吳行健，石晶，陳紅坤，陳磊，陳璟瑤

基于短路電流小半波特征的短路故障快速檢測方法

吳行健，石晶，陳紅坤，陳磊，陳璟瑤

(武漢大學(xué)電氣與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430072)

為使超高壓輸電線路上的限流器在短路早期快速投入，短路故障快速檢測方法的研究至關(guān)重要。首先分析了短路電流暫態(tài)特征隨故障初相角等因素的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)部分故障初相角短路工況下電流呈現(xiàn)小半波特征的現(xiàn)象，此時傳統(tǒng)檢測方法難以滿足速動性的要求。然后提出了一種基于短路電流小半波特征的檢測判據(jù)，利用電流瞬時值或變化率的零點間隔作為檢測量，與傳統(tǒng)檢測判據(jù)配合，實現(xiàn)了任意故障初相角下的短路快速檢測，并保證了在負荷投切等干擾工況下的可靠性。最后通過離線仿真、現(xiàn)場短路試驗驗證了該方法的有效性。結(jié)果表明所提方法能在2.9 ms內(nèi)辨識出短路故障。

短路故障快速檢測；故障電流初相角；小半波特征；零點間隔；現(xiàn)場短路試驗

0 引言

隨著電力系統(tǒng)負荷的增長以及電網(wǎng)耦合程度的加深，電網(wǎng)的短路電流水平日益增長，成為制約我國電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的主要問題之一。其中，華東電網(wǎng)短路電流超標最為嚴重，有19.1%的變電站短路電流超過了63 kA(目前500 kV斷路器的遮斷容量上限)，并且隨著特高壓變電站的接入，問題日益嚴峻[1-4]。廣東電網(wǎng)已有多個500 kV 站點的母線短路電流水平超過了斷路器的遮斷容量，對電網(wǎng)運行安全構(gòu)成威脅，因此，短路電流限制技術(shù)成為當(dāng)下的研究重點。

目前應(yīng)對超高壓電網(wǎng)短路電流超標問題，有3種常見解決方式：調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、改變系統(tǒng)的運行方式和加裝限流設(shè)備[5-11]。裝設(shè)運行靈活、性能良好、經(jīng)濟合理的故障電流限制器(Fault Current Limiter, FCL)已成為當(dāng)下有效且可行的方案。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，F(xiàn)CL必須先于高壓交流斷路器動作，因此希望FCL的控制系統(tǒng)能夠在2～3 ms內(nèi)識別出短路故障，使得FCL投入電網(wǎng)，以限制短路電流給系統(tǒng)或設(shè)備帶來熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定的沖擊。并且，要求FCL控制系統(tǒng)在各種干擾工況下不會誤動。

經(jīng)過長期研究，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多短路故障檢測方法[12-19]，但仍然難以同時滿足快速性和可靠性的要求。文獻[12]提出基于電流瞬時值變定值的故障檢測方法，通過快速檢測電路將整定值與正常工作電流同步，理論上可以提高故障識別的速度，但該方法對硬件設(shè)備要求高，尚缺乏相關(guān)試驗研究。文獻[13-14]將三相電流平方和的比值作為故障檢測量，對所提方法在故障工況與干擾工況下的有效性進行了詳細分析，結(jié)果表明該方法在三相短路故障工況下檢測時間短，但在部分故障電壓初相角的單相接地故障工況下檢測時間過長，并且無法判斷故障相別，難以實現(xiàn)快速開關(guān)的分相控制。文獻[15]結(jié)合華東電網(wǎng)故障電流限制器示范工程，提出了基于瞬時值和斜率配合的故障檢測方法，將兩種判據(jù)在5 ms內(nèi)相繼達到整定值認定為FCL檢測到故障，已經(jīng)通過多年工程實踐檢驗，但該方法在部分故障初相角的短路工況下仍然存在快速檢測的“盲區(qū)”。文獻[16]在上述研究的基礎(chǔ)上，采用相電流差替代電流斜率進行故障快速檢測，有效縮短了總體檢測時間，基于現(xiàn)場短路電流數(shù)據(jù)驗證了該方法可以在10 ms內(nèi)檢測到故障，但對于上述方法存在的快速檢測“盲區(qū)”問題并無改善。綜上所述，目前應(yīng)用于FCL控制系統(tǒng)的故障快速檢測方法在部分故障初相角的短路工況下難以滿足速動性的要求，如何實現(xiàn)任意故障初相角的短路工況下快速、可靠地識別出短路故障，仍需要進行不斷探索，尋找出具備普適性的故障快速檢測方法[20-22]。

針對上述問題，本文提出一種基于短路電流小半波特征的短路故障快速檢測方法。首先分析了輸電線路發(fā)生短路故障時電流暫態(tài)特征的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了部分故障初相角下短路早期電流呈現(xiàn)瞬時值或變化率小半波的現(xiàn)象，揭示了小半波特征是傳統(tǒng)故障檢測方法難以在任意短路故障初相角的短路工況下滿足速動性的根本原因。根據(jù)小半波特征的特點，提出了零點間隔判據(jù)，利用電流瞬時值或變化率的過零點時間間隔進行故障辨識，與電流瞬時值判據(jù)、電流變化率判據(jù)配合形成故障快速檢測融合方法，為超高壓輸電線路短路故障快速檢測技術(shù)提供了新的思路。依托南方電網(wǎng)500 kV超高壓電網(wǎng)故障電流限制器示范工程項目，結(jié)合離線仿真與現(xiàn)場人工短路試驗驗證了所提方法的有效性。

1 ?短路電流暫態(tài)特征變化規(guī)律

1.1 短路早期電流小半波特征

圖1 電力系統(tǒng)單線等效模型

假設(shè)短路故障前線路電流為

當(dāng)F點發(fā)生短路故障，由于電感電流不突變，短路發(fā)生后的全電流公式為

其中

此時，兩個分量的初值可以表示為

圖2 Iac0、Idc0隨b的變化曲線(工況1)

圖3 短路后電流隨t的變化曲線(工況1)

圖4 電流小半波示意圖(工況1)

圖5 Iac0、Idc0隨b的變化曲線(工況2)

圖6 電流小半波示意圖(工況2)

1.2 短路電流小半波的影響因素

充分展示自己就要將自己的長處展示給其他的同行人員，通過行業(yè)中的平臺分享、交流各自的問題、新的方法、技術(shù)、源于實踐的感悟等各種信息，促進行業(yè)整體向前發(fā)展，營造百花齊放的“春天盛景”[6]。工程造價是一個不可能獨自完成的工作項目永遠需要的是大量的資源和信息，因而要堅決的否定“閉門造車”式的工作方法。

圖7 電流小半波特征下n、Dj和 b的關(guān)系圖

2 ?基于零點間隔的短路故障快速檢測判據(jù)

2.1 判據(jù)原理

2.2 短路故障快速檢測方法

根據(jù)超高壓系統(tǒng)FCL的動作要求，高短路電流水平工況下FCL應(yīng)快速動作，降低短路電流對系統(tǒng)的危害，保證斷路器的正常開斷；在線路正常運行、負荷投切、功率補償、低短路電流水平等工況下，F(xiàn)CL應(yīng)可靠不動作，保證經(jīng)濟性。使用單一判據(jù)進行故障檢測往往不能同時滿足上述快速性和可靠性的要求，目前應(yīng)用于FCL運行控制系統(tǒng)的故障快速檢測方法多采用兩種檢測判據(jù)相互配合的方案，可有效提高檢測方法的可靠性。

華東電網(wǎng)故障電流限制器示范工程采用了電流瞬時值與電流變化率判據(jù)相互配合的故障快速檢測方法[13]，但該方法無法保證任意故障初相角短路工況下短路檢測的速動性要求，后文將對比分析。

圖8 短路故障快速檢測方法框圖

3 ?仿真分析

圖9 500 kV系統(tǒng)簡化模型

圖10 不同故障快速檢測方法響應(yīng)特性曲線對比圖

由圖10可知，在預(yù)期短路電流水平以上的短路工況下，方法一最長和最短的檢測時間均低于方法二，證明零點間隔判據(jù)對故障快速檢測方法的快速性有明顯提升。此外，方法一與方法二的檢測時間在不同短路電流水平條件下均呈現(xiàn)反時限特性，短路電流水平越高，檢測時間越短。在短路電流水平為30 kA以上時，方法一的檢測時間小于2.9 ms，完全能夠滿足限流器控制器的動作要求。

表1 30 kA短路電流水平短路工況下兩種方法的檢測時間(工況1)

同理，對工況2條件下的仿真結(jié)果也進行了分析，兩種方法的檢測時間如圖11所示。由圖11可知，在故障電壓初相角為30o～90o、110o～180o的短路工況下，方法一的檢測時間短于方法二。故障初相角為110o～180o的短路工況下短路前后電流波形與圖6類似，電流瞬時值零點間隔滿足判斷條件，零點間隔判據(jù)能在0.2～1.0 ms內(nèi)檢測出短路故障，縮短了方法的整體檢測時間。故障初相角為30o～90o的短路工況下電流波形不呈現(xiàn)為小半波特征，短路前電流波形與圖4中的情況相似，短路后電流波形呈現(xiàn)大半波特征，由于短路前后電流變化率存在兩次相近的過零點，與工況1中小半波特征下變化率零點間隔規(guī)律相同，零點間隔判據(jù)也能在0.1～0.4 ms內(nèi)快速辨識到短路故障。由此可見，零點間隔判據(jù)在小半波特征之外的部分短路工況也能起到縮短短路故障檢測時間的作用。

圖11 30 kA短路電流水平短路工況下兩種方法的檢測時間(工況2)

除此之外，為驗證方法的可靠性，設(shè)置了噪聲、諧波、負荷投切、功率補償?shù)雀蓴_工況，負荷設(shè)置于母線N處，通過斷路器實現(xiàn)投切操作，具體參數(shù)見表2。仿真結(jié)果表明，本文所提方法在以上干擾工況下均不會誤動，滿足限流器的運行要求。

表2 干擾工況試驗參數(shù)

綜上所述，本文所提方法能夠有效消除部分故障初相角短路工況下快速檢測的“盲區(qū)”，實現(xiàn)任意故障初相角短路工況下的快速檢測，與目前工程上應(yīng)用的方法在快速性上相比存在優(yōu)勢，并且具有較高的可靠性，為故障快速檢測技術(shù)提供了新的思路。

4 ?現(xiàn)場人工短路試驗驗證

依托南方電網(wǎng)500 kV超高壓電網(wǎng)故障電流限制器示范工程項目，于廣東電網(wǎng)某輸電線路13 km處進行了B相接地人工短路試驗，試驗前線路為空載，預(yù)計短路電流水平為19 kA。試驗采用無人機驅(qū)動的高壓輸電線路瞬時短路試驗方法。FCL運行控制系統(tǒng)采樣頻率為10 kHz，采用本文所提方法對短路故障進行辨識。FCL與線路串聯(lián)，使用羅氏線圈采集電流信號，F(xiàn)CL拓撲結(jié)構(gòu)及羅氏線圈安裝位置如圖12所示，F(xiàn)CL未投入時為雙臂通流，因此FCL采集的電流為線路電流的一半，考慮FCL結(jié)構(gòu)和所提方法的響應(yīng)特性，對雙臂電流6.6 kA(單臂3.3 kA)進行整定。FCL控制系統(tǒng)中電流瞬時值與電流變化率的錄波波形如圖13所示。

圖12 FCL拓撲結(jié)構(gòu)及羅氏線圈安裝位置

圖13 現(xiàn)場短路試驗電流及動作信號波形

試驗結(jié)果表明，F(xiàn)CL運行控制系統(tǒng)的總體檢測時間為0.7 ms，經(jīng)過9.5 ms后開關(guān)快速開斷，限流器進入限流態(tài)。由圖13可知，故障發(fā)生時刻為0.0415 s，單臂短路電流水平為9.54 kA，電流峰值為14.7 kA。對比分析故障錄波儀中電流和電壓波形得知，短路前線路電流呈容性，大小為48.81 A，故障電壓初相角為85o。根據(jù)錄波波形中的動作信號波形，零點間隔判據(jù)識別時間為0.3 ms，電流變化率判據(jù)識別時間為0.7 ms，電流瞬時值判據(jù)識別時間為1.6 ms。試驗結(jié)果與理論分析一致，零點間隔判據(jù)能夠有效縮短方法對短路故障的檢測時間。

此外，在現(xiàn)場短路試驗前的升流(200 A、400 A、600 A)試驗及斷路器合閘、線路空充等試驗操作下，方法均未誤動，方法的可靠性也同時得到了驗證。

5 ?結(jié)論

本文提出了一種基于短路電流小半波特征的故障快速檢測判據(jù)，與電流瞬時值判據(jù)、電流變化率判據(jù)配合，可用于FCL等非自觸發(fā)快速開關(guān)型的電流開斷裝置，提高開斷裝置的響應(yīng)速度。主要工作及研究結(jié)論如下。

1) 分析了短路電流暫態(tài)特征隨故障初相角、相位跳變量、幅值跳變量變化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了部分故障初相角下短路早期電流呈現(xiàn)小半波特征的現(xiàn)象，揭示了小半波特征是傳統(tǒng)故障檢測方法難以在全故障初相角下滿足速動性的根本原因。

2) 提出了基于小半波特征的故障快速檢測方法，利用電流瞬時值或變化率的過零點時間間隔作為檢測量，能夠有效消除部分故障初相角短路工況下快速檢測的“盲區(qū)”，與電流瞬時值、變化率判據(jù)配合，可以實現(xiàn)任意故障初相角短路工況下的短路故障快速檢測。

3) 通過離線仿真試驗、現(xiàn)場人工短路試驗，驗證了所提方法的有效性，所提出的識別方法比目前工程中采用的方法快速性更好，為故障快速檢測技術(shù)提供了新的思路。

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Fast short-circuit fault detection method based on a small half-wave feature

WU Xingjian, SHI Jing, CHEN Hongkun, CHEN Lei, CHEN Jingyao

(School of Electrical Engineering and Automation, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

To put the fault current limiter on a UHV transmission line into operation quickly in the early stage of a fault, research is conducted on a fast short-circuit fault detection method. First, the transient characteristics of the short-circuit current with initial phase angle and other factors are analyzed, and it is found that the early short-circuit current at some initial phase angle presents small half-wave characteristics. The traditional detection method finds it difficult to meet the speed requirements for action. Then, a detection criterion based on the small half-wave characteristic of the short-circuit current is proposed. This uses the zero-crossing time interval of the instantaneous value or of the rate of change to quickly identify short-circuit faults.The fast detection of a short-circuit fault at any fault initial phase angle can be realized by combining with the traditional criterion, andthe reliability under load switching and other interference conditions is guaranteed. Finally, the effectiveness of the fault detection method is verified by offline simulation tests and a field short circuit test. The test results indicate that the detection time of the proposed method can be within 2.9 ms.

fast short-circuitfault detection; initial phase angle of fault current; small half-wave feature; zero-crossing time interval; field short circuit test

10.19783/j.cnki.pspc.211416

2021-10-21；

2022-01-04

吳行健(1997—)，男，碩士研究生，研究方向為短路故障快速檢測與辨識技術(shù)；E-mail: wuxingjian0426@163.com

石 晶(1969—)，女，通信作者，博士，副教授，研究方向為開關(guān)電器及理論電工；E-mail: shi.jing@whu.edu.cn

陳紅坤(1967—)，男，博士，教授，研究方向為智能電網(wǎng)運行與控制、電力系統(tǒng)安全評估、電能質(zhì)量分析與環(huán)境評估。E-mail: chkinsz@163.com

國家重點研發(fā)計劃項目資助(2018YFB0904300)，中國南方電網(wǎng)公司科技項目資助(GZHKJXM20180087)

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2018YFB0904300).

(編輯 許 威)