基于短路電流小半波特征的短路故障快速檢測(cè)方法

吳行健，石晶，陳紅坤，陳磊，陳璟瑤

基于短路電流小半波特征的短路故障快速檢測(cè)方法

吳行健，石晶，陳紅坤，陳磊，陳璟瑤

(武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430072)

為使超高壓輸電線路上的限流器在短路早期快速投入，短路故障快速檢測(cè)方法的研究至關(guān)重要。首先分析了短路電流暫態(tài)特征隨故障初相角等因素的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)部分故障初相角短路工況下電流呈現(xiàn)小半波特征的現(xiàn)象，此時(shí)傳統(tǒng)檢測(cè)方法難以滿足速動(dòng)性的要求。然后提出了一種基于短路電流小半波特征的檢測(cè)判據(jù)，利用電流瞬時(shí)值或變化率的零點(diǎn)間隔作為檢測(cè)量，與傳統(tǒng)檢測(cè)判據(jù)配合，實(shí)現(xiàn)了任意故障初相角下的短路快速檢測(cè)，并保證了在負(fù)荷投切等干擾工況下的可靠性。最后通過(guò)離線仿真、現(xiàn)場(chǎng)短路試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。結(jié)果表明所提方法能在2.9 ms內(nèi)辨識(shí)出短路故障。

短路故障快速檢測(cè)；故障電流初相角；小半波特征；零點(diǎn)間隔；現(xiàn)場(chǎng)短路試驗(yàn)

0 引言

隨著電力系統(tǒng)負(fù)荷的增長(zhǎng)以及電網(wǎng)耦合程度的加深，電網(wǎng)的短路電流水平日益增長(zhǎng)，成為制約我國(guó)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要問(wèn)題之一。其中，華東電網(wǎng)短路電流超標(biāo)最為嚴(yán)重，有19.1%的變電站短路電流超過(guò)了63 kA(目前500 kV斷路器的遮斷容量上限)，并且隨著特高壓變電站的接入，問(wèn)題日益嚴(yán)峻[1-4]。廣東電網(wǎng)已有多個(gè)500 kV 站點(diǎn)的母線短路電流水平超過(guò)了斷路器的遮斷容量，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行安全構(gòu)成威脅，因此，短路電流限制技術(shù)成為當(dāng)下的研究重點(diǎn)。

目前應(yīng)對(duì)超高壓電網(wǎng)短路電流超標(biāo)問(wèn)題，有3種常見(jiàn)解決方式：調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、改變系統(tǒng)的運(yùn)行方式和加裝限流設(shè)備[5-11]。裝設(shè)運(yùn)行靈活、性能良好、經(jīng)濟(jì)合理的故障電流限制器(Fault Current Limiter, FCL)已成為當(dāng)下有效且可行的方案。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，F(xiàn)CL必須先于高壓交流斷路器動(dòng)作，因此希望FCL的控制系統(tǒng)能夠在2～3 ms內(nèi)識(shí)別出短路故障，使得FCL投入電網(wǎng)，以限制短路電流給系統(tǒng)或設(shè)備帶來(lái)熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定的沖擊。并且，要求FCL控制系統(tǒng)在各種干擾工況下不會(huì)誤動(dòng)。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多短路故障檢測(cè)方法[12-19]，但仍然難以同時(shí)滿足快速性和可靠性的要求。文獻(xiàn)[12]提出基于電流瞬時(shí)值變定值的故障檢測(cè)方法，通過(guò)快速檢測(cè)電路將整定值與正常工作電流同步，理論上可以提高故障識(shí)別的速度，但該方法對(duì)硬件設(shè)備要求高，尚缺乏相關(guān)試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[13-14]將三相電流平方和的比值作為故障檢測(cè)量，對(duì)所提方法在故障工況與干擾工況下的有效性進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明該方法在三相短路故障工況下檢測(cè)時(shí)間短，但在部分故障電壓初相角的單相接地故障工況下檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，并且無(wú)法判斷故障相別，難以實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)的分相控制。文獻(xiàn)[15]結(jié)合華東電網(wǎng)故障電流限制器示范工程，提出了基于瞬時(shí)值和斜率配合的故障檢測(cè)方法，將兩種判據(jù)在5 ms內(nèi)相繼達(dá)到整定值認(rèn)定為FCL檢測(cè)到故障，已經(jīng)通過(guò)多年工程實(shí)踐檢驗(yàn)，但該方法在部分故障初相角的短路工況下仍然存在快速檢測(cè)的“盲區(qū)”。文獻(xiàn)[16]在上述研究的基礎(chǔ)上，采用相電流差替代電流斜率進(jìn)行故障快速檢測(cè)，有效縮短了總體檢測(cè)時(shí)間，基于現(xiàn)場(chǎng)短路電流數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法可以在10 ms內(nèi)檢測(cè)到故障，但對(duì)于上述方法存在的快速檢測(cè)“盲區(qū)”問(wèn)題并無(wú)改善。綜上所述，目前應(yīng)用于FCL控制系統(tǒng)的故障快速檢測(cè)方法在部分故障初相角的短路工況下難以滿足速動(dòng)性的要求，如何實(shí)現(xiàn)任意故障初相角的短路工況下快速、可靠地識(shí)別出短路故障，仍需要進(jìn)行不斷探索，尋找出具備普適性的故障快速檢測(cè)方法[20-22]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于短路電流小半波特征的短路故障快速檢測(cè)方法。首先分析了輸電線路發(fā)生短路故障時(shí)電流暫態(tài)特征的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了部分故障初相角下短路早期電流呈現(xiàn)瞬時(shí)值或變化率小半波的現(xiàn)象，揭示了小半波特征是傳統(tǒng)故障檢測(cè)方法難以在任意短路故障初相角的短路工況下滿足速動(dòng)性的根本原因。根據(jù)小半波特征的特點(diǎn)，提出了零點(diǎn)間隔判據(jù)，利用電流瞬時(shí)值或變化率的過(guò)零點(diǎn)時(shí)間間隔進(jìn)行故障辨識(shí)，與電流瞬時(shí)值判據(jù)、電流變化率判據(jù)配合形成故障快速檢測(cè)融合方法，為超高壓輸電線路短路故障快速檢測(cè)技術(shù)提供了新的思路。依托南方電網(wǎng)500 kV超高壓電網(wǎng)故障電流限制器示范工程項(xiàng)目，結(jié)合離線仿真與現(xiàn)場(chǎng)人工短路試驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 ?短路電流暫態(tài)特征變化規(guī)律

1.1 短路早期電流小半波特征

圖1 電力系統(tǒng)單線等效模型

假設(shè)短路故障前線路電流為

當(dāng)F點(diǎn)發(fā)生短路故障，由于電感電流不突變，短路發(fā)生后的全電流公式為

其中

此時(shí)，兩個(gè)分量的初值可以表示為

圖2 Iac0、Idc0隨b的變化曲線(工況1)

圖3 短路后電流隨t的變化曲線(工況1)

圖4 電流小半波示意圖(工況1)

圖5 Iac0、Idc0隨b的變化曲線(工況2)

圖6 電流小半波示意圖(工況2)

1.2 短路電流小半波的影響因素

充分展示自己就要將自己的長(zhǎng)處展示給其他的同行人員，通過(guò)行業(yè)中的平臺(tái)分享、交流各自的問(wèn)題、新的方法、技術(shù)、源于實(shí)踐的感悟等各種信息，促進(jìn)行業(yè)整體向前發(fā)展，營(yíng)造百花齊放的“春天盛景”[6]。工程造價(jià)是一個(gè)不可能獨(dú)自完成的工作項(xiàng)目永遠(yuǎn)需要的是大量的資源和信息，因而要堅(jiān)決的否定“閉門造車”式的工作方法。

圖7 電流小半波特征下n、Dj和 b的關(guān)系圖

2 ?基于零點(diǎn)間隔的短路故障快速檢測(cè)判據(jù)

2.1 判據(jù)原理

2.2 短路故障快速檢測(cè)方法

根據(jù)超高壓系統(tǒng)FCL的動(dòng)作要求，高短路電流水平工況下FCL應(yīng)快速動(dòng)作，降低短路電流對(duì)系統(tǒng)的危害，保證斷路器的正常開(kāi)斷；在線路正常運(yùn)行、負(fù)荷投切、功率補(bǔ)償、低短路電流水平等工況下，F(xiàn)CL應(yīng)可靠不動(dòng)作，保證經(jīng)濟(jì)性。使用單一判據(jù)進(jìn)行故障檢測(cè)往往不能同時(shí)滿足上述快速性和可靠性的要求，目前應(yīng)用于FCL運(yùn)行控制系統(tǒng)的故障快速檢測(cè)方法多采用兩種檢測(cè)判據(jù)相互配合的方案，可有效提高檢測(cè)方法的可靠性。

華東電網(wǎng)故障電流限制器示范工程采用了電流瞬時(shí)值與電流變化率判據(jù)相互配合的故障快速檢測(cè)方法[13]，但該方法無(wú)法保證任意故障初相角短路工況下短路檢測(cè)的速動(dòng)性要求，后文將對(duì)比分析。

圖8 短路故障快速檢測(cè)方法框圖

3 ?仿真分析

圖9 500 kV系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

圖10 不同故障快速檢測(cè)方法響應(yīng)特性曲線對(duì)比圖

由圖10可知，在預(yù)期短路電流水平以上的短路工況下，方法一最長(zhǎng)和最短的檢測(cè)時(shí)間均低于方法二，證明零點(diǎn)間隔判據(jù)對(duì)故障快速檢測(cè)方法的快速性有明顯提升。此外，方法一與方法二的檢測(cè)時(shí)間在不同短路電流水平條件下均呈現(xiàn)反時(shí)限特性，短路電流水平越高，檢測(cè)時(shí)間越短。在短路電流水平為30 kA以上時(shí)，方法一的檢測(cè)時(shí)間小于2.9 ms，完全能夠滿足限流器控制器的動(dòng)作要求。

表1 30 kA短路電流水平短路工況下兩種方法的檢測(cè)時(shí)間(工況1)

同理，對(duì)工況2條件下的仿真結(jié)果也進(jìn)行了分析，兩種方法的檢測(cè)時(shí)間如圖11所示。由圖11可知，在故障電壓初相角為30o～90o、110o～180o的短路工況下，方法一的檢測(cè)時(shí)間短于方法二。故障初相角為110o～180o的短路工況下短路前后電流波形與圖6類似，電流瞬時(shí)值零點(diǎn)間隔滿足判斷條件，零點(diǎn)間隔判據(jù)能在0.2～1.0 ms內(nèi)檢測(cè)出短路故障，縮短了方法的整體檢測(cè)時(shí)間。故障初相角為30o～90o的短路工況下電流波形不呈現(xiàn)為小半波特征，短路前電流波形與圖4中的情況相似，短路后電流波形呈現(xiàn)大半波特征，由于短路前后電流變化率存在兩次相近的過(guò)零點(diǎn)，與工況1中小半波特征下變化率零點(diǎn)間隔規(guī)律相同，零點(diǎn)間隔判據(jù)也能在0.1～0.4 ms內(nèi)快速辨識(shí)到短路故障。由此可見(jiàn)，零點(diǎn)間隔判據(jù)在小半波特征之外的部分短路工況也能起到縮短短路故障檢測(cè)時(shí)間的作用。

圖11 30 kA短路電流水平短路工況下兩種方法的檢測(cè)時(shí)間(工況2)

除此之外，為驗(yàn)證方法的可靠性，設(shè)置了噪聲、諧波、負(fù)荷投切、功率補(bǔ)償?shù)雀蓴_工況，負(fù)荷設(shè)置于母線N處，通過(guò)斷路器實(shí)現(xiàn)投切操作，具體參數(shù)見(jiàn)表2。仿真結(jié)果表明，本文所提方法在以上干擾工況下均不會(huì)誤動(dòng)，滿足限流器的運(yùn)行要求。

表2 干擾工況試驗(yàn)參數(shù)

綜上所述，本文所提方法能夠有效消除部分故障初相角短路工況下快速檢測(cè)的“盲區(qū)”，實(shí)現(xiàn)任意故障初相角短路工況下的快速檢測(cè)，與目前工程上應(yīng)用的方法在快速性上相比存在優(yōu)勢(shì)，并且具有較高的可靠性，為故障快速檢測(cè)技術(shù)提供了新的思路。

4 ?現(xiàn)場(chǎng)人工短路試驗(yàn)驗(yàn)證

依托南方電網(wǎng)500 kV超高壓電網(wǎng)故障電流限制器示范工程項(xiàng)目，于廣東電網(wǎng)某輸電線路13 km處進(jìn)行了B相接地人工短路試驗(yàn)，試驗(yàn)前線路為空載，預(yù)計(jì)短路電流水平為19 kA。試驗(yàn)采用無(wú)人機(jī)驅(qū)動(dòng)的高壓輸電線路瞬時(shí)短路試驗(yàn)方法。FCL運(yùn)行控制系統(tǒng)采樣頻率為10 kHz，采用本文所提方法對(duì)短路故障進(jìn)行辨識(shí)。FCL與線路串聯(lián)，使用羅氏線圈采集電流信號(hào)，F(xiàn)CL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及羅氏線圈安裝位置如圖12所示，F(xiàn)CL未投入時(shí)為雙臂通流，因此FCL采集的電流為線路電流的一半，考慮FCL結(jié)構(gòu)和所提方法的響應(yīng)特性，對(duì)雙臂電流6.6 kA(單臂3.3 kA)進(jìn)行整定。FCL控制系統(tǒng)中電流瞬時(shí)值與電流變化率的錄波波形如圖13所示。

圖12 FCL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及羅氏線圈安裝位置

圖13 現(xiàn)場(chǎng)短路試驗(yàn)電流及動(dòng)作信號(hào)波形

試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)CL運(yùn)行控制系統(tǒng)的總體檢測(cè)時(shí)間為0.7 ms，經(jīng)過(guò)9.5 ms后開(kāi)關(guān)快速開(kāi)斷，限流器進(jìn)入限流態(tài)。由圖13可知，故障發(fā)生時(shí)刻為0.0415 s，單臂短路電流水平為9.54 kA，電流峰值為14.7 kA。對(duì)比分析故障錄波儀中電流和電壓波形得知，短路前線路電流呈容性，大小為48.81 A，故障電壓初相角為85o。根據(jù)錄波波形中的動(dòng)作信號(hào)波形，零點(diǎn)間隔判據(jù)識(shí)別時(shí)間為0.3 ms，電流變化率判據(jù)識(shí)別時(shí)間為0.7 ms，電流瞬時(shí)值判據(jù)識(shí)別時(shí)間為1.6 ms。試驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致，零點(diǎn)間隔判據(jù)能夠有效縮短方法對(duì)短路故障的檢測(cè)時(shí)間。

此外，在現(xiàn)場(chǎng)短路試驗(yàn)前的升流(200 A、400 A、600 A)試驗(yàn)及斷路器合閘、線路空充等試驗(yàn)操作下，方法均未誤動(dòng)，方法的可靠性也同時(shí)得到了驗(yàn)證。

5 ?結(jié)論

本文提出了一種基于短路電流小半波特征的故障快速檢測(cè)判據(jù)，與電流瞬時(shí)值判據(jù)、電流變化率判據(jù)配合，可用于FCL等非自觸發(fā)快速開(kāi)關(guān)型的電流開(kāi)斷裝置，提高開(kāi)斷裝置的響應(yīng)速度。主要工作及研究結(jié)論如下。

1) 分析了短路電流暫態(tài)特征隨故障初相角、相位跳變量、幅值跳變量變化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了部分故障初相角下短路早期電流呈現(xiàn)小半波特征的現(xiàn)象，揭示了小半波特征是傳統(tǒng)故障檢測(cè)方法難以在全故障初相角下滿足速動(dòng)性的根本原因。

2) 提出了基于小半波特征的故障快速檢測(cè)方法，利用電流瞬時(shí)值或變化率的過(guò)零點(diǎn)時(shí)間間隔作為檢測(cè)量，能夠有效消除部分故障初相角短路工況下快速檢測(cè)的“盲區(qū)”，與電流瞬時(shí)值、變化率判據(jù)配合，可以實(shí)現(xiàn)任意故障初相角短路工況下的短路故障快速檢測(cè)。

3) 通過(guò)離線仿真試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)人工短路試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法的有效性，所提出的識(shí)別方法比目前工程中采用的方法快速性更好，為故障快速檢測(cè)技術(shù)提供了新的思路。

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Fast short-circuit fault detection method based on a small half-wave feature

WU Xingjian, SHI Jing, CHEN Hongkun, CHEN Lei, CHEN Jingyao

(School of Electrical Engineering and Automation, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

To put the fault current limiter on a UHV transmission line into operation quickly in the early stage of a fault, research is conducted on a fast short-circuit fault detection method. First, the transient characteristics of the short-circuit current with initial phase angle and other factors are analyzed, and it is found that the early short-circuit current at some initial phase angle presents small half-wave characteristics. The traditional detection method finds it difficult to meet the speed requirements for action. Then, a detection criterion based on the small half-wave characteristic of the short-circuit current is proposed. This uses the zero-crossing time interval of the instantaneous value or of the rate of change to quickly identify short-circuit faults.The fast detection of a short-circuit fault at any fault initial phase angle can be realized by combining with the traditional criterion, andthe reliability under load switching and other interference conditions is guaranteed. Finally, the effectiveness of the fault detection method is verified by offline simulation tests and a field short circuit test. The test results indicate that the detection time of the proposed method can be within 2.9 ms.

fast short-circuitfault detection; initial phase angle of fault current; small half-wave feature; zero-crossing time interval; field short circuit test

10.19783/j.cnki.pspc.211416

2021-10-21；

2022-01-04

吳行健(1997—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槎搪饭收峡焖贆z測(cè)與辨識(shí)技術(shù)；E-mail: wuxingjian0426@163.com

石 晶(1969—)，女，通信作者，博士，副教授，研究方向?yàn)殚_(kāi)關(guān)電器及理論電工；E-mail: shi.jing@whu.edu.cn

陳紅坤(1967—)，男，博士，教授，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)運(yùn)行與控制、電力系統(tǒng)安全評(píng)估、電能質(zhì)量分析與環(huán)境評(píng)估。E-mail: chkinsz@163.com

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助(2018YFB0904300)，中國(guó)南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目資助(GZHKJXM20180087)

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2018YFB0904300).

(編輯 許 威)