王海蓉，袁兆強(qiáng)，魯明芳，喻小婷

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002）

在電力系統(tǒng)故障類型中，對(duì)系統(tǒng)影響最為嚴(yán)重的就是輸電線路上各種形式的短路故障。若對(duì)故障不及時(shí)處理，就可能引起電網(wǎng)事故。為解決這一問(wèn)題，電力行業(yè)對(duì)電力系統(tǒng)配備完善的繼電保護(hù)，包括重合閘，為改善傳統(tǒng)重合閘存在的不能區(qū)分瞬時(shí)和永久性故障、不能判別故障點(diǎn)電弧是否已經(jīng)熄滅就盲目重合的問(wèn)題，20世紀(jì)80年代西安交通大學(xué)葛耀中教授提出基于恢復(fù)電壓的自適應(yīng)重合閘原理，解決了傳統(tǒng)重合閘存在的缺陷。目前，單相自適應(yīng)重合閘已逐漸走向成熟，但隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，對(duì)自適應(yīng)重合閘又提出了新的要求：（1）由于西電東送的要求，需要架設(shè)越來(lái)越多的遠(yuǎn)距離超/特高壓電網(wǎng)，而輸電走廊卻變得越來(lái)越緊張，從而使得同桿雙回或多回線路的架設(shè)將成為一種必然的發(fā)展趨勢(shì)，研究新的適合該類型輸電線路的自適應(yīng)重合閘顯得愈加重要。（2）隨著電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)發(fā)生三相瞬時(shí)性故障將增多，有必要對(duì)三相自適應(yīng)重合閘進(jìn)行研究。

1 單相自適應(yīng)重合閘

1.1 單回線單相自適應(yīng)重合閘

在無(wú)并聯(lián)電抗器時(shí)，目前主要利用故障相恢復(fù)電壓幅值和相位特性、二次電弧特性來(lái)實(shí)現(xiàn)單相自適應(yīng)重合閘。

結(jié)合恢復(fù)電壓幅值和相位特點(diǎn)，文獻(xiàn)[1]利用輸電線路上的工頻恢復(fù)電壓進(jìn)行瞬時(shí)性與永久性故障判別是國(guó)內(nèi)外最早的研究方法，該文根據(jù)單相跳閘后線路上是否存在電容耦合電壓來(lái)區(qū)分瞬時(shí)性和永久性故障，最先提出了電壓判別法、補(bǔ)償電壓判別法，但對(duì)于帶并聯(lián)電抗器和長(zhǎng)距離重負(fù)載線路存在誤將瞬時(shí)性故障判斷為永久性故障，造成重合閘不成功。而文獻(xiàn)[2]提出了基于工頻恢復(fù)電壓的相位判據(jù)。瞬時(shí)性故障下斷開相電壓相位是線路互感阻抗角與功率因數(shù)角之差，而永久性故障時(shí)斷開相電壓相位與耦合電壓相位相似。文獻(xiàn)[3]針對(duì)文獻(xiàn)[1]存在的問(wèn)題，進(jìn)行了原因分析，并提出了改進(jìn)措施，但模糊控制規(guī)則表的確定需要取得系統(tǒng)各種運(yùn)行方式下的數(shù)據(jù)，缺乏客觀性。

文獻(xiàn)[4]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的波形識(shí)別功能解決了自適應(yīng)重合閘中永久性故障和瞬時(shí)性故障的判別問(wèn)題，但該方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其權(quán)值離線用學(xué)習(xí)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，需要模擬大量的故障類型得到不同的模型，還需要存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，因此應(yīng)用起來(lái)相對(duì)復(fù)雜。

文獻(xiàn)[5]提出了基于故障測(cè)距的永久性故障判據(jù)。該判據(jù)以故障點(diǎn)瞬時(shí)故障電壓理論值為定值，由故障測(cè)距結(jié)果求出故障點(diǎn)實(shí)際電壓，當(dāng)故障點(diǎn)實(shí)際電壓小于定值時(shí)為永久性故障，反之為瞬時(shí)性故障。文獻(xiàn)[6]提出了基于電壓補(bǔ)償原理的新型相位判據(jù)：對(duì)斷開相端電壓分別進(jìn)行2種適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，獲得用于比較相位的2個(gè)相量，保證在瞬時(shí)性故障時(shí)兩者反向；而在永久性故障時(shí)，兩者接近于同向。該判據(jù)原理簡(jiǎn)單、可靠，不受過(guò)渡電阻、負(fù)荷電流和故障點(diǎn)位置的影響，僅利用線路的單端信息即可實(shí)現(xiàn)故障的判別，不需要故障測(cè)距裝置。

基于電弧特性區(qū)分故障性質(zhì)，文獻(xiàn)[7]在對(duì)瞬時(shí)性故障情況下二次電弧特性分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)故障產(chǎn)生的諧波特性及含量分析比較，提出了基于電壓信號(hào)判別故障性質(zhì)的奇次諧波能量判據(jù)。文獻(xiàn)[8]通過(guò)對(duì)不同故障時(shí)母線處諧波性質(zhì)的比較，用一種改進(jìn)遞歸復(fù)小波的相位特性來(lái)區(qū)分故障性質(zhì)，并且利用幅值特性來(lái)輔助檢測(cè)各暫態(tài)過(guò)程，但未考慮接地電阻的影響。文獻(xiàn)[9]建立了基于電壓雙窗函數(shù)暫態(tài)能量比的判據(jù)，通過(guò)該判據(jù)來(lái)識(shí)別故障性質(zhì)，并且利用形態(tài)學(xué)分別構(gòu)造了形態(tài)學(xué)閉開-開閉梯度濾波算子，更有效地提取出高頻信號(hào)。文獻(xiàn)[10]同樣利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法研究了電弧特性，根據(jù)提取出的故障相母線電壓譜能量來(lái)判別故障性質(zhì)。文獻(xiàn)[11]采用小波包能量熵值來(lái)定量檢測(cè)故障相電壓的時(shí)頻分布特性區(qū)分故障性質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)重合閘。

對(duì)超/特高壓電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，為限制工頻過(guò)電壓，需補(bǔ)償線路容性無(wú)功，抑制潛供電流，一般需要裝設(shè)并聯(lián)電抗器。由于并聯(lián)電抗器對(duì)對(duì)地電容的補(bǔ)償，使得線路的電容電流減小，斷開相恢復(fù)電壓中電容耦合電壓將減小，可能造成所采用的永久性故障時(shí)電容耦合電壓判據(jù)不再滿足要求，會(huì)造成瞬時(shí)性故障誤判。因此，對(duì)帶并聯(lián)電抗器輸電線路單相故障，通常對(duì)恢復(fù)電壓判據(jù)進(jìn)行修正，并且此時(shí)的二次電弧會(huì)出現(xiàn)拍頻現(xiàn)象，利用存在的自由振蕩分量與工頻分量也可實(shí)現(xiàn)故障性質(zhì)判別。同樣利用恢復(fù)電壓特點(diǎn)，文獻(xiàn)[12]提出了修正電壓判據(jù)，該判據(jù)需要對(duì)端信號(hào)配合。而文獻(xiàn)[2]基于瞬時(shí)性故障下斷開相電壓相位是線路互感阻抗角與功率因數(shù)角之差，而永久性故障時(shí)斷開相電壓相位與耦合電壓相位相似。利用此相位特性提出了相位判據(jù)，并對(duì)線路近端發(fā)生經(jīng)過(guò)渡電阻故障情況進(jìn)行了充分考慮，提出了補(bǔ)充判據(jù)。

而利用工頻分量和自由振蕩分量的區(qū)別時(shí)，文獻(xiàn)[14]根據(jù)工頻分量特性，分析了帶并聯(lián)電抗器輸電線路的故障相電流、電壓特性，提出了在1個(gè)振蕩周期內(nèi)，利用故障相并聯(lián)電抗器的電流與中性點(diǎn)小電抗器的電流幅值比判別瞬時(shí)性故障和永久性故障的方法。文獻(xiàn)[15]分析出在單相接地故障中，恢復(fù)電壓由于電容和電感元件本身的特性會(huì)產(chǎn)生自由振蕩分量，從而出現(xiàn)拍頻現(xiàn)象，并以此提出拍頻判據(jù)進(jìn)行故障性質(zhì)的判別。該判據(jù)原理清晰，判斷結(jié)果無(wú)交叉模糊區(qū)，但判斷時(shí)間較長(zhǎng)。文獻(xiàn)[16-18]均是通過(guò)檢測(cè)自由分量（其中包括高頻和低頻分量）來(lái)區(qū)別故障性質(zhì)，但其運(yùn)用的方法各不相同。文獻(xiàn)[16]對(duì)斷開相恢復(fù)電壓在1個(gè)工頻周期內(nèi)進(jìn)行積分檢測(cè)自由分量。文獻(xiàn)[17]利用拉普拉斯變換求解出恢復(fù)電壓中個(gè)暫態(tài)分量，并提出了基于斷開相端電壓衰減周期分量幅值判據(jù)和提取低頻衰減周期分量幅值的方法。文獻(xiàn)[18]根據(jù)恢復(fù)電壓階段并聯(lián)電抗器中故障相電流的低頻分量判別故障性質(zhì)（通過(guò)設(shè)定的能量函數(shù)）。

1.2 同桿雙回線單相自適應(yīng)重合閘

為節(jié)省輸電走廊，目前電網(wǎng)大多采用同桿雙回線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可能會(huì)使得線路間間距較近，易出現(xiàn)跨線故障，并且當(dāng)發(fā)生故障跳開后時(shí)，電磁耦合和電容耦合作用較單回輸電線路更強(qiáng)，進(jìn)而電弧熄滅時(shí)間更短，故障點(diǎn)絕緣強(qiáng)度還未恢復(fù)就可能重合，使得瞬時(shí)性故障重合失敗，這也就對(duì)同桿雙回線自適應(yīng)重合閘提出了新的要求。

對(duì)同桿雙回線來(lái)說(shuō)，發(fā)生的故障類型不同其特點(diǎn)也將不一樣，主要的類型有同回線單相故障、同回線多相故障和雙回線之間的同名相和異名相跨線故障。對(duì)同桿雙回線的分析要充分考慮雙回線之間的耦合關(guān)系。

目前對(duì)同桿雙回線自適應(yīng)重合閘的研究多傾向于對(duì)重合閘順序的研究，而對(duì)故障性質(zhì)判別的研究還待進(jìn)一步深入。文獻(xiàn)[19]針對(duì)在同桿雙回線路無(wú)并聯(lián)電抗器投入時(shí)發(fā)生的I回線A相與II回線B相跨線故障（IAIIBGI）類型故障，提出了斷開相實(shí)測(cè)端電壓基波、3次諧波、5次諧波分量的自適應(yīng)重合閘判據(jù)，并對(duì)帶全補(bǔ)償并聯(lián)電抗器時(shí)增設(shè)了判據(jù)。文獻(xiàn)[20]提出了適用于同桿雙回線路的基于故障測(cè)距的瞬時(shí)性接地故障判據(jù)。

2 三相自適應(yīng)重合閘

目前，單相自適應(yīng)重合閘的研究已經(jīng)比較成熟，然而對(duì)三相自適應(yīng)重合閘的研究卻較少。主要原因?yàn)椋狠旊娋€路發(fā)生故障后斷路器斷開之前的一次電弧階段，由于故障暫態(tài)分量的存在，一次電弧特性不能得到很好的研究。而在三相斷路器跳開之后，失去了電源，二次電弧很快熄滅，難以提出二次電弧的特征量[21]。

文獻(xiàn)[22]提出了基于自振電壓幅值特性的永久性故障判別方法。但該方法易受線路電壓互感器的影響。文獻(xiàn)[23]利用高頻電流的傳輸特性，提出利用高頻通道及信號(hào)來(lái)區(qū)別故障性質(zhì)，但該方法受線路長(zhǎng)度、天氣等因素影響較大。文獻(xiàn)[24]將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于三相自適應(yīng)重合閘，能準(zhǔn)確地判別故障性質(zhì)。但該方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，難以滿足保護(hù)快速性要求。文獻(xiàn)[25]針對(duì)帶并聯(lián)電抗器的高壓輸電線路，利用三相故障跳閘后，分布電容和并聯(lián)電抗器的儲(chǔ)能而存在的殘余電壓進(jìn)行研究分析，提出了用于三相自適應(yīng)重合閘的識(shí)別三相瞬時(shí)和永久性故障的線路差模電壓（頻率接近工頻的衰減周期分量）幅值判據(jù)。文獻(xiàn)[26，27]均以瞬時(shí)性π模型為參考模型，利用三相并聯(lián)電抗器電流量為基礎(chǔ)，通過(guò)不同的量來(lái)實(shí)現(xiàn)三相自適應(yīng)重合閘，文獻(xiàn)[26]求取出雙端線模電壓和電容電流的線模分量，獲得并聯(lián)電抗器電流和電容電流線模分量之和。以此求解值來(lái)區(qū)別故障性質(zhì)。而文獻(xiàn)[27]針對(duì)接地故障和相間故障不同，分別采用零模和線模分量的參數(shù)識(shí)別方程求解出并聯(lián)電抗器電感參數(shù)，通過(guò)參數(shù)求解值與實(shí)際值的差異來(lái)區(qū)別故障性質(zhì)。

3 綜合分析與研究

3.1 自適應(yīng)重合閘故障識(shí)別存在的問(wèn)題

（1）恢復(fù)電壓法。實(shí)現(xiàn)原理是通過(guò)斷開相的相對(duì)地電壓中存在的電容耦合電壓的大小來(lái)判別故障性質(zhì)的。但該電壓的獲得受電壓互感器二次回路的影響，并且由于電容耦合電壓一般較低，測(cè)量精度存在問(wèn)題，靈敏度低，并且在帶并聯(lián)電抗器輸電線路上，電容耦合電壓將更低，該方法有可能不能采用。

（2）電弧特性。由于電弧由很多因素決定，涉及到許多復(fù)雜的時(shí)變過(guò)程，其中許多因素又是高度非線性的，故利用電弧電壓判別故障的瞬時(shí)性存在預(yù)測(cè)和推理因素，同時(shí)要建立準(zhǔn)確的電弧模型是很困難的，且不同類型的電弧特性存在差異，因此基于瞬時(shí)性故障電弧特性的故障識(shí)別方法實(shí)用性較差。目前利用電弧特性來(lái)實(shí)現(xiàn)故障判別的研究均需要較高的采樣頻率，隨著小波技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，各類數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用發(fā)揮了一定作用，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻增加了復(fù)雜性。另外，實(shí)際工程應(yīng)用中存在各種誤差，當(dāng)電弧電壓不足時(shí)，測(cè)量精度將無(wú)法保證，可信度較差。

（3）其他方法。利用高頻通道或者利用原有的故障測(cè)距裝置所測(cè)出的故障測(cè)距實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)重合閘，前者會(huì)隨著光纖技術(shù)的引入而被淘汰，而后者受故障測(cè)距誤差影響較大。

（4）同桿雙回線。對(duì)于同桿雙回線中的單相故障，同樣存在前面的問(wèn)題，而對(duì)于多相故障，特別是跨線故障，研究將更加復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)故障性質(zhì)判別將更加困難，如何準(zhǔn)確識(shí)別故障性質(zhì)的研究必需更加深入。

（5）三相自適應(yīng)重合閘。由于三相故障斷開后，輸電線路因失去了電氣聯(lián)系，電弧會(huì)很快熄滅，電容耦合電壓將變得更低，要實(shí)現(xiàn)故障性質(zhì)的判別將是很困難的。因此，三相自適應(yīng)重合閘的實(shí)現(xiàn)將還有很長(zhǎng)一段路要走。

3.2 重合閘實(shí)現(xiàn)過(guò)程研究

（1）單回線重合閘。通常采用單相重合閘、三相重合閘或綜合重合閘。

（2）同桿雙回線重合閘。根據(jù)故障類型不同重合順序?qū)⒉煌?，同桿雙回線路有120種故障，根據(jù)各種故障時(shí)六序分量的相位特征，可以歸納為13種故障類型，分別是：I回線A相接地（IAG）、I回線 BC兩相故障（IBC）、I回線 ABC 三相故障（IABC）、I回線B相II回線C相跨線故障（IBIIC）、I回線BC兩相與II回線B相跨線故障 （IBCIIB）、I回線BC兩相與II回線C相跨線故障（IBCIIC）、I回線A相與II回線BC兩相跨線故障（IAIIBC）、II回線AB兩相與II回線BC兩相跨線故障（IABIIBC）、I回線ABC三相與II回線BC兩相跨線故障 （IABCIIBC）、I回線ABC三相與II回線A相跨線故障（IABCIIA）、I回線A相與II回線A相跨線接地故障（IAIIAG）、I回線BC兩相與II回線BC兩相跨線故障（IBCIIBC）、I回線ABC三相與II回線ABC兩相跨線故障（IABCIIABC）。其中前3種為單回線故障，后10種為跨線故障[28]。對(duì)于前3種按照單回線重合閘執(zhí)行，而對(duì)于多相故障則有按相順序重合閘[19]：首先故障發(fā)生后，故障相斷開，判斷是否有兩異名相健全，無(wú)則跳開健全相；有則按照下列重合順序進(jìn)行重合：①同名相優(yōu)先重合且可同時(shí)重合；②超前相優(yōu)先重合；③多相故障線路超前相優(yōu)先重合。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，自適應(yīng)重合閘的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于故障性質(zhì)的判別，其次就是合閘順序的配合，特別是對(duì)于同桿雙回線來(lái)說(shuō)，合理的重合閘順序是很重要的。盡管單相自適應(yīng)重合閘技術(shù)發(fā)展至今，已步入較為成熟階段，但隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，超/特高壓遠(yuǎn)距離同桿雙回線的架設(shè)，電網(wǎng)的安全性與穩(wěn)定性要求越來(lái)越高，根據(jù)目前自適應(yīng)重合閘的發(fā)展現(xiàn)狀，還可對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究的方面有：

（1）國(guó)家投入的西電東送、南北互供工程促進(jìn)特高壓電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，而特高壓電網(wǎng)對(duì)重合閘技術(shù)要求將更加嚴(yán)苛。如何在解決重合閘過(guò)程中，對(duì)特高壓電網(wǎng)過(guò)電壓的影響將是研究的重點(diǎn)。

（2）隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，將使得輸電網(wǎng)走廊變得更為緊張，因而同塔雙回、同塔多回線路將不斷增加，如何解決這些線路出現(xiàn)跨線故障時(shí)保護(hù)與重合閘配合問(wèn)題，也將是難點(diǎn)問(wèn)題。

（3）利用不斷發(fā)展的數(shù)學(xué)理論、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等現(xiàn)代研究理論和應(yīng)用技術(shù)，抓住瞬時(shí)性故障和永久性故障時(shí)本質(zhì)上的不同，找出更多的特點(diǎn)，采用更加快速的算法，真正解決好重合閘過(guò)程中的問(wèn)題。

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