李歐

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000)

定時限零序電流保護(hù)能對各種不對稱接地故障作出有效反應(yīng)，具有整定原則簡單、靈敏度高等特點，在電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用；但其保護(hù)范圍受系統(tǒng)運行方式影響，動作時間固定，靈活性差，因而限制了定時限零序電流保護(hù)的進(jìn)一步發(fā)展[1-11]。隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，定時限零序電流保護(hù)的整定配合愈發(fā)困難。反時限零序電流保護(hù)特性由于與負(fù)載故障特性相似，即故障電流越大，動作時間越小，在系統(tǒng)運行方式變化較大時也能自動配合，在很多場合下比定時限零序電流保護(hù)性能更為優(yōu)越[12-19]。

傳統(tǒng)反時限零序電流保護(hù)整定配合原則存在局限性：如果各處保護(hù)分別按選擇性配合的要求進(jìn)行整定，則計算過程繁瑣復(fù)雜；如果全網(wǎng)采用統(tǒng)一的反時限特性公式和時間常數(shù)，則難以滿足保護(hù)選擇性的要求[20-24]。針對此問題，本文提出了一種引入電壓變速因子的反時限零序電流保護(hù)，與修正的反時限特性曲線相配合，可以大大簡化反時限零序電流保護(hù)的整定計算，同時使上下級反時限零序電流保護(hù)動作時間自動配合，并提高保護(hù)動作的選擇性。

1 反時限零序電流保護(hù)的實現(xiàn)

1.1 反時限特性方程

根據(jù)國際電工委員會IEC 255-3的規(guī)定，常用反時限特征有一般反時限、非常反時限和極端反時限。反時限特性方程通用表達(dá)式為

(1)

式中：t為反時限動作時間；tp為時間常數(shù)；I*為保護(hù)處測得的故障電流與啟動電流比值(電流標(biāo)幺值)；α和β為反時限特性參數(shù)，α和β共同決定反時限類型，取值見表1。對于不同保護(hù)的特性曲線，保護(hù)動作時間均隨流過保護(hù)裝置電流增大而減小。工程應(yīng)用中，依據(jù)實際情況選取適合的反時限曲線。

表1 不同反時限類型的α和β值Tab.1 Values of α and β in different curves

1.2 斷線判據(jù)反時限零序電流保護(hù)的整定配合

本文以一般反時限為研究對象。由文獻(xiàn)[16]可得，反時限保護(hù)的整定配合關(guān)系如圖1所示。圖1中，A、B、C、D為母線處，1、2、3為保護(hù)安裝處，K1、K2、K3、K4、Ka、Kb為故障點，l為線路長度，te1為保護(hù)1在本段線路末端故障時動作時間，ts2為保護(hù)2在本段線路首端故障時動作時間，te2為保護(hù)2在本段線路末端故障時動作時間，ts3為保護(hù)3在本段線路首端故障時動作時間，te3為保護(hù)3在本段線路末端故障時動作時間，Δt為本段保護(hù)末端故障時和下一段保護(hù)首端故障時動作時間差，tⅡ為定時限Ⅱ段保護(hù)動作時間，Δt1為本段定時限Ⅱ段保護(hù)范圍內(nèi)末端故障動作時間與下一段反時限保護(hù)動作時間差，Δt2為本段定時限Ⅱ段保護(hù)范圍內(nèi)首端故障動作時間與上一段反時限保護(hù)動作時間差。

由圖1(a)可知，保護(hù)上下級反時限特性曲線需逐級整定，即：首先整定末端曲線3(勿需與下級保護(hù)配合)；其次在保護(hù)3開口故障時，以曲線3得出的動作時間ts3疊加上動作時間差Δt，即以ts3+Δt整定曲線2；曲線1的整定以此類推。

圖1 反時限保護(hù)整定配合Fig.1 Setting and coordinating diagram of the inverse time protection

由圖1(b)可知，以保護(hù)2反時限特性為例，定時限保護(hù)和反時限反時限保護(hù)時間配合要求：在各種運行方式下，保護(hù)1定時限Ⅱ段末端Ka故障時，需滿足式(2)；保護(hù)2定時限Ⅱ段首端Kb故障時，需滿足式(3)。

(2)

(3)

式中：Ik1為Ka故障時流過保護(hù)2的電流；Ik2為Kb故障時流過保護(hù)2的電流。

對于1組確定的反時限曲線，相應(yīng)的短路電流是否滿足式(2)、(3)，會出現(xiàn)以下4種情況：

a)式(2)、(3)均滿足，反時限零序電流保護(hù)整定配合統(tǒng)一性滿足；

b)式(2)滿足，式(3)不滿足，則反時限零序電流保護(hù)的時間常數(shù)偏小，增大最后一級線路末端的最小動作時間ten設(shè)定值(如圖1中增大te3)；

c)式(2)不滿足，式(3)滿足，則反時限零序電流保護(hù)的時間常數(shù)偏大，適當(dāng)減小最后一級線路末端的最小動作時間ten設(shè)定值；

由此可見，傳統(tǒng)反時限零序電流保護(hù)整定原則以及定、反時限保護(hù)的配合要求，雖然理論上可以很好地滿足繼電保護(hù)選擇性的要求，但在實施中可能出現(xiàn)相互矛盾的情況。

1.3 反時限零序電流保護(hù)的工程應(yīng)用

通過第1.2節(jié)的分析可知，反時限零序電流保護(hù)的局限在于：全網(wǎng)統(tǒng)一整定的計算過程繁瑣復(fù)雜，靈活性差，有時甚至難以同時滿足保護(hù)上下級時間配合與定、反時限保護(hù)時間配合的要求。為此，南方電網(wǎng)在反時限零序電流保護(hù)的應(yīng)用中，不僅將啟動電流Ip設(shè)定為統(tǒng)一值(300 A)，也將時間常數(shù)tp設(shè)定為全網(wǎng)統(tǒng)一值(1.0 s)，并且不考慮定、反時限時間配合問題。

220 kV以上電壓等級系統(tǒng)的變電站通常都連接著接地變壓器，母線接地變壓器的分流作用使故障線路的零序電流大于非故障線路的零序電流；因此，即使采用相同的時間參數(shù)，下級保護(hù)的動作時間也快于上級保護(hù)時間，可以實現(xiàn)保護(hù)上下級之間的自然配合。盡管如此，保護(hù)的上下級動作時間配合完全依賴于母線接地變壓器的分流，在某些特定條件下不能很好地滿足保護(hù)的選擇性，如母線接地變壓器檢修退出運行，即使不考慮定、反時限時間配合問題，也將給保護(hù)動作的可靠性和選擇性帶來挑戰(zhàn)。

2 引入電壓變速因子的反時限零序電流保護(hù)

中性點接地系統(tǒng)中發(fā)生不對稱接地故障時，故障點零序電壓最高，越遠(yuǎn)離故障點，零序電壓越低?；谶@一特點定義電壓變速因子

(4)

將電壓變速因子m引入式(1)特性方程的分母中，可以對現(xiàn)有的反時限零序電流保護(hù)進(jìn)行改造，使其在全網(wǎng)采用統(tǒng)一的反時限特性及時間常數(shù)的條件下保證保護(hù)上下級擁有足夠動作時間差，更好地滿足保護(hù)的選擇性與可靠性要求。

2.1 電壓變速因子特性分析

圖2 發(fā)生不對稱故障時的電壓分布Fig.2 Voltage distribution with asymmetric fault

因此，將m引入反時限特性方程，可以實現(xiàn)保護(hù)區(qū)內(nèi)故障加速、區(qū)外故障減速，保護(hù)出口附近故障時甚至可以瞬時切除故障。區(qū)外較遠(yuǎn)處故障時，由于電壓變速因子m的修正，動作時間大大增加甚至不動作，可能造成下級保護(hù)失去遠(yuǎn)后備，但這可以通過修正電壓變速因子引入方式進(jìn)行糾正。

2.2 電壓變速因子參數(shù)

(5)

若故障類型為單相接地故障，則

(6)

若故障類型為兩相接地故障，則

(7)

補償電壓的整定阻抗Zset的大小決定區(qū)內(nèi)故障的劃定范圍，以本線路阻抗ZL為基準(zhǔn)，分為3種情形，即Zset>ZL、Zset=ZL或Zset

(8)

(9)

式(8)、(9)中：ZS為系統(tǒng)阻抗；ZL1為保護(hù)1所在線路阻抗；Zset2、Zset2分別為保護(hù)1、2補償電壓整定阻抗。

2.3 電壓變速因子的引入方式

表 2列舉了m引入反時限方程的3種方式。

表2 電壓變速因子m的引入方式Tab.2 Introducing way of voltage factor m

對電壓變速因子不同的引入方式進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，結(jié)果如圖3所示，其中y1、y2、y3為采用不同電壓變速因子m引入方式時反時限動作方程分母值(見表2)，y1=(mI*)0.02-1、y2=m(I*)0.02-1、y3=m[(I*)0.02-1]。

圖3 y1、y2、y3隨m變化曲線Fig.3 Changing curves of y1、y2、y3 with m

由圖3可知：m>1時，max{y1,y2,y3}=y2，即“修正電流冪函數(shù)”的引入方式對反時限零序電流保護(hù)加速程度最大；m<1時，y1、y2均可能出現(xiàn)小于0的情況。

從希望故障快速切除的角度出發(fā)，選用“修正電流冪函數(shù)”的引入方式；從保證動作時間為非負(fù)的角度出發(fā)，選用“修正動作時間”的引入方式。通過數(shù)學(xué)分析可知：若選用“修正電流冪函數(shù)”的引入方式，上級保護(hù)m>1時，會使上下級保護(hù)的動作時間差減少，不利于保護(hù)的選擇性動作；而選用“修正動作時間”的引入方式，既能對保護(hù)進(jìn)行加速，又能增加保護(hù)上下級動作時間差，最終選用此種引入方式。

3 過渡電阻的影響及其對策

電力系統(tǒng)的短路一般不是金屬性的，而是在短路點存在過渡電阻。

單相接地故障時，式(6)可改寫為

(10)

式中Rg為過渡電阻。

同理，兩相接地故障時，式(7)可改寫為

(11)

4 仿真驗證

考慮母線接地變壓器的影響，將如圖4所示的多級線路相連的輸電線路在PSCAD中建立模型仿真，其中，ZS1、ZS0為送端系統(tǒng)正負(fù)序阻抗，ZR1、ZR0為受端系統(tǒng)正負(fù)序阻抗，Ip為啟動電流，W1、W2為母線接地變壓器，IW1、IW2為流過變壓器的電流。送電端系統(tǒng)：ZS1=j23 Ω，ZS0=j40 Ω；受電端系統(tǒng)：ZR1=j56 Ω，ZR0=j115 Ω；兩側(cè)電勢功角δ為30°。輸電線路：正、負(fù)序阻抗相等ZL1=ZL2=(0.018 39+j0.263 9) Ω/km，零序阻抗ZL0=(0.141 3+j0.602 7) Ω/km。變壓器額定容量100 MVA，電壓500 kV，W1、W2短路占比為10%、50%。保護(hù)1、2、3所在線路長度L1、L2、L3分別為20 km、100 km、50 km。tp=0.5 s，Ip=300 A，Zset=0.85ZL。

圖4 多級線路相連的輸電線路Fig.4 Transmission line of multistage lines connected

保護(hù)3所在線路發(fā)生A相接地故障時的反時限時間特性如圖5(Rg=0 Ω)、圖6(Rg=100 Ω)所示，圖5中U1、U2、U3分別為3種保護(hù)的測量電壓。

圖5 保護(hù)3所在線路A相接地故障時的反時限特性(Rg=0 Ω)Fig.5 Inverse time characteristicof protection 3 with A-G fault (Rg=0 Ω)

圖6 保護(hù)3所在線路A相接地故障時的反時限時間特性(Rg=100 Ω)Fig.6 Inverse time characteristicof protection 3 with A-G fault (Rg=100 Ω)

由圖6可以看出，當(dāng)過渡電阻較大時，引入電壓變速因子對反時限動作時間的修正作用較小。但方案設(shè)定m<1時，不對保護(hù)時間進(jìn)行修正，因此不會對原有保護(hù)造成負(fù)面影響。

5 結(jié)論

a)現(xiàn)有的反時限零序電流保護(hù)在工程應(yīng)用上存在嚴(yán)重的局限性，如果各處保護(hù)分別按選擇性配合的要求進(jìn)行整定，則計算過程繁瑣復(fù)雜；如果全網(wǎng)采用統(tǒng)一的反時限特性公式和時間常數(shù)，又難以滿足保護(hù)選擇性的要求。

b)提出了一種引入電壓變速因子的反時限零序電流保護(hù)，通過分析電壓變速因子的特性、參數(shù)和引入方式，詳細(xì)闡述了該方案的具體應(yīng)用。分析表明：該方案既能簡化反時限零序電流保護(hù)的整定配合，又能較好地保證保護(hù)的選擇性和速動性。

c)分析了過渡電阻對修正保護(hù)方案的影響，即高阻接地故障時，保護(hù)動作的速動性將受到挑戰(zhàn)。對保護(hù)方案進(jìn)一步優(yōu)化，擴大變速因子的加速范圍，并設(shè)定只有當(dāng)電壓變速因子m>1時，才引入m，對反時限保護(hù)只加速不減速，以達(dá)到躲高阻接地故障的目的，確保電壓變速因子的引入不會對原有的反時限保護(hù)造成負(fù)面影響。