帶并聯(lián)電抗器的混合輸電線路三相永久性故障判別方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種帶并聯(lián)電抗器的混合輸電線路三相永久性故障判別方法，包括：混合線路發(fā)生三相故障且斷路器跳開后，采集三相的電壓，通過Karrenbauer變換求得差模電壓uD(uα、uβ)；根據(jù)設(shè)定數(shù)據(jù)窗長的差模電壓uD(n)，得到差模電壓對應(yīng)的極點；步驟D：求得差模電壓的頻率，將差模電壓的頻率f與整定值KfD進(jìn)行比較；按點順次推移數(shù)據(jù)窗，在一定時間段內(nèi)，若f一直不大于整定值fset，則故障為永久性故障；若f一直大于整定值fset，則故障為瞬時性故障。該方法能有效避免三相重合于永久性故障的嚴(yán)重危害。
【專利說明】
帶并聯(lián)電抗器的混合輸電線路H相永久性故障判別方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電力系統(tǒng)輸電線路保護(hù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及帶并聯(lián)電抗器輸電線路的=相 永久性故障判別技術(shù)，特別是設(shè)及帶并聯(lián)電抗器的混合輸電線路=相永久性故障判別方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超高壓電纜-架空混合線路重合閩的投入能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電可靠性， 具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)有的自動重合閩采用盲目重合方式，重合前不能對故障性質(zhì)進(jìn)行 判別，一旦重合于永久性故障，不僅不能恢復(fù)系統(tǒng)的正常供電，而且重合于故障所導(dǎo)致的對 電氣設(shè)備的二次沖擊，遠(yuǎn)超過正常運行狀態(tài)下發(fā)生短路時的損害。而自適應(yīng)重合閩則先判 定故障性質(zhì)，若為永久性故障，則閉鎖重合閩;若為瞬時性故障，則啟動重合。為了避免盲目 重合造成的上述嚴(yán)重危害，超高壓電纜-架空混合線路自適應(yīng)重合閩的投入顯得極其重要。
[0003] 目前，相關(guān)研究主要集中在故障測距和單相自適應(yīng)重合閩方面。相比于輸電線路 單相故障，多相故障在線路故障所占比例較小。但是，重合閩重合于多相永久性故障對系統(tǒng) 及電氣設(shè)備的危害程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過重合于單相永久性故障。因此，=相自適應(yīng)重合閩應(yīng)用 于超高壓電纜-架空混合線路有重要的研究價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種帶并聯(lián)電抗器的混合輸電線路=相永久性故障判別方法，可W有 效避免=相重合于永久性故障的嚴(yán)重危害。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0005] -種帶并聯(lián)電抗器的混合輸電線路=相永久性故障判別方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟A:混合線路發(fā)生S相故障且斷路器跳開后，采集S相的電壓113、化、11。，通過 Karrenbauer變換求得差模電壓UD(Ua、up);
[0007] 步驟B:將設(shè)定數(shù)據(jù)窗長的差模電壓UD(n)帶入如下矩陣方程組，可解得待求參數(shù)
Cl、C2:
[000引
[0009]式中，P取2，N表示設(shè)定數(shù)據(jù)窗長下UD(n)的總個數(shù)，0如卽-1;
[0010] 步驟C:求解特征多項式1+ciz-i+C2Z-2 = 0,得至I嗟模電壓對應(yīng)的極點Zm，m=l，2; [0011] 步驟D:將極點Zm帶入f = arctan| Im(Zm)/Re(Zm) I/23T A t，求得差模電壓的頻率f, 式中，arctan( ?)是反正切函數(shù)，Im( ?)是對復(fù)數(shù)取虛部函數(shù)，Re(.)是對復(fù)數(shù)取實部函 數(shù)，At是S相電壓的采樣時間間隔。
[0012]步驟E:將差模電壓的頻率f與整定值KfD進(jìn)行比較，其中K為裕度系數(shù)，fD是由混合 線路正序參數(shù)及并聯(lián)電抗器電感計算得到的差模電壓的頻率，其計算公式如下。
[0013]
[0014] 其中，k是混合線路并聯(lián)電抗器裝設(shè)端數(shù)，即單端裝設(shè)時k取I，兩端裝設(shè)時k取2;L 是并聯(lián)電抗器的電感，Cl是混合線路的正序電容；
[0015] 步驟F:按點順次推移數(shù)據(jù)窗，重復(fù)步驟B~E，在一定時間段內(nèi)，若f一直不大于整 定值f set，則故障為永久性故障;若f 一直大于整定值f set，則故障為瞬時性故障。
[0016] 上述的帶并聯(lián)電抗器的超高壓混合輸電線路=相永久性故障判別方法，步驟B中 所述設(shè)定數(shù)據(jù)窗的長度可W取10~20ms;步驟E中所述裕度系數(shù)K可取0.6~0.8;步驟F中所 述順次推移數(shù)據(jù)窗，該數(shù)據(jù)窗推移時間可W為5~10ms，所述一定時間段，設(shè)定的時間段大 小可W在1/4~1個周波之間。
[0017] 本發(fā)明在充分考慮了混合線路特點的基礎(chǔ)上，提出一種帶并聯(lián)電抗器的混合輸電 線路=相永久性故障判別方法，該方法采用線路殘余電壓差模分量(差模電壓)的頻率作為 判據(jù)，在重合閩重合之前準(zhǔn)確的判別故障性質(zhì)，實現(xiàn)瞬時性故障時重合閩快速重合和永久 性故障時重合閩有效閉鎖，有效避免=相重合于永久性故障的嚴(yán)重危害。與現(xiàn)有技術(shù)相比， 本發(fā)明的有益效果在于：
[0018] 1.該方法對信號采樣率要求較低，采樣率取信號最高頻率的4~20倍均能滿足要 求。
[0019] 2.該方法頻率識別算法簡單，易于實現(xiàn)。
[0020] 3.該方法能夠可靠實現(xiàn)超高壓電纜-架空混合線路=相故障性質(zhì)的判定，且判定 時間短、不受過渡電阻、故障位置及電力電纜所占線路全長比例的影響。
【附圖說明】
[0021] 圖1是單端帶并聯(lián)電抗器混合線路示意圖，架空-電纜混合線路參數(shù)為:架空線線 路參數(shù)：Zi = 0.0 ：M7+j0.4234 Q Am, Zo = O. 3000+j 1.1426 Q Am, Ci = 0.00 87陽/km, Co = 0.006化。/虹1;電力電纜線路參數(shù):21 = 0.0158+扣.1511〇/1〇11，2〇 = 0.1633+".7456〇/虹1， 。=0.198：3化/缸，抗=0.198：3化/缸;并聯(lián)電抗器電抗:壯=565.4867〇;中性點接地小電 抗:XLg= 18.8496 Q ;
[0022] 圖2是帶并聯(lián)電抗器混合線路差模分量拉普拉斯等效電路圖；
【具體實施方式】
[0023] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種帶并聯(lián)電抗器的混合輸電線路=相永久性故 障判別方法，該方法采用殘余電壓差模分量的頻率作為判據(jù)，將差模電壓的頻率f與整定值 fset進(jìn)行比較。在一定時間段內(nèi)，若f一直不大于fset，則故障為永久性故障；若f 一直大于 fset，則故障為瞬時性故障。如果是瞬時性故障，則啟動重合;如果是對永久性故障，則有效 閉鎖重合閩，不進(jìn)行重合。
[0024] 下面通過具體實施例，來詳細(xì)說明本法明的技術(shù)方案：
[0025] (I)W單端帶并聯(lián)電抗器的超高壓電纜-架空混合輸電線路為例，并聯(lián)電抗器裝設(shè) 在混合線路的N端，如圖1所示。圖中，F(xiàn)是故障位置，J是架空線與電力電纜的連接點，L是并 聯(lián)電抗器電感，Lg是中性點接地小電感。當(dāng)混合線路發(fā)生=相故障(包括=相相間和=相接 地)且斷路器跳開后，采集S相的電壓Ua、Ub、Uc，通過Karrenbauer變換求得差模電壓UD (Ua、 up) O
[00%] (2)將設(shè)定數(shù)據(jù)窗長的差模電壓UD(n)帶入如下矩陣方程組，可解得待求參數(shù)Cl、 C2〇
[0027]
[0028] 式中，P取2，N表示設(shè)定數(shù)據(jù)窗長下UD(n)的總個數(shù)，郵(n)是設(shè)定數(shù)據(jù)窗下的差模電 壓值，0<n<N-l。
[0029] (3)求解特征多項式1+C心i+C2Z^2 = 0,可得到差模電壓對應(yīng)的極點zm，m=l，2。極 點Z1、Z2求解如下。
[0030]
[0031]
[0032] 式中，j表示復(fù)數(shù)的虛部。
[0033] (4)將極點Zm帶入f = arctan I Im(zm)/Re(zm) I /231 A t，可求得差模電壓的頻率f。式 中，arctan( ?)是反正切函數(shù)，Im( ?)是對復(fù)數(shù)取虛部函數(shù)，Re( ?)是對復(fù)數(shù)取實部函數(shù)， At是S相電壓的采樣時間間隔。
[0034] (5)將差模電壓的頻率f與整定值K時進(jìn)行比較，其中K為裕度系數(shù)，時是由混合線路 正序參數(shù)及并聯(lián)電抗器電感計算得到的差模電壓的頻率，其計算公式如下。
[0035]
[0036] 其中，L是并聯(lián)電抗器的電感;打是混合線路的正序電容。
[0037] (6)按點順次推移數(shù)據(jù)窗，重復(fù)步驟(2)~（5)。若f一直不大于整定值fset，則故障 為永久性故障;若f 一直大于整定值f set，則故障為瞬時性故障。
[0038] 永久性故障判據(jù)
[0039] 下面通過具體實施例，更詳細(xì)地說明本發(fā)明帶并聯(lián)電抗器的混合輸電線路=相永 久性故障判別技術(shù)方案，W單端帶并聯(lián)電抗器的超高壓電纜-架空混合輸電線路為例。
[0040] 1 相瞬時性故障時差模電壓分析
[0041] 假設(shè)混合線路發(fā)生瞬時性=相相間短路故障且斷路器跳開后，對架空線和電纜均 采用T型等效，利用Karrenbauer變換對S相線路進(jìn)行解禪，得到混合線路差模分量電路，其 等效電路如圖2所示。帖山1、咕、帖心1、扣分別是混合線路架空線和電纜的正序電阻、電 感、電容;L是并聯(lián)電抗器的電感。
[0042] 由于混合線路各區(qū)段的阻抗遠(yuǎn)小于其分布電容的容抗和并聯(lián)電抗器感抗，忽略線 路的阻抗，可近似認(rèn)為每相的沿線電壓處處相同。
[0043] 根據(jù)圖2,運用節(jié)點電壓法，可得如下復(fù)頻域方程
[0044]
[0045] 其中，
?代表差模分量等效電感和電容的儲能。
[0046] 對上式進(jìn)行求解，進(jìn)行拉普拉斯反變換可得差模分量的頻率，如下式所示。
[0047]

[0048] 綜合考慮混合線路阻抗對儲能的衰減作用，差模電壓可W表示為頻率時的衰減周 期分量曰n
[0049]
[0化0] 式中：化表不差模電壓幅值;Qd表不衰減因子;帕.表不初相位。
[0051] 對于瞬時性=相接地故障，混合線路故障點與大地之間存在暫時的可靠連接，但 差模電壓不受故障點接地的影響。
[0052] 2.永久性故障的跳開相殘余電壓分析
[0053] 假設(shè)混合線路架空線區(qū)段發(fā)生永久性=相短路故障，故障點始終存在，由于混合 線路各區(qū)段的阻抗遠(yuǎn)小于其分布電容的容抗和并聯(lián)電抗器感抗，斷路器跳開后忽略混合線 路的沿線阻抗，可近似認(rèn)為S相的沿線電壓處處相同，貝峭b開相殘余電壓的差模分量近似 為零。由于混合線路的電容較大，跳閩后的暫態(tài)過程中含有十分豐富的暫態(tài)高頻分量，且衰 減較快;高頻分量完全衰減后，差模電壓的幅值幾乎為零。
[0054] 3.=相重合閩差模電壓頻率判據(jù)的提出
[0055] 瞬時性S相故障的差模電壓是頻率為fD的衰減周期分量。永久性S相故障時，跳 閩后的暫態(tài)過程中含有十分豐富的暫態(tài)高頻分量，且衰減較快;高頻分量完全衰減后，差模 電壓的幅值幾乎為零。考慮到差模電壓的幅值大小易受故障時刻、跳閩時刻、焰弧時刻、過 渡電阻等因素的影響，而差模電壓的頻率由混合線路參數(shù)和并聯(lián)電抗器電感所決定。因此， 我們可W用差模電壓的頻率大小實現(xiàn)混合線路=相故障的永久性故障判別：
[0056] f < fset [0化7] f set = K時
[005引本發(fā)明采用差模電壓的頻率大小作為判據(jù)，為避免跳閩后暫態(tài)高頻分量的影響， 信號采樣前經(jīng)高階低通濾波器處理。同時，大量的實驗表明，采樣頻率取信號最高頻率的4 ~20倍即可滿足要求。
[0059]最后應(yīng)當(dāng)說明的是：W上實施例僅用W說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡 管參照上述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:對本 發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者 等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項】
1. 一種帶并聯(lián)電抗器的混合輸電線路三相永久性故障判別方法，包括如下步驟： 步驟A:混合線路發(fā)生三相故障且斷路器跳開后，采集三相的電壓1^、訓(xùn)、1!。，通過 1(已1^油31161'變換求得差模電壓1^(11(1、·); 步驟B:將設(shè)定數(shù)據(jù)窗長的差模電壓uD(n)帶入如下矩陣方程組，解得待求參數(shù)C1、C2:式中，P取2，N表示設(shè)定數(shù)據(jù)窗長下uD(n)的總個數(shù)，0 < N-1; 步驟C:求解特征多項式1+οιζ4+〇2Ζ^2 = 0,得到差模電壓對應(yīng)的極點Zm，m=l，2; 步驟D:將極點Zm帶入f = arctan I Im(Zm)/Re(Zm) | /2π Δ t，求得差模電壓的頻率f，式中， arctan( ·)是反正切函數(shù)，Im( ·)是對復(fù)數(shù)取虛部函數(shù)，Re( ·)是對復(fù)數(shù)取實部函數(shù)，At 是三相電壓的采樣時間間隔。 步驟E:將差模電壓的頻率f與整定值KfD進(jìn)行比較，其中K為裕度系數(shù)，fD是由混合線路 正序參數(shù)及并聯(lián)電抗器電感計算得到的差模電壓的頻率，其計算公式如下。其中，k是混合線路并聯(lián)電抗器裝設(shè)端數(shù)，即單端裝設(shè)時k取1，兩端裝設(shè)時k取2; L是并 聯(lián)電抗器的電感，&是混合線路的正序電容； 步驟F:按點順次推移數(shù)據(jù)窗，重復(fù)步驟B~E，在一定時間段內(nèi)，若f一直不大于整定值 fset，則故障為永久性故障;若f 一直大于整定值，則故障為瞬時性故障。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合輸電線路三相永久性故障判別方法，其特征在于，步驟B 中所述設(shè)定數(shù)據(jù)窗的長度可以取10~20ms;步驟E中所述裕度系數(shù)K取0.6~0.8;步驟F中所 述順次推移數(shù)據(jù)窗，該數(shù)據(jù)窗推移時間可以為5~10ms，所述一定時間段，設(shè)定的時間段大 小在1/4~1個周波之間。
【文檔編號】H02H7/26GK105826907SQ201610305390
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】李博通, 張云柯, 陳曉龍
【申請人】天津大學(xué)