吳巧玲，繆希仁，葉鎏芳

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高壓輸電線路短路故障早期檢測研究

吳巧玲1，繆希仁1，葉鎏芳2

(1.福州大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108；2.國網(wǎng)廈門供電公司，福建 廈門361000)

為提高電力系統(tǒng)供電可靠性和電能質(zhì)量，高壓快速轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)運(yùn)而生，而現(xiàn)有故障檢測技術(shù)大多需要數(shù)個(gè)毫秒的時(shí)間，對高壓快速轉(zhuǎn)換開關(guān)而言略為緩慢。提出將小波變換應(yīng)用于高壓輸電線路短路故障早期檢測上，采用小波變換第四尺度細(xì)節(jié)分量作為故障特征量?；贛atlab/Simulink仿真平臺(tái)，通過設(shè)置合理的短路判斷閾值，可將短路故障與空載合閘、功率補(bǔ)償及負(fù)荷投切等系統(tǒng)操作引起的過電壓和涌流區(qū)分開來，驗(yàn)證了此方法的可行性。仿真結(jié)果表明，小波變換方法最短可在0.2?ms時(shí)間內(nèi)辨識(shí)出短路故障。小波變換短路故障早期檢測技術(shù)與高壓快速轉(zhuǎn)換開關(guān)的有機(jī)結(jié)合將為電力系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行提供有利的保障。

高壓快速轉(zhuǎn)換開關(guān)；小波變換；短路故障；早期檢測；過電壓和涌流

0 引言

隨著堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的建設(shè)，電力系統(tǒng)朝著高電壓、大容量方向發(fā)展。為提高供電系統(tǒng)可靠性及電能質(zhì)量，眾多學(xué)者前赴后繼地研究和開發(fā)高壓快速轉(zhuǎn)換開關(guān)。目前主要的快速操動(dòng)機(jī)構(gòu)有電磁推力機(jī)構(gòu)。電磁推力機(jī)構(gòu)速度比傳統(tǒng)的氣動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)和彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)等迅速，并且動(dòng)作分散性小。電磁推力機(jī)構(gòu)可在若干毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)分閘，平均速度可達(dá)到10?m/s[1-2]，大于現(xiàn)有普通交流真空斷路器1~2?m/s的平均分閘速度[3]。

快速操縱機(jī)構(gòu)動(dòng)作指令來源于系統(tǒng)保護(hù)提供的故障確認(rèn)信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，大容量高速開關(guān)裝置動(dòng)作判據(jù)一般是基于電流變化率、電流瞬時(shí)值及電流變化量等方法，即短路電流變化率、短路電流值或者電流變化量大于整定值，此時(shí)距離短路故障發(fā)生已有幾個(gè)毫秒的時(shí)間[4-8]。目前，短路電流早期檢測已在低壓配電系統(tǒng)中加以技術(shù)實(shí)現(xiàn)，已可在300?μs內(nèi)實(shí)現(xiàn)低壓短路電流的早期故障判別[9]，因此，本文將早期檢測技術(shù)引入高壓輸電線路短路故障處理，利用盡量短的時(shí)間判斷出短路故障。在此基礎(chǔ)上，利用快速操動(dòng)機(jī)構(gòu)快速分?jǐn)喙收想娏骰蛘咄度胂蘖髌鱗10]，以減少短路故障帶來的過熱損壞和導(dǎo)體間大機(jī)械應(yīng)力破壞，在對電網(wǎng)電壓質(zhì)量要求極高的情況下，也可將線路在幾個(gè)毫秒的時(shí)間內(nèi)切換到備用電源上，很大程度上提高了供電可靠性，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行[2]。

本文在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上建立高壓輸電線路模型，從而驗(yàn)證短路故障早期檢測方法的適用性和快速性。結(jié)果表明，此方法可迅速而準(zhǔn)確地判斷出短路故障，最短故障識(shí)別時(shí)間為0.2?ms，為高速開關(guān)裝置動(dòng)作奠定可靠的操作基礎(chǔ)。

1 基于小波變換的早期故障檢測理論

1.1 短路故障檢測現(xiàn)狀

在電力系統(tǒng)中，短路故障是最常見且危害性大的一種故障類型，因此，盡早檢測出系統(tǒng)中的短路故障，并采取一定的保護(hù)措施具有極大的意義。目前，針對短路故障故障檢測已有大量的研究文獻(xiàn)，并取得了一系列研究成果。傳統(tǒng)的短路故障檢測方法采用電流瞬時(shí)值或真有效值法作為短路判據(jù)[4]，鑒于高壓線路短路故障電流最大值通常發(fā)生在故障后5~10?ms[11]，以此為判據(jù)速度較慢。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]提出以電流變化率作為短路故障特征，利用短路瞬間電流變化率大的特點(diǎn)判斷短路故障的發(fā)生，此法也需要毫秒量級(jí)的判斷時(shí)間。文獻(xiàn)[8]提出一種綜合實(shí)時(shí)電網(wǎng)電壓和功率異常變化的方法來檢測電網(wǎng)中的短路故障，此方法對濾波處理有較高要求，檢測判斷時(shí)間為2~4?ms。文獻(xiàn)[12]采用線路電流波形曲率判別短路故障，利用故障電流突變點(diǎn)進(jìn)行判斷，但電流突變點(diǎn)波形曲率值較小，易受現(xiàn)場環(huán)境干擾，此判斷并不十分可靠。以上的短路故障檢測方法檢測時(shí)間都在若干毫秒，相對于快速操縱機(jī)構(gòu)來說，檢測速度略為緩慢。

1.2 小波變換原理

本文提出應(yīng)用小波變換檢測線路短路故障，在短路故障發(fā)生初始時(shí)刻，由于負(fù)荷急劇減小，電流幅值變化相當(dāng)明顯。被譽(yù)為信號(hào)的“顯微鏡”的小波變換，很適合于探測故障信號(hào)中由于電流變化突出而帶來的瞬態(tài)反常現(xiàn)象，可快速提取出短路故障特征量?；诙喾直媛史治龅男〔ㄗ儞Q，利用正交小波基將信號(hào)分解為一組高頻細(xì)節(jié)分量和低頻平滑分量，再繼續(xù)將低頻分量分解為下一級(jí)高頻和低頻分量[13]，其快速遞推公式如下。

考慮到B樣條正交半波函數(shù)具有顯式解析式，計(jì)算簡單，易于實(shí)現(xiàn)，且多尺度三次B樣條分解得到的細(xì)節(jié)分量可剔除高頻噪聲干擾，又可表征信號(hào)突變量大小[14]，本文以三次B樣條函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)為小波函數(shù)，其低通及帶通濾波器的脈沖響應(yīng)系數(shù)為0=?-2，1=?2；-1=2=?0.125，0=1=?0.375。

由于第四尺度小波分量既能適當(dāng)?shù)靥蕹肼暩蓴_，又保留足夠的故障信號(hào)奇異性強(qiáng)度以檢測出早期短路故障[15-16]，因此本文利用經(jīng)多尺度小波分解得到的第四尺度細(xì)節(jié)分量作為特征量，作為故障判斷依據(jù)。以下闡述中s00表示原始信號(hào)，cd1、cd2、cd3、cd4分別表示原始信號(hào)經(jīng)小波分解得到的第一到第四尺度細(xì)節(jié)分量、、、。細(xì)節(jié)分量的幅值大小可表現(xiàn)出信號(hào)的奇異性，為使分解結(jié)果跟直觀明了，本文所有的細(xì)節(jié)分量都經(jīng)絕對值處理。

2 短路故障早期檢測的仿真驗(yàn)證

本文基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，建立110?kV輸電線路短路故障仿真模型如圖1，其中線路參數(shù)來自于福建廈門某地。主要設(shè)備參數(shù)如下：三繞組變壓器SFSZ9-180000/220，各容量比為180/180/?90 MVA，電壓比為220/121/10.5 kV，連接組別YN，yn0，d11，其中220?kV和110 kV繞組變壓器中性點(diǎn)接地；輸電線路總長度為7.5 km，電抗為0.34 Ω，電阻為0.098 ?Ω。當(dāng)輸電線路長度不超過100?km時(shí)，可忽略線路中電容的影響，用RLC串聯(lián)電路來等效表示。本文選用ode23tb變步長解算器對仿真模型進(jìn)行解算。

小波變換可在短時(shí)間內(nèi)檢測出信號(hào)的奇異性，當(dāng)線路發(fā)生短路時(shí)，信號(hào)發(fā)生突變，小波第四尺度特征明顯，可作為短路故障判斷依據(jù)。然而當(dāng)線路在空載合閘、功率補(bǔ)償及負(fù)荷投切等情況下，電流信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生變化。本文對這些情況下的負(fù)載變化也進(jìn)行了仿真，并且將小波變換第四尺度細(xì)節(jié)分量cd4的算法寫入S-function模塊，直接在示波器上顯示cd4的標(biāo)么值cd4*，其中cd4標(biāo)么值的基準(zhǔn)值為故障點(diǎn)正常運(yùn)行條件下其值對應(yīng)的最大值，使得仿真結(jié)果更為實(shí)用直觀。結(jié)果表明，合適的短路故障判斷閾值cd4*的選擇即可避免其他負(fù)荷變化情況下的誤判。

圖1 110??kV輸電線路短路故障仿真模型

2.1 短路故障

在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上可對輸電線路任意位置任意故障類型進(jìn)行設(shè)置。本文選取A相短路故障進(jìn)行仿真，短路故障點(diǎn)設(shè)置在線路末端。設(shè)置短路故障發(fā)生在0.04?s時(shí)刻，持續(xù)時(shí)間0.08?s，故障在0.12?s時(shí)刻短路結(jié)束。利用小波變換對短路故障信號(hào)進(jìn)行分解，得到圖2。

圖2短路電流信號(hào)小波分解各細(xì)節(jié)分量

由圖2可知，經(jīng)過小波變換逐層提取高頻分量作為故障特征，特征值數(shù)量等級(jí)逐漸增加，特征量越明顯，cd4足以快速而準(zhǔn)確地判斷出短路故障，具備足夠的識(shí)別故障能力。此外，小波變換具有一定的濾波作用，采用cd4作故障特征量可在一定程度上消除噪聲的干擾。故本文選取小波變換第四尺度細(xì)節(jié)分量cd4作為故障特征量。在此說明，由公式可知，小波分解需要一定量的歷史數(shù)據(jù)，隨著分解程度增加，需要的歷史數(shù)據(jù)也逐漸增加，即分解起步時(shí)間逐漸變長。本文選擇第四尺度小波高頻分量作為特征量，此時(shí)分解起步延遲29個(gè)點(diǎn)，在采樣頻率為100?kHz的條件下，延遲時(shí)間為0.29?ms，即延遲時(shí)間內(nèi)并不可判斷短路故障，故本文均假設(shè)故障發(fā)生時(shí)刻在延遲時(shí)間之后。

由圖3可知，短路故障發(fā)生瞬間，對應(yīng)的cd4*分量突增至20，最大值可達(dá)到30。若取短路判斷閾值為15，對應(yīng)的時(shí)間為0.040?2?s；若取短路判斷閾值為20，對應(yīng)的時(shí)間為0.040?9?s；若取短路判斷閾值為25，則對應(yīng)的時(shí)間為0.042?s。由此可見，小波變換第四尺度細(xì)節(jié)分量可快速提取故障特征，故障特征量變化明顯，具體的故障識(shí)別時(shí)間取決于短路判斷閾值的大小。短路故障的閾值選取必須適當(dāng)，才能同時(shí)確?？焖傩院蜏?zhǔn)確性。

圖3 短路電流波形及其對應(yīng)的cd4*波形

2.2 變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流

輸電線路變壓器空載合閘會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流[17]。由于變壓器是感性負(fù)載，鐵芯磁路不能發(fā)生突變，合閘瞬間系統(tǒng)外加電壓使得磁路需要產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)磁通來平衡磁路，引起磁通密度飽和，導(dǎo)致勵(lì)磁電流激增，產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。這使得空載合閘電流產(chǎn)生巨大的波動(dòng)，并且需要幾個(gè)周波甚至數(shù)秒之后才可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。變壓器空載合閘具有隨機(jī)性，一般不會(huì)出現(xiàn)無瞬態(tài)勵(lì)磁現(xiàn)象，而在有瞬態(tài)勵(lì)磁現(xiàn)象中，最為嚴(yán)重的勵(lì)磁涌流發(fā)生在系統(tǒng)電壓過零合閘時(shí)刻，最大幅值可達(dá)到額定電流值的5~8倍[18-19]?？蛰d合閘勵(lì)磁涌流與合閘時(shí)電壓初相角、鐵芯剩磁、變壓器容量等有關(guān)[20]。為驗(yàn)證小波變換第四尺度細(xì)節(jié)分量cd4*辨別空載合閘和短路故障的能力以及提供參考閾值的設(shè)定，本文的仿真在110?kV輸電線路末端連接一個(gè)變壓器，額定功率為50?MVA，電壓比為121:10.5?kV，變壓器帶空載，在電壓為0時(shí)刻合閘，此時(shí)產(chǎn)生涌流最大，仿真結(jié)果如圖4。

圖4 空載合閘勵(lì)磁涌流波形及其對應(yīng)的cd4*波形

由圖4可知，變壓器空載合閘引起的鐵芯飽和導(dǎo)致勵(lì)磁電流劇增，使得線路上的電流發(fā)生畸變。經(jīng)小波變換分解之后，勵(lì)磁涌流的cd4*的最大值還不到4，遠(yuǎn)小于短路故障cd4*的最大值。

2.3 無功補(bǔ)償涌流

因電力系統(tǒng)中存在變壓器、電動(dòng)機(jī)等感性設(shè)備，造成輸電線路功率因數(shù)下降、電壓降低，為提高電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，需要對輸電線路進(jìn)行無功補(bǔ)償?，F(xiàn)有的無功補(bǔ)償朝著高壓方向發(fā)展，高壓線路無功補(bǔ)償對電網(wǎng)運(yùn)行效率的提高起到至關(guān)重要的作用[21-22]。然而對電力系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，由于電容器投切的隨機(jī)性，可能出現(xiàn)合閘過電壓的最大值為線路正常電壓值的兩倍，對應(yīng)出現(xiàn)的最大合閘涌流可達(dá)到正常運(yùn)行電流值的5倍左右[23]。線路具體的過電壓和過電流與無功補(bǔ)償器件參數(shù)有關(guān)，無功補(bǔ)償電容器通常會(huì)串聯(lián)電抗器以限制合閘涌流，即無功補(bǔ)償既給系統(tǒng)注入容性無功，也包含少量的感性無功?？紤]到無功補(bǔ)償對短路故障早期檢測的影響，對此進(jìn)行仿真驗(yàn)證，在110?kV輸電線路末端并聯(lián)一個(gè)容量為1 000 kvar容性無功和2 kvar感性無功的負(fù)載取代原模型圖中的變壓器。當(dāng)系統(tǒng)電壓最大時(shí)投入負(fù)荷，本模型負(fù)荷投入后產(chǎn)生約1.6倍于額定電流的涌流，如圖5所示。

輸電線路上的無功補(bǔ)償易使得系統(tǒng)的電流值發(fā)生異常的變化，對線路造成沖擊。由圖5可知，無功補(bǔ)償?shù)腸d4*的最大值約為9，電流畸變明顯，但其最大值還是明顯小于短路故障信號(hào)cd4*的值，僅約為其最大值的三分之一。

圖5無功補(bǔ)償涌流波形及其對應(yīng)的cd4*波形

2.4 線路合閘負(fù)荷變化

當(dāng)輸電線路末端因故障或者檢修需要開斷后，重新投入線路負(fù)荷，即系統(tǒng)又并聯(lián)了一條線路，必然會(huì)引起線路電流增大。計(jì)及此情況下的負(fù)荷變化，本文的模型在輸電線路末端并聯(lián)了另一負(fù)載代原模型圖中的變壓器，設(shè)置負(fù)載功率為20?MW，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 負(fù)荷變化電流波形及其對應(yīng)的cd4*波形

由仿真結(jié)果可知，輸電線路末端的負(fù)荷投切時(shí)引起系統(tǒng)電流變化，對應(yīng)的cd4*的最大值約為5，適當(dāng)?shù)亩搪烽撝颠x取能夠完全避開負(fù)荷變化帶來的干擾。

3 結(jié)論

基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)所建立的高壓輸電線路早期檢測模型驗(yàn)證了小波變換第四尺度細(xì)節(jié)分量cd4辨識(shí)短路故障的快速性和有效性，短路識(shí)別時(shí)間極短，在避開空載合閘、功率補(bǔ)償及負(fù)荷投切等負(fù)載變化的干擾情況下，當(dāng)短路判斷閾值cd4*取15時(shí)，僅需0.2?ms即可判斷出短路故障。況且，隨著相控技術(shù)的發(fā)展成熟，此技術(shù)在變壓器空載合閘、電容器投切等領(lǐng)域的應(yīng)用，可抑制系統(tǒng)出現(xiàn)的過電壓和涌流[24-25]。這就使得小波變換在短路故障早期檢測方面的應(yīng)用上如虎添翼，有望更進(jìn)一步縮短故障檢測時(shí)間，提高短路故障早期檢測的靈敏性和可靠性。小波變換早期檢測技術(shù)與高壓快速轉(zhuǎn)換開關(guān)的結(jié)合可為堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供有利的技術(shù)保障。

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(編輯 魏小麗)

Research on early detection for short-circuit fault in high-voltage transmission line

WU Qiaoling1, MIAO Xiren1, YE Liufang2

(1College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China; 2State Grid Xiamen Electric Power Co., Ltd., Xiamen 361000, China)

High-voltage fast transform switch is applied to improve the reliability of the power supply and power quality. However, most of the existing fault detection technologies need several milliseconds to detect short-circuit fault. It’s a bit longer for fast transform switch. In this paper, wavelet transform is applied to high-voltage transform line on the early detection, being characterized with the fourth dimension detail component of wavelet transform. The method is verified on Matlab/Simulink platform. It can separate short-circuit fault from overvoltage and inrush current caused by no-load switching, load switching and reactive power compensation. The simulation result shows the wavelet transform can identify the fault within 0.2?ms. Combining wavelet transform early detection technology with high-voltage fast transform switch will contribute to a stable and reliable power system.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51377023).

high-voltage fast transform switch; wavelet transform; short-circuit fault; early detection; overvoltage and inrush current

10.7667/PSPC151255

2015-07-20；

2015-10-12

吳巧玲(1990-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄茈娖骷霸诰€監(jiān)測技術(shù)；E-mail: qiaoqiaoling_fzu@163.com

繆希仁(1965-)，男，博士，教授，主要從事電器及其系統(tǒng)智能化技術(shù)、電氣設(shè)備在線監(jiān)測與診斷、新型電器技術(shù)等方面的研究；

葉鎏芳(1990-)，女，助理工程師，研究方向?yàn)橹悄茈娖骷霸诰€監(jiān)測技術(shù)。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51377023)