1、电力系统自适应电力系统自适应自自 动动 重重 合合 闸闸 技技 术术电力新技术讲座电力新技术讲座一、一、 概述概述 自动重合闸技术作为保证系统安全供电和稳定运行自动重合闸技术作为保证系统安全供电和稳定运行的重要措施之一，目前在架空输电线上获得普遍的应用。的重要措施之一，目前在架空输电线上获得普遍的应用。 从系统运行看，使用自动重合闸的目的是为了在瞬从系统运行看，使用自动重合闸的目的是为了在瞬时故障消除后使线路重新投入运行，纠正由继电保护误时故障消除后使线路重新投入运行，纠正由继电保护误动作或其他原因引起的误跳闸，从而在最短时间内恢复动作或其他原因引起的误跳闸，从而在最短时间内恢复整个系统的正常
2、运行状态，以保证系统的安全供电。整个系统的正常运行状态，以保证系统的安全供电。 自动重合闸分为三相自动重合闸和单相自动重合闸两大类。自动重合闸分为三相自动重合闸和单相自动重合闸两大类。 目前在设计超高压线路上的重合闸装置时，单相重合闸和三相目前在设计超高压线路上的重合闸装置时，单相重合闸和三相重合闸都是综合在一起考虑的，即发生单相接地时，采用单相自动重合闸都是综合在一起考虑的，即发生单相接地时，采用单相自动重合闸；当发生相间故障时，采用三相重合闸方式。综合考虑这两重合闸；当发生相间故障时，采用三相重合闸方式。综合考虑这两种重合闸方式的重合闸称为综合重合闸。种重合闸方式的重合闸称为综合重合闸。
3、综合重合闸装置经过转换开关的切换，一般都具有单相重合闸、综合重合闸装置经过转换开关的切换，一般都具有单相重合闸、三相重合闸、综合重合闸和永跳等四种方式。三相重合闸、综合重合闸和永跳等四种方式。 重合闸的缺点：重合闸的缺点： 重合于永久故障对系统造成的危害。重合于永久故障对系统造成的危害。 主要原因：自动重合闸都是在不知道短路故障是永久主要原因：自动重合闸都是在不知道短路故障是永久故障还是瞬时故障的情况下盲目进行的。故障还是瞬时故障的情况下盲目进行的。 为了解决这一问题，希望能找出一些方法来减小或避为了解决这一问题，希望能找出一些方法来减小或避免重合于永久故障时对系统的危害，这也就是对自适应重免
4、重合于永久故障时对系统的危害，这也就是对自适应重合闸提出的一个基本要求。合闸提出的一个基本要求。 对自适应重合闸的第二个要求，重合闸时间如何选择？对自适应重合闸的第二个要求，重合闸时间如何选择？ 为了减少重合于永久故障时对系统稳定运行的影响，有为了减少重合于永久故障时对系统稳定运行的影响，有人提出了按人提出了按“最佳重合闸时间最佳重合闸时间” 重合闸的方法。这一方法重合闸的方法。这一方法是在故障切除后系统在第一个摇摆周期内不失步的条件下，是在故障切除后系统在第一个摇摆周期内不失步的条件下，采用系统功角采用系统功角的加速度的加速度d/dt达到负的最大值时刻作为重合达到负的最大值时刻作为重合闸时间
5、。闸时间。 采用采用“最佳重合闸时间最佳重合闸时间”进行重合闸时，由于系统进行重合闸时，由于系统功角的加速度正处于负最大值，因此重合于永久故障时功角的加速度正处于负最大值，因此重合于永久故障时系统功角的正加速度将被部分或全部抵消，系统将在最系统功角的正加速度将被部分或全部抵消，系统将在最短的时间内达到新的平衡状态。短的时间内达到新的平衡状态。 这一方法的优点是可以改善重合于永久故障时系统这一方法的优点是可以改善重合于永久故障时系统的稳定性，但却不能避免重合于永久故障对系统中电气的稳定性，但却不能避免重合于永久故障对系统中电气设备的冲击。另外，如果系统在第一个摇摆周期内不重设备的冲击。另外，如果
6、系统在第一个摇摆周期内不重合，就要失稳，这个方法也不适用。合，就要失稳，这个方法也不适用。 以下首先讨论单相重合闸过程中利用电压法和补以下首先讨论单相重合闸过程中利用电压法和补偿电压法判别瞬时故障和永久故障的方法，从而解决偿电压法判别瞬时故障和永久故障的方法，从而解决了无并联电抗器和中性点小电抗器补偿的高压、超高了无并联电抗器和中性点小电抗器补偿的高压、超高压线路在单相重合闸时，避免重合于永久故障的问题。压线路在单相重合闸时，避免重合于永久故障的问题。 除单相重合闸外，三相重合闸如重合于永久故障除单相重合闸外，三相重合闸如重合于永久故障更为严重，致使在超高压线路上很少使用三相重合闸。更为严重，
7、致使在超高压线路上很少使用三相重合闸。由于超高压线路担负着传送强大功率的重要作用，重由于超高压线路担负着传送强大功率的重要作用，重合于永久性故障对系统稳定运行会带来严重危害，因合于永久性故障对系统稳定运行会带来严重危害，因此进一步研究在超高压线路上不使重合于永久故障的此进一步研究在超高压线路上不使重合于永久故障的问题具有迫切的现实意义。问题具有迫切的现实意义。 综上所述综上所述，自适应重合闸能在线识别出故障是瞬时性还是永久性，从而克服了传统的重合闸可能满目重合于永久故障的缺点，进一步提高了系统的安全稳定运行。 二、 自适应单相自动重合闸 统计结果表明，线路故障有7080以上为单相接地短路，在这
8、种故障情况下只跳开故障相并进行单相自动重合是保证电力系统安全稳定运行的重要有效措施之一。为了防止自动重合于永久故障，下面首先阐明一相断开后线路两端电压的特征，并在此基础上提出在单相重合闸过程中判别瞬时故障和永久故障的方法。 （一）（一） 一相断开时断开相线路两端的电压一相断开时断开相线路两端的电压 为了寻求在单相重合闸过程中判别瞬时和永久故障的途径，首先讨论一相（例如A相）断开时线路断开相两端的电压。 1.瞬时故障时断开相两端的电压瞬时故障时断开相两端的电压 如果为瞬时性故障，当线路故障相两端断开后，短路点电弧很快熄灭，线路转入两相运行状态，在此将高压线路分为两类：一类是带有并联电抗器的线路，
9、另一类是不带并联电抗器的线路，前者如图4-20所示。断开相两端电压由电容耦合电压和电感耦合电压两部分组成。图4-20中并联电抗器和中性点小电抗器接为星形。为了以后分析方便，将上述多支路星形变为对角连接的网形，将并联电抗器和中性点小电抗器转换为并联电抗器对相间电容Cm的补偿与Lm2和相对地电容C0的补偿 L01和 L02 ，转变后的电路如图4-21所示。图 4-20图 4-20图 4-21(3)imiininiLLLLL03iiniLLL1,2i （1）电容耦合电压）电容耦合电压 由于在超高压线路上可能接有一组或两组并联电抗器，为了分析方便，在分析电容耦合分量时，采用等值相间电感Lm和等值对地电
10、感L0 。等值电感 Lm和L0是i组（i1,2）并联电抗器共同作用的结果。当I =1时，即只有一组并联电抗器 。00 1LL1mmLL 当i =2时，即有两组并联电抗器，并且两组并联电抗器的阻抗相等时 0102022LLL1222mmmLLL 在采用Lm和 L0后，分析电容耦合电压Uy的等值回路如图4-22所示。断开相上的电容耦合电压 Uy ，可以近似表示为 00()2yBCmjXUUUjXjX图 4-22(4-42) 0000000001000010();()();();.LCLCLCLCLmCmLmCmmLmCmLmCmLCCCmCmCmjXjXXXjXjj XXXXjXjXXXjXjj
11、XXXXXLXXLX BCUUU令由式(4-42) 可以得出图4-23的等值电路。式(4-42)可以表示为图4-23式（4-23）等值电路002ymXUUXX (4-43) 同相。从上式可以看出与yUU设为线路断开相电容耦合电压 yU与U之比， 则 k为一实数，可以表示为 002ymXkUUXX（4-44） 在接近对相间电容全补偿的条件下， CmLmXX|mX， ，这时k 0，断开相上的电容耦合电压很低。 对于不带并联电抗器的线路，L1=L2 =，于是00,CmCmXXXX (4-45) 0010010222CmyCmCmXbbbUUUUXXbbbb式中 故 单位长线路的相间、相对地的容纳 单
12、位长线路的正序、零序容纳 mb0b, 1b0b， (4-46) 由以上分析可见，断开相线路两端的电容耦合电压，由线路的参数b1，b0和并联补偿的程度而定，与线路长度无关。 （2 2）互感电压）互感电压 设线路单位长度互感为Zm，A相断开后B、C相电流 和 则断开相上单位长度互感电压 ，可以表示为 BICI、 xU0001()3()xBCmmUIIZI ZIZZ两相运行时的零序电流； 单位长度线路的互感； (4-47) 0ImZ0Z1Z，单位长度线路的零序、正序阻抗。 式中 两相运行时的零序电流可以用下式求得00112AIIZZ(4-48) 故障前A相电流； 断线端口的零序和正序综合阻抗。 式中
13、 AI0Z1Z、xxlU lU (4-49) 线路互感电压为 线路长度。 l式中 (3) (3)线路断开相两端电压的工频分量线路断开相两端电压的工频分量 线路断开相两端的电压由耦合电压和互感电压决定。电容耦合电压 与线路长度无关，是相对地的电压，而 是在导线中感生的电压，其方向是沿导线的，它与线路长度成正比。当线路分布参数以T型等效，则线路两端电压分布如图4-24(a)所示的向量关系，其大小可表示为： yUxlU22|()cos(90)2xLyyxLAnUUUU U22|()cos(90)2xLyyxLAmUUUU U功率因素角为正，电流滞后电压。 当功率因数 cos10，式中，于是简化得 图
14、4-24 22(/ 2)AmAnyxLUUUU （4）线路断开相两端电压中的自由分量）线路断开相两端电压中的自由分量 在有并联电抗器补偿的超高压线路上，当潜供电弧熄灭后，各储能元件所储存的电磁能量将按网络的固有频率以自由振荡的方式衰减。计算和实测表明，自由振荡的频率一般在3040Hz左右，衰减时间常数T一般在1s左右。自由分量振荡的幅值受开关动作和短路点等因素的影响，变化较大。从大量现场实验资料看，恢复电压中自由分量的幅值一般接近或高于工频分量的幅值。在略去次要成分后，恢复电压的瞬时值可以用下式表示：( )sin()sin()tSsstTtTu tUtU eSUtU式中 和工频分量和自由分量的
15、幅值；sTtsT 和工频分量和自由分量的角频率工频分量和自由分量的初相角和自由分量的衰减系数。( )sin()sin()tSsstTtTu tUtU e 由于有并联电抗器补偿的线路上的自由分量的衰减时间常数 一般在1s以上，因而自由分量在快速重合闸期间内不会衰减至零。设重合闸时自由分量的振幅已经衰减到Ut1，则重合闸时断开相两端电压的有效值可以近似表示为1T22112StUUU（4-53） 从上式可以看出，由于有自由分量的存在，使瞬时故障情况下断开相两端电压的有效值增大。 2. 永久故障时断开相两端的电压 当线路发生单相永久接地时，线路断开相两端的电压由接地点位置，健全相负荷电流和过度电阻RF
16、决定。 （1）金属接地短路时断开相两端的电压 当过度电阻RF =0时，线路对地电容C0放电，在稳定情况下可以不考虑由电容产生的电压分量。这时断开相两端电压由互感电压和接地点位置决定。设接地点距m端为 ，则m 端电压为 lxmxUl U()xmxUll U n端电压为（4-54） （4-55） (2) 经过渡电阻经过渡电阻RF接地短路时断开相两端的电压接地短路时断开相两端的电压 当RF0时，断开相两端电压中电容耦合分量不为零，互感电压的幅值和相位也随RF而变化。下面分别分析RF对电容耦合电压和互感电压的影响。 1）过渡电阻对电容耦合电压的影）过渡电阻对电容耦合电压的影响响 当RF0时，断开相的等
17、值电路如图4-25所示。 当过渡电阻为RF时，可以得出断开相电容耦合。图4-25yRUFR与 的关系如下：电压1yRRmFUkKXUjkR（4-56） 002mXkXX式中 上式中KR为一复数，表示为 RjRRKk e21 ()RmFkKXkR1()mRFkXtgR则 在一般情况下，jXm 为容性阻抗。令mmXX 上式可化为1()mRFXtgkR 下面下面以某500kV 线路参数为例作出kR与RF关系曲线kR=f(RF)如图4-26所示： 图4-26 2）过渡电阻对线路两端互感电压的影响）过渡电阻对线路两端互感电压的影响断开相两端互感电压不仅与过渡电阻RF的大小有关，还与接地位置有关。对于有并
18、联电抗器和中性点小电抗器补偿的线路。一般按对相间电容近似全补偿设计。这时 ，可以近似 0mXXmX认为，即在分析过渡电阻对互感电压的影响时不考虑相间等值阻抗Xm的影响。 l l010202LLL设 ， ，则近似分析时的等值电路如图4-27所示。图4-27由图4-27可以写出122112(1)111(1)1XLXLxmnnnnmmFFaUa UUXXXjXXXRjR001002CLmLCXXXaXX 002002(1)CLmLCXXXa XX 001002(2)CLnLCXXXa XX 002002(1)CLnLCXXXa XX 式中 xmU2xmxLUU从图4-27可以定性看出，当a=0.5
19、时，短路点左右两边的电路参数相同，电流方向相反。这时RF中电流为零，因而RF对无影响，；当a=0时，RF位于m端，Uxm将随RF的变大而增大；当a=1时，RF位于n端，Uxm将随RF的变大而减小。DzkxLUk U1、电压判据（1）原理.电压判据是建立在测定单相自动重合闸过程中断开相两端电压的大小来区分瞬时故障和永久故障的。 由上述分析可知，为判明瞬时和永久性故障，应保证在永久性故障时不重合，考虑最严重条件，电压继电器的整定值应按下式决定（二）（二） 瞬时故障与永久故障的判别方法（4-58）式中 kk=1.11.2; UXl 最大负载条件下两相运行时的感应电压。 当测量到的电压大于或等于UDz
20、时，判定为瞬时性故障，允许自动重合闸动作。 yxLUUykxUlk U 从上述分析可知，当线路空载时，断开相两端电压只由电容从上述分析可知，当线路空载时，断开相两端电压只由电容耦合电压决定。允许自动重合闸的条件可表示为耦合电压决定。允许自动重合闸的条件可表示为由此可得本判据适用线路的长度为（4-59） 由式4-47可知Ux与未断开相的电流有关。当线路空载时， Ux最小，适用长度最大。适用长度还与负载电流成反比，在最大负载时，可决定出适用电路的最小长度。 （2）适用范围估算 按式（按式（4-59）求出的）求出的L (km)如大于单相重合闸所在线路的如大于单相重合闸所在线路的长度，就可用此判据。长
21、度，就可用此判据。 为了估计电压判据的大致适用范围，应求出在一相断开的为了估计电压判据的大致适用范围，应求出在一相断开的条件下，未断开相的电流，它们与断开前的负载情况和系统条件下，未断开相的电流，它们与断开前的负载情况和系统参数有关。假定断开前后线路电流基本不变、线路传送自然参数有关。假定断开前后线路电流基本不变、线路传送自然功率、功率、Z0=3Z1，则不同电压线路的，则不同电压线路的Ux可由式（可由式（4-47）求出；）求出；根据不同电压线路的一般参数由式（根据不同电压线路的一般参数由式（4-46）可求出）可求出Uy。取。取kk=1.2,由式（由式（4-59）所得长度列于表）所得长度列于表4
22、-1中。中。 表表4-14-1cos1cos1当缩短端不能立即允许合闸。但是当伸长端重合后，线路电压时，一端适用范围增大，另一端缩短，致使升高，缩短端即行合闸，故这种方法可按 的条件计算适用长度。 电压判据法的特点是简单易行，在线路两端各加装三个电压继电器与现有单相自动重合闸配合使用即可。也可以利用上述原理做成独立的故障判别装置。BCIIBICIBICI （3）电压继电器的整定计算根据电压判据的原理，电压继电器的定值应按式（4-58）进行计算，而式中电压Ux又由式（4-47）决定，为此要求计算出断相后 在正常运行时，设线路的负载电流为IH，一相断开后（例如A相），由于在断开点串联一个系统综合的
23、负序和零序的并联阻抗，正序电流较断线前的负载电流小，系统地传送功率也要降低。但一般情况下，未断开相的电流（例如 ）较断线前的负载电流有所增加，相位也要发生变化，它与系统参数有关，要、的之值。分别求出 、 是相当繁琐的。00013()xLMLLUI Z lIZZ0I 相断开后线路的零序电流； 0AI03BCIII考虑到在单相（A相）断开后， ，故有代入式（4-47）可得出（4-60）0LZ1LZ，线路零序、正序阻抗。式中00112H AIIZZ1Z系统的综合正序阻抗； 0Z系统的综合零序阻抗。 在单相断线条件下，假定系统的正序阻抗和负序阻抗相等，则单相断开后的零序电流可由下式决定（4-61）HA
24、I单相断开的A 相负载电流； 式中由上式可见,在一定负载条件下,I0随比值01ZZ减小。将式（4-60）及（4-61）代入式（4-58）可得的增大而0101()12kLLHADZkZZIUZZ（4-62） 由此便可直接由线路正常负载电流及系统和线路的有关参数算出电压继电器的定值。计算时应考虑系统实际运行中可能出现的 0112H AIZZ最大值的情况。 （1）原理）原理 对于重负荷长距离的高压输电线路，在断开相的两端将会出现永久故障时的电压大于瞬时故障电压的情况。为了能正确区分永久和瞬时故障，可采用补偿电压的方法。 由上述分析可知，在永久故障时，线路断开端的电压与接地点到断开点的距离成正比。分析
25、结果表面，从适用长度看，当线路两端各补偿 UxL/2时，可得到最佳结果。当电流方向规定是由母线流向线路为正方向时，判别为瞬时故障允许自动合闸的条件，即补偿电压判据可表示为2补偿电压判据1| |22kxLxLkUUU式中,U 断开相的测量电压。 由式（4-63）可见，在永久接地短路条件下，线路两端得（4-63）到的补偿电压的最大值为12xLU相导线两端的电压由电容耦合电压和感性电压决定。；在瞬时接地短路时，断开2llll2ykxUlkU 2kyxLxlkUUU （2）适用长度。由上述分析结果可以得到补偿电压判据的动作条件为 由此可得出补偿电压判据的适用长度 比较式（4-65）和式（4-59）可得
26、补偿电压判据的适用长度为电压判据适用长度 的两倍。（4-64） (4-65)，即3.组合补偿判据| |44xLxLkk UUU 在带并联电抗器和中性点电抗器的高压长距离线路上,瞬时故障切除后,断开相线路两端的电压可能很低,为此提出的组合电压补偿判据3| |44xLxLkk UUU(4-66) (4-67) 当以上二式同时满足时,判定为瞬时性故障,允许进行单相重合闸。 用与电压补偿判据相同的方法可以得出，组合电压判据的适用长度是电压判据的4倍。 值得进一步说明的是此判据的暂态特性，由图4-24可知 | |44xLxLyUUUU| |44xLxLyUUUU3| |44xLxLyUUUU3U44xL
27、xLyUUUxLUyU考虑到与 在暂态过程中频率不同，在不同时刻（4-67） （4-68） 总会出现44xkxyU lk U lU将上述结果代入组合电压补偿判据可得（4-70）判据的适用长度。l式中由此可得出判据的适用长度41ykXUlkU 或41kkkllk kk24ll 设 =1.2，则，即此判据在暂态过程条件下的适用范围为电压判据的24倍。 对超高压输电线路运行情况的统计结果表明，两相和三相短路占输电线路故障20%30%。虽然相间故障在短路故障中所占比例较小，但三相自动重合闸时重合于两相或三相永久故障时对系统安全稳定运行所造成的危害却更为严重。为了避免在三相自动重合闸时重合于永久故障，本
28、节在对带并联电抗器补偿的超高压线路发生短路故障三相跳闸后暂态过程分析的基础上，提出了在三相自动重合闸过程中判别永久故障的方法，并且利用计算机和TNA进行了模拟试验。理论分析和试验结果表明这一方法是可行的。三三、 自适应三相自动重合闸 1.基本分析方法 本节采用拉氏变换对三相跳闸过程作定性分析，并用“电力系统电磁暂态通用程序”（即EMTP）进行定量的分析计算。 已带电的超高压输电线路两端的断路器三相跳闸后，线路上各储能元件所储存的电磁能量可以用各储能元件的初始条件来表示。对于三相输电线路，由于短路时各相电流和电压（包括工频分量和暂态分量）不对称、断路器三相跳闸的不同期性等因素，跳闸后的三相初始条
29、件也是不对称的。对于不对称的三相初始条件可以分为1，2，0，三序。当采用拉氏变换分析线路三相跳闸后的暂态过程时，各储能元件的初始条件可以转化为相应的电流源或电压源。如果以F（s）表示这种非零初始条件的网络，则计算三相跳闸后线路上暂态过程的1，2，0序网如图4-28所示（以下将简称为F（s）网络）。 （一）线路短路三相跳闸后的暂态过程分析 为了对输电线路三相跳闸后线路上的暂态过程有一个全面的了解，为了对输电线路三相跳闸后线路上的暂态过程有一个全面的了解，下面先讨论无故障时开断三相空载长线的情况。这时相当于图下面先讨论无故障时开断三相空载长线的情况。这时相当于图4-28各序各序网络故障端口网络故障
30、端口k-k都悬空的情况。都悬空的情况。2. 无故障时开断三相空载长线后的暂态过程无故障时开断三相空载长线后的暂态过程图4-28 已带电的超高压线路两端的断路器在无短路故障情况下三相跳闸后，线已带电的超高压线路两端的断路器在无短路故障情况下三相跳闸后，线路上各储能元件的电磁能量将随线路情况衰减。当线路上无并联电抗器时，路上各储能元件的电磁能量将随线路情况衰减。当线路上无并联电抗器时，电磁能量主要以直流的形式衰减。当线路上接有并联电抗器时，电磁能量将电磁能量主要以直流的形式衰减。当线路上接有并联电抗器时，电磁能量将按线路的自由振荡频率衰减振荡，自由振荡频率一般在按线路的自由振荡频率衰减振荡，自由振
31、荡频率一般在3040Hz左右，自由左右，自由振荡的衰减时间常数振荡的衰减时间常数T一般在一般在1s左右。左右。 例如我国某例如我国某500KV线路，长线路，长342km，线路两端各接有一组，线路两端各接有一组350MVAR并并联电抗器，中性点小电抗为联电抗器，中性点小电抗为550。线路的自由振荡频率为。线路的自由振荡频率为40.4Hz，衰减时间，衰减时间常数常数T=1.28s，图，图4-29是在这条线路上进行跳闸试验时的慢扫描录波图，从图是在这条线路上进行跳闸试验时的慢扫描录波图，从图中可以看到跳闸后自由分量以拍频形式衰减振荡。中可以看到跳闸后自由分量以拍频形式衰减振荡。 根据国外现场试验结果
32、，天气状况对三相跳闸后线路上自由分量衰根据国外现场试验结果，天气状况对三相跳闸后线路上自由分量衰减速度的影响很小，在快速重合闸期间内（减速度的影响很小，在快速重合闸期间内（0.40.5s）可以近似认为）可以近似认为自由分量的衰减速度不受天气状况的影响。对自由分量衰减速度影响自由分量的衰减速度不受天气状况的影响。对自由分量衰减速度影响最大的是电磁式电压互感器。当线路侧接有电磁式电压互感器时，自最大的是电磁式电压互感器。当线路侧接有电磁式电压互感器时，自由分量将在几个周波内衰减至零。以下将只对接有并联电抗器的超高由分量将在几个周波内衰减至零。以下将只对接有并联电抗器的超高压线路进行分析，在超高压线
33、路上照例装设电容式电压互感器。压线路进行分析，在超高压线路上照例装设电容式电压互感器。 1 1）两相短路）两相短路 两相短路三相跳闸后的三序两相短路三相跳闸后的三序F F（s s）网络连接如图）网络连接如图4-304-30所示。从图中可以所示。从图中可以看出，零序网络中自由分量的衰减振荡情况与线路上是否有短路无关。两相看出，零序网络中自由分量的衰减振荡情况与线路上是否有短路无关。两相短路三相跳闸后的零序分量是由断路器三相不同期跳闸引起的。短路三相跳闸后的零序分量是由断路器三相不同期跳闸引起的。（1）各种短路故障情况下断路器三相跳闸后线路上的暂态过程分析）各种短路故障情况下断路器三相跳闸后线路上
34、的暂态过程分析图4-30 下面定性分析下面定性分析F1(s)和和F2(s)网络中的初始条件。对于网络中的初始条件。对于双电源系统，工频稳双电源系统，工频稳态两相短路的正序和负序电压、电流的相位关系如图态两相短路的正序和负序电压、电流的相位关系如图4-314-31（a a）所示，正负）所示，正负序电压在网络中的分布如图序电压在网络中的分布如图4-314-31（b b）所示。）所示。图4-31从图从图4-31（b）中可以看出，）中可以看出，U1和和U2的分布不同，因此的分布不同，因此在三相跳闸在三相跳闸后后1 1序网和序网和2 2序网的初始条件不同。序网的初始条件不同。1 1序网和序网和2 2序网
35、的电磁能量将通过故障端序网的电磁能量将通过故障端口转移，过渡电阻的存在将使这种能量转移的速度减慢。如果短路点很口转移，过渡电阻的存在将使这种能量转移的速度减慢。如果短路点很快熄弧，则将停止这种能量转移，这样将使快熄弧，则将停止这种能量转移，这样将使1 1序网和序网和2 2序网自振电压的幅序网自振电压的幅值和相位不同。值和相位不同。对于超高压线路，分布电容的容抗和并联电抗器的感抗远大于线路阻对于超高压线路，分布电容的容抗和并联电抗器的感抗远大于线路阻抗，自振电压主要降落在线路的分布电容和并联电抗器上，因此可以近抗，自振电压主要降落在线路的分布电容和并联电抗器上，因此可以近似认为故障点的自振电压与
36、线路两端的自振电压相等。在此基础上，可似认为故障点的自振电压与线路两端的自振电压相等。在此基础上，可以将两相短路三相跳闸后线路自振电压的特点总结如下以将两相短路三相跳闸后线路自振电压的特点总结如下: :图4-31 当永久故障时，故障端口的当永久故障时，故障端口的1序和序和2序自振电压相等，因此两相故障自序自振电压相等，因此两相故障自振电压相等。振电压相等。 当瞬时故障时，在短路点熄弧后两故障相自振电压的幅值和相位不同。当瞬时故障时，在短路点熄弧后两故障相自振电压的幅值和相位不同。幅值和相位差取决于三相分闸后故障点的过渡电阻和故障点的熄弧速度。幅值和相位差取决于三相分闸后故障点的过渡电阻和故障点
37、的熄弧速度。过渡电阻大、熄弧时间短时，过渡电阻大、熄弧时间短时，1序和序和2序网中电磁能量的差别大，因而两序网中电磁能量的差别大，因而两故障相自振电压的差别也就大。故障相自振电压的差别也就大。 2 2）两相接地短路）两相接地短路 两相接地短路三相跳闸后的两相接地短路三相跳闸后的F F（s s）序网联接如图）序网联接如图4-324-32所示。从图中可所示。从图中可以看出，三序网络故障端口自振电压相等，在金属短路条件下，两故障相以看出，三序网络故障端口自振电压相等，在金属短路条件下，两故障相电压近似为零。电压近似为零。 当短路点熄弧后，三序网络的自振电压将按各序网的固有频率和当短路点熄弧后，三序网
38、络的自振电压将按各序网的固有频率和衰减时间常数衰减振荡，自振电压的幅值和相位则取决于熄弧后各序衰减时间常数衰减振荡，自振电压的幅值和相位则取决于熄弧后各序网的初始条件。网的初始条件。 对于架空线路，对于架空线路，1序网和序网和2序网的参数相同，因此序网的参数相同，因此1序网和序网和2序网序网自振电压的频率和衰减系数也相同。自振电压的频率和衰减系数也相同。1序网自振频率一般为序网自振频率一般为3540Hz，衰减时间常数，衰减时间常数T1一般为一般为1s左右左右。 0序网自振频率一般为序网自振频率一般为3040Hz，衰减时间常数，衰减时间常数T0一般为一般为0.5s左右。设左右。设B、C相为故障相
39、，根据相为故障相，根据对称分量法可知，两相故障相电压为零的边界条件为对称分量法可知，两相故障相电压为零的边界条件为120( )( )( )u tu tu t图4-23 但在断路器跳闸接地点熄弧后，但在断路器跳闸接地点熄弧后，u0(t)的自振频率和衰减时间常数的自振频率和衰减时间常数与与1序和序和2序不同，因此两故障相上将有拍频形式的自振电压出现。序不同，因此两故障相上将有拍频形式的自振电压出现。以下就利用以下就利用EMTP程序对某程序对某500kv系统进行计算来说明这个问题。系统进行计算来说明这个问题。 某某500kV系统，线路长系统，线路长215.6km，末端接有一组，末端接有一组350MV
40、AR并并联电抗器。为了使两故障相上的残余电荷近似为零，在计时起点联电抗器。为了使两故障相上的残余电荷近似为零，在计时起点t0=0秒前保持一种秒前保持一种“稳定的单相运行状态稳定的单相运行状态”，这种单相运行状态只，这种单相运行状态只是为了说明问题而有意设计的。系统在是为了说明问题而有意设计的。系统在t0以前的运行状态以前的运行状态,如图如图4-33所示。所示。t1=10ms，SW1和和SW2跳闸，由于在电流过零时熄弧，故两跳闸，由于在电流过零时熄弧，故两开关的动作开关的动作 时间略有不同；时间略有不同；t2=55ms，SW3跳闸，模拟接地点息弧；跳闸，模拟接地点息弧；t3=400ms，计算结束
41、。，计算结束。 图 4-33各开关动作顺序如下：各开关动作顺序如下：图4-34 图图4-34是计算出的线路首端是计算出的线路首端各相电压及零序电压波形。从各相电压及零序电压波形。从图中可以看到，尽管两故障相图中可以看到，尽管两故障相的残余电荷近似为零，但在接的残余电荷近似为零，但在接地点断开后，仍然出现了拍频地点断开后，仍然出现了拍频形式的自振电压。在实际系统形式的自振电压。在实际系统中当然不会出现这种中当然不会出现这种“稳定的稳定的单相运行单相运行”状态，两故障相上状态，两故障相上还存在一定的残余电荷，但不还存在一定的残余电荷，但不会改变上述结论。会改变上述结论。 综上所述，可以对两相接地三
42、相跳闸后线路上自综上所述，可以对两相接地三相跳闸后线路上自振电压的特点总结如下：振电压的特点总结如下： 当当永久故障时，接地相自振电压为零永久故障时，接地相自振电压为零。 当当瞬时故障时，短路点熄弧后，故障相上有拍瞬时故障时，短路点熄弧后，故障相上有拍频形式的自振电压电压出现频形式的自振电压电压出现。 3）单相接地短路）单相接地短路 目前超高压线路上广泛采用了单相自动重合闸装置，但也可能在某些特目前超高压线路上广泛采用了单相自动重合闸装置，但也可能在某些特殊情况下（如选相元件误判断等）造成单相接地跳三相的情况。因此这里也殊情况下（如选相元件误判断等）造成单相接地跳三相的情况。因此这里也简单讨论
43、单相故障三相跳闸后线路上的暂态过程。简单讨论单相故障三相跳闸后线路上的暂态过程。 单相接地三相单相接地三相F（s）网络的联接如图）网络的联接如图4-35所示。所示。120( )( )( )0u tutut当线路上有短路点时，当线路上有短路点时， 因此故障相电压为零。因此故障相电压为零。 图4-35 当短路点熄弧后，由于三序网络的自振电压频率不同，因此故障上自振电压不为零，即120( )( )( )0ututut 图4-36是我国某330kV线路B相瞬时接地，断路器三相跳闸情况下的录波图。线路长258.5km，接有一组330MVAR并联电抗器，中性点小电抗423欧。从图中可看到在接地点断开后，故
44、障相上出现自振电压。 根据以上分析，对单相接地三相跳闸后暂态过程的特点总结如下： 永久故障：故障相自振电压为零。 瞬时故障：故障点灭弧后故障相上出现自振电压。 图4-36 4）三相接地短路 对于三相接地三相跳闸后线路上的暂态过程，分为线路上由于短路接地和短路点熄弧两阶段来分析。 a.线路上有短路接地线路上有短路接地 线路上有短路接地时的F（s）网络连接如图4-37所示。对于图4-38所示系统，当过度电阻较小时，可以将系统从短路点分为左右两部分进行分析。 图4-37图4-38 对于分布参数的长线，其暂态分量有无穷多组。当用集中参数计算时，对于分布参数的长线，其暂态分量有无穷多组。当用集中参数计算
45、时，计算结果受数学模型的影响很大。但由于我们主要关系的是系统衰减振荡计算结果受数学模型的影响很大。但由于我们主要关系的是系统衰减振荡中的几个最低频率分量，因此完全可以用集中参数进行分析。中的几个最低频率分量，因此完全可以用集中参数进行分析。 对于对于1序网，当用一个序网，当用一个T型来等值故障点的左半部分线路，并将各储能型来等值故障点的左半部分线路，并将各储能元件的初始值通过电路转化为一个等值电流源元件的初始值通过电路转化为一个等值电流源 I I1（s）时，可表示如图）时，可表示如图4-39。 图4-39图4-38中故障点F左侧的等值电路 m端自由振荡电压可以表示为 111( )( )( )U
46、sIsZS 线路三相短路三相跳闸后1序自由振荡的频率和衰减时间常数由Z1（s）的极点决定。设 112( )( )/( )Z sss322( ) sASBSCSD11()LLAC LLL式中11212() ()()LFLBCLLRRL RR1121() ()2LFLCCRRRRLL12LFDRRR 对某500kV线路的计算结果表明，随着短路点到测量点间距离的增大，直流分量衰减时间常数减小，而交流分量衰减时间常数增大，因此无论故障点在何处，线路两端中，总有一端处于有利地位。求解Z1（s）的极点也就是求解三次方程组220BSCSD3（s)=AS 当求解零序网Z0（s）的极点时，可以将零序参数代入到上
47、式中。 b.短路点熄弧后短路点熄弧后 超高压线路相间和相对地绝缘距离长，在三相瞬时接地短路的情况下，三相跳闸后线路自振电压很低，不足以维持短路点电弧的燃烧，电弧将很快熄灭，但这并不意味着线路上电磁能量已经衰减至零，因而在三相瞬时接地三相跳闸情况下，当短路点熄弧后线路上仍有一定的电磁能量，这些能量将按前面介绍过的无故障时线路自振频率和衰减时间常数衰减振荡。振荡电压的幅值由短路点情况（过渡电阻的熄弧时间等）决定。 尽管在三相瞬时接地情况下当短路点熄弧后线路上仍有一定的电磁能量，但由于零序网络的衰减时间常数T0小于1序网络的衰减时间常数T1，有可能出现线路自振电压中零序分量衰减至零，而1序自由分量与
48、2序自由分量的幅值大小近似相等而相位相反的情况，即u1(t) -u2(t)。 根据对称分量法可知，这时线路上一相的自振电压很低。 根据以上分析，对三相接地三相跳闸后线路上暂态过程的特点总结如下： 当永久故障时，线路上自振电压将很快衰减至零。 当瞬时故障时，短路点熄弧后线路自振电压不为零，但有可能出现某一相自振电压很低的情况。 5）三相不接地短路）三相不接地短路 三相不接地短路在超高压线路上是罕见的，但作为一种故障类型，应当加以考虑。 分析三相不接地短路三相跳闸后暂态过程的F（s）网络连接如图4-40所示。从图中可以看出，三相不接地短路三相跳闸后线路的暂态过程中，1序网络与2序网络的情况与三相接
49、地短路三相跳闸后的情况相同；零序网络不受短路点的影响，这与两相短路三相跳闸后零序网的情况相同。 图4-40 对三相不接地短路三相跳闸后线路上暂态过程的特点总结如下： 当永久故障时，1序网和2序网中电磁能量衰减至零，线路上各相自振电压相同。 当瞬时故障时，在短路点灭弧后各相自振电压不同。（二) 判别永久故障的方法1、三相断开后线路上自由振荡电压的特点、三相断开后线路上自由振荡电压的特点 根据对带并联电抗器的输电线路在各种情况下开断三相后暂态过程的分析，对三相跳闸后线路上自由振荡电压的特点总结如下： （1）无故障时开断三相空载长线。线路自振电压的最大幅值一般接近或大于正常运行时的相电压。自振频率在
50、3045Hz之间。1序衰减时间常数T一般大于1s，零序衰减时间常数一般大于0.5s。 （2）不对称接地情况下三相跳闸。 当永久故障时，故障相自振电压为零。 当瞬时故障时，短路相有一定幅值的自振电压。（3）不接地短路情况下三相跳闸。 当永久故障时，各故障相自振电压的幅值和相位相同。 当瞬时故障时，短路点熄弧后各故障相自振电压不相同。（4）三相接地情况下三相跳闸。 当永久故障时，三相自振电压为零。 当瞬时故障时，短路点熄弧后线路上自振电压不为零。2、判别永久故障的方法、判别永久故障的方法 根据上述各种短路情况下三相跳闸后线路上的自振电压的特点，提出利用三相跳闸后线路自由振荡电压作为永久故障和瞬时故
