基于暫態特征的配電線路自適應重合閘仿真研究

王森 劉景

（國網陜西省電力公司興平市供電分公司，陜西 興平 713100）

自動重合閘裝置廣泛應用于輸配電網絡中，它在合閘前不判斷故障性質，只是在一定的延時后，將斷路器重合。這種簡單的重合閘原理是盲目的。顯然，對于瞬時故障，重合閘可以成功，對于永久性故障，重合閘不能成功。當斷路器重合閘失敗時，會對系統和設備造成危害，主要表現在以下兩點：一是使線路在短時間內承受兩倍的故障電流，降低超高壓系統并聯運行的穩定性；二是從故障到首次重合閘對斷路器不利，這將降低斷路器的使用壽命和分斷能力。

一、國內配電線路故障跳閘運行特點

中國配電設備線路的常見故障有其自身的運行特性。具體表現為：單相接地常見故障后的常見故障電流很小，且不會因常見故障跳閘工作1-2小時；常見故障后，兩色常見故障或三相斷開。因此，配電網絡的路由重合只需要響應兩種顏色的常見故障或三相的常見故障。在出現兩種顏色的常見故障或三相常見故障之后，三相隔離開關會額外跳閘[1]。常見故障跳閘后，剩余工作電壓不大，可用數據量也很小。根據分析，盡管專家學者已經明確提出了多種響應式重合閘方法，但是上述電力線的單相和三相響應式重合閘方法并不適合在中國的配電設備線路中使用。可以得到基于綜合性的響應式重合閘的科學研究：

（一）修復工作電壓法不適合中國的配電網。配電網絡的隔離開關均為三相實際運行，不會有單相電源跳閘。在隔離開關發生三相跳閘之后，所有三相系統軟件都會跳閘。線路中的剩余工作電壓并不大，并且會迅速消失。可以使用數據量很小，這種方法不能使用。

（二）電氣隔離特性方法不適用于中國的配電網。在中國配電網絡中出現常見故障后，將出現電氣隔離，但是由于額定電壓低，因此隔離的延遲時間不長，不如電力線的隔離重要，因此不適合使用。此外，電隔離器本身具有離散系統的特性，并且基于電隔離器的分辨率結果不可靠，并且真實性較低。在此階段，尚無有效的技術規范將電氣隔離方法應用于配電設備的布線。

（三）利用并聯電抗器信息的方法不適用于國內配電網[2]。配電線路沒有并聯電抗器，停電后也沒有電抗器電壓和電流，基于并聯電抗器信息的方法不適用。綜上所述，對于處于全功率損耗狀態的配電線路，需要采用有源方法對其施加激勵以獲得響應，進而判斷故障。

二、基本原理

采用外部電容放電方案，將電容器、配電線路和負載組成的總電路簡化為RLC串聯電路。當發生永久性故障時，負載被故障電路短路，電路阻抗小，電容放電衰減快；瞬時故障時，有負載，電路阻抗大，電容器放電衰減慢。其原理是：在重合閘前，根據故障選相結果，將帶電電容器投入故障選相回路。根據電容器放電電壓的暫態特性，判斷線路故障是瞬時性的還是永久性的。如果是瞬時故障，則打開重合閘。如果是永久性故障，則閉鎖重合閘。

三、仿真實驗

保護門處的永久故障對應最大電流值I=220/0.2=1100A。雖然如此大的電流是瞬時值，但它仍然需要高性能的開關等設備。因此，電容電路中應串聯一個小電抗器或一個小電阻，一方面限制放電脈沖電流峰值，另一方面拓寬放電時間，以延長判斷柵極永久故障的時間，使判斷更加可靠。由于反應器體積大、成本高，選擇了串聯小電阻方案[3]。如果采樣率為1600hz，當保護門發生永久故障時，根據放電電壓值和放電電流值可能的采樣條件，可以看出，當采樣率為1600hz時，電壓判別的下限暫時取50V，放電持續時間為22分。電流歧視下限閾值暫取20A，放電時間17分。當可見采樣率不小于1600hz時，滿足采樣要求。

相間短路故障過渡電阻主要由電弧電阻組成，一般小于2Ω。因此，相間短路故障的過渡電阻為0.02Ω、2Ω有兩種參數。仿真計算了從故障識別裝置接入點到負荷側各故障點的暫態故障和永久性故障的等效線間阻抗Z。為了簡化RLC電路的放電過程，用C＞L/（R/2）^2來計算最小電容。式中，r包含3.9的電容放電電阻Ω.根據2.2.1節最小電容估算的仿真分析結果，放電回路的等效阻抗和正常負載下的最小電容：C>1233μF。也就是說，電容器的放電過程是無振蕩的，C取2000μF.正常負載下的最小電容上限為1233.4μF.電容為1000μF、2000μF、3000個μF。線路全長7公里。放電電壓絕對值從312*0=280.8v下降到50V的時間為電壓突變時間。放電電流絕對值大于20A的時間為電流突變時間。電容2000μF。過渡電阻為2Ω，放電電阻為3.9Ω，功率因數為0.95，線路全長7km。F1點斷層為起始斷層，F2點斷層為終止斷層，F3點斷層為中段1斷層，F4點斷層為中段2斷層。

在不同的故障位置、不同的功率因數和不同的過渡電阻下，電容器放電電流和電壓在永久性故障時衰減較快，在暫態故障時衰減較慢。電容器放電電壓流瞬態特性的仿真數據總結如下：以放電電壓絕對值從281v下降到50V所需的時間作為電壓突變時間。以放電電流絕對值大于20A的時間為電流突變時間。從電容的影響來看，電容為2000μ F更合適。電容為2000μ f時，永久性故障電壓突變時間最大值為0.0198s，暫態故障電壓突變時間最小值為0.0432s。永久故障電流突變時間最小值為0.0052s，瞬時故障電流突變時間最大值為0.0003s。因此，可以給出如下判據：電容器放電電壓突變時間超過30ms為瞬時故障，電流突變時間超過4ms為永久性故障[4]。本標準適用于上述情況。從以上模擬的電壓、電流放電暫態情況可以看出，電容放電電流、電壓在永久性故障時衰減較快，在暫態故障時衰減較慢。永久性故障和暫態故障的電容電流、電壓暫態特性有明顯的不同。

四、結束語

當發生永久性故障時，傳統的重合閘失靈，斷路器連續兩次切斷故障電流，降低了斷路器的壽命和開斷能力。為了解決這一問題，提出了一種在重合閘前預充電的電容器。通過電容器放電過程中電壓和電流的暫態特性，識別故障類型。永久性故障放電時間快，重合閘閉鎖；瞬時故障時，電容器放電時間慢，重合閘分閘。通過對不同故障位置、不同功率因數、不同過渡電阻下的仿真分析，驗證了該方案的可行性。