高壓輸電線路故障后的暫態(tài)信息與保護(hù)

0高壓線路單端量和行波距離保護(hù)方案的選擇目前，超高壓輸電線的繼電保護(hù)技術(shù)可分為兩種類型：?jiǎn)味肆勘Ｗo(hù)和垂直保護(hù)。傳統(tǒng)的基于故障工頻分量的單端量保護(hù)例如距離保護(hù),它的明顯缺陷是無法保護(hù)線路的全長(zhǎng);而縱聯(lián)保護(hù)盡管可以保護(hù)全線路,但需要通信裝置以及通道的巨大投資,而且其保護(hù)的可靠性依賴于通信通道和設(shè)備的可靠性。顯然,能夠保護(hù)線路全長(zhǎng)而且不需要通信的單端量保護(hù)方案,具有明顯的優(yōu)越性。實(shí)際上,故障的暫態(tài)高頻分量中包含比工頻分量更多的諸如故障點(diǎn)的位置、故障方向、故障類型等故障信息,因此充分利用暫態(tài)故障高頻信息完全有可能實(shí)現(xiàn)高壓線路的單端絕對(duì)選擇性無通信保護(hù)。行波保護(hù)的本質(zhì)也是反映故障暫態(tài)分量的保護(hù)方案,但是僅僅使用單端量無法判別區(qū)內(nèi)或區(qū)外故障。不論是行波判別式方向保護(hù)還是行波極性比較式保護(hù),都需要對(duì)端母線的信息;行波距離保護(hù)方案則由于無法區(qū)別行波性質(zhì)(是來自故障點(diǎn)還是來自對(duì)端母線的反射)以及不能判斷電壓過零點(diǎn)故障而無法推廣應(yīng)用。但有一點(diǎn)可以肯定,即反映故障暫態(tài)高頻信息的保護(hù)方案——暫態(tài)量保護(hù)(TransientBasedProtection)尤其是單端無通信保護(hù),是目前繼電保護(hù)新原理的發(fā)展方向,行波保護(hù)僅是暫態(tài)量保護(hù)的開端。1故障產(chǎn)品的頻域類型高壓輸電線路故障時(shí)產(chǎn)生的高頻暫態(tài)分量包含相當(dāng)寬的頻帶范圍,從直流分量到幾百千赫的高頻分量。高壓輸電線路故障高頻分量的產(chǎn)生原因主要有以下三個(gè)方面:第一,由于故障瞬間相當(dāng)于在故障點(diǎn)加上一個(gè)與故障前瞬間大小相同,但方向相反的電源,造成線路中電壓電流的突變,而這一瞬間階躍信號(hào)在頻域中即包含整個(gè)頻譜;第二,由于線路的分布參數(shù)造成電壓、電流行波的來回折反射,導(dǎo)致電壓或電流在暫態(tài)過程中波形發(fā)生畸變,在頻域中也反映為較寬頻帶的高頻分量;第三,由于短路造成的弧光產(chǎn)生的弧光電阻的非線性,直接產(chǎn)生了大量的頻率范圍較寬的高頻分量。另外,由于輸電系統(tǒng)在實(shí)際中并非為純粹的線性系統(tǒng),因而即便在電壓過零點(diǎn)時(shí)發(fā)生故障且不產(chǎn)生弧光的情況下,也產(chǎn)生一定的高頻分量。因此,只要可靠地檢測(cè)故障產(chǎn)生的高頻分量,并區(qū)別于系統(tǒng)中的噪音成分,就可以實(shí)現(xiàn)高壓輸電線路的單端量保護(hù)。2暫態(tài)高頻分量的保護(hù)反映故障暫態(tài)量的保護(hù)在國(guó)外也是從行波保護(hù)的研究開始,隨著超高壓輸電系統(tǒng)的發(fā)展,系統(tǒng)穩(wěn)定性要求保護(hù)切除故障時(shí)間更短,研究發(fā)現(xiàn),基于行波和故障產(chǎn)生暫態(tài)高頻分量的保護(hù)可以滿足要求。但由于數(shù)學(xué)工具和信號(hào)提取設(shè)備的限制,只能對(duì)暫態(tài)高頻信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的識(shí)別,因此保護(hù)方案仍然離不開線路兩端的通信。進(jìn)入90年代,隨著數(shù)學(xué)的發(fā)展以及快速運(yùn)算的微處理器和快速信號(hào)采集處理器(DSP)的出現(xiàn),使得信號(hào)識(shí)別和處理得到飛速發(fā)展,這就為單端判別故障提供了依據(jù)。反映故障暫態(tài)高頻分量的保護(hù)方案紛紛出現(xiàn),有的已經(jīng)通過試驗(yàn)即將應(yīng)用于電網(wǎng)。我國(guó)的暫態(tài)量保護(hù)仍然僅限于行波保護(hù),但在保護(hù)原理上又得到了新的提高。2.1高頻電壓信號(hào)的提取回路利用線路兩端的阻波器將區(qū)內(nèi)故障時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)高頻電壓信號(hào)封閉在被保護(hù)線路以內(nèi),而將區(qū)外故障時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)高頻電壓信號(hào)阻擋在被保護(hù)線路之外這一特征是文獻(xiàn)與提出的保護(hù)原理的基本思想。假定阻波器的諧振頻率中心為fc,則當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí),由于阻波器的作用使得頻率中心為fc的窄頻帶的暫態(tài)電壓信號(hào)封閉在被保護(hù)線路中;而當(dāng)區(qū)外故障時(shí),由于阻波器的阻隔,使得這一頻帶的電壓信號(hào)不能傳輸?shù)奖槐Ｗo(hù)線路。該保護(hù)的原理正是基于這一故障特點(diǎn)構(gòu)成。為了解決CVT無法傳變高頻電壓的缺陷,特別設(shè)計(jì)了一個(gè)調(diào)諧(帶通濾波器)電路,并將此電路的頻率中心調(diào)節(jié)至fc,這樣由阻波器、帶通濾波器以及CVT構(gòu)成了高頻電壓信號(hào)的提取回路。這種保護(hù)方案的優(yōu)點(diǎn)是可以在單端實(shí)現(xiàn)線路全部的保護(hù),而且節(jié)省了通信投資;不受系統(tǒng)中由于故障產(chǎn)生的噪聲的影響,大大提高了保護(hù)的可靠性;動(dòng)作速度快,能夠快速切除故障。其缺陷是:要求每條線路的兩端都要裝設(shè)阻波器,增設(shè)帶通濾波回路,增大了設(shè)備的投資;采用傅里葉頻譜分析方法,當(dāng)電壓接近零點(diǎn)短路或者故障電阻較大時(shí),系統(tǒng)中高頻電壓的幅值大大降低,用傅里葉分析法對(duì)弱小信號(hào)的檢測(cè)靈敏度大大降低;當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),故障相的電壓波是在母線與大地之間來回折反射,因此測(cè)量到的故障相電壓衰減很快,甚至僅僅表現(xiàn)為一個(gè)脈沖,降低了動(dòng)作可靠性。故障選相成為該保護(hù)的另一個(gè)難題,文獻(xiàn)提出了應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障選相方案。大量的EMTP仿真表明,故障相與非故障相的特征差別非常明顯,但由于調(diào)諧電路只能傳變一個(gè)較窄頻帶的電壓信號(hào),因此給故障選相帶來了困難。單純對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行頻率分析,只能對(duì)信號(hào)在幅值上進(jìn)行分析,易導(dǎo)致高頻電壓信號(hào)較弱時(shí),選相元件的靈敏度受到很大的影響。文獻(xiàn)則巧妙地利用線路已有高頻通信系統(tǒng)的接收裝置和線路兩端的方向元件判斷區(qū)內(nèi)或區(qū)外故障。當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí),高頻通信裝置的開關(guān)都處于打開狀態(tài),這樣故障產(chǎn)生的高頻暫態(tài)電壓信號(hào)將傳向線路兩端,從而被線路兩端的高頻電壓傳感器接收到。而當(dāng)區(qū)外故障時(shí),由方向元件判斷為反向故障的一側(cè)母線上的高頻通信裝置的開關(guān)處于閉合狀態(tài),這樣,故障產(chǎn)生的高頻暫態(tài)電壓將通過結(jié)合設(shè)備流入大地,對(duì)端方向元件盡管檢測(cè)到的是正向故障,但由于檢測(cè)不到高頻暫態(tài)電壓,因而也不會(huì)動(dòng)作。盡管文獻(xiàn)對(duì)上述原理作出了理論上的論證,并且提出了實(shí)現(xiàn)方案,但不難發(fā)現(xiàn)該原理的致命缺陷:電壓互感器無法傳變暫態(tài)高頻信號(hào),只能利用調(diào)諧電路接收某一窄頻帶的高頻電壓信號(hào);仍然需要在保護(hù)兩端裝設(shè)方向保護(hù)元件,而且方向元件的動(dòng)作時(shí)間決定了整套保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。2.2基于故障暫態(tài)電流的保護(hù)方案近來有研究表明,電流互感器可以可靠地傳變最高頻率為80kHz的高頻電流信號(hào)。目前有人正在研究光學(xué)互感器,它將使一次側(cè)各種頻率的電流準(zhǔn)確地傳變到二次側(cè)。這就使得基于故障暫態(tài)電流比基于故障暫態(tài)電壓有明顯的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)仍然利用線路兩端的阻波器,使得區(qū)內(nèi)故障的某個(gè)窄頻帶的高頻暫態(tài)電流被封閉在被保護(hù)線路中,而區(qū)外故障的該頻帶暫態(tài)高頻電流被阻擋在被保護(hù)線路以外。該文獻(xiàn)仍然對(duì)提取的信號(hào)進(jìn)行頻率分析,并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同頻率分析的結(jié)果加以識(shí)別。不難發(fā)現(xiàn),該保護(hù)原理存在同文獻(xiàn)類似的缺陷,實(shí)際上兩者在本質(zhì)上沒有太大的差異。文獻(xiàn)則提出了一個(gè)新的基于故障暫態(tài)電流的保護(hù)方案,該原理利用故障暫態(tài)電流的不同頻率成分的衰減差異來區(qū)別區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。當(dāng)區(qū)外故障時(shí),故障產(chǎn)生的暫態(tài)電流經(jīng)過母線時(shí),由于母線的對(duì)地雜散電容和結(jié)合電容器的影響,對(duì)于低頻電流成分呈現(xiàn)出高阻抗而對(duì)于高頻電流成分則呈現(xiàn)出低阻抗,因此在保護(hù)安裝處測(cè)量到的暫態(tài)電流的高頻與低頻成分的衰減差別很大;而當(dāng)區(qū)內(nèi)故障時(shí),高頻與低頻成分的衰減差異較少。利用這一特征區(qū)別區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。這一保護(hù)方案具有很高的價(jià)值,它充分利用了TA可以傳變高頻電流的特點(diǎn),無需在線路兩端增加任何設(shè)備。該原理的關(guān)鍵在于暫態(tài)電流信號(hào)不同頻率的分析,該文獻(xiàn)利用多頻道濾波技術(shù)來提取不同頻率的電流信號(hào)。2.3行波浪涌的識(shí)別目前行波保護(hù)包括:行波方向、行波差動(dòng)、行波距離、行波極性比較式縱聯(lián)保護(hù)。在這一系列的保護(hù)原理中,只有行波距離屬于單端量無通信保護(hù)的范疇(目前提出的行波距離保護(hù)的原理與行波故障測(cè)距原理大同小異),其余的保護(hù)方案都需要通信設(shè)備和通道。而行波距離保護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)在于如何分辨第二個(gè)行波浪涌的性質(zhì),即第二個(gè)行波浪涌是在故障點(diǎn)的反射波還是對(duì)端母線的反射波。同樣考慮到CVT不能傳變高頻電壓信號(hào),文獻(xiàn)提出利用電流行波的故障測(cè)距技術(shù),利用匹配濾波器的方法檢測(cè)行波浪涌的性質(zhì)。文獻(xiàn)則在此基礎(chǔ)上提出了利用暫態(tài)電流信號(hào)的小波變換模極大值來檢測(cè)行波浪涌的到來,并構(gòu)造特征行波,將電流行波與特征行波同時(shí)在不同尺度下進(jìn)行小波分解,通過不同尺度下小波變換波形比較來判斷行波浪涌的性質(zhì)。當(dāng)一個(gè)行波浪涌到達(dá)保護(hù)安裝處,對(duì)于該點(diǎn)在浪涌到達(dá)時(shí)刻表現(xiàn)為一個(gè)信號(hào)的突變,通過小波變換的模極大值可以檢測(cè)到這一突變點(diǎn),通過與構(gòu)造的特征行波小波變化模極大值極性的比較來判斷浪涌的性質(zhì)對(duì)于測(cè)距是可行的,但對(duì)于線路的保護(hù),在動(dòng)作的快速性上難以保證。實(shí)際上行波浪涌中同樣包含極為豐富的故障信息,行波浪涌在本質(zhì)上是暫態(tài)信號(hào)的故障分量。3暫態(tài)電流的采信釋疑和小波分析所構(gòu)成的小波觀目前對(duì)反映故障產(chǎn)生的暫態(tài)量保護(hù)的研究大致分為兩大類,即行波保護(hù)原理和反應(yīng)故障產(chǎn)生的高頻分量原理。對(duì)行波保護(hù)的研究?jī)H僅限于對(duì)行波浪涌的性質(zhì)分析;而對(duì)反映故障產(chǎn)生的高頻暫態(tài)分量保護(hù)的研究也僅僅限于對(duì)暫態(tài)信號(hào)中某個(gè)窄頻帶的高頻分量。實(shí)際上,故障產(chǎn)生的暫態(tài)分量中包含廣闊的頻譜,其中絕大部分是由于行波在線路中的折反射造成。不論是行波保護(hù)原理還是反映故障產(chǎn)生的暫態(tài)高頻分量保護(hù)原理,它們都是利用了故障暫態(tài)分量的一部分。僅采用行波特征來構(gòu)成保護(hù),無法反映電壓過零點(diǎn)時(shí)故障;僅采用暫態(tài)分量的某個(gè)窄的頻帶來構(gòu)成保護(hù)方案具有明顯的缺陷。因此,綜合利用整個(gè)暫態(tài)分量中的各個(gè)頻率特征必然具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。隨著快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DSP)及信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展,利用對(duì)故障產(chǎn)生暫態(tài)信號(hào)的分析和識(shí)別構(gòu)成無通信保護(hù)原理是非常可行的。由于CVT不能傳變高頻電壓信號(hào),因此利用暫態(tài)電流信號(hào)具有更大的吸引力。文獻(xiàn)提出的利用暫態(tài)電流的保護(hù)方案值得借鑒,只是對(duì)高頻電流信號(hào)的處理方法較為落后。小波分析對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)處理和識(shí)別具有很大的優(yōu)勢(shì),利用它可以對(duì)暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行多分辨分析、時(shí)頻分析、多尺度邊緣檢測(cè)等,利用小波分析使得對(duì)暫態(tài)信號(hào)的分析和識(shí)別更加的快速和精確,尤其是小波的時(shí)間窗的自動(dòng)可調(diào)性,對(duì)分析和檢測(cè)微弱信號(hào)提供了方便,這就意味著利用小波分析構(gòu)成保護(hù)的原理的靈敏度具有自適應(yīng)性。而且上述保護(hù)都無法判別在非故障條件下,雷電、刀閘操作等因素可能引起保護(hù)誤動(dòng)的情況。小波對(duì)不同性質(zhì)信號(hào)的識(shí)別具有相當(dāng)?shù)奶亻L(zhǎng),利用小波分析可以準(zhǔn)確識(shí)別。目前500kV超高壓輸電線路的兩端大都安裝了阻波器,使得故障時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)分量區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障時(shí)的特征區(qū)別更加明顯,同時(shí)為用故障暫態(tài)量構(gòu)成絕對(duì)選擇性單端無通信保護(hù)提供了有利的條件。4d.《合同法》第5條暫態(tài)量保護(hù)a.利用故障產(chǎn)生的暫態(tài)分量,超高壓輸電線路單端無通信保護(hù)的研究具有廣闊的前景。b.由于CVT不能傳變高頻信號(hào),