一种输电线路弱故障识别方法

王 丰



一种输电线路弱故障识别方法

王 丰

（三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002）

输电线路上的绝大多数故障都会引起较强烈的行波信号，很容易被保护装置检测到。但是，在某些情况下，或者由于解耦矩阵的限制，线路上的故障信号本身十分微弱。加之一些高频干扰信号的影响，导致可检测到的故障信号十分有限，利用行波的保护将不能准确捕捉到故障信号，从而导致保护的拒动。本文通过大量的仿真，分析了这类弱故障信号的行波特征，提出了用于识别此类故障的方法，Matlab/Simulink仿真验证了该方法的有效性与可行性。

输电线路；行波；故障检测；电压过零点；弱故障

传统的继电保护装置的保护原理设计基本上都是基于工频量[1]的，即利用故障前后稳态量呈现出的不同特征来判别故障与否，而对暂态过程不加以考虑。因此利用工频量的保护几乎不受故障合闸角的影响。随着保护原理的发展，高频暂态量逐渐得到重视，如行波保护[2-3]。与工频量的保护恰好相反，它利用故障发生时，线路上行波折返射来进行保护原理设计，这种利用故障时产生的高频信号必然会受到故障合闸角的影响。以单相接地故障为例，当故障合闸角为90°时，产生的暂态信号最大，最容易被检测到。但如果故障恰好发生在电压过零点或过零点附近[4]，暂态信号就会很小。本文将上述由于故障合闸角的影响，导致在故障时刻产生的暂态信号较小或为零的情况称为弱故障。同时，各种噪声干扰[5-6]将进一步影响故障信号的检测，甚至淹没故障信号。弱故障发生时，若行波保护不能准确地捕捉到故障信息，则导致保护拒动或误动，必将对电力系统的安全稳定运行带来严重影响。因此，研究有效可行的方法来识别此类故障将十分必要。

本文通过大量的Matlab/Simulink仿真实验，分析了各种不同故障合闸角下的电流行波特征，结果表明：在如电压过零点附近，此类弱故障的情况下，电流行波没有明显跳变，且从故障时刻开始基本呈现线性增长，而其他情况下，故障信号较强，电流行波有明显的跳变。据此，本文提出了一种用于行波保护的弱故障识别方法。

1 故障电流的行波特征

为研究不同故障合闸角下的电流行波特征，在Matlab/Simulink中建立如图1所示的输电线路模型。线路AB为故障线路，线路参数：正序阻抗1=(0.01273+j0.2932)W/km，负序阻抗2=1，零序阻抗0=(0.3864+j1.2957)W/km，线路对地正序电容与负序电容相等1=2=0.01274mF/km，线路对地零序电容0=0.07751mF/km。

图1 电力系统模型

分别以A相接地短路，AC两相接地短路，AB相间短路为例说明，进行仿真分析。故障发生在仿真开始后的0.02s，结束于0.04s，故障点F在AB线路内部距A点65km处。采样频率设为1MHz，用于解耦的矩阵选取凯伦贝尔变换矩阵：

1）A相接地故障

图2 A相接地短路（故障合闸角为0°）

图3 A相接地短路（故障合闸角为60°）

2）AC两相接地短路

图4 AC相接地短路（故障合闸角为30°）

图5 AC相接地短路（故障合闸角为60°）

3）AB相间短路

图6 AB相间短路（故障合闸角为90°）

图7 AB相间短路（故障合闸角为150°）

由以上6图可以看到，故障合闸角为0°时的A相接地短路、故障合闸角为30°时的AC两相接地短路以及故障合闸角为150°时的AB相间短路，在故障时刻的电流行波基本为零，提取不到电流行波的突变。利用如文献[7-8]中的方法检测行波，并形成启动判据，将导致保护拒动。

2 原因及特征分析

出现如图2、图4和图7中故障时刻电流行波为零的原因有两个：①电压过零点及其附近或经高阻接地[9]等弱故障时（如图8所示的A相），不会产生电流行波或电流行波较小，测量元件检测不到；②由于凯伦贝尔变换时涉及到两相的减法运算，当发生故障时，有可能由于两相电压相等（如图9所示的AC相，图10所示的AB相）而导致电流模量为零。

图8 A相接地短路（故障合闸角为0°）的电压电流波形

图9 AC相接地短路（故障合闸角为30°）的电压电流波形

图10 AB相间短路（故障合闸角为150°）的电压电流波形

在以上情况下，应用简单的差分或小波变换[10-11]将不能提取到如图3、图5和图6中故障时刻的突变量或模极大值。但值得注意的是，它们的电流行波模量绝对值总体是呈上升趋势的，且基本为线性增长（即认为斜率基本相等）。

3 弱故障识别方法及仿真验证

由于误差的存在，所以电流线模量的导数不可能完全相等，将式（2）变为

若电流线模量的导数满足式（3），则认为发生了弱故障。

设故障点在距离保护安装处65km处，过渡电阻为0，得到弱故障下仿真结果见表1。

在此需要说明的是，在此类特殊故障合闸角时的电流行波信号都比较微弱，容易被噪声信号淹没，以上结果是在干扰信号较小的情况下实现的。

4 结论

本文在大量仿真实验的基础上，着重分析了弱故障情况下的电流行波特征。根据弱故障发生时，电流行波线模量基本呈线性增长这一特征，本文提出了基于电流线模量求导的弱故障识别方法，仿真实验及数据验证了该方法的有效性。但该方法有一定的局限性，若线路中存在较大的干扰信号，如雷击等，则本方法也会出现失效的问题。考虑到大干扰出现的几率，运用本方法来识别电力系统中的弱故障仍具有可行性。

表1 弱故障下各种短路故障的识别结果

表2 考虑过渡电阻后不同故障距离下的识别结果

[1] 葛耀中. 新型继电保护与故障测距原理与技术[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 1996.

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[4] 董新洲, 葛耀中, 贺家李, 等. 输电线路行波保护的现状与展望[J]. 电力系统自动化, 2000, 24(10): 56-61.

[5] 姜晟, 舒乃秋, 胡芳, 等. 基于小波变换的含噪声行波信号奇异点检测[J]. 电网技术, 2004, 28(10): 59-62.

[6] 董杏丽, 葛耀中, 董新洲. 行波保护中雷电干扰问题的对策[J]. 中国电机工程学报, 2002, 22(9): 74-78.

[7] 梁景芳. 特高压线路超高速保护辅助元件研究[D]. 济南: 山东大学, 2010.

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The method for detecting weak faults in transmission lines

Wang Feng

(College of Electric Engineering & New Energy, China Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002)

The majority of faults on the transmission line can cause intense travelling wave signals, which can be easily detected by the protection device. However, in some cases, or due to the restriction of the decoupling matrix, the fault signal on the line is very weak. Combined with the influence of some high-frequency signals, the fault signal that can be detected is very limited. The protection based on traveling wave will not capture the fault signal accurately, resulting in the miss operation. In this paper, through a large number of simulations, the traveling wave characteristics of such weak fault signals are analyzed, and the methods for identifying such faults have been put forward. The Matlab/Simulink simulation experiments verify the feasibility of the method.

transmission line; traveling-wave; fault detection; voltage zero crossing; weak fault

2017-12-11

王 丰（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统继电保护。