基于短路电流小半波特征的短路故障快速检测方法

吴行健，石晶，陈红坤，陈磊，陈璟瑶

基于短路电流小半波特征的短路故障快速检测方法

吴行健，石晶，陈红坤，陈磊，陈璟瑶

(武汉大学电气与自动化学院，湖北 武汉 430072)

为使超高压输电线路上的限流器在短路早期快速投入，短路故障快速检测方法的研究至关重要。首先分析了短路电流暂态特征随故障初相角等因素的变化规律，发现部分故障初相角短路工况下电流呈现小半波特征的现象，此时传统检测方法难以满足速动性的要求。然后提出了一种基于短路电流小半波特征的检测判据，利用电流瞬时值或变化率的零点间隔作为检测量，与传统检测判据配合，实现了任意故障初相角下的短路快速检测，并保证了在负荷投切等干扰工况下的可靠性。最后通过离线仿真、现场短路试验验证了该方法的有效性。结果表明所提方法能在2.9 ms内辨识出短路故障。

短路故障快速检测；故障电流初相角；小半波特征；零点间隔；现场短路试验

0 引言

随着电力系统负荷的增长以及电网耦合程度的加深，电网的短路电流水平日益增长，成为制约我国电力系统安全稳定运行的主要问题之一。其中，华东电网短路电流超标最为严重，有19.1%的变电站短路电流超过了63 kA(目前500 kV断路器的遮断容量上限)，并且随着特高压变电站的接入，问题日益严峻[1-4]。广东电网已有多个500 kV 站点的母线短路电流水平超过了断路器的遮断容量，对电网运行安全构成威胁，因此，短路电流限制技术成为当下的研究重点。

目前应对超高压电网短路电流超标问题，有3种常见解决方式：调整电网结构、改变系统的运行方式和加装限流设备[5-11]。装设运行灵活、性能良好、经济合理的故障电流限制器(Fault Current Limiter, FCL)已成为当下有效且可行的方案。当电力系统发生短路故障时，FCL必须先于高压交流断路器动作，因此希望FCL的控制系统能够在2～3 ms内识别出短路故障，使得FCL投入电网，以限制短路电流给系统或设备带来热稳定和动稳定的冲击。并且，要求FCL控制系统在各种干扰工况下不会误动。

经过长期研究，国内外学者提出了许多短路故障检测方法[12-19]，但仍然难以同时满足快速性和可靠性的要求。文献[12]提出基于电流瞬时值变定值的故障检测方法，通过快速检测电路将整定值与正常工作电流同步，理论上可以提高故障识别的速度，但该方法对硬件设备要求高，尚缺乏相关试验研究。文献[13-14]将三相电流平方和的比值作为故障检测量，对所提方法在故障工况与干扰工况下的有效性进行了详细分析，结果表明该方法在三相短路故障工况下检测时间短，但在部分故障电压初相角的单相接地故障工况下检测时间过长，并且无法判断故障相别，难以实现快速开关的分相控制。文献[15]结合华东电网故障电流限制器示范工程，提出了基于瞬时值和斜率配合的故障检测方法，将两种判据在5 ms内相继达到整定值认定为FCL检测到故障，已经通过多年工程实践检验，但该方法在部分故障初相角的短路工况下仍然存在快速检测的“盲区”。文献[16]在上述研究的基础上，采用相电流差替代电流斜率进行故障快速检测，有效缩短了总体检测时间，基于现场短路电流数据验证了该方法可以在10 ms内检测到故障，但对于上述方法存在的快速检测“盲区”问题并无改善。综上所述，目前应用于FCL控制系统的故障快速检测方法在部分故障初相角的短路工况下难以满足速动性的要求，如何实现任意故障初相角的短路工况下快速、可靠地识别出短路故障，仍需要进行不断探索，寻找出具备普适性的故障快速检测方法[20-22]。

针对上述问题，本文提出一种基于短路电流小半波特征的短路故障快速检测方法。首先分析了输电线路发生短路故障时电流暂态特征的变化规律，发现了部分故障初相角下短路早期电流呈现瞬时值或变化率小半波的现象，揭示了小半波特征是传统故障检测方法难以在任意短路故障初相角的短路工况下满足速动性的根本原因。根据小半波特征的特点，提出了零点间隔判据，利用电流瞬时值或变化率的过零点时间间隔进行故障辨识，与电流瞬时值判据、电流变化率判据配合形成故障快速检测融合方法，为超高压输电线路短路故障快速检测技术提供了新的思路。依托南方电网500 kV超高压电网故障电流限制器示范工程项目，结合离线仿真与现场人工短路试验验证了所提方法的有效性。

1  短路电流暂态特征变化规律

1.1 短路早期电流小半波特征

图1 电力系统单线等效模型

假设短路故障前线路电流为

当F点发生短路故障，由于电感电流不突变，短路发生后的全电流公式为

其中

此时，两个分量的初值可以表示为

图2 Iac0、Idc0随b的变化曲线(工况1)

图3 短路后电流随t的变化曲线(工况1)

图4 电流小半波示意图(工况1)

图5 Iac0、Idc0随b的变化曲线(工况2)

图6 电流小半波示意图(工况2)

1.2 短路电流小半波的影响因素

充分展示自己就要将自己的长处展示给其他的同行人员，通过行业中的平台分享、交流各自的问题、新的方法、技术、源于实践的感悟等各种信息，促进行业整体向前发展，营造百花齐放的“春天盛景”[6]。工程造价是一个不可能独自完成的工作项目永远需要的是大量的资源和信息，因而要坚决的否定“闭门造车”式的工作方法。

图7 电流小半波特征下n、Dj和 b的关系图

2  基于零点间隔的短路故障快速检测判据

2.1 判据原理

2.2 短路故障快速检测方法

根据超高压系统FCL的动作要求，高短路电流水平工况下FCL应快速动作，降低短路电流对系统的危害，保证断路器的正常开断；在线路正常运行、负荷投切、功率补偿、低短路电流水平等工况下，FCL应可靠不动作，保证经济性。使用单一判据进行故障检测往往不能同时满足上述快速性和可靠性的要求，目前应用于FCL运行控制系统的故障快速检测方法多采用两种检测判据相互配合的方案，可有效提高检测方法的可靠性。

华东电网故障电流限制器示范工程采用了电流瞬时值与电流变化率判据相互配合的故障快速检测方法[13]，但该方法无法保证任意故障初相角短路工况下短路检测的速动性要求，后文将对比分析。

图8 短路故障快速检测方法框图

3  仿真分析

图9 500 kV系统简化模型

图10 不同故障快速检测方法响应特性曲线对比图

由图10可知，在预期短路电流水平以上的短路工况下，方法一最长和最短的检测时间均低于方法二，证明零点间隔判据对故障快速检测方法的快速性有明显提升。此外，方法一与方法二的检测时间在不同短路电流水平条件下均呈现反时限特性，短路电流水平越高，检测时间越短。在短路电流水平为30 kA以上时，方法一的检测时间小于2.9 ms，完全能够满足限流器控制器的动作要求。

表1 30 kA短路电流水平短路工况下两种方法的检测时间(工况1)

同理，对工况2条件下的仿真结果也进行了分析，两种方法的检测时间如图11所示。由图11可知，在故障电压初相角为30º～90º、110º～180º的短路工况下，方法一的检测时间短于方法二。故障初相角为110º～180º的短路工况下短路前后电流波形与图6类似，电流瞬时值零点间隔满足判断条件，零点间隔判据能在0.2～1.0 ms内检测出短路故障，缩短了方法的整体检测时间。故障初相角为30º～90º的短路工况下电流波形不呈现为小半波特征，短路前电流波形与图4中的情况相似，短路后电流波形呈现大半波特征，由于短路前后电流变化率存在两次相近的过零点，与工况1中小半波特征下变化率零点间隔规律相同，零点间隔判据也能在0.1～0.4 ms内快速辨识到短路故障。由此可见，零点间隔判据在小半波特征之外的部分短路工况也能起到缩短短路故障检测时间的作用。

图11 30 kA短路电流水平短路工况下两种方法的检测时间(工况2)

除此之外，为验证方法的可靠性，设置了噪声、谐波、负荷投切、功率补偿等干扰工况，负荷设置于母线N处，通过断路器实现投切操作，具体参数见表2。仿真结果表明，本文所提方法在以上干扰工况下均不会误动，满足限流器的运行要求。

表2 干扰工况试验参数

综上所述，本文所提方法能够有效消除部分故障初相角短路工况下快速检测的“盲区”，实现任意故障初相角短路工况下的快速检测，与目前工程上应用的方法在快速性上相比存在优势，并且具有较高的可靠性，为故障快速检测技术提供了新的思路。

4  现场人工短路试验验证

依托南方电网500 kV超高压电网故障电流限制器示范工程项目，于广东电网某输电线路13 km处进行了B相接地人工短路试验，试验前线路为空载，预计短路电流水平为19 kA。试验采用无人机驱动的高压输电线路瞬时短路试验方法。FCL运行控制系统采样频率为10 kHz，采用本文所提方法对短路故障进行辨识。FCL与线路串联，使用罗氏线圈采集电流信号，FCL拓扑结构及罗氏线圈安装位置如图12所示，FCL未投入时为双臂通流，因此FCL采集的电流为线路电流的一半，考虑FCL结构和所提方法的响应特性，对双臂电流6.6 kA(单臂3.3 kA)进行整定。FCL控制系统中电流瞬时值与电流变化率的录波波形如图13所示。

图12 FCL拓扑结构及罗氏线圈安装位置

图13 现场短路试验电流及动作信号波形

试验结果表明，FCL运行控制系统的总体检测时间为0.7 ms，经过9.5 ms后开关快速开断，限流器进入限流态。由图13可知，故障发生时刻为0.0415 s，单臂短路电流水平为9.54 kA，电流峰值为14.7 kA。对比分析故障录波仪中电流和电压波形得知，短路前线路电流呈容性，大小为48.81 A，故障电压初相角为85º。根据录波波形中的动作信号波形，零点间隔判据识别时间为0.3 ms，电流变化率判据识别时间为0.7 ms，电流瞬时值判据识别时间为1.6 ms。试验结果与理论分析一致，零点间隔判据能够有效缩短方法对短路故障的检测时间。

此外，在现场短路试验前的升流(200 A、400 A、600 A)试验及断路器合闸、线路空充等试验操作下，方法均未误动，方法的可靠性也同时得到了验证。

5  结论

本文提出了一种基于短路电流小半波特征的故障快速检测判据，与电流瞬时值判据、电流变化率判据配合，可用于FCL等非自触发快速开关型的电流开断装置，提高开断装置的响应速度。主要工作及研究结论如下。

1) 分析了短路电流暂态特征随故障初相角、相位跳变量、幅值跳变量变化的规律，发现了部分故障初相角下短路早期电流呈现小半波特征的现象，揭示了小半波特征是传统故障检测方法难以在全故障初相角下满足速动性的根本原因。

2) 提出了基于小半波特征的故障快速检测方法，利用电流瞬时值或变化率的过零点时间间隔作为检测量，能够有效消除部分故障初相角短路工况下快速检测的“盲区”，与电流瞬时值、变化率判据配合，可以实现任意故障初相角短路工况下的短路故障快速检测。

3) 通过离线仿真试验、现场人工短路试验，验证了所提方法的有效性，所提出的识别方法比目前工程中采用的方法快速性更好，为故障快速检测技术提供了新的思路。

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Fast short-circuit fault detection method based on a small half-wave feature

WU Xingjian, SHI Jing, CHEN Hongkun, CHEN Lei, CHEN Jingyao

(School of Electrical Engineering and Automation, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

To put the fault current limiter on a UHV transmission line into operation quickly in the early stage of a fault, research is conducted on a fast short-circuit fault detection method. First, the transient characteristics of the short-circuit current with initial phase angle and other factors are analyzed, and it is found that the early short-circuit current at some initial phase angle presents small half-wave characteristics. The traditional detection method finds it difficult to meet the speed requirements for action. Then, a detection criterion based on the small half-wave characteristic of the short-circuit current is proposed. This uses the zero-crossing time interval of the instantaneous value or of the rate of change to quickly identify short-circuit faults.The fast detection of a short-circuit fault at any fault initial phase angle can be realized by combining with the traditional criterion, andthe reliability under load switching and other interference conditions is guaranteed. Finally, the effectiveness of the fault detection method is verified by offline simulation tests and a field short circuit test. The test results indicate that the detection time of the proposed method can be within 2.9 ms.

fast short-circuitfault detection; initial phase angle of fault current; small half-wave feature; zero-crossing time interval; field short circuit test

10.19783/j.cnki.pspc.211416

2021-10-21；

2022-01-04

吴行健(1997—)，男，硕士研究生，研究方向为短路故障快速检测与辨识技术；E-mail: wuxingjian0426@163.com

石 晶(1969—)，女，通信作者，博士，副教授，研究方向为开关电器及理论电工；E-mail: shi.jing@whu.edu.cn

陈红坤(1967—)，男，博士，教授，研究方向为智能电网运行与控制、电力系统安全评估、电能质量分析与环境评估。E-mail: chkinsz@163.com

国家重点研发计划项目资助(2018YFB0904300)，中国南方电网公司科技项目资助(GZHKJXM20180087)

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2018YFB0904300).

(编辑 许 威)