基于計(jì)算電流相量的架空線路斷線故障識別方法

盧正飛，張曉宇，黃福全，朱可凡，劉子俊，文明浩

（1.中國南方電網(wǎng)深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518001；2.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)）， 武漢 430074）

0 引言

目前我國城市高壓電網(wǎng)通常采用架空線路作為電能傳輸?shù)闹饕侄蝃1]，與電纜線路相比，架空線路具有成本低、輸電容量大、檢修快等優(yōu)點(diǎn)[2]。但是架空線路所處環(huán)境惡劣多變，線路落雷或受到外力破壞后可能導(dǎo)致斷線故障[3]。城市電網(wǎng)高壓架空線路與交通網(wǎng)絡(luò)、人員密集區(qū)域交叉跨越較多，一旦發(fā)生斷線故障，極易引發(fā)危及社會公共安全的事件。

架空線斷線后，如果電源側(cè)沒有形成接地故障，其故障特征不明顯，目前的保護(hù)裝置難以有效識別[4]，需要故障線路落地導(dǎo)致接地故障后，繼電保護(hù)才能進(jìn)行識別并切除斷線故障[5-7]。因此有必要研究架空線路斷線識別方法，提升電網(wǎng)安全性及自動化水平，避免由斷線故障引發(fā)的人身事故和電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

針對以上問題，近年來國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作。文獻(xiàn)[8-11]對斷線故障和故障后保護(hù)動作的情況進(jìn)行了分析，指出目前的保護(hù)裝置難以識別單純的斷線故障。文獻(xiàn)[12]說明了目前配電網(wǎng)通常配置的過流和零序過流保護(hù)難以反映斷線故障，并提出了利用零序和負(fù)序故障分量的保護(hù)方法，該方法受負(fù)荷不平衡程度影響較大。文獻(xiàn)[13]利用小波奇異性檢測功能，分析了單相斷線故障引起的正序電流暫態(tài)分量模極大值的極性和大小，將其應(yīng)用于配電網(wǎng)的斷線故障選線和測距；該方法計(jì)算量大，且選線的有效性受小波模極大值閾值的影響較大。文獻(xiàn)[14]提出一種通過檢測故障前后電流相位的變化判斷架空線路斷線故障的方法，該方法要求故障后電流大于一定的門檻值，否則無法進(jìn)行相位判別。

上述研究成果具有重要的借鑒意義，但主要針對配電網(wǎng)的斷線故障，對架空線路斷線故障的研究有待進(jìn)一步的深化。本文提出了一種基于計(jì)算電流相量的高壓架空線路斷線故障的識別方法。所提方法利用線路兩端電壓信息和線路參數(shù)，根據(jù)線路模型關(guān)系計(jì)算線路電流，稱為“計(jì)算電流相量”，利用實(shí)測電流信息得到實(shí)測電流相量，根據(jù)這2種電流相量之差的大小，可以有效區(qū)分區(qū)內(nèi)和區(qū)外斷線故障。最后在PSCAD/EMTDC平臺中仿真驗(yàn)證了所提保護(hù)算法的有效性。

1 保護(hù)算法原理

1.1 集中參數(shù)線路模型

圖1所示為典型的雙端供電系統(tǒng)示意，其中，MN為架空線路；M和N為線路兩端母線；Zm和Zn分別為兩側(cè)電源等值阻抗； Umφ和 Unφ（φ=a， b，c）分別為M和N側(cè)保護(hù)安裝處測量電壓；Imφ和Inφ分別為M和N側(cè)保護(hù)安裝處測量電流，正方向?yàn)槟妇€指向線路。

圖1 雙端電源系統(tǒng)單線

根據(jù)MN線路兩端的電壓測量值Umφ，Unφ和線路阻抗矩陣，可以得到線路各相的計(jì)算電流相量為：

式中：阻抗矩陣對角元素為自阻抗，非對角元素為互阻抗。

根據(jù)MN線路兩端的電流測量值Imφ，Inφ，得到各相線路的“實(shí)測電流相量”為：

1.2 保護(hù)判據(jù)

以M側(cè)保護(hù)為例，首先對兩側(cè)電壓電流的采樣值進(jìn)行濾波，然后采用全周傅氏算法計(jì)算各自的工頻相量分別為 Umφ，Unφ， Imφ， Inφ。利用兩側(cè)電壓相量和線路的阻抗矩陣Z，根據(jù)式（1）得到計(jì)算電流相量IJφ，利用兩側(cè)電流相量，根據(jù)式（2）得到實(shí)測電流相量Iφ。

線路模型反映了無內(nèi)部故障時（包括穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和區(qū)外故障）線路兩側(cè)電壓電流之間的關(guān)系，內(nèi)部無故障時理論上計(jì)算值與實(shí)測值應(yīng)該基本相等，因此有Iφ=IJφ；如果線路發(fā)生內(nèi)部斷線故障，增加的故障節(jié)點(diǎn)破壞了原有的線路模型，實(shí)測值與計(jì)算值存在較大差別，可通過比較實(shí)測電流相量與計(jì)算電流相量的相對大小來判斷線路內(nèi)部是否發(fā)生故障。

構(gòu)造分相保護(hù)判據(jù)為：

式中： Iφ， IJφ（φ=a， b， c）分別為故障后的實(shí)測電流相量和計(jì)算電流相量；Kset為比例整定值，根據(jù)保護(hù)的靈敏度要求對其進(jìn)行整定。

當(dāng)故障前線路電流較小時，電流相量差較小，受電容電流和互感器誤差等影響可能導(dǎo)致比例判據(jù)的計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，導(dǎo)致保護(hù)誤動或拒動，需要給出電流門檻值Iset。

發(fā)生非全相斷線故障后，分相判據(jù)中任意一相動作的同時應(yīng)跳開兩側(cè)三相斷路器，避免健全相在故障相上產(chǎn)生高電壓。

保護(hù)邏輯框圖如圖2所示。

圖2 保護(hù)邏輯框圖

本文所提方法只用來判別斷線故障，針對與短路故障保護(hù)配合的問題，可以根據(jù)實(shí)際情況采取以下2種方案：

（1）短路保護(hù)與斷線保護(hù)程序共用1套保護(hù)裝置時，在程序流程中利用短路保護(hù)的動作信號對斷線保護(hù)進(jìn)行閉鎖。

（2）短路保護(hù)與斷線保護(hù)程序不共用1套保護(hù)裝置時，在斷線保護(hù)判據(jù)中加入針對短路故障的判別方法作為子判據(jù)，如縱聯(lián)電流差動保護(hù)判據(jù)。篇幅所限，具體實(shí)現(xiàn)方法不再詳細(xì)給出。

以上方法可以解決斷線判據(jù)在線路發(fā)生瞬時性短路故障時可能動作的問題。

2 仿真驗(yàn)證

2.1 故障特性分析

在PSCAD/EMTDC平臺中建立圖3所示的220 kV仿真模型。 其中S1，S2，S3為等值系統(tǒng)；Z1，Z2，Z3為相應(yīng)的等值阻抗；M，N，O，P，Q，R為母線；線路MN，NO，OP，PQ，QR均為100 km；L1，L2，L3分別為母線M，N，O上的負(fù)荷。分別設(shè)置故障點(diǎn)f1和f2，考察M側(cè)保護(hù)的動作情況。其中f1在距M側(cè)線路長度的70%處，f2在MN反向出口處。線路均采用貝瑞隆模型，具體參數(shù)為：單位正序電阻r1=0.019 9 Ω/km，單位正序感抗xl1=0.280 3 Ω/km，單位正序容抗 xc1=2.36×105Ω·km；單位零序電阻r0=0.195 8 Ω/km，單位零序感抗xl0=1.010 5 Ω/km， 單位零序容抗 xc0=3.62×105Ω·km。

圖3 系統(tǒng)仿真模型

故障前線路穩(wěn)態(tài)電流為0.6 kA，0.5 s時f1處發(fā)生A相斷線故障，故障前后實(shí)測電流波形如圖4所示。為了方便對仿真結(jié)果進(jìn)行說明，定義判據(jù)式（3）中左式為比例動作量：

圖4 f1處發(fā)生A相斷線故障時的實(shí)測電流波形

圖5、圖6分別給出了故障40 ms后電流相量差與比例判據(jù)的仿真結(jié)果。圖7給出了0.5 s時刻f1處發(fā)生AB兩相斷線故障的情況下，40 ms后的仿真結(jié)果。

圖5 f1處發(fā)生A相斷線故障時電流相量差

圖6 f1處發(fā)生A相斷線故障時比例判據(jù)結(jié)果

圖7 f1處發(fā)生AB兩相斷線故障時的判據(jù)仿真結(jié)果

由圖4、圖5可以看出，線路發(fā)生A相斷線40 ms后，故障相實(shí)測電流減小為電容電流，計(jì)算電流相量與實(shí)測電流相量出現(xiàn)較大差值。

整定值Kset取為0.3。由圖6可以看出，f1處發(fā)生A相斷線故障40 ms后，三相比例動作量分別為1.004，0.725，0.658，均大于整定值Kset，保護(hù)能夠準(zhǔn)確判別區(qū)內(nèi)斷線故障。

由圖7可以看出，f1處發(fā)生AB相斷線故障40 ms后，三相比例動作量分別為1.004，1.005，0.717，均大于整定值。對于兩相故障，保護(hù)同樣能夠正確動作。

為驗(yàn)證保護(hù)判據(jù)在發(fā)生區(qū)外故障時的動作情況，設(shè)置0.5 s時刻f2處發(fā)生A相斷線故障，故障40 ms后的仿真結(jié)果如圖8所示。區(qū)外故障沒有破壞本級線路的參數(shù)，穩(wěn)態(tài)后計(jì)算電流相量與實(shí)測電流相量基本一致，電流相量差很小。故障40 ms后，A，B，C三相比例動作量分別為0.053，0.037，0.055，均小于整定值，保護(hù)不會動作。

圖8 f2處發(fā)生A相斷線故障時的判據(jù)仿真結(jié)果

2.2 故障前線路電流對保護(hù)的影響

從1.2節(jié)的分析可知，保護(hù)的靈敏性與故障前線路電流大小有關(guān)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證保護(hù)算法的靈敏性，仿真分析在不同線路電流情況下f1處和f2處發(fā)生A相斷線故障時保護(hù)判據(jù)的動作情況。整定值Kset=0.3，Iset=0.15 kA。取故障后40 ms的數(shù)據(jù)，不同電流下故障后的仿真計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。

從表1可以看出，故障相的電流相量差幅值和比例動作量最大。隨著線路電流的減小，故障相的電流相量差幅值減小，但其比例動作量變化不大，都遠(yuǎn)大于整定值。當(dāng)線路電流減小為0.1 kA時，B相、C相的電流相量較大值分別為0.124 kA，0.150 kA，不滿足電流判據(jù)，由于保護(hù)的判別邏輯為三相判據(jù)結(jié)果“或”門出口，保護(hù)仍然準(zhǔn)確動作，將區(qū)內(nèi)斷線故障切除。

但是，如果進(jìn)一步減小線路電流，當(dāng)故障前線路相電流為78.90 A時，在f1發(fā)生A相斷線故障后，故障相的電流相量較大值為0.126 kA，小于電流整定值，保護(hù)拒動。

從表2可以看出，在不同的線路電流下，各相的比例動作量均遠(yuǎn)小于整定值，保護(hù)在區(qū)外故障時不誤動。

2.3 線路長度對保護(hù)的影響

式（1）中計(jì)算電流幅值由線路兩端電壓差及線路參數(shù)計(jì)算得到，隨著線路長度減小，線路的阻抗參數(shù)減小，在線路電壓降落不變的情況下，故障后的計(jì)算電流相量幅值將增大，從而使得電流相量差幅值增加。

表1 不同電流下f1處發(fā)生A相斷線故障時的仿真結(jié)果

表2 不同電流下f2處發(fā)生A相斷線故障時的仿真結(jié)果

表3 不同線路長度下f1處發(fā)生A相斷線故障時的仿真結(jié)果

表3給出了線路輕載、相電流為0.1 kA時，在不同線路長度下f1和f2處發(fā)生A相斷線故障時保護(hù)判據(jù)的仿真結(jié)果，取故障后40 ms時的數(shù)據(jù)。

從表3可以看出，隨著線路長度的減小，發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，電流相量差的幅值增加，比例動作量大于整定值，均能準(zhǔn)確判別為區(qū)內(nèi)斷線故障；發(fā)生區(qū)外斷線故障時，均不滿足斷線判據(jù)，保護(hù)不會誤動，因此線路長度不會影響保護(hù)判據(jù)的可靠性。

3 結(jié)論

本文提出了一種針對高壓架空線路的新型斷線識別方法，通過理論分析和仿真試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

（1）線路模型反映了無內(nèi)部故障時（包括穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和區(qū)外故障）線路兩側(cè)電壓電流之間的關(guān)系，理論上內(nèi)部無故障時計(jì)算電流相量與實(shí)測電流相量應(yīng)該相等，發(fā)生區(qū)內(nèi)斷線故障后，線路模型被破壞，基于原線路參數(shù)得到的計(jì)算電流相量與實(shí)測電流相量出現(xiàn)很大差異。

（2）仿真結(jié)果表明，所提保護(hù)算法在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障的情況下能夠有效切除故障，在區(qū)外故障的情況下不誤動。

（3）區(qū)內(nèi)故障時保護(hù)的靈敏度與故障前線路電流大小有關(guān)。故障前線路電流越大，保護(hù)的靈敏度越高。