配电线路单相接地行波保护的原理计算法

马飞虎

摘 要：在电力系统不断发展中，中性点非有效接地系统单相接地保护问题一直困扰着国内外学者。该系统发生单相接地故障时，只能通过对地电容构成回路，故障电流非常小，给保护构成带来了极大的困难。虽然故障后并不需要立刻切除故障线路，以保障对用户持续性供电，但是作为一种故障状态，也应该给予及时的识别和处理，否则很容易因为故障后相电压升高而导致设备绝缘击穿，进一步发展为相间故障。

关键词：继电保护;配电线路;中性点非有效接地;单相接地保护

随着电力系统的迅速发展，大容量机组和超高压输电线路逐渐增多，反映工频电气量的继电保护与检测技术在某些特殊工况下无法满足动作快速性的要求。行波保护是利用故障初期出现的电压行波、电流行波或者两者组合中含有的故障信息进行故障检测的，因而能在极短的时间内检出故障。早期的行波保护装置遇到的主要问题是快速性和可靠性之间的矛盾。在动作时间内，如果行波保护无法区分故障、雷击和操作等各种干扰，就会导致行波保护的误动作。

一、原理

在输电线路众多行波保护原理中，极性比较式方向保护构成简单，可实现性强，因而得到了学者的广泛关注。其基本原理为比较故障初始电流行波和电压行波的极性，如果两者极性相反，则为正方向故障;如果极性相同，则为反方向故障。初始电流行波和初始电压行波的极性关系在配电线路中同样成立。配电网往往采用辐射状网络结构。为简化计算，假设母线所有出线波阻抗一致。不难证明，对于任意一条馈线发生单相接地故障，可以得到：

通过式可以得出：当线路发生单相接地故障后，可以检测到故障行波。对于故障线路，初始电压行波和初始电流行波的极性相反;对于非故障线路，初始电压行波和初始电流行波的极性相同。因此，通过检测线路是否出现故障行波，且电压行波和电流行波极性是否相反，可以判断所保护线路是否发生了故障。

二、配电网特殊情况分析

1、灵敏性测试。由于装置的核心算法在于根据故障后的电流和电压初始行波极性比较构成判据，因此在初始行波波头不明显的情况下，装置的灵敏性将降低，并可能出现拒动的情况。研究表明，影响故障后行波波头幅值的因素主要包括故障初相角、故障过渡电阻和故障点距母线距离。如表所示。

在综合考虑的情况下，大量测试结果表明，在故障初相角为30°、过渡电阻为300Ω、故障距离为20km 时，装置可以可靠动作;在故障初相角为10、过渡电阻为0Ω、故障距离为5km 时，保护装置拒动。在初相角为10-30°时，装置抗过渡电阻以及抗长故障距离的性能有不同程度的下降。因此，故障初相角是决定装置灵敏性的最重要的指标。考虑到大多数绝缘击穿发生在电压幅值较大的时刻，本装置的灵敏性可以满足现场需求。实际上，只要故障不是恰好发生在电压过零点，理论上就应该有故障行波，同时故障电流和电压行波极性关系也必然满足保护判据。但是当行波波头较小时，将会“湮没”在噪声之中，很难被检测到。为了避免噪声对保护的干扰，在算法中设定了一个小波变换阈值，只有小波变换模极大值高于此阈值时，才会执行行波判据。通过降低阈值可以进一步提高装置的灵敏性，但是噪声会对算法造成较大干扰，不利于装置的稳定运行。因此，本装置在实际应用中，应该根据现场电磁环境，设定较为合适的阈值。

2、可靠性测试。装置在实际运行中，可能受到现场复杂电磁环境的干扰，如：由雷击建筑物或其他金属构架引起的脉冲磁场干扰;各种无线电波引起的射频传导骚扰;在同一供电回路中，多种设备在工作过程中产生的电快速瞬变干扰;在变电站由于各种操作引起的电弧燃烧而产生的脉冲群干扰;或因工频电流以及变电站地电位升高引起的工频磁场和工频电压骚扰等。在具体的体现形式上，这些干扰包括高频噪声、瞬时脉冲、阻尼衰减的震荡信号，直流和工频谐波分量等。本文根据国家相关标准，对复杂电磁环境下装置的可靠性进行了大量的测试。测试包括辐射电磁场干扰、脉冲群干扰、快速瞬变干扰、静电放电干扰、浪涌抗扰度、工频磁场干扰、传导骚扰干扰、工频干扰等。测试结果证明，该装置在复杂电磁环境下具有高可靠性，各种电磁干扰均不会引起保护误动。

其中，对于直流和工频谐波分量干扰，由于本装置采用高频行波作为故障判据，根據小波变换的多分辨分析特性，算法中所采用的二进小波变换的小波分量，均反映了信号的高频段信息，其对直流和工频谐波分量干扰有着天然的滤除效果。对于高频噪声干扰，经过低通滤波器后，干扰幅值已经非常小了，通过设定合适的小波变换阈值，能够较好地排除高频噪声的干扰。瞬时脉冲干扰由于幅值较高，频带较宽，往往经过低通滤波器后，依然有一定的幅值，可能会高于小波变换阈值。但是由于脉冲信号本身能量很低，因此利用小波变换Lipischitz α指数构成干扰识别判据[1]，能够很好地识别脉冲信号，排除其对保护算法的影响。对于阻尼衰减的振荡信号，或脉冲群信号，由于其能量较高，频带范围较宽，会周期性出现，因此有一定的概率会满足行波判据，导致行波模块误启动。但是这种情况下，不会出现稳定的工频零序电压，因此通过工频零序电压的闭锁功能，能够较好地避免这种信号的影响。在相关实验中，也出现了行波判据误判，但是因为不满足工频电压判据，装置不会误动作。

基于配电线路单相接地行波保护实现方案，包括整体实现方案和保护模块的软硬件具体构成。高速数字信号处理器以及复杂可编程逻辑元件，研制了配电线路单相接地行波保护装置。装置可以在发生单相接地故障时可靠动作，在出现相间故障或其他扰动时可靠闭锁;能够广泛应用于各种配电线路结构。

参考文献

[1]葛耀中，贺家李.浅谈电磁式电压互感器暂态仿真及行波传变特性分析[J].电网技术，2015：72-97.

[2]董新洲，王珺，施慎行.配电线路单相接地行波保护的原理与算法[J].中国电机工程学报，2016，33（10）.

[3]孔瑞忠，毕见广.基于电流行波的小电流接地选线装置的试验[J].电力系统自动化，2016，30（5）：63-67.

[4]施慎行，杨建明.基于暂态行波的接地选线装置及其现场试验[J].电力自动化设备，2017，28（6）.

[5]周超，何正友，罗国敏.电磁式电压互感器暂态仿真及行波传变特性分析[J].电网技术，2017，31（2）：84-89.