一種輸電線路弱故障識別方法

王 豐

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一種輸電線路弱故障識別方法

王 豐

（三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002）

輸電線路上的絕大多數故障都會引起較強烈的行波信號，很容易被保護裝置檢測到。但是，在某些情況下，或者由于解耦矩陣的限制，線路上的故障信號本身十分微弱。加之一些高頻干擾信號的影響，導致可檢測到的故障信號十分有限，利用行波的保護將不能準確捕捉到故障信號，從而導致保護的拒動。本文通過大量的仿真，分析了這類弱故障信號的行波特征，提出了用于識別此類故障的方法，Matlab/Simulink仿真驗證了該方法的有效性與可行性。

輸電線路；行波；故障檢測；電壓過零點；弱故障

傳統的繼電保護裝置的保護原理設計基本上都是基于工頻量[1]的，即利用故障前后穩態量呈現出的不同特征來判別故障與否，而對暫態過程不加以考慮。因此利用工頻量的保護幾乎不受故障合閘角的影響。隨著保護原理的發展，高頻暫態量逐漸得到重視，如行波保護[2-3]。與工頻量的保護恰好相反，它利用故障發生時，線路上行波折返射來進行保護原理設計，這種利用故障時產生的高頻信號必然會受到故障合閘角的影響。以單相接地故障為例，當故障合閘角為90°時，產生的暫態信號最大，最容易被檢測到。但如果故障恰好發生在電壓過零點或過零點附近[4]，暫態信號就會很小。本文將上述由于故障合閘角的影響，導致在故障時刻產生的暫態信號較小或為零的情況稱為弱故障。同時，各種噪聲干擾[5-6]將進一步影響故障信號的檢測，甚至淹沒故障信號。弱故障發生時，若行波保護不能準確地捕捉到故障信息，則導致保護拒動或誤動，必將對電力系統的安全穩定運行帶來嚴重影響。因此，研究有效可行的方法來識別此類故障將十分必要。

本文通過大量的Matlab/Simulink仿真實驗，分析了各種不同故障合閘角下的電流行波特征，結果表明：在如電壓過零點附近，此類弱故障的情況下，電流行波沒有明顯跳變，且從故障時刻開始基本呈現線性增長，而其他情況下，故障信號較強，電流行波有明顯的跳變。據此，本文提出了一種用于行波保護的弱故障識別方法。

1 故障電流的行波特征

為研究不同故障合閘角下的電流行波特征，在Matlab/Simulink中建立如圖1所示的輸電線路模型。線路AB為故障線路，線路參數：正序阻抗1=(0.01273+j0.2932)W/km，負序阻抗2=1，零序阻抗0=(0.3864+j1.2957)W/km，線路對地正序電容與負序電容相等1=2=0.01274mF/km，線路對地零序電容0=0.07751mF/km。

圖1 電力系統模型

分別以A相接地短路，AC兩相接地短路，AB相間短路為例說明，進行仿真分析。故障發生在仿真開始后的0.02s，結束于0.04s，故障點F在AB線路內部距A點65km處。采樣頻率設為1MHz，用于解耦的矩陣選取凱倫貝爾變換矩陣：

1）A相接地故障

圖2 A相接地短路（故障合閘角為0°）

圖3 A相接地短路（故障合閘角為60°）

2）AC兩相接地短路

圖4 AC相接地短路（故障合閘角為30°）

圖5 AC相接地短路（故障合閘角為60°）

3）AB相間短路

圖6 AB相間短路（故障合閘角為90°）

圖7 AB相間短路（故障合閘角為150°）

由以上6圖可以看到，故障合閘角為0°時的A相接地短路、故障合閘角為30°時的AC兩相接地短路以及故障合閘角為150°時的AB相間短路，在故障時刻的電流行波基本為零，提取不到電流行波的突變。利用如文獻[7-8]中的方法檢測行波，并形成啟動判據，將導致保護拒動。

2 原因及特征分析

出現如圖2、圖4和圖7中故障時刻電流行波為零的原因有兩個：①電壓過零點及其附近或經高阻接地[9]等弱故障時（如圖8所示的A相），不會產生電流行波或電流行波較小，測量元件檢測不到；②由于凱倫貝爾變換時涉及到兩相的減法運算，當發生故障時，有可能由于兩相電壓相等（如圖9所示的AC相，圖10所示的AB相）而導致電流模量為零。

圖8 A相接地短路（故障合閘角為0°）的電壓電流波形

圖9 AC相接地短路（故障合閘角為30°）的電壓電流波形

圖10 AB相間短路（故障合閘角為150°）的電壓電流波形

在以上情況下，應用簡單的差分或小波變換[10-11]將不能提取到如圖3、圖5和圖6中故障時刻的突變量或模極大值。但值得注意的是，它們的電流行波模量絕對值總體是呈上升趨勢的，且基本為線性增長（即認為斜率基本相等）。

3 弱故障識別方法及仿真驗證

由于誤差的存在，所以電流線模量的導數不可能完全相等，將式（2）變為

若電流線模量的導數滿足式（3），則認為發生了弱故障。

設故障點在距離保護安裝處65km處，過渡電阻為0，得到弱故障下仿真結果見表1。

在此需要說明的是，在此類特殊故障合閘角時的電流行波信號都比較微弱，容易被噪聲信號淹沒，以上結果是在干擾信號較小的情況下實現的。

4 結論

本文在大量仿真實驗的基礎上，著重分析了弱故障情況下的電流行波特征。根據弱故障發生時，電流行波線模量基本呈線性增長這一特征，本文提出了基于電流線模量求導的弱故障識別方法，仿真實驗及數據驗證了該方法的有效性。但該方法有一定的局限性，若線路中存在較大的干擾信號，如雷擊等，則本方法也會出現失效的問題。考慮到大干擾出現的幾率，運用本方法來識別電力系統中的弱故障仍具有可行性。

表1 弱故障下各種短路故障的識別結果

表2 考慮過渡電阻后不同故障距離下的識別結果

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The method for detecting weak faults in transmission lines

Wang Feng

(College of Electric Engineering & New Energy, China Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002)

The majority of faults on the transmission line can cause intense travelling wave signals, which can be easily detected by the protection device. However, in some cases, or due to the restriction of the decoupling matrix, the fault signal on the line is very weak. Combined with the influence of some high-frequency signals, the fault signal that can be detected is very limited. The protection based on traveling wave will not capture the fault signal accurately, resulting in the miss operation. In this paper, through a large number of simulations, the traveling wave characteristics of such weak fault signals are analyzed, and the methods for identifying such faults have been put forward. The Matlab/Simulink simulation experiments verify the feasibility of the method.

transmission line; traveling-wave; fault detection; voltage zero crossing; weak fault

2017-12-11

王 豐（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統繼電保護。