基于行波的输电线路保护综述

2015-05-29张书娴谭建成

电气开关 2015年6期

关键词：行波差动极性

张书娴，谭建成

(广西大学大学电气工程学院智能变电站技术实验室，广西南宁 530004)

1 引言

随着电力系统的发展，大容量机组和超(特)高压线路逐渐增多，反应工频电气量的继电保护在某些特殊工况下无法满足动作快速性的要求［1］。

行波保护是利用故障初期出现的电压行波、电流行波或两者中含有的故障信息进行故障检测，能在极短时间内检出故障并可靠出口。早期的行波保护装置有出口短路死区，无法区分故障、雷击和操作等干扰，存在快速性、灵敏性和可靠性之间的平衡问题。

自1983年以来，行波保护的新动向主要有:P.A.Crossly等人提出了行波距离保护［2］;A.T.Johns等人提出了利用噪声的保护［3］，主要利用80kHz左右行波分量;国内学者提出了基于工频变化量的方向保护和快速距离保护［4］，其中前两种只使用单端电气量，保护速度更快;国内学者为提高保护的可靠性，更倾向于工频保护。

计算机技术、高速数字信号采集和处理技术已经广泛应用于电力系统继电保护。1998年Z.Q.Bo提出了边界保护原理的实现方案［5］，小波变换和数学形态学也逐渐应用于行波保护理论的研究，这些都为行波保护的发展创造了良好条件［6－10］。

2 行波分解

根据电磁场理论，单根无损导线上的电压u和电流i是位置x和时间t的函数，它们满足波动方程:

式中，L、C为单位长度电感和电容，该方程有达朗贝尔解:

由(2)和(3)可得出正向行波和反向行波表达式:

由此可知，方向行波可由线路上的电压u和电流i求得。

3 行波线路保护

3.1 行波差动保护

20世纪70年代，日本学者T.Takagi提出行波差动保护［11－12］，其原理基于贝瑞隆方程，并且进行了装置实现和试运行，但由于采样率比较低，动作速度慢，且易受电流互感器饱和的影响，在应用于带并联电抗器补偿和串联电容器补偿的输电线路时灵敏度不足。随着小波变换的应用，硬件技术水平的提高，通信、采样同步技术的发展，行波差动保护的可实现性逐步加强。

图1 单根无损输电线路

行波差动保护的理论基础是建立在方向电流行波在一条无支路的回路中传播时其大小不变的原理上的，因此，当被保护线路mn外部短路时，近故障端(m端)首先提取到正向电流行波，经过线路全长行波传播时间t后，该行波到达远故障端(n端)，成为远故障端的正向电流行波，如果不计线路损耗，则相差时间t的两端同向行波电流之差应该等于0，即式(5)或式(6)成立:

当线路mn内部发生短路时，在mn支路中增加了短路支路，因此式(5)和式(6)所示的等式关系被破坏，其差动行波电流等于短路支路电流。因此，根据上式所示行波差动电流的大小就可以判别是否在区内发生短路故障。这就是行波差动保护的基本原理。如果以m端为参考点，由m端指向n端方向为参考方向，则方向电流行波的(2倍)测量方法如式(7)～(10)所示(下文方向电流行波均为2倍值)。

其中，i+m(t)、i－m(t)为m端的正向、反向电流行波;i+n(t)、in(t)为m端看到的n端的正向、反向电流行波，如果以n端为参考点，则i+n(t)、in(t)为n端的反向、正向电流行波。

基于贝瑞隆方程的行波差动保护原理简单、明确;从原理上解决了在长距离输电线上应用是受分布电容影响的问题;空载合闸时保护不会误动。但是由于保护采用双端电气量，因此对通道的要求高，对两端时间要求也高，且占用的频带较宽;另一方面，该保护受线路电阻和频率特性的影响，这在长距离高压输电线路中必须注意解决。

3.2 行波距离保护

20世纪40年代末就诞生了早期行波法，相应的行波故障测距［13－14］装置分为 A、B、C、D 四种基本类型，其中A、C型为单端原理，而B、D型为双端原理。20世纪90年代以来，现代行波法在暂态行波提取相关领域技术的应用以及行波测距原理和算法的研究方面都取得了重大突破，稳定可靠的行波故障测距装置已经在电力系统中成功运用。

图2 测距式行波距离保护原理

以图2说明测距式行波距离保护的原理。侧发生正方向故障时，保护安装处检测到第一次故障行波的时刻为，故障行波经过母线处反射，至故障点再次发生反射，该反射波到达保护安装处的时刻为，以表示行波传播的速度，则故障距离可以表示为:

行波距离保护的优点是使用暂态故障信息，能克服传统利用工频电气量距离保护所遇到的一系列难题;仅利用单端量，容易实现，动作速度快;具有保护和测距双重功能。主要问题是受被保护线路两端母线的结构影响大;在识别故障点反射波、对端母线反射波和背侧母线透射波方面存在困难;该保护对硬件要求高，采样频率和运算速度直接决定了保护范围;没有完善的行波保护算法，保护不易整定，如果采用低门槛定值，保护经常误动，如果采用高门槛定值，许多内部故障时保护将拒动。

3.3 行波方向保护

输电线路行波方向保护的核心元件是用于判别故障方向的行波方向元件。早期的行波方向元件利用故障发生后初始行波来判断故障方向，该行波方向元件在理论上具有可比拟光速的最快动作速度。目前，已研究出的行波方向元件有行波幅值比较式方向元件、行波极性比较式方向元件、波阻抗方向元件、比率式行波方向元件和行波功率方向元件等类型，其中行波极性比较式方向元件已经在电力系统的实际运行中应用。

上述的行波方向元件利用了以下物理现象:正向故障，必定存在反向行波，且反向行波幅值大于正向行波;反向故障，只存在正向行波而不存在反向行波。这是所有行波方向元件的基础和根本出发点。

3.3.1 行波幅值比较式方向保护

行波幅值比较式方向保护通过比较正向行波与反向行波的幅值大小关系来判别故障方向。

图3 正向故障时正、反向电压行波

图3中，m侧发生正方向故障时，保护安装处检测到的反向电压行波是故障行波入射波，正向电压行波是故障行波在母线处发生反射后的反射波，现将电压行波的折、反射系数列写如下:

由于反射系数绝对值小于1，可知发生正方向发生故障时，正向电压行波的幅值小于反向电压行波。

图4 反向故障时正、反向电压行波

图4中，m侧发生反方向故障时，保护安装处检测到的正向电压行波是故障行波在母线处发生折射后的折射波，而没有反向电压行波，可知发生反方向发生故障时，正向电压行波的幅值大于反向电压行波。

行波幅值比较式方向保护的保护判据为，比较保护安装处检测到的正向电压行波与反向电压行波的幅值，若反向电压行波的幅值大于正向电压行波，判定为正方向故障;若正向电压行波的幅值大于反向电压行波，判定为反方向故障。

3.3.2 行波极性比较式方向保护

行波极性比较式方向保护［15－17］通过比较故障发生初期行波电压和电流极性关系来判断故障方向。线路发生故障时刻不同，可能在故障点叠加一个正极性或负极性的电压，该电压与故障发生前的故障点电压大小相等、方向相反。故障点叠加电压后，各母线处检测到的电压行波极性始终与故障点叠加的电压极性相同，同为正极性或负极性。而各母线处检测到的电流行波极性则不仅与故障点处叠加电压的极性有关，还与故障点的位置有关。

若规定电流行波的正方向为由母线流向线路，则存在以下4种情形:

(1)线路内部故障、且叠加电压极性为正，则两侧母线检测到的电压行波极性均为正，电流行波极性均为负，两侧均满足电压行波和电流行波极性相异;

(2)线路内部故障、且叠加电压极性为负，则两侧母线检测到的电压行波极性均为负，电流行波极性均为正，两侧均满足电压行波和电流行波极性相异;

(3)线路外部故障、且叠加电压极性为正，则两侧母线检测到的电压行波极性均为正，发生正向故障的一侧电流行波极性为负，电压行波与电流行波极性相异，发生反向故障的一侧电流行波极性为正，电压行波与电流行波极性相同;

(4)线路外部故障、且叠加电压极性为负，则两侧母线检测到的电压行波极性均为负，发生正向故障的一侧电流行波极性为正，电压行波与电流行波极性相异，发生反向故障的一侧电流行波极性为负，电压行波与电流行波极性相同。

可见，电压行波与电流行波极性相异时判定为正方向故障，电压行波与电流行波极性相同时判定为反方向故障。

4 结论

传统保护采用滤波方式消除暂态过程的影响，但却延长了保护的动作时间，快速性与可靠性不能完全满足。行波保护就是利用暂态故障信号分量构成保护原理，但是早前的行波保护因为技术条件限制与制约，存在许多缺陷，可靠性较差。

目前，科学技术日新月异的发展，小波分析的出现，高速信号采集与处理技术日趋完善，光互感器的广泛应用等，又为行波保护的发展带来新的生机。尤其是边界保护和基于小波变换的行波保护，它们不仅提高了保护的可靠性，而且能深度利用故障信息，构造更加稳定的行波保护。故而，具有超高速动作性能的现代行波保护研究高潮即将到来，新型的行波保护也将会在超(特)高压线路［18－20］得到应用。

［1］刘琨，董新洲.基于方向行波的电力线路保护与检测技术［J］.广东电力，2012，25(10).

［2］Crossley PA，Mclaren PG.Distance Protection Based on Travelling Waves［J］.IEEE Transactions onPower Apparatus and Systems，1983，109(2):2971－2983.

［3］Johns A T，Aggawal R K，Bo Z Q.Non-unit protection technique for EHV transmission system based on fault-generated noise，part 1:single measurement［J］.IEEE Proceedings C-Generation，Transmission and Distribution，1994，141(2):137－140.

［4］沈国荣.工频变化量方向继电器原理的研究［J］.电力系统自动化，1983，7(1):28－38.

［5］Bo Z Q.A new non-communication protection technique for transmission lines［J］.IEEE Trans on Power Delivery，1998，13(4):1073－1078.

［6］邹贵彬，高厚磊，李德文.基于小波变换的超高速行波保护和故障定位算法［J］.继电器，2007，35(3):1－6.

［7］宋述勇，张群英，阴崇智，等.晋东南－荆门特高压线路保护浅析［J］.电力系统保护与控制，2008，36(21):24－28.

［8］张保会，尹项根.电力系统继电保护［M］.北京:中国电力出版社，2005.

［9］邹贵彬，高厚磊.输电线路行波保护原理与研究现状［J］.继电器，2007，35(20):1－6.

［10］董新洲，葛耀中，贺家李，等.输电线路行波保护的现状与展望［J］.电力系统自动化，2000，24(10):56－61.

［11］张武军，何奔腾，张波.行波差动保护线路参数不确定性影响［J］.电力系统自动化，2008，32(3):42－47，81.

［12］张武军，何奔腾，沈冰.特高压带并联电抗器线路的行波差动保护［J］.中国电机工程学报，2007，27(10):56－61.

［13］杨军，伍咏红，江文波，等.基于双端故障信息的高压电缆－架空线混合线路故障测距方法［J］.电网技术，2010(1):208－213.

［14］黄震，江泰廷，张维锡，等.基于双端行波原理的高压架空线－电缆混合线路故障定位方法［J］.电力系统自动化，2010(14):88－91.

［15］李幼仪.基于统一行波的输电线路方向比较式纵联保护研究［D］.北京:清华大学，2005.