故障行波理论及其应用.doc

清华大学电机系教授董新洲：故障行波理论及其应用 (2009-4-21 16:52:05)?? 来自 中国水力发电工程学会 ? ? 　　摘要：介绍了故障行波概念，分析了暂态故障行波的产生机理和传播过程，指出了暂态故障行波在分析和应用中的困难以及解决办法；叙述了故障行波在线路故障测距、配电线路单相接地选线和超高压/特高压线路保护中的研究和应用状况。明确指出：基于暂态故障行波的故障检测技术是未来电力系统不可或缺的技术手段和重要发展方向。 　　关键词：故障行波，输配电线路，故障测距，单相接地选线，行波保护 　　0?引言 　　迄今为止，国内外以继电保护为代表的电力系统故障检测技术主要基于故障后的工频故障信息构成。随着电力系统的发展，随着对电力系统运行安全性、可靠性要求的提高，传统故障检测技术日渐暴露出自身的缺点与不足，比如在超/特高压、长距离输电线路情况下保护灵敏度不足、不能有效保护带有FACTs元件的电力系统、故障测距不准确、不能有效解决配网单相接地选线难题。这种情况影响并在一定程度上制约了电力系统的发展，给电力系统带来安全隐患。针对这个问题，一个解决方案是继续挖掘和改进基于传统工频故障信息的故障检测技术，但是受工频故障信息自身的局限性，很难取得质的突破；另一个解决方案是挖掘和利用新的故障信息，构造新的故障检测技术，提高故障检测和处理能力，增强电力系统安全性和稳定性。 　　输配电线路发生故障后，故障点会出现突变的电压，在这个突变电压的作用下，线路上会出现运动的电压和电流行波，这些行波是由故障引起的，包含着丰富的故障信息，可以作为故障检测的依据。和工频故障信息不同，行波故障信息具有暂态特性和不可重复性，它在故障初瞬起作用，主要反映故障点的性质。不论故障性质如何，不论故障严重程度如何，不论系统接线方式如何，故障行波都会出现。此外，行波还具有不受CT饱和影响、不反映系统振荡、与过渡电阻无关、不受线路分布电容影响等优良性质。正是由于这些性质，行波才能在复杂的、使用传统方法难以检测的故障情况下判断故障发生、给出故障性质和位置。因此，研究并正确利用故障行波对于提高故障检测技术的水平，保障电力系统安全具有重要意义。 　　在电力系统，最早利用行波的故障检测技术追溯到1948年。受二战后雷达发明的启发，美国人seidu提出了利用故障后所产生的行波测量输电线路故障距离的思想[1]，基于该想法，上个世纪50年代末期先后出现了3种原理的行波测距技术。借鉴行波测距思想，从上世纪60年代许多学者和厂商试图把行波原理应用于构造具有超高速动作性能的继电保护，1976年ASEA公司率先研制出RALDA型极性比较式输电线路行波保护装置并投入电力系统运行[2]。遗憾的是，由于原理缺陷，由于技术条件限制，由于对故障行波现象认识不够深入，早期的行波测距和行波保护技术基本上已失败告终，并导致大家对行波以及它的应用产生疑虑。 　　随着计算机技术、微电子技术、通信技术、GPS时间同步技术和小波变换的出现，上世纪90年代再次掀起了行波研究和应用的高潮。上世纪90年代中期，国内外学者先后开展了利用暂态电流行波的输电线路故障测距技术研究，并成功应用于电力系统，实现了以行波测距为标志的行波故障检测技术的突破。 近年来，对于行波研究更加广泛和深入，基于单端量的输配电线路故障测距技术、中性点非有效接地系统配电线路单相接地选线技术、交直流输电线路行波保护新原理和技术陆续问世，掀起了行波研究和应用的新高潮，基于暂态行波的故障检测技术正以前所未有的速度深入电力系统故障检测的各个方面，并逐步发展成为一个相对独立的继电保护、故障检测理论与技术体系，已经或者必将在未来的电力系统发挥更大的作用。 　　1?故障行波的产生与性质 ?????众所周知，输配电线路具有分布参数特征，使用集中参数等效电路来代替分布参数电路，本身就是一种近似，而这种近似在线路电压等级不高、距离不长的情况下是接近准确的，它大大简化了对于输电线路的分析和计算，迄今为止，电力系统故障分析、继电保护与故障检测技术都以该等值电路为基础。但是近似电路本身并不等同于原型电路，表述输配电线路的准确模型是分布参数电路，而故障行波正是在在分布参数电路上形成并传播的。 　　1.1故障行波源[3] 　　根据叠加原理，故障后的电力系统可以等效为正常运行网络和故障附加网络的叠加。在故障附加网络中，附加电源是一个电压源，数值等于故障点故障前电压。正是在这个附加电压源的作用下，故障行波才得以形成。图1示出了单相故障网络等效为正常运行网络和故障附加网络之间的等效关系，图1(a)是发生了故障的电力系统，图1(b)是图1(a)的等效电路，而图1(b)可以表示为正常运行网络图1(c)和故障附加网络图1(d)的叠加。图中