基于暂态特征的配电线路自适应重合闸仿真研究

王森 刘景

（国网陕西省电力公司兴平市供电分公司，陕西 兴平 713100）

自动重合闸装置广泛应用于输配电网络中，它在合闸前不判断故障性质，只是在一定的延时后，将断路器重合。这种简单的重合闸原理是盲目的。显然，对于瞬时故障，重合闸可以成功，对于永久性故障，重合闸不能成功。当断路器重合闸失败时，会对系统和设备造成危害，主要表现在以下两点：一是使线路在短时间内承受两倍的故障电流，降低超高压系统并联运行的稳定性；二是从故障到首次重合闸对断路器不利，这将降低断路器的使用寿命和分断能力。

一、国内配电线路故障跳闸运行特点

中国配电设备线路的常见故障有其自身的运行特性。具体表现为：单相接地常见故障后的常见故障电流很小，且不会因常见故障跳闸工作1-2小时；常见故障后，两色常见故障或三相断开。因此，配电网络的路由重合只需要响应两种颜色的常见故障或三相的常见故障。在出现两种颜色的常见故障或三相常见故障之后，三相隔离开关会额外跳闸[1]。常见故障跳闸后，剩余工作电压不大，可用数据量也很小。根据分析，尽管专家学者已经明确提出了多种响应式重合闸方法，但是上述电力线的单相和三相响应式重合闸方法并不适合在中国的配电设备线路中使用。可以得到基于综合性的响应式重合闸的科学研究：

（一）修复工作电压法不适合中国的配电网。配电网络的隔离开关均为三相实际运行，不会有单相电源跳闸。在隔离开关发生三相跳闸之后，所有三相系统软件都会跳闸。线路中的剩余工作电压并不大，并且会迅速消失。可以使用数据量很小，这种方法不能使用。

（二）电气隔离特性方法不适用于中国的配电网。在中国配电网络中出现常见故障后，将出现电气隔离，但是由于额定电压低，因此隔离的延迟时间不长，不如电力线的隔离重要，因此不适合使用。此外，电隔离器本身具有离散系统的特性，并且基于电隔离器的分辨率结果不可靠，并且真实性较低。在此阶段，尚无有效的技术规范将电气隔离方法应用于配电设备的布线。

（三）利用并联电抗器信息的方法不适用于国内配电网[2]。配电线路没有并联电抗器，停电后也没有电抗器电压和电流，基于并联电抗器信息的方法不适用。综上所述，对于处于全功率损耗状态的配电线路，需要采用有源方法对其施加激励以获得响应，进而判断故障。

二、基本原理

采用外部电容放电方案，将电容器、配电线路和负载组成的总电路简化为RLC串联电路。当发生永久性故障时，负载被故障电路短路，电路阻抗小，电容放电衰减快；瞬时故障时，有负载，电路阻抗大，电容器放电衰减慢。其原理是：在重合闸前，根据故障选相结果，将带电电容器投入故障选相回路。根据电容器放电电压的暂态特性，判断线路故障是瞬时性的还是永久性的。如果是瞬时故障，则打开重合闸。如果是永久性故障，则闭锁重合闸。

三、仿真实验

保护门处的永久故障对应最大电流值I=220/0.2=1100A。虽然如此大的电流是瞬时值，但它仍然需要高性能的开关等设备。因此，电容电路中应串联一个小电抗器或一个小电阻，一方面限制放电脉冲电流峰值，另一方面拓宽放电时间，以延长判断栅极永久故障的时间，使判断更加可靠。由于反应器体积大、成本高，选择了串联小电阻方案[3]。如果采样率为1600hz，当保护门发生永久故障时，根据放电电压值和放电电流值可能的采样条件，可以看出，当采样率为1600hz时，电压判别的下限暂时取50V，放电持续时间为22分。电流歧视下限阈值暂取20A，放电时间17分。当可见采样率不小于1600hz时，满足采样要求。

相间短路故障过渡电阻主要由电弧电阻组成，一般小于2Ω。因此，相间短路故障的过渡电阻为0.02Ω、2Ω有两种参数。仿真计算了从故障识别装置接入点到负荷侧各故障点的暂态故障和永久性故障的等效线间阻抗Z。为了简化RLC电路的放电过程，用C＞L/（R/2）^2来计算最小电容。式中，r包含3.9的电容放电电阻Ω.根据2.2.1节最小电容估算的仿真分析结果，放电回路的等效阻抗和正常负载下的最小电容：C>1233μF。也就是说，电容器的放电过程是无振荡的，C取2000μF.正常负载下的最小电容上限为1233.4μF.电容为1000μF、2000μF、3000个μF。线路全长7公里。放电电压绝对值从312*0=280.8v下降到50V的时间为电压突变时间。放电电流绝对值大于20A的时间为电流突变时间。电容2000μF。过渡电阻为2Ω，放电电阻为3.9Ω，功率因数为0.95，线路全长7km。F1点断层为起始断层，F2点断层为终止断层，F3点断层为中段1断层，F4点断层为中段2断层。

在不同的故障位置、不同的功率因数和不同的过渡电阻下，电容器放电电流和电压在永久性故障时衰减较快，在暂态故障时衰减较慢。电容器放电电压流瞬态特性的仿真数据总结如下：以放电电压绝对值从281v下降到50V所需的时间作为电压突变时间。以放电电流绝对值大于20A的时间为电流突变时间。从电容的影响来看，电容为2000μ F更合适。电容为2000μ f时，永久性故障电压突变时间最大值为0.0198s，暂态故障电压突变时间最小值为0.0432s。永久故障电流突变时间最小值为0.0052s，瞬时故障电流突变时间最大值为0.0003s。因此，可以给出如下判据：电容器放电电压突变时间超过30ms为瞬时故障，电流突变时间超过4ms为永久性故障[4]。本标准适用于上述情况。从以上模拟的电压、电流放电暂态情况可以看出，电容放电电流、电压在永久性故障时衰减较快，在暂态故障时衰减较慢。永久性故障和暂态故障的电容电流、电压暂态特性有明显的不同。

四、结束语

当发生永久性故障时，传统的重合闸失灵，断路器连续两次切断故障电流，降低了断路器的寿命和开断能力。为了解决这一问题，提出了一种在重合闸前预充电的电容器。通过电容器放电过程中电压和电流的暂态特性，识别故障类型。永久性故障放电时间快，重合闸闭锁；瞬时故障时，电容器放电时间慢，重合闸分闸。通过对不同故障位置、不同功率因数、不同过渡电阻下的仿真分析，验证了该方案的可行性。