CVT 暫態(tài)引起距離保護(hù)超越的研究

湯馥源，宋仲康，楊芬娜，楊義強(qiáng)

(武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢430070)

電容式電壓互感器(CVT)絕緣可靠性高，價格低廉，不易發(fā)生鐵磁諧振，因此被廣泛應(yīng)用于110 kV 及以上電壓等級的輸電線路中，作為電壓電能的測量元件，為繼電保護(hù)裝置提供可靠的電壓信號［1-2］。CVT 中的分壓電容可以降低高壓輸電線路的電壓等級，起到一定的隔離作用，但由于其為儲能元件，一次電壓突變時，二次側(cè)的測量電壓會含有暫態(tài)誤差，可能對保護(hù)造成影響［3］。通過故障錄波和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CVT 暫態(tài)過程引起的測量誤差會造成距離保護(hù)的暫態(tài)超越［4］，在正向區(qū)外和反方向出口發(fā)生故障時，保護(hù)可能會誤動［5-6］。目前已經(jīng)有很多CVT 暫態(tài)對距離保護(hù)影響的相關(guān)研究，但都是基于距離保護(hù)基本原理進(jìn)行分析的，沒有對保護(hù)裝置中廣泛使用的復(fù)合距離保護(hù)方案進(jìn)行分析和提出解決辦法，也沒有定量分析距離保護(hù)超越的具體原因。

筆者利用EMTDC/PSCAD 和Matlab 作為仿真工具，對上述問題進(jìn)行了分析，提出了具體改進(jìn)方法，并驗(yàn)證了其有效性，解決了CVT 暫態(tài)引起的距離保護(hù)超越問題。

1 CVT 的等值模型和暫態(tài)誤差

CVT 主要由分壓電容、中間變壓器、阻尼器和補(bǔ)償電抗器等部分組成［7-8］，CVT 等值電路模型如圖1 所示。其中U、Ce分別為等效電源電壓和等效電容，Rm、Lm分別為中壓變壓器勵磁支路等效電阻和電感，Rb、Lb分別為負(fù)載的等效電阻和電感，L1、R1分別為中壓變壓器一次繞組的漏感和補(bǔ)償電抗器的等效電感和電阻，rf、Lf分別為諧振電抗器的電阻和電感，Cf為諧振電容，Rf為阻尼電阻。勵磁支路的等效電感Lm和電阻Rm值很大，可以等效為開路并在仿真中忽略［9］。

圖1 CVT 等效電路圖

文獻(xiàn)［10］推導(dǎo)出CVT 的暫態(tài)誤差為：

由式(1)可知，暫態(tài)誤差受短路電壓角度和電壓變化量ΔU影響。短路電壓角度不同時的CVT 暫態(tài)特性如圖2 所示，在短路電壓相角為0°時，CVT 暫態(tài)的持續(xù)時間最長，對系統(tǒng)的影響最大，因此以下分析都基于短路相角為0°時保護(hù)發(fā)生故障的情況。

圖2 初始故障相角對CVT 暫態(tài)的影響

2 距離保護(hù)算法

2.1 傳統(tǒng)傅氏算法

線路保護(hù)裝置目前一般使用全波、半波傅氏算法作為采樣算法，利用傅氏算法可以求出基波的幅值和相角，進(jìn)而求出所需其他電氣量，構(gòu)成不同原理的保護(hù)［11］，傅氏算法本身具有濾波作用，可以消除非周期分量和高次諧波分量對保護(hù)裝置采樣的影響。

(1)全波傅氏算法：

(2)半波傅氏算法：式中：N為基波信號一周期的采樣點(diǎn)數(shù);x(k)為第k次的采樣值。

2.2 改進(jìn)半波傅氏算法

半波傅氏算法采樣時間短，可以加速保護(hù)動作，一般用于切除出口故障和對反應(yīng)速度要求較高的情況，CVT 暫態(tài)引起的超越，主要出現(xiàn)在正反方向出口故障，此時要求保護(hù)裝置快速識別故障，使用半波傅氏算法效果優(yōu)于全波，可縮短保護(hù)動作時間，但半波傅氏算法濾波能力相對較弱，CVT 暫態(tài)過程含有衰減直流分量，使得半波傅氏算法可能無法正確反映故障電壓變化。文獻(xiàn)［12-13］提出了一種改進(jìn)半波傅氏算法，使用半個周期外加兩個采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)窗長，通過解方程組，求出衰減直流分量的值，從而消除衰減直流分量。圖3 是分別采用半波、改進(jìn)半波和全波傅氏算法時CVT 的暫態(tài)電壓幅值。

使用改進(jìn)半波傅氏算法，可以減少CVT 暫態(tài)中衰減直流分量對傅氏算法的影響，其暫態(tài)峰值和傳統(tǒng)半波傅氏算法基本同時出現(xiàn)，但是峰值電壓幅值遠(yuǎn)小于半波傅氏算法，也稍小于全波傅氏算法，總體效果優(yōu)于傳統(tǒng)全波傅氏和半波傅氏算法，并可得出以下結(jié)論：

(1)CVT 暫態(tài)時采用半波傅氏算法，測量電壓幅值會發(fā)生短時畸變，峰值電壓達(dá)到幅值的20%，持續(xù)時間為34 ms，與一次側(cè)實(shí)際電壓相差較大，保護(hù)有可能因此發(fā)生誤動。

(2)采用全波傅氏算法時，暫態(tài)持續(xù)時間較長，達(dá)到49 ms，峰值約為幅值的10%，反應(yīng)速度慢于半波和改進(jìn)半波算法。

(3)采用改進(jìn)半波傅氏算法可以減少暫態(tài)持續(xù)時間，且電壓超越峰值最小，同時其峰值出現(xiàn)時間早于全波傅氏算法17 ms，這在保護(hù)中是非常重要的，可利用該特性消除保護(hù)誤動，且利于保護(hù)快速動作。

圖3 不同傅氏算法下的CVT 暫態(tài)電壓幅值

3 CVT 暫態(tài)引起距離保護(hù)超越的原因

3.1 主要距離保護(hù)方法

目前我國保護(hù)裝置主要采用以下兩種距離保護(hù)方法，第一種為采用比相式歐姆繼電器配合低壓距離繼電器，通過工作電壓Uop和極化電壓Up比相作動作方程。

接地距離繼電器的工作電壓為：

相間距離繼電器的工作電壓為：

式中：U為繼電器測量電壓;I為測量電流;Zset為整定阻抗;φ =a，b，c;φφ =ab，bc，ca。使用正序電壓U1作為極化電壓。當(dāng)發(fā)生區(qū)外和反方向非三相故障時，Uop與U同向，區(qū)內(nèi)故障為反向，以防止保護(hù)誤動;但當(dāng)發(fā)生反方向出口三相故障時，三相電壓降為0，使得U1接近于0，保護(hù)會失去方向性而發(fā)生誤動，因此配合使用低壓距離繼電器，當(dāng)U1幅值低于啟動門檻電壓10%UN(UN為額定電壓)則進(jìn)入啟動范圍，使用兩個周波前的記憶電壓替代極化電壓Up，從而保證距離保護(hù)不會誤動。

第二種方法是采用多邊形特性阻抗元件和小矩形動作區(qū)構(gòu)成復(fù)合動作區(qū)。其中整定電阻Rset可以使保護(hù)兼顧耐受過渡電阻和躲負(fù)荷的能力［14］，調(diào)整多邊形頂邊的下傾角度α 可提高躲避區(qū)外故障的能力，反方向整定阻抗Zset2的設(shè)定可調(diào)整其在反方向動作區(qū)的特性。為防止出口故障時距離保護(hù)因失去方向性誤動，使用小矩形動作區(qū)作復(fù)合判據(jù)，當(dāng)測量阻抗Zm落入動作區(qū)域，啟動記憶電壓判別方向，使距離保護(hù)不會誤動。

3.2 建模與仿真

仿真使用220 kV 輸電線路模型，線路全長100 km，利用EMTDC/PSCAD 進(jìn)行仿真，主要參數(shù)為R=0.035 7 Ω/km，XL=0.507 4 Ω/km，R0=0.303 1 Ω/km，XL0=1.367 0 Ω/km ，XC1=4.50 ×10-6S/km，XC0=2.32 ×10-6S/km。系統(tǒng)阻抗參數(shù)為Z0=j14.917 Ω，Z1=j20.254 Ω。仿真數(shù)據(jù)在Matlab 中進(jìn)行分析計算，仿真系統(tǒng)模型如圖4所示，其中MN側(cè)相角差為0°，距離保護(hù)的整定值Zset=0.8Zl，故障類型為0.2 s 時M側(cè)反方向出口和正方向出口分別發(fā)生三相短路故障。為了便于仿真，假設(shè)測量電流值為準(zhǔn)確值，若保護(hù)進(jìn)入動作區(qū)大于等于5 ms，則保護(hù)啟動，分別采用帶極化電壓的比相式歐姆繼電器配合低壓距離繼電器，四邊形阻抗繼電器配合小矩形低壓保護(hù)區(qū)的不同保護(hù)方案。

圖4 仿真系統(tǒng)模型

3.3 仿真結(jié)果分析

圖5 和圖6 為保護(hù)出口處發(fā)生三相故障時，采用比相式歐姆繼電器的保護(hù)動作特性圖，圖7 為采用多邊形特性的阻抗軌跡圖。由圖5 ～圖7 可知CVT 暫態(tài)引起距離保護(hù)超越的主要原因如下：

(1)在反向出口三相短路故障時，采用半波傅氏算法，正序電壓U1在故障后10 ms 落入低壓距離繼電器動作范圍10%UN，此時保護(hù)不動作。在13 ～23 ms 時，U1幅值超越低壓距離繼電器保護(hù)范圍，同時動作角落入動作區(qū)，此時保護(hù)發(fā)生誤動。采用全波傅氏算法，22 ～26.5 ms 時，保護(hù)也會發(fā)生暫態(tài)超越，雖然小于保護(hù)啟動時間設(shè)定值5 ms，但是在極端條件下也可能會發(fā)生誤動。采用多邊形特性半波傅氏算法時，保護(hù)超越小矩形動作區(qū)10 ms，此時阻抗軌跡落入多邊形動作區(qū)，保護(hù)出現(xiàn)誤動。采用全波傅氏算法時也會發(fā)生持續(xù)7 ms 的超越，保護(hù)也會出現(xiàn)誤動。

圖5 半波傅氏算法出口故障時保護(hù)動作特性圖

圖6 全波傅氏算法出口故障時保護(hù)動作特性圖

圖7 多邊形阻抗特性圖

(2)正向出口三相短路故障時，在比相歐姆繼電器Zk=0 的理想條件下，正序電壓U1波形與反方向出口故障時相同。由圖5 ～圖7 可知，采用半波傅氏算法時，故障后7 ～11 ms 保護(hù)進(jìn)入動作區(qū)域，但持續(xù)時間小于5 ms，沒有達(dá)到動作條件，保護(hù)不動作;10 ～13 ms 時，U1＜10%UN，時間為3 ms，保護(hù)不動作;此后離開門檻值10%UN范圍，直到故障后23 ms，重新進(jìn)入門檻范圍，保護(hù)才會動作。在此情況下，受CVT 暫態(tài)影響，保護(hù)動作較慢，使用全波傅氏算法時，故障后9 ms進(jìn)入動作區(qū)，保護(hù)可靠動作。使用多邊形特性，采用兩種算法的阻抗軌跡在故障后7 ms 先進(jìn)入動作區(qū)域，14 ms 后進(jìn)入小矩形動作區(qū)，保護(hù)可靠動作。

3.4 防止距離保護(hù)超越的方法

受CVT 暫態(tài)影響，反向出口故障時，兩種保護(hù)方法都出現(xiàn)了暫態(tài)超越。正向出口故障，半波傅氏算法動作較慢，使用比相歐姆繼電器時故障后20 ms 才能動作，嚴(yán)重影響了保護(hù)的速動性，而全波傅氏算法基本不會發(fā)生超越，動作特性可靠。保護(hù)不誤動主要依靠低壓距離繼電器和小矩形動作區(qū)，超越主要由電壓中的衰減直流分量引起，因此提出以下方法解決暫態(tài)超越問題：

(1)提高低壓距離繼電器啟動門檻電壓至20%UN或擴(kuò)大小矩形動作區(qū)范圍來減少CVT 暫態(tài)引起的保護(hù)超越。

(2)采用改進(jìn)半波傅氏算法，消除采樣中的衰減直流分量，使保護(hù)可靠動作。

3.5 效果分析

圖8和圖9分別為采用改進(jìn)半波傅氏算法出口故障時保護(hù)動作特性和阻抗特性圖。由圖8可知，在反方向故障發(fā)生后6 ms 保護(hù)進(jìn)入低壓距離繼電器動作區(qū)，由于消除了衰減直流分量，暫態(tài)時正序電壓幅值低于10%UN，不存在誤動可能，保護(hù)快速可靠動作。正方向故障后5.25 ms 保護(hù)進(jìn)入動作區(qū)，保護(hù)可靠動作，同時動作明顯快于傳統(tǒng)算法;使用多邊形特性，正反方向出口故障都不會引起保護(hù)的超越，動作特性可靠。

提高門檻電壓和擴(kuò)大小矩形動作區(qū)，可以縮小暫態(tài)超越的范圍，可作為輔助手段配合半波傅氏算法或其他算法使用，使得保護(hù)在反方向可靠動作。表1 為采用不同保護(hù)方案的動作特性，采用改進(jìn)傅氏算法配合提高門檻值或擴(kuò)大小矩形動作區(qū)范圍的方案時保護(hù)動作時間最短且動作特性可靠。

圖8 采用改進(jìn)半波傅氏算法出口故障時保護(hù)動作特性圖

圖9 改進(jìn)半波傅氏算法多邊形阻抗特性圖

表1 不同保護(hù)方案的動作特性

4 結(jié)論

筆者采用PSCAD/EMTDC 建立了220 kV 輸電線路模型和CVT 等效模型，分析了輸電線路發(fā)生故障時CVT 暫態(tài)對距離保護(hù)的影響，結(jié)果表明：

(1)CVT 暫態(tài)可以引起兩種常用距離保護(hù)方案發(fā)生超越，其主要原因是反方向故障時，測量數(shù)據(jù)暫時超越設(shè)定門檻值，保護(hù)邏輯誤判，引起距離保護(hù)誤動，同時保護(hù)算法數(shù)據(jù)窗長度的不同使得測量精度和靈敏度不能兼顧，可能使保護(hù)延遲動作甚至誤動。

(2)筆者采用改進(jìn)半波傅氏算法配合提高低壓距離繼電器門檻值和擴(kuò)大小矩形動作區(qū)的復(fù)合方法，可以消除CVT 暫態(tài)引起的保護(hù)超越，動作時間短，反應(yīng)速度快，兼顧可靠性和速動性，保護(hù)效果明顯提高。

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