基于计算电流相量的架空线路断线故障识别方法

2019-01-07卢正飞张晓宇黄福全朱可凡刘子俊文明浩

浙江电力 2018年12期

卢正飞，张晓宇，黄福全，朱可凡，刘子俊，文明浩

（1.中国南方电网深圳供电局有限公司，广东深圳 518001；2.强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学），武汉 430074）

0 引言

目前我国城市高压电网通常采用架空线路作为电能传输的主要手段[1]，与电缆线路相比，架空线路具有成本低、输电容量大、检修快等优点[2]。但是架空线路所处环境恶劣多变，线路落雷或受到外力破坏后可能导致断线故障[3]。城市电网高压架空线路与交通网络、人员密集区域交叉跨越较多，一旦发生断线故障，极易引发危及社会公共安全的事件。

架空线断线后，如果电源侧没有形成接地故障，其故障特征不明显，目前的保护装置难以有效识别[4]，需要故障线路落地导致接地故障后，继电保护才能进行识别并切除断线故障[5-7]。因此有必要研究架空线路断线识别方法，提升电网安全性及自动化水平，避免由断线故障引发的人身事故和电网运行风险。

针对以上问题，近年来国内外学者开展了大量的研究工作。文献[8-11]对断线故障和故障后保护动作的情况进行了分析，指出目前的保护装置难以识别单纯的断线故障。文献[12]说明了目前配电网通常配置的过流和零序过流保护难以反映断线故障，并提出了利用零序和负序故障分量的保护方法，该方法受负荷不平衡程度影响较大。文献[13]利用小波奇异性检测功能，分析了单相断线故障引起的正序电流暂态分量模极大值的极性和大小，将其应用于配电网的断线故障选线和测距；该方法计算量大，且选线的有效性受小波模极大值阈值的影响较大。文献[14]提出一种通过检测故障前后电流相位的变化判断架空线路断线故障的方法，该方法要求故障后电流大于一定的门槛值，否则无法进行相位判别。

上述研究成果具有重要的借鉴意义，但主要针对配电网的断线故障，对架空线路断线故障的研究有待进一步的深化。本文提出了一种基于计算电流相量的高压架空线路断线故障的识别方法。所提方法利用线路两端电压信息和线路参数，根据线路模型关系计算线路电流，称为“计算电流相量”，利用实测电流信息得到实测电流相量，根据这2种电流相量之差的大小，可以有效区分区内和区外断线故障。最后在PSCAD/EMTDC平台中仿真验证了所提保护算法的有效性。

1 保护算法原理

1.1 集中参数线路模型

图1所示为典型的双端供电系统示意，其中，MN为架空线路；M和N为线路两端母线；Zm和Zn分别为两侧电源等值阻抗； Umφ和 Unφ（φ=a， b，c）分别为M和N侧保护安装处测量电压；Imφ和Inφ分别为M和N侧保护安装处测量电流，正方向为母线指向线路。

图1 双端电源系统单线

根据MN线路两端的电压测量值Umφ，Unφ和线路阻抗矩阵，可以得到线路各相的计算电流相量为：

式中：阻抗矩阵对角元素为自阻抗，非对角元素为互阻抗。

根据MN线路两端的电流测量值Imφ，Inφ，得到各相线路的“实测电流相量”为：

1.2 保护判据

以M侧保护为例，首先对两侧电压电流的采样值进行滤波，然后采用全周傅氏算法计算各自的工频相量分别为 Umφ，Unφ， Imφ， Inφ。利用两侧电压相量和线路的阻抗矩阵Z，根据式（1）得到计算电流相量IJφ，利用两侧电流相量，根据式（2）得到实测电流相量Iφ。

线路模型反映了无内部故障时（包括稳态运行和区外故障）线路两侧电压电流之间的关系，内部无故障时理论上计算值与实测值应该基本相等，因此有Iφ=IJφ；如果线路发生内部断线故障，增加的故障节点破坏了原有的线路模型，实测值与计算值存在较大差别，可通过比较实测电流相量与计算电流相量的相对大小来判断线路内部是否发生故障。

构造分相保护判据为：

式中： Iφ， IJφ（φ=a， b， c）分别为故障后的实测电流相量和计算电流相量；Kset为比例整定值，根据保护的灵敏度要求对其进行整定。

当故障前线路电流较小时，电流相量差较小，受电容电流和互感器误差等影响可能导致比例判据的计算结果不准确，导致保护误动或拒动，需要给出电流门槛值Iset。

发生非全相断线故障后，分相判据中任意一相动作的同时应跳开两侧三相断路器，避免健全相在故障相上产生高电压。

保护逻辑框图如图2所示。

图2 保护逻辑框图

本文所提方法只用来判别断线故障，针对与短路故障保护配合的问题，可以根据实际情况采取以下2种方案：

（1）短路保护与断线保护程序共用1套保护装置时，在程序流程中利用短路保护的动作信号对断线保护进行闭锁。

（2）短路保护与断线保护程序不共用1套保护装置时，在断线保护判据中加入针对短路故障的判别方法作为子判据，如纵联电流差动保护判据。篇幅所限，具体实现方法不再详细给出。

以上方法可以解决断线判据在线路发生瞬时性短路故障时可能动作的问题。

2 仿真验证

2.1 故障特性分析

在PSCAD/EMTDC平台中建立图3所示的220 kV仿真模型。其中S1，S2，S3为等值系统；Z1，Z2，Z3为相应的等值阻抗；M，N，O，P，Q，R为母线；线路MN，NO，OP，PQ，QR均为100 km；L1，L2，L3分别为母线M，N，O上的负荷。分别设置故障点f1和f2，考察M侧保护的动作情况。其中f1在距M侧线路长度的70%处，f2在MN反向出口处。线路均采用贝瑞隆模型，具体参数为：单位正序电阻r1=0.019 9 Ω/km，单位正序感抗xl1=0.280 3 Ω/km，单位正序容抗 xc1=2.36×105Ω·km；单位零序电阻r0=0.195 8 Ω/km，单位零序感抗xl0=1.010 5 Ω/km，单位零序容抗 xc0=3.62×105Ω·km。

图3 系统仿真模型

故障前线路稳态电流为0.6 kA，0.5 s时f1处发生A相断线故障，故障前后实测电流波形如图4所示。为了方便对仿真结果进行说明，定义判据式（3）中左式为比例动作量：

图4 f1处发生A相断线故障时的实测电流波形

图5、图6分别给出了故障40 ms后电流相量差与比例判据的仿真结果。图7给出了0.5 s时刻f1处发生AB两相断线故障的情况下，40 ms后的仿真结果。

图5 f1处发生A相断线故障时电流相量差

图6 f1处发生A相断线故障时比例判据结果

图7 f1处发生AB两相断线故障时的判据仿真结果

由图4、图5可以看出，线路发生A相断线40 ms后，故障相实测电流减小为电容电流，计算电流相量与实测电流相量出现较大差值。

整定值Kset取为0.3。由图6可以看出，f1处发生A相断线故障40 ms后，三相比例动作量分别为1.004，0.725，0.658，均大于整定值Kset，保护能够准确判别区内断线故障。

由图7可以看出，f1处发生AB相断线故障40 ms后，三相比例动作量分别为1.004，1.005，0.717，均大于整定值。对于两相故障，保护同样能够正确动作。

为验证保护判据在发生区外故障时的动作情况，设置0.5 s时刻f2处发生A相断线故障，故障40 ms后的仿真结果如图8所示。区外故障没有破坏本级线路的参数，稳态后计算电流相量与实测电流相量基本一致，电流相量差很小。故障40 ms后，A，B，C三相比例动作量分别为0.053，0.037，0.055，均小于整定值，保护不会动作。

图8 f2处发生A相断线故障时的判据仿真结果

2.2 故障前线路电流对保护的影响

从1.2节的分析可知，保护的灵敏性与故障前线路电流大小有关。为了进一步验证保护算法的灵敏性，仿真分析在不同线路电流情况下f1处和f2处发生A相断线故障时保护判据的动作情况。整定值Kset=0.3，Iset=0.15 kA。取故障后40 ms的数据，不同电流下故障后的仿真计算结果如表1、表2所示。

从表1可以看出，故障相的电流相量差幅值和比例动作量最大。随着线路电流的减小，故障相的电流相量差幅值减小，但其比例动作量变化不大，都远大于整定值。当线路电流减小为0.1 kA时，B相、C相的电流相量较大值分别为0.124 kA，0.150 kA，不满足电流判据，由于保护的判别逻辑为三相判据结果“或”门出口，保护仍然准确动作，将区内断线故障切除。

但是，如果进一步减小线路电流，当故障前线路相电流为78.90 A时，在f1发生A相断线故障后，故障相的电流相量较大值为0.126 kA，小于电流整定值，保护拒动。

从表2可以看出，在不同的线路电流下，各相的比例动作量均远小于整定值，保护在区外故障时不误动。