基于恢复电压拍频特性的超高压SPAR优化策略*

宁家兴，何柏娜，孔杰，王珍珍，王乐淼，颉雅迪

(山东理工大学 电气与电子工程学院, 山东 淄博 255049)

0 引 言

随着电网输电规模逐步扩大，电压等级的不断提高，输电线路上发生单相接地故障概率也不断增大，为使电力系统更加安全可靠运行，单相自动重合闸装置在线路上被普遍使用[1-3]。然而单相自动重合闸动作时具有一定的盲目性，当线路处于永久性故障状态时，为避免电力系统再次受到短路电流的冲击，要求重合闸装置在断开后不会再次动作，因此选择可靠的单相自适应重合闸(Single Phase Adaptive Reclosure，SPAR )来识别故障类型，从而准确重合于瞬时性故障，可以有效提高电力系统运行稳定性[4-11]。

目前，对于超高压输电线路SPAR的研究主要基于二次电弧阶段和恢复电压阶段。文献[12-14]通过分析二次电弧阶段潜供电弧暂态特性，有效捕捉熄弧时刻来区分故障状态，该类方法能够确定最佳合闸时间，但需要在十分复杂的故障波形中提取有效信息，对采样频率有很高的要求。文献[15-18]研究了故障相端电压和并联电抗器电压等电气量特性及计算原理，文献[19]分析了故障相并联电抗器差模电流的特征，文献[20-21]将人工神经网络等智能算法应用于SPAR故障识别。但是，基于恢复电压阶段的方法对于未考虑拍频振荡影响的判据，易产生误判，存在将瞬时性故障检测为永久性故障的可能，这就会对国民经济造成巨大损失，因此，更加可靠的恢复电压法还有待进一步研究与完善。

文章在详细分析超高压输电线路故障绝缘恢复后与未恢复时中性点小电抗电压与故障相端电压拍频特性的基础上，利用故障相端电压理论值和实测值之差与中性点小电抗电压的比值，将其比值经过一个拍频周期的检测来区分故障状态，并利用EMTP-ATP对两种故障状态进行大量仿真，验证了该优化策略的有效性与可靠性。

1 故障性质判别原理

1.1 中性点小电抗电压特性

当超高压输电线路A相发生单相接地故障，如图1所示。

图1 超高压输电线路单相接地故障Fig.1 Single phase grounding fault on EHV transmission line

在二次电弧完全熄灭后，线路处于瞬时性故障状态，即使健全相对故障相存在相间耦合电势，但是由于瞬时性故障状态接地点消失，可以近似认为故障相并联电抗器电流ILA为0，因此ILB+ILC即为注入中性点小电抗的电流ILy；而当线路处于永久性故障状态时，故障相并联电抗器线路侧有效接地，由于并联电抗器电感值L远大于中性点小电抗电感值LN，ILA值与ILN值相比非常小，因此，也可以近似看作ILN=ILB+ILC。

可见，无论超高压输电线路处于何种故障状态，ILN变化都不大，相应的ULN变化也不大。

1.2 恢复电压阶段故障相端电压拍频特性

为加快二次电弧的熄灭，超高压输电线路普遍采用带有中性点小电抗的并联电抗器，这就使得在瞬时性故障时，故障相端电压中会存在拍频振荡现象，下面将具体分析拍频振荡产生原理。

电网正常工作时，A相电流和电压的瞬时值可表示为：

iA(t)=IAcos(ωt)

(1)

uA(t)=UAcos(ωt+φ)

(2)

式中IA、UA分别为A相正常工作时电流、电压峰值；ω为系统角频率；φ为电流滞后电压角度值。

1.2.1 瞬时性故障故障相端电压瞬时值

对于恢复电压阶段，故障相端电压工频分量主要成分为静电耦合电压(电磁耦合电压很小，计算瞬时值时忽略不计)，熄弧后故障相静电耦合回路如图2所示。可求得静电耦合电压为：

图2 熄弧后故障相静电耦合回路Fig.2 Electrostatic coupling circuit of fault phase after arc extinguishing

由于Xm、X0都为容抗，因此，Uy与UMB+UMC相位一致，静电耦合电压瞬时值为：

uy(t)=Kcos(ωt+φ+π)

(4)

同时，故障相端电压中还会包含幅值接近工频分量、频率略小于工频的低频振荡分量，其相位与工频分量相反，瞬时值为：

uf(t)=Kcos(ω′t+φ)

(5)

式中ω′为低频自振频率。

由上述可知，瞬时性故障时故障相端电压在恢复电压阶段瞬时值可表示为：

(6)

1.2.2 永久性故障故障相端电压瞬时值

当输电线路处于永久性故障状态时，由于线路绝缘未能恢复，相对地电容可靠放电，所以故障相端电压只包含电磁感应电压Um：

Um=(IB+IC)Zml′

(7)

式中IB、IC分别为非全相运行时流过B、C相的电流；Zm为输电线路单位长度互感抗，呈感性；l′为输电线路首端离故障点的长度。

由于Zm呈感性，因此Um超前IB+IC90°，即Um滞后IA90°，永久性故障时故障相端电压计算公式为：

1.2.3 拍频振荡误判区

图3 绝缘恢复后拍频振荡计算波形误判区Fig.3 Misjudgment area of beat frequency oscillation calculation waveform after insulation recovery

图4 恢复电压阶段断开相端电压实际仿真波形Fig.4 Actual simulation waveform of fault phase end voltage in recovery voltage stage

1.3 超高压SPAR优化策略

但对于带有并联电抗器的超高压输电线路，在线路绝缘恢复之后，恢复电压阶段故障相端电压和中性点小电抗波形如图5所示。

图5 恢复电压阶段断开相端电压和中性点小电抗电压波形Fig.5 Waveform of fault phase end voltage and neutral point reactor voltage at recovery voltage stage

图6 SPAR优化策略流程图Fig.6 Flow chart of SPAR optimization strategy

2 故障相端电压及中性点小电抗电压计算值

ILAXL+ILNXLN=UMA

(9)

ILBXL+ILNXLN=UMB

(10)

ILCXL+ILNXLN=UMC

(11)

ILA+ILB+ILC=ILN

(12)

ULN=ILNXLN

(14)

因此，要得到ULN的值，关键要计算出UMA。为方便计算UMA，将星型连接的并联电抗器及中性点小电抗经过星三角变换等效成相间补偿电感Lm和相对地补偿电感L0，见图7。图7中Lm、L0与L、LN之间的关系为：

L0=L+3LN

(16)

图7 星三角等效变换图Fig.7 Equivalent transformation from star to delta

当线路处于瞬时性故障状态时，故障相端电压UMA主要包括健全相对故障相的电磁感应电压和静电感应电压两部分。电磁感应电压由相间互感产生，其表达式为：

Um=(IB+IC)Zml

(17)

式中l为输电线路全长。

静电耦合电压在1.2.1节已求得，见式(3)。将线路参数进行T型等效，可以得到瞬时性故障状态UMA的计算公式：

将式(18)代入式(13)、式(14)中，即可得到瞬时性故障状态时的ULN。

对于永久性故障状态，由1.2.2节可知，故障相端电压只包含电磁感应电压，即：

UMA=Um=(IB+IC)Zml′

(19)

将式(19)代入式(13)、式(14)中，可以得到永久性故障状态时的ULN。

在实际工程应用中，不管超高压输电线处于何种故障状态，都是以瞬时性故障状态作为参考模型，来计算UMA和ULN的值。

3 仿真验证

3.1 仿真系统参数

利用我国西北电网750 kV、478 km输电线路，采用EMTP-ATP搭建超高压输电线路仿真模型对所提优化策略进行验证，输电系统如图8所示。

图8 750 kV超高压输电系统Fig.8 750 kV EHV transmission system

其中，M、N之间线路参数如表1所示，两侧电源侧序参数如表2所示，表3为并联电抗器及线路耦合参数。

表1 线路参数Tab.1 Parameters of lines

表2 电源序参数Tab.2 Source sequence parameters

表3 并联电抗器及耦合参数Tab.3 Parameters of shunt reactors and coupling

3.2 仿真结果及分析

利用EMTP-ATP分别对不同故障位置(线路首端、中点、末端)经不同过渡电阻接地等情况进行大量仿真，设置0.075 s时开关断开，0.225 s时电弧熄灭。图9为两种故障状态末端经500 Ω过渡电阻接地故障相端电压及中性点小电抗电压。在第一个拍频周期内，故障相端电压存在拍频振荡误判区。图10为末端经不同过渡电阻接地时比值分布。

图9 故障相端电压及中性点小电抗电压Fig.9 Voltage of fault phase and small reactance voltage at neutral point

图10 首端不同过渡电阻下比值分布Fig.10 Ratio distribution of different transition resistances at the first end

表4 线路首端经不同过渡电阻接地判断结果Tab.4 Judgment result of the first end of the line grounding through different transition resistance

表5 线路中点经不同过渡电阻接地判断结果Tab.5 Judgment result of the midpoint of the line grounding through different transition resistance

表6 线路末端经不同过渡电阻接地判断结果Tab.6 Judgment result of the terminal of the line grounding through different transition resistance

4 结束语

提出了一种超高压SPAR故障识别优化策略，在第一个拍频周期内采集故障相端电压，利用故障相端电压理论值和实测值之差与中性点小电抗电压的比值，检测比值是否小于所设阈值进行故障状态识别，在检测到线路绝缘恢复后，经过短暂延时提前进行合闸操作。该策略不受故障位置和过渡电阻影响，判别精度及可靠性高；且算法对采样频率要求不高，易于实现，可为当前微机保护装置自适应故障识别模块的推广使用提供参考。