CN112909887A - 电压互感器v/v接线下主动注入式自适应三相重合闸方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统继电保护领域，提出了一种电压互感器V/V接线下主动注入式自适应三相重合闸方法，本发明方法适用于线路侧电压互感器采用V/V(不完全星型)接线方式的配电架空线路，通过在电压互感器二次侧注入检测信号，根据互感器一次侧对注入信号的响应判断已跳闸线路的故障性质，并根据得到的故障性质判别结果决定是否进行重合闸操作。本发明所提出的自适应重合闸策略能够判别瞬时性故障和永久性故障，并防止重合闸重合于永久性故障，避免重合于永久性故障后对电网和设备造成的二次冲击危害，从而提高重合闸成功率。该方法适用于电力系统等相关部门，用于架空线路因相间故障跳闸后的故障性质识别和重合闸策略。

Description

电压互感器V/V接线下主动注入式自适应三相重合闸方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，特别涉及电压互感器V/V接线下主动注入式自适应三相重合闸方法。

背景技术

为了提高供电的可靠性，配电网线路一般采用三相重合闸，但盲目重合于永久性故障会对系统会造成严重的二次冲击危害。所以有学者提出了自适应重合闸技术的概念，其主要思想是识别故障性质后再确定是否进行重合闸操作，从而充分发挥重合闸的优点，避免对系统和设备造成二次冲击危害。

国内外对自适应重合闸的研究大多集中在单相自适应重合闸技术上，基本思路为通过故障后健全线路的电气量来判断故障性质。国内也有部分学者对自适应三相重合闸技术进行了研究，但主要基于对带并联电抗器的输电线路，分析故障后恢复电压大小或者故障相并联电抗器的电流拍频现象来判断故障性质；对于不带并联电抗器的配电网线路，电气量在线路三相跳闸后迅速衰减，给故障性质判别带来了很大困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电压互感器V/V接线下主动注入式自适应三相重合闸方法，本发明方法自适应故障性质决定重合闸操作，可有效解决传统的三相重合闸经固定时间重合，可能重合于永久故障导致的重合失败以及对系统和设备的二次冲击问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是：

在电压互感器的二次侧端口主动注入一个交变电压信号，从而让已跳闸的无源线路拥有可被检测的电气量。考虑到设备和人身安全，让注入的电压信号有效值等于电压互感器二次侧额定值的5％。另外注入信号频率过高会干扰电力载波通信，严重时导致部分依靠载波通讯的设备误动作；注入信号为工频时，相邻线路会产生干扰电压，影响检测的结果，因此本发明将注入信号频率设定为125Hz，为系统频率50Hz的两个整次倍数之间，减少对通讯和检测结果的影响。

配电网目前大量采用电磁式电压互感器，其中常用的接线方式有不完全星形接线(也称V/V接线)，用于测量3～20kV系统的相间电压。

电压互感器V/V接线下主动注入式自适应三相重合闸方法，具体步骤如下：

步骤1：启动策略：配电网线路三相跳闸后，计时器复位，开始计时；

步骤2：判断线路是否因故障跳闸：若为配电线路断路器偷跳，则系统大电源侧延时0.1s先重合，小电源侧检查同期后重合；若是因为人工操作，则自适应重合闸闭锁，禁止进行重合闸操作；若非上述情况，则认为线路因故障跳闸，转入步骤3；

步骤3：主动式注入信号：AB两相相间电压互感器二次侧注入电压信号，在一次侧A相电压互感器端口检测对地电压信号，注入信号由变频电源产生，根据国家标准规定的电压互感器的二次侧线电压100V，应注入125Hz的5V电压信号；

步骤4：判断故障性质：检测电压互感器一次端口对该特定交变信号的响应判定线路故障性质；

注入信号后，永久性故障下的电压互感器一次侧端口电压明显不同于瞬时性故障下的电压；据此可提出基于检测电压有效值的线路故障性质判据：线路三相跳闸后，在预先整定的重合闸时刻前30～50ms接入附加电源，随后检测A相电压互感器端口电压有效值，一旦在检测时段内有一相端口电压有效值不满足判据，则判定故障是永久性故障，若满足判据则认为故障为瞬时性故障且已消失。V/V接线下的电压互感器判据表达式为：

其中：U_AN为检测到的A相端口对地电压；U₁为电压互感器二次注入信号折算到一次侧的值；上式是根据在各种相间故障后端口电压的有效值差异得出，式中α和β为比例系数，其取值与电压互感器的准确级和过渡电阻大小有关，其作用为减小电压互感器误差和故障时过渡电阻对检测结果的影响，一般可取α＝0.9，β＝1.1。

步骤5：逻辑输出及执行：若满足判据则认为故障为瞬时性故障且已消失，切除附加电源后，进行重合闸操作；否则，认为故障为永久性故障且依然存在，则停止重合闸操作。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1)本发明在配电网线路三相跳闸后处于无源且缺少振荡回路的状态下，提出一种主动式注入信号的自适应三相重合闸方案，通过在已有的线路电压互感器二次侧注入特定的交变电压信号，检测注入信号在线路上的响应，来区别永久性故障和瞬时性故障。这种方案能有效避免重合于永久性故障后造成的二次冲击，降低重合闸失败率。

2)此自适应三相重合闸方法需要在架空线路上额外加装可变频电源、检测设备和控制开关。不同的配电网电压等级，所需设备的成本不同。根据目前的市场价格，此自适应重合闸方案的单条线路整体设备成本预算在可接受范围内。

附图说明

图1是本发明的三相自适应重合闸策略流程图。

图2是V/V接线方式的自适应三相重合闸主动注入信号方式。

图3是AB相间短路时线路侧等效电路图。

图4是AC相间短路时线路侧等效电路图。

图5是AB相间接地短路时线路侧等效电路图。

图6是BC相间接地短路时线路侧等效电路图。

图7是故障消失后线路侧等效电路图。

图8是10kV配电线路环状网模型图。

图9是V/V接线下AB相间短路A相电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明电压互感器V/V接线下主动注入式自适应三相重合闸方法，具体步骤如下：

步骤1：启动策略：配电网线路三相跳闸后，计时器复位，开始计时；

步骤2：判断线路是否因故障跳闸：若为配电线路断路器偷跳，则系统大电源侧延时0.1s先重合，小电源侧检查同期后重合；若是因为人工操作，则自适应重合闸闭锁，禁止进行重合闸操作。若非上述情况，则认为线路因故障跳闸，转入步骤3；

步骤3：主动式注入信号：主动注入信号实施方式如附图2所示，从AB两相相间电压互感器二次侧注入电压信号，在一次侧A相电压互感器端口检测对地电压信号，注入信号由变频电源产生，根据国家标准规定的电压互感器的二次侧线电压100V，应注入125Hz的5V电压信号；

步骤4：判断故障性质：检测电压互感器一次端口对该特定交变信号的响应判定线路故障性质；

注入信号后，永久性故障下的电压互感器一次侧端口电压明显不同于瞬时性故障下的电压。据此可提出基于检测电压有效值的线路故障性质判据：线路三相跳闸后，在预先整定的重合闸时刻前30～50ms接入附加电源，随后检测A相电压互感器端口电压有效值，一旦在检测时段内有一相端口电压有效值不满足判据，则判定故障是永久性故障，若满足判据则认为故障为瞬时性故障且已消失。V/V接线下的电压互感器判据表达式为：

其中：U_AN为检测到的A相端口对地电压；U₁为电压互感器二次注入信号折算到一次侧的值；上式是根据在各种相间故障后端口电压的有效值差异得出，式中α和β为比例系数，其取值与电压互感器的准确级和过渡电阻大小有关，其作用为减小电压互感器误差和故障时过渡电阻对检测结果的影响，一般可取α＝0.9，β＝1.1。

步骤5：逻辑输出及执行：若满足判据则认为故障为瞬时性故障且已消失，切除附加电源后，进行重合闸操作；否则，认为故障为永久性故障且依然存在，则停止重合闸操作。

配电网通常采用中性点非直接接地方式运行，在发生单相接地故障时通常不会立即进行三相跳闸，这时三相线电压仍旧保持平衡，可带故障运行一段时间。因此本发明提出的自适应三相重合闸方法主要针对配电网的相间故障性质判别。

当配电网发生相间故障三相跳闸以后，开始计时，到达预先设定的重合闸整定时间前30-50ms注入电压信号。由于线路没有并联电抗器，而且配电网线路之间互感极弱，因此跳闸后的暂态信号衰减极快，对于注入信号的检测没有影响。以线路上电压互感器一次侧A相端口电压作为测量基准，分析V/V接线下A相端口电压有效值的大小。

由于配电网线路的长度有限，一般在5～100公里，因此线路的自身阻抗较小，相较于电压互感器的短路阻抗而言，可以在下述的分析中忽略。

(1)永久性故障下：

相间短路情况下，以AB相间短路为例，此时从电压互感器一次侧看去，AB相间可等效为如附图3所示的电路。

r_m和x_m为电压互感器励磁电阻和励磁电抗，可由铭牌或者空载实验获得；r_k和x_k为短路电阻和短路电抗，可由铭牌或者短路实验获得。用相量法^[23]分析等效电路，稳态时AB相间电压有：

式中U_AB为AB相间电压相量；R₀为过渡电阻，考虑到配电网过渡电阻一般不会太大，令其值在0～100Ω之间；r_k为电压互感器一次侧等效短路电阻值；L_k为电压互感器一次侧等效短路电抗的电感值；ω为注入信号的频率。

AB两相对地电压的关系为：

U_AN＝-U_BN (2)

从而可以得到A相的对地电压表达式为：

注意到AC相间短路下，AB相间只存在经过地的回路，考虑到线路的对地分布电容，此时AB相间构成如附图4所示的电路。

同样用相量法分析等效电路，因线路的对地容抗远远大于电压互感器短路阻抗和过渡电阻，故有

U_AB≈U₁ (4)

从而可以得到A相的对地电压表达式为：

上式中C₀指线路每相的等效对地电容。

类似的，可以推导出线路在BC相间短路情况下的A相对地电压表达式为：

相间接地短路故障下，以AB相间接地短路为例，此时从电压互感器一次侧看去，AB间可等效为如附图5所示的电路。

这种情况下AB相间电压为0，所以A相对地电压为0。

BC相间接地短路情况下，AB端口看去有如附图6所示的等效电路。

同样因为线路的对地容抗远远大于电压互感器短路阻抗和过渡电阻，A相对地电压为：

U_AN≈U_AB≈U₁ (7)

类似的，可以推导出线路在AC相间接地短路下A相端口电压趋于0。

三相短路情况下，因仅在AB相间注入信号，所以三相短路故障下的A相端口对地电压等同于AB相间短路情况，如公式(3)所示。

(2)瞬时性故障下：

线路因瞬时性故障两端跳闸后，在重合闸时刻前故障消除。故障消除后接入附加电源，如附图7所示，此时AB相间电压有：

U_AB≈U₁ (8)

AB两相各自对地电压关系为：

U_AN＝-U_BN (9)

从而得到A相的对地电压为：

参照一般的10kV架空线路配电网模型，如附图8所示，基于PSCAD/EMTDC平台搭建线路参数如表1所示的T型集中参数模型，该线路预先设定的三相重合闸时间为1s。电压互感器安装在送出线靠近母线侧端口。

表1 单位长度配电线路参数

假设7种相间故障(AB、ABG、AC、ACG、BC、BCG、ABC短路)发生时刻为t＝0.5s，永久性故障下故障持续时间为无穷大；瞬时性故障下故障持续时间为0.5s。线路发生相间故障后立即三相跳闸，过渡电阻以0Ω金属性和100Ω高阻两种情况为例，按照之前提出的自适应重合闸方案，附加电源在t＝1.5s前30-50ms接入电压互感器二次侧，记录相应的电压波形，其中AB相间短路后的端口电压波形如附图9所示。

应用本发明所提线路故障性质判据，假设故障时长分别为0.5s或无穷大，验证V/V电压互感器接线方式下发生上述各种相间故障时，自适应三相重合闸策略对线路故障性质的判定结果。仿真验证结果如表2和表3所示。

表2 V/V接线下线路金属性短路判据仿真结果

表3 V/V接线下高过渡电阻短路判据仿真结果

由上述结果可知，对配电网上的各种相间故障，本发明所提的自适应重合闸方法可对所有相间故障性质做出准确判断，且不易受过渡电阻的影响。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.电压互感器V/V接线下主动注入式自适应三相重合闸方法，其特征在于：通过V/V接线方式的电压互感器二次侧注入一个预设频率的交变电压，然后根据一次侧端口电压的特征，确定配电网线路故障的故障点绝缘是否已经恢复，绝缘恢复即视为瞬时性故障，绝缘未恢复即视为永久性故障，最后根据故障性质决定是否执行重合闸操作，其具体步骤如下：

步骤1：若配电网线路三相跳闸，计时器复位，开始计时；

步骤2：判断线路是否因故障跳闸，如果断路器跳闸是因线路故障引起的保护动作跳闸，则转入步骤3；否则，按照常规重合闸逻辑执行；

步骤3：AB相间电压互感器二次端口注入预设交变电压信号；

步骤4：检测电压互感器一次端口对该预设交变电压信号的响应判定线路故障性质；

步骤5：根据线路故障性质决定是否进行重合闸操作，若为永久性故障，则停止重合闸操作；若为瞬时性故障，则进行重合闸操作。

2.根据权利要求1所述的电压互感器V/V接线下主动注入式自适应三相重合闸方法，其特征在于：步骤3中注入的交变电压信号有效值等于电压互感器二次侧额定值的5％，信号频率设定为125Hz，为电力系统工作频率50Hz的两个整次倍数之间。

3.根据权利要求1所述的电压互感器V/V接线下主动注入式自适应三相重合闸方法，其特征在于：步骤4中判定线路故障性质根据电压互感器一次端口测量到的电压有效值，使用如下的判据：

其中：U_AN为检测到的A相端口对地电压；U₁为电压互感器二次注入信号折算到一次侧的值；α和β为比例系数，用于减小电压互感器误差和故障时过渡电阻对检测结果的影响。此判据的作用是判断故障性质，一旦在检测时段内有端口电压有效值不满足判据，则判定故障是永久性故障，反之判定故障是瞬时性故障。

4.根据权利要求3所述的电压互感器V/V接线下主动注入式自适应三相重合闸方法，其特征在于：α＝0.9，β＝1.1。

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