一种单相自适应重合闸及其实现方法

专利名称：一种单相自适应重合闸及其实现方法
技术领域：
本发明涉及一种电力系统输电线路继电保护领域，具体地，本发明涉及一种超高 压输电线路单相自适应重合间及其实现方法，更具体地，本发明涉及一种基于脉冲注入式 的单相自适应重合闸及其实现方法。
背景技术：
在电力系统中，输电线路(特别是架空线路)最容易发生故障，因此，保证输电线 路安全运行是很重要的。电力系统的运行经验证明，架空线路的故障大多都是暂时性的，这 时，如果将断开的线路再重新投入，则能够恢复正常的供电，因此在电力系统中广泛采用了 自动重合间装置，这样在发生暂时性故障时，可以大大提高供电的可靠性。但是由于目前的自动重合闸装置不能判断故障的瞬时性与永久性，当发生故障 后，自动重合闸装置总要重合一次，因此当重合于永久性故障时，会带来一些不利的后果a)电力系统又一次受到短路电流的冲击，有可能造成重合后电力系统的摇摆幅度 增大，甚至可能使电力系统失去稳定性，对系统的安全运行造成严重危害。b)断路器在很短的时间内，连续两次切断故障电流，恶化了断路器的工作条件，减 少了断路器的使用寿命。c)大型火电厂的高压出线上采用自动重合闸，有可能激发起汽轮发电机组轴系扭 振，造成轴系某些部件或联轴器的断裂或损伤。实现自适应重合闸的实质是，在作出是否重合的决策以前即能正确识别瞬时与永 久故障。目前，国内外对实现自适应重合闸进行了以下几种研究方法a)基于人工神经网络(ANN)技术识别永久故障与瞬时故障，以实现自适应单相重 合闸。人工神经网络在自然科学及工程上出现了很多成功应用的例子，由于人工神经网 络具有很强的自适应学习能力及强大的并行处理能力，另外人工神经网络在模式识别方面 应用较成熟，而所谓自适应重合闸也即是对系统状态进行辨识，以决定合闸与否，因此，自 然可以在自适应重合闸中引入人工神经网络。但是，由于电力系统复杂多变，网架结构各有不同，人工网络神经需要进行大量的 学习和模拟，这样耗费很多的时间和需要大量的信息量，所以目前还没有一种继电保护装 置成功引入人工神经网络。b)基于模糊控制理论识别永久故障与瞬时故障，以实现自适应单相重合闸。将模糊集引人控制论，为控制领域的发展开辟了新道路，而继电保护系统实质上 也是一个实时控制系统，那么可以将模糊集理论引入继电保护中以实现重合闸原理的优 化。然而，由于模糊控制具有输人信息量大，输出相对简单，动作时间要求高等特点， 迄今为止，尚没有一种继电保护装置成功引人模糊数学的知识。c)利用电弧的一些特性来识别永久与瞬时故障。
利用瞬时性故障有较大的电弧电压存在，而永久性故障的电弧电压可忽略，电弧 电压由于电弧电阻的非线性而产生畸变，使电弧电压有高次谐波存在，同样，在母线上也有 高次谐波，因此，在母线上检测高次谐波分量的有无或变化情况，可以区分“瞬时性”与“永 久性”故障。根据对故障电弧电压的具体分析，利用故障产生的奇次谐波能量的变化判别瞬 时性故障与永久性故障，以实现自适应重合闸原理。经验表明，在220KV及以上的线路上，由于线间距离大，其中绝大部分的故障是单相接地短路。在这种情况下，如果把发生故障的一相断开，然后再进行单相重合，而未发生 故障的两相仍然继续运行，就能够大大提高供电的可靠性和系统并列运行的稳定性。这种 方式的重合闸就是单相重合闸，如果线路发生的是瞬时性故障，则单相重合闸将重合成功， 即三相恢复正常运行；如果是永久性故障，单相重合将不成功，则需根据系统的具体情况进 行处理，如不允许长期非全相运行时，应立即切除三相而不再进行重合。自适应重合闸当同杆双回线发生故障，故障相跳闸后，健全相对故障相会产生恢复电压，恢复电压包括电容耦合电压以及电磁耦合电压。电容耦合电压包括相间电容耦合电压以及线间电 容耦合电压，其幅值不受线路长度的影响；电磁耦合电压由线间以及相间的互感产生。由于 恢复电压的影响，使得故障点潜供电弧的熄灭比较困难，为了加快潜供电弧的自熄，目前比 较常用的方法是在三相并联电抗器的中性点加小电抗的方法，该方法可以部分或全部补偿 相间的静电耦合电压。自适应重合闸主要包括无严重故障判据以及按相顺序重合原则。单相重合闸是指线路上发生单相接地故障时，保护动作只跳开故障相的断路 器并单相重合；当单相重合不成功或多相故障时，保护动作跳开三相断路器，不再进行重 合.由其它任何原因跳开三相断路器时，也不再进行重合。然而，由于电弧是个十分复杂的物理化学过程，涉及到物质的组成和物性变化及 许多复杂的时变过程，其中许多因素又是高度非线性的，因此要建立准确的电弧模型几乎 是不可能的，加上不同类型电弧特性的差异，这种方法的普遍适用性难免要受到限制。d)利用故障暂态产生的高频信号来判别瞬时与永久故障。利用故障暂态产生的高频信号可以解决各种复杂情况下的选相问题，同时能够准 确地判别出瞬时与永久故障，以及瞬时故障的持续时间。但目前只是利用故障暂态产生的高频信号来进行故障定位，尚没有进行故障性质 判断的研究。e)利用恢复电压的方法来判别瞬时与永久故障。对于瞬时性故障，由于跳开相故障点已经消除，电容耦合电压与电感耦合电压都存在；而对于永久故障，由于故障点仍然存在，电容耦合电压接近于零，只有电感耦合电压 存在，所以可以利用是否存在电容耦合电压来判别故障性质。恢复电压法是用故障相的“相 一地”电压中存在电容耦合电压与否来区分瞬时性和永久性故障，而电容耦合电压一般不 足线路额定电压的10%，对于不到线路额定电压10%的电压，不但其工程测量精度存在问 题，而且用它进行故障识别时，结果的可信度也存在问题。专利号为“200410093917. 7”的中国专利“一种输电线路单相自适应重合闸综合 判据实现方法”，以电压判据、补偿电压判据、组合补偿电压判据和相位判据四种判据为依 据，其特征在于如果输电线路为瞬时故障，以上述四种判据均对故障性质进行判定当输电线路发生一般的瞬时性故障情况下，利用电压判据判定故障性质；当输电线路发生断开 相电压很低故障时，利用补偿电压判据、组合补偿判据与电压判据进行综合判断，对于重负 荷长距离输电线或带并联电抗器的线路，以基于相位判定的相位判据进行故障判断；如果 输电线路发生永久故障，以四种判据的综合判断结果，判断是否进行重合闸操作。 显然，该方法为一种前述利用恢复电压的方法来判别瞬时与永久故障的方法。专利号为“200810151740. X”的中国专利公开了一种基于故障点电压的单相自适 应重合闸故障性质判断方法实时采集输电线路一侧的各相电压和电流值；故障测距；实 时计算当前实际的故障点电压；求出线路两端的健全相电流和故障相电压，再利用此结果 和故障测距结果求出故障点的近似开路电压，并求取整定压；将故障点电压与整定电压作 比较，若在单相跳闸后的设定时间段内，故障点电压值能够持续大于整定值，则判定为瞬时 性故障，保护经一定延时后发重合命令；若在设定时间段内始终不能大于整定值，则判定为 永久性故障，保护将线路三相跳开并不再重合。同样，该方法也是一种前述利用恢复电压的方法来判别瞬时与永久故障的方法。

发明内容
针对现有研究方法的不足，本发明的目的在于提出一种单相自适应重合闸，通过 在电容式电压互感器的末端注入一高频信号，并同时在此末端检测高频信号的反射波形， 以此来判断故障性质，从而开发单相自适应重合闸装置。本发明目的通过以下技术方案实现一种单相自适应重合间，包括高频脉冲源、与高频脉冲源并联的数字示波器、顺 次连接于所述高频脉冲源的模拟电容式电压互感器的分压电容、模拟超高压输电线路的高 压线、模拟接地放电的球隙电极和电阻、万用表、自耦调压变、高压发生器及隔离变压器。电阻有如 75 Ω、1001 Ω、330k Ω、5Μ Ω、100M Ω。根据本发明的单相自适应重合闸，其特征在于，所采用的高频脉冲源为小型纳秒 级电压脉冲发生器，脉冲频率宽度为50 300Hz，幅值为0 1000V，脉宽为10ns。根据本发明的单相自适应重合间，其特征在于，所述脉冲源及脉冲检测装置从电 容式电压互感器的末端接入。根据本发明的单相自适应重合闸，其特征在于，所述脉冲源在断路器跳开后开始 发射脉冲。根据本发明的单相自适应重合闸，其特征在于，所采用的模拟电容式电压互感器， 高低压电容耐压1. 5kV-15kV，电容比20-220。根据本发明的单相自适应重合闸，其特征在于，所采用的模拟电容式电压互感器 的分压、电容分别为50kV、IOOOpF (高压电容)和2kV、0. 22uF (低压电容)。根据本发明的单相自适应重合闸，其特征在于，所采用的球隙电极为将2个钢球 固定在聚四氟乙烯的绝缘板上，调近球隙间距离(球隙距离0.5mm-5mm)以使其放电。根据本发明的单相自适应重合闸，其特征在于，所采用的高压发生器为升压变 (压器)，变(压)比为220 15000，所述调压变是型号为TDGC2的三科自耦调压变(压 器)，调压范围从0 250V。本发明的目的又在于提出一种单相自适应重合闸的实现方法，通过在电容式电压互感器的末端注入一高频信号，并同时在此末端检测高频信号的反射波形，以此来判断 故障性质，从而开发自适应重合闸装置。本发明目的通过以下技术方案得以实现一种单相自适应重合闸的实现方法，在输电线路中接入、使用包括下述部件的单 相自适应重合间高频脉冲源、与高频脉冲源并联的数字示波器、顺次连接于所述高频脉冲 源的模拟电容式电压互感器的分压电容、模拟超高压输电线路的高压线、模拟接地放电的 球隙电极和电阻、万用表、自耦调压变、高压发生器、隔离变压器，其特征在于，所述高频脉冲源为小型纳秒级电压脉冲发生器，脉冲频率宽度为50 300Hz，幅 值为0 1000V，脉宽为IOns0所述模拟电容式电压互感器的分压电容为50kV、IOOOpF和2kV、0. 22uF各一个，由 于高低压电容没有一个具体的范围，只要满足一定的耐压和电容比就可以了，高低压电容 耐压 1. 5kV-15kV,电容比 20-220。根据本发明的单相自适应重合闸的实现方法，其特征在于，所采用的模拟超高压 输电线路的高压线为型号为AGG-15kV、截面为0. 5mm2的硅橡胶高压线。根据本发明的单相自适应重合闸的实现方法，其特征在于，所采用的球隙电极为 将2个钢球固定在聚四氟乙烯的绝缘板上，调近球隙间距离(球隙距离0. 5mm-5mm)以使 其放电。根据本发明的单相自适应重合闸的实现方法，其特征在于，所述脉冲源及脉冲检 测装置从电容式电压互感器的末端接入。根据本发明的单相自适应重合闸的实现方法，其特征在于，所采用的高压发生器 为升压变，变比为220 15000。根据本发明的单相自适应重合闸的实现方法，其特征在于，所采用的调压变是型 号为TDGC2的三科自耦调压变，调压范围从0 250V。根据本发明的单相自适应重合闸及其实现方法，具有以下特点1.相比于基于人工神经网络(ANN)的研究方法，本发明不需要进行反复、大量的 学习和训练，故障判断具有通用性；2.相对基于模糊控制理论的研究方法，本发明不需要大量的信息量，只需要检测 反射脉冲并进行相应的分析就可以；3.由于电弧的特性不具有普遍的统一性，不同的故障情况其电弧特性可能是不一 样的，所以相比于基于电弧特性的研究方法，本发明更具备统一性；4.相比于基于恢复电压的研究方法，本发明不存在由于并联电抗器而导致的恢复 电压低的问题，脉冲的反射结果更具有可靠性。


图1为本发明单相自适应重合闸的一个实施例的接线图。图2为本发明单相自适应重合闸的一个实施例的球隙电极放电电压波形。图3为本发明单相自适应重合闸的一个实施例的示波器检测到的电极放电波形。图4为本发明单相自适应重合闸的一个实施例的脉冲源的脉冲波形。图5为本发明单相自适应重合闸的一个实施例的在球隙电极上的脉冲反射波形与小电阻接地的反射波形比较。图中，1为高频脉冲源、2为与高频脉冲源并联的数字示波器，3为连接于所述高频 脉冲源的模拟电容式电压互感器，4为模拟超高压输电线路的高压线，5为模拟接地放电的 球隙电极和电阻，6为万用表，7为高压线，8为自耦调压变，9为高压发生器，10为隔离变压
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具体实施例方式下面，以实施例，结合附图对为本发明单相自适应重合闸作详细说明。本实施例在 以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发 明的保护范围不限于下述实施例。实施例1如图1所示，本实施例包括高频脉冲源、模拟电容式电压互感器的分压电容、模 拟超高压输电线路的高压线、数字示波器、高压发生器、自耦调压变万用表、模拟接地放电 的球隙电极和各种电阻。按图1接线，并将脉冲源串接于电路中，打开脉冲源，所述高频脉冲源为小型纳 秒级电压脉冲发生器；并将脉冲源的频率调为50Hz。将示波器的高压探头接于电极两端， 示波器的低压探头接于脉冲源两端；调节自藕调压器的输出电压，并观察万用表(胜利 VC9807A)的输出，使之不超过30V ；当听到滋滋的放电声时，停止升压；调节示波器的触发， 得到各种信号。在本实施例中，所采用的模拟超高压输电线路的高压线为型号为AGG_15kV、截面 为0. 5mm2的硅橡胶高压线。所采用的高频脉冲源为小型纳秒级电压脉冲发生器。在本实施例中，所采用的模拟电容式电压互感器的分压、电容分别为50kV、IOOOpF 和2kV、0. 22uF,由于高低压电容没有一个具体的范围，只要满足一定的耐压和电容比就可 以了，高低压电容耐压1. 5kV-15kV，电容比20-220。所采用的球隙电极为将2个钢球固定 在聚四氟乙烯的绝缘板上，调近球隙间距离(球隙距离0.5mm-5mm)以使其放电。隔离变 压器YTDZ是隔离变压器的生产厂商的英文简写，中文是盈天电子。在本实施例中，所采用的高压发生器为四川盈天电子的升压变(压器)，变(压)比为220 15000，所述调压变是型号为TDGC2的三科自耦调压变(压器)，调压范围从0 250V。本实施例的方法原理如下当超高压线路发生单相接地故障时，故障线路在永久 性故障和瞬时性故障两种情况下，电弧特性的变化规律是存在差异的。永久性故障情况下 电弧会很快熄灭，而瞬时性故障情况下其电弧要经过燃烧_熄灭_重燃-熄灭的反复过 程。我们用球隙电极的放电来模拟瞬时性故障的电弧重燃情况，而用小电阻来模拟永久性 故障。根据电磁波折返射原理，当电磁波遇到阻抗不匹配的情况时，电磁波就会发生反射。 我们在模拟的电容式互感器末端加一脉冲源，当线路故障断路器断开后，脉冲源发出脉冲， 当脉冲源到达故障点时就会发生反射，同时在电容式电压互感器末端来检测反射信号，通 过这两种不同的故障模拟就可以得到不同的反射波形，以此来区分瞬时性故障和永久性故 障。根据本发明的单相自适应重合闸及其实现方法，比较基于人工神经网络(ANN)的研究方法，不需要进行反复、大量的学习和训练，故障判断具有通用性；比较基于模糊控制理论的研究方法，不需要大量的信息量，只需要检测反射脉冲并进行相应的分析就可以；由 于电弧的特性不具有普遍的统一性，不同的故障情况其电弧特性可能是不一样的，所以相 比于基于电弧特性的研究方法，本发明更具备统一性；比较基于恢复电压的研究方法，本发 明不存在由于并联电抗器而导致的恢复电压低的问题，脉冲的反射结果更可靠。
权利要求
一种单相自适应重合闸，包括高频脉冲源(1)、与高频脉冲源并联的数字示波器(2)、顺次连接于所述高频脉冲源的模拟电容式电压互感器(3)、模拟超高压输电线路的高压线(4)、模拟接地放电的球隙电极和电阻(5)、万用表(6)、自耦调压变(8)、高压发生器(9)及隔离变压器(10)。
2.如权利要求1所述的单相自适应重合闸，其特征在于，所采用的高频脉冲源为小型 纳秒级电压脉冲发生器，脉冲频率宽度为50 300Hz，幅值为0 1000V，脉宽为10ns。
3.如权利要求1所述的单相自适应重合间，其特征在于，所述脉冲源及脉冲检测装置 从电容式电压互感器的末端接入。
4.如权利要求1所述的单相自适应重合闸，其特征在于，所采用的模拟电容式电压互 感器，高低压电容耐压1.5kV-15kV，电容比20-220。
5.如权利要求1所述的单相自适应重合闸，其特征在于，所采用的球隙电极为将2个 钢球固定在聚四氟乙烯的绝缘板上，调近球隙间距离0.5mm-5mm，使其放电。
6.如权利要求1所述的单相自适应重合闸，其特征在于，所采用的高压发生器为升压 变压器，变压比为22015000，所述调压变是自耦调压变压器，调压范围从0 250V。
7.一种单相自适应重合间的实现方法，在输电线路中接入、使用包括下述部件的单相 自适应重合间包括高频脉冲源(1)、与高频脉冲源并联的数字示波器(2)、顺次连接于 所述高频脉冲源的模拟电容式电压互感器(3)、模拟超高压输电线路的高压线(4)、模拟接 地放电的球隙电极和电阻(5)、万用表(6)、自耦调压变(8)、高压发生器(9)及隔离变压器(10)，其特征在于，所述高频脉冲源为小型纳秒级电压脉冲发生器，脉冲频率宽度为50 300Hz，幅值为 0 1000V，脉宽为IOns,所述高频脉冲信号在超高压线路上传输，遇单相接地故障后，由于接地阻抗与线路阻 抗的不匹配，在故障点发生反射；在电容式电压互感器的末端测量此脉冲的反射信号，根据此反射信号提取瞬时性和永 久性故障相应的特征，以此判断故障性质。
8.如权利要求7所述的单相自适应重合闸的实现方法，其特征在于，所述模拟电容式 电压互感器的分压电容为高压电容和低压电容各一个，高低压电容耐压1. 5kV-15kV，电容 比 20-220。
9.如权利要求7所述的单相自适应重合闸的实现方法，其特征在于，所述脉冲源在断 路器跳开后开始发射脉冲。
10.如权利要求7所述的单相自适应重合闸的实现方法，其特征在于，所采用的模拟超 高压输电线路的高压线为型号为AGG-15kV、截面为0. 5mm2的硅橡胶高压线。
11.如权利要求7所述的单相自适应重合闸的实现方法，其特征在于，所采用的球隙电 极为将2个钢球固定在聚四氟乙烯的绝缘板上，调近球隙间距离0. 5mm-5mm,以使其放电。
12.如权利要求7所述的单相自适应重合闸的实现方法，其特征在于，所述脉冲源及脉 冲检测装置从电容式电压互感器的末端接入。
13.如权利要求7所述的单相自适应重合闸的实现方法，其特征在于，所采用的高压发 生器为升压变，变比为22015000，所采用的调压变的调压范围从0 250V。
全文摘要
一种单相自适应重合闸及其实现方法，包括高频脉冲源、模拟电容式电压互感器的分压电容、模拟超高压输电线路的高压线、数字示波器、自耦调压变、高压发生器、模拟接地放电的球隙电极和电阻。所述高频脉冲源为小型纳秒级电压脉冲发生器，从电容式电压互感器的末端接入，脉冲频率宽度为50～300Hz，幅值为0～1000V，脉宽为10ns。此脉冲信号在超高压线路上传输，遇单相接地故障后，由于接地阻抗与线路阻抗的不匹配，在故障点发生反射；并在电容式电压互感器的末端测量此脉冲的反射信号，根据此反射信号提取瞬时性和永久性故障相应的特征，以此判断故障性质。本发明方法比较新颖，设计合理，实施容易，在电力系统继电保护领域具有广泛的推广研究价值。
文档编号H02H7/26GK101800419SQ20091019521
公开日2010年8月11日 申请日期2009年9月7日 优先权日2009年9月7日
发明者冷超, 刘文辉, 尹毅, 崔鹏程, 徐良, 李传毅, 王俏华, 罗小山 申请人:上海市电力公司超高压输变电公司;上海交通大学