自适应重合闸原理介绍
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单相自适应重合闸
天津大学 李斌
在电力线路发生的各类故障中，单 相接地故障约占有70％~80％，而电力系 统的运行经验表明，架空线路的故障大 都是“瞬时性的”，所以处理这类故障最 有效的方法是采用单相自动重合闸。
根据对电力系统运行情况的统计， 自动重合闸的成功率在60%~90%左右。 所以采用自动重合闸技术极大地提高了 系统安全供电和稳定运行的可靠程度， 有显著的经济效益。
xL
cos( 90 0 + θ ) cos( 90 0 − θ )
xL
瞬时性故障时的故障相电压
永久性故障时的故障相电压
瞬时性故障前后共分五个不同的阶段。（1）故障前的正常运行状态； （2）一次电弧阶段；（3）二次电弧阶段；（4）恢复电压阶段；（5）重 合后的电压波形。 永久性故障则只有三个阶段，分别是：（1）故障前的正常运行阶段； （2）故障发生后到断路器跳闸之前的阶段；（3）断路器跳闸后的阶段。
电压判据 电压判据是建立在测定单相自动重合 闸过程中断开相两端电压的大小来区 分瞬时性故障和永久性故障的。 电压判据的公式为：
U > k kU
xL
特高压线路一般都带有并联电抗器补偿，如果是单 相瞬时性接地故障，在故障点熄弧后，由于线路电容与 并联电抗之间的电磁能量振荡，使得断开相恢复电压由 自由振荡分量与工频分量叠加而成。
（1）潜供电流的问题
线路的潜供电流和恢复电压与输电线路的 参数、线路的补偿情况和线路两端的运行电 压、输送潮流有关，线路两侧的网络结构对其 影响很小。 当潜供电流较小时，依靠风力、上升气流 拉长电弧等作用，潜供电流可以在较短时间内 自熄灭，以满足单相自动重合闸要求。当潜供 电流较大和恢复电压较高时，就要采取一些措 施，加快潜供电弧的熄灭。
自适应自动重合闸的主要任务就是对故 障性质的可靠识别,即对瞬时性故障或永 久性故障进行预先判断,以确定重合闸是 否动作。当判断故障为瞬时性时,表明可 以重合,否则,不予重合。
目前国内外关于这方面的研究方法 主要有以下几种： 1.电压判据； 2.基于人工神经网络技术识别永久性和 瞬时性故障； 3.基于电弧特性识别的判别方法。
目前的自动重合闸装置都是在断路器 跳闸后盲目进行重合的，因此，当重合于 永久性故障时，不仅不能恢复系统的正常 供电，而且对系统稳定和电气设备所造成 的危害将超过正常运行状态下发生短路时 对系统的危害。
1．故障点通过很大的短路电流和再次燃起的电 弧，使故障元件遭到破坏。 2．由于发热和电动力的作用，将引起非故障元 件的损坏。 3．破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统 振荡，甚至瓦解。 4．使断路器的工作条件变得更加严重。
（1）潜供电流的问题
设A相因单相接地 故障而被切除， 健全相B、C仍然 通过负载电流。 由于相间互感M及相间电容Cm的耦合作用，使被切除的故 障相在故障点仍流过一定数值的电流If，即潜供电流。
（1）潜供电流的问题
潜供电流根据产 生的原因不同可 分为横分量和纵 分量。 其中由相间电容Cm耦合产生的称为潜供电流的横分 量；由相间互感M耦合产生的称为潜供电流的纵分量。
断开相上单位长度互感电压可以表示为：
& & & & & Ux =(IB +IC)Zm =3I0Zm ≈I0(Z0 −Z1)
& & U x l = U xL
当线路以T型分布参数等效，则线路两端电压 可表示如下：
& | U Am |= & | U An |= U U
y 2 y 2
+ (U + (U
) 2 − U yU xL / 2 ) 2 − U yU xL / 2
Hale Waihona Puke Baidu
（1）潜供电流的问题
所以潜供电流的纵分量除受对地电容的大小影响 之外，其大小和方向基本上取决于故障点的位置。显 然，当故障发生在线路中间点时，由于故障点两侧线 路对称，电流的纵分量接近于零。
（1）潜供电流的问题
在大部分无补偿情况下电容分量起主要作用。 当潜供电弧（电流）熄灭后，同样由于相间电容 和互感的作用，在原弧道间出现恢复电压，这就增加 了故障点自动熄弧的困难，以致单相重合闸失败。 为了提高单相自动重合闸的成功率，潜供电流和 恢复电压都应限制在较小值。
（1）潜供电流的问题
在故障发生的同时，故障点有电弧产生，而电弧的 变化在永久性故障和瞬时性故障情况下是不同的。即在 永久性故障情况下电弧很快熄灭；而对于瞬时性故障来 讲，线路故障相两端断开，短路点电弧并不会即时熄灭 （对特高压输电线路，电弧燃烧时间超过0.5～0.9s）。 故障电弧要经过燃烧、熄灭、重燃、熄灭的反复过程。
图中，1表示故障前的 正常运行状态；2表示 从故障发生后到断路器 跳闸之前的阶段，即一 次电弧阶段；3表示断 路器跳闸后的二次电弧 状态；4表示电弧熄弧 后的恢复电压阶段；5 是重合后的电压波形。
电弧特征
二次电弧阶段的故障相线路端电压
故障点的电弧电压
在断开相上的电容 通过并联电抗器放电产生 电容电感的谐振，产生很 高的谐振过电压。
谐振频率不是工频，决定于电容和电感的数 值。工频的电源电压也作用于断开相。两个不同频率 的电压作用在同一个回路上必然产生拍频电压。
u h (t ) = U 1 ⋅ cos(ωt + θ ) + U 2 ⋅ cos(ω 0 t + ϕ )
（1）潜供电流的问题 特高压系统主要采取以下两种措 施加快电网潜供电流熄灭措施： 在装有高压并联电抗器的线路加 装小电抗； 使用快速接地开关（HSGS）。
并联电抗器带中性点小电抗的并联补偿方式在世 界各国都得到普遍应用。
快速接地开关（HSGS）
图4 快速接地开关示意图
主要内容
一、超高压输电线路的潜供电流 与恢复电压 二、单相自适应重合闸原理
= U (ω1t ) ⋅ sin(ωt + θ − δ )
瞬时性故障断开相恢复电压主要由两个不同频率的信 号合成，其幅值随时间变化，即恢复电压的拍频特性。 在单相重合闸期间，断开相恢复电压自由分量的形成 实际就是由于各储能元件所储存的电磁能量的衰减振荡过 程。由理论分析和现场试验资料说明，恢复电压中自由分 量幅值一般接近或高于工频分量幅值。因此自由分量对断 开相电压瞬时值变化有很大影响。
（1）潜供电流的问题
潜供电流的横分量 实际上就是由健全相通 过相间电容Cm经故障相 的接地弧道注入大地的 容性电流。
可见，对于给定长度的输电线路，其值基本不变， 且与故障点的位置无关。
& & | E B + EC | If = Xm
Xm = 1 ωC m
（1）潜供电流的问题
当电弧熄灭后，弧隙间 将产生恢复电压。
& & & & ⎛ E B − U y EC − U y & Uy = ⎜ + ⎜ X Cm X Cm ⎝ ⎞ ⎟ X C0 ⎟ ⎠
. EB
Xm
Xm . Uy
. EC
& & & U y = (E B + EC )
X C0 X Cm + 2 X C 0
Xo
（1）潜供电流的问题
潜供电流的纵分量是由 健全相的负载电流通过 互感M产生的电磁感应电 动势 EM = ωM ( I&B + I&C ) 作用于接地弧道、故障 相的对地电容而形成纵 分量的电流。
在不同的并联电抗器补偿度条件下， 可以计算单相重合闸期间恢复电压中自由 分量的频率如表所示。
并联补偿 60％ 65％ 70％ 75％ 80％ 85％ 90％ 95％ 度 f0(Hz) 37.3 39.1 40.8 42.5 44.1 45.6 47.1 48.6
三、单相自动重合闸
通常，ω0<ω,且二者非常接近。正是由于恢 复电压中自由分量与工频分量的叠加，使得恢复 电压呈拍频振荡波形，由于自由分量的衰减时间 常数一般在1s左右，因此拍频振荡特性在单相重 合闸期间内始终存在。恢复电压的幅值包络线 U(ω1t)的振荡周期较长，其最大、最小值近似为 U1+U2和|U1-U2|。
（1）潜供电流的问题
为何瞬时性故障电弧可能持续燃烧？
由于健全相与故障相之间存在的电磁与静电耦合联 系，会使故障点电弧通道中在一定时间内仍然流有潜供 电流。该电弧电流在过零瞬间熄灭后，由于相间耦合的 作用，在弧隙出现恢复电压，这将增大故障点彻底熄弧 的难度，以至于造成电弧未能完全熄灭而导致自动重合 失败。
电压判据
电压特性是恢复电压特性。所谓恢复电压即 指故障断开相在电弧熄灭后的线路端电压。
断开相上的电容耦合电压可以近似表示 jX 0 为： U = (U + U ) ⋅ & & &
y B C
jX m + 2 jX 0
可见，断开相线路两 端的电容耦合电压， 由线路的参数和并联 补偿的程度而定，与 线路长度无关。
主要内容
一、超高压输电线路的潜供电流 与恢复电压 二、单相自适应重合闸原理
（1）潜供电流的问题
由于特高压系统电压较高、线路较长，潜供电流 大，恢复电压高，潜供电弧难以自熄灭，可能影响单相 重合闸的无电流间歇时间和成功概率，故需研究限制潜 供电流和加快潜供电弧熄灭的措施，以提高特高压线路 的单相重合闸成功率。 因此，为了提高单相重合闸成功率，应注意重合闸 过程的潜供电流和恢复电压问题。
天津大学 李斌
在电力线路发生的各类故障中，单 相接地故障约占有70％~80％，而电力系 统的运行经验表明，架空线路的故障大 都是“瞬时性的”，所以处理这类故障最 有效的方法是采用单相自动重合闸。
根据对电力系统运行情况的统计， 自动重合闸的成功率在60%~90%左右。 所以采用自动重合闸技术极大地提高了 系统安全供电和稳定运行的可靠程度， 有显著的经济效益。
xL
cos( 90 0 + θ ) cos( 90 0 − θ )
xL
瞬时性故障时的故障相电压
永久性故障时的故障相电压
瞬时性故障前后共分五个不同的阶段。（1）故障前的正常运行状态； （2）一次电弧阶段；（3）二次电弧阶段；（4）恢复电压阶段；（5）重 合后的电压波形。 永久性故障则只有三个阶段，分别是：（1）故障前的正常运行阶段； （2）故障发生后到断路器跳闸之前的阶段；（3）断路器跳闸后的阶段。
电压判据 电压判据是建立在测定单相自动重合 闸过程中断开相两端电压的大小来区 分瞬时性故障和永久性故障的。 电压判据的公式为：
U > k kU
xL
特高压线路一般都带有并联电抗器补偿，如果是单 相瞬时性接地故障，在故障点熄弧后，由于线路电容与 并联电抗之间的电磁能量振荡，使得断开相恢复电压由 自由振荡分量与工频分量叠加而成。
（1）潜供电流的问题
线路的潜供电流和恢复电压与输电线路的 参数、线路的补偿情况和线路两端的运行电 压、输送潮流有关，线路两侧的网络结构对其 影响很小。 当潜供电流较小时，依靠风力、上升气流 拉长电弧等作用，潜供电流可以在较短时间内 自熄灭，以满足单相自动重合闸要求。当潜供 电流较大和恢复电压较高时，就要采取一些措 施，加快潜供电弧的熄灭。
自适应自动重合闸的主要任务就是对故 障性质的可靠识别,即对瞬时性故障或永 久性故障进行预先判断,以确定重合闸是 否动作。当判断故障为瞬时性时,表明可 以重合,否则,不予重合。
目前国内外关于这方面的研究方法 主要有以下几种： 1.电压判据； 2.基于人工神经网络技术识别永久性和 瞬时性故障； 3.基于电弧特性识别的判别方法。
目前的自动重合闸装置都是在断路器 跳闸后盲目进行重合的，因此，当重合于 永久性故障时，不仅不能恢复系统的正常 供电，而且对系统稳定和电气设备所造成 的危害将超过正常运行状态下发生短路时 对系统的危害。
1．故障点通过很大的短路电流和再次燃起的电 弧，使故障元件遭到破坏。 2．由于发热和电动力的作用，将引起非故障元 件的损坏。 3．破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统 振荡，甚至瓦解。 4．使断路器的工作条件变得更加严重。
（1）潜供电流的问题
设A相因单相接地 故障而被切除， 健全相B、C仍然 通过负载电流。 由于相间互感M及相间电容Cm的耦合作用，使被切除的故 障相在故障点仍流过一定数值的电流If，即潜供电流。
（1）潜供电流的问题
潜供电流根据产 生的原因不同可 分为横分量和纵 分量。 其中由相间电容Cm耦合产生的称为潜供电流的横分 量；由相间互感M耦合产生的称为潜供电流的纵分量。
断开相上单位长度互感电压可以表示为：
& & & & & Ux =(IB +IC)Zm =3I0Zm ≈I0(Z0 −Z1)
& & U x l = U xL
当线路以T型分布参数等效，则线路两端电压 可表示如下：
& | U Am |= & | U An |= U U
y 2 y 2
+ (U + (U
) 2 − U yU xL / 2 ) 2 − U yU xL / 2
Hale Waihona Puke Baidu
（1）潜供电流的问题
所以潜供电流的纵分量除受对地电容的大小影响 之外，其大小和方向基本上取决于故障点的位置。显 然，当故障发生在线路中间点时，由于故障点两侧线 路对称，电流的纵分量接近于零。
（1）潜供电流的问题
在大部分无补偿情况下电容分量起主要作用。 当潜供电弧（电流）熄灭后，同样由于相间电容 和互感的作用，在原弧道间出现恢复电压，这就增加 了故障点自动熄弧的困难，以致单相重合闸失败。 为了提高单相自动重合闸的成功率，潜供电流和 恢复电压都应限制在较小值。
（1）潜供电流的问题
在故障发生的同时，故障点有电弧产生，而电弧的 变化在永久性故障和瞬时性故障情况下是不同的。即在 永久性故障情况下电弧很快熄灭；而对于瞬时性故障来 讲，线路故障相两端断开，短路点电弧并不会即时熄灭 （对特高压输电线路，电弧燃烧时间超过0.5～0.9s）。 故障电弧要经过燃烧、熄灭、重燃、熄灭的反复过程。
图中，1表示故障前的 正常运行状态；2表示 从故障发生后到断路器 跳闸之前的阶段，即一 次电弧阶段；3表示断 路器跳闸后的二次电弧 状态；4表示电弧熄弧 后的恢复电压阶段；5 是重合后的电压波形。
电弧特征
二次电弧阶段的故障相线路端电压
故障点的电弧电压
在断开相上的电容 通过并联电抗器放电产生 电容电感的谐振，产生很 高的谐振过电压。
谐振频率不是工频，决定于电容和电感的数 值。工频的电源电压也作用于断开相。两个不同频率 的电压作用在同一个回路上必然产生拍频电压。
u h (t ) = U 1 ⋅ cos(ωt + θ ) + U 2 ⋅ cos(ω 0 t + ϕ )
（1）潜供电流的问题 特高压系统主要采取以下两种措 施加快电网潜供电流熄灭措施： 在装有高压并联电抗器的线路加 装小电抗； 使用快速接地开关（HSGS）。
并联电抗器带中性点小电抗的并联补偿方式在世 界各国都得到普遍应用。
快速接地开关（HSGS）
图4 快速接地开关示意图
主要内容
一、超高压输电线路的潜供电流 与恢复电压 二、单相自适应重合闸原理
= U (ω1t ) ⋅ sin(ωt + θ − δ )
瞬时性故障断开相恢复电压主要由两个不同频率的信 号合成，其幅值随时间变化，即恢复电压的拍频特性。 在单相重合闸期间，断开相恢复电压自由分量的形成 实际就是由于各储能元件所储存的电磁能量的衰减振荡过 程。由理论分析和现场试验资料说明，恢复电压中自由分 量幅值一般接近或高于工频分量幅值。因此自由分量对断 开相电压瞬时值变化有很大影响。
（1）潜供电流的问题
潜供电流的横分量 实际上就是由健全相通 过相间电容Cm经故障相 的接地弧道注入大地的 容性电流。
可见，对于给定长度的输电线路，其值基本不变， 且与故障点的位置无关。
& & | E B + EC | If = Xm
Xm = 1 ωC m
（1）潜供电流的问题
当电弧熄灭后，弧隙间 将产生恢复电压。
& & & & ⎛ E B − U y EC − U y & Uy = ⎜ + ⎜ X Cm X Cm ⎝ ⎞ ⎟ X C0 ⎟ ⎠
. EB
Xm
Xm . Uy
. EC
& & & U y = (E B + EC )
X C0 X Cm + 2 X C 0
Xo
（1）潜供电流的问题
潜供电流的纵分量是由 健全相的负载电流通过 互感M产生的电磁感应电 动势 EM = ωM ( I&B + I&C ) 作用于接地弧道、故障 相的对地电容而形成纵 分量的电流。
在不同的并联电抗器补偿度条件下， 可以计算单相重合闸期间恢复电压中自由 分量的频率如表所示。
并联补偿 60％ 65％ 70％ 75％ 80％ 85％ 90％ 95％ 度 f0(Hz) 37.3 39.1 40.8 42.5 44.1 45.6 47.1 48.6
三、单相自动重合闸
通常，ω0<ω,且二者非常接近。正是由于恢 复电压中自由分量与工频分量的叠加，使得恢复 电压呈拍频振荡波形，由于自由分量的衰减时间 常数一般在1s左右，因此拍频振荡特性在单相重 合闸期间内始终存在。恢复电压的幅值包络线 U(ω1t)的振荡周期较长，其最大、最小值近似为 U1+U2和|U1-U2|。
（1）潜供电流的问题
为何瞬时性故障电弧可能持续燃烧？
由于健全相与故障相之间存在的电磁与静电耦合联 系，会使故障点电弧通道中在一定时间内仍然流有潜供 电流。该电弧电流在过零瞬间熄灭后，由于相间耦合的 作用，在弧隙出现恢复电压，这将增大故障点彻底熄弧 的难度，以至于造成电弧未能完全熄灭而导致自动重合 失败。
电压判据
电压特性是恢复电压特性。所谓恢复电压即 指故障断开相在电弧熄灭后的线路端电压。
断开相上的电容耦合电压可以近似表示 jX 0 为： U = (U + U ) ⋅ & & &
y B C
jX m + 2 jX 0
可见，断开相线路两 端的电容耦合电压， 由线路的参数和并联 补偿的程度而定，与 线路长度无关。
主要内容
一、超高压输电线路的潜供电流 与恢复电压 二、单相自适应重合闸原理
（1）潜供电流的问题
由于特高压系统电压较高、线路较长，潜供电流 大，恢复电压高，潜供电弧难以自熄灭，可能影响单相 重合闸的无电流间歇时间和成功概率，故需研究限制潜 供电流和加快潜供电弧熄灭的措施，以提高特高压线路 的单相重合闸成功率。 因此，为了提高单相重合闸成功率，应注意重合闸 过程的潜供电流和恢复电压问题。