自适应重合闸运用于超高压输电线路探究

提出了一种根据二次电弧高低频能量比的差异判断永久性故 和二次电弧模型并联连接，通过时控开关分别控制它们的投入
障和瞬时故障的方法。
状态，永久性故障直接经线性电阻接地。设 0.1 s 发生 A 相接地
1 二次电弧变化的动态特性研究
开关切除故障相别线路后，电弧并没熄灭，会持续很长一段
故障，此时投入一次电弧模型，0.2 s 时线路两端断路器断开，二 次电弧产生、一次电弧熄灭。图 2 为断路器跳闸后，0.05～0.55 s 时间段内，金属故障时，故障相电压以及二次电弧期间的电弧
流情况下的仿真实验结果，得到电弧重燃电压梯度经验公式：
由图 2 可知，永久故障时，断路器跳闸后 3 个周波内，高频
|V（r t）|＝K（Te）（t－Te）h（t－Te）
（2） 能量较高，因此取断路器跳闸后第 4～10 个周波内的数据，对
式中，V（r t）为电弧的重燃电压；Te 为二次电弧的开始时刻到每 其进行多尺度小波变化，则第一尺度的小波系数对应于频带
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自适应重合闸运用于超高压输电线路探究
李文涛 （超高压输电公司贵阳局，贵州 贵阳 550000） 摘 要：主要分析故障二次电弧特性，利用永久故障和瞬时故障时二次电弧的高低频能量差异实现故障性质的判断，从而避免了传 统自动重合闸在重合时的盲目性。 关键词：单相自适应重合闸；二次电弧；小波分析；高低频能量比
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3 自适应重合闸的判据探究
永久故障状况下电弧会很快熄灭，而瞬时故障状况下，其 电弧要实现“燃烧—熄灭—重燃—熄灭”这个反复过程，且具体 过程非常复杂，其中，许多影响因素都是非线性的，电弧非线性 的变化会使故障相电压畸变。因瞬时性的故障时，故障点电弧 可视为一非线性电阻，其在故障相母线上产生的高频信号反应
M
N
测高次谐波分量的变化情况从而判断故障性质。文献［3］针对
超高压和特高压输电线路提出了基于相量测量的故障定位及
电弧故障性质识别的判据，通过线路两侧的同步谐波相量，利 用最小方差算法计算电弧方波电压，若电弧电压超过定值，则
图 1 仿真系统图 设在线路 MN 中点发生单相接地故障，电弧仿真模型参见
为瞬时性故障，否则为永Βιβλιοθήκη Baidu性故障。本文建立了二次电弧模型， 文献［4］，瞬时性故障以线性电阻串联电弧电阻接地，一次电弧
时间，该时间内的故障电弧称为二次电弧。二次电弧要经过燃烧、 电压、电流波形。
熄灭、重燃、熄灭的反复过程，很复杂。二次电弧动态特性如下：
由图 2 可知，电弧电压近似为方波，与理想情况下的电弧
坠gs 坠t
＝ T1s（Gs－g）s
（1）
式中，Gs＝
|i| V Ls （s tr）
，Ts＝
βIs L（s tr）
燃电压非常大，而电弧实际电压的大小始终小于重燃电弧电压 后，电弧才彻底熄灭。（2）若电弧重燃电压大于电弧电压，电弧 的电流刚好处于过零周围，等同电弧的熄灭状态；需故障电弧 熄灭后，单相自动重合闸才能动作，而断路器将故障相断开瞬 间是不会熄灭的。通过识别二次电弧的特性可判断故障性质， 而且，检测二次电弧的熄弧时刻，对决定自动重合闸装置的最 佳重合闸时间具有决定性意义。
，Vs＝75Is－0.4V／cm；gs
为随时间变化的二
次电弧电导；Gs 为二次电弧的稳态电导；Ts 为时间常数；Ls 为电
弧长度；Is 为二次电弧的电流峰值；β 为比例系数；Vs 为二次电
弧单位长度的电弧电压；|i| 为电弧电流的绝对值；tr 为以二次电
弧起始时刻计算的时间。
电压电流波形相似。燃弧时间大约为 200 ms。
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由表 1 可知判断结果不受过渡电
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阻、故障合闸角及故障点位置变化的影
响，均能准确识别出故障类型。
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u／kV
u／kV
0
0
4 结语
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本文利用瞬时故障和永久故障时二
次电弧的不同特性，通过计算二次电弧
在电弧变化特性中，不断变化的电弧重燃电压与电弧熄灭时 在故障相母线电压的能谱较高；而永久故障电弧熄灭的快，故
间的确定，是二次电弧研究的技术难点之一。但基于现有的研究 障相母线电压反应的能谱低。不同的故障性质出现的电弧特性
成果，通过对不同电压等级的各种线路长度、不同大小的电弧电 区别可以为单相自适应重合闸动作与否提供判据。
0 引言
弧重燃电压小于实际电弧电压，电弧等同于重燃状态；直到重
电力系统中，超过 90%的超高压输电线路故障为单相接地 短路，其中 80%以上故障为瞬时性故障。因此，将单相自动重合 闸用于超高压线路，可提高电力系统稳定运行的可靠性。然而 盲目使用单相自动重合闸，会导致线路重合于永久性故障，给 电网带来危害。因此，目前自适应重合闸技术存在以下问题： （1）无法判断是瞬时性故障还是永久性故障，如重合于大电源 系统的出口永久性故障，会使电网及相关设备受到严重的冲 击，造成二次伤害；（2）不能判别故障点是否熄弧。为了避免盲
仿真模型如图 1 所示，电压等级为 500 kV，线路 MN 长度
为 100 km，线路参数为 R1＝0.027 Ω／km，R0＝0.195 7 Ω／km，L1＝
0.965 1 mH／km，L0＝2.211 mH／km，C1＝0.0136 μF／km，C0＝0.009 2
μF／km，系统仿真采样率为 20 kHz。
2 电弧模型仿真结果
目重合，自适应重合闸技术越来越受到众多学者的重视。对故 障时一次电弧阶段的端电压和电流采用快速傅里叶变换进行 频谱分析，文献［1］运用最小二乘算法来推测总的方波电弧电 压数值，从而根据电弧电压方波幅值判断故障性质。文献［2］指 出可通过对故障前和故障后的母线电压进行傅里叶变换，以检
一次电流为 0 的时刻；K（Te）函数为重燃电压的增长率。
［5 kHz，10 kHz］中的信号，第 j 尺度下的小波系数对应于频度
所以在故障电弧电压的变化过程中，分 2 种情况：（1）若电 ［fs／2j+1，fs／2j］中的信号。高频分量选取第一尺度下小波系数
机电信息 2012 年第 36 期总第 354 期 5