问，尽快恢复缺相运行；超前相优先重合而 不管是一回线故障还是跨线故障，以便各相优先重合的概率相同；多相故障线路 的超前相优先重合。例如当双回线发生ia i i b c 故障时，如果先合ia 于永久 9 浙江人学硕l ：学位论文第1 章绪论 性故障，则i 回线三相跳开，这就使得双回线只有i ia 相在运行，破坏了实现单 相重合闸的原则，进而导致i i 回线不能启动重合。如果先合i i 回线，即使重合于 永久性故障，也仍可以保留i 回线重合的机会。因此多相故障线路的超前相应优 先重合。 1 3论文的主要工作 对于高压输电线路自适应重合闸的研究，至今还有一些问题没有得到更好的 解决，本文的工作正式围绕这些问题展开。其主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 以不带并联电抗器线路的分布参数为模型，定量求解了在自适应单相重 合闸期间断开相端电压的稳态表达式，为不带并联电抗器线路的自适应单相重合 闸技术做了可靠的参考依据。 ( 2 ) 以带并联电抗器的高压输电线路模型作为分析对象，对瞬时性故障时断 开相恢复电压作了详细的分析，并利用拉普拉斯变换的方法对其中的各种暂态分 量作了定量的求解，从根本上揭示了恢复电压中产生自由振荡分量的原因。 ( 3 ) 提出了适用于带并联电抗器的输电线路的自适应单相重合闸新判据。发 生瞬时性故障时断开相恢复电压中含有自由分量，而永久性故障没有。本文便是 根据自由分量与工频分量频率的不同，在一个工频周期内对断开相恢复电压进行 积分和延迟积分，消除工频分量，提取自由分量的方法来判定故障性质。大量的 实验仿真证明了该判据的准确性、快速性以及耐接地过渡电阻的特性。 ( 4 ) 通过对实际线路模型的大量仿真，详细分析了各种故障类型情况下跳开 相端电压的特性，并将自适应单相重合闸的判据推广到自适应分相重合闸，大量 的仿真波形和数据说明了判据在自适应分相重合闸中应用的准确性和可靠性。 l o 浙江人学顾i ：学位论史 第2 帝 白适心单相蕈合州l u 胝判据皋本原理 第2 章自适应单相重合闸电压判据基本原理 2 1自适应单相重合闸基本原理简介 自适应单相重合闸技术的核心问题是如何准确快速地识别故障性质。通过分 析不同故障性质情况下断开相端电压、电流、功率或者其它电气量和非电气量的 特性差别，可以构造出基于不同原理的判定方法。目前，自适应单相重合闸技术 中，大多判据都是基于电压量的，例如电压幅值判据、电压相位判据和电压谐波 判据等。当输电线路因发生单相接地故障而将故障相断路器跳闸后，虽然故障相 被切除，但两侧系统仍会通过两健全相联系起来，并且两健全相会通过相间耦合 电容和相间耦合互感在故障相上产生感应的恢复电压。在系统运行方式确定和线 路参数已知的条件下，故障相两端的感应电压可以根据网络结构求解出来。在瞬 时性故障和永久性故障这两种故障性质下，端电压的某些特性是存在明显差异 的，通过一定的算法来处理这种差异便能够制定出自适应单相重合闸的判据方 法。但是必须考虑到，同一种判据在不同的线路结构中也会有不同的性能，甚至 不适用。例如，适用于不带并联电抗器线路的判据往往会在带并联电抗器的输电 线路中产生误判，而且误判的概率非常高。 在不带并联电抗器的输电线路中，若发生瞬时性故障，故障相被切开后，故 障消失，其端电压中含有非故障相通过相间电容产生的电容耦合电压和因各相之 间的互感而产生的电磁耦合电压两个分量；但若发生永久性故障，故障相切开后， 故障点仍然存在，那么电容耦合电压中的能量将通过接地点按一定的时间常数放 电并迅速衰减至零，因此其断开相端电压中只含有电磁耦合电压一个分量。所以， 一般认为，瞬时性故障时断开相端电压往往比永久性故障时断开相端电压大。 目前，在高压输电线路中普遍安装了并联电抗器带中性点小电抗器，其目的 不仅是抑制内部工频过电压，吸收线路上的容性无功功率，还涉及到系统稳定、 调相调压、自励磁以及非全相状态下的谐振等方面，同时还能补偿潜供电流，加 快熄弧时间。在带有并联电抗器的线路中，若发生瞬时性故障，断开相端电压中 除了含有工频的电容耦合电压分量和电磁耦合电压分量之外，还含有因电抗、电 容等储能元件引起的自由振荡分量，其自由振荡频率由线路结构及参数确定，但 浙江人学硕，l ：学位论文 第2 章白适应甲，相重合m i u 胝判据皋奉原理 一般低于工频频率。两种不同频率的分量叠加后，断开相端电压将产生一种拍频 的特性。所以，当发生瞬时性故障时，断开相端电压值在某一段时间内会因其拍 频的特性而变得很小。但是，若发生永久性故障，除了工频的电磁耦合电压之外， 工频的电容耦合电压分量和低频的自由振荡分量将通过一直存在故障点放电而 迅速衰减至零。也就是说，在带有并联电抗器的输电线路中，无论是发生瞬时性 故障还是永久性故障，其断开相端电压的值可能在某一段测量时间内都很小，也 就无法使用不带并联电抗器线路中的判据来区别故障性质了。 2 2瞬时性故障