基于電力系統(tǒng)輸電線路行波及其距離保護(hù)概述

李微

摘? 要：距離保護(hù)廣泛應(yīng)用于110kV及以上輸電線路中作為后備保護(hù)。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，大容量、高電壓的輸電線路對距離保護(hù)提出了更高的要求。當(dāng)前保護(hù)原理已從傳統(tǒng)的時域計(jì)算，發(fā)展到基于頻域的工頻分量計(jì)算，然后再利用保護(hù)測量處故障暫態(tài)信號中的測量電壓、測量電流構(gòu)成保護(hù)判據(jù)。準(zhǔn)確快速地提取故障分量中的工頻信號對繼電裝置性能的改善有十分重要的作用，因此對其輸電線路的行波分析與距離保護(hù)研究非常有意義。

關(guān)鍵詞：行波;距離保護(hù);測量;算法

中圖分類號：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）11-0060-02

Abstract： Distance protection is widely used as backup protection in 110KV and above transmission lines. With the continuous development of power system， large capacity， high voltage transmission lines put forward higher requirements for distance protection. At present， the protection principle has been developed from the traditional time domain calculation to the power frequency component calculation based on the frequency domain， and then the protection criterion is composed of the measured voltage and current in the fault transient signal of the protection measurement. Therefore， accurate and fast extraction of power frequency signals from fault components plays a very important role in improving the performance of relay devices， so it is very meaningful to study the traveling wave analysis and distance protection of transmission lines.

Keywords： traveling wave; distance protection; measurement; algorithm

引言

為保障高壓直流輸電系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，在工程中配備了完備的高壓直流保護(hù)系統(tǒng)。在目前的直流輸電工程中，高壓直流輸電線路的保護(hù)主要有：行波保護(hù)、微分欠電壓保護(hù)、直流線路縱差保護(hù)等。行波保護(hù)通常作為高壓直流輸電線路的主保護(hù)，利用線路故障時的行波信息判斷故障，具有高速動作性能，通常能在幾個毫秒內(nèi)動作。微分欠壓保護(hù)作為行波保護(hù)的后備保護(hù)，是最基本、簡單的保護(hù)。

1 工頻故障測距要求

電力系統(tǒng)輸電線路發(fā)生故障時，70%以上為單相接地故障，而其他故障大多由單相接地故障發(fā)展而成。因此繼電保護(hù)裝置準(zhǔn)確、快速的識別單向故障具有重要意義。單相線路發(fā)生單相接地故障時保護(hù)的動作情況是目前主要分析研究的對象。長距離輸電線路中，分布電容僅對故障電流中的高頻分量產(chǎn)生影響。若濾去故障信息中的高頻分量，僅考慮工頻分量，長距離輸電線路可以忽略分布電容效應(yīng)，簡化為RL模型。此時模型與實(shí)際線路相符，測距誤差可控制在10%以內(nèi)，能夠滿足繼電保護(hù)的要求。

2 工頻量信息提取

眾多學(xué)者均知道如何進(jìn)行準(zhǔn)確提取故障暫態(tài)過程中保護(hù)安裝處測量量的頻率成分，這是解決故障測距準(zhǔn)確的前提。傳統(tǒng)的方法無法準(zhǔn)確、快速的提取故障信息中的頻率成分，如何可以實(shí)現(xiàn)解決普性存在的頻率泄漏影響，并且可以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的計(jì)算信號幅值和相位的方法，是目前學(xué)術(shù)難以解決的瓶頸，經(jīng)過多年的探索，后期有人提出基于快速向量算法的頻率提取法，可以測量信號中的任意一個頻率對應(yīng)的幅值和相位。該方法的主要思路是將信號表示為一系列衰減的指數(shù)函數(shù)之和，通過一系列變換得到矩陣，當(dāng)階數(shù)太高時，只有通過多次數(shù)值轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步降階，使矩陣分解等方法快速準(zhǔn)確的求解該矩陣的特征值，進(jìn)而得到信號中的頻率、幅值、相位及衰減因子。

3 超壓輸電線路電容電流研究

a電壓的平方成正比可知，努力提高輸電線路中電壓等級可以有效的減少輸電線路的線損，一般情況下當(dāng)線路較短的情況下，線路中存在的分布電容也比較小，由此產(chǎn)生的電流基本可以忽略不計(jì)，但是當(dāng)超高壓輸電線路距離較遠(yuǎn)，均采用分裂導(dǎo)線傳輸，這樣則會造成兩方面的影響：使線路的電感數(shù)值變得更小;相對使對地電容數(shù)值增大，進(jìn)一步使相與地相與相之間的分布電容電流顯著增加，這一數(shù)值非常的高，更可能造成電容電流對差動保護(hù)產(chǎn)生很大的影響，同時會使得線路兩端的電壓、電流的幅值大小和相位大小都發(fā)生很大的畸變，如何解決這一因素、如何處理這課題問題一直被予以重視，其核心在于實(shí)現(xiàn)保護(hù)不會發(fā)生誤動，或者是應(yīng)該動作卻未發(fā)生動作。

4 直流輸電行波優(yōu)勢

交流線路中的行波傳輸?shù)奶攸c(diǎn)已經(jīng)有許多的研究成果，因?yàn)榻涣骶€路具有三相線，三相線不一定完全對稱，三相線還有換位的問題，所以對交流線路的行波的精確公式表達(dá)就非常復(fù)雜。然而高壓直流輸電線路沒有相位和頻率等一些參數(shù)，行波只是在故障點(diǎn)和換流站直接來回反射和向外折射。把行波的故障分量提取出來，對其進(jìn)行研究得出行波保護(hù)的基礎(chǔ)理論，這樣的行波保護(hù)有動作速度很快，過渡電阻和干擾信號以及系統(tǒng)的震蕩等不能影響到它的巨大優(yōu)點(diǎn)，行波在直流線路上的傳播的性質(zhì)比其在交流線路上的傳播性質(zhì)更加理想。此外行波中還含有十分豐富的代表故障類型的信息，并且能夠快速的在線路上傳播（接近于光速）。所以直流輸電線的保護(hù)通常采用行波的電氣量作為判據(jù)量。

5 傳輸線路行波推理

輸電線路中傳播的電磁波的最高的頻率對應(yīng)的最短波長與輸電線路的總長的比例是劃分分布參數(shù)電路與集中參數(shù)電路的依據(jù)。輸電線路中傳播的電磁波的最高的頻率對應(yīng)的最短波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸電線路的長度時，就用集中參數(shù)電路模擬;否則就用分布參數(shù)電路才能恰當(dāng)?shù)哪M。顯然，遠(yuǎn)距離輸電線路是標(biāo)準(zhǔn)的分布參數(shù)線路，所以要對其進(jìn)行研究就要先建立起分布參數(shù)線路的模型。

對單導(dǎo)線-地的電路模型的分析是分析高壓直流雙極輸電線路的基礎(chǔ)。一根長的輸電線可以被看成無窮多個長dx的小段的連接，如圖1所示。每一個dx的電阻為r0，電感為L0，對地電容為C0，對地電導(dǎo)為g0，線路的這些參數(shù)都是頻率的函數(shù)，但分析波的基本特征時，可以假設(shè)它們?yōu)槌?shù)，圖1即是單根均勻傳輸線的電路模型。

因?yàn)檩旊娋€路和大地之間的空氣的電導(dǎo)非常小，而且為了使分析簡化，再次忽略電阻、電導(dǎo)，也就是假設(shè)線路是無損耗的單根導(dǎo)線線路。 從上式可以看出頻率是能影響到輸電線路的波阻抗和傳播速度的，不同的頻率就能決定不同的波阻抗和波速，且其值不受輸電線路的長度的影響，而是受輸電線路的結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。當(dāng)電磁波在無損輸電線路上傳播時，電磁波的能量以電磁能的方式儲存在四周的介質(zhì)之中，這一點(diǎn)是與電阻將電能消耗掉所不同的。傳播常數(shù)就是電磁波在輸電線路上傳送的衰減系數(shù)。

6 結(jié)論

相比于交流系統(tǒng)而言，將行波保護(hù)運(yùn)用于直流系統(tǒng)中要更優(yōu)于交流系統(tǒng)。這是因?yàn)榻涣飨到y(tǒng)中的行波傳輸受母線結(jié)構(gòu)變化的影響較大，并且交流中從區(qū)外傳輸來的行波能夠折射到區(qū)內(nèi)線路中，這對區(qū)內(nèi)外行波的識別帶來了困難。而直流輸電線路結(jié)構(gòu)簡單，不存在這些問題。

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