余 冬，張武洋，周榮斌

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

超高壓線路保護(hù)零序電流變化量啟動判據(jù)研究

余 冬1，張武洋2，周榮斌1

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

提出采用零序電流變化量、相電流變化量比較為基礎(chǔ)的零序電流變化量啟動判據(jù)，在系統(tǒng)負(fù)荷較大波動或純振蕩下能可靠閉鎖啟動，同時(shí)在振蕩過程中發(fā)生故障能可靠開放，分析了零序電流變化量啟動判據(jù)在單相、兩相經(jīng)較大過渡電阻接地動作機(jī)理，并在PSCAD/EMTDC建立仿真模型，仿真數(shù)據(jù)表明，該判據(jù)能提高零序啟動元件的靈敏度和快速性。

啟動元件;零序;變化量;負(fù)荷波動;靈敏度;快速性

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，500 kV系統(tǒng)發(fā)展迅速，如何使超高壓線路保護(hù)裝置更加可靠、靈敏、快速切除故障已成為首要問題。且全線不換位線路的增多、一些原來全換位線路的開斷及多條同塔雙回不換位線路相繼投入運(yùn)行等諸多因素的影響，500 kV系統(tǒng)局部出現(xiàn)三相電流明顯不平衡，個(gè)別線路電流不平衡現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重［1］?，F(xiàn)有的零序電流判據(jù)由于要按照躲過最大不平衡電流整定，對經(jīng)高阻接地故障存在靈敏度不足的情況［2-3］。因此，提出采用零序電流變化量、相電流變化量比較方式的零序電流變化量啟動計(jì)算判據(jù)，并通過理論分析，PSCAD/EMTDC仿真數(shù)據(jù)結(jié)果表明該計(jì)算方法對微機(jī)保護(hù)的靈敏度、快速性和可靠性均有一定程度的提高。

1 現(xiàn)有啟動元件分析

繼電保護(hù)裝置一般都設(shè)有啟動元件和測量元件，啟動元件主要用于故障時(shí)開放保護(hù)動作繼電器電源，正常時(shí)閉鎖保護(hù)出口，這樣可有效避免因測量元件動作造成誤出口。這就要求啟動元件對各種類型的故障均能快速、靈敏做出反應(yīng)。對于單相經(jīng)高阻接地故障，由于電壓電流變化均較小，常規(guī)的電流突變量元件由于考慮躲過最大負(fù)荷波動整定，門檻較高，無法啟動。采用穩(wěn)態(tài)量故障特征量的啟動元件如i0、i0+i2和z0，輕微故障時(shí)，需經(jīng)較長時(shí)間才能啟動［4］。因?yàn)槿嘞到y(tǒng)并非嚴(yán)格對稱，造成正常運(yùn)行存在零序分量，考慮躲過各種運(yùn)行工況下最大不平衡電流進(jìn)行整定的零序電流啟動元件不能快速、靈敏反映故障。

2 零序電流變化量啟動判據(jù)

發(fā)生接地故障時(shí)，非故障相上電流變化較小而3I0的變化較大，零序電流變化量啟動判據(jù)方程如下:

在動作邏輯中，式 (3)、式 (4)、式 (5)為或門，并與式 (6)構(gòu)成與門，IN為二次額定相電流，β的整定考慮躲過正常運(yùn)行情況下最大采樣誤差及相鄰平行線路發(fā)生接地時(shí)零序互阻抗影響。保護(hù)啟動具體判斷邏輯如下:一旦式 (6)條件滿足，連續(xù)判3個(gè)采樣點(diǎn)，如果式 (3)、式 (4)、

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過渡電阻接地時(shí)，由于電流的變化比較小［5］，常規(guī)的電流突變量元件和零序電流啟動元件均無法滿足快速、靈敏反映故障［6］，因此，提出以零序電流變化量與各相電流變化量比較的零序電流變化量判據(jù)，根據(jù)不平衡負(fù)荷和接地故障不同的電流變化特性判斷是否發(fā)生故障，用于開放接地保護(hù)，只要零序電流有較小突變，而三相電流未同時(shí)有較大變化即可開放啟動元件。原因如下:系統(tǒng)中有不平衡線路合環(huán)運(yùn)行或發(fā)生振蕩時(shí)，往往是三相電流同時(shí)變化，零序電流雖然也有變化，但與相電流變化量比較，其量相對較小;發(fā)生接地故障時(shí)，零序電流變化較大，非故障相電流變化較小;穩(wěn)定運(yùn)行過程中，雖然系統(tǒng)三相不對稱，有零序電流存在［7］，但零序電流變化量啟動判據(jù)只反應(yīng)故障分量，穩(wěn)態(tài)不平衡電流不受影響。因此，可以采用零序電流變化量啟動判據(jù)，用于區(qū)分負(fù)荷波動和發(fā)生接地故障。

在負(fù)荷穩(wěn)定的情況下，任何一個(gè)采樣時(shí)刻均滿足如下關(guān)系:式 (5)中有1個(gè)公式始終滿足，保護(hù)就開放啟動;一旦式 (6)條件滿足，連續(xù)判3個(gè)采樣點(diǎn)，式 (3)、式 (4)、式 (5)均始終不滿足，即認(rèn)為是有不平衡負(fù)荷合環(huán)等原因引起負(fù)荷波動。由于在發(fā)生接地故障時(shí)零序電流變化量大于非故障相電流變化量，因此，零序電流變化量只要大于較小零序電流啟動門檻值，啟動判據(jù)就能開放。本判據(jù)作為穩(wěn)態(tài)量零序啟動元件的補(bǔ)充，穩(wěn)態(tài)量零序啟動門檻按躲過各種工況下最大零序電流整定，在不滿足式 (6)時(shí)開放，與零序電流變化量啟動判據(jù)構(gòu)成或門，其邏輯如圖1所示。

圖1 零序電流變化量啟動元件判據(jù)邏輯圖

3 零序電流變化量判據(jù)仿真分析

3.1 仿真模型

PSCAD/EMTDC是目前廣泛使用的電磁暫態(tài)計(jì)算軟件，采用PSCAD/EMTDC進(jìn)行建模仿真，仿真模型等效電路如圖2所示。電源內(nèi)阻為0.168+j0.138 Ω，線路長度為300 km，線路采用Bergeron模型，每百公里正序阻抗為0.97+j14 Ω，零序阻抗為 9.14+j43 Ω，正序容抗為 47.18 Ω，零序容抗為69.14 Ω，線路TA變比為2 500/1。

圖2 系統(tǒng)接線圖

3.2 單相經(jīng)過渡電阻接地仿真

針對系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障情況下的零序電流變化量的啟動判據(jù)，在仿真中模擬系統(tǒng)在0.2 s時(shí)線路末端A相經(jīng)300 Ω過渡電阻接地，仿真波形及啟動判據(jù)動作情況如圖3所示。

圖3中Is為一次電流，trip2為按照0.1倍額定電流整定的常規(guī)零序電流啟動開放標(biāo)志，可看出零序電流變化量trip快于常規(guī)零序電流啟動判據(jù)。

圖3 單相經(jīng)300 Ω接地波形

3.3 兩相經(jīng)過渡電阻接地仿真

在系統(tǒng)發(fā)生兩相接地故障情況下校驗(yàn)零序電流變化量判據(jù)，模擬系統(tǒng)在0.2 s時(shí)線路末端AB兩相經(jīng)300 Ω過渡電阻接地，仿真波形及啟動判據(jù)動作情況如圖4所示。由圖3、圖4可以看出，不論是單相經(jīng)過渡電阻接地，還是兩相經(jīng)過渡電阻接地，與常規(guī)的零序電流啟動值相比，零序電流突變量啟動判據(jù)先開放。

圖4 兩相經(jīng)過渡電阻接地仿真波形及啟動判據(jù)

3.4 不平衡負(fù)荷校驗(yàn)零序電流變化量判據(jù)仿真

在系統(tǒng)不平衡負(fù)荷情況下，零序電流變化量啟動判據(jù)不應(yīng)啟動，在仿真中模擬系統(tǒng)在0.2 s時(shí)有不平衡負(fù)荷合環(huán)引起電流波動，波動值A(chǔ)相電流二次為 0.3 A，B相電流為0.2 A，C相電流為0.2 A，零序電流變化量啟動元件和常規(guī)零序電流啟動元件動作情況如圖5所示。

圖5 不對稱負(fù)荷合環(huán)運(yùn)行波形

Ia、Ib、Ic為三相負(fù)荷電流二次采樣值，I0為自產(chǎn)零序電流。在不平衡負(fù)荷合環(huán)影響下，零序電流變化量啟動元件可靠不啟動。

進(jìn)一步模擬不平衡負(fù)荷下發(fā)生經(jīng)過渡電阻接地。仿真中設(shè)置線路BC兩相滿負(fù)荷運(yùn)行，A相帶90%負(fù)荷，系統(tǒng)在0.2 s時(shí)線路末端發(fā)生經(jīng)300 Ω過渡電阻接地。

單相經(jīng)過渡電阻接地、兩相經(jīng)過渡電阻接地仿真波形如圖6、圖7所示，由圖6、圖7可以看出，不對稱負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行下單相、兩相經(jīng)300 Ω過渡電阻接地，零序電流變化量啟動元件能可靠動作。

圖6 不對稱負(fù)荷下單相經(jīng)過渡電阻接地波形

圖7 不對稱負(fù)荷下兩相經(jīng)過渡電阻接地波形

3.5 振蕩時(shí)校驗(yàn)零序變化量判據(jù)仿真

在系統(tǒng)發(fā)生振蕩情況下，零序電流變化量啟動判據(jù)應(yīng)可靠不啟動，在仿真中利用兩側(cè)頻率不一致，采用在線路兩端加2個(gè)不同頻率的電源產(chǎn)生振蕩電流［8］，振蕩周期為0.5 s，校驗(yàn)零序電流突變量判據(jù)在振蕩模式下啟動情況。

模擬系統(tǒng)發(fā)生振蕩、振蕩時(shí)單相經(jīng)過渡電阻接地、振蕩時(shí)兩相經(jīng)過渡電阻接地，仿真波形及啟動判據(jù)動作情況如圖8、圖9、圖10所示，由圖8、圖9、圖10可以看出，零序電流突變量判據(jù)能正確區(qū)分振蕩和振蕩中發(fā)生單相、兩相經(jīng)過渡電阻接地的情況。

圖8 振蕩運(yùn)行波形及啟動判據(jù)

圖9 振蕩中0.2 s單相經(jīng)300 Ω接地波形及啟動判據(jù)

圖10 振蕩中0.2 s兩相經(jīng)300 Ω接地波形及啟動判據(jù)

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)有零序電流啟動判據(jù)的不足，提出了零序電流變化量啟動判據(jù)，通過理論分析并在PSCAD/EMTDC建立相應(yīng)的仿真模型，仿真結(jié)果表明，零序電流變化量啟動元件具有較高的靈敏度，在系統(tǒng)發(fā)生經(jīng)高阻接地故障及在系統(tǒng)振蕩過程中發(fā)生接地故障時(shí)均能啟動，而在系統(tǒng)純振蕩下能可靠不啟動，同時(shí)啟動時(shí)間快于常規(guī)電流啟動元件的特點(diǎn)，可為超高壓線路保護(hù)提供參考。

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Research of Starting Criteria on Zero-sequence Current Variation of UHV Line Protection

YU Dong1，ZHANG Wu-yang2，ZHOU Rong-bin1
(1.Nari-Relays Electric Co.，Ltd.，Nanjing，Jiangsu 211100，China;2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

This paper proposes a starting criteria of zero-sequence current variation based on comparing zero-sequence current variation with phase-current variation，it can blocking start when system load has larger fluctuation or oscillation and can opening in the process of oscillation after developing a fault.Larger fault resistance group operation mechanism for starting criteria of zero-sequence current variation in one-phase and two-phase systems are analyzed，simulation model is set up by using PSCAD/EMTDC.Results demonstrate that this criteria can increase sensitivity and rapidity of zero-sequence starting component.

Starting component;Zero-sequence;Variation;Load fluctuation;Sensitivity;Rapidity

TM773

A

1004-7913(2015)08-0010-04

余 冬 (1981—)，男，工程師，主要從事繼電保護(hù)應(yīng)用與研究。

2015-04-10)