基于序分量的多端線路電流差動保護改進算法

秦瑞敏, 夏經德,羅金玉,錢慧芳,袁玉寶,劉歡慶

(西安工程大學 電子信息學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著大規(guī)模聯合電力系統(tǒng)的建立,越來越多的多端線路出現在電網中,傳統(tǒng)距離保護和零序保護難以滿足選擇性和速動性的要求．因此,研究多端線路的安全穩(wěn)定運行具有非常重要的意義[1-3]．

目前,T型或多端輸電線路主要以電流差動保護作為主保護[4-6],因為其特殊性,當發(fā)生區(qū)外故障時,易受電流互感器飽和的影響,有可能使保護誤動[7-8]．文獻[9]提出了基于相對磁鏈積累方差曲線的電流互感器相位偏移式飽和的識別方法;文獻[10]提出了基于數學形態(tài)學的電流互感器飽和識別判據．一般而言,抗CT飽和措施的引入,會引起差動保護速度降低,靈敏度下降．目前國內外識別電流互感器飽和的方法有時差法、諧波制動法、小波檢測法、差分法等,但上述各種方法都有一定的缺點[11-13]．序分量[14-16]的保護算法具有不受負荷電流影響、靈敏度高的特點,并且基于序分量的相關算法保護能夠有效避免三相線路模型中相間耦合[17-18]的影響．

針對差動保護在T型線路或多端線路中存在的上述問題,給出了一種基于縱向阻抗[19-20]改進的多端線路電流差動保護改進算法．該算法利用對稱分量法,并根據T型線路正序故障附加網絡中的電流故障分量與各測量端電流故障分量的關系,選取各端序電流故障分量和作為動作量,三端中任意兩端的最大電壓故障分量之差與其對應的線路串聯正序阻抗比值為制動量,該算法具有區(qū)外故障時較高的可靠性以及區(qū)內故障時一定的靈敏度．經過對多端線路的等效,該算法可以合理的從T型線路擴展到多端線路．EMTP仿真結果表明,該改進算法在原理上不受過渡電阻的影響,并且具有較好的抵御電流互感器飽和的能力,適用于多端輸電線路保護,具有一定的工程實用價值．

1 T型線路差動保護的改進算法

當輸電線路發(fā)生故障時,分為三相不對稱故障和對稱故障．在三相對稱的情況下,不存在負序或零序網絡;在非接地不對稱故障下,不存在零序網絡．運用疊加原理和對稱分量法,將故障后的T型輸電線路分解成故障前網絡和故障后附加正序、負序、零序網絡．綜上所述,本文采用各種故障狀態(tài)下都存在的附加正序網絡作為下文研究的基本網絡．T型線路的區(qū)外、區(qū)內的附加正序網絡如圖1所示．

(a) 外部故障 (b) 內部故障圖 1 m端區(qū)外、區(qū)內故障附加正序網絡圖Fig.1 External or internal fault model of additional positive sequence network diagram

根據文獻[19]中縱向阻抗的引入,在雙端線路故障時,其算法的動作量為兩端正序電流故障分量和,制動量為兩端正序電壓故障分量差與其對應序阻抗的比值,區(qū)內故障時具有較高的靈敏度，區(qū)外故障時具有較高的可靠性,下文根據此算法可推導出該理論在T型及多端線路中的判據．

1.1 區(qū)外故障

如圖1(a)所示,假設當T型線路m端發(fā)生區(qū)外故障時,理想狀態(tài)下T型線路三端正序電流故障分量的和為

(1)

(a) 線路m,n端的電壓故障分量差為

(2)

以故障點的電壓故障分量作為參考,按照故障電壓分布原則,從m端到n端的電壓故障分量隨著故障點的遠離而逐漸減小,呈現一個單調遞減的趨勢,該差值為一個穩(wěn)定的結果．由式(1)和式(2)得

(3)

(b) 由式(2)所示,線路m,p兩端電壓的相量差就是線路m-p段的電壓降,同樣根據式(3)的推導過程得

(4)

(c) 線路n,p端的電壓故障分量差為

(5)

以故障點電壓作為參考電壓,根據電壓分配原則,n,p兩端的正序電壓故障分量差值為一個不穩(wěn)定的結果,容易使保護誤動．

1.2 區(qū)內故障

如圖2(b)故障分量網絡圖所示,假設m-T段線路發(fā)生故障,線路m，n兩端的電壓故障分量差的關系式表示為

(6)

再由式(6)轉化得區(qū)內m-T段線路發(fā)生故障時的判據為

(7)

(8)

同理,當故障發(fā)生在n-T或p-T段內時,同上述m-T段線路發(fā)生故障時分析方法相同,都可推出式(8)形式差動保護的判據,在此并不進行依次推導．

結合1.1和1.2節(jié)的內容,該改進算法在T型線路區(qū)內、區(qū)外故障時的判別式為

(9)

基于單相線路模型的相關算法分析可以不考慮相間耦合,但基于三相線路故障模型保護的分析中,相間耦合的影響是不可避免的．利用相關序分量有效避免了相間耦合對保護算法的影響,因此該算法同樣也適用于三相線路模型中．

2 多端線路差動保護算法的改進

圖 2 多端輸電網絡故障示意圖Fig.2 Diagram of multi-terminal transmission network

相比雙端、T型線路,多端輸電線路只是在線路端數上有所增加,其中T型線路是N=3時總線式線路的特殊情況．

(1) 如圖2所示,當線路中①點區(qū)外故障時,以電壓故障分量幅值最大的一端到離故障點最近節(jié)點這段線路作為轉化后T型線路的一條線路,此時即m1-T1段線路;把離故障點最近節(jié)點與另外一段線路等效成轉化后T型線路的第二條線路,此時即m2-T1段線路;故障點最近節(jié)點與其余一側所有線路等效成轉化后T型線路的第三條線路．

經過以上分析,此差動保護的改進算法完全可以從T型線路推廣到多端總線式線路中,其中動作量為各端正序電流故障分量的相量和,動作量為各端中任意兩端之間的最大正序電壓差與其對應的串聯正序阻抗的比值．因此多端干線式線路差動保護的改進算法表示為

(10)

根據上述內容,提出如下形式的改進電流差動保護動作判據:

Ir-Ires>Iset.

(11)

3 電流互感器飽和性能分析

由于T型或多端線路發(fā)生區(qū)外故障時,靠近故障側的短路電流急劇增大,導致近故障側的電流互感器發(fā)生飽和．隨著飽和程度的增加,不平衡電流也將相應增加,將會導致傳統(tǒng)差動保護狀態(tài)分辨余量減小,甚至誤動．

假設圖1(a)m端區(qū)外故障,使m端電流互感器發(fā)生暫態(tài)飽和．在時域內對m側電流的影響是將電流的頂部消去一部分,該影響可以近似等效為電流互感器暫態(tài)飽和的形式．為了定性分析TA飽和對工頻電流的影響,針對電流在過零點后并不是立即進入飽和,而是需要達到一定數值或者角度才反映出飽和的特性,可將電流過零點到飽和點的相角之差定義為導通角θ,其電流互感器暫態(tài)飽和后的電流波形如圖3所示．

圖 3 電流互感器暫態(tài)飽和后的電流波形Fig.3 The transient saturation current of TA

根據圖3電流波形,可得到電流互感器發(fā)生暫態(tài)飽和后的工頻電流分量為

(12)

因為其基波余弦分量為零,所以其基波分量為

(13)

當電流互感器暫態(tài)飽和度達到180°時,此時電流互感器飽和最嚴重,定性反映為電流因飽和衰減為原來的一半,在此基礎上分析單端電流互感器飽和對該差動保護改進算法的影響．假設各端線路的正序阻抗為Z,到T節(jié)點的線路長度相同,系統(tǒng)阻抗不帶入計算,則電流互感器暫態(tài)飽和前m端電流故障分量為

(14)

當電流互感器暫態(tài)飽和角為180°時,此時動作量和制動量分別為

(15)

(16)

當電流互感器發(fā)生最嚴重飽和的情況下,改進算法中Ir/Ires=1.5,說明該算法至少有1.5倍以上的裕度．因此,通過電流互感器暫態(tài)飽和分析可知,該改進算法在T型線路中具有較強的抗電流互感器暫態(tài)飽和能力,在電流互感器暫態(tài)飽和程度的不斷增加其差動電流的幅值也不斷增加,但是無論電流互感器暫態(tài)飽和程度如何,區(qū)外故障時差動電流的幅值仍然小于Ires的值,避免保護因電流互感器飽和而誤動．

4 仿真分析

4.1 仿真系統(tǒng)及其參數

通過ATP-EMTP建立如圖4所示電壓等級為110 kV的6端輸電線路模型．模型中電源均采用集中參數模型表示,線路均采用分布參數模型表示．圖4中故障位置k1，k2，k3為出口區(qū)外故障點,k4和k5為出口區(qū)內故障點,k6為T3-m4中點處故障點．

圖 4 仿真模型圖Fig.4 Simulation model diagram

(a) 系統(tǒng)參數，Ω：

(b) 線路參數:

正序參數:r1=0.035 Ω/km,l1=0.423 4 mH/km,c1=0.002 7 μF/km;

零序參數:r0=0.309 Ω/km,l0=1.142 6 mH/km,c0=0.001 9 μF/km．

4.2 仿真數據及分析

仿真故障類型有單相接地、兩相短路、兩相短路接地、三相短路和電流互感器飽和,仿真結果為表1～3所示,表4為圖1(a)所示模型通過模擬相關電流值,使電流互感器達到不同飽和度得到的結果.

(1) 表1～3可以看出,在區(qū)內故障時,各端電流故障分量的和明顯大于任意兩端之間最大的電壓故障分量差與該兩端線路的串聯正序阻抗比值;對于區(qū)外故障時,保護的動作量很小,制動量明顯大于動作量,具有較高的可靠性,并且該算法不受過渡電阻的影響．

(2) 由表4可以看出,當發(fā)生區(qū)外金屬性故障時,m側電流互感器發(fā)生飽和,隨著飽和度的增加動作量由72 A逐漸增大到1 319 A,但不會造成保護的誤動,仍有1.46倍的裕度,因此該保護具有較強的抗電流互感器暫態(tài)飽和能力．

表 1 線路單相接地的仿真數據

表 2 線路相間短路以及短路接地的仿真數據

表 3 線路三相短路的仿真數據

表 4 線路a相單相接地故障時m端TA飽和的仿真結果

5 結束語

本文基于縱向阻抗得出了一種多端線路差動保護的改進算法.理論分析和ATP仿真結果表明,改進后的判據對區(qū)內故障時,動作量為各端遠大于制動量,具有較高的靈敏性;區(qū)外故障時,制動量明顯大于動作量具有比較高的可靠性．該算法結構簡單、易于整定、動作靈敏,抗過渡電阻能力強，能夠有效抵御電流互感器飽和的能力,具有一定的工程應用價值．

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