基于频域特征的线路合闸操作暂态研究

【摘要】在Matlab中建立了不同长度输电线路（100KM，200KM以及300KM）在非故障和各种故障类型的合闸情况的仿真模型。结果表明：合闸于故障线路时，故障相线路不存在明显的各次自振荡频率分量，而非故障相线路中除了故障基频分量外，还存在明显的各次自振荡频率分量，且自振荡频率分量随着故障点距离母线越远振荡频率越低等特性。

【关键词】频域特征；输电线路；自振频率；合闸于故障保护

1.引言

由于电力系统中存在大量的储能元件，如电感和电容，当线路发生故障或者进行合闸操作时，储能元件的工作状态发生改变。在此过程中电感和电容元件中储存的能量会逐渐释放或转换，这将导致严重的暂态过程[1]。目前合闸于故障保护的研究大多集中在利用断路器合闸产生的暂态过程的时域特征进行故障线路的识别。文献[2]对空载合闸于正常或故障线路进行了分析，获取了时域特征差异，没有考虑其他故障情况和不同的输电线路长度。当合闸于故障线路或非故障线路时，在时域和频域上将出现不同的特征：一方面，电压和电流的幅值明显不同；另一方面，合闸后暂态过程的电压和电流中自振荡频率的含量也不同，利用这一特征，可以判别断路器合闸操作时，究竟是合闸于故障线路还是非故障线路，防止合闸操作（尤其是自动重合闸操作）对线路造成不必要的损害。本文将从频域特征来识别线路的故障或非故障状态。

2.线路合闸操作的暂态信号频域特征

当断路器空载合闸于非故障线路时，线路各点电压将由初始值过渡到工频稳态值。通过分析，线路各点电压包含工频稳态分量（强制分量）和衰减的高频分量（各次自振频率分量，即自由振荡分量）。因此，保护安装处测量到的电压和电流同样也会包含有各次自振频率分量。理论研究表明[3]，合闸后线路上各点的过渡过程电压含有各次自振频率分量，可由下式求解：

（1）

其中，

式中：――线路中各次自振荡角频率（用标幺值表示）

Ls――电源漏感

L1――线路单位长度电感

――线路长度

――波速

3.线路合闸操作暂态的仿真研究

由上节的研究可知，断路器空载合闸操作产生的暂态过程的频域特征非常明显。因此，基于频域特征的判据可能获得更广泛的应用，不但可应用于线路末端故障的检测，也可以对整个输电线路的故障情况进行直接判别。由于断路器空载合闸操作产生的暂态分量的自振频率与线路长度密切相关，使用频域特征识别故障状态是否可靠，目前尚未进行论证，接下来进行更加深入的研究。

若发生故障后，故障是否以排除未知。M端断路器先于N端断路器合闸。则相当于M端断路器空载合闸于输电线路。其中参数为：

基于Matlab仿真软件搭建此输电线路空载合闸的模型，采样频率为5000HZ。

（1）输电线路无故障、三相同期合闸的仿真研究

考虑三相同期合闸于不同长度线路时各相电流的情况，在L=100KM，200KM，300KM的情况下，分别作出各相电流的波形图。

M端断路器于大约0.015s合闸。对于不同长度的输电线路（100Km，200Km，300Km），由仿真的波形可以明显看到保护安装处测得的三相电流都包含基频分量并且叠加了多个高频分量，各次高频分量都做自震荡衰减，且其幅值都远大于基频分量。这些振荡的高频分量衰减得较慢，在合闸后大约3个周波内明显存在，之后逐渐消失。

显然，随着输电线路长度的增加，振荡分量的频率有逐渐降低的趋势（振荡速度越来越慢），对比100Km和200Km，300Km的线路电流波形，可明显看到这个结果。

仿真研究可以得出如下结论：当断路器三相空载合闸于输电线路时，线路三相电流中包含基频分量和明显的衰减高频率自振分量，且高频分量的能量在3个周波内远大于基频分量。随着线路长度的增加，自振分量的频率将逐渐降低。

（2）线路合闸于各种类型故障的仿真研究

采取Matlab进行建模和仿真，合闸于线路末端故障主要有下列四种情况：合闸于线路末端三相短路故障；合闸于线路末端单相接地故障；合闸于线路末端两相短路故障；合闸于线路末端两相短路接地故障。这节对合闸于线路末端短路故障进行了仿真研究，并给出了BC相短路故障仿真波形。合闸操作由M侧断路器进行。由于输电线路空载合闸时的自振频率较低，因此仿真时采样频率取为5000Hz。

当发生BC相间短路故障时，假设过渡电阻为50欧姆。由三相电流波形图可以看到：当合闸于两相短路故障时，故障相B，C相线路的电流中主要包含基频故障分量，只在合闸后第一个周波内存在较明显的高频衰减振荡分量，一个周波后振荡逐渐消失。而非故障相A则和空载合闸时情况相似，存在明显的高频衰减振荡分量，且随着线路长度的增加，振荡分量的频率逐渐减小。

通过对合闸于不同长度线路各类故障的仿真得到以下结论：断路器空载合闸于故障线路时，对于三相故障，线路故障电流中没有表现出明显的自振频率分量，线路电流主要包含故障基频分量，以及幅值很小的高频分量；对于线路不对称故障，故障相电流主要包含故障基频分量，以及幅值很小的高频分量。而非故障相电流存在明显的自振荡频率分量。

断路器空载合闸于故障线路时，无论何种故障类型，故障相电流中都不存在明显的自振频率分量，主要包含故障基频分量，以及幅值很小的高频分量；非故障相中存在明显的自振频率分量。而随着线路长度的增加，自振频率分量的振荡频率明显降低，幅值也明显减小小；也可以这样认为：故障点距离母线越近，自振频率分量衰减速度就越快。

4.结语

通过对合闸于不同长度输电线路（100Km，200Km以及300Km）在非故障和各种故障类型进行了Matlab建模和仿真，得出了各种情况下的三相电流波形。通过对比合闸于故障线路与非故障线路的电流波形，存在着很大的区别，通过波形图直观的区分故障线路和非故障线路，线路的故障相和非故障相。得出结论：合闸于故障线路时，故障相线路不存在明显的各次自振荡频率分量，而非故障相线路中除了故障基频分量外，还存在明显的各次自振荡频率分量，且自振荡频率分量随着故障点距离母线越远振荡频率越低等特性。

参考文献

[1]周军伟，丁周松，赵炳成.一起VD4真空断路器合闸线圈烧毁事故的反思[J].广西电力，2011，34（6）：84-86.

[2]段建东，罗四倍，张保会.超高速保护中合闸于故障线路的识别方法[J].中国电机工程学报，2007，27（10）：78-84.

[3]胡巨.超高压输电线路暂态电流保护的研究[D].华北电力大学硕士学位论文，2004.