超高压输电线路边界保护的研究

输电线路保护原理按照所利用的电气量的不同可以划分为两类,一类是基于线路单端电气量的单端保护原理,另一类是基于双端电气量的纵联保护原理。目前的单端保护原理大多是基于工频量的变化特征构成,其瞬时保护范围不能覆盖线路全长,即不能瞬时切除线路上任意一点的故障。为了能够实现全线速动,不得不采用纵联保护原理,通讯设备和通讯通道成为整套保护装置的一部分,不仅严重影响了保护的可靠性,而且整套保护的动作速度也难以提高。本文在总结了大量的基于单端暂态量的无通讯保护的基础上,定义了线路边界,提出了能够在单端具有绝对选择性的保护原理——边界保护,并利用小波变换构造了边界保护的判据和边界保护的整套原理性判据。大量EMTP仿真和现场实录数据表明,该原理判据是正确有效的,利用单端暂态量完全有可能实现单端具有绝对选择性的边界保护。 在线路边界处是否存在波阻抗的变化,从而导致区内、外故障时的电气量是否存在明显的特征差异,是边界保护成立的必要条件。由于线路边界连接有变压器、母线以及阻波器等元件,因此在线路边界点肯定存在波阻抗的变化,然而这一变化主要集中在高频部分,因此利用故障产生的高频暂态分量有可能实现具有绝对选择性的边界保护原理。 区内、外故障时产生的暂态高频分量是否存在明显的差异,以及差异主要体现在哪个时频区域,是边界保护研究首先应该解决的问题。为此,我们利用J.Marti提供的输电线路的频率相关模型,在忽略其他线路的波过程的情况下,利用网格分析法对一个典型的输电系统在反方向、区内以及正方向区外故障的情况下的暂态分量进行了定性分析。经过对暂态分量表达式的比较,发现区内、外故障时暂态分量的频谱差别主要体现在检测到故障后的[0,2T]时间段内,其中T为行波从线路一端传播到另一端的时间,具体的差异表现为:(1)正方向故障时,反行波和前行波幅值之比在某个高频频带内大于1,而反方向故障时,反行波与前行波之比为零; (2)正方向故障时,电压和电流幅值之比在阻波器频带内呈现阻波器的阻抗值,而反方向故障时其比值为线路波阻抗; (3)区内故障时的暂态分量在某个高频频带(对于有阻波器线路,该频带为阻波器阻波频带)内的谱能量要远大于区外故障时的暂态分量在该频带内的能量。大量的EMTP仿真表明,该差异是存在的,并且非常明显,足够构成边界保护判据。 基于上述的分析,利用小波对信号的奇异性检测原理构成了边界保护的启动判据; 利用反行波和前行波在时间段[0,2T]内的小波谱能量之比以及电压和电流在该时间段内的小波谱能量之比构成了两个方向判据; 利用不同尺度下暂态分量在该时间段内的小波谱能量的比值构成了区内、外判据。 利用电磁暂态计算程序(EMTP)对雷电冲击和线路上的开关操作进行了仿真,利用仿真结果对边界保护的上述各个判据进行了验证,发现开关操作对边界保护的动作没有影响,不会引起边界保护的误动作,而雷电冲击则可能使边界保护的判据误动。通过对雷电冲击以及故障的暂态电压、电流的小波谱的研究,发现雷电冲击没有造成短路故障时,暂态分量的小波谱在一个很长的时间段内不随时间的推移而衰减,而雷电冲击击穿线路造成短路故障和金属性短路时暂态分量的小波谱随着时间的推移按照指数规律很快衰减为零。根据这一特征,利用同一尺度下不同时间段内的小波谱能量之比构造了雷