基于低频电气量的超高压交流线路出口故障快速保护

陆琴 申文强

（国网甘肃省电力公司超高压公司，甘肃兰州 720000）

0. 引言

在当前阶段，一般采用记忆电压比向、极化电压比向的方向元件进行故障方向的判断，动作速度在超过一个工频周期时难以及时满足超高压交流线路快速隔离故障的要求，需要相关单位不断探索该问题的解决办法，以减少故障问题的产生。

1.超高压线路出口故障的概述

超高压输电线路存在的作用，是远程输电、跨城区输电的管道和通道，它的稳定运行与国家电网的稳定运行、电能分配等有直接的关系，在故障产生时，对故障方向、故障点的及时探查十分重要。只有及时找到了故障点，才能够采取措施进行修复，保证电能输送的正常进行。出口近区故障重点需要关注的就是故障方向的确定与识别，为了推动方向元件动作速度的提升，国内外学者做出了大量的研究和分析。基于故障暂态低频分量、故障暂态高频分量的快速方向，元件被提出[1]。

从低频电气量的高速方向元件角度出发，考虑到了相应工程建设的可行性与实用性，并结合传统工频变化量方向的优势开展了相关研究。研究发现，传统方向元件在应用时不受滤波器延时、负荷状态等的影响，但是，动作速度会受到相应的影响，基于此，有学者针对故障的判断提出了以下几种方式。

（1）利用故障分量电流和故障前电压间的极性关系来判别；（2）以顺时无功理论为前提，提出的功率方向元件；（3）以系统参数识别为前提，提出的快速方向元件；（4）在故障已经产生后，从电流突变量和保护安装处间的极性关系入手进行故障方向的判断；（5）应用故障分量电流和故障前电流之间的极性关系判断故障方向。以上这几种故障识别方式，大多数在使用时都缺少配套的出口故障快速识别元件，无法达成出口故障快速动作的目的[2]。

2.针对低频量方向元件的研究

2.1 正向故障特征

整个正向故障的展示分为M侧、N侧两个方向，系统与反向系统相同，两侧分别由保护背侧等值阻抗、故障发生后等值电源电压等构成。以M侧为例，如果这一侧发生了正向故障，这时M侧的保护背侧等值阻抗，就是测量电压降落u1(t)。计算公式为：

在这个公式中，工频周期为20ms，em(t)所代表的是在发生故障后的等值电源电压，而um(t)所代表的则是故障发生后的实际测量电压[3]。

定义后等值阻抗ZS的计算电压降落由u2(t)表示，计算公式为：

该公式中im(t)所代表的是故障产生后，保护安装处的测量电流，L所代表的是背侧系统等值阻抗的电感，R代表的其实其电阻。

以上两个公式所表示的都是发生故障后系统等值阻抗的电压降落，基于此，能够判断u1(1)与u2(t)二者相等，这就意味着在发生故障时故障方向完全相同，即使电源的等值电动势难以做到直接获取。但是，因为同步机故障40ms内能够视为恒定电势源，所以可以用电源记忆的电动势来替代电源等值电动势。计算公式为：

该公式中，em(t-T)所代表的是电源的记忆电动势，以故障发生前，一个周波的电压来进行替代，这样，使用保护安装处的记忆电流、记忆电压就可以进行电源记忆电动势的获取了。计算公式为：

整个公式中，umj(t)和Rimj(t)分别代表的是保护安装处的记忆电压与电流，在保护安装处发生故障前，要用一个周波的电流、电压来替代。计算公式为：

2.2 反向故障特征

针对于反响故障的特征分析来说，依旧是以典型的双端系统为例，分为M侧、N侧，本文依旧以M侧为主进行论述。如果M侧发生了反向故障，将M侧安装处的故障电流，用im2(t)表示，系统等值阻抗为、定义线路阻抗为，测量电压降落则用u3(t)表示[4]。

那么，测量电压降落的计算公式为：

在系统等值阻抗为Zw、定义线路阻抗为Zt上的计算电压降落u4(t)的计算公式为：

式中，LL、RL分别为线路电感、电阻，LW、RW则分别代表等值阻抗的电感、电阻，im2(t)所代表的是发生故障后，保护安装处的测量电流。以上两个公式所表示的是产生故障后，系统线路阻抗、等值阻抗上的电压降落值，由此也能够看出，在产生反向故障时，u3(t)与u4(t)完全相同。

根据上述原理，在故障发生后，N侧的电源等值电动势，也可以用故障发生前的记忆电流与记忆电压，来进行计算。计算公式为：

综上，通过分析得出，在正向故障的判断中，u1(1)与u2(t)二者相等，同时，在产生反向故障时，u3(t)与u4(t)完全相同。由此能够判断，它们的变化趋势是相同的，这样，就可以利用好这种特性，来进行出口故障方向元件判断依据的构建。

2.3 对于判据的保护

以上的分析均是针对单向系统而设计的，而三相系统的运行，则需要依据线路阻抗矩阵计算所对应的计算电压降落、测量电压降落来判断。针对单项的接地故障，需要使用故障电流、电压来计算；而对于相间故障与三相故障来说，则需要使用相间电流、电压来计算[5]。

因此，为了观察计算电压降落与测量电压降落之间的对比与变化特点，研究人员进行了波形相关系数公式的应用。计算公式为：

通过上述两个公式能够得出，

为正向故障。而

为反向故障。式中，rset所表示的是既定门槛，并将其数值设置为0.5，该数值是经过对可靠系数、测量误差等更方面影响因素的考量后决定的[6]。

3.出口故障识别元件的分析

3.1 出口故障识别元件原理

为杜绝方向元件在正向区外故障时产生误动，需要进行出口故障快速识别元件的设置。以上文中所提及的典型双端系统为例进行相应的分析，整个系统分为M、N两侧，以M侧为例，对于出口近区的故障保护范围，可以根据实际情况设置为线路全长的30%左右。在进行出口故障识别元件的分析前，首先要对定义的故障残压、整定电压、金属性故障等有及时的计算。故障残压的计算公式为：

式中，um(t)所表示的是故障发生后，保护安装处的测量电压，而uf(t)所代表的则是故障点的电压。整定电压的计算公式为：

式中的l、r分别代表被保护线路单位长度的电感、电阻，i(t)所代表的是故障发生后，保护安装处的测量电流，而lset的数值则是被保护线路全长的约30%。金属性故障数值的计算公式为：

式中，其他部分都与上两个公式所表达的意义相同，只有lf是一种新变量，表示的是故障距离。

在超高压交流线路出口近区处，产生故障时，lf的绝对值会比lset的绝对值小，这时uce(t)的模值则小于uset(t)的模值；而如果故障的产生在非出口近区，lf的绝对值会比lset的绝对值大，这时uce(t)的模值则大于uset(t)的模值。基于此，能够发现，通过对于uce(t)与uset(t)之间模值大小的判断，就可以判断故障是否产生。

由此，也能够得出出口故障快速识别元件的判据公式为：

式中，∆t所代表的是数据窗的长度，而t0所代表的则是故障的发生时刻。

3.2 CVT暂态特性的概述

CVT在超高压交流线路的电压测量中，十分常见，在出口近区产生故障时，CVT暂态的过程，故障程度尤为明显，在其运行的过程中，计算公式为：

提出的出口故障识别元件动作速度也会受到相应的影响，根据相应的传变理论把计算整定电压的故障点电压与电流，通过CVT传变即可克服其暂态过程的不良影响[7]。在整个过程中，需要注意的是，故障点是未知的，这就需要重新进行故障点电压的构建，在出口近区的故障发生时，故障发生前的故障点电压，最好和保护安装处的电压相同，这样就能够使用后者替代前者，在前者为0时，计算公式为：

基于此，将故障点电压，经由CVT重新处理后，将其代入至公式：

计算可得：

再根据相应传变理论将uce_cvt(t)表示如下。

式中，icvt(t)所表示的是经过CVT处理的电流。这时就可以将整定电压的计算公式进行调整，由于经过CVT的处理，计算公式如下。

需要调整为：

而uce_cvt(t)、uset_cvt(t)二者之间的关系仍然满足uce_cvt(t)/uset_cvt(t)=lf/lset的条件。基于此，我们能够得出，经过故障点电压CVT处理等一系列工序的操作，上述条件仍然满足、成立，这就说明故障快速识别元件的动作速度没有受到影响。

4. 结论

本文针对交流线路出口近区故障的解决，进行了相应设计方案的探讨，利用了计算电压降落与测量电压降落二者故障后的变化进行故障方向的确定，经过研究发现，二者在正向故障时，变化相同，而在反向故障时，变化相反，应用低频电气量可有效缓解对于采样率的需求，抗干扰能力也能够得到显著的提升。