黃慶豐

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 福建 永安 366000 )

基于整定值隨故障類型變化的電流保護(hù)方案研究

黃慶豐

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 福建 永安 366000 )

分析了輸電線路發(fā)生接地短路故障和相間短路故障時(shí), 故障相與非故障相之間的電流關(guān)系, 得出判別故障類型的方法; 提出了整定值隨故障類型變化的階段式電流保護(hù)方案, 并設(shè)計(jì)了程序框圖; 通過ATP軟件仿真, 驗(yàn)證該保護(hù)方案的可行性, 并具有提高靈敏度的優(yōu)點(diǎn).

接地短路故障; 相間短路故障; 短路類型判別; 零序電流保護(hù); 電流速斷保護(hù)

引言

傳統(tǒng)的零序電流保護(hù)速斷整定值按線路末端接地短路最大零序電流整定, 顯然整定值與系統(tǒng)運(yùn)行方式、短路類型有關(guān); 相間短路電流速斷保護(hù)按系統(tǒng)最大運(yùn)行方式被保護(hù)線路末端三相短路電流整定. 雖然能保證保護(hù)不誤動(dòng), 但存在不足, 當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行方式改變或故障類型變化, 保護(hù)性能將受到影響[1]. 本文提出隨短路類型變換自動(dòng)調(diào)整電流保護(hù)整定值的方法, 改善了電流保護(hù)性能.

1 故障類型判別

圖1 雙側(cè)電源系統(tǒng)

1.1 接地短路故障

由于衰減非周期分量和諧波分量的影響可用濾波方法予以消除, 故以下分析接地故障和相間故障時(shí)不考慮非周期分量和諧波分量影響. 圖1為雙側(cè)電源系統(tǒng), 設(shè)F點(diǎn)發(fā)生接地故障.

1.1.1 單相金屬性接地

設(shè)A相發(fā)生金屬性接地故障, 故障點(diǎn)F邊界條件為故障處故障相電流為

保護(hù)安裝處故障分量電流為

其中C1M、C2M、C0M分別為M側(cè)正、負(fù)、零序電流分流系數(shù);分別為M側(cè)A、B、C相電流. 取三相電流最大值

類似方式, 取得中值Im、最小值Imin.

由式(2)可得: 當(dāng)C1M=C2M時(shí), 非故障相中的故障分量電流幅值相等, 即Im=Imin; 當(dāng)C1M=C0M時(shí),則非故障相不存在故障分量電流, 即Im=Imin=0; 當(dāng)C1M≠C0M時(shí), 非故障相中就存在故障分量電流, 當(dāng)C1M≠C2M時(shí), 則非故障相的故障分量電流不相等[2,3], 均有Im≠Imin. 由于Imax遠(yuǎn)大于Imin, 因此單相接地短路時(shí), 有:

1.1.2 兩相金屬性接地

設(shè)BC相發(fā)生兩相金屬性接地故障, 故障點(diǎn)邊界條件為計(jì)及ZΣ1=ZΣ2時(shí), 故障點(diǎn)故障相電流為

取式(4)中的電流的模值, 則故障相模值相等.

若計(jì)及過渡電阻Rg后, 特殊相正、負(fù)、零序分量電流不在一條直線上. 故障處故障電流為

保護(hù)安裝處故障相電流為

依式(3)方式分別取得三相電流的最大值Imax、中值Im、最小值Imin. 由式(6)得, 當(dāng)C1M≠C0M時(shí), 非故障相故障電流不為0, 但仍遠(yuǎn)小于故障相電流, 可近似取Imin≈0; 當(dāng)C1M=C0M時(shí), 非故障相故障電流為0[2]. 因此兩相接地短路時(shí)有:Imax≈Im,Imin≈0, 即

因?qū)嶋H運(yùn)行中, 非故障相存在負(fù)荷電流, 以上Imax/Imin等比值不會(huì)是無窮大, 考慮一定區(qū)分度并結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 取判別系數(shù)為4, 則有:

1.2 相間短路故障

設(shè)被保護(hù)線路發(fā)生金屬性相間短路故障, 下面分析故障相與非故障相故障電流關(guān)系.

1.2.1 三相短路故障

三相短路故障時(shí)三相電流對稱, 對中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng), 電流保護(hù)采用三相式接線, 則

1.2.2 兩相短路故障

對中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)線路, 為了提高供電可靠性, 電流保護(hù)采用兩相式接線, 通常僅測量A、C相電流, 則通過計(jì)算可得到B相電流為[3]

當(dāng)被保護(hù)線路發(fā)生CA兩相金屬性短路故障時(shí), 故障點(diǎn)邊界條件為因故障相的故障電流大小相等、方向相反, 非故障相的故障電流為0. 類似地, 依式(3)可得Imax=Im,Imin=0, 所以

對中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)線路, 電流保護(hù)采用三相式接線,B相電流也是通過測量得到, 各種相間短路故障結(jié)論與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)相同.

仍取判別系數(shù)為4, 依上述分析可得:

2 保護(hù)程序設(shè)計(jì)

保護(hù)程序設(shè)計(jì)的思路是, 裝置監(jiān)測到異動(dòng)電流后, 計(jì)算出Imax、Im、Imin、I0; 若I0≠0, 轉(zhuǎn)入零序保護(hù)程序, 判斷接地類型, 再根據(jù)各自整定值啟動(dòng)保護(hù); 若I0=0, 則轉(zhuǎn)入相間保護(hù)程序, 判斷相間短路類型, 再根據(jù)各自整定值啟動(dòng)保護(hù). 各種類型短路保護(hù)整定如下[4]:

為簡化計(jì)算, 通常線路保護(hù)取Z1=Z2(正序阻抗與負(fù)序阻抗相等), 則同一點(diǎn)三相和兩相短路故障電流關(guān)系為保護(hù)靈敏度得到提高.

電流保護(hù)程序設(shè)計(jì)框圖如圖2所示.

零序電流保護(hù)Ⅱ段、階段式相間電流保護(hù)的Ⅱ段流程均與Ⅰ段相同, 僅整定值不同. 階段式相間電流保護(hù)Ⅲ段, 一般是作為后備保護(hù), 其動(dòng)作電流是按最大負(fù)荷電流整定, 整定值是不允許隨短路類型而變.這些保護(hù)程序設(shè)計(jì)框圖不一一羅列.

圖2 階段式電流保護(hù)程序框圖

3 仿真驗(yàn)證

利用ATP軟件對圖3系統(tǒng)110kV線路M側(cè)進(jìn)行仿真,單位千米線路正序電抗為X1=0.4Ω,單位千米零序電抗為X0=0.9Ω; 最大負(fù)荷電流分別為100A, 負(fù)荷的自起動(dòng)系數(shù)均為1.8; 可靠系數(shù)返回系數(shù)Kre=0.85;兩側(cè)系統(tǒng)電抗及變壓器電抗為歸算至被保護(hù)線路電壓等級(jí)有名值, 且分別對接地故障、相間故障進(jìn)行仿真, 仿真結(jié)果見表1.

圖3 系統(tǒng)接線

表1 仿真結(jié)果

由仿真數(shù)據(jù)可求看出, 相間電流Ⅰ段整定值從1627.4A下降到1068.7A, 最小保護(hù)區(qū)延長了13.4%, 接地故障的結(jié)論基本相同.

4 結(jié)語

通過分析兩種接地故障、兩種相間短路故障電流之間關(guān)系, 提出了判斷故障類型的方法, 設(shè)計(jì)了按不同故障類型采用不同整定值的電流保護(hù)程序. 通過仿真驗(yàn)證了該方案是可行的, 并且提高了保護(hù)靈敏性.

[1] 葛耀中. 新型繼電保護(hù)和故障測距的原理與技術(shù)[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2007

[2] 許建安. 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)兩點(diǎn)異地接地及故障點(diǎn)位置判別[J]. 水電能源科學(xué)2008. 26(6): 165～168

[3] 黃瑞梅, 張國良, 許建安. 輸電線路故障選相方案探討[J]. 水電能源科學(xué), 2009, 27(3): 193～195

[4] 許建安, 王風(fēng)華. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計(jì)算[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2007

The Research of the Current Protection Based on The Settings Change with the Type of Faults

HUANG Qing-feng
(Fujian College of Water Conservancy and Electric Power, Yong'an, 366000, China)

Through the analysis of the current relationship between the fault and healthy phase while the ground or phase short circuit fault occurs in the transmission lines, the method of judging fault type is obtained; the phase current protection scheme based on the fixed value varies with the fault type is proposed besides the flow charts are designed; the feasibility of above protection scheme is verified by the software’s simulation ATP Simulation results show that this scheme possesses the advantages of improved sensitivity.

ground short circuit fault; phase-to-phase short circuit fault; short circuit type discriminant; zero-sequence current protection; current fast-tripping protection

TM773

A

1672-5298(2014)03-0045-04

2014-06-17

黃慶豐(1963? ), 男, 福建壽寧人, 碩士, 福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授. 主要研究方向: 電力系統(tǒng)分析教學(xué)與研究