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        多邊形阻抗距離I段保護(hù)誤動(dòng)分析與邏輯優(yōu)化

        2022-12-09 08:57:10錢政旭戚宣威曹文斌王松潘武略方愉冬
        浙江電力 2022年11期
        關(guān)鍵詞:多邊形定值象限

        錢政旭,戚宣威,曹文斌,王松,潘武略,方愉冬

        (1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院,杭州 310014;2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司,杭州 310007)

        0 引言

        距離保護(hù)利用保護(hù)安裝處測量電壓和電流的比值反應(yīng)故障點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離,具有保護(hù)范圍明確、受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響小等優(yōu)點(diǎn)[1-3],廣泛應(yīng)用于110 kV 及以上電壓等級(jí)的輸電線路[4]。目前,常見的距離保護(hù)按阻抗特性元件分為圓特性和多邊形特性[5-7]。其中,多邊形特性距離保護(hù)由多段阻抗特性直線圍合而成,因其耐過渡電阻能力強(qiáng)、有方向判別功能并具有較強(qiáng)的負(fù)荷適應(yīng)性[8],常作為多級(jí)串供型輸電線路的主保護(hù)。

        多邊形特性距離保護(hù)是通過設(shè)置動(dòng)作邊界的負(fù)荷限制電阻線來躲事故過負(fù)荷時(shí)的最小負(fù)荷[9-11],若設(shè)置不合理將導(dǎo)致保護(hù)區(qū)外事故過負(fù)荷誤動(dòng)。2021 年以來,某地區(qū)電網(wǎng)接連發(fā)生三次區(qū)外相間故障,調(diào)查結(jié)果為非故障相的測量阻抗落入多邊形阻抗元件距離Ⅰ段動(dòng)作范圍內(nèi)而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)的事件,保護(hù)越級(jí)跳閘而失去選擇性。分析表明,該類誤動(dòng)問題是由于保護(hù)的多邊形特性距離保護(hù)Ⅰ段的動(dòng)作區(qū)設(shè)置不合理,其多邊形阻抗元件的負(fù)荷限制定值過大,導(dǎo)致非故障相的測量阻抗先于故障相落入動(dòng)作區(qū)引發(fā)誤動(dòng)。本文對(duì)此問題開展錄波分析、機(jī)理解析,并深入探究其動(dòng)作區(qū)設(shè)置邏輯,提出了應(yīng)對(duì)優(yōu)化策略,同時(shí)對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行了測試校核,確保多邊形阻抗元件可靠動(dòng)作。

        1 故障分析

        由于三次誤動(dòng)故障情況類似,本文以其中一次誤動(dòng)為例開展現(xiàn)場故障分析。

        表1為該間隔線路保護(hù)裝置距離Ⅰ段定值,根據(jù)定值可計(jì)算其動(dòng)作區(qū)。

        表1 距離I段整定值

        圖1為保護(hù)第一次動(dòng)作報(bào)文,圖2為其保護(hù)動(dòng)作錄波。

        圖1 保護(hù)動(dòng)作報(bào)文

        圖2 保護(hù)動(dòng)作錄波

        通過錄波數(shù)據(jù)分析可知,保護(hù)啟動(dòng)前B 相電壓明顯下降,A、C相電壓明顯升高,線電壓保持不變,初步分析系統(tǒng)已經(jīng)處于B 相單相接地運(yùn)行狀態(tài)。之后A、B相電流明顯增大(有效值從0.5 A增大到1.5 A),表明線路此時(shí)故障已轉(zhuǎn)換為A、B兩相短路接地故障。

        如圖3所示,對(duì)錄波中跳閘信號(hào)出口時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析可知,A、B相短路阻抗一直在距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)外,但是A、C相短路阻抗在保護(hù)啟動(dòng)6 ms后即進(jìn)入距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)內(nèi)。

        圖3 跳閘出口時(shí)刻阻抗向量圖

        在發(fā)生A、B兩相接地短路故障期間,故障點(diǎn)處的電壓和電流存在如下關(guān)系:

        根據(jù)故障點(diǎn)電壓、電流,可以推導(dǎo)測量阻抗為:

        式中:ZL為故障點(diǎn)到保護(hù)測量處的線路正序阻抗。

        根據(jù)現(xiàn)場定值單,本線路的阻抗角為60°,假如|Z1|=|ZL|且兩者正序阻抗角相同,則ZmCA剛好位于R軸。一般情況下,故障點(diǎn)到保護(hù)測量處的線路正序阻抗ZL與故障分析復(fù)合序網(wǎng)中的正序等值阻抗Z1的阻抗角接近;若忽略35 kV 負(fù)荷側(cè)的正序阻抗,則有|Z1|>|ZL|,故ZmCA=×Z1+ZL將位于R軸的下方附近。

        根據(jù)解析可以得到在A、B相間短路期間,各相間測量阻抗的相對(duì)相位關(guān)系如圖4 所示(圖4 中紅色虛線框代表動(dòng)作區(qū))。此時(shí)測量阻抗ZmCA貼近R軸,存在落入多邊形阻抗元件動(dòng)作區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)。

        圖4 AB相間短路期間相間阻抗分布

        對(duì)比圖3和圖4可得,測量阻抗分布特性與故障的實(shí)測阻抗分布一致,通過理論計(jì)算驗(yàn)證,符合實(shí)際錄波現(xiàn)象。

        此外,多邊形阻抗元件為了保證方向性,R軸下方的方向偏移角取15°,也就是動(dòng)作區(qū)第Ⅳ象限的底邊與R軸夾角為-15°,故測量阻抗ZmCA即使位于R軸下方附近,也有很大可能會(huì)落入動(dòng)作區(qū)。

        綜上所述,通過分析動(dòng)作錄波發(fā)現(xiàn),A、B相間短路故障期間,由于非故障相A、C相間阻抗進(jìn)入距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū),從而導(dǎo)致距離Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作。分析其動(dòng)作區(qū)發(fā)現(xiàn),其形狀比較扁平,動(dòng)作區(qū)向右側(cè)延伸較多,在第Ⅳ象限的動(dòng)作區(qū)甚至大于第Ⅰ象限動(dòng)作區(qū),導(dǎo)致末端故障時(shí)非故障相阻抗可能落入距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)。

        2 保護(hù)邏輯優(yōu)化

        2.1 多邊形阻抗保護(hù)動(dòng)作區(qū)分析

        如圖5所示,多邊形阻抗距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)由6段動(dòng)作邊界構(gòu)成,將其編號(hào)為1-6 段動(dòng)作邊界。其中,邊界1、2 保證故障方向性的可靠選擇,邊界3由負(fù)荷限制電阻值決定,邊界6由距離Ⅰ段定值計(jì)算的電抗值確定。

        圖5 距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)示意圖

        根據(jù)誤動(dòng)問題特性,要縮小動(dòng)作區(qū)的第Ⅳ象限區(qū)域,相關(guān)的邊界為2 和3,而邊界2 保證了故障方向性的可靠選擇。邊界3 與R軸的交點(diǎn)(即負(fù)荷限制電阻定值)按躲負(fù)荷進(jìn)行整定,且距離Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段共用同一定值。對(duì)于距離I段的動(dòng)作區(qū),該負(fù)荷限制電阻值整定過大,導(dǎo)致動(dòng)作區(qū)較多的偏入了第四象限。因此,為保護(hù)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)專用的電阻分量,不與距離Ⅱ段、Ⅲ段共用電阻分量,從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)軟件自適應(yīng)優(yōu)化距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū),解決末端故障時(shí)非故障相阻抗可能落入距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)的問題。

        如圖6所示,黑色虛線框?yàn)閳A阻抗動(dòng)作區(qū),藍(lán)色框?yàn)槎噙呅巫杩箘?dòng)作區(qū),紅色虛線框?yàn)槟骋浑娮瓒ㄖ礡set下的距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)。對(duì)比圓阻抗元件與多邊形阻抗元件的動(dòng)作區(qū)可知,其電抗分量XDZ是由阻抗定值ZDZ折算到X方向的值。電阻分量RDZ為負(fù)荷限制電阻定值,按照躲負(fù)荷阻抗整定,為距離Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段共用。通常,RDZ對(duì)于距離Ⅱ段、Ⅲ段合適,而由于中低壓線路較短,距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)的電抗分量相對(duì)于負(fù)荷限制電阻定值比較小,會(huì)引起距離Ⅰ段多邊形動(dòng)作區(qū)過于扁平,線路末端故障時(shí)非故障相阻抗可能落入動(dòng)作區(qū)。

        圖6 圓阻抗元件與多邊形阻抗元件動(dòng)作區(qū)

        因此,結(jié)合誤動(dòng)發(fā)生的邏輯可知,多邊形阻抗元件的負(fù)荷電阻限制值是動(dòng)作區(qū)邊界設(shè)置的關(guān)鍵參數(shù)。

        2.2 動(dòng)作區(qū)邏輯判據(jù)優(yōu)化

        基于設(shè)計(jì)原理,距離保護(hù)多邊形阻抗元件的動(dòng)作區(qū)在4個(gè)象限的分布原則是:第Ⅰ象限占有的區(qū)域應(yīng)最大。如果動(dòng)作區(qū)的負(fù)荷限制電阻定值過大,以致第Ⅳ象限的動(dòng)作區(qū)大于第Ⅰ象限的動(dòng)作區(qū),違背動(dòng)作區(qū)設(shè)計(jì)原則。當(dāng)?shù)冖裣笙藓偷冖粝笙薜拿娣e相等時(shí),可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的電阻分量約為5倍電抗分量??紤]一定的裕度,距離Ⅰ段專用電阻分量取4倍電抗分量作為上限,從而保證第Ⅰ象限動(dòng)作區(qū)大于第Ⅳ象限動(dòng)作區(qū)。

        綜合以上因素和原則,優(yōu)化后距離Ⅰ段多邊形動(dòng)作區(qū)使用的電阻分量RsetI由裝置內(nèi)部按下述公式計(jì)算得到:

        由式(9)可知,RsetI的取值由3 個(gè)值的最小值決定。其中,第一個(gè)值中Rset的含義為距離Ⅱ、Ⅲ段多邊形的電阻定值,對(duì)應(yīng)定值項(xiàng)為負(fù)荷限制電阻定值。由于距離Ⅰ段需單獨(dú)設(shè)置較小的負(fù)荷限制電阻,且若Rset值過小會(huì)失去負(fù)荷限制作用,因此根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),取第二個(gè)值中,Rr/LZ是距離Ⅰ段容許的過渡電阻值折算到二次的值,Rr為距離Ⅰ段容許過渡電阻值(一般取10 Ω);LZ為阻抗一二次的換算系數(shù)(TV變比/TA變比)。而ZZD為距離Ⅰ段定值,φlm為線路正序靈敏角。此值的含義為考慮線路接地故障時(shí)的過渡電阻,以提高距離保護(hù)動(dòng)作的可靠性。第三個(gè)值4XsetI的設(shè)置原因是當(dāng)多邊形動(dòng)作區(qū)第Ⅰ象限和Ⅳ象限面積相等時(shí),電阻分量為5倍XsetI,考慮一定裕度,按4倍XsetI封住電阻分量的上限。

        此外,增加防止定值輸入錯(cuò)誤的手段,取上述所得RsetI與XsetI/2的最大值,其中XsetI/2作為距離Ⅰ段多邊形專用電阻分量的下限,近似等于所整定距離Ⅰ段定值對(duì)應(yīng)的圓特性外圍的最小四邊形特性電阻定值RDZmin。因此,的最終取值為:

        根據(jù)上述邏輯判據(jù)畫出優(yōu)化后的動(dòng)作區(qū),如圖7內(nèi)紅色虛線框所示。

        圖7 優(yōu)化后的距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)

        由圖7可知,由于將RsetI取值中負(fù)荷限制電阻定值Rset縮小為原來的同時(shí)電抗定值從8XsetI減小為4XsetI,動(dòng)作區(qū)發(fā)生相應(yīng)改變,優(yōu)化后的距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)不再扁平化,理論上可躲過末端故障時(shí)非故障相阻抗可能落入距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)的誤動(dòng)問題。經(jīng)裝置內(nèi)部修改后的公式計(jì)算可得,第Ⅳ象限的動(dòng)作區(qū)面積小于第Ⅰ象限,理論上符合整定原則,滿足動(dòng)作要求。

        3 試驗(yàn)驗(yàn)證

        利用測試儀中的距離模塊將電壓、電流等數(shù)字量轉(zhuǎn)化為電氣量模擬線路上的各段故障,校驗(yàn)保護(hù)邏輯優(yōu)化后的動(dòng)作區(qū),并進(jìn)行故障回放測試。

        3.1 動(dòng)作區(qū)校驗(yàn)

        如圖5所示,將動(dòng)作區(qū)邊界分為阻抗邊界和角度邊界兩種類型。其中,邊界1 和2 是角度邊界,校驗(yàn)值等于邊界角度±2°;邊界3 和4 為阻抗邊界,校驗(yàn)值為電阻定值的1.05倍和0.95倍;邊界5和6 為阻抗邊界,校驗(yàn)值為電抗定值的1.05 倍和0.95倍。

        針對(duì)不同工況下線路阻抗的變化,通過修改相關(guān)整定值,滿足對(duì)RsetI不同取值的邏輯驗(yàn)證。分析可知,距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)可用以下4種工況逐一驗(yàn)證,每個(gè)工況下均模擬相間與三相短路故障。

        1)工況一:采用表1中的整定值,表2所示為電阻定值計(jì)算結(jié)果。

        表2 電阻定值計(jì)算

        經(jīng)計(jì)算,RsetI取4.452 Ω。

        試驗(yàn)測試結(jié)果如圖8所示,右側(cè)圖中綠色的+號(hào)為測試點(diǎn)經(jīng)試驗(yàn)返回的正確動(dòng)作顯示,整理后見表3。

        表3 工況一距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)測試結(jié)果

        圖8 工況一距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)測試結(jié)果

        2)工況二:修改負(fù)荷限制電阻定值Rset為6.0 Ω,其余定值如表1 所示,計(jì)算可得RsetI取3.0 Ω。試驗(yàn)測試結(jié)果如圖9所示。

        圖9 工況二距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)測試結(jié)果

        3)工況三:修改TA 變比為100/1,使阻抗一二次的換算系數(shù)LZ為3.5,其余定值如表1所示,計(jì)算可得RsetI取3.457 Ω。試驗(yàn)測試結(jié)果如圖10所示。

        圖10 工況三距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)測試結(jié)果

        4)工況四:修改負(fù)荷限制電阻定值Rset為0.1 Ω,其余定值如表1 所示,計(jì)算可得RsetI取0.556 Ω。試驗(yàn)測試結(jié)果如圖11所示。

        圖11 工況四距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)測試結(jié)果

        綜上,4 種工況下對(duì)應(yīng)4 個(gè)距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū),對(duì)其分別進(jìn)行相間和三相短路故障模擬距離Ⅰ段保護(hù)試驗(yàn),結(jié)果均能可靠正確動(dòng)作。

        3.2 故障回放測試

        針對(duì)此次線路保護(hù)裝置距離Ⅰ段誤動(dòng)問題,利用增強(qiáng)故障回放模塊,導(dǎo)入該保護(hù)故障錄波文件,如圖12所示進(jìn)行故障回放。

        圖12 故障錄波回放

        結(jié)果顯示,動(dòng)作區(qū)優(yōu)化后的保護(hù)裝置距離Ⅰ段能躲過該區(qū)外故障,保護(hù)可靠不動(dòng)作。

        若將距離Ⅱ段、Ⅲ段相間距離阻抗定值整定同Ⅰ段,由于距離Ⅱ段、Ⅲ段Rset取值公式為:

        計(jì)算可得Rset取8.904 Ω,保護(hù)動(dòng)作,故障選相A、B、C。同樣方法導(dǎo)入另兩次誤動(dòng)錄波,現(xiàn)象均與此次誤動(dòng)錄波回放試驗(yàn)現(xiàn)象相同。上述試驗(yàn)證明距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)定值優(yōu)化方案具備可行性。

        4 結(jié)語

        本文針對(duì)一起距離Ⅰ段保護(hù)誤動(dòng)事件,通過分析其誤動(dòng)錄波,推演其數(shù)學(xué)原理,指出多邊形阻抗元件動(dòng)作區(qū)設(shè)置存在的問題。由于距離Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段共用同一負(fù)荷限制電阻定值,導(dǎo)致區(qū)外故障時(shí)非故障相相間阻抗無法躲過第Ⅳ象限內(nèi)的負(fù)荷限制邊界,落入距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)。

        由此提出適用于多邊形阻抗元件的定值優(yōu)化方案,為距離Ⅰ段設(shè)置獨(dú)立的負(fù)荷限制電阻定值限制條件,實(shí)現(xiàn)保護(hù)軟件自適應(yīng)優(yōu)化距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)。并且,利用保護(hù)測試裝置進(jìn)行優(yōu)化后的動(dòng)作區(qū)邊界校驗(yàn),導(dǎo)入故障錄波驗(yàn)證方案是可行的。

        本文提出的多邊形阻抗元件動(dòng)作區(qū)優(yōu)化思路適用于所有多邊形阻抗元件,為提升距離保護(hù)應(yīng)對(duì)區(qū)外故障時(shí)的可靠性提供了保障。

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