配電線路單相接地行波保護的原理計算法

馬飛虎

摘 要：在電力系統不斷發展中，中性點非有效接地系統單相接地保護問題一直困擾著國內外學者。該系統發生單相接地故障時，只能通過對地電容構成回路，故障電流非常小，給保護構成帶來了極大的困難。雖然故障后并不需要立刻切除故障線路，以保障對用戶持續性供電，但是作為一種故障狀態，也應該給予及時的識別和處理，否則很容易因為故障后相電壓升高而導致設備絕緣擊穿，進一步發展為相間故障。

關鍵詞：繼電保護;配電線路;中性點非有效接地;單相接地保護

隨著電力系統的迅速發展，大容量機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與檢測技術在某些特殊工況下無法滿足動作快速性的要求。行波保護是利用故障初期出現的電壓行波、電流行波或者兩者組合中含有的故障信息進行故障檢測的，因而能在極短的時間內檢出故障。早期的行波保護裝置遇到的主要問題是快速性和可靠性之間的矛盾。在動作時間內，如果行波保護無法區分故障、雷擊和操作等各種干擾，就會導致行波保護的誤動作。

一、原理

在輸電線路眾多行波保護原理中，極性比較式方向保護構成簡單，可實現性強，因而得到了學者的廣泛關注。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系在配電線路中同樣成立。配電網往往采用輻射狀網絡結構。為簡化計算，假設母線所有出線波阻抗一致。不難證明，對于任意一條饋線發生單相接地故障，可以得到：

通過式可以得出：當線路發生單相接地故障后，可以檢測到故障行波。對于故障線路，初始電壓行波和初始電流行波的極性相反;對于非故障線路，初始電壓行波和初始電流行波的極性相同。因此，通過檢測線路是否出現故障行波，且電壓行波和電流行波極性是否相反，可以判斷所保護線路是否發生了故障。

二、配電網特殊情況分析

1、靈敏性測試。由于裝置的核心算法在于根據故障后的電流和電壓初始行波極性比較構成判據，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，并可能出現拒動的情況。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、故障過渡電阻和故障點距母線距離。如表所示。

在綜合考慮的情況下，大量測試結果表明，在故障初相角為30°、過渡電阻為300Ω、故障距離為20km 時，裝置可以可靠動作;在故障初相角為10、過渡電阻為0Ω、故障距離為5km 時，保護裝置拒動。在初相角為10-30°時，裝置抗過渡電阻以及抗長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?？紤]到大多數絕緣擊穿發生在電壓幅值較大的時刻，本裝置的靈敏性可以滿足現場需求。實際上，只要故障不是恰好發生在電壓過零點，理論上就應該有故障行波，同時故障電流和電壓行波極性關系也必然滿足保護判據。但是當行波波頭較小時，將會“湮沒”在噪聲之中，很難被檢測到。為了避免噪聲對保護的干擾，在算法中設定了一個小波變換閾值，只有小波變換模極大值高于此閾值時，才會執行行波判據。通過降低閾值可以進一步提高裝置的靈敏性，但是噪聲會對算法造成較大干擾，不利于裝置的穩定運行。因此，本裝置在實際應用中，應該根據現場電磁環境，設定較為合適的閾值。

2、可靠性測試。裝置在實際運行中，可能受到現場復雜電磁環境的干擾，如：由雷擊建筑物或其他金屬構架引起的脈沖磁場干擾;各種無線電波引起的射頻傳導騷擾;在同一供電回路中，多種設備在工作過程中產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和工頻電壓騷擾等。在具體的體現形式上，這些干擾包括高頻噪聲、瞬時脈沖、阻尼衰減的震蕩信號，直流和工頻諧波分量等。本文根據國家相關標準，對復雜電磁環境下裝置的可靠性進行了大量的測試。測試包括輻射電磁場干擾、脈沖群干擾、快速瞬變干擾、靜電放電干擾、浪涌抗擾度、工頻磁場干擾、傳導騷擾干擾、工頻干擾等。測試結果證明，該裝置在復雜電磁環境下具有高可靠性，各種電磁干擾均不會引起保護誤動。

其中，對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，根據小波變換的多分辨分析特性，算法中所采用的二進小波變換的小波分量，均反映了信號的高頻段信息，其對直流和工頻諧波分量干擾有著天然的濾除效果。對于高頻噪聲干擾，經過低通濾波器后，干擾幅值已經非常小了，通過設定合適的小波變換閾值，能夠較好地排除高頻噪聲的干擾。瞬時脈沖干擾由于幅值較高，頻帶較寬，往往經過低通濾波器后，依然有一定的幅值，可能會高于小波變換閾值。但是由于脈沖信號本身能量很低，因此利用小波變換Lipischitz α指數構成干擾識別判據[1]，能夠很好地識別脈沖信號，排除其對保護算法的影響。對于阻尼衰減的振蕩信號，或脈沖群信號，由于其能量較高，頻帶范圍較寬，會周期性出現，因此有一定的概率會滿足行波判據，導致行波模塊誤啟動。但是這種情況下，不會出現穩定的工頻零序電壓，因此通過工頻零序電壓的閉鎖功能，能夠較好地避免這種信號的影響。在相關實驗中，也出現了行波判據誤判，但是因為不滿足工頻電壓判據，裝置不會誤動作。

基于配電線路單相接地行波保護實現方案，包括整體實現方案和保護模塊的軟硬件具體構成。高速數字信號處理器以及復雜可編程邏輯元件，研制了配電線路單相接地行波保護裝置。裝置可以在發生單相接地故障時可靠動作，在出現相間故障或其他擾動時可靠閉鎖;能夠廣泛應用于各種配電線路結構。

參考文獻

[1]葛耀中，賀家李.淺談電磁式電壓互感器暫態仿真及行波傳變特性分析[J].電網技術，2015：72-97.

[2]董新洲，王珺，施慎行.配電線路單相接地行波保護的原理與算法[J].中國電機工程學報，2016，33（10）.

[3]孔瑞忠，畢見廣.基于電流行波的小電流接地選線裝置的試驗[J].電力系統自動化，2016，30（5）：63-67.

[4]施慎行，楊建明.基于暫態行波的接地選線裝置及其現場試驗[J].電力自動化設備，2017，28（6）.

[5]周超，何正友，羅國敏.電磁式電壓互感器暫態仿真及行波傳變特性分析[J].電網技術，2017，31（2）：84-89.