基于恢復電壓拍頻特性的超高壓SPAR優化策略*

寧家興，何柏娜，孔杰，王珍珍，王樂淼，頡雅迪

(山東理工大學 電氣與電子工程學院, 山東 淄博 255049)

0 引 言

隨著電網輸電規模逐步擴大，電壓等級的不斷提高，輸電線路上發生單相接地故障概率也不斷增大，為使電力系統更加安全可靠運行，單相自動重合閘裝置在線路上被普遍使用[1-3]。然而單相自動重合閘動作時具有一定的盲目性，當線路處于永久性故障狀態時，為避免電力系統再次受到短路電流的沖擊，要求重合閘裝置在斷開后不會再次動作，因此選擇可靠的單相自適應重合閘(Single Phase Adaptive Reclosure，SPAR )來識別故障類型，從而準確重合于瞬時性故障，可以有效提高電力系統運行穩定性[4-11]。

目前，對于超高壓輸電線路SPAR的研究主要基于二次電弧階段和恢復電壓階段。文獻[12-14]通過分析二次電弧階段潛供電弧暫態特性，有效捕捉熄弧時刻來區分故障狀態，該類方法能夠確定最佳合閘時間，但需要在十分復雜的故障波形中提取有效信息，對采樣頻率有很高的要求。文獻[15-18]研究了故障相端電壓和并聯電抗器電壓等電氣量特性及計算原理，文獻[19]分析了故障相并聯電抗器差模電流的特征，文獻[20-21]將人工神經網絡等智能算法應用于SPAR故障識別。但是，基于恢復電壓階段的方法對于未考慮拍頻振蕩影響的判據，易產生誤判，存在將瞬時性故障檢測為永久性故障的可能，這就會對國民經濟造成巨大損失，因此，更加可靠的恢復電壓法還有待進一步研究與完善。

文章在詳細分析超高壓輸電線路故障絕緣恢復后與未恢復時中性點小電抗電壓與故障相端電壓拍頻特性的基礎上，利用故障相端電壓理論值和實測值之差與中性點小電抗電壓的比值，將其比值經過一個拍頻周期的檢測來區分故障狀態，并利用EMTP-ATP對兩種故障狀態進行大量仿真，驗證了該優化策略的有效性與可靠性。

1 故障性質判別原理

1.1 中性點小電抗電壓特性

當超高壓輸電線路A相發生單相接地故障，如圖1所示。

圖1 超高壓輸電線路單相接地故障Fig.1 Single phase grounding fault on EHV transmission line

在二次電弧完全熄滅后，線路處于瞬時性故障狀態，即使健全相對故障相存在相間耦合電勢，但是由于瞬時性故障狀態接地點消失，可以近似認為故障相并聯電抗器電流ILA為0，因此ILB+ILC即為注入中性點小電抗的電流ILy；而當線路處于永久性故障狀態時，故障相并聯電抗器線路側有效接地，由于并聯電抗器電感值L遠大于中性點小電抗電感值LN，ILA值與ILN值相比非常小，因此，也可以近似看作ILN=ILB+ILC。

可見，無論超高壓輸電線路處于何種故障狀態，ILN變化都不大，相應的ULN變化也不大。

1.2 恢復電壓階段故障相端電壓拍頻特性

為加快二次電弧的熄滅，超高壓輸電線路普遍采用帶有中性點小電抗的并聯電抗器，這就使得在瞬時性故障時，故障相端電壓中會存在拍頻振蕩現象，下面將具體分析拍頻振蕩產生原理。

電網正常工作時，A相電流和電壓的瞬時值可表示為：

iA(t)=IAcos(ωt)

(1)

uA(t)=UAcos(ωt+φ)

(2)

式中IA、UA分別為A相正常工作時電流、電壓峰值；ω為系統角頻率；φ為電流滯后電壓角度值。

1.2.1 瞬時性故障故障相端電壓瞬時值

對于恢復電壓階段，故障相端電壓工頻分量主要成分為靜電耦合電壓(電磁耦合電壓很小，計算瞬時值時忽略不計)，熄弧后故障相靜電耦合回路如圖2所示。可求得靜電耦合電壓為：

圖2 熄弧后故障相靜電耦合回路Fig.2 Electrostatic coupling circuit of fault phase after arc extinguishing

由于Xm、X0都為容抗，因此，Uy與UMB+UMC相位一致，靜電耦合電壓瞬時值為：

uy(t)=Kcos(ωt+φ+π)

(4)

同時，故障相端電壓中還會包含幅值接近工頻分量、頻率略小于工頻的低頻振蕩分量，其相位與工頻分量相反，瞬時值為：

uf(t)=Kcos(ω′t+φ)

(5)

式中ω′為低頻自振頻率。

由上述可知，瞬時性故障時故障相端電壓在恢復電壓階段瞬時值可表示為：

(6)

1.2.2 永久性故障故障相端電壓瞬時值

當輸電線路處于永久性故障狀態時，由于線路絕緣未能恢復，相對地電容可靠放電，所以故障相端電壓只包含電磁感應電壓Um：

Um=(IB+IC)Zml′

(7)

式中IB、IC分別為非全相運行時流過B、C相的電流；Zm為輸電線路單位長度互感抗，呈感性；l′為輸電線路首端離故障點的長度。

由于Zm呈感性，因此Um超前IB+IC90°，即Um滯后IA90°，永久性故障時故障相端電壓計算公式為：

1.2.3 拍頻振蕩誤判區

圖3 絕緣恢復后拍頻振蕩計算波形誤判區Fig.3 Misjudgment area of beat frequency oscillation calculation waveform after insulation recovery

圖4 恢復電壓階段斷開相端電壓實際仿真波形Fig.4 Actual simulation waveform of fault phase end voltage in recovery voltage stage

1.3 超高壓SPAR優化策略

但對于帶有并聯電抗器的超高壓輸電線路，在線路絕緣恢復之后，恢復電壓階段故障相端電壓和中性點小電抗波形如圖5所示。

圖5 恢復電壓階段斷開相端電壓和中性點小電抗電壓波形Fig.5 Waveform of fault phase end voltage and neutral point reactor voltage at recovery voltage stage

圖6 SPAR優化策略流程圖Fig.6 Flow chart of SPAR optimization strategy

2 故障相端電壓及中性點小電抗電壓計算值

ILAXL+ILNXLN=UMA

(9)

ILBXL+ILNXLN=UMB

(10)

ILCXL+ILNXLN=UMC

(11)

ILA+ILB+ILC=ILN

(12)

ULN=ILNXLN

(14)

因此，要得到ULN的值，關鍵要計算出UMA。為方便計算UMA，將星型連接的并聯電抗器及中性點小電抗經過星三角變換等效成相間補償電感Lm和相對地補償電感L0，見圖7。圖7中Lm、L0與L、LN之間的關系為：

L0=L+3LN

(16)

圖7 星三角等效變換圖Fig.7 Equivalent transformation from star to delta

當線路處于瞬時性故障狀態時，故障相端電壓UMA主要包括健全相對故障相的電磁感應電壓和靜電感應電壓兩部分。電磁感應電壓由相間互感產生，其表達式為：

Um=(IB+IC)Zml

(17)

式中l為輸電線路全長。

靜電耦合電壓在1.2.1節已求得，見式(3)。將線路參數進行T型等效，可以得到瞬時性故障狀態UMA的計算公式：

將式(18)代入式(13)、式(14)中，即可得到瞬時性故障狀態時的ULN。

對于永久性故障狀態，由1.2.2節可知，故障相端電壓只包含電磁感應電壓，即：

UMA=Um=(IB+IC)Zml′

(19)

將式(19)代入式(13)、式(14)中，可以得到永久性故障狀態時的ULN。

在實際工程應用中，不管超高壓輸電線處于何種故障狀態，都是以瞬時性故障狀態作為參考模型，來計算UMA和ULN的值。

3 仿真驗證

3.1 仿真系統參數

利用我國西北電網750 kV、478 km輸電線路，采用EMTP-ATP搭建超高壓輸電線路仿真模型對所提優化策略進行驗證，輸電系統如圖8所示。

圖8 750 kV超高壓輸電系統Fig.8 750 kV EHV transmission system

其中，M、N之間線路參數如表1所示，兩側電源側序參數如表2所示，表3為并聯電抗器及線路耦合參數。

表1 線路參數Tab.1 Parameters of lines

表2 電源序參數Tab.2 Source sequence parameters

表3 并聯電抗器及耦合參數Tab.3 Parameters of shunt reactors and coupling

3.2 仿真結果及分析

利用EMTP-ATP分別對不同故障位置(線路首端、中點、末端)經不同過渡電阻接地等情況進行大量仿真，設置0.075 s時開關斷開，0.225 s時電弧熄滅。圖9為兩種故障狀態末端經500 Ω過渡電阻接地故障相端電壓及中性點小電抗電壓。在第一個拍頻周期內，故障相端電壓存在拍頻振蕩誤判區。圖10為末端經不同過渡電阻接地時比值分布。

圖9 故障相端電壓及中性點小電抗電壓Fig.9 Voltage of fault phase and small reactance voltage at neutral point

圖10 首端不同過渡電阻下比值分布Fig.10 Ratio distribution of different transition resistances at the first end

表4 線路首端經不同過渡電阻接地判斷結果Tab.4 Judgment result of the first end of the line grounding through different transition resistance

表5 線路中點經不同過渡電阻接地判斷結果Tab.5 Judgment result of the midpoint of the line grounding through different transition resistance

表6 線路末端經不同過渡電阻接地判斷結果Tab.6 Judgment result of the terminal of the line grounding through different transition resistance

4 結束語

提出了一種超高壓SPAR故障識別優化策略，在第一個拍頻周期內采集故障相端電壓，利用故障相端電壓理論值和實測值之差與中性點小電抗電壓的比值，檢測比值是否小于所設閾值進行故障狀態識別，在檢測到線路絕緣恢復后，經過短暫延時提前進行合閘操作。該策略不受故障位置和過渡電阻影響，判別精度及可靠性高；且算法對采樣頻率要求不高，易于實現，可為當前微機保護裝置自適應故障識別模塊的推廣使用提供參考。