基于低頻電氣量的超高壓交流線路出口故障快速保護

陸琴 申文強

（國網甘肅省電力公司超高壓公司，甘肅蘭州 720000）

0. 引言

在當前階段，一般采用記憶電壓比向、極化電壓比向的方向元件進行故障方向的判斷，動作速度在超過一個工頻周期時難以及時滿足超高壓交流線路快速隔離故障的要求，需要相關單位不斷探索該問題的解決辦法，以減少故障問題的產生。

1.超高壓線路出口故障的概述

超高壓輸電線路存在的作用，是遠程輸電、跨城區輸電的管道和通道，它的穩定運行與國家電網的穩定運行、電能分配等有直接的關系，在故障產生時，對故障方向、故障點的及時探查十分重要。只有及時找到了故障點，才能夠采取措施進行修復，保證電能輸送的正常進行。出口近區故障重點需要關注的就是故障方向的確定與識別，為了推動方向元件動作速度的提升，國內外學者做出了大量的研究和分析。基于故障暫態低頻分量、故障暫態高頻分量的快速方向，元件被提出[1]。

從低頻電氣量的高速方向元件角度出發，考慮到了相應工程建設的可行性與實用性，并結合傳統工頻變化量方向的優勢開展了相關研究。研究發現，傳統方向元件在應用時不受濾波器延時、負荷狀態等的影響，但是，動作速度會受到相應的影響，基于此，有學者針對故障的判斷提出了以下幾種方式。

（1）利用故障分量電流和故障前電壓間的極性關系來判別；（2）以順時無功理論為前提，提出的功率方向元件；（3）以系統參數識別為前提，提出的快速方向元件；（4）在故障已經產生后，從電流突變量和保護安裝處間的極性關系入手進行故障方向的判斷；（5）應用故障分量電流和故障前電流之間的極性關系判斷故障方向。以上這幾種故障識別方式，大多數在使用時都缺少配套的出口故障快速識別元件，無法達成出口故障快速動作的目的[2]。

2.針對低頻量方向元件的研究

2.1 正向故障特征

整個正向故障的展示分為M側、N側兩個方向，系統與反向系統相同，兩側分別由保護背側等值阻抗、故障發生后等值電源電壓等構成。以M側為例，如果這一側發生了正向故障，這時M側的保護背側等值阻抗，就是測量電壓降落u1(t)。計算公式為：

在這個公式中，工頻周期為20ms，em(t)所代表的是在發生故障后的等值電源電壓，而um(t)所代表的則是故障發生后的實際測量電壓[3]。

定義后等值阻抗ZS的計算電壓降落由u2(t)表示，計算公式為：

該公式中im(t)所代表的是故障產生后，保護安裝處的測量電流，L所代表的是背側系統等值阻抗的電感，R代表的其實其電阻。

以上兩個公式所表示的都是發生故障后系統等值阻抗的電壓降落，基于此，能夠判斷u1(1)與u2(t)二者相等，這就意味著在發生故障時故障方向完全相同，即使電源的等值電動勢難以做到直接獲取。但是，因為同步機故障40ms內能夠視為恒定電勢源，所以可以用電源記憶的電動勢來替代電源等值電動勢。計算公式為：

該公式中，em(t-T)所代表的是電源的記憶電動勢，以故障發生前，一個周波的電壓來進行替代，這樣，使用保護安裝處的記憶電流、記憶電壓就可以進行電源記憶電動勢的獲取了。計算公式為：

整個公式中，umj(t)和Rimj(t)分別代表的是保護安裝處的記憶電壓與電流，在保護安裝處發生故障前，要用一個周波的電流、電壓來替代。計算公式為：

2.2 反向故障特征

針對于反響故障的特征分析來說，依舊是以典型的雙端系統為例，分為M側、N側，本文依舊以M側為主進行論述。如果M側發生了反向故障，將M側安裝處的故障電流，用im2(t)表示，系統等值阻抗為、定義線路阻抗為，測量電壓降落則用u3(t)表示[4]。

那么，測量電壓降落的計算公式為：

在系統等值阻抗為Zw、定義線路阻抗為Zt上的計算電壓降落u4(t)的計算公式為：

式中，LL、RL分別為線路電感、電阻，LW、RW則分別代表等值阻抗的電感、電阻，im2(t)所代表的是發生故障后，保護安裝處的測量電流。以上兩個公式所表示的是產生故障后，系統線路阻抗、等值阻抗上的電壓降落值，由此也能夠看出，在產生反向故障時，u3(t)與u4(t)完全相同。

根據上述原理，在故障發生后，N側的電源等值電動勢，也可以用故障發生前的記憶電流與記憶電壓，來進行計算。計算公式為：

綜上，通過分析得出，在正向故障的判斷中，u1(1)與u2(t)二者相等，同時，在產生反向故障時，u3(t)與u4(t)完全相同。由此能夠判斷，它們的變化趨勢是相同的，這樣，就可以利用好這種特性，來進行出口故障方向元件判斷依據的構建。

2.3 對于判據的保護

以上的分析均是針對單向系統而設計的，而三相系統的運行，則需要依據線路阻抗矩陣計算所對應的計算電壓降落、測量電壓降落來判斷。針對單項的接地故障，需要使用故障電流、電壓來計算；而對于相間故障與三相故障來說，則需要使用相間電流、電壓來計算[5]。

因此，為了觀察計算電壓降落與測量電壓降落之間的對比與變化特點，研究人員進行了波形相關系數公式的應用。計算公式為：

通過上述兩個公式能夠得出，

為正向故障。而

為反向故障。式中，rset所表示的是既定門檻，并將其數值設置為0.5，該數值是經過對可靠系數、測量誤差等更方面影響因素的考量后決定的[6]。

3.出口故障識別元件的分析

3.1 出口故障識別元件原理

為杜絕方向元件在正向區外故障時產生誤動，需要進行出口故障快速識別元件的設置。以上文中所提及的典型雙端系統為例進行相應的分析，整個系統分為M、N兩側，以M側為例，對于出口近區的故障保護范圍，可以根據實際情況設置為線路全長的30%左右。在進行出口故障識別元件的分析前，首先要對定義的故障殘壓、整定電壓、金屬性故障等有及時的計算。故障殘壓的計算公式為：

式中，um(t)所表示的是故障發生后，保護安裝處的測量電壓，而uf(t)所代表的則是故障點的電壓。整定電壓的計算公式為：

式中的l、r分別代表被保護線路單位長度的電感、電阻，i(t)所代表的是故障發生后，保護安裝處的測量電流，而lset的數值則是被保護線路全長的約30%。金屬性故障數值的計算公式為：

式中，其他部分都與上兩個公式所表達的意義相同，只有lf是一種新變量，表示的是故障距離。

在超高壓交流線路出口近區處，產生故障時，lf的絕對值會比lset的絕對值小，這時uce(t)的模值則小于uset(t)的模值；而如果故障的產生在非出口近區，lf的絕對值會比lset的絕對值大，這時uce(t)的模值則大于uset(t)的模值。基于此，能夠發現，通過對于uce(t)與uset(t)之間模值大小的判斷，就可以判斷故障是否產生。

由此，也能夠得出出口故障快速識別元件的判據公式為：

式中，?t所代表的是數據窗的長度，而t0所代表的則是故障的發生時刻。

3.2 CVT暫態特性的概述

CVT在超高壓交流線路的電壓測量中，十分常見，在出口近區產生故障時，CVT暫態的過程，故障程度尤為明顯，在其運行的過程中，計算公式為：

提出的出口故障識別元件動作速度也會受到相應的影響，根據相應的傳變理論把計算整定電壓的故障點電壓與電流，通過CVT傳變即可克服其暫態過程的不良影響[7]。在整個過程中，需要注意的是，故障點是未知的，這就需要重新進行故障點電壓的構建，在出口近區的故障發生時，故障發生前的故障點電壓，最好和保護安裝處的電壓相同，這樣就能夠使用后者替代前者，在前者為0時，計算公式為：

基于此，將故障點電壓，經由CVT重新處理后，將其代入至公式：

計算可得：

再根據相應傳變理論將uce_cvt(t)表示如下。

式中，icvt(t)所表示的是經過CVT處理的電流。這時就可以將整定電壓的計算公式進行調整，由于經過CVT的處理，計算公式如下。

需要調整為：

而uce_cvt(t)、uset_cvt(t)二者之間的關系仍然滿足uce_cvt(t)/uset_cvt(t)=lf/lset的條件。基于此，我們能夠得出，經過故障點電壓CVT處理等一系列工序的操作，上述條件仍然滿足、成立，這就說明故障快速識別元件的動作速度沒有受到影響。

4. 結論

本文針對交流線路出口近區故障的解決，進行了相應設計方案的探討，利用了計算電壓降落與測量電壓降落二者故障后的變化進行故障方向的確定，經過研究發現，二者在正向故障時，變化相同，而在反向故障時，變化相反，應用低頻電氣量可有效緩解對于采樣率的需求，抗干擾能力也能夠得到顯著的提升。