高压输电线路短路故障早期检测研究

高压输电线路短路故障早期检测研究

李海峰

身份证号码： 37010519891228**** 山东 济南 250017

摘要：在实际应用中，大容量高速开关装置动作判据一般以电流变化率、电流瞬时值和电流变化量等为依据，即短路电流变化率、短路电流值或电流变化量大于整定值，此时距短路故障发生已有几毫秒时间。当前，低压配电系统已实现短路电流的早期检测，已可在300μs内实现低压短路电流的早期故障判别，基于此，本文对高压输电线路短路故障早期检测进行了详细的分析。

关键词：小波变换；短路故障；早期检测

为了提高电力系统的供电可靠性及电能质量，高压快速转换开关应运而生。然而，现有的故障检测技术大多需要数个毫秒的时间，这对高压快速转换开关来说略为缓慢。本文将小波变换应用于高压输电线路短路故障的早期检测，利用小波变换的第四尺度细节分量作为故障特征量。小波变换法能在0.2ms内识别出短路故障，将小波变换短路故障早期检测技术与高压快速转换开关相结合，将为电力系统的可靠稳定运行提供有利保障。

一、短路故障概述

短路故障是指电路或电路中的一部分被短接而发生的故障。短路故障一词主要用于电力系统中，一般的电路学中称为短路。电力系统的短路故障，是指一相或多相载流导体接地或不通过负荷互相接触，由于此时故障点的阻抗很小，致使电流瞬时升高，短路点以前的电压下降，对电力系统的安全运行极为不利。

二、小波变换原理

将小波变换应用于短路故障的检测，短路故障发生初期，由于负荷急剧下降，电流幅值变化明显。小波变换被称为信号的“显微镜”，非常适合于探测故障信号中电流显著变化引起的瞬态异常现象，能快速提取短路故障特征量。基于多分辨率分析的小波变换，利用正交小波基将信号分解为一组高频细节分量与低频平滑分量，再将低频分量分解为下一级高、低频分量。

考虑到B样条正交半波函数解析式明确，计算简单，易于实现，多尺度三次B样条分解得到的细节分量能剔除高频噪声干扰，能表征信号突变量大小，因而将三次B样条函数的导函数作为小波函数。

因第四尺度小波分量能很好地剔除噪声干扰，并保留足够的故障信号奇异性强度来检测早期短路故障，因此本文采用多尺度小波分解得到的第四尺度细节分量作为故障判断的特征量。s00代表原始信号，cd1、cd2、cd3、cd4代表通过小波分解获得的原始信号的第一到第四尺度细节分量。细节分量的幅值能反映信号的奇异性，为使分解结果更直观，本文对所有细节分量进行绝对值处理。

三、短路故障早期检测的仿真验证

本文基于Matlab/Simulink仿真平台，建立110kV输电线路短路故障仿真模型。主要设备参数为：三绕组变压器SFSZ9-180000/220，各容量比180/180/90MVA，电压比220/121/10.5kV，连接组别YN、yn0、d11，其中220kV、110kV绕组变压器中性点接地；输电线路电抗0.34Ω，电阻0.098Ω。当输电线长度小于100km时，可忽略线路电容的影响，用RLC串联电路等效表示。本文采用ode23tb变步长解算器对仿真模型进行解算。

小波变换能在短时间内检测出信号的奇异性，当线路短路时，信号发生突变，小波第四尺度特征明显，可作为短路故障判断依据。但当线路处于空载合闸、功率补偿和负载投切时，电流信号也会发生变化。本文模拟了这些条件下的负载变化，并将小波变换第四尺度细节分量cd4算法写入S-function模块，将cd4*标么值直接显示在示波器上，cd4标么值的基准值是故障点正常运行时其值对应的最大值，使仿真结果更加实用和直观。结果表明，选择合适的短路故障判断阈值cd4*能避免在其他负荷变化情况下的误判。

1、短路故障。在Matlab/Simulink仿真平台上，可设置输电线路任意位置的故障类型。本文选取A相短路故障进行仿真，并将短路故障点设于线路末端。设定短路故障发生在0.04s时刻，持续时间为0.08s，结束时间为0.12s。对短路故障信号进行小波变换分解，结果表明，利用小波变换逐层提取高频分量作为故障特征，特征值数量等级逐渐增加，且特征量越明显，cd4能快速准确地判断短路故障，具有足够的故障识别能力。另外，小波变换具有一定的滤波效果，利用cd4作为故障特征量能在一定程度上消除噪声干扰。因此，选取小波变换的第四尺度细节分量cd4作为故障特征量。小波分解需一定量的历史数据，随着分解程度的增加，需要的历史数据逐渐增多，即分解起步时间逐渐变长。本文选取第四尺度小波高频分量作为特征量，此时分解起步延迟为29个点，在采样频率为100khz工况下，延迟时间为0.29ms，即在延迟时间内并不能判断短路故障，因此假设故障发生在延迟时间后。

从图1可看出，短路故障发生瞬间，对应的cd4*分量突增到20，最大值可达30。短路判断阈值为15时，对应时间为0.0402s；短路判断阈值为20时，对应时间为0.0409s；短路判断阈值为25时，对应时间为0.042s。由此可见，小波变换第四尺度细节分量能快速提取故障特征，且故障特征量变化明显，具体故障识别时间取决于短路判断阈值的大小。短路故障阈值的选取必须适当，才能同时保证快速性及准确性。

图1 短路电流波形及其对应的cd4*波形

2、变压器空载合闸励磁涌流。输电线路变压器空载合闸时会产生励磁涌流。由于变压器是感性负载，铁芯磁路不能发生突变，合闸瞬间系统外加电压使磁路需产生一个暂态磁通来平衡磁路，使磁通密度饱和，致使励磁电流激增，从而产生励磁涌流，致使空载合闸电流波动较大，而且需几个周波甚至数秒后才能达到稳定状态。变压器空载合闸是随机的，一般不存在瞬态励磁现象。在瞬态励磁现象中，系统电压过零合闸时励磁涌流最为严重，最大幅值可达额定电流值的5～8倍。空载合闸励磁涌流与合闸时电压初相角、铁芯剩磁和变压器容量等有关。为验证小波变换第四尺度细节分量cd4*区分空载合闸及短路故障的能力，并提供参考阈值的设定，本文仿真在110kV输电线路末端连接一台额定功率为50MVA、电压比为121:10.5kV的变压器，而且变压器带空载，电压为0时合闸，此时涌流最大。变压器空载合闸引起铁芯饱和致使励磁电流剧增，使线路电流发生畸变。经小波变换分解后，励磁涌流cd4*最大值小于4，远小于短路故障cd4*最大值。

3、无功补偿涌流。由于电力系统中变压器、电动机等感应设备的存在，致使输电线路的功率因数和电压降低，为提高电能质量及电力系统运行稳定性，必须对输电线路进行无功补偿。现有无功补偿正朝着高压方向发展，高压线路无功补偿对提高电网运行效率具有重要作用。然而，在电力系统无功补偿中，由于电容器投切的随机性，最大合闸过电压值可能为正常电压值的2倍，相应的最大合闸涌流约为正常运行电流值的5倍。线路具体过电压和过电流与无功补偿装置的参数有关，无功补偿电容器通常会串联电抗器以限制合闸涌流，即无功补偿不仅向系统注入容性无功，还含有少量的感性无功。考虑到无功补偿对短路故障早期检测的影响，在110kV线路末端并联一个容量为1000kvar容性无功及2kvar感性无功的负载，代替原模型图中的变压器。当系统电压达到最大时投入负荷，模型负荷投入后产生约额定电流1.6倍的涌流。输电线路的无功补偿易引起系统电流值的异常变化，对线路造成冲击。另外，无功补偿的cd4*最大值约为9，电流畸变明显，但其最大值仍明显小于短路故障信号cd4*的值，仅为其最大值的三分之一左右。

4、线路合闸负荷变化。当输电线路末端因故障或检修需开断时，线路负荷需重新投入，即系统又并联了一条线路，必然导致线路电流增大。考虑到这种情况下的负荷变化，在输电线路末端并联另一负荷，代替原模型图中的变压器，负荷功率设为20MW，仿真结果表明，输电线路末端的负荷投切会引起系统电流变化，相应的cd4*最大值约为5，适当的短路阈值选择能完全避开负荷变化引起的干扰。

参考文献：

[1]张培铭.基于形态小波的低压系统短路故障早期检测[J].中国电机工程学报,2015(10).

[2]陈丽安.基于小波变换的低压系统短路故障的早期预测[J].电工技术学报,2015(02).

[3]缪希仁.高压输电线路短路故障早期检测研究[J].电力系统保护与控制，2016(12).