高壓輸電線路故障后的暫態信息與保護

0高壓線路單端量和行波距離保護方案的選擇目前，超高壓輸電線的繼電保護技術可分為兩種類型：單端量保護和垂直保護。傳統的基于故障工頻分量的單端量保護例如距離保護,它的明顯缺陷是無法保護線路的全長;而縱聯保護盡管可以保護全線路,但需要通信裝置以及通道的巨大投資,而且其保護的可靠性依賴于通信通道和設備的可靠性。顯然,能夠保護線路全長而且不需要通信的單端量保護方案,具有明顯的優越性。實際上,故障的暫態高頻分量中包含比工頻分量更多的諸如故障點的位置、故障方向、故障類型等故障信息,因此充分利用暫態故障高頻信息完全有可能實現高壓線路的單端絕對選擇性無通信保護。行波保護的本質也是反映故障暫態分量的保護方案,但是僅僅使用單端量無法判別區內或區外故障。不論是行波判別式方向保護還是行波極性比較式保護,都需要對端母線的信息;行波距離保護方案則由于無法區別行波性質(是來自故障點還是來自對端母線的反射)以及不能判斷電壓過零點故障而無法推廣應用。但有一點可以肯定,即反映故障暫態高頻信息的保護方案——暫態量保護(TransientBasedProtection)尤其是單端無通信保護,是目前繼電保護新原理的發展方向,行波保護僅是暫態量保護的開端。1故障產品的頻域類型高壓輸電線路故障時產生的高頻暫態分量包含相當寬的頻帶范圍,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生原因主要有以下三個方面:第一,由于故障瞬間相當于在故障點加上一個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在頻域中即包含整個頻譜;第二,由于線路的分布參數造成電壓、電流行波的來回折反射,導致電壓或電流在暫態過程中波形發生畸變,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生的弧光電阻的非線性,直接產生了大量的頻率范圍較寬的高頻分量。另外,由于輸電系統在實際中并非為純粹的線性系統,因而即便在電壓過零點時發生故障且不產生弧光的情況下,也產生一定的高頻分量。因此,只要可靠地檢測故障產生的高頻分量,并區別于系統中的噪音成分,就可以實現高壓輸電線路的單端量保護。2暫態高頻分量的保護反映故障暫態量的保護在國外也是從行波保護的研究開始,隨著超高壓輸電系統的發展,系統穩定性要求保護切除故障時間更短,研究發現,基于行波和故障產生暫態高頻分量的保護可以滿足要求。但由于數學工具和信號提取設備的限制,只能對暫態高頻信號進行簡單的識別,因此保護方案仍然離不開線路兩端的通信。進入90年代,隨著數學的發展以及快速運算的微處理器和快速信號采集處理器(DSP)的出現,使得信號識別和處理得到飛速發展,這就為單端判別故障提供了依據。反映故障暫態高頻分量的保護方案紛紛出現,有的已經通過試驗即將應用于電網。我國的暫態量保護仍然僅限于行波保護,但在保護原理上又得到了新的提高。2.1高頻電壓信號的提取回路利用線路兩端的阻波器將區內故障時產生的暫態高頻電壓信號封閉在被保護線路以內,而將區外故障時產生的暫態高頻電壓信號阻擋在被保護線路之外這一特征是文獻與提出的保護原理的基本思想。假定阻波器的諧振頻率中心為fc,則當發生區內故障時,由于阻波器的作用使得頻率中心為fc的窄頻帶的暫態電壓信號封閉在被保護線路中;而當區外故障時,由于阻波器的阻隔,使得這一頻帶的電壓信號不能傳輸到被保護線路。該保護的原理正是基于這一故障特點構成。為了解決CVT無法傳變高頻電壓的缺陷,特別設計了一個調諧(帶通濾波器)電路,并將此電路的頻率中心調節至fc,這樣由阻波器、帶通濾波器以及CVT構成了高頻電壓信號的提取回路。這種保護方案的優點是可以在單端實現線路全部的保護,而且節省了通信投資;不受系統中由于故障產生的噪聲的影響,大大提高了保護的可靠性;動作速度快,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阻波器,增設帶通濾波回路,增大了設備的投資;采用傅里葉頻譜分析方法,當電壓接近零點短路或者故障電阻較大時,系統中高頻電壓的幅值大大降低,用傅里葉分析法對弱小信號的檢測靈敏度大大降低;當發生單相接地故障時,故障相的電壓波是在母線與大地之間來回折反射,因此測量到的故障相電壓衰減很快,甚至僅僅表現為一個脈沖,降低了動作可靠性。故障選相成為該保護的另一個難題,文獻提出了應用神經網絡的故障選相方案。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,但由于調諧電路只能傳變一個較窄頻帶的電壓信號,因此給故障選相帶來了困難。單純對接收到的信號進行頻率分析,只能對信號在幅值上進行分析,易導致高頻電壓信號較弱時,選相元件的靈敏度受到很大的影響。文獻則巧妙地利用線路已有高頻通信系統的接收裝置和線路兩端的方向元件判斷區內或區外故障。當發生區內故障時,高頻通信裝置的開關都處于打開狀態,這樣故障產生的高頻暫態電壓信號將傳向線路兩端,從而被線路兩端的高頻電壓傳感器接收到。而當區外故障時,由方向元件判斷為反向故障的一側母線上的高頻通信裝置的開關處于閉合狀態,這樣,故障產生的高頻暫態電壓將通過結合設備流入大地,對端方向元件盡管檢測到的是正向故障,但由于檢測不到高頻暫態電壓,因而也不會動作。盡管文獻對上述原理作出了理論上的論證,并且提出了實現方案,但不難發現該原理的致命缺陷:電壓互感器無法傳變暫態高頻信號,只能利用調諧電路接收某一窄頻帶的高頻電壓信號;仍然需要在保護兩端裝設方向保護元件,而且方向元件的動作時間決定了整套保護的動作時間。2.2基于故障暫態電流的保護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。目前有人正在研究光學互感器,它將使一次側各種頻率的電流準確地傳變到二次側。這就使得基于故障暫態電流比基于故障暫態電壓有明顯的優勢。文獻仍然利用線路兩端的阻波器,使得區內故障的某個窄頻帶的高頻暫態電流被封閉在被保護線路中,而區外故障的該頻帶暫態高頻電流被阻擋在被保護線路以外。該文獻仍然對提取的信號進行頻率分析,并利用神經網絡對不同頻率分析的結果加以識別。不難發現,該保護原理存在同文獻類似的缺陷,實際上兩者在本質上沒有太大的差異。文獻則提出了一個新的基于故障暫態電流的保護方案,該原理利用故障暫態電流的不同頻率成分的衰減差異來區別區內、區外故障。當區外故障時,故障產生的暫態電流經過母線時,由于母線的對地雜散電容和結合電容器的影響,對于低頻電流成分呈現出高阻抗而對于高頻電流成分則呈現出低阻抗,因此在保護安裝處測量到的暫態電流的高頻與低頻成分的衰減差別很大;而當區內故障時,高頻與低頻成分的衰減差異較少。利用這一特征區別區內、區外故障。這一保護方案具有很高的價值,它充分利用了TA可以傳變高頻電流的特點,無需在線路兩端增加任何設備。該原理的關鍵在于暫態電流信號不同頻率的分析,該文獻利用多頻道濾波技術來提取不同頻率的電流信號。2.3行波浪涌的識別目前行波保護包括:行波方向、行波差動、行波距離、行波極性比較式縱聯保護。在這一系列的保護原理中,只有行波距離屬于單端量無通信保護的范疇(目前提出的行波距離保護的原理與行波故障測距原理大同小異),其余的保護方案都需要通信設備和通道。而行波距離保護技術的關鍵和難點在于如何分辨第二個行波浪涌的性質,即第二個行波浪涌是在故障點的反射波還是對端母線的反射波。同樣考慮到CVT不能傳變高頻電壓信號,文獻提出利用電流行波的故障測距技術,利用匹配濾波器的方法檢測行波浪涌的性質。文獻則在此基礎上提出了利用暫態電流信號的小波變換模極大值來檢測行波浪涌的到來,并構造特征行波,將電流行波與特征行波同時在不同尺度下進行小波分解,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。當一個行波浪涌到達保護安裝處,對于該點在浪涌到達時刻表現為一個信號的突變,通過小波變換的模極大值可以檢測到這一突變點,通過與構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對于測距是可行的,但對于線路的保護,在動作的快速性上難以保證。實際上行波浪涌中同樣包含極為豐富的故障信息,行波浪涌在本質上是暫態信號的故障分量。3暫態電流的采信釋疑和小波分析所構成的小波觀目前對反映故障產生的暫態量保護的研究大致分為兩大類,即行波保護原理和反應故障產生的高頻分量原理。對行波保護的研究僅僅限于對行波浪涌的性質分析;而對反映故障產生的高頻暫態分量保護的研究也僅僅限于對暫態信號中某個窄頻帶的高頻分量。實際上,故障產生的暫態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。不論是行波保護原理還是反映故障產生的暫態高頻分量保護原理,它們都是利用了故障暫態分量的一部分。僅采用行波特征來構成保護,無法反映電壓過零點時故障;僅采用暫態分量的某個窄的頻帶來構成保護方案具有明顯的缺陷。因此,綜合利用整個暫態分量中的各個頻率特征必然具有相當的優勢。隨著快速數據采集系統(DSP)及信號處理技術的發展,利用對故障產生暫態信號的分析和識別構成無通信保護原理是非常可行的。由于CVT不能傳變高頻電壓信號,因此利用暫態電流信號具有更大的吸引力。文獻提出的利用暫態電流的保護方案值得借鑒,只是對高頻電流信號的處理方法較為落后。小波分析對非平穩信號處理和識別具有很大的優勢,利用它可以對暫態信號進行多分辨分析、時頻分析、多尺度邊緣檢測等,利用小波分析使得對暫態信號的分析和識別更加的快速和精確,尤其是小波的時間窗的自動可調性,對分析和檢測微弱信號提供了方便,這就意味著利用小波分析構成保護的原理的靈敏度具有自適應性。而且上述保護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誤動的情況。小波對不同性質信號的識別具有相當的特長,利用小波分析可以準確識別。目前500kV超高壓輸電線路的兩端大都安裝了阻波器,使得故障時產生的暫態分量區內、區外故障時的特征區別更加明顯,同時為用故障暫態量構成絕對選擇性單端無通信保護提供了有利的條件。4d.《合同法》第5條暫態量保護a.利用故障產生的暫態分量,超高壓輸電線路單端無通信保護的研究具有廣闊的前景。b.由于CVT不能傳變高頻信號,