王 豐

?

一種輸電線路弱故障識別方法

王 豐

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

輸電線路上的絕大多數(shù)故障都會引起較強(qiáng)烈的行波信號，很容易被保護(hù)裝置檢測到。但是，在某些情況下，或者由于解耦矩陣的限制，線路上的故障信號本身十分微弱。加之一些高頻干擾信號的影響，導(dǎo)致可檢測到的故障信號十分有限，利用行波的保護(hù)將不能準(zhǔn)確捕捉到故障信號，從而導(dǎo)致保護(hù)的拒動(dòng)。本文通過大量的仿真，分析了這類弱故障信號的行波特征，提出了用于識別此類故障的方法，Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了該方法的有效性與可行性。

輸電線路；行波；故障檢測；電壓過零點(diǎn)；弱故障

傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置的保護(hù)原理設(shè)計(jì)基本上都是基于工頻量[1]的，即利用故障前后穩(wěn)態(tài)量呈現(xiàn)出的不同特征來判別故障與否，而對暫態(tài)過程不加以考慮。因此利用工頻量的保護(hù)幾乎不受故障合閘角的影響。隨著保護(hù)原理的發(fā)展，高頻暫態(tài)量逐漸得到重視，如行波保護(hù)[2-3]。與工頻量的保護(hù)恰好相反，它利用故障發(fā)生時(shí)，線路上行波折返射來進(jìn)行保護(hù)原理設(shè)計(jì)，這種利用故障時(shí)產(chǎn)生的高頻信號必然會受到故障合閘角的影響。以單相接地故障為例，當(dāng)故障合閘角為90°時(shí)，產(chǎn)生的暫態(tài)信號最大，最容易被檢測到。但如果故障恰好發(fā)生在電壓過零點(diǎn)或過零點(diǎn)附近[4]，暫態(tài)信號就會很小。本文將上述由于故障合閘角的影響，導(dǎo)致在故障時(shí)刻產(chǎn)生的暫態(tài)信號較小或?yàn)榱愕那闆r稱為弱故障。同時(shí)，各種噪聲干擾[5-6]將進(jìn)一步影響故障信號的檢測，甚至淹沒故障信號。弱故障發(fā)生時(shí)，若行波保護(hù)不能準(zhǔn)確地捕捉到故障信息，則導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)，必將對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響。因此，研究有效可行的方法來識別此類故障將十分必要。

本文通過大量的Matlab/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)，分析了各種不同故障合閘角下的電流行波特征，結(jié)果表明：在如電壓過零點(diǎn)附近，此類弱故障的情況下，電流行波沒有明顯跳變，且從故障時(shí)刻開始基本呈現(xiàn)線性增長，而其他情況下，故障信號較強(qiáng)，電流行波有明顯的跳變。據(jù)此，本文提出了一種用于行波保護(hù)的弱故障識別方法。

1 故障電流的行波特征

為研究不同故障合閘角下的電流行波特征，在Matlab/Simulink中建立如圖1所示的輸電線路模型。線路AB為故障線路，線路參數(shù)：正序阻抗1=(0.01273+j0.2932)W/km，負(fù)序阻抗2=1，零序阻抗0=(0.3864+j1.2957)W/km，線路對地正序電容與負(fù)序電容相等1=2=0.01274mF/km，線路對地零序電容0=0.07751mF/km。

圖1 電力系統(tǒng)模型

分別以A相接地短路，AC兩相接地短路，AB相間短路為例說明，進(jìn)行仿真分析。故障發(fā)生在仿真開始后的0.02s，結(jié)束于0.04s，故障點(diǎn)F在AB線路內(nèi)部距A點(diǎn)65km處。采樣頻率設(shè)為1MHz，用于解耦的矩陣選取凱倫貝爾變換矩陣：

1）A相接地故障

圖2 A相接地短路（故障合閘角為0°）

圖3 A相接地短路（故障合閘角為60°）

2）AC兩相接地短路

圖4 AC相接地短路（故障合閘角為30°）

圖5 AC相接地短路（故障合閘角為60°）

3）AB相間短路

圖6 AB相間短路（故障合閘角為90°）

圖7 AB相間短路（故障合閘角為150°）

由以上6圖可以看到，故障合閘角為0°時(shí)的A相接地短路、故障合閘角為30°時(shí)的AC兩相接地短路以及故障合閘角為150°時(shí)的AB相間短路，在故障時(shí)刻的電流行波基本為零，提取不到電流行波的突變。利用如文獻(xiàn)[7-8]中的方法檢測行波，并形成啟動(dòng)判據(jù)，將導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)。

2 原因及特征分析

出現(xiàn)如圖2、圖4和圖7中故障時(shí)刻電流行波為零的原因有兩個(gè)：①電壓過零點(diǎn)及其附近或經(jīng)高阻接地[9]等弱故障時(shí)（如圖8所示的A相），不會產(chǎn)生電流行波或電流行波較小，測量元件檢測不到；②由于凱倫貝爾變換時(shí)涉及到兩相的減法運(yùn)算，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，有可能由于兩相電壓相等（如圖9所示的AC相，圖10所示的AB相）而導(dǎo)致電流模量為零。

圖8 A相接地短路（故障合閘角為0°）的電壓電流波形

圖9 AC相接地短路（故障合閘角為30°）的電壓電流波形

圖10 AB相間短路（故障合閘角為150°）的電壓電流波形

在以上情況下，應(yīng)用簡單的差分或小波變換[10-11]將不能提取到如圖3、圖5和圖6中故障時(shí)刻的突變量或模極大值。但值得注意的是，它們的電流行波模量絕對值總體是呈上升趨勢的，且基本為線性增長（即認(rèn)為斜率基本相等）。

3 弱故障識別方法及仿真驗(yàn)證

由于誤差的存在，所以電流線模量的導(dǎo)數(shù)不可能完全相等，將式（2）變?yōu)?/p>

若電流線模量的導(dǎo)數(shù)滿足式（3），則認(rèn)為發(fā)生了弱故障。

設(shè)故障點(diǎn)在距離保護(hù)安裝處65km處，過渡電阻為0，得到弱故障下仿真結(jié)果見表1。

在此需要說明的是，在此類特殊故障合閘角時(shí)的電流行波信號都比較微弱，容易被噪聲信號淹沒，以上結(jié)果是在干擾信號較小的情況下實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)論

本文在大量仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，著重分析了弱故障情況下的電流行波特征。根據(jù)弱故障發(fā)生時(shí)，電流行波線模量基本呈線性增長這一特征，本文提出了基于電流線模量求導(dǎo)的弱故障識別方法，仿真實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性。但該方法有一定的局限性，若線路中存在較大的干擾信號，如雷擊等，則本方法也會出現(xiàn)失效的問題?？紤]到大干擾出現(xiàn)的幾率，運(yùn)用本方法來識別電力系統(tǒng)中的弱故障仍具有可行性。

表1 弱故障下各種短路故障的識別結(jié)果

表2 考慮過渡電阻后不同故障距離下的識別結(jié)果

[1] 葛耀中. 新型繼電保護(hù)與故障測距原理與技術(shù)[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 1996.

[2] 鄒貴彬, 高厚磊. 輸電線路行波保護(hù)原理與研究現(xiàn)狀[J]. 繼電器, 2007, 35(20): 1-6, 12.

[3] Aguilera C, Orduna E, Ratta G. Directional traveling- wave protection based on slope change analysis[J]. Power Delivery, IEEE Transactions on, 2007, 22(4): 2025-2033.

[4] 董新洲, 葛耀中, 賀家李, 等. 輸電線路行波保護(hù)的現(xiàn)狀與展望[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2000, 24(10): 56-61.

[5] 姜晟, 舒乃秋, 胡芳, 等. 基于小波變換的含噪聲行波信號奇異點(diǎn)檢測[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2004, 28(10): 59-62.

[6] 董杏麗, 葛耀中, 董新洲. 行波保護(hù)中雷電干擾問題的對策[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2002, 22(9): 74-78.

[7] 梁景芳. 特高壓線路超高速保護(hù)輔助元件研究[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2010.

[8] 魏軍, 羅四倍. 基于信號奇異性檢測的行波啟動(dòng)元件算法的探討[J]. 繼電器, 2007, 35(21): 1-6.

[9] 魏曜, 張堯, 張勇剛, 等. 一起高阻接地故障時(shí)線路差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)的分析及其改進(jìn)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(2): 127-131.

[10] 艾斌, 呂艷萍. 基于小波模極大值極性的行波信號識別[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2003, 27(5): 55-57, 71.

[11] 高俊山, 穆旭明, 鄧立為. 電力系統(tǒng)電纜線故障點(diǎn)信號定位仿真研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2017, 34(8): 151-156.

The method for detecting weak faults in transmission lines

Wang Feng

(College of Electric Engineering & New Energy, China Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002)

The majority of faults on the transmission line can cause intense travelling wave signals, which can be easily detected by the protection device. However, in some cases, or due to the restriction of the decoupling matrix, the fault signal on the line is very weak. Combined with the influence of some high-frequency signals, the fault signal that can be detected is very limited. The protection based on traveling wave will not capture the fault signal accurately, resulting in the miss operation. In this paper, through a large number of simulations, the traveling wave characteristics of such weak fault signals are analyzed, and the methods for identifying such faults have been put forward. The Matlab/Simulink simulation experiments verify the feasibility of the method.

transmission line; traveling-wave; fault detection; voltage zero crossing; weak fault

2017-12-11

王 豐（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。