陳永明，劉 昶，李 靜，楊 茹，侯 超，姚 鵬

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司鎮(zhèn)江供電分公司，鎮(zhèn)江 212000）

近年來隨著城市化的發(fā)展，電網(wǎng)電壓等級(jí)提升，110 kV輸電線路的規(guī)模迅速擴(kuò)大，斷線故障時(shí)有發(fā)生[1]。但目前國(guó)內(nèi)對(duì)斷線故障的研究主要集中在配電網(wǎng)[2-6]，對(duì)高壓輸電網(wǎng)的關(guān)注較少。電力系統(tǒng)對(duì)于110 kV輸電線路發(fā)生斷線故障的應(yīng)對(duì)措施不足，不能在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確識(shí)別斷線故障并做出反應(yīng)，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性[7-8]。

110 kV變電站變壓器的中性點(diǎn)有直接接地和非直接接地兩種接地方式[9]。對(duì)于110 kV變電站高壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地的輸電線路，由于單相斷線故障發(fā)生后存在零序電流，有些文獻(xiàn)采用零序過流保護(hù)來實(shí)現(xiàn)斷線保護(hù)。文獻(xiàn)[10]指出兩側(cè)變電站變壓器直接接地的線路發(fā)生單相斷線故障后，零序電流大小只取決于故障前的負(fù)荷電流而與斷線位置無關(guān)；文獻(xiàn)[11]基于這一特性，針對(duì)重載線路發(fā)生單相斷線故障的情形提出一種新型零序過流保護(hù)方法，需要與線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)相配合；文獻(xiàn)[12]通過動(dòng)態(tài)地調(diào)整零序過電流保護(hù)定值來實(shí)現(xiàn)單相斷線保護(hù)。以上這些方法僅依據(jù)零序電流量來識(shí)別故障，在線路空載或輕載時(shí)會(huì)影響保護(hù)動(dòng)作的可靠性，不能100%切除故障。對(duì)于110 kV變電站高壓側(cè)中性點(diǎn)不接地的線路，單相斷線故障發(fā)生后不存在零序電流，零序電流保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。文獻(xiàn)[13]指出，110 kV線路發(fā)生單相斷線故障后線路保護(hù)均不會(huì)動(dòng)作，僅可能會(huì)使主變壓器保護(hù)告警，收到告警后還需運(yùn)行人員進(jìn)一步確定是否為缺相故障，沒有給出斷線保護(hù)方法；文獻(xiàn)[9]提出了一種基于低壓側(cè)相電壓與相電流的保護(hù)判據(jù)，該判據(jù)抓住故障后故障相電流為0以及非故障相電壓幅值減半的特征來識(shí)別單相斷線故障。

以上文獻(xiàn)主要針對(duì)斷線故障特性進(jìn)行了分析，且僅考慮了110 kV線路斷線且斷線處不接地的情形，不適用于單相斷線且斷線處有一側(cè)接地的故障，但實(shí)際斷線故障通常伴隨有斷線處接地的情況[14]。文獻(xiàn)[15]分析了110 kV線路發(fā)生單線斷線且負(fù)荷側(cè)接地故障時(shí)的電流特性；文獻(xiàn)[16]針對(duì)同塔雙回線一回?cái)嗑€的特殊情形，通過區(qū)分故障前后電流量的變化特征解決了零序縱聯(lián)保護(hù)的誤動(dòng)問題；文獻(xiàn)[17]抓住不同故障時(shí)二次電弧階段高階能量特征的不同，提出了基于小波變換與支持向量機(jī)的單相故障診斷方法。

總體上，目前針對(duì)110 kV輸電線路的單相斷線故障缺乏系統(tǒng)分析，適應(yīng)不同接地方式、不同斷線情形[18]下的斷線保護(hù)方法有待深入研究。針對(duì)以上問題，本文提出了一種110 kV線路斷線故障自適應(yīng)判別方法。所提方法充分利用110 kV線路斷線故障后變壓器兩側(cè)電氣量的變化特征，采用變壓器低壓側(cè)負(fù)序電壓變化特征的啟動(dòng)判據(jù)以及根據(jù)系統(tǒng)零序阻抗與正序阻抗的比值，自適應(yīng)地調(diào)整電壓動(dòng)作值的動(dòng)作判據(jù)，基于變壓器高壓側(cè)相電流突變量變化的短路閉鎖方法實(shí)現(xiàn)110 kV線路在不同斷線情況下單相斷線故障的準(zhǔn)確識(shí)別與可靠動(dòng)作。最后在Matlab/Simulink平臺(tái)仿真驗(yàn)證了所提保護(hù)方法的理論正確性與可行性。

1 110 kV單側(cè)電源線路單相斷線故障分析

我國(guó)110 kV系統(tǒng)要求采用有效接地方式，上級(jí)變電站110 kV側(cè)通常為直接接地運(yùn)行。根據(jù)負(fù)荷側(cè)變電站變壓器的中性點(diǎn)是否接地運(yùn)行、單相斷線是否同時(shí)伴隨一側(cè)接地，可將110 kV線路的斷線故障分為6種情形，分類結(jié)果如表1所示。

表1 110 kV線路斷線情況分類Tab.1 Classification of 110 kV line disconnection faults

表1中的6種斷線情況中的情況3、情況5、情況6較為特殊，其斷線故障特征與短路故障有相似之處，可由線路原有的短路保護(hù)動(dòng)作切除，本文只做簡(jiǎn)要分析，而主要對(duì)情況1、情況2、情況4三種斷線情況采用對(duì)稱分量法進(jìn)行理論分析并總結(jié)歸納其故障特征。

1.1 情況1的故障特征分析

情況1的斷線故障系統(tǒng)示意如圖1所示，圖1中：E?i為電源高壓側(cè)i相電勢(shì)，i=A，B，C；U?oiS和U?oiL分別為i相電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)電壓。由于上級(jí)變電站110 kV側(cè)通常為直接接地運(yùn)行，因此可將上級(jí)變電站等效成三相電源的星形接地接線。用對(duì)稱分量法對(duì)情況1進(jìn)行分析。

圖1 情況1的斷線故障示意Fig.1 Schematic of disconnection fault in Case 1

110 kV線路在發(fā)生情況1類型的斷線故障時(shí)，其低壓側(cè)相電壓向量如圖2所示。從圖2可發(fā)現(xiàn)，110 kV線路在情況1類型故障發(fā)生時(shí)，其低壓側(cè)故障相與故障相的超前相（相序?yàn)锳-B-C）的電壓幅值會(huì)減半，而故障相的滯后相電壓幅值未發(fā)生變化。同時(shí)，低壓側(cè)故障相與故障相的超前相的相位一致。此外，當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)確定，主變低壓側(cè)電壓也隨之確定，與故障位置和負(fù)荷無關(guān)。

圖2 110 kV斷線情況1的低壓側(cè)電壓向量Fig.2 Voltage vector on low-voltage side under 110 kV line disconnection fault in Case1

1.2 情況2的故障特征分析

圖3為110 kV線路單相斷線且負(fù)荷側(cè)斷線處接地時(shí)系統(tǒng)示意。上級(jí)變電站110 kV側(cè)為直接接地系統(tǒng)，110 kV變電站變壓器中性點(diǎn)為不接地。用對(duì)稱分量法對(duì)情況2進(jìn)行分析。

圖3 情況2的斷線故障示意Fig.3 Schematic of disconnection fault in Case 2

110 kV線路在發(fā)生情況2類型的斷線故障時(shí)，其低壓側(cè)相電壓向量如圖4所示，圖中E?k為電源低壓側(cè)k相電勢(shì)，k=a，b，c。

圖4 110 kV斷線情況2的低壓側(cè)電壓向量Fig.4 Voltage vector on low-voltage side under 110 kV line disconnection fault in Case 2

由圖4可發(fā)現(xiàn)，110 kV線路在情況2類型故障發(fā)生時(shí)，其低壓側(cè)故障相與故障相的超前相（相序?yàn)锳-B-C）的電壓幅值變?yōu)樵瓉淼谋叮收舷嗟臏笙嗟碾妷悍滴窗l(fā)生變化。同時(shí)，低壓側(cè)的故障相與故障相超前相的相位都發(fā)生了明顯變化。

1.3 情況4的故障分析

圖5為110 kV線路單相斷線時(shí)系統(tǒng)示意，記為情況4。上級(jí)變電站110 kV側(cè)為直接接地系統(tǒng)，110 kV變電站變壓器中性點(diǎn)接地運(yùn)行。用對(duì)稱分量法對(duì)情況4進(jìn)行分析。

圖5 情況4的斷線故障示意Fig.5 Schematic of disconnection fault in情況4

110 kV線路在發(fā)生情況4類型的斷線故障時(shí)，其低壓側(cè)相電壓向量如圖6所示。

圖6 110 kV斷線情況4的低壓側(cè)電壓向量Fig.6 Voltage vector on low-voltage side under 110 kV line disconnection fault in Case 4

結(jié)合以上推導(dǎo)和圖6，情況4的斷線故障不同于前2種斷線情況。110 kV線路發(fā)生這種類型的斷線故障后，110 kV變電站主變高壓側(cè)電流、低壓側(cè)電壓的幅值往往依賴于系統(tǒng)的t值大小。

分析情況4的故障電流、故障電壓關(guān)于零、正序阻抗比值的函數(shù)特性。令I(lǐng)B/IAL=f(t)、令Ua/Ea=g(t)，Ua2/Ea=h(t)，得到3個(gè)函數(shù)為

對(duì)式（28）中的函數(shù)求導(dǎo)得

式（29）表明，情況4的故障電流、故障電壓函數(shù)為嚴(yán)格單調(diào)遞減函數(shù)，其函數(shù)值將會(huì)隨系統(tǒng)的t增大而減小。而情況4故障相負(fù)序電壓函數(shù)為嚴(yán)格單調(diào)遞增函數(shù)，其函數(shù)值將會(huì)隨系統(tǒng)的t增大而增大。

我國(guó)110 kV系統(tǒng)采用有效接地系統(tǒng)[17]，系統(tǒng)中0≤t≤3。本文考慮t的取值范圍為0.5～3.0，因此情況4故障相負(fù)序電壓函數(shù)最小值為h（0.5）=1/4，情況4故障相電壓最小值為g（3）=0.515 0，最大值為g（0.5）=0.661 4。

1.4 其余故障類型的故障分析

情況3和情況6都有一個(gè)共同的故障特征，即單相斷線并伴有系統(tǒng)側(cè)線路接地。這類故障對(duì)于系統(tǒng)側(cè)變電站等同于短路故障，會(huì)由線路的短路保護(hù)動(dòng)作，無需額外加裝斷線保護(hù)裝置。

而情況5的故障特征是單相斷線并伴有負(fù)荷側(cè)線路接地，同時(shí)負(fù)荷側(cè)變壓器中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行。其故障示意如圖7所示。

圖7 情況5的斷線故障示意Fig.7 Schematic of disconnection fault in Case 5

情況5的故障線路雖然系統(tǒng)側(cè)線路沒有直接接地，但負(fù)荷側(cè)線路的接地與負(fù)荷側(cè)變壓器中性點(diǎn)的接地構(gòu)成了一個(gè)短路回路，系統(tǒng)側(cè)仍會(huì)出現(xiàn)零序電流（A相斷線時(shí)，有IB=IC，3I0=2IB/3），由110 kV線路的零序電流保護(hù)來動(dòng)作切除故障[7]。

結(jié)合上述分析，發(fā)現(xiàn)在6種斷線情形中，情況3、5、6均會(huì)由110 kV線路的短路保護(hù)來切除，不用額外加裝斷線保護(hù)裝置；而情況1、2、4不符合短路故障的特征，現(xiàn)有的線路保護(hù)裝置不會(huì)動(dòng)作，給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重危害，故需要額外加裝斷線保護(hù)裝置，快速識(shí)別并可靠切除故障。情況1、2、4這3種斷線故障類型的電壓電流變化特征匯總?cè)绫?所示。

表2 110 kV線路斷線故障電壓、電流幅值特征Tab.2 Amplitude characteristics of voltage and current under 110 kV line disconnection fault

表2主要?dú)w納了110 kV線路發(fā)生斷線故障后高壓側(cè)電流、低壓側(cè)負(fù)序電壓與相電壓的變化特征，其中，IL為高壓側(cè)負(fù)荷電流。除了情況4的參數(shù)還取決于系統(tǒng)零序阻抗與正序阻抗的比值，另外兩種斷線情況都有明確的理論值。無論何種故障類型，其故障相低壓側(cè)都存在負(fù)序電壓，并且故障相的高壓側(cè)電流較負(fù)荷電流都有明顯的減小，非故障相電流也有不同程度上的減小。從變壓器低壓側(cè)相電壓來看，故障相的滯后相電壓幅值無變化，但是故障相與故障相的超前相電壓幅值都有一定程度的減小，并且故障相與故障相的超前相電壓幅值相等。

2 110 kV線路斷線故障自適應(yīng)判別方法

根據(jù)第1節(jié)對(duì)110 kV單側(cè)電源線路發(fā)生單相斷線故障的理論分析，本文提出了一種基于電壓變化特征的110 kV線路斷線故障自適應(yīng)判別方法，包括3個(gè)主要部分：根據(jù)負(fù)序電壓變化的啟動(dòng)判據(jù)、各相電壓幅值變化的動(dòng)作判據(jù)以及短路閉鎖方法。

2.1 負(fù)序電壓?jiǎn)?dòng)方法

2.2 110 kV線路各相斷線識(shí)別方法

2.3 短路閉鎖方法

輸電線路上發(fā)生的故障類型主要有短路和斷線兩種故障，其中，短路故障的發(fā)生次數(shù)遠(yuǎn)高于斷線故障[18]，本文的斷線保護(hù)方法用于斷線故障的識(shí)別。若能夠排除短路故障，在線路發(fā)生短路故障時(shí)本斷線保護(hù)裝置可靠閉鎖，可以極大地提高斷線故障識(shí)別的可靠性。

110 kV有效接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流[17]。而由表2中的故障相高壓側(cè)電流可以發(fā)現(xiàn)，線路發(fā)生斷線故障后故障相的電流有明顯下降（甚至可能降為0），非故障相電流也有不同程度的降低。依據(jù)短路與斷路在電流特性上的區(qū)別，采用相電流突變量的短路判別方法為

式中：Δik為故障分量在k采樣時(shí)刻的計(jì)算值；Iset為電流整定值，按躲過正常負(fù)荷電流波動(dòng)最大值整定，并保證線路末端故障時(shí)有足夠的靈敏度，一般取0.2IN（IN為TA一次側(cè)額定電流），取值180～250 A。對(duì)于負(fù)荷波動(dòng)比較劇烈的線路（如鋼廠線路等），可適當(dāng)提高保護(hù)定值減少保護(hù)裝置頻繁啟動(dòng)。Δik計(jì)算方法為

式中：ik為k時(shí)刻的電流采樣值；ik-N為k時(shí)刻前一周期的電流采樣值；ik-2N為k時(shí)刻前兩周期的電流采樣值。

一旦110 kV主變高壓側(cè)任意相的相電流突變量滿足式（40），則判定線路發(fā)生短路故障，本斷線保護(hù)閉鎖，由短路保護(hù)裝置判別動(dòng)作與否；否則，本斷線保護(hù)裝置開放。

根據(jù)以上分析，給出110 kV線路斷線故障自適應(yīng)判別方法的保護(hù)邏輯如圖8所示。

圖8 110 kV線路斷線保護(hù)方法邏輯Fig.8 Logic of protection method under 110 kV line dis-connection fault

圖8中，若110 kV主變低壓側(cè)任一相負(fù)序電壓滿足啟動(dòng)條件，則判定系統(tǒng)發(fā)生非對(duì)稱故障；若110 kV主變低壓側(cè)三相電壓滿足故障判據(jù)，判定系統(tǒng)f相發(fā)生斷線故障。最后，通過采集相電流突變量來判斷系統(tǒng)是否短路故障。若未發(fā)生短路故障則斷線保護(hù)裝置可靠動(dòng)作，且經(jīng)延時(shí)t1后由斷線告警模塊發(fā)出進(jìn)線的某相斷線信號(hào)，延時(shí)t2后跳開斷線線路負(fù)荷側(cè)斷路器,并與備自投裝置配合投入備用電源。若判定系統(tǒng)發(fā)生了短路故障，則斷線保護(hù)裝置可靠閉鎖，并由線路相應(yīng)的短路保護(hù)來切除故障。

3 110 kV線路斷線故障仿真分析

3.1 仿真模型的搭建

利用Matlab/Simulink平臺(tái)搭建中性點(diǎn)直接接地的110 kV輸電線路模型。110 kV主變采用Yd11接線，變比為110/10.5。輸電線路總長(zhǎng)度為80 km，斷線故障位置處于輸電線路的中點(diǎn)。仿真總時(shí)長(zhǎng)1.0 s，斷線故障發(fā)生于0.5 s時(shí)刻，由理想斷路器（阻抗無窮大）來模擬斷線故障。仿真系統(tǒng)參數(shù)如表3所示。

表3 110 kV輸電線路仿真參數(shù)Tab.3 Simulation parameters of 110 kV transmission lines

3.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)A相為斷線故障相，分別對(duì)3種斷線情形情況1、情況2、情況4進(jìn)行仿真，通過分析其斷線前后的電壓特征來驗(yàn)證理論分析的正確性與斷線保護(hù)方法的可行性。

情況1的仿真結(jié)果分別如圖9和表4所示，可以看出，B相（故障相滯后相）高壓側(cè)電壓保持不變，而A相與C相（故障相與故障相超前相）的電壓幅值降至故障前的1/2，同時(shí)各相出現(xiàn)1/2額定相電壓的負(fù)序電壓。該結(jié)果與表2的理論分析結(jié)果一致，同時(shí)滿足圖8中的負(fù)序電壓?jiǎn)?dòng)以及斷線故障動(dòng)作判據(jù)。

圖9 情況1電壓仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of voltage in Case1

表4 情況1電壓仿真結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.4 Data of simulation results of voltage in Case 1

情況2的仿真結(jié)果如圖10和表5所示。由仿真結(jié)果可看出，B相（故障相滯后相）的低壓側(cè)電壓保持不變，而A相與C相（故障相與故障相超前相）的電壓幅值降至故障前的，同時(shí)各相出現(xiàn)1/3額定相電壓的負(fù)序電壓。該仿真結(jié)果與表2的理論分析結(jié)果相符，同時(shí)滿足圖8中的負(fù)序電壓?jiǎn)?dòng)以及斷線故障判據(jù)。

圖10 情況2電壓仿真波形Fig.10 Simulation waveforms of voltage in Case 2

表5 情況2電壓仿真結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.5 Data of simulation results of voltage in Case 2

情況4的仿真結(jié)果如圖11和表6所示。表6中，B相（故障相滯后相）的低壓側(cè)電壓保持不變，而A相（故障相）的電壓幅值降至故障前的1/2左右，同時(shí)各相出現(xiàn)1/2左右額定相電壓的負(fù)序電壓。線路仿真參數(shù)的設(shè)定中仿真系統(tǒng)的t為2.566 7，將其代入函數(shù)Ua/Ea=g(t)，得到g（2.566 7）=0.519 6。該仿真結(jié)果與表2的理論分析結(jié)果相符，同時(shí)滿足圖8中的負(fù)序電壓?jiǎn)?dòng)以及斷線故障判據(jù)。

圖11 情況4電壓仿真波形Fig.11 Simulation waveforms of voltage in Case 4

表6 情況4電壓仿真結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.6 Data of simulation results of voltage in Case 4

根據(jù)以上的仿真結(jié)果分析可知，本文提出的110 kV線路自適應(yīng)的斷線保護(hù)方法能夠準(zhǔn)確地識(shí)別故障相，并且對(duì)于不同阻抗環(huán)境的輸電線路系統(tǒng)均能自適應(yīng)地整定，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

本文對(duì)110 kV輸電線路的單相斷線故障進(jìn)行了理論分析，總結(jié)歸納了斷線故障發(fā)生后的各電氣特征量的變化規(guī)律，并提出了一種基于電壓變化特征的110 kV線路斷線故障自適應(yīng)判別方法。該方法包括基于低壓側(cè)負(fù)序電壓特征的啟動(dòng)方法，根據(jù)系統(tǒng)零序阻抗與正序阻抗的比值自適應(yīng)地調(diào)整電壓整定值的動(dòng)作判別方法，以及基于相電流突變量的短路閉鎖方法。通過仿真建模與結(jié)果分析，驗(yàn)證了本斷線保護(hù)方法的可行性。該方法不僅能夠?qū)Ω鞣N斷線故障快速、準(zhǔn)確地識(shí)別，且能夠根據(jù)輸電線路的阻抗環(huán)境自適應(yīng)地整定動(dòng)作參數(shù)，具有識(shí)別快速、準(zhǔn)確，動(dòng)作可靠性與適用性強(qiáng)的特點(diǎn)。