馬飛虎

摘 要：在電力系統(tǒng)不斷發(fā)展中，中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)單相接地保護(hù)問(wèn)題一直困擾著國(guó)內(nèi)外學(xué)者。該系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，只能通過(guò)對(duì)地電容構(gòu)成回路，故障電流非常小，給保護(hù)構(gòu)成帶來(lái)了極大的困難。雖然故障后并不需要立刻切除故障線路，以保障對(duì)用戶持續(xù)性供電，但是作為一種故障狀態(tài)，也應(yīng)該給予及時(shí)的識(shí)別和處理，否則很容易因?yàn)楣收虾笙嚯妷荷叨鴮?dǎo)致設(shè)備絕緣擊穿，進(jìn)一步發(fā)展為相間故障。

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù);配電線路;中性點(diǎn)非有效接地;單相接地保護(hù)

隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，大容量機(jī)組和超高壓輸電線路逐漸增多，反映工頻電氣量的繼電保護(hù)與檢測(cè)技術(shù)在某些特殊工況下無(wú)法滿足動(dòng)作快速性的要求。行波保護(hù)是利用故障初期出現(xiàn)的電壓行波、電流行波或者兩者組合中含有的故障信息進(jìn)行故障檢測(cè)的，因而能在極短的時(shí)間內(nèi)檢出故障。早期的行波保護(hù)裝置遇到的主要問(wèn)題是快速性和可靠性之間的矛盾。在動(dòng)作時(shí)間內(nèi)，如果行波保護(hù)無(wú)法區(qū)分故障、雷擊和操作等各種干擾，就會(huì)導(dǎo)致行波保護(hù)的誤動(dòng)作。

一、原理

在輸電線路眾多行波保護(hù)原理中，極性比較式方向保護(hù)構(gòu)成簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，因而得到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。其基本原理為比較故障初始電流行波和電壓行波的極性，如果兩者極性相反，則為正方向故障;如果極性相同，則為反方向故障。初始電流行波和初始電壓行波的極性關(guān)系在配電線路中同樣成立。配電網(wǎng)往往采用輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)母線所有出線波阻抗一致。不難證明，對(duì)于任意一條饋線發(fā)生單相接地故障，可以得到：

通過(guò)式可以得出：當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障后，可以檢測(cè)到故障行波。對(duì)于故障線路，初始電壓行波和初始電流行波的極性相反;對(duì)于非故障線路，初始電壓行波和初始電流行波的極性相同。因此，通過(guò)檢測(cè)線路是否出現(xiàn)故障行波，且電壓行波和電流行波極性是否相反，可以判斷所保護(hù)線路是否發(fā)生了故障。

二、配電網(wǎng)特殊情況分析

1、靈敏性測(cè)試。由于裝置的核心算法在于根據(jù)故障后的電流和電壓初始行波極性比較構(gòu)成判據(jù)，因此在初始行波波頭不明顯的情況下，裝置的靈敏性將降低，并可能出現(xiàn)拒動(dòng)的情況。研究表明，影響故障后行波波頭幅值的因素主要包括故障初相角、故障過(guò)渡電阻和故障點(diǎn)距母線距離。如表所示。

在綜合考慮的情況下，大量測(cè)試結(jié)果表明，在故障初相角為30°、過(guò)渡電阻為300Ω、故障距離為20km 時(shí)，裝置可以可靠動(dòng)作;在故障初相角為10、過(guò)渡電阻為0Ω、故障距離為5km 時(shí)，保護(hù)裝置拒動(dòng)。在初相角為10-30°時(shí)，裝置抗過(guò)渡電阻以及抗長(zhǎng)故障距離的性能有不同程度的下降。因此，故障初相角是決定裝置靈敏性的最重要的指標(biāo)。考慮到大多數(shù)絕緣擊穿發(fā)生在電壓幅值較大的時(shí)刻，本裝置的靈敏性可以滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。實(shí)際上，只要故障不是恰好發(fā)生在電壓過(guò)零點(diǎn)，理論上就應(yīng)該有故障行波，同時(shí)故障電流和電壓行波極性關(guān)系也必然滿足保護(hù)判據(jù)。但是當(dāng)行波波頭較小時(shí)，將會(huì)“湮沒(méi)”在噪聲之中，很難被檢測(cè)到。為了避免噪聲對(duì)保護(hù)的干擾，在算法中設(shè)定了一個(gè)小波變換閾值，只有小波變換模極大值高于此閾值時(shí)，才會(huì)執(zhí)行行波判據(jù)。通過(guò)降低閾值可以進(jìn)一步提高裝置的靈敏性，但是噪聲會(huì)對(duì)算法造成較大干擾，不利于裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，本裝置在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境，設(shè)定較為合適的閾值。

2、可靠性測(cè)試。裝置在實(shí)際運(yùn)行中，可能受到現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，如：由雷擊建筑物或其他金屬構(gòu)架引起的脈沖磁場(chǎng)干擾;各種無(wú)線電波引起的射頻傳導(dǎo)騷擾;在同一供電回路中，多種設(shè)備在工作過(guò)程中產(chǎn)生的電快速瞬變干擾;在變電站由于各種操作引起的電弧燃燒而產(chǎn)生的脈沖群干擾;或因工頻電流以及變電站地電位升高引起的工頻磁場(chǎng)和工頻電壓騷擾等。在具體的體現(xiàn)形式上，這些干擾包括高頻噪聲、瞬時(shí)脈沖、阻尼衰減的震蕩信號(hào)，直流和工頻諧波分量等。本文根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下裝置的可靠性進(jìn)行了大量的測(cè)試。測(cè)試包括輻射電磁場(chǎng)干擾、脈沖群干擾、快速瞬變干擾、靜電放電干擾、浪涌抗擾度、工頻磁場(chǎng)干擾、傳導(dǎo)騷擾干擾、工頻干擾等。測(cè)試結(jié)果證明，該裝置在復(fù)雜電磁環(huán)境下具有高可靠性，各種電磁干擾均不會(huì)引起保護(hù)誤動(dòng)。

其中，對(duì)于直流和工頻諧波分量干擾，由于本裝置采用高頻行波作為故障判據(jù)，根據(jù)小波變換的多分辨分析特性，算法中所采用的二進(jìn)小波變換的小波分量，均反映了信號(hào)的高頻段信息，其對(duì)直流和工頻諧波分量干擾有著天然的濾除效果。對(duì)于高頻噪聲干擾，經(jīng)過(guò)低通濾波器后，干擾幅值已經(jīng)非常小了，通過(guò)設(shè)定合適的小波變換閾值，能夠較好地排除高頻噪聲的干擾。瞬時(shí)脈沖干擾由于幅值較高，頻帶較寬，往往經(jīng)過(guò)低通濾波器后，依然有一定的幅值，可能會(huì)高于小波變換閾值。但是由于脈沖信號(hào)本身能量很低，因此利用小波變換Lipischitz α指數(shù)構(gòu)成干擾識(shí)別判據(jù)[1]，能夠很好地識(shí)別脈沖信號(hào)，排除其對(duì)保護(hù)算法的影響。對(duì)于阻尼衰減的振蕩信號(hào)，或脈沖群信號(hào)，由于其能量較高，頻帶范圍較寬，會(huì)周期性出現(xiàn)，因此有一定的概率會(huì)滿足行波判據(jù)，導(dǎo)致行波模塊誤啟動(dòng)。但是這種情況下，不會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的工頻零序電壓，因此通過(guò)工頻零序電壓的閉鎖功能，能夠較好地避免這種信號(hào)的影響。在相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，也出現(xiàn)了行波判據(jù)誤判，但是因?yàn)椴粷M足工頻電壓判據(jù)，裝置不會(huì)誤動(dòng)作。

基于配電線路單相接地行波保護(hù)實(shí)現(xiàn)方案，包括整體實(shí)現(xiàn)方案和保護(hù)模塊的軟硬件具體構(gòu)成。高速數(shù)字信號(hào)處理器以及復(fù)雜可編程邏輯元件，研制了配電線路單相接地行波保護(hù)裝置。裝置可以在發(fā)生單相接地故障時(shí)可靠動(dòng)作，在出現(xiàn)相間故障或其他擾動(dòng)時(shí)可靠閉鎖;能夠廣泛應(yīng)用于各種配電線路結(jié)構(gòu)。

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