一種直流輸電線路行波保護的雷擊故障識別方法

2023-05-06 12:51:36 3

專利名稱：：一種直流輸電線路行波保護的雷擊故障識別方法
技術領域：
：本發明涉及電力系統繼電保護
技術領域：
，具體地說是一種直流輸電線路行波保護的雷擊故障識別方法。技術背景隨著經濟建設的快速發展，跨區域的長距離輸電成為必然。因此，土800kV特高壓直流(UHVDC)輸電系統越來越受到關注，到2010年我國將建成世界首個土800kVUHVDC輸電工程——雲廣直流輸電工程。由於遠距離的輸電使線路發生短路、雷擊的概率大大增加，嚴重威脅到直流系統的穩定運行，因此有必要對雷電波幹擾進行正確識別。雷電衝擊通常為一單極性脈衝波，上升時間和下降時間都很短，屬於高頻信號。對基於工頻量的傳統保護，雷電所產生的高頻分量會作為幹擾而濾掉，而線路雷害的形成主要是在雷電過電壓的作用下，線路絕緣發生閃絡，當閃絡轉變為穩定的工頻電弧時，才會引起保護的動作，此時實際上已發生了故障。因此雷電衝擊對基於工頻量的傳統保護影響不大[1。然而，由於雷擊與故障引起的暫態信號都是高頻信號，行波保護與暫態保護必須能夠正確區分故障行波與非故障行波這兩種信號。因此，能否正確識別雷電幹擾是行波保護與暫態保護實用化所必須解決的關鍵問題之一。隨著對行波保護與暫態保護研究的深入，一些研究者已經開始關注雷電幹擾的識別問題，並取得了一定的成果[1-9]。文獻[l]中的方法只是針對感應雷擊，沒有系統解決如何識別雷電幹擾的問題，不夠全面。文獻[3]以雷擊交流線路不造成故障時，行波(暫態)信號中高頻分量與低頻分量能量比值大，而故障(包括雷擊造成故障)時，行波(暫態)信號中高頻分量與低頻分量能量比值小，這一特徵構成了雷電波的識別方法。但線路發生雷擊導線(繞擊)並未引起故障時，行波信號中高頻分量與低頻分量能量比值也可能比較小，與故障時的情況較難區別。文獻[4]直接通過比較雷擊或故障前後電流變化量的大小來判斷是否為雷電幹擾，但存在門檻值受多個因素的影響而不易整定，並且也未對感應雷擊考慮。雷擊直流輸電線路在落雷點會引起強烈的電暈，電暈對行波波頭的幅度和陡度有很大影響。直流線路電暈電壓的作用與交流不同，它的發展過程和交流電暈有很大差別[1]。因此，有必要考慮建立衝擊電暈及參數頻變的線路模型。參考文獻[I]司大軍，束洪春，陳學允，等輸電線路雷擊的電磁暫態特徵分析及其識別方法研究[J].中國電機工程學報，2005，25(7):64-69.[2]董杏麗，葛耀中，董新洲.行波保護中雷電幹擾問題的對策[J].中國電機工程學報，2002,22(9):74-78.[3]王鋼，李海鋒，趙建倉，等.基於小波多尺度的輸電線路直擊雷暫態識別[J].中國電機工程學報，2004，24(4):139-144.[4]李海鋒，王鋼，趙建倉.輸電線路感應雷擊暫態特性分析及其識別方法[J].中國電機工程學報，2004，24(3):114-119.[5]葉會生，何俊佳，李化，林福昌.雷擊高壓直流線路杆塔時的過電壓和閃絡仿真研究[J].電網技術，2005，29(29):31-35.問詹花茂，李成榕，等.採用MOA的輸電線路雷電響應分析模型[J].高電壓技術，2004，30(8>1-2.[7]劉振亞.特高壓直流輸電技術研究成果專輯[M].北京，中國電力出版社，2005.[8]王鋼，李志鏗，李海鋒.土800kV特高壓直流線路暫態保護[J].電力系統自動化，2007，31(21):40-43，48.[9]段建東，任晉峰，張保會，羅四倍.超高速保護中雷電幹擾識別的暫態研究[J].中國電機工程學報，2006，26(23):7-13.[10]TheIEEEWorkingGroup.IEEEGuideforImprovingtheLightingPerformanceofTransmissionLines.NewYork:IEEEPress,1997.[II]MAAl-Tai，HSBElayyan.Thesimulationofsurgecoronaontransmissionlines.IEEETrans.PD,Vo1.4,No.2，Apr.1989,pp.13601368.
發明內容本發明的目的在於針對現有技術的不足，在對雷擊特高壓直流輸電線路及非雷擊短路故障的電磁暫態特徵分析的基礎上，提出一種可以正確區分故障行波與雷電千擾的直流輸電線路行波保護的雷擊故障識別方法。(1)雷擊特高壓直流輸電線路與非雷擊短路故障的電磁暫態特徵雷電衝擊作用於輸電線路，根據過電壓的形成過程可以分為兩大類感應雷和直擊雷。本發明主要對直擊雷引起的暫態過程進行分析，系統模型如圖l所示，線路杆塔結構如圖2所示。為便於描述，本說明書中後述部分將短路或由雷擊引起短路的行波稱為故障性行波，將雷擊未造成短路引起的行波稱為非故障性行波。本發明對雷擊杆塔、雷擊避雷線、雷擊線路檔距中央與短路故障等情況的行波過程進行了大量的暫態仿真。其中，雷擊杆塔、雷擊避雷線、雷擊線路檔距中央不造成故障的典型行波(故障分量)波形如圖3—圖15所示。雷擊杆塔、雷擊避雷線未致故障時，在雷擊點會出現極高的過電壓，引起強烈的電暈。輸電線路電磁暫態過程形成流動波，當衝擊電壓幅值很高的時候，使得導線表面電位梯度增大，超過周圍空氣的擊穿場強時，線路上就發生電暈放電，電暈放電是一種局部放電，它使波的能量逐漸消耗，波的幅值發生衰減。因此兩極電壓行波表現為快速瞬變變化。雷擊線路檔距中央未致故障時，由於周圍空氣擊穿場強較高，沒有發生電暈放電，因此雷電波能量只在導線上經多次折反射逐漸消耗，兩極電壓行波表現為快速上升後緩慢衰減變化。總的來說，雷擊未致故障時，監測點檢測到的行波是雷電波幹擾，其電壓行波圍繞原直流量上下交替變化，電壓行波在多次折反射後，由於色散最終將衰減為零。因雙極直、流線路間存在電磁耦合，雷擊線路時的電壓行波在雷擊後起始的一段時間內變化一致，並且波形會沒有被截斷的突變。非雷擊短路故障、雷擊線路檔距中央和雷擊杆塔故障時的波形如圖16-圖26所示。雷擊杆塔、雷擊線路檔距中央故障和短路故障時，相當於故障點突然疊加故障激勵源，其電壓行波被突然截斷，此後的變化過程類似於直流激勵合閘電路的動態過程。初始行波在上升階段，表現為雷電波過程，絕緣子擊穿後，極線對地形成通路，雷電波被截斷，過電壓迅速下降，表現為短路性質特徵。(2)故障行波與非故障行波的特徵分析1)由圖3—圖15中非故障性行波波形可見非故障行波的特徵為①模極大值變化。對於繞擊，初始行波迅速上升後緩慢衰減，其模極大值為一正一負，並且正大負小。初始行波模極大值與第二個模極大值分別記為Ml和M2，定義模值比k:"IM剎(1)理論上，k=0。雷擊杆塔和避雷線檔距中央時，初始行上升緩慢後迅速衰減，其模極大值為一正一負，並且正小負大，理論上，k》1。②健全極通過線路間電磁耦合隨故障極電壓上下振蕩。兩極行波圍繞+800kV或-800kV，上下交替變化，如圖3、圖8和圖13所示，並隨時間逝去不斷衰減，當時間足夠長時將衰減為零。定義直線(a=腦)(6=-800)兩者分別與直線a、b相關係數的正負一致。即A〉0，/>6〉0或者/。<0，"0，/60，/6<0。(3)雷電幹擾的識別比較故障行波與非故障行波的特徵可得，雷擊未致故障時，非故障性行波在雙極直流輸電線路上多次折、反射後最終將衰減為零，因此兩極的電壓行波表現為圍繞時間軸正負交替變化，波形和大小相近，且非故障性行波波形沒有被截斷的突變；而雷擊造成故障和非雷擊短路故障時，故障性行波在故障後較短時間內，故障極電壓行波呈衰減趨勢，健全極電壓行波因線路間的電磁耦合呈上升趨勢，且故障性行波波形有被截斷的突變。本發明根據非故障性行波與故障性行波波形特徵差異，用兩極電壓行波與各自原直流分量的相關係數與小波變換模極大值作為判定依據，識別非故障行波(雷擊未致故障的情況)和故障性行波(雷擊故障與短路的情況)。本發明的識別方法步驟如下1)當直流輸電線路發生故障或者遭受雷擊在保護安裝處檢測到的行波大於門檻值時，行波保護裝置啟動並記錄下一定時間的行波波形(5ms):2)對電壓行波計算與原直流分量(±800)的相關係數；3)應用Karenbauer變換矩陣計算電壓行波0模分量和1模分量；4)尋找初始行波起始位置。採用3次B樣條小波對兩個模分量進行小波變換得到各6111—1(3)尺度下的模極大值，選擇一個尺度(本發明選取d2尺度)尋找模極大值的最大值，按照模極大值在時間上出現的先後順序尋找模極大值的最大值0.5倍的模極大值，它對應的時間認為是初始行波出現的時刻Tin;5)從初始行波模極大值開始，尋找下一個模極大值，分別記為M1和M2。計算模值比kformulaseeoriginaldocumentpage7(4)6)基於上述原理，形成故障識別判據如下formulaseeoriginaldocumentpage7或者formulaseeoriginaldocumentpage7當模值比滿足式(5)時，判定為故障性雷擊，其中，C一是雷擊直流輸電線路時的判據，C。^是雷擊杆塔或者避雷線時的判據，C。^整定為0.8、C。^整定為l.l;否則判定為非故障性雷擊。本發明與現有技術相比具有如下優點本發明的理論基礎較為直觀，並通過大量的暫態仿真驗證了本方法可靠、有效。而且本發明適用於一切暫態量保護的雷擊幹擾快速識別。圖1為系統單側換流站單極主接線及避雷器配置圖；圖2為直流輸電系統杆塔結構；圖3為雷擊杆塔未致故障時，檢測到有關的電壓波形；圖4為雷擊杆塔未致故障時，檢測到電壓波的1模分量；圖5為雷擊杆塔未致故障時，1模分量的小波變換模極大值；圖6為圖4部分放大示意圖；圖7為圖5部分放大示意圖；圖8為雷擊避雷線檔距中央時，檢測到有關的電壓波形；圖9為雷擊避雷線檔距中央時，檢測到電壓波的1模分量；圖10為雷擊避雷線檔距中央時，1模分量的小波變換模極大值；圖11為圖9部分放大示意圖；圖12為圖IO部分放大示意圖；圖13為雷擊輸電線路未致故障時，檢測到有關的電壓波形；圖14為雷擊輸電線路未致故障時，檢測到電壓波的l模分量；圖15為雷擊輸電線路未致故障時，1模分量的小波變換模極大值；圖16為短路故障時，檢測到有關的電壓波形；圖17為短路故障時，檢測到電壓波的1模分量；圖18為短路故障時，1模分量的小波變換模極大值；圖19為雷擊輸電線路故障時，檢測到有關的電壓波形；圖20為雷擊輸電線路故障時，檢測到電壓波的l模分量；圖21為雷擊輸電線路故障時，1模分量的小波變換模極大值；圖22為圖21部分放大示意圖；圖23為雷擊杆塔故障時，檢測到有關的電壓波形；圖24為雷擊杆塔故障時，檢測到電壓波的l模分量；圖25為雷擊杆塔故障時，1模分量的小波變換模極大值；圖26為圖25部分放大示意圖；圖27為本發明的雷擊幹擾識別流程圖；具體實施方式高壓直流輸電線路受雷擊幹擾時，利用上述原理可以實現對雷電波幹擾與雷擊故障的正確識別。具體實現流程如圖27所示。具體步驟如下1)當直流輸電線路發生故障或者遭受雷擊在保護安裝處檢測到的行波大於門檻值時，行波保護裝置啟動並記錄下一定時間的行波波形(5ms);2)對電壓行波計算與原直流分量(±800)的相關係數；3)應用Karenbauer變換矩陣formulaseeoriginaldocumentpage8計算電壓行波0模分量和1模分量；4)尋找初始行波起始位置。採用3次B樣條小波對兩個模分量進行小波變換得到各尺度下的模極大值，選擇d2尺度尋找模極大值的最大值，按照模極大值在時間上出現的先後順序尋找模極大值的最大值0.5倍的模極大值，它對應的時間認為是初始行波出現的時刻Tin;5)從初始行波模極大值開始，尋找下一個模極大值，分別記為M1和M2。計算模值formulaseeoriginaldocumentpage96)基於上述原理，形成故障識別判據如下-formulaseeoriginaldocumentpage9/。〉0，/)6<0或者^〉0，(3-b)當模值比滿足式(3)時，判定為故障性雷擊，其中，C一是雷擊直流輸電線路時的判據，C。^是雷擊杆塔或者避雷線時的判據。C。^整定為0.8、C。^整定為l.l;否則判定為非故障性雷擊。舉例說明如下分別考慮雷擊避雷線檔距中央、杆塔和輸電線路，以及短路故障。tableseeoriginaldocumentpage9權利要求1.一種直流輸電線路行波保護的雷擊故障識別方法，其特徵在於根據非故障性行波與故障性行波波形特徵差異，用兩極分別與原直流分量的相關係數來判別波形變化趨勢；用初始行波模極大值與第二個模極大值之比來表徵波形截斷的突變，將兩個特徵結合識別非故障性行波與故障性行波。全文摘要本發明涉及一種直流輸電線路行波保護的雷擊故障識別方法。根據雷擊造成故障與未致故障時的電壓行波波形特徵不同，用兩極電壓行波分量分別與原直流分量的相關係數來判別波形變化趨勢；用初始行波模極大值與第二個模極大值之比來表徵波形被截斷的突變，兩個特徵結合以實現雷擊杆塔、雷擊避雷線、雷擊線路檔距中央未致短路故障時的電壓行波與雷擊杆塔、雷擊線路檔距中央故障和非雷擊短路故障時的電壓行波的識別。兩個雷電波幹擾識別判據結合以提高識別可靠性。大量仿真表明該方法可靠、有效。本發明的物理概念直觀清晰，具有快速動作性能，不受故障類型和過渡電阻影響，且易於實現，可廣泛應用於直流系統保護裝置。文檔編號H02H7/26GK101242098SQ20081005817公開日2008年8月13日申請日期2008年3月12日優先權日2008年3月12日發明者劉可真,劉志堅,嵐唐,孫向飛,孫士雲,勇常,束洪春,毅楊,王永治,程春和,俊董,邱革非申請人:昆明理工大學