输电线路单相自适应重合闸的应用研究

摘 要：本文分析了矿区6KV架空输电线路发生单相接地故障时，永久性故障与瞬时性故障电弧燃烧的特性，提出一种符合矿区环境要求的动态小波能量法的自适应单相重合闸故障类型的判别方法。

关键词：单相重合闸；能量法；动态小波变换

铁法矿区仅66KV和6KV的架空输电线路就累计长达600多公里，且架空线路多为穿越大地、河流、沉区等恶劣地带，此种地形容易使杆塔发生倒杆的事故。同时，随着矿区线路的逐渐延伸，雷雨及风雪天气等极端天气的增多，都会造成单相接地故障。据统计，在电力系统输电线路的故障中有70%～80%为单相接地故障，在超高压输电线路故障中，单相接地故障更是占到了90%以上。

目前，铁法矿区架空线路发生跳闸事故后，寻找故障点通用的方法为“撒网式”查线，此种方法受线路地域路况、巡线人员个体差异等因素的影响较大，而且恢复供电的时间也较长。为克服上述方法的缺点，在调隆甲线、乙线，热隆甲线、乙线，四条架空输电线路上应用了自动重合闸技术。自动重合闸技术可以大大提高安全供电和稳定运行的可靠度，但当重合于永久故障时，对系统造成的，甚至比短路时对系统的冲击更大，因此，本文提出了采用基于动态小波变换的单相自适应重合闸的方法。该方法不但克服了传统自动重合闸的合闸盲目性，还大大提高了故障类型判别的精确性。

1 自适应重合闸的研究方向

自适应重合闸的任务之一就是对故障性质的判别，即对瞬时故障和永久故障进行预先判断，以确定是否合闸。当故障为瞬时性时，则可以重合，否则不予合闸，避免了传统自动重合闸的盲目重合性。目前对单相自适应重合闸的研究方法，主要是依据瞬时性故障恢复电压和故障电弧特性。如电压判据、相位判据，以及利用流过并联电抗器故障相的电流与中性点小电抗器的电流的幅值比法等。这些方法受线路参数、负荷和过渡电阻等因素影响较大。虽然利用瞬时性故障电弧特性的方法受负荷和过渡电阻等因素较小，并可以在熄弧之前判别故障类型，确保了重合时间，但多次谐波和整定值的计算较困难，如用复小波获得线路故障性质的方法，以及用电压谐波参数估计技术和能量比值方法等。

本文提出了基于动态小波变换的单相自适应重合闸方法应用于铁法矿区的架空输上，此方法充分利用了小波变换和傅里叶变换各自的优点，提取单相故障时的故障波形特征，检测线路电压局部极大值，来区分瞬时性故障与永久性故障。

2 利用动态小波变换检测矿区架空输电线路故障时电压尖顶波

本文选取铁法矿区6kV架空输电线路作为研究对象。且本文考虑的系统是三相对称的，所以为简化仿真计算，只考虑A相发生单相接地故障，将A相作为故障相。分别利用动态小波变换和常规小波变换进行单相瞬时性故障的仿真，仿真测试结果证明：矿区架空输电线路发生瞬时性故障时，电弧的反复重燃导致了工频电压尖顶波，主要集中在150Hz频率左右。且动态小波变换检测突变信号的突变分量的能力相对较强，较常规小波变换的模极值大，且大1.3倍左右。因此，在单相故障电弧燃烧阶段，利用小波系数能量法能够准确地判别出故障类型。

3 动态小波变换能量判据的建立

3.1 判据的建立

本文例中主要是利用瞬时性故障下故障相和非故障相电压波形的畸变程度较大这一特点来区分故障类型的，考察的主要是动态小波变换后瞬时性故障的小波变换系数要比永久性故障下的小波变换系数的模极大值要大这一特点。因此所考虑的动态小波标幺能量与动态小波能量成正比，与线路额定相电压的平方成反比的特点进行仿真计算。

3.2 对信号的分析及动态小波能量判据的验证

由于本文考虑的系统是三相对称的，所以，为简化仿真训练，只考虑A相接地短路故障时的情况，将A相作为故障相。以1600Hz的采样频率对短路故障相（A相），故障发生到故障点完全熄弧之前（即从0.10s到0.15s这段时间）的电弧燃烧阶段进行采样。在电弧燃烧阶段，瞬时性故障存在一次电弧阶段和二次电弧阶段，而永久性故障仅存在一次电弧阶段，且电弧燃烧阶段含有较高能量的奇次谐波，在奇次谐波的含量中，三次谐波的所占比例最大，因此依据谐波的含量便可以判别出故障类型。用动态小波变换分析电弧燃烧阶段的信号，采样频率为1600HZ，取第4层小波变换的模系数d4（100-200HZ之间），近而算出小波能量和小波能量的标幺值，设定阈值判定故障类型。下表为部分数据：

表1为发生A相发生单相接地故障时，对于不同的故障性质、不同的两侧系统相对阻抗角、不同的过渡电阻值以及不同的故障地点等情况下，分别采用常规小波能量法和动态小波能量法进行故障类型的判别。在上表中利用动态小波变换计算的小波能量标幺值，在不同故障距离、过渡电阻的情况下，永久性故障情况时的动态小波能量标幺值均小于1，而瞬时性故障情况时的动态小波能量标幺值均大于1，因此可设定阈值为1，进行瞬时性故障与永久性故障的类型判别。由表中的计算结果可以证明，动态小波能量法能够准确地判别出故障类型，且数据的精确度较高。而常规小波变换仅在较小的过渡电阻，和故障距离首端较近的情况下能判别出故障类型，而其他情况下会出现误判的现象。

5 结论

本文针对我集团公司的架空输电线路，探讨了采用动态小波能量法来判别输电线路单相瞬时性故障与永久性故障的方法，并进行了MATLAB仿真结果验证。结果证明，利用动态小波变换提取故障信号的突变信息（即动态小波模系数），来计算动态小波能量，来实现在各种情况下用动态小波能量法对瞬时性故障和永久性故障的判别。该方法不但克服了传统自动重合闸的合闸盲目性，还大大提高了输电线路发生单相故障时重合闸判据的准确性和可靠性。

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