采用同步變化量的超高壓線路保護啟動判據研究

金超杰，陳曉明，李德利

（1.國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310000；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211100）

輸配電技術

采用同步變化量的超高壓線路保護啟動判據研究

金超杰1，陳曉明2，李德利2

（1.國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310000；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211100）

超高壓線路保護在運行中受負荷波動影響，負荷不對稱的線路在正常運行時，都存在較大零序電流，為防止頻繁啟動不得不提高啟動值，從而降低了啟動元件的靈敏度，導致現有的零序電流判據對經高阻接地的故障無法靈敏判別，不能滿足超高壓線路保護對啟動元件快速性的要求。提出一種采用線電壓、同相間電流同步變化量開放的相間啟動判據和零序電流、相電流同步變化量比較方式的零序啟動判據。通過PSCAD/EMTDC仿真表明，如果使用同步變化量的啟動判據，保護的靈敏度、快速性和可靠性均有一定程度的提高。

高壓輸電線路；保護；啟動元件；變化量

0 引言

隨著電力系統的快速發(fā)展，輸電線路的電壓等級和輸送容量逐步提高，要求微機線路保護裝置能更可靠、靈敏、快速地切除故障。

現有的保護判據一般是按照躲過系統最大負荷波動來整定定值，對于負荷波動較大的線路，往往是提高啟動門檻值，以犧牲靈敏度來達到防止保護裝置頻繁啟動的目的，與超高壓線路啟動元件高靈敏性要求不相符合。

對于單相經高阻接地故障，由于電壓電流變化均較小，常規(guī)的電流變化量無法靈敏判別，并且因為三相系統并非嚴格對稱，如同桿雙回線路中負荷分配不均，造成在正常運行過程中存在零序分量，躲過各種運行工況下最大不平衡電流來進行整定的零序電流啟動不能快速、靈敏地反應故障。

在此提出一種采用線電壓、相間電流同步變化的相間變化量判據及零序電流、相電流同步變化量為基礎的接地啟動判據，該判據在不降低保護快速性的前提下增加了啟動元件的靈敏度和可靠性。

1 同步變化量啟動判據

1.1 新啟動判據的提出

系統故障往往是伴隨著電流的增加和電壓的降低，相間短路時相間電流和線電壓均有較為明顯的變化，同時對于電感性質的電路，故障后電壓變化可以有“階躍”特點，因此采用線電壓、相間電流的同步變化量作為相間故障開放判據，是完全可行的，不會因為有電壓變化量的參與而影響啟動元件的快速性。

針對單相經高阻接地故障時現有零序電流啟動判據存在的不足，提出利用零序電流的變化量與各相電流變化量比較方式的零序同步變化量判據，根據不平衡負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。對于絕緣緩慢破壞的接地故障，零序變化量啟動判據可能會不滿足，在保護判據中輔以固定零序電流啟動門檻，在零序電流突變量小于啟動門檻時開放。

以下重點研究同步變化量啟動判據在相間故障、單相、二相經較大過渡故障接地啟動動作機理，在系統負荷較大波動或純振蕩下閉鎖啟動，同時振蕩過程中發(fā)生故障能可靠開放，并通過在PSCAD/EMTDC建立仿真模型，對其靈敏度、快速性和可靠性進行分析。

1.2 相間同步變化量判據

根據GB 156-2003要求，各電壓等級電壓波動允許值如表1所示。

表1 各電壓等級電壓波動允許值

在實際運行過程中，由于電流互感器以及保護本身采樣誤差的存在，為了保證相間故障時有較高靈敏度，同時為了避免正常情況下頻繁啟動，且考慮較大負荷波動下，或者振蕩時電壓電流波動會引起同步變化量相間啟動元件誤啟動，相間變化量判據為此定義了電壓電流門檻值εu和εi：

式中：εu按照躲過正常情況下最大電壓波動整定；εi按照躲過正常情況下最大電流采樣誤差整定，帶浮動門檻；uφφN為額定線電壓；iφφN為額定相間電流；Δuφφ（t-T）為1個周波前的電壓變化量；Δiφφ（t-T）為1個周波前的電流變化量；α為整定系數。

在電力系統中通常有以下情況：

（1）較大負荷波動時，雖然電流有很大變化但電壓變化不大；

（2）TV（電壓互感器）斷線時，線電壓變化很大，而相間電流變化不大于采樣最大誤差；

（3）當線路上發(fā)生相間故障時，相間電壓的變化量與相間電流的變化量均比較大。

針對以上3種現象，設置了如下啟動方程：

式（2）“與”門滿足后保護啟動，啟動量ΔC和制動量ΔR分別為：

式中：Δuφφ（t）為相間電壓變化量；Δiφφ（t）為相間電流變化量；uφφ（t），iφφ（t）為當前線電壓和相間電流采樣值；uφφ（t-T），iφφ（t-T）為1個周波前線電壓、相間電流采樣值。

為了提高可靠性，本判據設定在連續(xù)3次滿足條件情況下，開放啟動元件。

1.3 零序同步變化量判據

當系統中發(fā)生過渡電阻接地時，由于電流的變化比較小，常規(guī)的電流突變量元件按躲過最大負荷波動整定，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，在輕微故障時需經較長時間才能啟動，不能滿足超高壓線路快速性的要求。同時不對稱負載的合環(huán)運行，會導致常規(guī)啟動元件誤判，甚至保護誤動作。故提出以零序電流變化量與各相電流變化量比較的零序同步變化量判據，只要零序電流有較小突變，而三相電流沒有同時有較大變化即可開放啟動元件。原因如下：

（1）系統中有不平衡線路合環(huán)運行或者發(fā)生振蕩時，往往是三相電流同時變化，零序電流雖然也存在，但是與相電流變化量比較，其量相對較??；

（2）發(fā)生接地故障時，零序電流變化較大，非故障相電流變化較小。

因此，可以采用零序同步變化量啟動判據，用于區(qū)分負荷波動和發(fā)生接地故障。

在負荷穩(wěn)定的情況下，任何1個采樣時刻均滿足如下關系：

式中：ia（t），ib（t），ic（t）為各相當前時刻采樣值；ia（t-T），ib（t-T），ic（t-T）為1個周波前的采樣值；φ為A，B，C各相。

發(fā)生接地故障時，非故障相上電流變化較小而3i0的變化較大，零序同步變化啟動判據方程如下所示：

在動作邏輯中式（6）—（8）為“或”門，并與式（9）構成“與”門，IN為二次額定相電流，β的整定考慮躲過正常運行情況下最大采樣誤差及相鄰平行線路發(fā)生接地時零序互感影響。保護啟動具體判斷邏輯如下：

（1）一旦式（9）條件滿足，連續(xù)判3個點，如果式（6）—（8）中有1個式子始終滿足，保護就開放啟動；

（2）一旦式（9）條件滿足，連續(xù)判3個點，式（6）—（8）始終不滿足，即認為是有不平衡負荷合環(huán)等原因引起負荷波動。

雖然實際三相系統并非嚴格對稱，正常情況下就有一定程度零序分量，然而本判據以變化量為基礎，不受穩(wěn)態(tài)不平衡電流的影響。在負荷變動較大時，通常是三相電流一起變化，即使不平衡引起零序電流變化，而各相電流變化量大于零序電流變化量，保護不會啟動。由于在發(fā)生接地故障時零序電流的變化量大于非故障相電流的變化量，因此零序電流變化量只要大于較小零序電流啟動門檻值，啟動判據就能開放。

在啟動保護判據中為防止絕緣緩慢破壞的接地故障，零序電流變化量判據可能會不滿足，增加固定零序啟動門檻，按躲過各種工況下最大零序電流整定，在不滿足式（9）時開放，與變化量比較零序判據為“或”門。

1.4 同步變化量判據邏輯

在保護裝置判斷出TV斷線或者使用在短線路差動保護中無TV電壓引入時，為防止相間變化量啟動元件無法開放，相間變化量啟動判據需退出，采用常規(guī)電流變化量啟動，按躲過最大負荷變化整定。

同時為防止發(fā)生TV斷線而保護裝置由于TV斷線判斷有延時，未能置“TV斷線”標識，出現相間故障存在因相間變化量啟動元件不開放而拒動的情況，一旦判出電壓變化量大于TV斷線整定門檻值UPTDX，將此變化量值記錄并帶記憶，開放延時略大于TV斷線判斷時間即可，在開放時間內，電流變化大于1.05倍最大采樣誤差即可開放保護動作元件。同步變化量啟動判據總的邏輯見圖1。

圖1 同步變化量啟動元件判據邏輯

2 同步變化量判據仿真分析

2.1 仿真模型

采用PSCAD/EMTDC進行建模仿真，仿真模型等效電路圖如圖2所示。電源內阻為0.168+ j0.138 Ω，線路長度為300 km，線路采用Bergeron模型，每km正序阻抗為0.019 5+j0.28 Ω，零序阻抗為0.1828+j0.86 Ω，正序容抗為235.9 MΩ·m，零序容抗346.2 MΩ·m，線路TA（電流互感器）變比2 500/1。

圖2 系統接線

2.2 相間短路仿真

式（1）中α取0.05，式（9）中β取0.05，之后仿真所取的α與β值均相同。在0.2 s時發(fā)生AB相間短路，50 ms后故障切除，校驗相間變化量啟動判據靈敏度和快速性。

對于常規(guī)的電流變化量啟動元件，一般取額定電流的0.2倍，為進行靈敏度相互比較，用同步變化量判據與0.2倍額定電流的常規(guī)電流變化量判據進行比較，比較結果如圖3所示。

圖3相間故障時同步變化量與常規(guī)電流變化量判據比較

圖3 中Vs1為三相電壓波形，Is為三相電流波形，trip為同步相間變化量啟動標志，trip2為常規(guī)按照0.2倍額定電流整定的電流變化量啟動標志，以下仿真波形中均類似。從仿真波形可以看出，相間故障下同步變化量啟動不會因為增加電壓變化量而降低快速性。

2.3 振蕩時校驗相間同步變化量判據仿真

考慮電力系統振蕩情況下保護不應該啟動，采用在線路兩端加2個不同頻率的電源產生振蕩電流，振蕩周期為0.5 s，同步變化量判據和常規(guī)的電流突變量判據在振蕩模式下啟動情況見圖4。

從圖4可以看出，在系統發(fā)生純振蕩的過程中，按照0.2倍額定電流整定的常規(guī)電流突變量啟動元件會誤開放，而同步變化量啟動元件在系統振蕩中沒有啟動。

圖4 系統振蕩下電流突變和同步變化量判據比較

進一步考慮在振蕩過程中發(fā)生AB相間故障，從圖5中可以看出，在系統振蕩中發(fā)生相間故障時同步變化量啟動元件能夠可靠開放。

圖5 振蕩中發(fā)生相間故障時同步變化量啟動波形

2.4 單相經過渡電阻接地仿真

在0.2 s時線路末端A相經300 Ω過渡電阻接地，仿真波形及啟動判據動作情況如圖6所示。

圖6單相經300 Ω電阻接地

圖6 中trip2為按照0.1倍額定電流整定的常規(guī)零序啟動開放標志，可以看出零序同步變化量trip靈敏度快于常規(guī)零序啟動判據。

2.5 兩相經過渡電阻接地仿真

在系統發(fā)生二相接地故障下校驗零序同步變量判據，模擬系統在0.2 s時線路末端AB二相經300 Ω過渡電阻接地，仿真波形及啟動判據動作情況如圖7所示。從圖6與7中可以看出，不論是單相經過渡電阻接地，還是二相經過渡電阻接地，和常規(guī)的零序啟動值相比，零序同步突變量啟動提高了靈敏度。

圖7 二相經過渡電阻接地

2.6 不平衡負荷時零序變化量判據仿真

在系統不平衡負荷情況下，零序變化量啟動判據不應啟動，模擬系統在0.2 s時有不平衡負荷合環(huán)引起電流波動，波動值A相電流二次0.3 A，B相電流0.2A，C相電流0.2A。

仿真表明，在不平衡負荷合環(huán)影響下，常規(guī)的零序電流啟動元件會誤啟動，而零序同步變化量啟動元件可靠不啟動。

進一步模擬不平衡負荷下發(fā)生經過渡電阻接地。仿真中設置線路BC二相滿負荷運行，A相帶90%負荷，系統在0.2 s時線路末端發(fā)生經300 Ω過渡電阻接地。仿真表明，不對稱負荷穩(wěn)定運行下單相、二相經300 Ω過渡電阻接地，同步變化量啟動元件能可靠動作。

2.7 振蕩時校驗零序同步變化量判據仿真

純振蕩和振蕩中0.2 s單相經300 Ω接地的判據仿真波形見圖8—9?？梢娫谙到y發(fā)生振蕩情況下，零序同步變化量啟動判據可靠不啟動。

2.8 同步變化量啟動判據的優(yōu)點

通過對系統相間故障、單相接地、系統不平衡負荷波動、系統發(fā)生振蕩以及振蕩中發(fā)生故障下的仿真結果可知，同步變化量啟動判據具有以下優(yōu)點：

圖8 純振蕩時零序變化量判據動作行為

圖9 振蕩中0.2 s單相經300 Ω電阻接地

（1）使用同步變化量啟動判據可以避免由于負荷波動或者因為不平衡負荷合環(huán)運行，導致超高壓線路保護啟動元件犧牲靈敏度的問題；

（2）相間變化量判據由于增加了電壓變化量元件作為限制，電流啟動元件可以按照躲過正常采樣下最大誤差整定，和常規(guī)電流變化量元件比較，具有很高的靈敏度。從仿真波形圖3中看出，啟動速度沒有降低；

（3）零序變化量和相電流變化量比較的零序啟動判據不受穩(wěn)態(tài)不平衡電流影響，只反映零序故障分量，因此具有很高的靈敏度；

（4）能區(qū)分系統純振蕩和振蕩中發(fā)生故障2種不同狀況，振蕩時發(fā)生相間故障或單相經過渡電阻接地，均能可靠啟動。

3 結語

針對現有保護啟動判據的不足，提出了同步變化量啟動判據，在PSCAD/EMTDC建立相應的仿真。仿真結果表明，同步變化量啟動元件具有較高的靈敏度，可以反應系統經高阻接地故障、以及在系統振蕩過程中發(fā)生故障時均能啟動，而在系統純振蕩下能可靠不啟動，同時啟動時間快于常規(guī)電流啟動元件，可以為超高壓線路保護提供一種新的啟動判據方法。

[1]朱聲石.高壓電網繼電保護原理與技術[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2]柳煥章，許慶強．高性能三相采樣值啟動元件[J]．電力系統自動化，2005，29（22）:68-73.

[3]郭志紅，程慈源，蘇建軍，等．山東電網部分500 kV線路不平衡電流偏大的原因分析及改善措施[J]．電網技術，2006，30（21）:32-36.

[4]周冠波，李曉華，蔡澤祥，等．同桿多回線不平衡問題分析與對策[J]．電力系統自動化，2010，34（16）:58-63.

[5]賀仁睦，王吉利，可琴，等.實測沖擊負荷分析與建模[J].中國電機工程學報，2010，30（25）:59-65.

[6]戴志輝，王增平.繼電保護可靠性研究綜述[J].電力系統保護與控制，2010，38（15）:161-167.

[7]刑魯華，陳青，付兆遠，等.基于電壓和電流變化量的高壓直流輸電線路保護原理[J].電力系統自動化，2012，36（9）:61-66.

[8]顧丹珍，艾芊，陳陳，等．沖擊負荷實用建模新方法[J]．電力系統自動化，2006，30（20）:10-14.

[9]馮連偉，林添順，陳曦．振蕩中突變量方向元件及啟動元件動作特性的仿真分析[J].電網技術，2007，31（2）: 170-172.

（本文編輯：楊勇）

Research on the Criterion of UHV Line Protection Based on Synchronous Variation

JIN Chaojie1，CHEN Xiaoming2，LI Deli2
（1.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310000，China；2.NR Electric Co.，Ltd.，Nanjing 211100，China）

UHV line protection devices are easily affected by load fluctuation.Lines with asymmetric load carry larger zero-sequence current in normal operation.So the starting value has to be increased to prevent frequent starts.Therefore，sensitivity of starting components is reduced and faults due to high resistance grounding cannot be sensitively determined by existing criterion of zero-sequence current，which fails to meet the requirement of UHV lines on rapidity of starting component.This paper puts forward a new starting algorithm, in which interphase startup criterion is based on phase-to-phase synchronous current variation value with synchronous current variation value abrupt change，zero sequence startup criterion is based on the mutations current synchronous variation value of zero sequence compare with the abrupt change of phase current value.It is proved by PSCAD/EMTDC simulation that starting criterion based on synchronous variation can improve sensitivity，rapidity and reliability of UHV line protection devices.

HV transmission line；protection；starting component；variation

TM773

A

1007-1881（2015）01-0001-05

2014-07-11

金超杰（1982），男，助理工程師，主要研究方向為電氣主設備繼電保護。