一起距離保護誤動事例分析以及解決方案

沈 軍, 張洪喜, 王 忠， 趙青春, 張春合, 朱曉彤

(南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇 南京 211102)

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·運行分析·

一起距離保護誤動事例分析以及解決方案

沈 軍, 張洪喜, 王 忠， 趙青春, 張春合, 朱曉彤

(南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇 南京 211102)

作為后備保護，距離保護廣泛用于各電壓等級的線路及元件保護，為確保方向性，距離保護一般采用正序電壓作為極化電壓，但正序極化電壓在系統(tǒng)非全相運行工況下可能無法正確反映故障前電壓。本文介紹了一起單側(cè)電源系統(tǒng)距離保護Ⅰ段在反向故障時誤動的事例，分析了利用正序電壓作為距離保護極化電壓存在的不足，并提出了相應(yīng)的解決方案，最終RTDS實驗結(jié)果驗證了本方案的正確性。

距離保護；誤動；正序電壓；極化電壓；工作電壓；非全相

0 引言

距離保護的優(yōu)點之一是保護范圍明確、不受系統(tǒng)運行方式影響，作為后備保護，廣泛應(yīng)用于各電壓等級的線路保護。距離保護基于本端電氣量構(gòu)成，為確保方向性，距離保護一般采用正序電壓作為極化電壓[1,2]，圓特性距離保護則一般由工作電壓與極化電壓比相構(gòu)成。由于正序極化電壓具備故障前與故障后電壓相位不變的特性，因此以正序電壓作為參考標準的極化電壓具有良好的方向性。但正序極化電壓在某些特殊系統(tǒng)特殊運行工況下會存在不足，不能正確反映故障前系統(tǒng)的電壓。目前距離保護的研究主要集中在快速段保護范圍方面[3-9]，對異常工況下正序極化電壓的研究較少。

本文結(jié)合現(xiàn)場距離保護誤動事例，介紹了正序電壓作為距離保護極化電壓在某些特殊運行工況下存在的缺陷，并提出了相應(yīng)的解決方案，RTDS實驗結(jié)果驗證了本方案的正確性。

1 現(xiàn)場故障概述

圖1為東南亞某國150 kV單端電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)由PLTU-Bayah-CEMINDO3個變電站組成，連接3個變電站的線路均為單回線，其中CEMINDO站為終端站，連接2臺Y-n/△-11變壓器，PLTU站為電源側(cè)，2條線路均配置縱聯(lián)距離保護作為主保護，三段距離保護及過流保護作為后備保護。

圖1 PLTU-Bayah-CEMINDO系統(tǒng)Fig.1 The system of PLTU-Bayah-CEMINDO

2015年11月12日15點41分，PLTU-Bayah線路發(fā)生C相接地故障，故障點在Bayah站出口，PLTU-Bayah線路Bayah側(cè)保護裝置一距離I段正確動作，發(fā)C相跳閘命令，但由于現(xiàn)場接線錯誤，導(dǎo)致該側(cè)A相開關(guān)被誤跳開，而C相開關(guān)未能斷開，故障持續(xù)在線路上，約30 ms后，Bayah-CEMINDO線路Bayah側(cè)保護裝置二距離I段動作，誤跳三相，從而將CEMINDO完全分開。保護裝置一及保護裝置二動作波形分別如圖2和圖3所示。

圖2 保護裝置一動作波形Fig.2 Disturbance waveform of relay 1

圖中：ua,ub,uc分別為A、B、C相電壓;ia,ib,ic為A、B、C相電流; 3i0為零序電流; TrpA、TrpB、TrpC為A、B、C相跳閘命令; 21M.Z1.Op為距離I段動作信號。如圖3所示， 系統(tǒng)側(cè)A相斷開后，保護裝置二經(jīng)短延時動作誤跳閘。

圖3 保護裝置二動作波形Fig.3 Disturbance waveform of relay 2

2 故障分析

2.1 距離保護動作特性

以圓特性距離保護為例，其正方向動作方程如公式(1)所示[10-13]：

(1)

對于短線路，為了提高圓特性距離保護抗過渡電阻的能力，可將正序電壓移相，此時動作方程為式(2)所示：

(2)

帶偏移特性的圓距離保護動作特性如圖4中圓2所示。圖中：Zs為本側(cè)背后系統(tǒng)阻抗；θ為偏移角。由圖可見，帶偏移特性的圓距離保護提高了抗過渡電阻能力[14]。

圖4 圓特性及偏移特性Fig.4 Mho operation characteristic

2.2 故障分析

CEMINDO站接2臺接地負荷變壓器，故障發(fā)生時，負序電流均流往PLTU側(cè)，而零序電流則根據(jù)分配系數(shù)分別流往兩側(cè)，因此Bayah站僅流過零序電流，其三相故障電流同相位。當A相誤跳開后，A相開路，相當于給回路串聯(lián)了阻抗(系統(tǒng)正序阻抗與負序阻抗的并聯(lián)值)[15]，使得系統(tǒng)零序阻抗增大，故障零序電流變小。

Bayah站 保護裝置二θ角整定為30°，CB1開關(guān)A相跳開前，對于保護裝置二，根據(jù)式(2)求得C相電壓的工作電壓與極電壓的關(guān)系如下圖5所示。

圖5 A相開關(guān)斷開前電壓相量Fig.5 Vector diagram before the open of phase A

圖6 A相開關(guān)跳閘后電壓電流相量Fig.6 Vector diagram after the open of phase A

2.3 誤動原因分析

CEMINDO變電站連接Y-n/△-11變壓器，正常情況下其結(jié)構(gòu)圖以及電壓向量如圖7所示[16]。

圖7 三相變壓器Y/△傳變示意圖Fig.7 Y/△ transformer diagram

(3)

由式(3)可得：

(4)

由于變壓器Y側(cè)A相與系統(tǒng)斷開，因此經(jīng)Y/△變壓器傳變后，Y側(cè)A相電壓應(yīng)滿足如下公式：

(5)

圖8 Y/△變壓器電壓向量示意圖Fig.8 Voltage vector diagram of the fault

綜上分析，對于Y/△弱饋系統(tǒng)，在系統(tǒng)側(cè)相鄰線非全相期間發(fā)生反向故障時，由于正序極化電壓不能反映系統(tǒng)實際的正序電壓，因此導(dǎo)致反向故障誤動。

3 新判據(jù)

基于以上分析，在系統(tǒng)側(cè)非全相期間，對于弱饋側(cè)，發(fā)生反向相間故障時，由于故障相間電壓為0，弱饋側(cè)計算的正序電壓與系統(tǒng)實際正序電壓一致，不存在誤判的情況，僅在反向單相故障才存在正序電壓計算偏差的問題。

針對該情況，本文提出非全相及故障相識別判據(jù)，能可靠識別Y/△弱饋系統(tǒng)相鄰線非全相，然后由只與系統(tǒng)連接的健全相電壓計算正序電壓，從而確保裝置計算的正序電壓與系統(tǒng)實際正序電壓一致。

本判據(jù)由非全相狀態(tài)識別判據(jù)以及非全相狀態(tài)正序極化電壓計算組成。非全相狀態(tài)識別判據(jù)用來識別故障發(fā)生時刻系統(tǒng)非全相相別，而非全相狀態(tài)正序極化電壓計算則是排除非全相相別電壓計算得到的正序極化電壓。

非全相狀態(tài)識別判據(jù)(以A相故障為例)。

(1) 3U0<(0.1Un+I0×Z0)。理論上變壓器的Y側(cè)端口電壓3U0=0V，但實際上由于零序電流在線路2上產(chǎn)生了零序壓降，導(dǎo)致裝置測量到一定的零序電壓，其中Z0為正向線路零序阻抗，Un為額定電壓。

(2) Ub>0.7Un，Uc>0.7Un，Ua<0.3Un且Ia>0.06In。高阻的情況下電壓可能大于0.3Un，但是此時測試阻抗不會進入動作特性圓。

(3) 3I0>0.1In。

非全相正序電壓計算包括以下步驟：(1) 健全相相別判斷。根據(jù)非全相狀態(tài)判據(jù)判別出系統(tǒng)側(cè)非全相狀態(tài)后，根據(jù)對應(yīng)相電流條件判斷健全相；電流判斷條件只要大于精工電流即可，取0.05In。單相接地故障時，故障零序電流流入弱饋側(cè)，因此只要該相滿足有流條件即可以判斷該相為健全相，否則為故障相。(2) 正序電壓計算，基于健全相電壓形成正序極化電壓。

非全相狀態(tài)識別判據(jù)可用圖9說明。

圖9 系統(tǒng)非全相及故障相識別邏輯Fig.9 System open pole and faulty phase detection logic

對于保護裝置二，以本次故障為例，根據(jù)以上判據(jù)，B相電壓將作為健全相電壓計算正序極化電壓，從而可得工作電壓與正序極化電壓的相量關(guān)系如圖10所示。

圖10 采用B相電壓為極化量的動作示意圖Fig.10 Voltage vector diagram based on the polarizing voltage formed by the voltage of phase B

4 RTDS測試

本文討論的正序極化電壓相位偏移所帶來的問題與電壓等級無關(guān)，類似拓撲結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)均可能存在該問題。為驗證方案正確性，采用圖11所示單端電源系統(tǒng)為仿真模型，測試改進后的正序極化電壓判據(jù)對距離保護的有效性。

圖11 RTDS測試系統(tǒng)Fig.11 System module for RTDS test

系統(tǒng)電壓等級為220kV，M側(cè)電源正序阻抗為8∠78°Ω,零序阻抗為10∠72°Ω，線路1全長50kM，線路2全長25kM。線路正序阻抗0.28∠85°Ω/kM, 零序阻抗0.8637∠76°Ω/kM。距離保護Ⅰ段保護定值范圍整定為各自線路全長的80%，無延時，距離保護Ⅰ段偏移角整定為30°。

實驗?zāi)M了線路1單相非全相情況下，發(fā)生在線路1及線路2的各種類型故障，故障類型及距離保護測試結(jié)果如表1。

除上述故障類型外，同時還仿真了各種常規(guī)類型故障，測試結(jié)果滿足區(qū)內(nèi)故障動作、區(qū)外故障不動的要求。仿真結(jié)果表明，本文提出的正序極化電壓計算方法能避免Y/△弱饋系統(tǒng)在非全相期間反向故障時，正序極化電壓偏移導(dǎo)致距離保護可能誤動的問題。

5 結(jié)語

本文分析了一起反向故障距離保護誤動的事例，指出Y/△弱饋系統(tǒng)非全相再發(fā)生故障時，位于故障點與弱饋側(cè)之間的距離保護采用正序電壓作為極化電壓存在的不足，可能導(dǎo)致反向故障距離保護誤動。本文提出了Y/△弱饋系統(tǒng)識別系統(tǒng)側(cè)且非本線路非全相的判據(jù)，提出僅基于健全相電壓計算正序電壓的方法，解決了Y/△弱饋系統(tǒng)，距離保護因無法識別系統(tǒng)非全相，導(dǎo)致計算到的正序極化電壓與與實際系統(tǒng)正序極化電壓偏差較大的情況，避免了在系統(tǒng)非全相運行發(fā)生健全相反向故障時距離保護可能誤動的情況，RTDS實驗驗證了該方法的可靠性。本文提出的判據(jù)不但可以用于距離保護，還可以用于其他以正序電壓作為極化電壓的方向元件，包括相過流方向元件等。

表1 正序極化電壓修改前后距離保護的測試結(jié)果比較Table 1 Test data comparison of distance relay with the original positive sequence polarizing voltage and updated positive sequence polarizing voltage

線路1非全相相別故障地點故障相別過渡電阻/Ω修改前測試結(jié)果修改后測試結(jié)果AF1F2BGCGBCBGCGBC0誤動不動100不動不動0誤動不動100不動不動0不動不動0動作動作0動作動作0動作動作BF1F2AGCGACAGCGAC0誤動不動100不動不動0誤動不動100不動不動0不動不動0動作動作0動作動作0動作動作CF1F2AGBGABAGBGAB0誤動不動100不動不動0誤動不動100不動不動0不動不動0動作動作0動作動作0動作動作

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沈 軍

沈 軍(1975 —)，男，江蘇南通人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護及控制系統(tǒng)研究工作；

張洪喜(1983 —)，男，河南魯山人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護及控制系統(tǒng)研究工作；

王 忠(1969 —)，男，江蘇丹陽人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護及控制系統(tǒng)研究工作；

趙青春(1980 —)，男，湖北武漢人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護及控制系統(tǒng)研究工作；

張春合(1974 —)，男，遼寧錦州人，研究員高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護及控制系統(tǒng)研究工作；

朱曉彤(1976 —)，男，江蘇武進人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護及控制系統(tǒng)研究工作。

(編輯 劉曉燕)

Analysis and Solution of a Distance Protection Mal-operation Case

SHEN Jun, ZHANG Hongxi, WANG Zhong, ZHAO Qinchun, ZHANG Chunhe, ZHU Xiaotong

(NR Electric Co. Ltd，Nanjing，211102, China)

As a backup protection, distance protection is widely used as line and component protection for each voltage level. In order to ensure the direction, positive sequence voltage is used as the polarization voltage for distance protection. However, the positive sequence polarization voltage may not reflect the pre-fault voltage correetly when the system is in open-phase operating conditions. This paper introduced a mal-operation case of distance protection for a reverse fault, analyzed the disadvantages of using positive sequence polarization voltage, and proposed corresponding solutions. Finally, experiment results of RTDS validate the correctness of the scheme.

distance protection； mal-operation； positive voltage； polarization voltage； operation voltage； open phase

2017-01-08；

2017-03-02

TM73

B

2096-3203(2017)03-0100-05