基于故障相并联补偿电流变化特征的单相自适应重合闸郑 涛１，刘 敏１，董淑惠２（１．新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京市１０２２０６；２．华北电力大学电气与电子工程学院，河北省保定市０７１００３）摘要：针对带并联电抗器的超高压输电线路，详细分析了发生单相瞬时及永久性故障时，故障相并联补偿电流自由分量的故障特征，并在此基础上提出一种利用并联补偿电流自由分量的变化特征进行故障识别的单相自适应重合闸新判据。
永久性故障时，故障点一直存在，并联电抗器通过线路和故障点对地放电，自由分量呈现衰减趋势；瞬时性故障时，二次电弧的熄灭和重燃以及彻底熄弧后自由振荡分量的出现，使得自由分量也随之变化。
可见，在不同故障类型下，并联补偿电流自由分量的变化特征有明显差异，因此可用于进行故障识别。
大量ＡＴＰ／ＥＭＴＰ电磁暂态仿真表明，所提出的方法能够快速、准确地识别故障性质，且基本不受线路长短、熄弧时间、故障位置、采样频率等因素的影响，适用于带并联补偿输电线路的快速单相自适应重合闸。
关键词：单相自适应重合闸；二次电弧；自由分量；拍频特性；并联电抗器收稿日期：２０１０－１０－１４；修回日期：２０１０－１２－２４。
国家自然科学基金重点项目（５０８３７００２）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目。
０ 引言电力系统中，超高压输电线路故障超过９０％为单相接地短路，而其中８０％以上又为瞬时性故障。
因此，采用单相自适应重合闸对于电力系统的安全稳定运行具有重要意义［１］。
然而，若重合于永久性故障，不仅会使电力系统再次受到短路电流的冲击，还会使电气设备的工作条件更加恶化［２］。
因此，重合之前对故障性质进行识别非常必要。
现代超高压大容量电力系统中，常安装一定数量的并联电抗器对线路分布电容进行补偿。
因此，故障断开相恢复电压幅值较小，线路侧电压互感器获取的该电压存在较大误差，且瞬时性故障存在低频振荡分量，这些直接影响了基于恢复电压特性判别方法［１－５］的有效应用。
基于参数识别［６－７］以及利用瞬时性故障时的拍频特性［８］的方法可在熄弧之后快速、准确地判别故障性质，可靠性较高，但均适用于恢复电压阶段，受到二次电弧熄灭时间长短的制约。
此外，利用故障电弧特性等方法［９－１０］还不够成熟，受暂态信号获取精度等影响，难以实用化。
为完善带并联补偿超高压输电线路的自适应重合闸体系，本文提出一种利用并联补偿电流进行故障识别的新判据。
１ 自由分量的变化特征１．１ 自由分量变化特征分析目前，国内超高压线路可分为不带并联电抗器、仅首端带并联电抗器、仅末端带并联电抗器、两端带并联电抗器等接线方式［８］。
本文针对仅首端带并联电抗器线路模型进行讨论，等效电路如图１所示。
作和短路点等因素的影响，变化较大，一般情况下，自由分量幅值接近于工频分量［１４］，其频率会随着线路补偿度的变化而发生改变［１５］。
通过上述分析可见，瞬时性故障时，由于电弧的熄灭和重燃以及彻底熄弧之后自由振荡分量的出现，并联补偿电流也会随之波动。
这与永久性故障时的单一衰减趋势有明显不同，因此可以利用这一差异进行故障类型的识别。
１．２ 仿真验证为对上述理论进行验证，在ＡＴＰ／ＥＭＴＰ中搭建了首端带并联电抗器的５００ｋＶ输电线路模型。
如图１所示，ｍ端配置了并联电抗器，补偿度为７０％，中性点小电抗器按１／３单相并联补偿选择。
输电线路应用了较为准确的ＪＭａｒｔｉ模型［１６］，长度为２８０ｋｍ，并在距离ｍ端２７５ｋｍ处的Ａ相线路末端分别设置了瞬时性故障、金属性接地及经３００Ω过渡电阻接地的永久性故障。
０．１ｓ时故障发生，０．２ｓ时两端断路器跳闸。
跳闸之后，流过故障相并联电抗器的电流如图２～图４所示。
ｉ＞ｋ（１）式中：ｎ为各数据窗内的采样点数；ｘｉ为数据窗内第ｉ个采样点的自由分量电流值；ｋ＞１，为门槛值。
由图６、图７可见，发生永久性接地故障时，无论是否经过渡电阻接地，自由分量值一直同号（正负取决于故障时刻并联电抗器的电流），因此判据左侧比值恒定为１；而发生瞬时性故障时，二次电弧的熄灭重燃以及彻底熄弧后自由振荡分量的出现，使得自由分量呈现出正负波动的特征，应用式（１）计算结果大于１。
因此，理论上如果有大于１的数值出现，即可判别为瞬时性故障。
考虑频率偏移、传变误差等不确定因素的影响，可设置一个大于１的门槛值ｋ，以提高判据对故障类型正确识别的可靠性。
从原理上看，要应用新判据，只需对故障相并联电抗器电流互感器侧测得的电流进行全周积分提取自由分量即可。
同时，不同故障类型时自由分量的变化趋势不同，其根本原因在于故障回路的不同，因此，判据基本不会受到线路长度、熄弧时间、故障位置、采样频率等因素的影响。
２．２ ｋ值的选取及判据可靠性分析由２．１节可知，新判据应用了数据窗内自由分量的符号特征。
而根据上文分析，故障相并联补偿电流自由分量在二次电弧阶段和拍频阶段是有正有负、上下波动的，且拍频阶段自由振荡分量的频率具有不确定性。
因此，每个数据窗的比值会随着数据窗长度及自由振荡频率的不同而发生变化，而这直接关系到ｋ的最佳取值以及判据可靠性的问题。
文献［１４］中指出，拍频阶段，自由振荡的频率一般在３０～４０Ｈｚ左右。
但是，自由振荡频率会随着补偿度的变化而变化，补偿度越高，自由振荡分量的频率越大，但为了避免线路发生谐振，补偿度应低于１００％，因此线路的自由振荡频率一般低于４９Ｈｚ。
在数据窗长度固定为０．０２８ ４ｓ（近似等于３５Ｈｚ分量的周期）时，频率为３０～４９Ｈｚ的正弦波按式（１）计算之后的比值如图８所示。
由图８可见，当数据窗长度固定时，自由振荡分量的周期越接近数据窗长，其比值越大；反之，与窗长相差越远，比值越小，且频率大于数据窗的频率时，比值变化较为缓慢。
图中的最小值在４９Ｈｚ处出现，约为２．５。
为了保证判据的可靠性，可设门槛值ｋ＝２。
既留有一定的裕度，保证永久性故障时不误判，又不受自由振荡频率的影响，保证瞬时性故障时在电弧熄灭之后能够顺利重合。
３ 新判据仿真验证为验证新判据的可靠性，针对图５～图７中的自由分量进行了仿真。
设采样频率为每周期５０点，数据窗长度与２．２节一致，为０．０２８ ４ｓ，按新判据计算后的结果如图９～图１１所示。
ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＳＥＥ，２００９，２９（１）：４８－５４．［７］宋国兵，索南加乐，邵文权，等．带并联电抗器输电线路永久性故障的时域判别方法［Ｊ］．电力自动化设备，２００９，２９（７）：２２－２７．ＳＯＮＧ Ｇｕｏｂｉｎｇ，ＳＵＯＮＡＮ Ｊｉａｌｅ，ＳＨＡＯ Ｗｅｎｑｕａｎ，ｅｔ ａｌ．Ｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｆａｕｌｔ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ ｗｉｔｈ ｓｈｕｎｔ ｒｅａｃｔｏｒ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，２００９，２９（７）：２２－２７．［８］刘浩芳，王增平，徐岩，等．带并联补偿的超高压输电线路单相自适应重合闸新判据［Ｊ］．电力系统自动化，２００７，３１（２４）：６２－６６．ＬＩＵ Ｈａｏｆａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｚｅｎｇｐｉｎｇ，ＸＵ Ｙａｎ，ｅｔ ａｌ．Ａ ｎｅｗｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｒｅｃｌｏｓｕｒｅ ｏｆ ｓｈｕｎｔ ｒｅａｃｔｏｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ＥＨＶ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ［Ｊ］．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００７，３１（２４）：６２－６６．［９］李斌，李永丽，曾志安，等．基于电压谐波信号分析的单相自适应重合闸［Ｊ］．电网技术，２００２，２６（１０）：５３－５７．ＬＩ Ｂｉｎ，ＬＩ Ｙｏｎｇｌｉ，ＺＥＮＧ Ｚｈｉａｎ，ｅｔ ａｌ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｏｌｅａｄａｐｔｉｖｅ ｒｅｃｌｏｓｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｓｉｇｎａｌ［Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２，２６（１０）：５３－５７．［１０］刘海峰，林湘宁，刘沛，等．基于形态学闭开－开闭梯度变换的单相自适应重合闸方案［Ｊ］．电力系统自动化，２００５，２９（２１）：３９－４４．ＬＩＵ Ｈａｉｆｅｎｇ，ＬＩＮ Ｘｉａｎｇｎｉｎｇ，ＬＩＵ Ｐｅｉ，ｅｔ ａｌ．Ａｎ ａｄａｐｔｉｖｅｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ａｕｔｏ－ｒｅｃｌｏｓｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｌｏｓｅ－ｏｐｅｎｉｎｇ－ｏｐｅｎ－ｃｌｏｓｉｎｇ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ［Ｊ］．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００５，２９（２１）：３９－４４．［１１］索南加乐，宋国兵，邵文权，等．两端带并联电抗器输电线路永久故障判别［Ｊ］．电力系统自动化，２００７，３１（２０）：５６－６０．ＳＵＯＮＡＮ Ｊｉａｌｅ，ＳＯＮＧ Ｇｕｏｂｉｎｇ，ＳＨＡＯ Ｗｅｎｑｕａｎ，ｅｔ ａｌ．Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｆａｕｌｔｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃｕｒｒｅｎｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ ｗｉｔｈ ｔｗｏ ｓｈｕｎｔ ｒｅａｃｔｏｒｓ［Ｊ］．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００７，３１（２０）：５６－６０．［１２］ＪＯＨＮＳ Ａ Ｔ，ＡＧＧＡＲＷＡＬ Ｒ Ｋ，ＳＯＮＧ Ｙ Ｈ．Ｉｍｐｒｏｖｅｄｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｆａｕｌｔ ａｒｃｓ ｏｎ ｆａｕｌｔｅｄ ＥＨＶ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ：Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，１９９４，１４１（２）：１４８－１５４．［１３］李斌，李永丽，盛鹍，等．带并联电抗器的超高压输电线路单相自适应重合闸的研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００４，２４（５）：５２－５６．ＬＩ Ｂｉｎ，ＬＩ Ｙｏｎｇｌｉ，ＳＨＥＮＧ Ｋｕｎ，ｅｔ ａｌ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｏｌｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｒｅｃｌｏｓｕｒｅ ｏｆ ＥＨＶ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅｓｈｕｎｔ ｒｅａｃｔｏｒ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＳＥＥ，２００４，２４（５）：５２－５６．［１４］葛耀中．新型继电保护和故障测距的原理与技术［Ｍ］．西安：西安交通大学出版社，２００７：３８１－３８３．［１５］陆岩，郑玉平，沈军，等．超高压有并联电抗器线路无故障重合闸研究［Ｊ］．电力系统自动化，２００８，３２（６）：７６－８０．ＬＵ Ｙａｎ，ＺＨＥＮＧ Ｙｕｐｉｎｇ，ＳＨＥＮ Ｊｕｎ，ｅｔ ａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎａｄａｐｔｉｖｅ ｒｅｃｌｏｓｕｒｅ ｏｆ ＥＨＶ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ ｗｉｔｈ ｓｈｕｎｔｒｅａｃｔｏｒｓ［Ｊ］．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００８，３２（６）：７６－８０．［１６］ＺＡＤＥＨ Ｍ Ｒ Ｄ，ＳＡＮＡＹＥ－ＰＡＳＡＮＤ Ｍ，ＫＡＤＩＶＡＲ Ａ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｅｕｔｒａｌ ｒｅａｃｔｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｒｅｄｕｃｉｎｇｓｅｃｏｎｄａｒｙ ａｒｃ ｃｕｒｒｅｎｔ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，２００８，１０（４）：２４７２－２４７９．郑 涛（１９７５—），男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：电力系统自动化及继电保护。
