自适应单相重合闸的研究现状及展望_程玲

自适应单相重合闸的研究现状及展望

程玲1，吴剑波2

（1/华北电力大学电力工程系，河北 保定 071003;

2.国网运行有限公司宜昌超高压管理处葛洲坝换流站，湖北 宜昌 443000)

摘要：简要分析了国内外单相自适应重合闸技术的现状和成果，并指出一些不足之处，随着大容量远距离输电和用电负荷快速增长，我国超高压电网规模不断扩大，特高压交、直流输电工程的启动，对单相自适应重合闸提出了新的挑战，也对单相自适应重合闸的发展提出了一些建议 。

关键词: 单相自适应重合闸；瞬时故障与永久故障识别；数学形态学；特高压；暂态保护

Present achievements and prospects of single-pole adaptive reclosure

Cheng Ling1, WU Jian-bo2

(1.School of Electrical Engineering North China Electric Power University，Baoding 071003，China;

2.Gezhouba Converting Plant, Yichang EHV Administration, Sate Grid Corporation of China,Yichang 443000, China) Abstract: The present status and research result of single-pole adaptive reclosure technology both home and abroad are analyzed,and point out some deficiencies;As the fast growth of load along with the large capacity long-distance range of electric transmission, the extra high voltage electrical network scale of our country expands unceasingly, the alternative junction the direct current transmission project of the ultra-high voltage starts, proposing the new challenge to the single- pole adaptive reclosure; Put forward some proposals to the single- pole adaptive reclosure on development.

Key words: single-pole adaptive reclosure; identification of transient fault from permant fault; mathematic morphological; ultra high voltage; transient protection

中图分类号： TM77 文献标识码： A 文章编号： 1003-4897(2007)S-0246-05　

0 引言

自动重合闸技术在我国架空输电线路上获得普遍应用，其目的是为了在瞬时故障消除后使线路重新投入运行。由于绝大部分故障是瞬时性故障，因此采用自动重合闸可大大提高供电的可靠性，提高电力系统并列运行的稳定性。但目前的重合闸技术有以下两个主要问题：①不能区分瞬时和永久故障，可能重合于大电源系统的出口永久故障，使电力系统及电力设备又一次受到严重故障的冲击；② 不能判别故障点是否已经熄弧，重合闸出口的延时是固定的，可能造成瞬时性故障因故障点尚未熄弧而重合不成功。

据统计，在我国超高压输电线路上，90%以上的故障是单相接地故障，而单相接地故障中约有80%为瞬时性故障，所以在我国500KV线路上大多采用单相自适应重合闸消除单相接地故障，提高系统

运行的稳定水平，另外单相重合闸的过电压比三相重合闸低很多，在特高压线路上拟采用单相重合闸。

本文主要综述了近二十年来，国内外单相自适应重合闸技术的研究成果，对它们的应用局限性也一一指出；并针对目前国家电网建设的新动态，对自适应重合闸提出了新的要求，分析了自适应重合闸技术的发展方向。

1 自适应重合闸技术的研究现状

近年来，单相自适应重合闸的理论和方法日趋成熟，为其实用化奠定了理论基础。其中典型的有电压判据方法_、人工神经网络的智能识别方法以及基于电弧原理提取故障暂态高频信号特征来判断故障性质的判别方法，现分别细述如下： 1.1 利用耦合电压的判据

文献[1]单相自动重合闸过程中判别瞬时故障和永久故障的方法，主要是考察一相跳闸后，另外

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两个正常相引起的跳开相电容耦合电压和电感耦合电压。对于瞬时性故障，由于跳开相故障点已经消除，电容耦合电压与电感耦合电压都存在；而对于永久故障，由于故障点仍然存在，电容耦合电压接近于零，只有电感耦合电压存在。理论分析和实验结果表明，这种方案简洁、明了，对部分线路能正确做出判断，但是它没有综合考虑系统参数的影响，对于一些特殊工况，有误判的可能，需要完善，按照电压判据来实现的自适应单相重合闸，当在线路某一端出口处发生永久性单相接地故障时，在对端会有一段误动区，将永久性故障判断为瞬时性故障，从而造成对系统的又一次冲击。文献[2]针对重负载长距离的高压输电线路，永久性故障时断开相电压可能大于瞬时性故障的值的情况，提出了补偿电压判据；而对于在带并联补偿电抗器和中性点小电抗器的超高压输电线路中发生瞬时性故障时，断开相的电压可能很低的情况，“补偿电压判据”并不适用，为此又提出了组合补偿判据。上述三种判据在特殊的情况下均可能误判，为此又提出了修正电压判据。

1.2 利用二次电弧电压特性

永久性故障情况下电弧会很快熄灭；而瞬时性故障情况下，其电弧要经过燃烧一熄灭一重燃一熄灭的反复过程，变化过程复杂， 其中许多影响因素都具有非线性特性，电弧的非线性会造成故障相电压的畸变。同时，线路故障相残压由于电弧熄弧一重燃过程体现的信号奇异性，也将通过三相线路的互感传递到健全相电流中。电弧特性在不同的故障性质下存在的这种差异为其自适应的判别提供了可能性。

文献[3] 依据二次电弧阶段奇次谐波的衰减速度及其能量百分比在不同故障性质下随时间的变化规律存在差异的特性，提出了判别瞬时与永久故障的判据，令：

∞∞22

Pe=∑u2k+1/∑uk (1)

k=1k=2

式中：Pe为奇次谐波占总谐波能量的百分比,uk为k

次谐波有效值。对于瞬时性故障的电弧电压， 随着时间的推移，奇次谐波含量百分比将呈上升趋势，在断路器跳开一段时间后，其值明显高于永久性故障。当电弧熄弧后，故障相的端电压由电容耦合电压和电感耦合电压合成，其幅值有明显的升高。所以用断开相线路侧的端电压幅值的升高可以判断出电弧的熄弧时刻。该方案不足之处在于，难以确定判据使用的时间，且必须在较短时间内连续采样，计算各次谐波幅值，计算复杂，灵敏性受到谐波大

小的影响。

文献[4，5]利用谐波含量判定带或不带并联电抗器的线路接地故障的故障类型，当满足式Ufd1- UL≥UN,则判断为瞬时性故障。当满足式Ufd3+Ufd5<0.2Ufd1时，认为电弧已经熄灭：其中， Ufd1、Ufd3、Ufd5为断开相两侧实测电压基波、三次谐波、五次谐波幅值。对于带并联电抗器的线路，不必通过计算谐波含量来判别熄弧时刻，只需利用提出的第一个判据判断故障类型。

文献[6]在对二次电弧特性分析的基础上提出，通过对不同故障时母线处谐波性质的比较，用同一种改进型递归复小波的相位特性来区分故障性质，并利用幅值特性来辅助检测各暂态过程。

文献[7，8]主要是利用所设计的形态学算法对高频暂态信号进行滤波，除去高频噪声的同时提取有用的信息，并利用两个不同宽度的时间窗分别对原始信号及高频输出进行积分，计算它们的能量比，故障类型的不同，能量比的变化规律也有很大的不同，由此可判断故障类型，同时还可以判断电弧熄灭时间。该方案适用于不带并联电抗器的超高压线路。

国外许多专家侧重从故障电弧角度提出自适应重合闸方案，文献[9，10]根据故障点一次电弧的特点来区分单相接地故障类型。瞬时性故障时一次电弧长度等于绝缘子串长度，而永久性故障时，长度为零，即故障点电弧电压为零。瞬时性故障时，电弧电压含有谐波分量，母线电压也含有谐波分量，通过母线电压谐波分量与故障点谐波分量的关系来确定故障点有无电弧存在。

文献[11-13]运用线路的微分方程和参数估计技术，在时域内求解出故障的电弧电压，当故障点电弧电压高于某值时，判为瞬时故障，否则为永久故障。

文献[14]利用故障母线电压的高频暂态信号的不同来区分故障，瞬时故障，电弧的非线性在故障母线上产生高频信号，反映在母线高频电压的能量谱较高。永久故障，母线高频电压的能谱较低。通过设定整定值，当能谱高于此值时判为瞬时故障，否则为永久性故障。

文献[15]利用故障产生的高频暂态电流信号，计算它的谱能量，并与整定值进行比较，原理基本与利用故障母线电压的高频暂态信号的不同来区分故障相同。

基于故障电弧的自适应重合闸判别方法，能够在故障点电压达到恢复电压之前就进行故障的判别，能防止系统失稳，确保了永久性故障的最佳重

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合时间。但上述国外学者基于故障电弧的自适应重合闸判别方法，要求电压互感器必须安装在线路侧应用场合受到限制，可靠性还要受到常规的线路电容互感器的影响，它既不能传变高频信号，也不能传变直流信号，实用性有待验证。

1.3 在对故障相恢复电压分析基础上提出的其它的

一些判据

文献[16]提出基于故障测距的单相自动重合闸永久故障电压自适应补偿判据，提出利用故障测距结果，对故障相电感电压自适应补偿求出故障点电压，并求出瞬时故障时故障点电容耦合电压作为定值，当故障点电压小于该定值既为永久性故障，反之为瞬时性故障。并利用CT估算线路侧电压，摆脱了对线路侧PT的依赖。该方法的正确应用有赖于测距的结果，在高阻故障时可能失效。且仅适用110-220 kV和不带并联电抗器的330-500 kV线路。 文献[17]基于瞬时故障与永久故障情况下断开相电压的截然不同，提出了区分瞬时性故障与永久性故障的相位判别方法，适用于带或不带并联电抗器的超高压输电线路，但是在线路首端发生大过渡电阻短路时需用到幅值作为辅助判据，且在超高压线路上，互感阻抗角小于90°时，判据存在一定的误差。

文献[18]提出带并联电抗器输电线路单相重合闸永久故障的识别原理研究，分析了超高压输电线路带并联电抗器情况下的故障相电流特性，提出了利用流过并联电抗器故障相的电流与流过中性点小电抗器的电流的幅值比判别瞬时性故障和永久性故障的方法，并利用单端工频量，避免了利用暂态信号存在的困难。

文献[19]提出带并联电抗器的超高压输电线单相自适应重合闸的研究，由于并联电抗器的存在，在有并联电抗器补偿的线路上，不仅恢复电压中的工频分量将减小，而且由于恢复电压会出现拍频特性，断开相电压幅值不能始终满足电压判据，这时从电压大小上难以可靠地判别故障性质，但恢复电压的拍频现象却为区分瞬时性故障和永久性故障提供了显著的特征。

1.4 人工神经网络等数学方法在自适应重合闸中的

应用

文献[20-25]提出了以人工神经网络为分析基础的自适应重合闸方案，将系统状态量及外部量值作为神经网络的输人，使神经网络经过训练学习以后学会特定的映射关系，那么当实际系统参数输人网络后，网络可以根据内部处理结果输出是否合闸的信号。人工神经网络(ANN)具有高度神经计算能力

以及极强的自适应性、鲁棒性和容错性，它可以充分利用很多简单判据所不能利用的复杂故障特征，并可以改进和综合简单判据，使故障判定更为准确可靠。但需要对大量离线样本予以训练，复杂度较高。

文献[26]提出基于小波及小波包分析的自适应重合闸，输电线路瞬时性故障断路器跳闸后电弧熄灭前，由于电弧重燃导致产生尖顶波电压，电弧熄灭后才趋于工频恢复电压；而永久性故障除电弧熄灭时产生高频振荡外并不经历工频电弧重燃阶段。所以如在线路故障跳闸后检测到连续的工频电压尖顶波即可判定为瞬时性故障，并可判定电弧熄灭时间。基于小波分析及小波包分析的自适应单相重合闸的基本原理就是鉴别上述两种情况下的电压波形。

文献[27] 基于侧度分析及模糊集理论的单相自适应重合闸的研究对瞬时性故障时恢复电压分析的基础上，针对以往判据的不足，提出利用电压、电流采样值经滤波后进行多特征的辨识，建立相似性测度，利用模糊集进行综合评定。综合利用电压幅值判据和单端、双端相位判据、功率型判据，并由制定这4个判据的隶属函数，根据各判据的运行经验及稳定性设定各判据的权重，构成模糊集综合判据。当隶属度大于阀值时就判定为瞬时性故障。

2 我国电网建设的动态及对单相自适应重

合闸提出的挑战

目前我国电网主要是以高压和超高压交流输电线路为主，其中220 kV线路共有125500 km，变电容量为350500 MVA；330 kv线路共有10800km，变电容量为20600 MVA；500 kV线路共有39500 km，变电容量为152000 MVA；而士500 kV直流输电线路共有2265 km，变电容量为1440 MVA。上述数据表明，220 kV、500 kV交流输电网是目前我国骨干电网。

我国超高压电网的发展从1972年第一条330 kV 线路，1981年第一条500 kV交流输电线路的投产到2005年9月第一条750 kV线路的建成，经历了33年的历程，而其中500 kV超高压电网的发展经历了输变电设备绝大部分进口到目前全部国产化的进程，超高压电网的发展极大地促进了我国电力系统从制造、规划、设计、建设、安装到运行水平的提高。

特高压电网是指交流1000 kV、直流士800 kV及以上电压等级的输电系统。我国特高压输电工程的规划和建设主要取决于目前大容量远距离输电和用电负荷快速增长的需求，随着超高压电网规模的

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不断扩大，电网电压等级的进一步提高就成为必然。

由于运行电压的提高，特高压系统中过电压与绝缘成为突出问题，尤其是重合过电压更是成为特高压电网绝缘水平的决定性因素，对重合闸操作也提出新的要求，自适应重合闸在特高压线路上的有效应用显得格外重要；同时为了限制工频过电压，超高压、特高压输电线路通常在线路的送端和受端装设并联电抗补偿，为了提高超高压、特高压远距离输电线路的输电能力和系统稳定性，且对输电通道上的潮流分布具有一定的调节作用，需采用串联电容补偿技术。为此针对目前超、特高压长距离线路的特殊性，在研究单相自适应重合闸的同时，需要考虑到线路上并联电抗器及串联补偿电容的影响。

3 单相自适应重合闸的发展

传统的继电保护是基于工频量的保护，新一代的继电保护是暂态保护，即基于检测故障所产生的高频暂态量的输电线路保护，它是利用故障产生的高频分量来实现的。文献[28]指出故障时频率分量丰富的高频信号含有丰富的故障信息，高频分量的产生与线路参数、故障情况等有关，而与系统运行状况、过渡电阻等无关， 因此基于暂态量的保护不受工频现象如系统震荡、过渡电阻等的影响，高频分量的检测和识别较工频分量需要快得多的速度， 因而基于暂态量的保护具有快速的特点。充分提取故障时的高频暂态量信息，可以获得更多的故障信息， 以便在实现保护动能之外，实现故障测距、选相、自动重合闸等功能。

在自适应重合闸研究中不仅可利用暂态保护提取的故障高频暂态信息，在文献[29]基于暂态的输电线路方向保护(TBDP)，通过比较各条线路的暂态电流谱能量实现对方向的识别。文献[30-32]中利用小波、数学形态学的方法提取高频暂态分量，并对该信号进行能量谱分析，当区内发生故障时， 在一个时间段内能量差别不大。当区外发生故障时，由于母线杂散电容以及结合电容的影响而大量衰减，因此可通过比较高低频的能量谱对区内外故障做出判断。对于单相自适应重合闸的研究，因为瞬时故障与永久故障情况下，高频暂态信号也呈现很大的差异，将上述提取暂态信号并进行谱能量分析的方案，应用于故障类型的识别中不失为一个大胆的借鉴。

在电力系统中，系统故障通常反应为电压、电流信号的突变，但信号的突变往往不太明显，为了把不太明显的的暂态突变特征更加明显的表现出

来，常采用傅里叶变换和小波变换对突变量进行积分处理，但是不足之处在于需要保证足够宽度的采集数据窗口，且积分变化结果对于输入信号会带来相移和幅值衰减。数学形态学作为一种非线性的分析方法，且对信号特征的提取完全在时域中进行，信号相位移和幅值特性不会变化。数学形态学方法用于信号处理时只取决于待处理信号的局部形状特征，比传统的线性滤波更为有效，在有效的消除信号噪声的同时保留原信号的全局和局部特征。它计算简单，其算法只有加减法和取极值计算，不涉及乘除法，因而可以对信号进行实时处理。因此在单相自适应重合闸中，数学形态学的分析方法的应用也有一定的前景。

故障过程中的电弧现象包含了很多丰富的暂态信息，国外专家对基于电弧电压特性的自适应重合闸的研究已经有了很大的成果，但在国内，这方面的研究还为数尚少。由于电弧变化的复杂性，以及持续时间相对短暂，对它的研究存在很多难点:一次电弧持续时间非常短，而且由于在故障初瞬间，系统中含有大量复杂的暂态信号相比之下，电弧信号十分微弱，这样就使得在一次电弧阶段，电弧本身固有的一些特性不易在此时的线路电压中体现；与此同时，电弧重燃电压的不断变化以及电弧熄灭时刻的确定成为二次电弧研究的难点之一。因此，故障中出现的电弧，还有很大的研究潜力。 参考文献

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作者简介：

程 玲(1983-），女，硕士研究生，研究方向为特高压电网单相自适应重合闸;E-mail: chengling_1983xy@ 163.com

徐玉琴(1964-)，女，教授，主要从事电力系统继电保护新原理与新技术、电力系统分析与控制方面的研究。