基于電壓變化特征的110 kV線路斷線故障自適應判別方法

陳永明，劉 昶，李 靜，楊 茹，侯 超，姚 鵬

（國網江蘇省電力有限公司鎮(zhèn)江供電分公司，鎮(zhèn)江 212000）

近年來隨著城市化的發(fā)展，電網電壓等級提升，110 kV輸電線路的規(guī)模迅速擴大，斷線故障時有發(fā)生[1]。但目前國內對斷線故障的研究主要集中在配電網[2-6]，對高壓輸電網的關注較少。電力系統(tǒng)對于110 kV輸電線路發(fā)生斷線故障的應對措施不足，不能在短時間內準確識別斷線故障并做出反應，嚴重影響電力系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定性[7-8]。

110 kV變電站變壓器的中性點有直接接地和非直接接地兩種接地方式[9]。對于110 kV變電站高壓側中性點直接接地的輸電線路，由于單相斷線故障發(fā)生后存在零序電流，有些文獻采用零序過流保護來實現斷線保護。文獻[10]指出兩側變電站變壓器直接接地的線路發(fā)生單相斷線故障后，零序電流大小只取決于故障前的負荷電流而與斷線位置無關；文獻[11]基于這一特性，針對重載線路發(fā)生單相斷線故障的情形提出一種新型零序過流保護方法，需要與線路縱聯差動保護相配合；文獻[12]通過動態(tài)地調整零序過電流保護定值來實現單相斷線保護。以上這些方法僅依據零序電流量來識別故障，在線路空載或輕載時會影響保護動作的可靠性，不能100%切除故障。對于110 kV變電站高壓側中性點不接地的線路，單相斷線故障發(fā)生后不存在零序電流，零序電流保護不會動作。文獻[13]指出，110 kV線路發(fā)生單相斷線故障后線路保護均不會動作，僅可能會使主變壓器保護告警，收到告警后還需運行人員進一步確定是否為缺相故障，沒有給出斷線保護方法；文獻[9]提出了一種基于低壓側相電壓與相電流的保護判據，該判據抓住故障后故障相電流為0以及非故障相電壓幅值減半的特征來識別單相斷線故障。

以上文獻主要針對斷線故障特性進行了分析，且僅考慮了110 kV線路斷線且斷線處不接地的情形，不適用于單相斷線且斷線處有一側接地的故障，但實際斷線故障通常伴隨有斷線處接地的情況[14]。文獻[15]分析了110 kV線路發(fā)生單線斷線且負荷側接地故障時的電流特性；文獻[16]針對同塔雙回線一回斷線的特殊情形，通過區(qū)分故障前后電流量的變化特征解決了零序縱聯保護的誤動問題；文獻[17]抓住不同故障時二次電弧階段高階能量特征的不同，提出了基于小波變換與支持向量機的單相故障診斷方法。

總體上，目前針對110 kV輸電線路的單相斷線故障缺乏系統(tǒng)分析，適應不同接地方式、不同斷線情形[18]下的斷線保護方法有待深入研究。針對以上問題，本文提出了一種110 kV線路斷線故障自適應判別方法。所提方法充分利用110 kV線路斷線故障后變壓器兩側電氣量的變化特征，采用變壓器低壓側負序電壓變化特征的啟動判據以及根據系統(tǒng)零序阻抗與正序阻抗的比值，自適應地調整電壓動作值的動作判據，基于變壓器高壓側相電流突變量變化的短路閉鎖方法實現110 kV線路在不同斷線情況下單相斷線故障的準確識別與可靠動作。最后在Matlab/Simulink平臺仿真驗證了所提保護方法的理論正確性與可行性。

1 110 kV單側電源線路單相斷線故障分析

我國110 kV系統(tǒng)要求采用有效接地方式，上級變電站110 kV側通常為直接接地運行。根據負荷側變電站變壓器的中性點是否接地運行、單相斷線是否同時伴隨一側接地，可將110 kV線路的斷線故障分為6種情形，分類結果如表1所示。

表1 110 kV線路斷線情況分類Tab.1 Classification of 110 kV line disconnection faults

表1中的6種斷線情況中的情況3、情況5、情況6較為特殊，其斷線故障特征與短路故障有相似之處，可由線路原有的短路保護動作切除，本文只做簡要分析，而主要對情況1、情況2、情況4三種斷線情況采用對稱分量法進行理論分析并總結歸納其故障特征。

1.1 情況1的故障特征分析

情況1的斷線故障系統(tǒng)示意如圖1所示，圖1中：E?i為電源高壓側i相電勢，i=A，B，C；U?oiS和U?oiL分別為i相電源側和負荷側電壓。由于上級變電站110 kV側通常為直接接地運行，因此可將上級變電站等效成三相電源的星形接地接線。用對稱分量法對情況1進行分析。

圖1 情況1的斷線故障示意Fig.1 Schematic of disconnection fault in Case 1

110 kV線路在發(fā)生情況1類型的斷線故障時，其低壓側相電壓向量如圖2所示。從圖2可發(fā)現，110 kV線路在情況1類型故障發(fā)生時，其低壓側故障相與故障相的超前相（相序為A-B-C）的電壓幅值會減半，而故障相的滯后相電壓幅值未發(fā)生變化。同時，低壓側故障相與故障相的超前相的相位一致。此外，當系統(tǒng)的運行參數確定，主變低壓側電壓也隨之確定，與故障位置和負荷無關。

圖2 110 kV斷線情況1的低壓側電壓向量Fig.2 Voltage vector on low-voltage side under 110 kV line disconnection fault in Case1

1.2 情況2的故障特征分析

圖3為110 kV線路單相斷線且負荷側斷線處接地時系統(tǒng)示意。上級變電站110 kV側為直接接地系統(tǒng)，110 kV變電站變壓器中性點為不接地。用對稱分量法對情況2進行分析。

圖3 情況2的斷線故障示意Fig.3 Schematic of disconnection fault in Case 2

110 kV線路在發(fā)生情況2類型的斷線故障時，其低壓側相電壓向量如圖4所示，圖中E?k為電源低壓側k相電勢，k=a，b，c。

圖4 110 kV斷線情況2的低壓側電壓向量Fig.4 Voltage vector on low-voltage side under 110 kV line disconnection fault in Case 2

由圖4可發(fā)現，110 kV線路在情況2類型故障發(fā)生時，其低壓側故障相與故障相的超前相（相序為A-B-C）的電壓幅值變?yōu)樵瓉淼谋?，而故障相的滯后相的電壓幅值未發(fā)生變化。同時，低壓側的故障相與故障相超前相的相位都發(fā)生了明顯變化。

1.3 情況4的故障分析

圖5為110 kV線路單相斷線時系統(tǒng)示意，記為情況4。上級變電站110 kV側為直接接地系統(tǒng)，110 kV變電站變壓器中性點接地運行。用對稱分量法對情況4進行分析。

圖5 情況4的斷線故障示意Fig.5 Schematic of disconnection fault in情況4

110 kV線路在發(fā)生情況4類型的斷線故障時，其低壓側相電壓向量如圖6所示。

圖6 110 kV斷線情況4的低壓側電壓向量Fig.6 Voltage vector on low-voltage side under 110 kV line disconnection fault in Case 4

結合以上推導和圖6，情況4的斷線故障不同于前2種斷線情況。110 kV線路發(fā)生這種類型的斷線故障后，110 kV變電站主變高壓側電流、低壓側電壓的幅值往往依賴于系統(tǒng)的t值大小。

分析情況4的故障電流、故障電壓關于零、正序阻抗比值的函數特性。令IB/IAL=f(t)、令Ua/Ea=g(t)，Ua2/Ea=h(t)，得到3個函數為

對式（28）中的函數求導得

式（29）表明，情況4的故障電流、故障電壓函數為嚴格單調遞減函數，其函數值將會隨系統(tǒng)的t增大而減小。而情況4故障相負序電壓函數為嚴格單調遞增函數，其函數值將會隨系統(tǒng)的t增大而增大。

我國110 kV系統(tǒng)采用有效接地系統(tǒng)[17]，系統(tǒng)中0≤t≤3。本文考慮t的取值范圍為0.5～3.0，因此情況4故障相負序電壓函數最小值為h（0.5）=1/4，情況4故障相電壓最小值為g（3）=0.515 0，最大值為g（0.5）=0.661 4。

1.4 其余故障類型的故障分析

情況3和情況6都有一個共同的故障特征，即單相斷線并伴有系統(tǒng)側線路接地。這類故障對于系統(tǒng)側變電站等同于短路故障，會由線路的短路保護動作，無需額外加裝斷線保護裝置。

而情況5的故障特征是單相斷線并伴有負荷側線路接地，同時負荷側變壓器中性點直接接地運行。其故障示意如圖7所示。

圖7 情況5的斷線故障示意Fig.7 Schematic of disconnection fault in Case 5

情況5的故障線路雖然系統(tǒng)側線路沒有直接接地，但負荷側線路的接地與負荷側變壓器中性點的接地構成了一個短路回路，系統(tǒng)側仍會出現零序電流（A相斷線時，有IB=IC，3I0=2IB/3），由110 kV線路的零序電流保護來動作切除故障[7]。

結合上述分析，發(fā)現在6種斷線情形中，情況3、5、6均會由110 kV線路的短路保護來切除，不用額外加裝斷線保護裝置；而情況1、2、4不符合短路故障的特征，現有的線路保護裝置不會動作，給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來嚴重危害，故需要額外加裝斷線保護裝置，快速識別并可靠切除故障。情況1、2、4這3種斷線故障類型的電壓電流變化特征匯總如表2所示。

表2 110 kV線路斷線故障電壓、電流幅值特征Tab.2 Amplitude characteristics of voltage and current under 110 kV line disconnection fault

表2主要歸納了110 kV線路發(fā)生斷線故障后高壓側電流、低壓側負序電壓與相電壓的變化特征，其中，IL為高壓側負荷電流。除了情況4的參數還取決于系統(tǒng)零序阻抗與正序阻抗的比值，另外兩種斷線情況都有明確的理論值。無論何種故障類型，其故障相低壓側都存在負序電壓，并且故障相的高壓側電流較負荷電流都有明顯的減小，非故障相電流也有不同程度上的減小。從變壓器低壓側相電壓來看，故障相的滯后相電壓幅值無變化，但是故障相與故障相的超前相電壓幅值都有一定程度的減小，并且故障相與故障相的超前相電壓幅值相等。

2 110 kV線路斷線故障自適應判別方法

根據第1節(jié)對110 kV單側電源線路發(fā)生單相斷線故障的理論分析，本文提出了一種基于電壓變化特征的110 kV線路斷線故障自適應判別方法，包括3個主要部分：根據負序電壓變化的啟動判據、各相電壓幅值變化的動作判據以及短路閉鎖方法。

2.1 負序電壓啟動方法

2.2 110 kV線路各相斷線識別方法

2.3 短路閉鎖方法

輸電線路上發(fā)生的故障類型主要有短路和斷線兩種故障，其中，短路故障的發(fā)生次數遠高于斷線故障[18]，本文的斷線保護方法用于斷線故障的識別。若能夠排除短路故障，在線路發(fā)生短路故障時本斷線保護裝置可靠閉鎖，可以極大地提高斷線故障識別的可靠性。

110 kV有效接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時，會產生很大的短路電流[17]。而由表2中的故障相高壓側電流可以發(fā)現，線路發(fā)生斷線故障后故障相的電流有明顯下降（甚至可能降為0），非故障相電流也有不同程度的降低。依據短路與斷路在電流特性上的區(qū)別，采用相電流突變量的短路判別方法為

式中：Δik為故障分量在k采樣時刻的計算值；Iset為電流整定值，按躲過正常負荷電流波動最大值整定，并保證線路末端故障時有足夠的靈敏度，一般取0.2IN（IN為TA一次側額定電流），取值180～250 A。對于負荷波動比較劇烈的線路（如鋼廠線路等），可適當提高保護定值減少保護裝置頻繁啟動。Δik計算方法為

式中：ik為k時刻的電流采樣值；ik-N為k時刻前一周期的電流采樣值；ik-2N為k時刻前兩周期的電流采樣值。

一旦110 kV主變高壓側任意相的相電流突變量滿足式（40），則判定線路發(fā)生短路故障，本斷線保護閉鎖，由短路保護裝置判別動作與否；否則，本斷線保護裝置開放。

根據以上分析，給出110 kV線路斷線故障自適應判別方法的保護邏輯如圖8所示。

圖8 110 kV線路斷線保護方法邏輯Fig.8 Logic of protection method under 110 kV line dis-connection fault

圖8中，若110 kV主變低壓側任一相負序電壓滿足啟動條件，則判定系統(tǒng)發(fā)生非對稱故障；若110 kV主變低壓側三相電壓滿足故障判據，判定系統(tǒng)f相發(fā)生斷線故障。最后，通過采集相電流突變量來判斷系統(tǒng)是否短路故障。若未發(fā)生短路故障則斷線保護裝置可靠動作，且經延時t1后由斷線告警模塊發(fā)出進線的某相斷線信號，延時t2后跳開斷線線路負荷側斷路器,并與備自投裝置配合投入備用電源。若判定系統(tǒng)發(fā)生了短路故障，則斷線保護裝置可靠閉鎖，并由線路相應的短路保護來切除故障。

3 110 kV線路斷線故障仿真分析

3.1 仿真模型的搭建

利用Matlab/Simulink平臺搭建中性點直接接地的110 kV輸電線路模型。110 kV主變采用Yd11接線，變比為110/10.5。輸電線路總長度為80 km，斷線故障位置處于輸電線路的中點。仿真總時長1.0 s，斷線故障發(fā)生于0.5 s時刻，由理想斷路器（阻抗無窮大）來模擬斷線故障。仿真系統(tǒng)參數如表3所示。

表3 110 kV輸電線路仿真參數Tab.3 Simulation parameters of 110 kV transmission lines

3.2 仿真結果分析

設A相為斷線故障相，分別對3種斷線情形情況1、情況2、情況4進行仿真，通過分析其斷線前后的電壓特征來驗證理論分析的正確性與斷線保護方法的可行性。

情況1的仿真結果分別如圖9和表4所示，可以看出，B相（故障相滯后相）高壓側電壓保持不變，而A相與C相（故障相與故障相超前相）的電壓幅值降至故障前的1/2，同時各相出現1/2額定相電壓的負序電壓。該結果與表2的理論分析結果一致，同時滿足圖8中的負序電壓啟動以及斷線故障動作判據。

圖9 情況1電壓仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of voltage in Case1

表4 情況1電壓仿真結果數據Tab.4 Data of simulation results of voltage in Case 1

情況2的仿真結果如圖10和表5所示。由仿真結果可看出，B相（故障相滯后相）的低壓側電壓保持不變，而A相與C相（故障相與故障相超前相）的電壓幅值降至故障前的，同時各相出現1/3額定相電壓的負序電壓。該仿真結果與表2的理論分析結果相符，同時滿足圖8中的負序電壓啟動以及斷線故障判據。

圖10 情況2電壓仿真波形Fig.10 Simulation waveforms of voltage in Case 2

表5 情況2電壓仿真結果數據Tab.5 Data of simulation results of voltage in Case 2

情況4的仿真結果如圖11和表6所示。表6中，B相（故障相滯后相）的低壓側電壓保持不變，而A相（故障相）的電壓幅值降至故障前的1/2左右，同時各相出現1/2左右額定相電壓的負序電壓。線路仿真參數的設定中仿真系統(tǒng)的t為2.566 7，將其代入函數Ua/Ea=g(t)，得到g（2.566 7）=0.519 6。該仿真結果與表2的理論分析結果相符，同時滿足圖8中的負序電壓啟動以及斷線故障判據。

圖11 情況4電壓仿真波形Fig.11 Simulation waveforms of voltage in Case 4

表6 情況4電壓仿真結果數據Tab.6 Data of simulation results of voltage in Case 4

根據以上的仿真結果分析可知，本文提出的110 kV線路自適應的斷線保護方法能夠準確地識別故障相，并且對于不同阻抗環(huán)境的輸電線路系統(tǒng)均能自適應地整定，具有很好的應用價值。

4 結語

本文對110 kV輸電線路的單相斷線故障進行了理論分析，總結歸納了斷線故障發(fā)生后的各電氣特征量的變化規(guī)律，并提出了一種基于電壓變化特征的110 kV線路斷線故障自適應判別方法。該方法包括基于低壓側負序電壓特征的啟動方法，根據系統(tǒng)零序阻抗與正序阻抗的比值自適應地調整電壓整定值的動作判別方法，以及基于相電流突變量的短路閉鎖方法。通過仿真建模與結果分析，驗證了本斷線保護方法的可行性。該方法不僅能夠對各種斷線故障快速、準確地識別，且能夠根據輸電線路的阻抗環(huán)境自適應地整定動作參數，具有識別快速、準確，動作可靠性與適用性強的特點。