輸電線路幾種比率差動保護性能仿真

李俊華，霍兵兵

（1.西京學(xué)院 機電系自動化教研室，陜西 西安 710123；2.西安西瑞智能電氣有限公司 陜西 西安 710065）

電流縱聯(lián)差動保護是輸電線路和母線很重要的一種保護原理，其原理是利用比較被保護設(shè)備兩端電流，根據(jù)基爾霍夫定律實現(xiàn)的一種保護。從故障信息觀點來看，它最突出的特點是具有優(yōu)越的提取內(nèi)部故障信息的能力，這一點是其它保護原理無法比擬的。電流向量差動保護判據(jù)在實際應(yīng)用中不斷的改進和優(yōu)化，現(xiàn)在的微機保護中先后用到了常規(guī)比率制動、復(fù)式比率制動和故障分量復(fù)式比率制動判據(jù)，這幾種判據(jù)動作特性各有其特點；因此，文中在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，分析比較這3種保護判據(jù)的優(yōu)缺點，并提出一種合理的應(yīng)用方法，使電流向量差動保護發(fā)揮更大的性能[1]。

1 判據(jù)及其定性分析

如圖1所示，給出了一個簡化的電力系統(tǒng)圖，設(shè)定線路兩端電流均為由母線指向被保護線路為正方向，分別為線路m端、n端的電流向量。

根據(jù)基爾霍夫電流定律，差動電流表示為

圖1 電力系統(tǒng)簡化圖Fig.1 Simplified figure of power system

現(xiàn)就Id和Ir構(gòu)成的差動比率制動特性作以下分析。

1.1 常規(guī)比率差動保護

其通用判據(jù)[2]為

其中：Idz為差動保護整定值，一般為躲過正常運行時，二次最大不平衡電流Ibp_max；k為取值小于1的比率制動系數(shù)。其動作特性如圖2所示。

正常狀態(tài)下，Id=Ibp＜Ibp_max，即 Id＜Idz，差動保護不會啟動。 當外部發(fā)生故障時，由于不平衡電流的增大可能會導(dǎo)致Id>Idz，差動保護啟動，而此時Ir為外部故障電流和負荷電流的疊加Ir>>Id，Id＜kIr，制動作用較強保證了外部發(fā)生故障時差動可靠不動作。當內(nèi)部發(fā)生金屬性故障時，在理想狀態(tài)下I˙m和I˙n同向，Id>Idz差動啟動，并且Ir≈Id，因此Id>kIr，差動保護可靠動作。但是，若當內(nèi)部經(jīng)高阻發(fā)生短路故障時，此時負荷電流仍存在并且還比較大，從而使制動量Ir含有故障電流和相當部分的負荷電流使Id＜Ir[3]，此時要使Id>kIr才能使差動保護不會拒動。因此比率制動系數(shù)k就成為決定因素，k值偏大可能會導(dǎo)致差動保護拒動，靈敏性低；偏小又有可能會在外部發(fā)生故障時導(dǎo)致差動保護誤動，可靠性差。

圖2 常規(guī)比率差動保護動作特性Fig.2 Operation characteristic of conventional ratio differential protection

1.2 復(fù)式比率差動保護

其通用判據(jù)為

其中：Idz為差動保護整定值，k為復(fù)式比率制動系數(shù)。其動作特性如圖3所示。

圖3 復(fù)式比率差動保護動作特性Fig.3 Operation characteristic of complex ratio differential protection

和常規(guī)比率差動保護相比其在制動量中引入了差動電流Id。一方面在外部故障時，Ir隨著短路電流的增大而增大，Ir>>Id，（Ir-Id）>>Id能有效地防止差動保護誤動。另一方面在內(nèi)部故障時，由于保護無制動量，即讓制動電流在理論上為零，使差動保護能不帶制動量靈敏動作，這樣既有區(qū)外故障時保護的高可靠性又有區(qū)內(nèi)故障時保護的靈敏性[4]。同樣若當內(nèi)部經(jīng)高阻發(fā)生短路故障時，同常規(guī)比率差動保護相比制動量（Ir-Id）中去除了故障電流，只有負荷電流作為制動量；顯然（Ir-Id）＜Ir，同樣條件下制動量比常規(guī)比率差動要小得多，靈敏性增高。

總之，同常規(guī)比率差動保護相比復(fù)式比率差動保護在保證可靠性高的同時提高了保護的靈敏性，性能比常規(guī)差動保護優(yōu)越；但仍擺脫不了受負荷電流的影響。

1.3 故障分量復(fù)式比率差動保護

其通用判據(jù)為：

其中：Idz為差動保護整定值，k為復(fù)式比率制動系數(shù)，為和電流故障分量。

其動作特性如圖4所示。

圖4 故障分量復(fù)式比率差動動作特性Fig.4 Operation characteristic of fault component complex ratio differential protection

和常規(guī)比率差動保護相比利用故障分量電流構(gòu)成差動保護，其在制動量中消除了負荷電流和過渡電阻的影響，對相間故障有較高的靈敏度；即當發(fā)生內(nèi)部故障時期靈敏性要比復(fù)式比率差動保護高。但是由于故障分量僅在故障發(fā)生后的短時間內(nèi)存在，所以，保護的有效時間短，不能全程投入。另外，由于在正常狀態(tài)幾乎沒有制動性，容易造成差動保護誤動，所以采用低制動系數(shù)的復(fù)式比率差動對其進行閉鎖。

2 各判據(jù)定量分析

利用數(shù)據(jù)仿真來定量分析上述3個判據(jù)的特點，通過比較來分析其優(yōu)越性。故障仿真如圖5所示。 110 kV系統(tǒng)中，電源用集中參數(shù)表示[5]，m側(cè)電源的相角超前n側(cè)電源相角30°；線路用分布參數(shù)表示，其值為：R1=0.118 84 Ω/km，X1=0.381 45 Ω/km，C1=0.009 587 5 μF/km，R0=0.359 76 Ω/km，X0=1.197 22 Ω/km，C0=0.005 429 3 μF/km。

圖5 110 kV系統(tǒng)的ATP仿真模型Fig.5 ATP simulation model of 110 kV system

模擬線路m、n之間發(fā)生單相接地故障，通過改變過渡電阻來對各判據(jù)的性能進行分析。取3個判據(jù)的比率制動系數(shù)k均為0.5，則仿真結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)上面的仿真結(jié)果，對各判據(jù)的優(yōu)缺點進行對比分析。

圖6 經(jīng)10 Ω過渡電阻接地故障各保護動作特性Fig.6 Operation characteristic of the several protection with ground fault of 10 Ω resistance

圖7 經(jīng)50 Ω過渡電阻接地故障各保護動作特性Fig.7 Operation characteristic of the several protection with ground fault of 50 Ω resistance

圖8 經(jīng)100 Ω過渡電阻接地故障各保護動作特性Fig.8 Operation characteristic of the several protection with ground fault of 100 Ω resistance

2.1 抗過渡電阻能力分析

由圖6可看出，當線路經(jīng)過10 Ω的過渡電阻發(fā)生接地故障時，上述差動保護動均能可靠動作，從某種意義上說這3個判據(jù)都具有一定的抗過渡電阻能力。但由圖7可見當所加的過渡電阻增加到50 Ω時，常規(guī)比率差動已經(jīng)拒動；同樣由圖8可知當所加的過渡電阻增加到100 Ω時，復(fù)式比率差動保護也已經(jīng)拒動，而此時故障分量差動保護的動作量遠大于制動量仍能可靠動作。所以，通過分析可知在這3種保護判據(jù)中故障分量比率差動的抗過渡電阻能力最強，復(fù)式比率差動的抗過渡電阻能力次之，常規(guī)比率差動最弱。

2.2 制動性和靈敏度比較分析

由圖6可看出，制動性方面在正常狀態(tài)下常規(guī)比率差動和復(fù)式比率差動的制動性都很強，而故障分量復(fù)式比率差動保護的制動性較差。靈敏度方面，在Id=200 A大約故障發(fā)生70 ms以后故障分量差動保護就可以可靠動作，復(fù)式比率差動保護要在Id=420 A左右80 ms以后便可以動作，常規(guī)比率差動要在Id=1 300 A左右100 ms以后才能動作；三者的靈敏度顯而易見常規(guī)比率差動靈敏度最低，故障分量差動靈敏度最高，復(fù)式比率制動差動比故障分量差動能稍差點[6]。

3 各判據(jù)綜合比較

經(jīng)過上文的一些定性定量分析，對這3種差動保護判據(jù)可做以比較，如表1所示。

表1 三種差動判據(jù)綜合比較Tab.1 Comparison of the there differential protections

4 結(jié) 論

對線路差動保護中常用的3種差動保護判據(jù)特性的分析結(jié)果表明：故障分量復(fù)式比率差動保護在抗過渡電阻和靈敏度方面都有其它判據(jù)無法比擬的優(yōu)越性，應(yīng)改在差動保護中得到廣泛應(yīng)用，但其在外部故障時的制動性較差需要靠低系數(shù)的復(fù)式比率差動閉鎖以防止其誤動。另外復(fù)式比率差動保護在制動性和靈敏度以及抗過渡電阻方面也具有較強的能力，也具有很高的實用價值。

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