曾 翔，文明浩，錢 堃，蔣 燾

（強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)），湖北武漢 430074）

0 引言

近年來，以光伏、風(fēng)電等清潔能源為主的分布式電源接入電網(wǎng)得到了高速發(fā)展[1-4]。然而分布式電源的故障特性受風(fēng)光出力波動(dòng)性及隨機(jī)性、低電壓穿越控制策略和電力電子器件限流的影響，與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)同步機(jī)電源有較大差異，這將對(duì)其接入系統(tǒng)的繼電保護(hù)帶來不利影響，特別是其中發(fā)電容量占有率較大的逆變型分布式電源（Inverter-interfaced Distributed Generator，IIDG）[5-11]。距離保護(hù)因其受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響小、能有選擇性地快速動(dòng)作等優(yōu)點(diǎn)，在110 kV 電網(wǎng)線路保護(hù)中廣泛應(yīng)用，且距離保護(hù)為消除死區(qū)大多采用正序電壓極化，其應(yīng)用前提是保護(hù)裝置背后系統(tǒng)為強(qiáng)電壓源系統(tǒng)，而IIDG 故障后表現(xiàn)為受控電流源特性，其接入系統(tǒng)時(shí)距離保護(hù)動(dòng)作性能將受到一定影響[12]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)新能源電源接入下距離保護(hù)的適應(yīng)性問題開展了相關(guān)研究分析。文獻(xiàn)[13]研究結(jié)果表明風(fēng)電系統(tǒng)的弱饋性和系統(tǒng)阻抗不穩(wěn)定導(dǎo)致距離保護(hù)動(dòng)作性能較差。文獻(xiàn)[14]研究指出分布式電源正向助增電流將縮小距離保護(hù)II 段的保護(hù)范圍，降低其靈敏度。文獻(xiàn)[15]則指出非金屬故障時(shí)光伏場站弱饋性導(dǎo)致附加阻抗較大，距離保護(hù)可能無法正確動(dòng)作，會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)自適應(yīng)距離保護(hù)區(qū)外誤動(dòng)。文獻(xiàn)[16]指出非金屬性接地故障時(shí)風(fēng)電場接入的聯(lián)絡(luò)線距離保護(hù)有拒動(dòng)和超越的隱患。文獻(xiàn)[17]基于逆變型電源送出線兩側(cè)故障電流差異對(duì)距離保護(hù)附加阻抗的影響，指出了送出線兩側(cè)距離保護(hù)在非金屬性故障下的不正確動(dòng)作隱患。針對(duì)工程實(shí)際中廣泛應(yīng)用的正序電壓極化距離保護(hù)，文獻(xiàn)[18]指出正序電壓極化距離保護(hù)在光伏送出線時(shí)的不正確動(dòng)作現(xiàn)象，但并未對(duì)此現(xiàn)象作進(jìn)一步的機(jī)理分析。文獻(xiàn)[19]通過仿真分析了風(fēng)電場在故障期間等值內(nèi)阻抗的時(shí)變特性導(dǎo)致正序電壓極化距離保護(hù)不正確動(dòng)作的情況?，F(xiàn)有的研究多聚焦在距離保護(hù)抗過渡電阻能力方面，鮮有研究指出新能源接入下正序電壓極化距離保護(hù)在金屬性故障時(shí)的拒動(dòng)和誤動(dòng)行為以及進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)理分析。

本文主要分析了IIDG 接入系統(tǒng)中110 kV 聯(lián)絡(luò)線兩側(cè)的正序電壓極化接地距離保護(hù)的動(dòng)作性能，考慮金屬性故障，首先分析了距離保護(hù)采用正序電壓極化的基本原理，通過序網(wǎng)分析推導(dǎo)出各序電壓關(guān)系，然后基于故障相電流與正序電壓的相位關(guān)系對(duì)接地距離保護(hù)性能的影響進(jìn)一步分析，指出IIDG接入下接地距離保護(hù)的不可靠動(dòng)作行為產(chǎn)生機(jī)理。最后針對(duì)所指出的距離保護(hù)不可靠動(dòng)作隱患，分別從中性點(diǎn)接地方式和保護(hù)方案的角度提出應(yīng)對(duì)策略。最后通過PSCAD/EMTDC 進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 IIDG接入系統(tǒng)故障特性

1.1 IIDG接入系統(tǒng)

IIDG 接入電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，110 kV升壓變壓器的高壓側(cè)經(jīng)110 kV 聯(lián)絡(luò)線和大電網(wǎng)連接，低壓側(cè)10 kV 母線有IIDG 接入，10 kV 母線即IIDG 并網(wǎng)點(diǎn)P，電網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)直接接地，為限制單相接地故障電流、防止通信干擾和簡化零序電流保護(hù)整定配合要求，110 kV 變壓器中性點(diǎn)大多采用不接地方式運(yùn)行。由于系統(tǒng)為兩側(cè)電源供電，因此線路兩側(cè)均配置有保護(hù)裝置，其中線路IIDG 側(cè)和電網(wǎng)側(cè)分別配置距離保護(hù)M 和距離保護(hù)N。

圖1 IIDG接入電網(wǎng)的接線圖Fig.1 Wiring diagram for grid-connected IIDG

圖1 中F 為故障點(diǎn)；Pld和Qld分別為本地負(fù)荷有功和無功功率。

1.2 IIDG故障特性

IIDG 通過逆變器并網(wǎng)，逆變器采用矢量解耦控制方法，其輸出的有功和無功功率由輸出電流的d軸和q軸分量解耦控制，通常將并網(wǎng)點(diǎn)正序電壓定向到d軸，q軸滯后于d軸90°。故障期間IIDG 采取優(yōu)先輸出無功功率同時(shí)抑制負(fù)序電流的低電壓穿越策略，在進(jìn)行故障分析時(shí)可將其等值為受并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落程度控制的正序電流源[20-22]。此時(shí)IIDG的q軸和d軸指令值分別為：

式中：id和iq分別為d軸和q軸電流指令值；α為并網(wǎng)點(diǎn)正序電壓跌落幅度；ilimit為電流限幅值標(biāo)幺值，一般取1.2；id0為故障前d軸電流指令值。

由于IIDG 主要利用風(fēng)光等新能源發(fā)電，其有功出力具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，因此id0取值范圍為0～1。

2 IIDG接入對(duì)接地距離保護(hù)的影響

2.1 正序電壓極化接地距離保護(hù)基本原理

目前距離保護(hù)為解決出口故障的死區(qū)問題，一般采用保護(hù)安裝處的正序電壓作為極化電壓，在常規(guī)電網(wǎng)中，正序電壓極化距離保護(hù)的阻抗動(dòng)作特性在正向故障和反向故障時(shí)分別表現(xiàn)為包括坐標(biāo)原點(diǎn)的偏移圓和遠(yuǎn)離原點(diǎn)的上拋圓，具有很好的方向性[23]。

正序電壓極化接地距離保護(hù)的比相判據(jù)為：

式中：Uop為補(bǔ)償電壓；Uref為極化電壓。

以線路上發(fā)生A 相接地故障為例，IIDG 側(cè)距離保護(hù)M 的補(bǔ)償電壓和極化電壓分別為：

式中：UMA，UM(1)，IMA，IM(0)分別為保護(hù)M 處A 相的相電壓、正序電壓、相電流和零序電流；K為線路零序電流補(bǔ)償系數(shù)；Zset為整定阻抗。

考慮線路上發(fā)生金屬性故障，保護(hù)安裝處A 相電壓可表示為：

式中：ZL1為線路正序阻抗；p為故障點(diǎn)到保護(hù)M 處的距離與線路全長的比值。

pZL1與Zset的相角均為線路阻抗角，其幅值關(guān)系如下：

因此，當(dāng)區(qū)內(nèi)故障時(shí)Uop與UMA反相，當(dāng)區(qū)外故障時(shí)Uop與UMA同相，通過Uop與UMA的比相可識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障。對(duì)于保護(hù)背后系統(tǒng)為強(qiáng)電壓源系統(tǒng)的情況，UMA與UM(1)相位均接近背后系統(tǒng)電源相位，此時(shí)可用保護(hù)處正序電壓相位來代替故障相電壓作為極化電壓，正是依賴于該特點(diǎn)構(gòu)成正序電壓極化距離保護(hù)。

2.2 單相接地故障序網(wǎng)分析

在IIDG 接入的系統(tǒng)中，考慮線路上發(fā)生金屬性故障，故障復(fù)合序網(wǎng)如圖2 所示。圖2 中電氣量均歸算到110 kV 側(cè)，Es為電網(wǎng)側(cè)電源電勢(shì)，IDG為IIDG 輸出電流，IM(1)和IM(2)分別為流過保護(hù)M 處的正序電流和負(fù)序電流，Zs，ZL，ZT，Zld分別為電網(wǎng)側(cè)等值電源阻抗、線路阻抗、變壓器阻抗和負(fù)荷等值阻抗，下標(biāo)1，2，0 分別表示正序、負(fù)序、零序分量，各元件正負(fù)序阻抗一致，零序網(wǎng)絡(luò)中IIDG 側(cè)開路。

圖2 單相接地故障復(fù)合序網(wǎng)Fig.2 Composite sequence network of single-phase grounding fault

由1.2 節(jié)分析可知IIDG 具有弱饋性，其輸出電流較小，加之歸算后10 kV 系統(tǒng)的阻抗值遠(yuǎn)大于110 kV 系統(tǒng)的阻抗值且主要為負(fù)荷阻抗[24-25]，因此故障點(diǎn)開路電勢(shì)近似等于Es，則故障點(diǎn)正、負(fù)、零序電壓分別為：

式中：Z1，Z2，Z0分別為從故障點(diǎn)看入的正序、負(fù)序和零序綜合阻抗。

Z1，Z2，Z0可由下式近似計(jì)算：

由式（7）可知，故障點(diǎn)正序電壓不受IIDG 接入的影響，而負(fù)荷阻抗遠(yuǎn)大于線路阻抗和變壓器阻抗，由分壓原理可知故障點(diǎn)到并網(wǎng)點(diǎn)P 之間的正序電壓壓降相對(duì)于故障點(diǎn)正序電壓可忽略不計(jì)，此外IIDG 輸出電流由于幅值受限其對(duì)正序電壓分布影響較小，因此故障點(diǎn)F、保護(hù)M 和并網(wǎng)點(diǎn)P處的正序電壓可近似視為相等且不受IIDG 接入影響，即：

類似地負(fù)序電壓存在以下關(guān)系：

式中：UM(1)和UM(2)分別為保護(hù)M 處正序電壓和負(fù)序電壓；UP(1)和UP(2)分別為并網(wǎng)點(diǎn)P 處正序電壓和負(fù)序電壓（歸算至110 kV 側(cè)）。

2.3 故障相電流與正序電壓的相位關(guān)系對(duì)接地距離保護(hù)性能的影響

對(duì)于IIDG 接入系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生單相金屬性接地故障，式（5）仍成立，Uop與UMA之間仍存在確定的相位關(guān)系：在正方向區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障時(shí)Uop與UMA分別反相和同相。因此距離保護(hù)動(dòng)作性能取決于UMA與UM(1)的相位關(guān)系。

根據(jù)110 kV 變壓器中性點(diǎn)不接地，故障后線路IIDG 側(cè)無零序電流流通，僅有正序和負(fù)序電流，此時(shí)保護(hù)M 處A 相電壓為：

由于110 kV 線路阻抗接近純感性，為便于分析，pZL1阻抗角近似視為90°，則UMA相位超前IMA90°。

根據(jù)2.2 節(jié)分析，UM(1)主要由電網(wǎng)側(cè)電源及系統(tǒng)側(cè)參數(shù)決定，不受IIDG 接入的影響，其相位穩(wěn)定。而UMA相位超前IMA90°，IMA由IIDG 輸出電流和負(fù)荷電流組成，IIDG 輸出電流幅值和相位受控導(dǎo)致IMA相位可能在-180°～180°變化，則UMA與UM(1)的相位差可能的變化范圍較大。

根據(jù)UMA相位超前IMA90°，繪制了IMA與UM(1)相位關(guān)系的4 種典型情況示意圖如圖3 所示，圖3中相量僅描述相位關(guān)系，不代表真實(shí)幅值關(guān)系。

圖3 故障相電流與正序電壓相位關(guān)系的典型情況Fig.3 Typical situation of phase relationship between fault phase current and positive sequence voltage

在圖3（a）中，IMA與UM(1)相角差處于(-180°,-90°)，UMA與UM(1)相角差處于(-90°,0°)。當(dāng)正向區(qū)內(nèi)故障時(shí)，Uop與UMA反相，此時(shí)式所示的保護(hù)判據(jù)成立，保護(hù)正確動(dòng)作；當(dāng)正向區(qū)外故障時(shí)，Uop與UMA同相，此時(shí)式（3）所示的保護(hù)判據(jù)不成立，保護(hù)正確不動(dòng)作。

由圖3（b）可知，當(dāng)IMA與UM(1)相角差處于(-90°,0°)時(shí)，UMA與UM(1)相角差處于(0°,90°)，類似地，由式（3）保護(hù)判據(jù)可得，當(dāng)正向區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障時(shí)，保護(hù)分別正確動(dòng)作和不動(dòng)作。

在圖3（c）中，IMA與UM(1)相角差處于(0°,90°)，UMA與UM(1)相角差處于(90°,180°)。當(dāng)正向區(qū)內(nèi)故障時(shí)，Uop與UMA反相，此時(shí)式（3）所示的保護(hù)判據(jù)不成立，保護(hù)拒動(dòng)；當(dāng)正向區(qū)外故障時(shí)，Uop與UMA同相，此時(shí)式所示的保護(hù)判據(jù)成立，保護(hù)誤動(dòng)。

在圖3（d）中，IMA與UM(1)相角差處于(90°,180°)，UMA與UM(1)相角差處于(-180°,-90°)。類似地，由式（3）保護(hù)判據(jù)可得，當(dāng)正向區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障時(shí)，保護(hù)分別拒動(dòng)和誤動(dòng)，將上述金屬性區(qū)內(nèi)故障拒動(dòng)和金屬性區(qū)外故障誤動(dòng)統(tǒng)稱為保護(hù)失效。

由本節(jié)分析可知，以UM(1)為參考相量，當(dāng)IMA相位處于(0°,180°)，即Im(IMA)＞0 時(shí)，正序電壓極化接地距離保護(hù)將失效，即區(qū)內(nèi)故障時(shí)拒動(dòng)，區(qū)外故障時(shí)誤動(dòng)，故距離保護(hù)動(dòng)作可靠性取決于IMA的相位。

2.4 IIDG接入系統(tǒng)接地距離保護(hù)失效機(jī)理分析

根據(jù)基爾霍夫電流定律，以圖1 中電流流向?yàn)閰⒖挤较颍瑒tIMA可由下式計(jì)算：

式中：IDGA為DG 輸出的A 相電流；IldA為本地負(fù)荷的A 相電流。

故障前本地負(fù)荷有功和無功功率分別為Pld0和Qld0，故障前后負(fù)荷阻抗不變，則負(fù)荷阻抗為：

式中：UN為額定相電壓。

由于變壓器低壓側(cè)無零序電流流通，故并網(wǎng)點(diǎn)零序電壓UP(0)=0，因此故障后負(fù)荷A 相電流可化為：

由于IIDG 故障后等效為正序電流源，因此IDGA中僅含正序分量，其幅值和相位由并網(wǎng)逆變器中d軸和q軸指令值決定，且d軸定向于并網(wǎng)點(diǎn)P 正序電壓，q軸滯后于d軸90°，因此以UM(1)為參考相量時(shí)IDGA可表示為：

式中：IN為額定運(yùn)行時(shí)IIDG 輸出相電流；UN為常數(shù)。

將式（14）和（15）式代入式（12）中得到：

令I(lǐng)m(IMA)＞0 即可得到正序電壓極化接地距離保護(hù)失效條件為：

根據(jù)式（9）和式（10），且電網(wǎng)側(cè)電源電壓接近額定電壓，可得：

由于110 kV 系統(tǒng)各部分阻抗角近似視為相等，故k可視為實(shí)數(shù)，根據(jù)式（8）可知在系統(tǒng)參數(shù)確定的情況下k僅與故障位置有關(guān)；而iq僅由并網(wǎng)點(diǎn)P正序電壓UP(1)決定，同樣根據(jù)式（8）和（9）可知UP(1)僅與故障位置有關(guān)，因此在系統(tǒng)參數(shù)確定的情況下式（17）中系數(shù)k和iq僅與故障位置相關(guān)。定義失效功率邊界值為Qborder=kiqSDG，則Qborder取決于故障位置和IIDG 容量。

通常單相接地故障導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落較輕，故iq較小，根據(jù)式（18），考慮1 ≤Z01≤3，則1.667 ≤k≤3，由于IIDG 并網(wǎng)以本地消納為主，SDG較小，負(fù)荷水平較高，因此易滿足式（17）的失效條件，此時(shí)距離保護(hù)無法正確判斷區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障。

還需指出，對(duì)于聯(lián)絡(luò)線電網(wǎng)側(cè)接地距離保護(hù)N，在反方向故障時(shí)，故障點(diǎn)位于保護(hù)裝置背后，保護(hù)N測(cè)得的電壓和電流仍由IIDG 側(cè)提供，與此時(shí)保護(hù)M測(cè)得的電壓電流接近，同理可得：當(dāng)滿足式（17）失效條件時(shí)，接地距離保護(hù)N 在反方向故障時(shí)誤動(dòng)。

3 應(yīng)對(duì)策略

針對(duì)第2 章所指出距離保護(hù)隱患，分別從中性點(diǎn)接地方式和接地距離保護(hù)方案的角度提出應(yīng)對(duì)策略。

3.1 對(duì)策一：變壓器改為直接接地運(yùn)行

當(dāng)IIDG 接入的110kV 變壓器中性點(diǎn)不接地時(shí)，流過保護(hù)安裝處的電流由IIDG 輸出電流和負(fù)荷電流組成，導(dǎo)致故障相電壓UMA相位受IIDG 和負(fù)荷影響較大。鑒于此，將IIDG 接入的110 kV 變壓器改為中性點(diǎn)直接接地。對(duì)于IIDG 保護(hù)M，線路上發(fā)生正方向單相接地故障時(shí)，保護(hù)處有零序電流流過，故障零序網(wǎng)絡(luò)如圖4 所示，圖4 中IM(0)為保護(hù)M 處的零序電流。

圖4 故障零序網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Zero sequence network of fault

由于IIDG 輸出電流具有弱饋性且負(fù)荷阻抗遠(yuǎn)大于系統(tǒng)側(cè)阻抗，線路IIDG 側(cè)零序電流分流系數(shù)遠(yuǎn)大于正序、負(fù)序分流系數(shù)，故IMA以零序分量為主，式（5）可近似化為：

式（19）和（20）中pZL(0)+ZT(0)阻抗角近似為90°，且ZL0阻抗角接近90°，故UMA與UF(0)相位接近反相。同時(shí)，變壓器中性點(diǎn)直接接地時(shí)零序綜合阻抗為：

將Z0用式（21）替換后，式（7）—（9）仍成立，故有UF(0)與UF(1)相位接近反相，而UF(1)與UM(1)近似相等，因此UMA與UM(1)接近同相，可用保護(hù)安裝處的正序電壓相位近似替代故障相電壓相位，在正方向區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障時(shí)距離保護(hù)比相判據(jù)分別接近0°和180°，距離保護(hù)分別可靠動(dòng)作和不動(dòng)作。同理可得，此時(shí)電網(wǎng)側(cè)接地距離保護(hù)在反方向發(fā)生單相接地故障時(shí)可靠不動(dòng)作。

3.2 對(duì)策二：采用零序無流判據(jù)和相電壓極化距離元件構(gòu)成接地距離保護(hù)方案

考慮從接地距離保護(hù)方案的角度提出對(duì)策：采用相電壓極化距離元件實(shí)現(xiàn)保護(hù)測(cè)距功能，輔以零序有流判據(jù)對(duì)近區(qū)故障方向加以區(qū)分。

以線路DG 側(cè)保護(hù)為例，接地距離保護(hù)采用相電壓極化，當(dāng)線路上發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí)，Uop與Uref在正向區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障時(shí)分別反相和同相，在非近區(qū)故障時(shí)比相判據(jù)能準(zhǔn)確區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障，且不受保護(hù)安裝處背后系統(tǒng)的影響。

針對(duì)近區(qū)故障，相電壓極化距離元件存在死區(qū)問題，采用零序無流判據(jù)輔助判斷故障方向。零序無流判據(jù)為：

式中：Iset(0)為零序無流門檻。

由于IIDG 接入的110 kV 變壓器中性點(diǎn)不接地，對(duì)于DG 側(cè)保護(hù)，若正方向發(fā)生單相接地故障，保護(hù)處無零序電流，滿足零序無流判據(jù)；若反方向發(fā)生單相接地故障，保護(hù)處流過由系統(tǒng)側(cè)提供的零序電流，不滿足零序無流判據(jù)。反之，對(duì)于網(wǎng)側(cè)保護(hù)，若正方向發(fā)生單相接地故障，零序無流判據(jù)不滿足；若反方向發(fā)生單相接地故障，零序無流判據(jù)滿足。

4 仿真驗(yàn)證

基于PSCAD/EMTDC 仿真平臺(tái)搭建如圖1 所示的IIDG 接入的系統(tǒng)模型，考慮金屬性故障，對(duì)本文所指出的距離保護(hù)不可靠動(dòng)作行為以及所提對(duì)策的仿真驗(yàn)證。系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示，故障時(shí)間設(shè)為0.3 s，距離保護(hù)保護(hù)范圍為線路全長的80%。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Table 1 System parameters

4.1 IIDG接入對(duì)接地距離保護(hù)的影響

4.1.1 IIDG側(cè)保護(hù)在正向故障下動(dòng)作情況

設(shè)置正向出口（p=0）和線路中點(diǎn)（p=0.5）作為正向區(qū)內(nèi)故障點(diǎn)，線路電網(wǎng)側(cè)母線（p=1）作為區(qū)外故障點(diǎn)，算得p為0，0.5，1 時(shí)對(duì)應(yīng)的失效功率邊界Qborder分別為5.66 Mvar，6.5 Mvar，9 Mvar，故障前本地負(fù)荷有功功率取21 MW，圖5 為不同負(fù)荷無功水平下IIDG 側(cè)接地距離保護(hù)在正向故障時(shí)的動(dòng)作情況，其中縱坐標(biāo)為距離保護(hù)判據(jù)比相值。

圖5 IIDG側(cè)保護(hù)正向故障動(dòng)作情況Fig.5 Protection action near IIDG side under forward fault

可以看出，對(duì)于區(qū)內(nèi)故障，當(dāng)負(fù)荷無功功率高于失效邊界值時(shí)距離保護(hù)判據(jù)超出(-90°,90°)動(dòng)作范圍，保護(hù)拒動(dòng)；對(duì)于區(qū)外故障，當(dāng)負(fù)荷無功功率高于失效邊界值時(shí)距離保護(hù)判據(jù)處于(-90°,90°)動(dòng)作范圍，保護(hù)誤動(dòng)。

4.1.2 電網(wǎng)側(cè)保護(hù)在反向故障下動(dòng)作情況

設(shè)置線路電網(wǎng)側(cè)母線（p=1）作為反向故障點(diǎn)，算得失效功率邊界Qborder為9 Mvar，圖6 為不同負(fù)荷無功水平下電網(wǎng)側(cè)接地距離保護(hù)在反向故障時(shí)的動(dòng)作情況?？梢钥闯觯?dāng)負(fù)荷無功功率高于失效邊界值時(shí)距離保護(hù)判據(jù)處于(-90°,90°)動(dòng)作范圍，保護(hù)誤動(dòng)。

圖6 電網(wǎng)側(cè)保護(hù)反向故障動(dòng)作情況Fig.6 Protection action near grid side under backward fault

4.2 采用對(duì)策一時(shí)的保護(hù)動(dòng)作仿真

對(duì)策一是將IIDG 接入的110kV 變壓器改為中性點(diǎn)直接接地，此時(shí)在不同IIDG 容量和負(fù)荷水平下IIDG 側(cè)接地距離保護(hù)在正向故障時(shí)和電網(wǎng)側(cè)接地距離保護(hù)在反向故障時(shí)動(dòng)作情況如圖7 所示，圖7 中組合1—4 對(duì)應(yīng)的IIDG 容量和本地負(fù)荷功率組合如表2 所示。

表2 IIDG容量和本地負(fù)荷功率組合Table 2 Combination of IIDG capacity and local load power

由圖7 可以看出，IIDG 容量和本地負(fù)荷波動(dòng)對(duì)正序電壓極化接地距離保護(hù)比相判據(jù)影響極小，且區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)比相判據(jù)接近0°，保護(hù)可靠動(dòng)作；區(qū)外故障時(shí)保護(hù)比相判據(jù)接近180°，保護(hù)可靠不動(dòng)作。

圖7 對(duì)策一保護(hù)動(dòng)作情況Fig.7 Protection action of the first strategy

4.3 采用對(duì)策二時(shí)的保護(hù)動(dòng)作仿真

依據(jù)對(duì)策二保護(hù)方案，采用相電壓極化的接地距離保護(hù)比相判據(jù)識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障，針對(duì)近區(qū)保護(hù)出口故障下保護(hù)存在死區(qū)導(dǎo)致比相判據(jù)不可用的情況，采用零序無流判據(jù)輔助判斷故障方向。在IIDG 接入系統(tǒng)的110 kV 線路上不同位置設(shè)置單相金屬性接地故障，零序無流門檻整定為0.05 kA，對(duì)策二保護(hù)動(dòng)作情況如表3 所示?？梢钥闯觯瑢?duì)于非近區(qū)故障，相電壓極化的比相判據(jù)對(duì)于區(qū)內(nèi)外故障有良好的判別能力，對(duì)于近區(qū)故障，零序無流判據(jù)能可靠地輔助判別故障方向，保護(hù)動(dòng)作行為可靠。

表3 對(duì)策二保護(hù)動(dòng)作情況Table 2 Protection action of the second strategy

5 結(jié)論

本文對(duì)IIDG 接入系統(tǒng)中110 kV 聯(lián)絡(luò)線接地距離保護(hù)進(jìn)行了研究，考慮金屬性單相接地故障，針對(duì)目前應(yīng)用最廣泛的正序電壓極化距離保護(hù)展開分析，分析指出存在由故障位置和IIDG 容量決定的保護(hù)失效功率邊界值，當(dāng)本地負(fù)荷無功高于此邊界值時(shí)，IIDG 側(cè)接地距離保護(hù)在正向區(qū)內(nèi)故障時(shí)拒動(dòng)，正向區(qū)外故障時(shí)誤動(dòng)，電網(wǎng)側(cè)接地距離保護(hù)在反向區(qū)外故障時(shí)誤動(dòng)。

針對(duì)所指出距離保護(hù)隱患，分別從中性點(diǎn)接地方式和保護(hù)方案的角度給出應(yīng)對(duì)策略。對(duì)策一將IIDG 接入的110 kV 變壓器改為直接接地運(yùn)行，此時(shí)保護(hù)處正序電壓與故障相電壓相位接近一致，正序電壓極化接地距離保護(hù)在區(qū)內(nèi)外故障時(shí)動(dòng)作可靠；對(duì)策二采用零序無流判據(jù)和相電壓極化距離元件構(gòu)成接地距離保護(hù)方案，距離保護(hù)動(dòng)作不受背后IIDG 弱電源系統(tǒng)影響，且無死區(qū)問題。本文研究結(jié)論對(duì)IIDG 接入系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方案制定和接地距離保護(hù)改進(jìn)具有一定借鑒意義。