基于电力系统输电线路行波及其距离保护概述

李微

摘  要：距离保护广泛应用于110kV及以上输电线路中作为后备保护。随着电力系统的不断发展，大容量、高电压的输电线路对距离保护提出了更高的要求。当前保护原理已从传统的时域计算，发展到基于频域的工频分量计算，然后再利用保护测量处故障暂态信号中的测量电压、测量电流构成保护判据。准确快速地提取故障分量中的工频信号对继电装置性能的改善有十分重要的作用，因此对其输电线路的行波分析与距离保护研究非常有意义。

关键词：行波;距离保护;测量;算法

中图分类号：TM75 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）11-0060-02

Abstract： Distance protection is widely used as backup protection in 110KV and above transmission lines. With the continuous development of power system， large capacity， high voltage transmission lines put forward higher requirements for distance protection. At present， the protection principle has been developed from the traditional time domain calculation to the power frequency component calculation based on the frequency domain， and then the protection criterion is composed of the measured voltage and current in the fault transient signal of the protection measurement. Therefore， accurate and fast extraction of power frequency signals from fault components plays a very important role in improving the performance of relay devices， so it is very meaningful to study the traveling wave analysis and distance protection of transmission lines.

Keywords： traveling wave; distance protection; measurement; algorithm

引言

为保障高压直流输电系统安全可靠的运行，在工程中配备了完备的高压直流保护系统。在目前的直流输电工程中，高压直流输电线路的保护主要有：行波保护、微分欠电压保护、直流线路纵差保护等。行波保护通常作为高压直流输电线路的主保护，利用线路故障时的行波信息判断故障，具有高速动作性能，通常能在几个毫秒内动作。微分欠压保护作为行波保护的后备保护，是最基本、简单的保护。

1 工频故障测距要求

电力系统输电线路发生故障时，70%以上为单相接地故障，而其他故障大多由单相接地故障发展而成。因此继电保护装置准确、快速的识别单向故障具有重要意义。单相线路发生单相接地故障时保护的动作情况是目前主要分析研究的对象。长距离输电线路中，分布电容仅对故障电流中的高频分量产生影响。若滤去故障信息中的高频分量，仅考虑工频分量，长距离输电线路可以忽略分布电容效应，简化为RL模型。此时模型与实际线路相符，测距误差可控制在10%以内，能够满足继电保护的要求。

2 工频量信息提取

众多学者均知道如何进行准确提取故障暂态过程中保护安装处测量量的频率成分，这是解决故障测距准确的前提。传统的方法无法准确、快速的提取故障信息中的频率成分，如何可以实现解决普性存在的频率泄漏影响，并且可以实现快速准确的计算信号幅值和相位的方法，是目前学术难以解决的瓶颈，经过多年的探索，后期有人提出基于快速向量算法的频率提取法，可以测量信号中的任意一个频率对应的幅值和相位。该方法的主要思路是将信号表示為一系列衰减的指数函数之和，通过一系列变换得到矩阵，当阶数太高时，只有通过多次数值转换，进一步降阶，使矩阵分解等方法快速准确的求解该矩阵的特征值，进而得到信号中的频率、幅值、相位及衰减因子。

3 超压输电线路电容电流研究

a电压的平方成正比可知，努力提高输电线路中电压等级可以有效的减少输电线路的线损，一般情况下当线路较短的情况下，线路中存在的分布电容也比较小，由此产生的电流基本可以忽略不计，但是当超高压输电线路距离较远，均采用分裂导线传输，这样则会造成两方面的影响：使线路的电感数值变得更小;相对使对地电容数值增大，进一步使相与地相与相之间的分布电容电流显著增加，这一数值非常的高，更可能造成电容电流对差动保护产生很大的影响，同时会使得线路两端的电压、电流的幅值大小和相位大小都发生很大的畸变，如何解决这一因素、如何处理这课题问题一直被予以重视，其核心在于实现保护不会发生误动，或者是应该动作却未发生动作。

4 直流输电行波优势

交流线路中的行波传输的特点已经有许多的研究成果，因为交流线路具有三相线，三相线不一定完全对称，三相线还有换位的问题，所以对交流线路的行波的精确公式表达就非常复杂。然而高压直流输电线路没有相位和频率等一些参数，行波只是在故障点和换流站直接来回反射和向外折射。把行波的故障分量提取出来，对其进行研究得出行波保护的基础理论，这样的行波保护有动作速度很快，过渡电阻和干扰信号以及系统的震荡等不能影响到它的巨大优点，行波在直流线路上的传播的性质比其在交流线路上的传播性质更加理想。此外行波中还含有十分丰富的代表故障类型的信息，并且能够快速的在线路上传播（接近于光速）。所以直流输电线的保护通常采用行波的电气量作为判据量。

5 传输线路行波推理

输电线路中传播的电磁波的最高的频率对应的最短波长与输电线路的总长的比例是划分分布参数电路与集中参数电路的依据。输电线路中传播的电磁波的最高的频率对应的最短波长远远大于输电线路的长度时，就用集中参数电路模拟;否则就用分布参数电路才能恰当的模拟。显然，远距离输电线路是标准的分布参数线路，所以要对其进行研究就要先建立起分布参数线路的模型。

对单导线-地的电路模型的分析是分析高压直流双极输电线路的基础。一根长的输电线可以被看成无穷多个长dx的小段的连接，如图1所示。每一个dx的电阻为r0，电感为L0，对地电容为C0，对地电导为g0，线路的这些参数都是频率的函数，但分析波的基本特征时，可以假设它们为常数，图1即是单根均匀传输线的电路模型。

因为输电线路和大地之间的空气的电导非常小，而且为了使分析简化，再次忽略电阻、电导，也就是假设线路是无损耗的单根导线线路。 从上式可以看出频率是能影响到输电线路的波阻抗和传播速度的，不同的频率就能决定不同的波阻抗和波速，且其值不受输电线路的长度的影响，而是受输电线路的结构参数的影响。当电磁波在无损输电线路上传播时，电磁波的能量以电磁能的方式储存在四周的介质之中，这一点是与电阻将电能消耗掉所不同的。传播常数就是电磁波在输电线路上传送的衰减系数。

6 结论

相比于交流系统而言，将行波保护运用于直流系统中要更优于交流系统。这是因为交流系统中的行波传输受母线结构变化的影响较大，并且交流中从区外传输来的行波能够折射到区内线路中，这对区内外行波的识别带来了困难。而直流输电线路结构简单，不存在这些问题。

參考文献：

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