额尔登朝鲁
内蒙古电力（集团）有限责任公司乌兰察布电业局 内蒙古乌兰察布 012000
摘要：为提高电力系统供电可靠性和电能质量，高压快速转换开关应运而生，而现有故障检测技术大多需要数个毫秒的时间，对高压快速转换开关而言略为缓慢。提出将小波变换应用于高压输电线路短路故障早期检测上，采用小波变换第四尺度细节分量作为故障特征量。基于仿真平台，通过设置合理的短路判断阈值，可将短路故障与空载合闸、功率补偿及负荷投切等系统操作引起的过电压和涌流区分开来，验证了此方法的可行性。仿真结果表明，小波变换方法最短可在0.2ms时间内辨识出短路故障。小波变换短路故障早期检测技术与高压快速转换开关的有机结合将为电力系统可靠稳定运行提供有利的保障。
关键词：高压快速转换开关；小波变换；短路故障；过电压和涌流
0引言
随着坚强电网的建设，电力系统朝着高电压、大容量方向发展。为提高供电系统可靠性及电能质量，众多学者前赴后继地研究和开发高压快速转换开关。目前主要的快速操动机构有电磁推力机构。电磁推力机构速度比传统的气动机构、液压机构和弹簧储能机构等迅速，并且动作分散性小。电磁推力机构可在若干毫秒内实现分闸，平均速度可达到10m/s[1-2]，大于现有普通交流真空断路器1~2m/s的平均分闸速度[3]。
快速操纵机构动作指令来源于系统保护提供的故障确认信号。在实际应用中，大容量高速开关装置动作判据一般是基于电流变化率、电流瞬时值及电流变化量等方法，即短路电流变化率、短路电流值或者电流变化量大于整定值，此时距离短路故障发生已有几个毫秒的时间[4-8]。目前，短路电流早期检测已在低压配电系统中加以技术实现，已可在300μs内实现低压短路电流的早期故障判别[9]，因此，本文将早期检测技术引入高压输电线路短路故障处理，利用尽量短的时间判断出短路故障。在此基础上，利用快速操动机构快速分断故障电流或者
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图1110kV输电线路短路故障仿真模型
Fig.1110kVtransmissionlinefaultsimulationcircuit
在Matlab/Simulink仿真平台上可对输电线路任意位置任意故障类型进行设置。本文选取A相短路故障进行仿真，短路故障点设置在线路末端。设置短路故障发生在0.04s时刻，持续时间0.08s，故障在0.12s时刻短路结束。利用小波变换对短路故障信号进行分解，经过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，特征量越明显，cd4足以快速而准确地判断出短路故障，具备足够的识别故障能力。此外，小波变换具有一定的滤波作用，采用cd4作故障特征量可在一定程度上消除噪声的干扰。故本文选取小波变换第四尺度细节分量cd4作为故障特征量。0.1变压器空载合闸励磁涌流
输电线路变压器空载合闸会产生励磁涌流。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得磁路需要产生一个暂态磁通来平衡磁路，引起磁通密度饱和，导致励磁电流激增，产生励磁涌流。这使得空载合闸电流产生巨大的波动，并且需要几个周波甚至数秒之后程度增加，需要的历史数据也逐渐增加，即分解起步时间逐渐变长。本文选择第四尺度小波高频分量作为特征量，此时分解起步延迟29个点，在采样频率为100kHz的条件下，延迟时间为0.29ms，即延迟时间内并不可判断短路故障，故本文均假设故障发生时刻在延迟时间之后。短路故障发生瞬间，对应的cd4*分量突增至20，最大值可达到30。若取短路判断阈值为15，对应的时间为0.0402s；若取短路判断阈值为20，对应的时间为0.0409s；若取短路判断阈值为25，则对应的时间为0.042s。由此可见，小波变换第四尺度细节分量可快速提取故障特征，故障特征量变化明显，具体的故障识别时间取决于短路判断阈值的大小。短路故障的阈值选取必须适当，才能同时确保快速性和准确性。
达到稳定状态。变压器空载合闸具有随机性，一般不会出现无瞬态励磁现象，而在有瞬态励磁现象中，最为严重的励磁涌流发生在系统电压过零合闸时刻，最大幅值可达到额定电流值的5~8倍。空载合闸励磁涌流与合闸时电压初相角、铁芯剩磁、变压器容量等有关。为验证小波变换第四尺度细节分量cd4*辨别空载合闸和短路故障的能力以及提供参考阈值的设定，本文的仿真在110kV输电线路
末端连接一个变压器，额定功率为50MVA，电压比为121:10.5kV，变压器带空载，在电压为0时刻合闸，此时产生涌流最大，
由图可知，变压器空载合闸引起的铁芯饱和导致励磁电流剧增，使得线路上的电流发生畸变。经小波变换分解之后，励磁涌流的cd4*的最大值还不到4，远小于短路故障cd4*的最大值。
0.1无功补偿涌流
因电力系统中存在变压器、电动机等感性设备，造成输电线路功率因数下降、电压降低，为提高电能质量和电力系统运行稳定性，需要对输电线路进行无功补偿。现有的无功补偿朝着高压方向发展，高压线路无功补偿对电网运行效率的提高起到至关重要的作用。然而对电力系统进行无功补偿时，由于电容器投切的随机性，可能出现合闸过电压的最大值为线路正常电压值的两倍，对应出现的最大合闸涌流可达到正常运行电流值的5倍左右。线路具体的过电压和过电流与无功补偿器件参数有关，无功补偿电容器通常会串联电抗器以限制合闸涌流，即无功补偿既给系统注入容性无功，也包含少量的感性无功。考虑到无功补偿对短路故障早期检测的影响，对此进行仿真验证，在110kV输电线路末端并联一个容量为1000kvar容性无功和
2kvar感性无功的负载取代原模型图中的变压器。当系统电压最大时投入负荷，本模型负荷投入后产生约1.6倍于额定电流的涌流，无功补偿的cd4*的最大值约为9，电流畸变明显，但其最大值还是明显小于短路故障信号cd4*的值，仅约为其最大值的三分之一。
无功补偿涌流波形及其对应的cd4*波形线路合闸负荷变化
当输电线路末端因故障或者检修需要开断后，重新投入线路负荷，即系统又并联了一条线路，必然会引起线路电流增大。计及此情况下的负荷变化，本文的模型在输电线路末端并联了另一负载代原模型图中的变压器，设置负载功率为20MW所示。
由仿真结果可知，输电线路末端的负荷投切时引起系统电流变化，对应的cd4*的最大值约为5，适当的短路阈值选取能够完全避开负荷变化带来的干扰。
基于Matlab/Simulink仿真平台所建立的高压输电线路早期检测模型验证了小波变换第四尺度细节分量cd4辨识短路故障的快速性和有效性，短路识别时间极短，在避开空载合闸、功率补偿及负荷投切等负载变化的干扰情况下，当短路判断阈值cd4*取15时，仅需0.2ms即可判断出短路故障。况且，随着相控技术的发展成熟，此技术在变压器空载合闸、电容器投切等领域的应用，可抑制系统出现的过电压和涌流。这就使得小波变换在短路故障早期检测方面的应用上如虎添翼，有望更进一步缩短故障检测时间，提高短路故障早期检测的灵敏性和可靠性。小波变换早期检测技术与高压快速转换开关的结合可为坚强电网稳定可靠运行.
2结论
1)本文针对煤矿供电线路短路故障检测存在的问题，提出了基于电流变化率的平均值法。该方法克服了瞬时值法抗干扰能力差的不足,显著提高供电线路短路故障检测的可靠性。
2)选用集成电路芯片设计出了线路短路故障检测电路,通过理论分析计算选定了检测电路中主要器件的参数。该检测电路进行了模拟仿真，仿真时釆用阶跃信号模拟短路故障，用线性信号模拟负荷变化情况。仿真结果表明:该短路故障判别电路对短路故障的反应迅速、准确，对线路负荷变化不受影响。
3)该方法已用于高压架空输电线路的故障检测与定位系统中，此系统也已在某煤矿供电线路中运行'5。应用结果表明:基于电路变化率的短路故障判别电路具有电路结构简单，性能可靠，反应速度快，误报率低的特点，因而具有较好的推广应用价值。
参考文献：
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