張書嫻，譚建成

(廣西大學(xué)大學(xué)電氣工程學(xué)院智能變電站技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004)

1 引言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，大容量機(jī)組和超(特)高壓線路逐漸增多，反應(yīng)工頻電氣量的繼電保護(hù)在某些特殊工況下無法滿足動(dòng)作快速性的要求［1］。

行波保護(hù)是利用故障初期出現(xiàn)的電壓行波、電流行波或兩者中含有的故障信息進(jìn)行故障檢測(cè)，能在極短時(shí)間內(nèi)檢出故障并可靠出口。早期的行波保護(hù)裝置有出口短路死區(qū)，無法區(qū)分故障、雷擊和操作等干擾，存在快速性、靈敏性和可靠性之間的平衡問題。

自1983年以來，行波保護(hù)的新動(dòng)向主要有:P.A.Crossly等人提出了行波距離保護(hù)［2］;A.T.Johns等人提出了利用噪聲的保護(hù)［3］，主要利用80kHz左右行波分量;國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了基于工頻變化量的方向保護(hù)和快速距離保護(hù)［4］，其中前兩種只使用單端電氣量，保護(hù)速度更快;國(guó)內(nèi)學(xué)者為提高保護(hù)的可靠性，更傾向于工頻保護(hù)。

計(jì)算機(jī)技術(shù)、高速數(shù)字信號(hào)采集和處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。1998年Z.Q.Bo提出了邊界保護(hù)原理的實(shí)現(xiàn)方案［5］，小波變換和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)也逐漸應(yīng)用于行波保護(hù)理論的研究，這些都為行波保護(hù)的發(fā)展創(chuàng)造了良好條件［6－10］。

2 行波分解

根據(jù)電磁場(chǎng)理論，單根無損導(dǎo)線上的電壓u和電流i是位置x和時(shí)間t的函數(shù)，它們滿足波動(dòng)方程:

式中，L、C為單位長(zhǎng)度電感和電容，該方程有達(dá)朗貝爾解:

由(2)和(3)可得出正向行波和反向行波表達(dá)式:

由此可知，方向行波可由線路上的電壓u和電流i求得。

3 行波線路保護(hù)

3.1 行波差動(dòng)保護(hù)

20世紀(jì)70年代，日本學(xué)者T.Takagi提出行波差動(dòng)保護(hù)［11－12］，其原理基于貝瑞隆方程，并且進(jìn)行了裝置實(shí)現(xiàn)和試運(yùn)行，但由于采樣率比較低，動(dòng)作速度慢，且易受電流互感器飽和的影響，在應(yīng)用于帶并聯(lián)電抗器補(bǔ)償和串聯(lián)電容器補(bǔ)償?shù)妮旊娋€路時(shí)靈敏度不足。隨著小波變換的應(yīng)用，硬件技術(shù)水平的提高，通信、采樣同步技術(shù)的發(fā)展，行波差動(dòng)保護(hù)的可實(shí)現(xiàn)性逐步加強(qiáng)。

圖1 單根無損輸電線路

行波差動(dòng)保護(hù)的理論基礎(chǔ)是建立在方向電流行波在一條無支路的回路中傳播時(shí)其大小不變的原理上的，因此，當(dāng)被保護(hù)線路mn外部短路時(shí)，近故障端(m端)首先提取到正向電流行波，經(jīng)過線路全長(zhǎng)行波傳播時(shí)間t后，該行波到達(dá)遠(yuǎn)故障端(n端)，成為遠(yuǎn)故障端的正向電流行波，如果不計(jì)線路損耗，則相差時(shí)間t的兩端同向行波電流之差應(yīng)該等于0，即式(5)或式(6)成立:

當(dāng)線路mn內(nèi)部發(fā)生短路時(shí)，在mn支路中增加了短路支路，因此式(5)和式(6)所示的等式關(guān)系被破壞，其差動(dòng)行波電流等于短路支路電流。因此，根據(jù)上式所示行波差動(dòng)電流的大小就可以判別是否在區(qū)內(nèi)發(fā)生短路故障。這就是行波差動(dòng)保護(hù)的基本原理。如果以m端為參考點(diǎn)，由m端指向n端方向?yàn)閰⒖挤较?，則方向電流行波的(2倍)測(cè)量方法如式(7)～(10)所示(下文方向電流行波均為2倍值)。

其中，i+m(t)、i－m(t)為m端的正向、反向電流行波;i+n(t)、in(t)為m端看到的n端的正向、反向電流行波，如果以n端為參考點(diǎn)，則i+n(t)、in(t)為n端的反向、正向電流行波。

基于貝瑞隆方程的行波差動(dòng)保護(hù)原理簡(jiǎn)單、明確;從原理上解決了在長(zhǎng)距離輸電線上應(yīng)用是受分布電容影響的問題;空載合閘時(shí)保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。但是由于保護(hù)采用雙端電氣量，因此對(duì)通道的要求高，對(duì)兩端時(shí)間要求也高，且占用的頻帶較寬;另一方面，該保護(hù)受線路電阻和頻率特性的影響，這在長(zhǎng)距離高壓輸電線路中必須注意解決。

3.2 行波距離保護(hù)

20世紀(jì)40年代末就誕生了早期行波法，相應(yīng)的行波故障測(cè)距［13－14］裝置分為 A、B、C、D 四種基本類型，其中A、C型為單端原理，而B、D型為雙端原理。20世紀(jì)90年代以來，現(xiàn)代行波法在暫態(tài)行波提取相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的應(yīng)用以及行波測(cè)距原理和算法的研究方面都取得了重大突破，穩(wěn)定可靠的行波故障測(cè)距裝置已經(jīng)在電力系統(tǒng)中成功運(yùn)用。

圖2 測(cè)距式行波距離保護(hù)原理

以圖2說明測(cè)距式行波距離保護(hù)的原理。側(cè)發(fā)生正方向故障時(shí)，保護(hù)安裝處檢測(cè)到第一次故障行波的時(shí)刻為，故障行波經(jīng)過母線處反射，至故障點(diǎn)再次發(fā)生反射，該反射波到達(dá)保護(hù)安裝處的時(shí)刻為，以表示行波傳播的速度，則故障距離可以表示為:

行波距離保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是使用暫態(tài)故障信息，能克服傳統(tǒng)利用工頻電氣量距離保護(hù)所遇到的一系列難題;僅利用單端量，容易實(shí)現(xiàn)，動(dòng)作速度快;具有保護(hù)和測(cè)距雙重功能。主要問題是受被保護(hù)線路兩端母線的結(jié)構(gòu)影響大;在識(shí)別故障點(diǎn)反射波、對(duì)端母線反射波和背側(cè)母線透射波方面存在困難;該保護(hù)對(duì)硬件要求高，采樣頻率和運(yùn)算速度直接決定了保護(hù)范圍;沒有完善的行波保護(hù)算法，保護(hù)不易整定，如果采用低門檻定值，保護(hù)經(jīng)常誤動(dòng)，如果采用高門檻定值，許多內(nèi)部故障時(shí)保護(hù)將拒動(dòng)。

3.3 行波方向保護(hù)

輸電線路行波方向保護(hù)的核心元件是用于判別故障方向的行波方向元件。早期的行波方向元件利用故障發(fā)生后初始行波來判斷故障方向，該行波方向元件在理論上具有可比擬光速的最快動(dòng)作速度。目前，已研究出的行波方向元件有行波幅值比較式方向元件、行波極性比較式方向元件、波阻抗方向元件、比率式行波方向元件和行波功率方向元件等類型，其中行波極性比較式方向元件已經(jīng)在電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)用。

上述的行波方向元件利用了以下物理現(xiàn)象:正向故障，必定存在反向行波，且反向行波幅值大于正向行波;反向故障，只存在正向行波而不存在反向行波。這是所有行波方向元件的基礎(chǔ)和根本出發(fā)點(diǎn)。

3.3.1 行波幅值比較式方向保護(hù)

行波幅值比較式方向保護(hù)通過比較正向行波與反向行波的幅值大小關(guān)系來判別故障方向。

圖3 正向故障時(shí)正、反向電壓行波

圖3中，m側(cè)發(fā)生正方向故障時(shí)，保護(hù)安裝處檢測(cè)到的反向電壓行波是故障行波入射波，正向電壓行波是故障行波在母線處發(fā)生反射后的反射波，現(xiàn)將電壓行波的折、反射系數(shù)列寫如下:

由于反射系數(shù)絕對(duì)值小于1，可知發(fā)生正方向發(fā)生故障時(shí)，正向電壓行波的幅值小于反向電壓行波。

圖4 反向故障時(shí)正、反向電壓行波

圖4中，m側(cè)發(fā)生反方向故障時(shí)，保護(hù)安裝處檢測(cè)到的正向電壓行波是故障行波在母線處發(fā)生折射后的折射波，而沒有反向電壓行波，可知發(fā)生反方向發(fā)生故障時(shí)，正向電壓行波的幅值大于反向電壓行波。

行波幅值比較式方向保護(hù)的保護(hù)判據(jù)為，比較保護(hù)安裝處檢測(cè)到的正向電壓行波與反向電壓行波的幅值，若反向電壓行波的幅值大于正向電壓行波，判定為正方向故障;若正向電壓行波的幅值大于反向電壓行波，判定為反方向故障。

3.3.2 行波極性比較式方向保護(hù)

行波極性比較式方向保護(hù)［15－17］通過比較故障發(fā)生初期行波電壓和電流極性關(guān)系來判斷故障方向。線路發(fā)生故障時(shí)刻不同，可能在故障點(diǎn)疊加一個(gè)正極性或負(fù)極性的電壓，該電壓與故障發(fā)生前的故障點(diǎn)電壓大小相等、方向相反。故障點(diǎn)疊加電壓后，各母線處檢測(cè)到的電壓行波極性始終與故障點(diǎn)疊加的電壓極性相同，同為正極性或負(fù)極性。而各母線處檢測(cè)到的電流行波極性則不僅與故障點(diǎn)處疊加電壓的極性有關(guān)，還與故障點(diǎn)的位置有關(guān)。

若規(guī)定電流行波的正方向?yàn)橛赡妇€流向線路，則存在以下4種情形:

(1)線路內(nèi)部故障、且疊加電壓極性為正，則兩側(cè)母線檢測(cè)到的電壓行波極性均為正，電流行波極性均為負(fù)，兩側(cè)均滿足電壓行波和電流行波極性相異;

(2)線路內(nèi)部故障、且疊加電壓極性為負(fù)，則兩側(cè)母線檢測(cè)到的電壓行波極性均為負(fù)，電流行波極性均為正，兩側(cè)均滿足電壓行波和電流行波極性相異;

(3)線路外部故障、且疊加電壓極性為正，則兩側(cè)母線檢測(cè)到的電壓行波極性均為正，發(fā)生正向故障的一側(cè)電流行波極性為負(fù)，電壓行波與電流行波極性相異，發(fā)生反向故障的一側(cè)電流行波極性為正，電壓行波與電流行波極性相同;

(4)線路外部故障、且疊加電壓極性為負(fù)，則兩側(cè)母線檢測(cè)到的電壓行波極性均為負(fù)，發(fā)生正向故障的一側(cè)電流行波極性為正，電壓行波與電流行波極性相異，發(fā)生反向故障的一側(cè)電流行波極性為負(fù)，電壓行波與電流行波極性相同。

可見，電壓行波與電流行波極性相異時(shí)判定為正方向故障，電壓行波與電流行波極性相同時(shí)判定為反方向故障。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)保護(hù)采用濾波方式消除暫態(tài)過程的影響，但卻延長(zhǎng)了保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，快速性與可靠性不能完全滿足。行波保護(hù)就是利用暫態(tài)故障信號(hào)分量構(gòu)成保護(hù)原理，但是早前的行波保護(hù)因?yàn)榧夹g(shù)條件限制與制約，存在許多缺陷，可靠性較差。

目前，科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，小波分析的出現(xiàn)，高速信號(hào)采集與處理技術(shù)日趨完善，光互感器的廣泛應(yīng)用等，又為行波保護(hù)的發(fā)展帶來新的生機(jī)。尤其是邊界保護(hù)和基于小波變換的行波保護(hù)，它們不僅提高了保護(hù)的可靠性，而且能深度利用故障信息，構(gòu)造更加穩(wěn)定的行波保護(hù)。故而，具有超高速動(dòng)作性能的現(xiàn)代行波保護(hù)研究高潮即將到來，新型的行波保護(hù)也將會(huì)在超(特)高壓線路［18－20］得到應(yīng)用。

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