电力系统自适应重合闸技术

王海蓉，袁兆强，鲁明芳，喻小婷

（三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002）

在电力系统故障类型中，对系统影响最为严重的就是输电线路上各种形式的短路故障。若对故障不及时处理，就可能引起电网事故。为解决这一问题，电力行业对电力系统配备完善的继电保护，包括重合闸，为改善传统重合闸存在的不能区分瞬时和永久性故障、不能判别故障点电弧是否已经熄灭就盲目重合的问题，20世纪80年代西安交通大学葛耀中教授提出基于恢复电压的自适应重合闸原理，解决了传统重合闸存在的缺陷。目前，单相自适应重合闸已逐渐走向成熟，但随着电网的不断发展，对自适应重合闸又提出了新的要求：（1）由于西电东送的要求，需要架设越来越多的远距离超/特高压电网，而输电走廊却变得越来越紧张，从而使得同杆双回或多回线路的架设将成为一种必然的发展趋势，研究新的适合该类型输电线路的自适应重合闸显得愈加重要。（2）随着电网的不断扩大，系统发生三相瞬时性故障将增多，有必要对三相自适应重合闸进行研究。

1 单相自适应重合闸

1.1 单回线单相自适应重合闸

在无并联电抗器时，目前主要利用故障相恢复电压幅值和相位特性、二次电弧特性来实现单相自适应重合闸。

结合恢复电压幅值和相位特点，文献[1]利用输电线路上的工频恢复电压进行瞬时性与永久性故障判别是国内外最早的研究方法，该文根据单相跳闸后线路上是否存在电容耦合电压来区分瞬时性和永久性故障，最先提出了电压判别法、补偿电压判别法，但对于带并联电抗器和长距离重负载线路存在误将瞬时性故障判断为永久性故障，造成重合闸不成功。而文献[2]提出了基于工频恢复电压的相位判据。瞬时性故障下断开相电压相位是线路互感阻抗角与功率因数角之差，而永久性故障时断开相电压相位与耦合电压相位相似。文献[3]针对文献[1]存在的问题，进行了原因分析，并提出了改进措施，但模糊控制规则表的确定需要取得系统各种运行方式下的数据，缺乏客观性。

文献[4]利用人工神经网络的波形识别功能解决了自适应重合闸中永久性故障和瞬时性故障的判别问题，但该方法对网络结构及其权值离线用学习样本进行训练，需要模拟大量的故障类型得到不同的模型，还需要存储大量的数据，因此应用起来相对复杂。

文献[5]提出了基于故障测距的永久性故障判据。该判据以故障点瞬时故障电压理论值为定值，由故障测距结果求出故障点实际电压，当故障点实际电压小于定值时为永久性故障，反之为瞬时性故障。文献[6]提出了基于电压补偿原理的新型相位判据：对断开相端电压分别进行2种适当的补偿，获得用于比较相位的2个相量，保证在瞬时性故障时两者反向；而在永久性故障时，两者接近于同向。该判据原理简单、可靠，不受过渡电阻、负荷电流和故障点位置的影响，仅利用线路的单端信息即可实现故障的判别，不需要故障测距装置。

基于电弧特性区分故障性质，文献[7]在对瞬时性故障情况下二次电弧特性分析的基础上，通过对故障产生的谐波特性及含量分析比较，提出了基于电压信号判别故障性质的奇次谐波能量判据。文献[8]通过对不同故障时母线处谐波性质的比较，用一种改进递归复小波的相位特性来区分故障性质，并且利用幅值特性来辅助检测各暂态过程，但未考虑接地电阻的影响。文献[9]建立了基于电压双窗函数暂态能量比的判据，通过该判据来识别故障性质，并且利用形态学分别构造了形态学闭开-开闭梯度滤波算子，更有效地提取出高频信号。文献[10]同样利用数学形态学方法研究了电弧特性，根据提取出的故障相母线电压谱能量来判别故障性质。文献[11]采用小波包能量熵值来定量检测故障相电压的时频分布特性区分故障性质，以实现自适应重合闸。

对超/特高压电网来说，为限制工频过电压，需补偿线路容性无功，抑制潜供电流，一般需要装设并联电抗器。由于并联电抗器对对地电容的补偿，使得线路的电容电流减小，断开相恢复电压中电容耦合电压将减小，可能造成所采用的永久性故障时电容耦合电压判据不再满足要求，会造成瞬时性故障误判。因此，对带并联电抗器输电线路单相故障，通常对恢复电压判据进行修正，并且此时的二次电弧会出现拍频现象，利用存在的自由振荡分量与工频分量也可实现故障性质判别。同样利用恢复电压特点，文献[12]提出了修正电压判据，该判据需要对端信号配合。而文献[2]基于瞬时性故障下断开相电压相位是线路互感阻抗角与功率因数角之差，而永久性故障时断开相电压相位与耦合电压相位相似。利用此相位特性提出了相位判据，并对线路近端发生经过渡电阻故障情况进行了充分考虑，提出了补充判据。

而利用工频分量和自由振荡分量的区别时，文献[14]根据工频分量特性，分析了带并联电抗器输电线路的故障相电流、电压特性，提出了在1个振荡周期内，利用故障相并联电抗器的电流与中性点小电抗器的电流幅值比判别瞬时性故障和永久性故障的方法。文献[15]分析出在单相接地故障中，恢复电压由于电容和电感元件本身的特性会产生自由振荡分量，从而出现拍频现象，并以此提出拍频判据进行故障性质的判别。该判据原理清晰，判断结果无交叉模糊区，但判断时间较长。文献[16-18]均是通过检测自由分量（其中包括高频和低频分量）来区别故障性质，但其运用的方法各不相同。文献[16]对断开相恢复电压在1个工频周期内进行积分检测自由分量。文献[17]利用拉普拉斯变换求解出恢复电压中个暂态分量，并提出了基于断开相端电压衰减周期分量幅值判据和提取低频衰减周期分量幅值的方法。文献[18]根据恢复电压阶段并联电抗器中故障相电流的低频分量判别故障性质（通过设定的能量函数）。

1.2 同杆双回线单相自适应重合闸

为节省输电走廊，目前电网大多采用同杆双回线结构，该结构可能会使得线路间间距较近，易出现跨线故障，并且当发生故障跳开后时，电磁耦合和电容耦合作用较单回输电线路更强，进而电弧熄灭时间更短，故障点绝缘强度还未恢复就可能重合，使得瞬时性故障重合失败，这也就对同杆双回线自适应重合闸提出了新的要求。

对同杆双回线来说，发生的故障类型不同其特点也将不一样，主要的类型有同回线单相故障、同回线多相故障和双回线之间的同名相和异名相跨线故障。对同杆双回线的分析要充分考虑双回线之间的耦合关系。

目前对同杆双回线自适应重合闸的研究多倾向于对重合闸顺序的研究，而对故障性质判别的研究还待进一步深入。文献[19]针对在同杆双回线路无并联电抗器投入时发生的I回线A相与II回线B相跨线故障（IAIIBGI）类型故障，提出了断开相实测端电压基波、3次谐波、5次谐波分量的自适应重合闸判据，并对带全补偿并联电抗器时增设了判据。文献[20]提出了适用于同杆双回线路的基于故障测距的瞬时性接地故障判据。

2 三相自适应重合闸

目前，单相自适应重合闸的研究已经比较成熟，然而对三相自适应重合闸的研究却较少。主要原因为：输电线路发生故障后断路器断开之前的一次电弧阶段，由于故障暂态分量的存在，一次电弧特性不能得到很好的研究。而在三相断路器跳开之后，失去了电源，二次电弧很快熄灭，难以提出二次电弧的特征量[21]。

文献[22]提出了基于自振电压幅值特性的永久性故障判别方法。但该方法易受线路电压互感器的影响。文献[23]利用高频电流的传输特性，提出利用高频通道及信号来区别故障性质，但该方法受线路长度、天气等因素影响较大。文献[24]将模糊神经网络应用于三相自适应重合闸，能准确地判别故障性质。但该方法实现复杂，难以满足保护快速性要求。文献[25]针对带并联电抗器的高压输电线路，利用三相故障跳闸后，分布电容和并联电抗器的储能而存在的残余电压进行研究分析，提出了用于三相自适应重合闸的识别三相瞬时和永久性故障的线路差模电压（频率接近工频的衰减周期分量）幅值判据。文献[26，27]均以瞬时性π模型为参考模型，利用三相并联电抗器电流量为基础，通过不同的量来实现三相自适应重合闸，文献[26]求取出双端线模电压和电容电流的线模分量，获得并联电抗器电流和电容电流线模分量之和。以此求解值来区别故障性质。而文献[27]针对接地故障和相间故障不同，分别采用零模和线模分量的参数识别方程求解出并联电抗器电感参数，通过参数求解值与实际值的差异来区别故障性质。

3 综合分析与研究

3.1 自适应重合闸故障识别存在的问题

（1）恢复电压法。实现原理是通过断开相的相对地电压中存在的电容耦合电压的大小来判别故障性质的。但该电压的获得受电压互感器二次回路的影响，并且由于电容耦合电压一般较低，测量精度存在问题，灵敏度低，并且在带并联电抗器输电线路上，电容耦合电压将更低，该方法有可能不能采用。

（2）电弧特性。由于电弧由很多因素决定，涉及到许多复杂的时变过程，其中许多因素又是高度非线性的，故利用电弧电压判别故障的瞬时性存在预测和推理因素，同时要建立准确的电弧模型是很困难的，且不同类型的电弧特性存在差异，因此基于瞬时性故障电弧特性的故障识别方法实用性较差。目前利用电弧特性来实现故障判别的研究均需要较高的采样频率，随着小波技术和人工神经网络的发展，各类数学方法的应用发挥了一定作用，但实现起来却增加了复杂性。另外，实际工程应用中存在各种误差，当电弧电压不足时，测量精度将无法保证，可信度较差。

（3）其他方法。利用高频通道或者利用原有的故障测距装置所测出的故障测距实现自适应重合闸，前者会随着光纤技术的引入而被淘汰，而后者受故障测距误差影响较大。

（4）同杆双回线。对于同杆双回线中的单相故障，同样存在前面的问题，而对于多相故障，特别是跨线故障，研究将更加复杂，要实现故障性质判别将更加困难，如何准确识别故障性质的研究必需更加深入。

（5）三相自适应重合闸。由于三相故障断开后，输电线路因失去了电气联系，电弧会很快熄灭，电容耦合电压将变得更低，要实现故障性质的判别将是很困难的。因此，三相自适应重合闸的实现将还有很长一段路要走。

3.2 重合闸实现过程研究

（1）单回线重合闸。通常采用单相重合闸、三相重合闸或综合重合闸。

（2）同杆双回线重合闸。根据故障类型不同重合顺序将不同，同杆双回线路有120种故障，根据各种故障时六序分量的相位特征，可以归纳为13种故障类型，分别是：I回线A相接地（IAG）、I回线 BC两相故障（IBC）、I回线 ABC 三相故障（IABC）、I回线B相II回线C相跨线故障（IBIIC）、I回线BC两相与II回线B相跨线故障 （IBCIIB）、I回线BC两相与II回线C相跨线故障（IBCIIC）、I回线A相与II回线BC两相跨线故障（IAIIBC）、II回线AB两相与II回线BC两相跨线故障（IABIIBC）、I回线ABC三相与II回线BC两相跨线故障 （IABCIIBC）、I回线ABC三相与II回线A相跨线故障（IABCIIA）、I回线A相与II回线A相跨线接地故障（IAIIAG）、I回线BC两相与II回线BC两相跨线故障（IBCIIBC）、I回线ABC三相与II回线ABC两相跨线故障（IABCIIABC）。其中前3种为单回线故障，后10种为跨线故障[28]。对于前3种按照单回线重合闸执行，而对于多相故障则有按相顺序重合闸[19]：首先故障发生后，故障相断开，判断是否有两异名相健全，无则跳开健全相；有则按照下列重合顺序进行重合：①同名相优先重合且可同时重合；②超前相优先重合；③多相故障线路超前相优先重合。

4 结束语

综上所述，自适应重合闸的实现，关键在于故障性质的判别，其次就是合闸顺序的配合，特别是对于同杆双回线来说，合理的重合闸顺序是很重要的。尽管单相自适应重合闸技术发展至今，已步入较为成熟阶段，但随着电网的不断发展，超/特高压远距离同杆双回线的架设，电网的安全性与稳定性要求越来越高，根据目前自适应重合闸的发展现状，还可对其进行进一步研究的方面有：

（1）国家投入的西电东送、南北互供工程促进特高压电网技术的发展，而特高压电网对重合闸技术要求将更加严苛。如何在解决重合闸过程中，对特高压电网过电压的影响将是研究的重点。

（2）随着经济的高速发展，将使得输电网走廊变得更为紧张，因而同塔双回、同塔多回线路将不断增加，如何解决这些线路出现跨线故障时保护与重合闸配合问题，也将是难点问题。

（3）利用不断发展的数学理论、信息技术、计算机技术等现代研究理论和应用技术，抓住瞬时性故障和永久性故障时本质上的不同，找出更多的特点，采用更加快速的算法，真正解决好重合闸过程中的问题。

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