特高压输电线路单相永久性和瞬时性故障识别

1、带并联电抗器的特高压输电线路单相永久性和瞬时性故障识别摘 要为了使自动重合闸能够可靠重合于瞬时性故障，避免重合于永久性故障，提高系统稳定性和可靠性，人们希望自动重合闸能够识别瞬时性故障和永久性故障。 本文研究了带并联电抗器的高压输电线路发生接地故障时，故障相恢复电压的特性：瞬时性故障时，恢复电压由工频周期分量和非工频衰减分量组成，永久性故障时，恢复电压仅由工频周期分量组成。而功率谱估计法，可以准确估计出工频稳态分量和非工频衰减分量。进而提出测量并联电抗器电压信号，利用此算法检测工频稳态分量和非工频衰减分量，有两条谱线的是瞬时性故障，有一条谱线的是永久性故障。用PSCAD搭建仿真模型，对提出的故障识别判据进行验证。大量仿真结果表明，该判据能可靠地判别出故障类型，并且不受故障位置和过渡电阻的影响。关键词：并联电抗器；瞬时性故障；永久性故障；恢复电压；功率谱估计目目 录录第一章 绪论.11.1 选题背景及研究的意义.11.2 瞬时性与永久性故障.11.3 并联电抗器的作用.21.4 自适应重合闸技术.21.5 国内外的研究现状及发展趋势.31.6 本课题研究的内容.4第二章 输电线路单相接地

2、故障分析.52.1 单相接地故障时的电流回路.52.2 故障时间.62.3 电弧阶段分析.62.4 恢复阶段故障相端电压、并联电抗器电流特性分析.72.5 恢复电压阶段分析.92.6 小结.13第三章 基于功率谱的单相自适应重合闸判据研究.143.1 功率谱估计概述 .143.2 功率谱估计基本原理 .153.3 功率谱估计方法 .163.4 基于功率谱的自适应重合闸判据 .183.5 小结 .19第四章 单相接地故障仿真.204.1 仿真模型及参数.204.2 故障仿真.214.3 小结.24第五章 自适应重合闸判据的仿真验证.255.1 频谱分析.255.2 仿真验证结果.295.3 小结.30结束语.31致 谢.32参考文献.33附录 A .34带并联电抗器的特高压输电线路单相永久性和瞬时性故障识别1第一章 绪论1.1 选题背景及研究的意义特高压输电线路使用 1000 千伏及以上的电压等级输送电能。特高压输电是在超高压输电的基础上发展的，其目的仍是继续提高输电能力，实现大功率的中、远距离输电，以及实现远距离的电力系统互联，建成联合电力系统。高压输电线路是电能传输的重要通道，其安全

3、可靠运行对于整个电力系统的安全稳定运行至关重要。由于特高压输电线路相间绝缘距很大，相间故障的机会大大降低，所以单相接地故障为其主要形式。因此，在线路单相跳闸后采用能够避免重合于永久性故障时二次冲击的单相重合闸技术对于系统的安全稳定具有重大意义。而其中，研究单相故障时的电气特征以区别瞬时性和永久性故障将有利于提高单相自动重合闸的成功率。1.2 瞬时性与永久性故障在电力系统的各组成元件中，输电线路作为覆盖面积最大且工作条件最恶劣的元件，受各种各样自然条件的影响，其故障发生率是电力系统所有设备中最高的。通过分析输电线路故障，降低输电线路故障对系统的影响，提高供电连续性和可靠性，对电力系统具有重大意义。根据电力系统的运行经验，通常输电线路的故障可以分为两种：瞬时性故障与永久性故障。瞬时性故障是指由雷电引起的绝缘子表面闪络，也有大风引起的碰线，鸟类及树枝等物体落在线路上引起的短路，以及线下树枝对地引起的放电等等。此类故障在故障线路两侧的断路器跳开之后，故障电弧要经过一系列复杂的物理化学变化之后自行熄灭，在重合闸动作之前，故障点的绝缘基本上重新恢复到正常水平，断路器合闸之后整个系统可以投入正常运转

4、，保持对用户继续供电。而永久性故障是指由于线路倒塔、断线、绝缘子击穿或损坏等引起的故障。在故障线路两侧的断路器跳开之后，此类故障点的绝缘不能恢复，当断路器合闸之后，故障点仍然存在，线路还要被继电保护再次跳开，这不仅对整个电力系统的安全、稳定运行，供电的连续性与可靠性带来很多负面影响，同时还会严重削弱电气设备的寿命。据统计，超高压输电线路故障中超过 90%为单相接地短路，而其中 80%以上又为瞬时性故障，因此，在单相接地短路瞬时性故障发生后，快速使故障相断路器合闸，恢复故障相供电，可以极大地提高电力系统的稳定性和供电连续性。带并联电抗器的特高压输电线路单相永久性和瞬时性故障识别21.3 并联电抗器的作用并联电抗器能有效抑制空载输电线路的工频电压升高，因此在超、特高压输电线路中一般都需要安装并联电抗器，使线路过电压降低，改善电压分布。并联电抗器的作用具体有以下几点：（1）削弱空载或轻负载线路中的电容效应，降低工频暂态过电压，并进而限制操作过电压的幅值。（2）改善沿线电压分布，提高负载线路中的母线电压，增加了系统稳定性及送电能力。（3）改善轻负载线路中的无功分布，降低有功损耗，提高送电效率。

5、（4）降低系统工频稳态电压，便于系统同期并列。（5）有利于消除同步电机带空载长线时可能出现的自励磁谐振现象。（6）采用电抗器中性点经小电抗接地的办法来补偿线路相间及相对地电容，加速潜供电弧自灭，有利于单相快速重合闸的实现。1.4 自适应重合闸技术为保证整个电力系统的安全、可靠、稳定运行，在线路发生故障后，我们必须能快速选出故障相，检测故障点以及故障的性质并恢复系统到稳态运行，但是如果由运行人员手动去闭合断路器，则需要较长的一段时间，在这个时间段里，用户的大多数电动机已经停止运转，会给用户带来巨大的经济损失，因此人工作效果不显著。为了在瞬时性故障消除后使线路快速投入运行，我们在输电线路上广泛采用了自动重合闸。所谓自动重合闸就是当断路器跳闸后，能够不用人工操作而很快使断路器自动重新合闸的装置。输电线路中的故障多为单相瞬时性故障，对单相故障我们采用单相自动重合闸进行单跳单合不但符合线路故障的实际特性，也符合我国国情的需要，同时还可以保持整个电力系统的安全、稳定、可靠运行，保证对用户的不间断供电。输电线路采用自动重合闸的作用主要有以下几个方面2：（1）提高输电线路供电可靠性，减少因瞬时性故障停

6、电造成的经济损失；（2）对于双端供电的高压输电线路，可提高系统并列运行的稳定性，从而提高线路的输送容量；（3）可以纠正由于断路器本身机构不良，或继电保护误动作而引起的误跳闸。当线路发生故障，故障相两侧的断路器跳闸之后，自动重合闸能够使断路器按需要自动投入线路中，使线路恢复到正常；（4）在电网的设计与建设过程中，有些情况下由于考虑重合闸的作用，可以暂缓架设双回线路，以节约投资。尽管重合闸在线路瞬时性故障消除以后，可以快速恢复系统的稳定运行，但传统的自动重合闸具有盲目性，主要表现在以下两个方面：（1）传统的重合闸不能带并联电抗器的特高压输电线路单相永久性和瞬时性故障识别3判断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时因故障点尚未熄弧而重合不成功；（2）传统的自动重合闸不能区分故障的性质，即不能判断故障是瞬时性故障还是永久性故障，会盲目的重合于永久性故障。当重合于永久性故障时，不但不能保证继续供电，而且还会给电力系统带来一些不利的影响。其一，电力系统会再次遭受短路电流的冲击，且可能造成重合后电力系统摇摆幅度增大，甚至可能使电力系统失去稳定性；其二，继电保护再次使故障

7、线路两侧的断路器跳开，断路器在很短的时间内连续跳开两次切断短路电流，这样会使得断路器的工作条件变得更加恶劣，缩短断路器的工作寿命，严重时可能会造成断路器的爆炸事件；其三，汽轮发电机送出端重合，有可能对发电机轴系造成严重的损伤。为消除这些不必要的危害，保证电力系统的稳定运行，关键的问题就是在做出重合决策之前我们要能准确判断故障的性质，区分瞬时性故障与永久性故障，而且在瞬时性故障时允许重合闸动作，永久性故障时重合闸则闭锁，为此我们就提出了“自适应重合闸”这一概念。传统的自动重合闸盲目重合于永久性故障时，接连两次短路电流的冲击会对整个电力系统的暂态稳定构成很大的威胁，同时重合于永久性故障时对电力系统和电力设备的影响将会超过系统短路时所造成的后果。为了避免重合于永久性故障，国内外的学者在近几十年来做了大量的研究，提出了基于瞬时性故障与永久性故障判别的自适应重合闸理论。自适应重合闸与传统的自动重合闸相比，其优点就在于重合闸动作之前能准确地判断出故障是瞬时性故障还是永久性故障，且只有在瞬时性故障时重合闸才动作，不会盲目地重合于永久性故障，从而避免了传统重合闸重合于永久性故障时给系统所带来的负面影响，同时也减少对电力设备的损害。1.5 国内外的研究现状及发展趋势自适应重合闸理论提出以后，国内外的专家和学者提出了很多如何识别瞬时性故障和永久性故障的方案，总体来说，国内外主要是通过分析发生故障时电弧的一系列物理化学变化特性或者故障相恢复电压中的电磁耦合分量与电容耦合分量来识

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