配電線路單相接地行波保護(hù)的原理計算法

馬飛虎

摘 要：在電力系統(tǒng)不斷發(fā)展中，中性點非有效接地系統(tǒng)單相接地保護(hù)問題一直困擾著國內(nèi)外學(xué)者。該系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，只能通過對地電容構(gòu)成回路，故障電流非常小，給保護(hù)構(gòu)成帶來了極大的困難。雖然故障后并不需要立刻切除故障線路，以保障對用戶持續(xù)性供電，但是作為一種故障狀態(tài)，也應(yīng)該給予及時的識別和處理，否則很容易因為故障后相電壓升高而導(dǎo)致設(shè)備絕緣擊穿，進(jìn)一步發(fā)展為相間故障。

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù);配電線路;中性點非有效接地;單相接地保護(hù)

隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，大容量機(jī)組和超高壓輸電線路逐漸增多，反映工頻電氣量的繼電保護(hù)與檢測技術(shù)在某些特殊工況下無法滿足動作快速性的要求。行波保護(hù)是利用故障初期出現(xiàn)的電壓行波、電流行波或者兩者組合中含有的故障信息進(jìn)行故障檢測的，因而能在極短的時間內(nèi)檢出故障。早期的行波保護(hù)裝置遇到的主要問題是快速性和可靠性之間的矛盾。在動作時間內(nèi)，如果行波保護(hù)無法區(qū)分故障、雷擊和操作等各種干擾，就會導(dǎo)致行波保護(hù)的誤動作。

一、原理

在輸電線路眾多行波保護(hù)原理中，極性比較式方向保護(hù)構(gòu)成簡單，可實現(xiàn)性強(qiáng)，因而得到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。其基本原理為比較故障初始電流行波和電壓行波的極性，如果兩者極性相反，則為正方向故障;如果極性相同，則為反方向故障。初始電流行波和初始電壓行波的極性關(guān)系在配電線路中同樣成立。配電網(wǎng)往往采用輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為簡化計算，假設(shè)母線所有出線波阻抗一致。不難證明，對于任意一條饋線發(fā)生單相接地故障，可以得到：

通過式可以得出：當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障后，可以檢測到故障行波。對于故障線路，初始電壓行波和初始電流行波的極性相反;對于非故障線路，初始電壓行波和初始電流行波的極性相同。因此，通過檢測線路是否出現(xiàn)故障行波，且電壓行波和電流行波極性是否相反，可以判斷所保護(hù)線路是否發(fā)生了故障。

二、配電網(wǎng)特殊情況分析

1、靈敏性測試。由于裝置的核心算法在于根據(jù)故障后的電流和電壓初始行波極性比較構(gòu)成判據(jù)，因此在初始行波波頭不明顯的情況下，裝置的靈敏性將降低，并可能出現(xiàn)拒動的情況。研究表明，影響故障后行波波頭幅值的因素主要包括故障初相角、故障過渡電阻和故障點距母線距離。如表所示。

在綜合考慮的情況下，大量測試結(jié)果表明，在故障初相角為30°、過渡電阻為300Ω、故障距離為20km 時，裝置可以可靠動作;在故障初相角為10、過渡電阻為0Ω、故障距離為5km 時，保護(hù)裝置拒動。在初相角為10-30°時，裝置抗過渡電阻以及抗長故障距離的性能有不同程度的下降。因此，故障初相角是決定裝置靈敏性的最重要的指標(biāo)?？紤]到大多數(shù)絕緣擊穿發(fā)生在電壓幅值較大的時刻，本裝置的靈敏性可以滿足現(xiàn)場需求。實際上，只要故障不是恰好發(fā)生在電壓過零點，理論上就應(yīng)該有故障行波，同時故障電流和電壓行波極性關(guān)系也必然滿足保護(hù)判據(jù)。但是當(dāng)行波波頭較小時，將會“湮沒”在噪聲之中，很難被檢測到。為了避免噪聲對保護(hù)的干擾，在算法中設(shè)定了一個小波變換閾值，只有小波變換模極大值高于此閾值時，才會執(zhí)行行波判據(jù)。通過降低閾值可以進(jìn)一步提高裝置的靈敏性，但是噪聲會對算法造成較大干擾，不利于裝置的穩(wěn)定運行。因此，本裝置在實際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場電磁環(huán)境，設(shè)定較為合適的閾值。

2、可靠性測試。裝置在實際運行中，可能受到現(xiàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，如：由雷擊建筑物或其他金屬構(gòu)架引起的脈沖磁場干擾;各種無線電波引起的射頻傳導(dǎo)騷擾;在同一供電回路中，多種設(shè)備在工作過程中產(chǎn)生的電快速瞬變干擾;在變電站由于各種操作引起的電弧燃燒而產(chǎn)生的脈沖群干擾;或因工頻電流以及變電站地電位升高引起的工頻磁場和工頻電壓騷擾等。在具體的體現(xiàn)形式上，這些干擾包括高頻噪聲、瞬時脈沖、阻尼衰減的震蕩信號，直流和工頻諧波分量等。本文根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對復(fù)雜電磁環(huán)境下裝置的可靠性進(jìn)行了大量的測試。測試包括輻射電磁場干擾、脈沖群干擾、快速瞬變干擾、靜電放電干擾、浪涌抗擾度、工頻磁場干擾、傳導(dǎo)騷擾干擾、工頻干擾等。測試結(jié)果證明，該裝置在復(fù)雜電磁環(huán)境下具有高可靠性，各種電磁干擾均不會引起保護(hù)誤動。

其中，對于直流和工頻諧波分量干擾，由于本裝置采用高頻行波作為故障判據(jù)，根據(jù)小波變換的多分辨分析特性，算法中所采用的二進(jìn)小波變換的小波分量，均反映了信號的高頻段信息，其對直流和工頻諧波分量干擾有著天然的濾除效果。對于高頻噪聲干擾，經(jīng)過低通濾波器后，干擾幅值已經(jīng)非常小了，通過設(shè)定合適的小波變換閾值，能夠較好地排除高頻噪聲的干擾。瞬時脈沖干擾由于幅值較高，頻帶較寬，往往經(jīng)過低通濾波器后，依然有一定的幅值，可能會高于小波變換閾值。但是由于脈沖信號本身能量很低，因此利用小波變換Lipischitz α指數(shù)構(gòu)成干擾識別判據(jù)[1]，能夠很好地識別脈沖信號，排除其對保護(hù)算法的影響。對于阻尼衰減的振蕩信號，或脈沖群信號，由于其能量較高，頻帶范圍較寬，會周期性出現(xiàn)，因此有一定的概率會滿足行波判據(jù)，導(dǎo)致行波模塊誤啟動。但是這種情況下，不會出現(xiàn)穩(wěn)定的工頻零序電壓，因此通過工頻零序電壓的閉鎖功能，能夠較好地避免這種信號的影響。在相關(guān)實驗中，也出現(xiàn)了行波判據(jù)誤判，但是因為不滿足工頻電壓判據(jù)，裝置不會誤動作。

基于配電線路單相接地行波保護(hù)實現(xiàn)方案，包括整體實現(xiàn)方案和保護(hù)模塊的軟硬件具體構(gòu)成。高速數(shù)字信號處理器以及復(fù)雜可編程邏輯元件，研制了配電線路單相接地行波保護(hù)裝置。裝置可以在發(fā)生單相接地故障時可靠動作，在出現(xiàn)相間故障或其他擾動時可靠閉鎖;能夠廣泛應(yīng)用于各種配電線路結(jié)構(gòu)。

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