带并联电抗器的混合输电线路三相永久性故障判别方法
【专利摘要】本发明涉及一种带并联电抗器的混合输电线路三相永久性故障判别方法，包括：混合线路发生三相故障且断路器跳开后，采集三相的电压，通过Karrenbauer变换求得差模电压uD(uα、uβ)；根据设定数据窗长的差模电压uD(n)，得到差模电压对应的极点；步骤D：求得差模电压的频率，将差模电压的频率f与整定值KfD进行比较；按点顺次推移数据窗，在一定时间段内，若f一直不大于整定值fset，则故障为永久性故障；若f一直大于整定值fset，则故障为瞬时性故障。该方法能有效避免三相重合于永久性故障的严重危害。
【专利说明】
带并联电抗器的混合输电线路H相永久性故障判别方法
技术领域
[0001] 本发明设及电力系统输电线路保护领域，尤其设及带并联电抗器输电线路的=相 永久性故障判别技术，特别是设及带并联电抗器的混合输电线路=相永久性故障判别方 法。
【背景技术】
[0002] 超高压电缆-架空混合线路重合闽的投入能够提高系统的稳定性和供电可靠性， 具有显著的经济效益。现有的自动重合闽采用盲目重合方式，重合前不能对故障性质进行 判别，一旦重合于永久性故障，不仅不能恢复系统的正常供电，而且重合于故障所导致的对 电气设备的二次冲击，远超过正常运行状态下发生短路时的损害。而自适应重合闽则先判 定故障性质，若为永久性故障，则闭锁重合闽;若为瞬时性故障，则启动重合。为了避免盲目 重合造成的上述严重危害，超高压电缆-架空混合线路自适应重合闽的投入显得极其重要。
[0003] 目前，相关研究主要集中在故障测距和单相自适应重合闽方面。相比于输电线路 单相故障，多相故障在线路故障所占比例较小。但是，重合闽重合于多相永久性故障对系统 及电气设备的危害程度要远远超过重合于单相永久性故障。因此，=相自适应重合闽应用 于超高压电缆-架空混合线路有重要的研究价值。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种带并联电抗器的混合输电线路=相永久性故障判别方法，可W有 效避免=相重合于永久性故障的严重危害。本发明的技术方案如下：
[0005] -种带并联电抗器的混合输电线路=相永久性故障判别方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤A:混合线路发生S相故障且断路器跳开后，采集S相的电压113、化、11。，通过 Karrenbauer变换求得差模电压UD(Ua、up);
[0007] 步骤B:将设定数据窗长的差模电压UD(n)带入如下矩阵方程组，可解得待求参数
Cl、C2:
[000引
[0009]式中，P取2，N表示设定数据窗长下UD(n)的总个数，0如卽-1;
[0010] 步骤C:求解特征多项式1+ciz-i+C2Z-2 = 0,得至I嗟模电压对应的极点Zm，m=l，2; [0011] 步骤D:将极点Zm带入f = arctan| Im(Zm)/Re(Zm) I/23T A t，求得差模电压的频率f, 式中，arctan( ?)是反正切函数，Im( ?)是对复数取虚部函数，Re(.)是对复数取实部函 数，At是S相电压的采样时间间隔。
[0012]步骤E:将差模电压的频率f与整定值KfD进行比较，其中K为裕度系数，fD是由混合 线路正序参数及并联电抗器电感计算得到的差模电压的频率，其计算公式如下。
[0013]
[0014] 其中，k是混合线路并联电抗器装设端数，即单端装设时k取I，两端装设时k取2;L 是并联电抗器的电感，Cl是混合线路的正序电容；
[0015] 步骤F:按点顺次推移数据窗，重复步骤B~E，在一定时间段内，若f一直不大于整 定值f set，则故障为永久性故障;若f 一直大于整定值f set，则故障为瞬时性故障。
[0016] 上述的带并联电抗器的超高压混合输电线路=相永久性故障判别方法，步骤B中 所述设定数据窗的长度可W取10~20ms;步骤E中所述裕度系数K可取0.6~0.8;步骤F中所 述顺次推移数据窗，该数据窗推移时间可W为5~10ms，所述一定时间段，设定的时间段大 小可W在1/4~1个周波之间。
[0017] 本发明在充分考虑了混合线路特点的基础上，提出一种带并联电抗器的混合输电 线路=相永久性故障判别方法，该方法采用线路残余电压差模分量(差模电压)的频率作为 判据，在重合闽重合之前准确的判别故障性质，实现瞬时性故障时重合闽快速重合和永久 性故障时重合闽有效闭锁，有效避免=相重合于永久性故障的严重危害。与现有技术相比， 本发明的有益效果在于：
[0018] 1.该方法对信号采样率要求较低，采样率取信号最高频率的4~20倍均能满足要 求。
[0019] 2.该方法频率识别算法简单，易于实现。
[0020] 3.该方法能够可靠实现超高压电缆-架空混合线路=相故障性质的判定，且判定 时间短、不受过渡电阻、故障位置及电力电缆所占线路全长比例的影响。
【附图说明】
[0021] 图1是单端带并联电抗器混合线路示意图，架空-电缆混合线路参数为:架空线线 路参数：Zi = 0.0 ：M7+j0.4234 Q Am, Zo = O. 3000+j 1.1426 Q Am, Ci = 0.00 87阳/km, Co = 0.006化。/虹1;电力电缆线路参数:21 = 0.0158+扣.1511〇/1〇11，2〇 = 0.1633+".7456〇/虹1， 。=0.198：3化/缸，抗=0.198：3化/缸;并联电抗器电抗:壯=565.4867〇;中性点接地小电 抗:XLg= 18.8496 Q ;
[0022] 图2是带并联电抗器混合线路差模分量拉普拉斯等效电路图；
【具体实施方式】
[0023] 为克服现有技术的不足，提出了一种带并联电抗器的混合输电线路=相永久性故 障判别方法，该方法采用残余电压差模分量的频率作为判据，将差模电压的频率f与整定值 fset进行比较。在一定时间段内，若f一直不大于fset，则故障为永久性故障；若f 一直大于 fset，则故障为瞬时性故障。如果是瞬时性故障，则启动重合;如果是对永久性故障，则有效 闭锁重合闽，不进行重合。
[0024] 下面通过具体实施例，来详细说明本法明的技术方案：
[0025] (I)W单端带并联电抗器的超高压电缆-架空混合输电线路为例，并联电抗器装设 在混合线路的N端，如图1所示。图中，F是故障位置，J是架空线与电力电缆的连接点，L是并 联电抗器电感，Lg是中性点接地小电感。当混合线路发生=相故障(包括=相相间和=相接 地)且断路器跳开后，采集S相的电压Ua、Ub、Uc，通过Karrenbauer变换求得差模电压UD (Ua、 up) O
[00%] (2)将设定数据窗长的差模电压UD(n)带入如下矩阵方程组，可解得待求参数Cl、 C2〇
[0027]
[0028] 式中，P取2，N表示设定数据窗长下UD(n)的总个数，邮(n)是设定数据窗下的差模电 压值，0<n<N-l。
[0029] (3)求解特征多项式1+C心i+C2Z^2 = 0,可得到差模电压对应的极点zm，m=l，2。极 点Z1、Z2求解如下。
[0030]
[0031]
[0032] 式中，j表示复数的虚部。
[0033] (4)将极点Zm带入f = arctan I Im(zm)/Re(zm) I /231 A t，可求得差模电压的频率f。式 中，arctan( ?)是反正切函数，Im( ?)是对复数取虚部函数，Re( ?)是对复数取实部函数， At是S相电压的采样时间间隔。
[0034] (5)将差模电压的频率f与整定值K时进行比较，其中K为裕度系数，时是由混合线路 正序参数及并联电抗器电感计算得到的差模电压的频率，其计算公式如下。
[0035]
[0036] 其中，L是并联电抗器的电感;打是混合线路的正序电容。
[0037] (6)按点顺次推移数据窗，重复步骤(2)~（5)。若f一直不大于整定值fset，则故障 为永久性故障;若f 一直大于整定值f set，则故障为瞬时性故障。
[0038] 永久性故障判据
[0039] 下面通过具体实施例，更详细地说明本发明带并联电抗器的混合输电线路=相永 久性故障判别技术方案，W单端带并联电抗器的超高压电缆-架空混合输电线路为例。
[0040] 1 相瞬时性故障时差模电压分析
[0041] 假设混合线路发生瞬时性=相相间短路故障且断路器跳开后，对架空线和电缆均 采用T型等效，利用Karrenbauer变换对S相线路进行解禪，得到混合线路差模分量电路，其 等效电路如图2所示。帖山1、咕、帖心1、扣分别是混合线路架空线和电缆的正序电阻、电 感、电容;L是并联电抗器的电感。
[0042] 由于混合线路各区段的阻抗远小于其分布电容的容抗和并联电抗器感抗，忽略线 路的阻抗，可近似认为每相的沿线电压处处相同。
[0043] 根据图2,运用节点电压法，可得如下复频域方程
[0044]
[0045] 其中，
?代表差模分量等效电感和电容的储能。
[0046] 对上式进行求解，进行拉普拉斯反变换可得差模分量的频率，如下式所示。
[0047]
[0048] 综合考虑混合线路阻抗对储能的衰减作用，差模电压可W表示为频率时的衰减周 期分量曰n
[0049]
[0化0] 式中：化表不差模电压幅值;Qd表不衰减因子;帕.表不初相位。
[0051] 对于瞬时性=相接地故障，混合线路故障点与大地之间存在暂时的可靠连接，但 差模电压不受故障点接地的影响。
[0052] 2.永久性故障的跳开相残余电压分析
[0053] 假设混合线路架空线区段发生永久性=相短路故障，故障点始终存在，由于混合 线路各区段的阻抗远小于其分布电容的容抗和并联电抗器感抗，断路器跳开后忽略混合线 路的沿线阻抗，可近似认为S相的沿线电压处处相同，贝峭b开相残余电压的差模分量近似 为零。由于混合线路的电容较大，跳闽后的暂态过程中含有十分丰富的暂态高频分量，且衰 减较快;高频分量完全衰减后，差模电压的幅值几乎为零。
[0054] 3.=相重合闽差模电压频率判据的提出
[0055] 瞬时性S相故障的差模电压是频率为fD的衰减周期分量。永久性S相故障时，跳 闽后的暂态过程中含有十分丰富的暂态高频分量，且衰减较快;高频分量完全衰减后，差模 电压的幅值几乎为零。考虑到差模电压的幅值大小易受故障时刻、跳闽时刻、焰弧时刻、过 渡电阻等因素的影响，而差模电压的频率由混合线路参数和并联电抗器电感所决定。因此， 我们可W用差模电压的频率大小实现混合线路=相故障的永久性故障判别：
[0056] f < fset [0化7] f set = K时
[005引本发明采用差模电压的频率大小作为判据，为避免跳闽后暂态高频分量的影响， 信号采样前经高阶低通滤波器处理。同时，大量的实验表明，采样频率取信号最高频率的4 ~20倍即可满足要求。
[0059]最后应当说明的是：W上实施例仅用W说明本发明的技术方案而非对其限制，尽 管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:对本 发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者 等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种带并联电抗器的混合输电线路三相永久性故障判别方法，包括如下步骤： 步骤A:混合线路发生三相故障且断路器跳开后，采集三相的电压1^、训、1!。，通过 1(已1^油31161'变换求得差模电压1^(11(1、·); 步骤B:将设定数据窗长的差模电压uD(n)带入如下矩阵方程组，解得待求参数C1、C2:式中，P取2，N表示设定数据窗长下uD(n)的总个数，0 < N-1; 步骤C:求解特征多项式1+οιζ4+〇2Ζ^2 = 0,得到差模电压对应的极点Zm，m=l，2; 步骤D:将极点Zm带入f = arctan I Im(Zm)/Re(Zm) | /2π Δ t，求得差模电压的频率f，式中， arctan( ·)是反正切函数，Im( ·)是对复数取虚部函数，Re( ·)是对复数取实部函数，At 是三相电压的采样时间间隔。 步骤E:将差模电压的频率f与整定值KfD进行比较，其中K为裕度系数，fD是由混合线路 正序参数及并联电抗器电感计算得到的差模电压的频率，其计算公式如下。其中，k是混合线路并联电抗器装设端数，即单端装设时k取1，两端装设时k取2; L是并 联电抗器的电感，&是混合线路的正序电容； 步骤F:按点顺次推移数据窗，重复步骤B~E，在一定时间段内，若f一直不大于整定值 fset，则故障为永久性故障;若f 一直大于整定值，则故障为瞬时性故障。2. 根据权利要求1所述的混合输电线路三相永久性故障判别方法，其特征在于，步骤B 中所述设定数据窗的长度可以取10~20ms;步骤E中所述裕度系数K取0.6~0.8;步骤F中所 述顺次推移数据窗，该数据窗推移时间可以为5~10ms，所述一定时间段，设定的时间段大 小在1/4~1个周波之间。
【文档编号】H02H7/26GK105826907SQ201610305390
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】李博通, 张云柯, 陈晓龙
【申请人】天津大学