架空输电线路高速自适应单相重合闸技术

高天舒

（广东电网公司湛江供电局，广东湛江524000）

单相接地故障是超高压（EHV）架空输电线路系统中最为频繁的故障[1]，而大多数架空线路故障都是由雷电导致的高瞬态电压引起绝缘子闪络造成的瞬态故障[2]。对于这种瞬态故障，单相重合闸（SPAR）技术能够改善瞬态稳定性、减少对发电机轴的扭转冲击并降低了重合闸电压瞬变[3]。由于只有故障单相发生跳闸，因此大约50%的传输容量仍然保留在两个正常相中[4]。通常超高压输电线路的常规单相重合闸[5]和三相重合闸[6]均可采用固定时间间隔重合闸技术，即断路器在跳闸操作后经过短暂间歇时间后自适应重合闸。然而当系统发生永久型故障时，固定间歇时间重合闸技术强制的重合闸可能将威胁系统稳定性，并加剧对系统硬件设备的损坏。

近年来，国内外学者正着力于研究控制重合闸的间歇时间，文献[7]利用人工神经网络（ANN）来确定断路器操作后的次级灭弧时间从而推测重合闸的间歇时间。文献[8]利用小波分析和神经网络构造了自适应重合闸方案并推断重合闸的时间。文献[9]提出了基于稳定裕度的可变间歇时间自适应重合闸方案，该方法增加了重合闸继电器的间歇时间，但只适用于电力系统瞬态电压波动较大的情况。

提出了一种在瞬态故障情况下采用可变间歇时间控制算法的自适应单相重合闸方案。该方案能够根据断路器开路后测量点处的故障电压信息精确地确定次级灭弧时间，并采用均方根值跟踪法分析初始断路器开路后的电压瞬变信号的波形模式，以此判断故障跳闸的故障类型并确定重合闸间歇时间。以750 kV架空输电线路系统为仿真对象，结果表明所提出的算法能够通过精确判断灭弧时间来调整重合闸间歇时间的能力。

1 重合闸的基本原理

1.1 重合闸的物理机理

图1给出了从故障开始到重合闸的设备操作顺序，如保护继电器、断路器、重合闸继电器等。在继电保护动作和断路器跳闸后，断路器重合闸之前还需要电去离子时间。在此期间，次级电弧应灭弧。根据断路器的断开与断路器重合闸以恢复电力传输之间的间隔定义重合闸间歇时间：

其中，KV是电力系统的额定电压。

图1 重合闸操作顺序

对于750 kV架空输电线路的重合闸间歇时间约为33个周期，即 0.5 s（60Hz系统）。然而公式（1）只能适用于三相重合闸方法，即所有三个相同时跳闸。在单相重合闸模式的情况下，只有故障相被中断而其他相仍然正常。尽管单相重合闸间歇时间根据线路长度和电路配置而变化，在后者的情况下的重合闸间歇时间大约是前者的两倍，即66个周期（约为1 s）。在电弧灭弧之后，尽可能快地减少间歇时间并进行重合闸可以改善电力系统的可靠性。因此，准确地计算灭弧时间是至关重要。

1.2 混合方案

由于超高压架空输电线路电压高、跨度大，即使在故障电流中断后，次级电弧电流也会流过故障点。文献[10]利用四支路并联补偿方案和高速接地开关（HSGS）能够抑制次级电弧，而本文将利用一种混合方案进行次级灭弧。该方案可以跳过故障相，经过短暂等待后跳过其余的两个相并非常快速地进行单相重合闸。初始时间延迟加上两个正常状况的短暂中断，确保电弧灭弧。图2给出了混合方案的操作顺序。由于初始冲击仅包含来自故障相的功率，当其中两个相跳闸时，系统的冲击仅仅是所有三个相在开始时同时跳闸所引起冲击的一半，因此，该方案提高了系统的稳定性。

图2 混合方案的操作顺序

图3中给出了全仿真运行时序。H1是故障首次发生的点，通常需要4个周期才能清楚主保护断路器的故障。当初级电弧在H2处被消除时，次级电弧电流开始流过故障点。在H4处对次级电弧进行灭弧，两个相在H3处的250 ms（从时间零起）跳闸，即在初级电弧消除之后的10个周期。

图3 全仿真运行时序

当两个相跳闸过早时，会对所测量的电压波形产生更高的频率失真。因此，为了避免这些瞬变对重合闸继电器造成的不利影响，文献[11]建议对于所考虑的750 kV输电系统，在初次灭弧后启动两个相断路器跳闸时间在10～15个周期，则次级电弧的大小（在故障相的初始跳闸之后产生）将显著地减小且在360 ms内发生完成灭弧。

为了证明混合方案的有效性，本文将次级电弧的自动灭弧时间（即允许次级电弧电流自行灭弧而不会跳闸其他两个正常相）与通过不同的混合方案获得的强制灭弧时间进行比较。故障位置的模拟结果如表1所示。

表1 次级电弧灭弧时间的比较

由表1可见，所提出的混合方案可以有效地减少次级灭弧时间，从而确保快速的自适应单相重合闸并加速系统恢复正常。

2 间歇时间控制方案

在原理上，通过控制断路器在故障相的操作以及两个正常相情况下的单相接地故障，所构造的混合方案可以显著地减少次级电弧的灭弧时间，从而加速了输电系统在瞬态故障条件下重合闸的正常运行。

2.1 典型故障电压波形

在故障研究中，可以通过分析这些波形来估计故障线路末端的电压和电流、电源和负载参数、故障位置、故障起始角、故障前负载等。利用电容电压互感器（CVT）、抗混叠低通滤波器和A/D转换过程，可对故障线路两端的模拟电压波形进行修正。

（1）对于特定瞬态故障，架空输电线路上出现故障将使得电压降低，保护系统检测到故障并打开断路器并建立次级电弧，经过一段时间后电弧完全灭弧，但仍会有小的系统频率电压分量出现，这是由于在断裂相和两个正常相之间的静电耦合所致。

（2）对于永久型故障，不存在由于次级电弧特性引起的失真，并且断路器直接跳闸后在隔离相上感应出小的系统频率电压。

因此，本文所提出的方法将基于故障位置检测次级电弧灭弧时间，结合可变间歇时间控制算法和自适应单相重合闸技术在EMTP中编程模型算法进行实现。

2.2 可变间歇时间控制算法

图4给出了所提出算法用于推导电弧灭弧时间的均方根值跟踪方法，其中rmsvol[j]是每个数据窗口内电压波形的均方根值。εrms是用于检测次级电弧灭弧的微分阈值。持续时间阈值和确定值分别是对应的样本计数器和采样数，它们表示持续时间来区分次级电弧的完全灭弧和重新冲击。当前均方根值与先前均方根值在每个时间步长上的差值，即rmsvol[j+1]-rmsvol[j]≥εrms时，持续时间阈值将增加，并且一旦达到确定值，则表示次级灭弧和重合闸命令信号以激发重合闸继电器。

图4 均方根跟踪方法的框图

图5给出了硬件实现的可变间歇时间自动重合闸方案。在测量点处故障相位的电压波形可以是可变间歇时间控制算法的数字输入。通过抗混叠滤波器和量化处理，在执行了主算法后，将用于调整重合闸继电器的时间数字输出信号发送到该继电器。因此，根据各种故障位置，可以在一定的持续时间之后完成自适应自动重合闸，并且这种方法明显不同于采用中断占空比的固定间歇时间方案。

图5 可变间歇时间的自动重合闸方案

3 仿真分析

3.1 系统模型

使用EMTP软件进行完整的电力系统模拟来获取故障瞬态，该EMTP软件包含各种电力系统组件的数学模型，允许在各种故障条件下研究不同网络配置的行为[12]。该软件包含子程序TACS（控制系统的瞬态分析）和Model，其中，非线性电弧模型（初级和次级）可以在模拟中体现。

图6给出了模拟电弧故障的过程，当电弧再次发生时，文献[13]中的初级电弧模型开始生效并产生初级电弧特性。在每个时间步长下，通过求解电弧方程可以得到电弧电导率，而电弧电导率的倒数则通过TACS转化为时变电弧电导。次级电弧是一种受多种因素的影响高度复杂现象，在断路器打开后，利用文献[14]中基于具有重燃电压特性的反向并联双二极管电路的仿真技术对次级电弧进行仿真。通过EMTP线路常数程序计算线路参数，同步电机（SM）和TACS用于核电站的调速器和励磁系统[15]，在750 kV架空输电线路系统的双回路中线路1上产生故障，如图7所示。

图6 电弧故障仿真

图7 750 kV架空输电线路系统

3.2 可变间歇时间控制方法的验证

为了验证所提出方法的有效性，在750 kV架空输电线路系统上对80 km处（中点）的“接地故障”进行了测试；为简单起见，排除了基于先前描述的次级电弧混合方法，即次级电流被故障相隔离而自然灭弧。图8给出了80 km处的“接地故障”电压波形的均方根跟踪值，图9给出了rmsvol[j+1]和rmsvol[j]的差值，结果表明：考虑到瞬态故障，在建立次级电弧电流之后，差值超过第2650个采样数据附近的必要电平阈值εrms；这实际上意味着从故障开始时起的次级电弧的全灭弧时间约为772 ms。

图8 80 km处接地故障瞬时电压均方根值

图9 均方根差值

表2给出了通过所提出的方法获得的次级电弧的灭弧时间与实际预期时间之间的比较，由此可见，本文所讨论的方法可以准确地识别次级电弧灭弧时间。

表2 用所提出的方法估算次级电弧灭弧时间

3.3 可变间歇时间控制混合方案的效果

假定“接地故障”发生在三个不同的位置（0 km，80 km，160 km）。表3给出了可变间歇时间控制混合方案获得的性能与预期结果之间的比较。

表3 混合方案与预期结果的比较

由表3可见，灭弧时间随故障位置而变化，这意味着本文所提出的自适应单相重合闸方案可以通过控制断路器的重合闸来提高传输系统的性能，并且结果优于断路器重合闸之前采用固定间歇时间的传统单相重合闸方案。

5 结论

提出了自适应单相重合闸的可变间歇时间控制方案，所提出的算法分析了测量点电压波形的特征，准确地区分了故障本质上是瞬态型还是永久型。在瞬态型的情况下，还确定了精确的次级灭弧时间。利用EMTP中的MODELS对750 kV的架空高压输电线路系统进行了仿真研究。结果表明，所开发的算法在各种故障位置下都具有准确的有效性，可变间歇时间控制算法实现简单，只需借助线路末端的电压瞬变信息。因此，它可以被编码到现有的数字重合闸硬件中使用。