面向接地故障辨识的半波长线路测距式超高速就地主保护新原理
武汉加油
风雨同行 共克时艰
针对半波长线路主保护面临全线速动性的问题，强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）的研究人员陈乐、彭咏泉、林湘宁、李正天、金能，在2019年第24期《电工技术学报》上撰文，从线路行波故障测距的基本原理入手，提出满足半波长线路快速切除故障要求的新保护原理，试图实现在不依赖双端通信的基础上实现接地故障的快速识别和线路绝大部分范围接地故障的覆盖。
随着超远距离超大功率的电力传输需求与日俱增，交流半波长输电技术因具有无功功率自平衡、无静稳极限等运行优点，有利于充分发挥特高压交流输电技术的优势，在其问世80余年后再次引起学术界与工程界的广泛关注。为此，国家电网公司就半波长输电技术立项开展专题研究，于2017年最新制定《国家电网公司继电保护技术发展纲要》，明确将“推进半波长输电线路保护新技术研究”列为需优先发展的继电保护前瞻性技术专题。
虽然目前的半波长输电技术在理论和工程应用方面仍存在系统稳定性、过电压耐受能力等可行性的争议。但随着电网技术的发展，新的解决方式不断被引入，其所具有的应用潜力也将得到挖掘与开发。
在继电保护领域，半波长交流输电面临的挑战主要有两个：其一，超长输电距离导致显著的分布参数特性以及传播函数的衰减，现有的几乎所有的线路主保护、尤其是距离类和差动类的保护均不再适用；其二，超长输电距离纵联保护的两侧数据交互时间增长，保护出口动作速度被延长至若干周波，不利于系统的安全稳定运行。
近年来我国继保工作者针对半波长线路保护已经相继开展了诸多原创性工作，并提出了相应的适用保护方法。目前的一致观点是：半波长线路100%无死区主保护宜采用纵联电流差动保护。
有学者基于分布参数模型，详细分析了差动保护的灵敏性问题，并提出了改进方案。
有学者提出了基于贝瑞隆模型的半波长交流输电线路电流差动保护原理，并做了进一步改进，实现了区内外故障的有效区分。
有学者研究了半波长输电线路故障后的方向特性。
有学者分析了线路频变参数对半波长输电线路行波差动保护的影响，指出使用工频分量能够有效地避开线路频变参数的影响。但是，纵联保护在半波长线路上应用时存在动作延时过长的痼疾。由于半波长线路极长，通过光纤进行信息单向传输的时延就达到15ms，加上故障波的传播时间，严重影响了保护的速动性，这在特高压输电系统中显然无法接受。
利用单端信号进行故障判别与定位避开了信号的传输，是解决信号通路障碍的有效方法。
有学者提出了一种基于故障行波全波形信息的混联输电线路单端定位方法，基于故障行波的传输特性和折、反射机理，截取时间窗进行故障行波时频谱矩阵分析，可实现全线准确故障定位。但是由于其需要故障行波的全波形信息，对于半波长输电线路来说所需时间过长，无法满足保护的速动性。
有学者也提出一种特高压直流输电线路单端电流方向暂态保护方法，利用区内区外故障电流突变方向与经过逆变侧后的故障信号最高频的差异来识别区内外故障。这些利用单端信号量进行故障定位与识别的方法给予了半波长保护新的思路。
由架空线路的麦克斯韦方程求解结果可知，故障后，线模行波和零模行波将以不同的速度传播，通过检测线模行波与零模行波到达时间差，理论上能实现故障位置的确定，这一原理可应用于单端故障测距，构成单端就地量保护。
对此也有研究者针对半波长保护开展了单端就地量保护原理的研究。
有学者提出了一种改进距离相间保护，改进判据的测量阻抗在半波长输电范围内单调变化。基于这一特性，设计出一种可用的单端量距离保护。但是，该判据无法识别接地故障，而线路故障中90%以上的故障为接地故障，因此该判据的有效作用域比较有限。
有学者提出了自由波能量保护，实现出口附近故障的加速切除。但是，对于非出口处的绝大部分故障，该判据仍无能为力。
为了进一步提高基于单端量保护的性能，强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）的研究人员，针对现有半波长线路纵联类保护动作速度受两侧数据交换固有时延制约、动作速度无法进一步提升，且现有就地类保护存在误/拒动风险的问题，从单端波速度差行波测距原理入手，基于半波长线路行波线模分量与行波零模分量在考虑频变参数时的波速与衰减特性，分析了线-零模行波到达时差的特点，设计了基于数学形态学的行波到达时刻识别判据，实现了对接地故障发生位置的判别。
图1 仿真系统
同时，研究者将测距判据与方向判据、选相判据相结合，构造了适用于半波长线路的测距式超高速就地主保护。所提判据能在近端故障发生后0.1ms动作，即便是远端故障，动作速度也显著快于纵联类保护以及现有的就地式保护，具备突出的速动性优势。
同时，所提判据单独工作时的覆盖距离范围达到2980km，为全线范围的99.3%，形成了准全线速动就地式主保护，并基于DSETT可实现半波长线路全线范围内的快速动作。由于两头覆盖范围均能达到99.3%，即便通道完全失效，所提判据仍能独立迅速响应发生在线路98.6%范围内的故障并在半个周波内予以切除。