電力系統自適應重合閘技術

王海蓉，袁兆強，魯明芳，喻小婷

（三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌443002）

在電力系統故障類型中，對系統影響最為嚴重的就是輸電線路上各種形式的短路故障。若對故障不及時處理，就可能引起電網事故。為解決這一問題，電力行業對電力系統配備完善的繼電保護，包括重合閘，為改善傳統重合閘存在的不能區分瞬時和永久性故障、不能判別故障點電弧是否已經熄滅就盲目重合的問題，20世紀80年代西安交通大學葛耀中教授提出基于恢復電壓的自適應重合閘原理，解決了傳統重合閘存在的缺陷。目前，單相自適應重合閘已逐漸走向成熟，但隨著電網的不斷發展，對自適應重合閘又提出了新的要求：（1）由于西電東送的要求，需要架設越來越多的遠距離超/特高壓電網，而輸電走廊卻變得越來越緊張，從而使得同桿雙回或多回線路的架設將成為一種必然的發展趨勢，研究新的適合該類型輸電線路的自適應重合閘顯得愈加重要。（2）隨著電網的不斷擴大，系統發生三相瞬時性故障將增多，有必要對三相自適應重合閘進行研究。

1 單相自適應重合閘

1.1 單回線單相自適應重合閘

在無并聯電抗器時，目前主要利用故障相恢復電壓幅值和相位特性、二次電弧特性來實現單相自適應重合閘。

結合恢復電壓幅值和相位特點，文獻[1]利用輸電線路上的工頻恢復電壓進行瞬時性與永久性故障判別是國內外最早的研究方法，該文根據單相跳閘后線路上是否存在電容耦合電壓來區分瞬時性和永久性故障，最先提出了電壓判別法、補償電壓判別法，但對于帶并聯電抗器和長距離重負載線路存在誤將瞬時性故障判斷為永久性故障，造成重合閘不成功。而文獻[2]提出了基于工頻恢復電壓的相位判據。瞬時性故障下斷開相電壓相位是線路互感阻抗角與功率因數角之差，而永久性故障時斷開相電壓相位與耦合電壓相位相似。文獻[3]針對文獻[1]存在的問題，進行了原因分析，并提出了改進措施，但模糊控制規則表的確定需要取得系統各種運行方式下的數據，缺乏客觀性。

文獻[4]利用人工神經網絡的波形識別功能解決了自適應重合閘中永久性故障和瞬時性故障的判別問題，但該方法對網絡結構及其權值離線用學習樣本進行訓練，需要模擬大量的故障類型得到不同的模型，還需要存儲大量的數據，因此應用起來相對復雜。

文獻[5]提出了基于故障測距的永久性故障判據。該判據以故障點瞬時故障電壓理論值為定值，由故障測距結果求出故障點實際電壓，當故障點實際電壓小于定值時為永久性故障，反之為瞬時性故障。文獻[6]提出了基于電壓補償原理的新型相位判據：對斷開相端電壓分別進行2種適當的補償，獲得用于比較相位的2個相量，保證在瞬時性故障時兩者反向；而在永久性故障時，兩者接近于同向。該判據原理簡單、可靠，不受過渡電阻、負荷電流和故障點位置的影響，僅利用線路的單端信息即可實現故障的判別，不需要故障測距裝置。

基于電弧特性區分故障性質，文獻[7]在對瞬時性故障情況下二次電弧特性分析的基礎上，通過對故障產生的諧波特性及含量分析比較，提出了基于電壓信號判別故障性質的奇次諧波能量判據。文獻[8]通過對不同故障時母線處諧波性質的比較，用一種改進遞歸復小波的相位特性來區分故障性質，并且利用幅值特性來輔助檢測各暫態過程，但未考慮接地電阻的影響。文獻[9]建立了基于電壓雙窗函數暫態能量比的判據，通過該判據來識別故障性質，并且利用形態學分別構造了形態學閉開-開閉梯度濾波算子，更有效地提取出高頻信號。文獻[10]同樣利用數學形態學方法研究了電弧特性，根據提取出的故障相母線電壓譜能量來判別故障性質。文獻[11]采用小波包能量熵值來定量檢測故障相電壓的時頻分布特性區分故障性質，以實現自適應重合閘。

對超/特高壓電網來說，為限制工頻過電壓，需補償線路容性無功，抑制潛供電流，一般需要裝設并聯電抗器。由于并聯電抗器對對地電容的補償，使得線路的電容電流減小，斷開相恢復電壓中電容耦合電壓將減小，可能造成所采用的永久性故障時電容耦合電壓判據不再滿足要求，會造成瞬時性故障誤判。因此，對帶并聯電抗器輸電線路單相故障，通常對恢復電壓判據進行修正，并且此時的二次電弧會出現拍頻現象，利用存在的自由振蕩分量與工頻分量也可實現故障性質判別。同樣利用恢復電壓特點，文獻[12]提出了修正電壓判據，該判據需要對端信號配合。而文獻[2]基于瞬時性故障下斷開相電壓相位是線路互感阻抗角與功率因數角之差，而永久性故障時斷開相電壓相位與耦合電壓相位相似。利用此相位特性提出了相位判據，并對線路近端發生經過渡電阻故障情況進行了充分考慮，提出了補充判據。

而利用工頻分量和自由振蕩分量的區別時，文獻[14]根據工頻分量特性，分析了帶并聯電抗器輸電線路的故障相電流、電壓特性，提出了在1個振蕩周期內，利用故障相并聯電抗器的電流與中性點小電抗器的電流幅值比判別瞬時性故障和永久性故障的方法。文獻[15]分析出在單相接地故障中，恢復電壓由于電容和電感元件本身的特性會產生自由振蕩分量，從而出現拍頻現象，并以此提出拍頻判據進行故障性質的判別。該判據原理清晰，判斷結果無交叉模糊區，但判斷時間較長。文獻[16-18]均是通過檢測自由分量（其中包括高頻和低頻分量）來區別故障性質，但其運用的方法各不相同。文獻[16]對斷開相恢復電壓在1個工頻周期內進行積分檢測自由分量。文獻[17]利用拉普拉斯變換求解出恢復電壓中個暫態分量，并提出了基于斷開相端電壓衰減周期分量幅值判據和提取低頻衰減周期分量幅值的方法。文獻[18]根據恢復電壓階段并聯電抗器中故障相電流的低頻分量判別故障性質（通過設定的能量函數）。

1.2 同桿雙回線單相自適應重合閘

為節省輸電走廊，目前電網大多采用同桿雙回線結構，該結構可能會使得線路間間距較近，易出現跨線故障，并且當發生故障跳開后時，電磁耦合和電容耦合作用較單回輸電線路更強，進而電弧熄滅時間更短，故障點絕緣強度還未恢復就可能重合，使得瞬時性故障重合失敗，這也就對同桿雙回線自適應重合閘提出了新的要求。

對同桿雙回線來說，發生的故障類型不同其特點也將不一樣，主要的類型有同回線單相故障、同回線多相故障和雙回線之間的同名相和異名相跨線故障。對同桿雙回線的分析要充分考慮雙回線之間的耦合關系。

目前對同桿雙回線自適應重合閘的研究多傾向于對重合閘順序的研究，而對故障性質判別的研究還待進一步深入。文獻[19]針對在同桿雙回線路無并聯電抗器投入時發生的I回線A相與II回線B相跨線故障（IAIIBGI）類型故障，提出了斷開相實測端電壓基波、3次諧波、5次諧波分量的自適應重合閘判據，并對帶全補償并聯電抗器時增設了判據。文獻[20]提出了適用于同桿雙回線路的基于故障測距的瞬時性接地故障判據。

2 三相自適應重合閘

目前，單相自適應重合閘的研究已經比較成熟，然而對三相自適應重合閘的研究卻較少。主要原因為：輸電線路發生故障后斷路器斷開之前的一次電弧階段，由于故障暫態分量的存在，一次電弧特性不能得到很好的研究。而在三相斷路器跳開之后，失去了電源，二次電弧很快熄滅，難以提出二次電弧的特征量[21]。

文獻[22]提出了基于自振電壓幅值特性的永久性故障判別方法。但該方法易受線路電壓互感器的影響。文獻[23]利用高頻電流的傳輸特性，提出利用高頻通道及信號來區別故障性質，但該方法受線路長度、天氣等因素影響較大。文獻[24]將模糊神經網絡應用于三相自適應重合閘，能準確地判別故障性質。但該方法實現復雜，難以滿足保護快速性要求。文獻[25]針對帶并聯電抗器的高壓輸電線路，利用三相故障跳閘后，分布電容和并聯電抗器的儲能而存在的殘余電壓進行研究分析，提出了用于三相自適應重合閘的識別三相瞬時和永久性故障的線路差模電壓（頻率接近工頻的衰減周期分量）幅值判據。文獻[26，27]均以瞬時性π模型為參考模型，利用三相并聯電抗器電流量為基礎，通過不同的量來實現三相自適應重合閘，文獻[26]求取出雙端線模電壓和電容電流的線模分量，獲得并聯電抗器電流和電容電流線模分量之和。以此求解值來區別故障性質。而文獻[27]針對接地故障和相間故障不同，分別采用零模和線模分量的參數識別方程求解出并聯電抗器電感參數，通過參數求解值與實際值的差異來區別故障性質。

3 綜合分析與研究

3.1 自適應重合閘故障識別存在的問題

（1）恢復電壓法。實現原理是通過斷開相的相對地電壓中存在的電容耦合電壓的大小來判別故障性質的。但該電壓的獲得受電壓互感器二次回路的影響，并且由于電容耦合電壓一般較低，測量精度存在問題，靈敏度低，并且在帶并聯電抗器輸電線路上，電容耦合電壓將更低，該方法有可能不能采用。

（2）電弧特性。由于電弧由很多因素決定，涉及到許多復雜的時變過程，其中許多因素又是高度非線性的，故利用電弧電壓判別故障的瞬時性存在預測和推理因素，同時要建立準確的電弧模型是很困難的，且不同類型的電弧特性存在差異，因此基于瞬時性故障電弧特性的故障識別方法實用性較差。目前利用電弧特性來實現故障判別的研究均需要較高的采樣頻率，隨著小波技術和人工神經網絡的發展，各類數學方法的應用發揮了一定作用，但實現起來卻增加了復雜性。另外，實際工程應用中存在各種誤差，當電弧電壓不足時，測量精度將無法保證，可信度較差。

（3）其他方法。利用高頻通道或者利用原有的故障測距裝置所測出的故障測距實現自適應重合閘，前者會隨著光纖技術的引入而被淘汰，而后者受故障測距誤差影響較大。

（4）同桿雙回線。對于同桿雙回線中的單相故障，同樣存在前面的問題，而對于多相故障，特別是跨線故障，研究將更加復雜，要實現故障性質判別將更加困難，如何準確識別故障性質的研究必需更加深入。

（5）三相自適應重合閘。由于三相故障斷開后，輸電線路因失去了電氣聯系，電弧會很快熄滅，電容耦合電壓將變得更低，要實現故障性質的判別將是很困難的。因此，三相自適應重合閘的實現將還有很長一段路要走。

3.2 重合閘實現過程研究

（1）單回線重合閘。通常采用單相重合閘、三相重合閘或綜合重合閘。

（2）同桿雙回線重合閘。根據故障類型不同重合順序將不同，同桿雙回線路有120種故障，根據各種故障時六序分量的相位特征，可以歸納為13種故障類型，分別是：I回線A相接地（IAG）、I回線 BC兩相故障（IBC）、I回線 ABC 三相故障（IABC）、I回線B相II回線C相跨線故障（IBIIC）、I回線BC兩相與II回線B相跨線故障 （IBCIIB）、I回線BC兩相與II回線C相跨線故障（IBCIIC）、I回線A相與II回線BC兩相跨線故障（IAIIBC）、II回線AB兩相與II回線BC兩相跨線故障（IABIIBC）、I回線ABC三相與II回線BC兩相跨線故障 （IABCIIBC）、I回線ABC三相與II回線A相跨線故障（IABCIIA）、I回線A相與II回線A相跨線接地故障（IAIIAG）、I回線BC兩相與II回線BC兩相跨線故障（IBCIIBC）、I回線ABC三相與II回線ABC兩相跨線故障（IABCIIABC）。其中前3種為單回線故障，后10種為跨線故障[28]。對于前3種按照單回線重合閘執行，而對于多相故障則有按相順序重合閘[19]：首先故障發生后，故障相斷開，判斷是否有兩異名相健全，無則跳開健全相；有則按照下列重合順序進行重合：①同名相優先重合且可同時重合；②超前相優先重合；③多相故障線路超前相優先重合。

4 結束語

綜上所述，自適應重合閘的實現，關鍵在于故障性質的判別，其次就是合閘順序的配合，特別是對于同桿雙回線來說，合理的重合閘順序是很重要的。盡管單相自適應重合閘技術發展至今，已步入較為成熟階段，但隨著電網的不斷發展，超/特高壓遠距離同桿雙回線的架設，電網的安全性與穩定性要求越來越高，根據目前自適應重合閘的發展現狀，還可對其進行進一步研究的方面有：

（1）國家投入的西電東送、南北互供工程促進特高壓電網技術的發展，而特高壓電網對重合閘技術要求將更加嚴苛。如何在解決重合閘過程中，對特高壓電網過電壓的影響將是研究的重點。

（2）隨著經濟的高速發展，將使得輸電網走廊變得更為緊張，因而同塔雙回、同塔多回線路將不斷增加，如何解決這些線路出現跨線故障時保護與重合閘配合問題，也將是難點問題。

（3）利用不斷發展的數學理論、信息技術、計算機技術等現代研究理論和應用技術，抓住瞬時性故障和永久性故障時本質上的不同，找出更多的特點，采用更加快速的算法，真正解決好重合閘過程中的問題。

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