高压输电线路行波故障选相及测距研究

高压输电线路行波故障选相及测距研究

郑勇

安徽龙源风力发电有限公司

摘要：由于距离的原因，输电线路暴露在复杂的环境中，从而增加了短路的风险。短路故障可能导致电网大规模断电，严重威胁到经济生产和人民的生命。在电气系统中，有四种可能的短路类型:单相接地短路、接地短路、接地短路和接地短路。短路通常是由于输电线路绝缘材料老化、设计缺陷、诸如强风和冰等自然灾害、劳动力使用不当以及诸如鸟类、树枝和塑料薄膜等物体之间的连接造成的。

关键词：高压输电线路；行波故障选相；测距研究

引言

目前，我国已经建成和在建多条超、特高压输电线路，并逐渐形成超、特高压大电网的格局，而高性能的继电保护可以保证输电线路在发生故障后被正确切除，使其他正常线路不受影响，是超、特高压输电线路稳定运行的重要支撑。随着电压等级不断提升、输电容量不断增大，对超、特高压交流输电线路继电保护的性能提出了更高的要求。使用新型硬件、优化软件算法设计一套基于工频量的高可靠性后备保护，与行波保护进行完美配合，在任何条件下都能有效判断出故障，并对系统振荡能够有效识别，对行波保护进行补充和后备、加速行波保护作为主保护投运于实际线路具有重大意义。

1行波基本概念

传输过程中，电压加载到输电线路上，电流通过导线，输电线路周围有磁场和电场。当输电线路电压随时间变化时，周围电场和磁场发生变化，电磁波传播发生变化，输电线路电流和电压也以电磁波的形式在输电线路上传播。电力系统输电线路正常工作时，线路电流和电压由正弦波或正弦波表示，但在短路时，线路电流和电压的波动可能会发生变化。由于输电线路容量分布与电感分布的关系，短路故障产生的电压电流作为电磁场的波在线路两端传播，形成电压/电流波。这些故障波包含故障分析所需的信息，如故障距离、故障时间、故障类别、故障阶段路径等。虽然可以准确地提取和分析线路故障时的电压和电流数据，但可以快速准确地获取故障信息，以消除故障并保持电力系统的稳定性。

2故障线路的暂态行波特征

反射、高压输电线路故障暂波折射率与母线末端连接方式密切相关，可根据输电线路母线类型分为三类:母线类的线路输出数为1，并配有变压器二类总线输出数为2，不限于变压器；三种总线类型的输出数均大于或等于3，且不限于变压器。当高压故障回路的临时电压和电流波在传播过程中发生特性阻抗变化时，会在该位置发生折射和反射效果，故障回路的电压和电流波值受母线末端发生次数的影响。

　基于高压输电线路故障点反射波的初始折射和分类:(1)m总线与故障点之间的往返反射波；(2)n总线反射的行波在故障时返回折射波；(3)从总线n反射到故障发生点的波，然后反射到总线m传输的波；(4)从故障点传送到m总线并通过故障点的2级行波；(5)一级行波，从故障点传送到n路并通过故障点返回m路。假设有一条总长度为l的高压输电线路，在t0=0时发生故障，故障节点与m总线之间的距离为x，故障的瞬态初始折射，到达Mt1、Mt2时反射到m端的行波， UFO瞬态电压行波和高压输电线路母线测量端瞬态电流行波分别为：

从上面(1)和(2)可以看出故障线的暂态电压、电流行波的幅度以及总线上输出线路的数量是直接相连的。其中，瞬态电压行波的振幅随母线末端n输出数的增加而减小，而瞬态电流行波的振幅随母线末端n输出数的增加而增大。根据线的曲折反射规律，误差区域分为表1所示的4个部分和0 ~ 3范围内的行波类别(指行波在测量结束时的初始误差点时间)。

3行波与工频保护动作配合方案

基于行波起动信息的加速后备保护。行波起动元件具有一定的抗过渡电阻能力，过渡电阻较高时，起动元件可以动作但最后行波保护不会出口。造成这一现象的主要因素有以下几点，第一，实际的输电线路不是无损线，因此行波从一端传播到另一端会有衰减，正常情况下的差动计算结果不是零；第二，由于实际装置的采样

图2行波、工频起动元件配合示意图

率有限，会造成截断误差，以10kHz采样率为例，行波传播速度与光速近似相等，一个采样周期100μs行波传播的距离为30km，如此精度难以获得双端恰好相差线路传输时延t的数据；第三，线路两端硬件条件不可能完全一致，包CT、CVT变比、传输特性、装置采样精度等。以上条件就造成系统正常运行或区外故障时，线路两端存在不平衡行波电流，为了躲避这个电流，需要设定一个差动门槛值，这个值通常由区外出口处三相短路时的最大不平衡差动电流决定，这个门槛值决定了能够耐受过渡电阻的能力。另一方面，工频后备保护在区内高过渡电阻时判据仍然成立，但为了与相邻线路进行配合，需要设定一定延时，以零序三段为例，其耐过渡电阻能力可以达到很高，但需要2.5s才能延时动作，这对于保护而言是极为不利的，因此，整个行波保护系统在区内高阻故障时表现特性不好，为了解决这一问题，可以考虑到行波差动保护两端使用GPS进行对时，实时传输电压、电流数据、起动信息、跳闸信息等，工频保护可以对这些数据加以利用，便可以提高区内高阻故障的动作速度。距离保护三段以躲过最大负荷为整定依据，而负荷大小不是确定的；零序方向过流保护的Ⅲ段以躲开本端线路末端相间短路时的最大不平衡零序电流来整定，而相间故障时不存在零序分量，因此零序保护耐受过渡电阻的能力很强，另外，零序保护不受系统振荡影响，与行波差动保护躲避振荡的特点不谋而合，再有，过渡电阻较大一般是由于接地故障导致的，相间故障一般过渡电阻不会很大，接地故障中只有三相故障不存在零序分量，发生三相高阻接地故障的概率几乎为零，因此可以不考虑其影响。

4双源电力系统短路故障仿真分析

双电源系统模型设置了四种模拟短路故障:三相短路、二相短路、二相接地短路和单相接地短路。故障仿真时间设置为[0.0350.050]，选择故障点处电流的三相电压和波形作为采样数据，并观察不同短路状态下电流的电压和波形变化，如图3所示。三相电流和波形。

图3不同类型短路故障短路电压、电流波形图

仿真结果表明，在0.035s之前，电压波在所有图形中均为标准正弦波。0.035s输电线路短路故障时，短路电压波形因故障类型而异，图3(a)中相位a、b、C b和c的电压立即降至0；在图3(b)中，相位a和相位b的电压幅度值突然为零，相位c电压幅度值的增加为正弦波；在图3(c)中，相位a和相位b的电压立即降至零，相位c的电压波形基本保持不变；在图3(d)中，相位a电压幅度突然为零，相位b电压幅度和相位c电压幅度基本保持不变。在0.035s之前，未发生短路，并且所有模拟图面中的三相电流值均为0。当0.035s输电线路短路故障时，短路电流波形因故障类型而异，图3 a中三相电流a、b、C b和c的幅值迅速增大，呈现准正弦波传播；图3(b)和(c)中故障点a和b的三相电流a和b的振幅值迅速增加，显示出正弦波附近的波传播；相线a的电流从图3 d中的故障点变化，电流幅值快速增加，并且具有接近正弦波的波传播。通过对故障类型的模拟和示波器波形的显示，可以看出短路电流变得非常大，短路电流由于短路热效应而在实际电路中产生大量热量，需要电路中导体的强热阻。

结束语

由于电网电压不断增加，范围不断扩大，传统的电涌保护器不适用于电动机支架。电涌保护器是高压和长距离电力线的理想主要支柱，但在实践中仍然存在很多不足之处，原因是电流分布不均、考虑了电波传输延迟、系统振荡抑制、运动速度等。根据线路波长系统的经验和进一步发展，线路波长将是今后停电时最重要的精确定位方法。

参考文献

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