基于沿線電壓降幅值特性輸電線路距離保護方法

林富洪，曾惠敏

(1. 國網(wǎng)福建省電力有限公司 莆田供電公司，福建 莆田　351100；2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司 檢修分公司，福州　350013)

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基于沿線電壓降幅值特性輸電線路距離保護方法

林富洪1，曾惠敏2

(1. 國網(wǎng)福建省電力有限公司 莆田供電公司，福建 莆田351100；2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司 檢修分公司，福州350013)

摘要：基于長線方程實時計算故障點電壓，故障后沿線電壓降落幅值呈現(xiàn)物理分布特性?；诖颂匦?，提出一種輸電線路距離保護新方法。該方法與方向元件配合使用，適用于單相接地故障和相間故障的整個故障過程的I段保護，原理上消除了故障點電壓的影響，具有良好的耐高阻和抗負荷電流影響的能力。PSCAD仿真分析和500 kV線路錄波數(shù)據(jù)測試結果表明，該方法動作性能優(yōu)于傳統(tǒng)距離保護，具有良好現(xiàn)場實用價值。

關鍵詞：輸電線路；故障電壓；單相接地故障；相間故障

輸電線路即使經(jīng)桿塔直接接地，在土壤電阻率較低的地區(qū)過渡電阻也在10 Ω左右，在電阻率較高的地方過渡電阻可達30 Ω，或甚至更高[1-2]。過渡電阻產(chǎn)生的附加阻抗呈阻感性或呈阻容性容易造成阻抗距離保護拒動或超越，保護誤動或拒動，會給電力系統(tǒng)安全運行帶來重大損失，甚至有可能會威脅到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1-6]。文獻[7-11]研究表明，采用分布參數(shù)建模，測量阻抗與故障距離呈雙曲正切函數(shù)關系，雙曲正切函數(shù)特性使得過渡電阻對阻抗距離保護的影響更為嚴重。

本文基于分布參數(shù)模型實時計算故障點電壓。經(jīng)分析，保護區(qū)內(nèi)故障時，保護安裝處到故障點的電壓降落幅值小于保護安裝處到保護整定范圍處的電壓降落幅值；保護區(qū)外故障時，保護安裝處到故障點的電壓降落幅值大于保護安裝處到保護整定范圍處的電壓降落幅值?；诖颂匦?，提出一種輸電線路距離保護新方法。

1基于分布參數(shù)模型線路距離保護原理

1.1基于分布參數(shù)模型單相接地故障推導

φ相接地故障時，φ處相電壓為

(1)

其中，零序電流補償系數(shù)為

(2)

于是，φ相操作電壓為

(3)

1.2基于分布參數(shù)模型相間故障推導

m處φφ相間電壓為

由相間故障復合序網(wǎng)可得故障處電流為[1]

于是，φφ相間操作電壓為

(4)

式中φφ=AB、BC、CA，對應φ=C、A、B。

1.3基于分布參數(shù)模型故障點電壓計算

圖1　單相接地故障電壓電流矢量關系圖

圖2　相間短路故障電壓電流矢量關系圖

由圖1可得，接地故障點電壓計算式為

(5)

由圖2可得，相間故障點電壓計算式為

(6)

1.4基于分布參數(shù)模型輸電線路距離保護判據(jù)

線路故障后沿線電壓降落情況如圖3所示。

圖3　線路故障后沿線電壓降落情況

基于分析可得適用于單相接地和相間故障的輸電線路距離保護判據(jù)分別如下：

(7)

(8)

該距離保護方法適用于單相接地故障和相間故障的整個故障過程的I段保護。當方向元件判別為正方向故障時，若式(7)和式(8)判據(jù)成立，則判斷對應故障點位于保護區(qū)內(nèi)。

2PSCAD/EMTDC仿真分析

以華北電網(wǎng)500 kV線路參數(shù)建立PSCAD /EMTDC測試模型如圖4所示。

圖4　兩端供電系統(tǒng)單相測試模型

m、n兩側(cè)系統(tǒng)參數(shù)和輸電線路正序、零序參數(shù)見文獻[17]。保護整定范lset=0.85×300=255(km)；采樣頻率6 kHz。

圖5(a)、5(b)分別為δ=15°時，距m端120 km處A相經(jīng)25 Ω接地后360個采樣點內(nèi)，120 km處實際接地故障點電壓與計算得到120 km處接地故障點電壓幅值相角比較曲線。圖6(a)、圖6(b)分別為δ=10°時，距m端150 km處BC相經(jīng)65 Ω短路后360個采樣點內(nèi)，150 km處實際相間故障點電壓與計算得到150 km處相間故障點電壓幅值相角比較曲線。

圖5　距m端120 km處A相經(jīng)25 Ω接地時實際故障點電壓與計算得到接地故障點電壓的幅相比較曲線

圖6　距m端150 km處BC相經(jīng)65 Ω短路時實際故障點電壓與計算得到相間故障點電壓的幅相比較曲線

圖5、圖6中分別在故障后第140個、第123個采樣點開始實際故障點電壓與計算得到故障點電壓幅相皆吻合，從而驗證故障點電壓計算方法的正確性。

圖7為δ=5°時，距m端205 km處A相經(jīng)300 Ω接地后180個采樣點內(nèi)沿線電壓降落變化情況。

圖7　距m端205 km處A相經(jīng)300 Ω接地時沿線電壓降落幅值變化曲線

由圖7可知，近保護整定范圍處，無論輕負荷高阻接地還是重負荷高阻接地，沿線電壓降落滿足判據(jù)式(7)，新方法可靠正確動作。

表1給出δ=30°時，距m端不同位置發(fā)生A相經(jīng)500 Ω高電阻接地時的新方法動作情況。表2給出δ=30°時，距m端不同位置發(fā)生BC相間經(jīng)135 Ω電阻短路時的新方法動作情況。

由表1和表2知，無論單相高阻接地還是相間高阻短路，故障點位于保護區(qū)內(nèi)時，m端到故障點的電壓降落幅值小于m端到保護整定范圍處的電壓降落幅值，新方法正確動作；故障點位于保護區(qū)外時，m端到故障點的電壓降落幅值則大于m端到保護整定范圍處的電壓降落幅值，新方法可靠不動作。

表1　不同位置發(fā)生A相經(jīng)500 Ω接地時新方法

表2　不同位置發(fā)生BC相間經(jīng)135 Ω短路時

3現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)測試

福建電網(wǎng)與華東電網(wǎng)的聯(lián)絡線為500 kV寧雙線和500 kV德龍線，其中500 kV德龍線全長256.11 km。采用500 kV德龍線A相高阻接地故障錄波數(shù)據(jù)對本文方法動作性能進行測試。圖8為2011年3月份福建電網(wǎng)500 kV德龍線上距500 kV寧德變95.9 km處(位于南瑞RCS-931裝置II段距離保護區(qū)內(nèi))A相發(fā)生接地短路時500 kV寧德變電站的故障錄波波形。圖9為500 kV德龍線A相高阻接地故障后本文方法測量到的德龍線A相沿線電壓降落幅值的變化曲線。由圖9知，500 kV德龍線A相接地故障后第12個采樣點開始滿足判據(jù)式(1)，保護可靠動作于發(fā)跳閘信號。此次500 kV德龍線A相高阻接地整個故障過程中，現(xiàn)場安裝的南瑞RCS-931裝置距離保護一直拒動。因此，故障錄波數(shù)據(jù)測試表明，本文方法具有良好耐高阻和抗負荷電流影響的能力，動作性能優(yōu)于傳統(tǒng)距離保護。

圖8　500 kV德龍線A相接地故障錄波波形

圖9　500 kV德龍線A相沿線電壓降落幅值變化曲線

4結語

經(jīng)分析，線路故障后沿線電壓降落幅值呈分布特性：保護區(qū)內(nèi)故障時，保護安裝處到故障點的電壓降落幅值小于保護安裝處到保護整定范圍處的電壓降落幅值；保護區(qū)外故障時，保護安裝處到故障點的電壓降落幅值則大于保護安裝處到保護整定范圍處的電壓降落幅值?；诖颂匦?，提出一種輸電線路距離保護新方法。該方法與方向元件配合使用，適用于超/特高壓線路單相接地和相間故障的整個故障過程的I段保護，具有良好耐高阻和抗負荷電流影響的能力。軟件分析和500 kV線路現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)測試驗證了本文方法正確性和實用性。

參考文獻：

[1]國家電網(wǎng)電力調(diào)度通信中心．國家電網(wǎng)公司繼電保護培訓教材(上冊)[M]．北京：中國電力出版社，2012．

[2]國家電網(wǎng)電力調(diào)度通信中心．國家電網(wǎng)公司繼電保護培訓教材(下冊)[M]．北京：中國電力出版社，2012．

[3]User′s Manual of SF-Auto．CSC101 Distance Protection，2005．

[4]EISSA M．Ground distance relay compensation based on fault resistance calculation[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2006，21(4)：1830-1835．

[5]HA Heng-xu，ZHANG Bao-hui．Study on reactance relays for single phase to earth fault on EHV transmission lines[C]．2004 Intematlonal Conference on Power System Technology，Singapore，2004：1-5．

[6]劉家軍， 閆泊， 姚李孝，等．平行雙回線中串補電容對零序電抗型距離保護的影響[J]．電工技術學報，2011，26(7)：264-270，255．

LIU Jia-jun，YAN Bo，YAO Li-xiao，et al．Influence of series compensation capacitor on zero-sequence reactance-type distance protection in parallel double-circuit lines[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26(7)：267-270，255．

[7]XU Z Y，HUANG S F，LI Ran，et al． A distance relay for a 1000-kV UHV transmission line[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2008，23(3)：1-9．

[8]李斌，賀家李，常文華，等．基于貝瑞隆模型的長線路距離保護[J]． 電力系統(tǒng)自動化，2010，34(23)：52-56．

LI Bin，HE Jia-li，CHANG Wen-hua，et al．Bergeron model based distance protection for long transmission line[J]．Automation of Electric Power Systems，2010，34(23)：52-56．

[9]王賓，董新洲，薄志謙，等．零序電抗繼電器在特高壓交流輸電線路上的適用性分析[J]．電力系統(tǒng)自動化，2008，32(4)：46-50．

WANG Bin，DONG Xin-zhou，BO Zhi-qian，et al．Analysis on the zero-sequence reactance relay application in Ultra-high-voltage AC transmission lines[J]．Automation of Electric Power Systems，2008，32(4)：46-50．

[10]張洋，王偉，樊占峰．基于虛擬零序電流的雙回線接地距離保護原理[J]．電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39(21)：55-59．

ZHANG Yang，WANG Wei，F(xiàn)AN Zhan-feng．A novel scheme of ground protection for double circuit line based on virtual zero current[J]．Power System Protection and Control，2011，39(21)：55-59．

[11]夏勇軍，尹項根，胡剛，等．同桿雙回線路繼電保護原理及工程應用[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(3)：98-103．

XIA Yong-jun，YIN Xiang-gen，HU Gang，et al. Principle and engineering application of double-circuit transmission lines protection[J]. Power System Protection and Control，2009，37(3)：98-103．

[12]馬靜，曾惠敏，林富洪．一種基于分布參數(shù)模型的線路相間距離保護方法[J]．電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40(4)：32-36．

MA Jing，ZENG Hui-min，LIN Fu-hong．A phase distance relay principle based on distributed parameter line model[J]．Power System Protection and Control，2012，40(4)：32-36．

(本文編輯：趙艷粉)

Transmission Line Distance Protection Method Based on Line Voltage Reduction Characteristics

LIN Fu-hong1, ZENG Hui-min2

(1. Putian Electric Power Supply Company, Fujian Electric Power Co., Ltd., Putian 351100, China；2. Maintenance Company, Fujian Electric Power Co., Ltd., Fuzhou 3500130, China)

Abstract:The real-time calculation of fault point voltage by the long-distance line equation indicates that the line voltage reduction presents physical distribution characteristics after failures. Thereupon this paper puts forward a new method of transmission line distance protection. This method, used together with direction components, is suitable for the whole-process fault protection with the single-phase grounding fault and interphase fault. In principle, it eliminates the affects of the fault point voltage, and has good resistance to high resistance and load current. PSCAD simulation analysis and 500 kV line wave record data test results show that the preformace of this method is superior to the traditional distance protection and has good practical value.

Key words:transmission line; breakdown voltage; single-phase grounding fault; interphase fault

DOI：10.11973/dlyny201602025

作者簡介：林富洪(1986)，男，碩士，工程師，研究方向為智能電網(wǎng)保護技術。

中圖分類號：TM773

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)02-0258-05

收稿日期：2015-12-15