基于电压变化特征的110 kV线路断线故障自适应判别方法

陈永明，刘 昶，李 静，杨 茹，侯 超，姚 鹏

（国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司，镇江 212000）

近年来随着城市化的发展，电网电压等级提升，110 kV输电线路的规模迅速扩大，断线故障时有发生[1]。但目前国内对断线故障的研究主要集中在配电网[2-6]，对高压输电网的关注较少。电力系统对于110 kV输电线路发生断线故障的应对措施不足，不能在短时间内准确识别断线故障并做出反应，严重影响电力系统运行的安全稳定性[7-8]。

110 kV变电站变压器的中性点有直接接地和非直接接地两种接地方式[9]。对于110 kV变电站高压侧中性点直接接地的输电线路，由于单相断线故障发生后存在零序电流，有些文献采用零序过流保护来实现断线保护。文献[10]指出两侧变电站变压器直接接地的线路发生单相断线故障后，零序电流大小只取决于故障前的负荷电流而与断线位置无关；文献[11]基于这一特性，针对重载线路发生单相断线故障的情形提出一种新型零序过流保护方法，需要与线路纵联差动保护相配合；文献[12]通过动态地调整零序过电流保护定值来实现单相断线保护。以上这些方法仅依据零序电流量来识别故障，在线路空载或轻载时会影响保护动作的可靠性，不能100%切除故障。对于110 kV变电站高压侧中性点不接地的线路，单相断线故障发生后不存在零序电流，零序电流保护不会动作。文献[13]指出，110 kV线路发生单相断线故障后线路保护均不会动作，仅可能会使主变压器保护告警，收到告警后还需运行人员进一步确定是否为缺相故障，没有给出断线保护方法；文献[9]提出了一种基于低压侧相电压与相电流的保护判据，该判据抓住故障后故障相电流为0以及非故障相电压幅值减半的特征来识别单相断线故障。

以上文献主要针对断线故障特性进行了分析，且仅考虑了110 kV线路断线且断线处不接地的情形，不适用于单相断线且断线处有一侧接地的故障，但实际断线故障通常伴随有断线处接地的情况[14]。文献[15]分析了110 kV线路发生单线断线且负荷侧接地故障时的电流特性；文献[16]针对同塔双回线一回断线的特殊情形，通过区分故障前后电流量的变化特征解决了零序纵联保护的误动问题；文献[17]抓住不同故障时二次电弧阶段高阶能量特征的不同，提出了基于小波变换与支持向量机的单相故障诊断方法。

总体上，目前针对110 kV输电线路的单相断线故障缺乏系统分析，适应不同接地方式、不同断线情形[18]下的断线保护方法有待深入研究。针对以上问题，本文提出了一种110 kV线路断线故障自适应判别方法。所提方法充分利用110 kV线路断线故障后变压器两侧电气量的变化特征，采用变压器低压侧负序电压变化特征的启动判据以及根据系统零序阻抗与正序阻抗的比值，自适应地调整电压动作值的动作判据，基于变压器高压侧相电流突变量变化的短路闭锁方法实现110 kV线路在不同断线情况下单相断线故障的准确识别与可靠动作。最后在Matlab/Simulink平台仿真验证了所提保护方法的理论正确性与可行性。

1 110 kV单侧电源线路单相断线故障分析

我国110 kV系统要求采用有效接地方式，上级变电站110 kV侧通常为直接接地运行。根据负荷侧变电站变压器的中性点是否接地运行、单相断线是否同时伴随一侧接地，可将110 kV线路的断线故障分为6种情形，分类结果如表1所示。

表1 110 kV线路断线情况分类Tab.1 Classification of 110 kV line disconnection faults

表1中的6种断线情况中的情况3、情况5、情况6较为特殊，其断线故障特征与短路故障有相似之处，可由线路原有的短路保护动作切除，本文只做简要分析，而主要对情况1、情况2、情况4三种断线情况采用对称分量法进行理论分析并总结归纳其故障特征。

1.1 情况1的故障特征分析

情况1的断线故障系统示意如图1所示，图1中：Ėi为电源高压侧i相电势，i=A，B，C；U̇oiS和U̇oiL分别为i相电源侧和负荷侧电压。由于上级变电站110 kV侧通常为直接接地运行，因此可将上级变电站等效成三相电源的星形接地接线。用对称分量法对情况1进行分析。

图1 情况1的断线故障示意Fig.1 Schematic of disconnection fault in Case 1

110 kV线路在发生情况1类型的断线故障时，其低压侧相电压向量如图2所示。从图2可发现，110 kV线路在情况1类型故障发生时，其低压侧故障相与故障相的超前相（相序为A-B-C）的电压幅值会减半，而故障相的滞后相电压幅值未发生变化。同时，低压侧故障相与故障相的超前相的相位一致。此外，当系统的运行参数确定，主变低压侧电压也随之确定，与故障位置和负荷无关。

图2 110 kV断线情况1的低压侧电压向量Fig.2 Voltage vector on low-voltage side under 110 kV line disconnection fault in Case1

1.2 情况2的故障特征分析

图3为110 kV线路单相断线且负荷侧断线处接地时系统示意。上级变电站110 kV侧为直接接地系统，110 kV变电站变压器中性点为不接地。用对称分量法对情况2进行分析。

图3 情况2的断线故障示意Fig.3 Schematic of disconnection fault in Case 2

110 kV线路在发生情况2类型的断线故障时，其低压侧相电压向量如图4所示，图中Ėk为电源低压侧k相电势，k=a，b，c。

图4 110 kV断线情况2的低压侧电压向量Fig.4 Voltage vector on low-voltage side under 110 kV line disconnection fault in Case 2

由图4可发现，110 kV线路在情况2类型故障发生时，其低压侧故障相与故障相的超前相（相序为A-B-C）的电压幅值变为原来的倍，而故障相的滞后相的电压幅值未发生变化。同时，低压侧的故障相与故障相超前相的相位都发生了明显变化。

1.3 情况4的故障分析

图5为110 kV线路单相断线时系统示意，记为情况4。上级变电站110 kV侧为直接接地系统，110 kV变电站变压器中性点接地运行。用对称分量法对情况4进行分析。

图5 情况4的断线故障示意Fig.5 Schematic of disconnection fault in情况4

110 kV线路在发生情况4类型的断线故障时，其低压侧相电压向量如图6所示。

图6 110 kV断线情况4的低压侧电压向量Fig.6 Voltage vector on low-voltage side under 110 kV line disconnection fault in Case 4

结合以上推导和图6，情况4的断线故障不同于前2种断线情况。110 kV线路发生这种类型的断线故障后，110 kV变电站主变高压侧电流、低压侧电压的幅值往往依赖于系统的t值大小。

分析情况4的故障电流、故障电压关于零、正序阻抗比值的函数特性。令IB/IAL=f(t)、令Ua/Ea=g(t)，Ua2/Ea=h(t)，得到3个函数为

对式（28）中的函数求导得

式（29）表明，情况4的故障电流、故障电压函数为严格单调递减函数，其函数值将会随系统的t增大而减小。而情况4故障相负序电压函数为严格单调递增函数，其函数值将会随系统的t增大而增大。

我国110 kV系统采用有效接地系统[17]，系统中0≤t≤3。本文考虑t的取值范围为0.5～3.0，因此情况4故障相负序电压函数最小值为h（0.5）=1/4，情况4故障相电压最小值为g（3）=0.515 0，最大值为g（0.5）=0.661 4。

1.4 其余故障类型的故障分析

情况3和情况6都有一个共同的故障特征，即单相断线并伴有系统侧线路接地。这类故障对于系统侧变电站等同于短路故障，会由线路的短路保护动作，无需额外加装断线保护装置。

而情况5的故障特征是单相断线并伴有负荷侧线路接地，同时负荷侧变压器中性点直接接地运行。其故障示意如图7所示。

图7 情况5的断线故障示意Fig.7 Schematic of disconnection fault in Case 5

情况5的故障线路虽然系统侧线路没有直接接地，但负荷侧线路的接地与负荷侧变压器中性点的接地构成了一个短路回路，系统侧仍会出现零序电流（A相断线时，有IB=IC，3I0=2IB/3），由110 kV线路的零序电流保护来动作切除故障[7]。

结合上述分析，发现在6种断线情形中，情况3、5、6均会由110 kV线路的短路保护来切除，不用额外加装断线保护装置；而情况1、2、4不符合短路故障的特征，现有的线路保护装置不会动作，给系统的安全稳定运行带来严重危害，故需要额外加装断线保护装置，快速识别并可靠切除故障。情况1、2、4这3种断线故障类型的电压电流变化特征汇总如表2所示。

表2 110 kV线路断线故障电压、电流幅值特征Tab.2 Amplitude characteristics of voltage and current under 110 kV line disconnection fault

表2主要归纳了110 kV线路发生断线故障后高压侧电流、低压侧负序电压与相电压的变化特征，其中，IL为高压侧负荷电流。除了情况4的参数还取决于系统零序阻抗与正序阻抗的比值，另外两种断线情况都有明确的理论值。无论何种故障类型，其故障相低压侧都存在负序电压，并且故障相的高压侧电流较负荷电流都有明显的减小，非故障相电流也有不同程度上的减小。从变压器低压侧相电压来看，故障相的滞后相电压幅值无变化，但是故障相与故障相的超前相电压幅值都有一定程度的减小，并且故障相与故障相的超前相电压幅值相等。

2 110 kV线路断线故障自适应判别方法

根据第1节对110 kV单侧电源线路发生单相断线故障的理论分析，本文提出了一种基于电压变化特征的110 kV线路断线故障自适应判别方法，包括3个主要部分：根据负序电压变化的启动判据、各相电压幅值变化的动作判据以及短路闭锁方法。

2.1 负序电压启动方法

2.2 110 kV线路各相断线识别方法

2.3 短路闭锁方法

输电线路上发生的故障类型主要有短路和断线两种故障，其中，短路故障的发生次数远高于断线故障[18]，本文的断线保护方法用于断线故障的识别。若能够排除短路故障，在线路发生短路故障时本断线保护装置可靠闭锁，可以极大地提高断线故障识别的可靠性。

110 kV有效接地系统在发生单相接地故障时，会产生很大的短路电流[17]。而由表2中的故障相高压侧电流可以发现，线路发生断线故障后故障相的电流有明显下降（甚至可能降为0），非故障相电流也有不同程度的降低。依据短路与断路在电流特性上的区别，采用相电流突变量的短路判别方法为

式中：Δik为故障分量在k采样时刻的计算值；Iset为电流整定值，按躲过正常负荷电流波动最大值整定，并保证线路末端故障时有足够的灵敏度，一般取0.2IN（IN为TA一次侧额定电流），取值180～250 A。对于负荷波动比较剧烈的线路（如钢厂线路等），可适当提高保护定值减少保护装置频繁启动。Δik计算方法为

式中：ik为k时刻的电流采样值；ik-N为k时刻前一周期的电流采样值；ik-2N为k时刻前两周期的电流采样值。

一旦110 kV主变高压侧任意相的相电流突变量满足式（40），则判定线路发生短路故障，本断线保护闭锁，由短路保护装置判别动作与否；否则，本断线保护装置开放。

根据以上分析，给出110 kV线路断线故障自适应判别方法的保护逻辑如图8所示。

图8 110 kV线路断线保护方法逻辑Fig.8 Logic of protection method under 110 kV line dis-connection fault

图8中，若110 kV主变低压侧任一相负序电压满足启动条件，则判定系统发生非对称故障；若110 kV主变低压侧三相电压满足故障判据，判定系统f相发生断线故障。最后，通过采集相电流突变量来判断系统是否短路故障。若未发生短路故障则断线保护装置可靠动作，且经延时t1后由断线告警模块发出进线的某相断线信号，延时t2后跳开断线线路负荷侧断路器,并与备自投装置配合投入备用电源。若判定系统发生了短路故障，则断线保护装置可靠闭锁，并由线路相应的短路保护来切除故障。

3 110 kV线路断线故障仿真分析

3.1 仿真模型的搭建

利用Matlab/Simulink平台搭建中性点直接接地的110 kV输电线路模型。110 kV主变采用Yd11接线，变比为110/10.5。输电线路总长度为80 km，断线故障位置处于输电线路的中点。仿真总时长1.0 s，断线故障发生于0.5 s时刻，由理想断路器（阻抗无穷大）来模拟断线故障。仿真系统参数如表3所示。

表3 110 kV输电线路仿真参数Tab.3 Simulation parameters of 110 kV transmission lines

3.2 仿真结果分析

设A相为断线故障相，分别对3种断线情形情况1、情况2、情况4进行仿真，通过分析其断线前后的电压特征来验证理论分析的正确性与断线保护方法的可行性。

情况1的仿真结果分别如图9和表4所示，可以看出，B相（故障相滞后相）高压侧电压保持不变，而A相与C相（故障相与故障相超前相）的电压幅值降至故障前的1/2，同时各相出现1/2额定相电压的负序电压。该结果与表2的理论分析结果一致，同时满足图8中的负序电压启动以及断线故障动作判据。

图9 情况1电压仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of voltage in Case1

表4 情况1电压仿真结果数据Tab.4 Data of simulation results of voltage in Case 1

情况2的仿真结果如图10和表5所示。由仿真结果可看出，B相（故障相滞后相）的低压侧电压保持不变，而A相与C相（故障相与故障相超前相）的电压幅值降至故障前的，同时各相出现1/3额定相电压的负序电压。该仿真结果与表2的理论分析结果相符，同时满足图8中的负序电压启动以及断线故障判据。

图10 情况2电压仿真波形Fig.10 Simulation waveforms of voltage in Case 2

表5 情况2电压仿真结果数据Tab.5 Data of simulation results of voltage in Case 2

情况4的仿真结果如图11和表6所示。表6中，B相（故障相滞后相）的低压侧电压保持不变，而A相（故障相）的电压幅值降至故障前的1/2左右，同时各相出现1/2左右额定相电压的负序电压。线路仿真参数的设定中仿真系统的t为2.566 7，将其代入函数Ua/Ea=g(t)，得到g（2.566 7）=0.519 6。该仿真结果与表2的理论分析结果相符，同时满足图8中的负序电压启动以及断线故障判据。

图11 情况4电压仿真波形Fig.11 Simulation waveforms of voltage in Case 4

表6 情况4电压仿真结果数据Tab.6 Data of simulation results of voltage in Case 4

根据以上的仿真结果分析可知，本文提出的110 kV线路自适应的断线保护方法能够准确地识别故障相，并且对于不同阻抗环境的输电线路系统均能自适应地整定，具有很好的应用价值。

4 结语

本文对110 kV输电线路的单相断线故障进行了理论分析，总结归纳了断线故障发生后的各电气特征量的变化规律，并提出了一种基于电压变化特征的110 kV线路断线故障自适应判别方法。该方法包括基于低压侧负序电压特征的启动方法，根据系统零序阻抗与正序阻抗的比值自适应地调整电压整定值的动作判别方法，以及基于相电流突变量的短路闭锁方法。通过仿真建模与结果分析，验证了本断线保护方法的可行性。该方法不仅能够对各种断线故障快速、准确地识别，且能够根据输电线路的阻抗环境自适应地整定动作参数，具有识别快速、准确，动作可靠性与适用性强的特点。