基于負(fù)序阻抗加速的配電網(wǎng)統(tǒng)一反時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)

南方電網(wǎng)貴陽(yáng)供電局 王恩偉 王林波 王元峰 楊鳳生 曾惜

1 引言

針對(duì)中性點(diǎn)非有效接地的配電系統(tǒng)，為了解決單相接地故障時(shí)故障電流不明顯的問(wèn)題，部分配電網(wǎng)絡(luò)在檢測(cè)到零序電壓后將中性點(diǎn)串接小電阻，形成小電阻接地系統(tǒng)，以增大故障電流，便于保護(hù)動(dòng)作。此時(shí)，傳統(tǒng)的三段式零序過(guò)流保護(hù)應(yīng)用存在一定困難：城市配電線路通常采用等負(fù)荷或等距離分段，每段配電線路長(zhǎng)只有3～5公里，短線路使得零序電流速斷保護(hù)的整定以及定時(shí)限零序電流保護(hù)的配合越發(fā)困難；定時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)的整定時(shí)間固定，而大多數(shù)被保護(hù)元件允許通過(guò)故障電流的時(shí)間與故障電流成反比關(guān)系；短路點(diǎn)越靠近電源，故障電流越大，允許過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間越短。而反時(shí)限零序電流保護(hù)在一定程度上具有三段式零序電流保護(hù)的功能，并且即使在電網(wǎng)運(yùn)行方式變化較大的情況下，各級(jí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間也能自動(dòng)配合，保證動(dòng)作的選擇性。但目前的反時(shí)限電流保護(hù)通常需要從線路末端開(kāi)始向電源側(cè)逐級(jí)整定，每級(jí)的反時(shí)限常數(shù)受到下一級(jí)保護(hù)限制，每個(gè)保護(hù)安裝處采用不同的時(shí)間常數(shù)來(lái)拉開(kāi)時(shí)間級(jí)差，因而整定非常繁瑣。鑒于此，有必要研究具有統(tǒng)一反時(shí)限特性的過(guò)流保護(hù)。

文獻(xiàn)[1]提出基于低電壓加速的反時(shí)限電流保護(hù)，能夠在滿足保護(hù)選擇性的同時(shí)提高反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)的動(dòng)作速度而無(wú)需改變保護(hù)的整定值，但該方法主要在400V線路上做了仿真應(yīng)用。

文獻(xiàn)[2]借助通信信道將分布式電源支路的故障助增電流數(shù)據(jù)發(fā)送至上級(jí)線路保護(hù)，用于改善保護(hù)間的配合特性，再中引入低電壓加速因子構(gòu)成低電壓加速反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)。

文獻(xiàn)[3]提出基于負(fù)荷阻抗的低阻抗反時(shí)限保護(hù)，有較好的抗過(guò)渡電阻能力；上述兩種方法均針對(duì)分布式有源配電網(wǎng)。

本文分析了小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)配電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)序阻抗分布特性，并在此基礎(chǔ)上提出一種基于通信的負(fù)序阻抗加速統(tǒng)一反時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)方案，PSCAD仿真結(jié)果驗(yàn)證文中所提方法不受故障電阻的影響。

2 配電網(wǎng)分段點(diǎn)負(fù)荷阻抗特性

當(dāng)配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，零序電流從故障點(diǎn)經(jīng)故障線路流至中性點(diǎn)接地電阻，非故障線路以及故障點(diǎn)下游并無(wú)零序電流流過(guò)，因此，圖1只給出了故障回路示意圖。從圖1中可以看出，此時(shí)流過(guò)分段開(kāi)關(guān)1、2、3的零序電流相等，要想在統(tǒng)一反時(shí)限曲線上來(lái)開(kāi)時(shí)間級(jí)差，必須找到能夠反映分段開(kāi)關(guān)在故障路徑上位置的電氣量。

圖1 配電網(wǎng)接地故障示意圖

以圖1發(fā)生單相接地故障為例，用對(duì)稱分量法分析得到的序網(wǎng)圖如圖2所示[4]。

圖2 單相接地故障序網(wǎng)圖

從圖2中所示的負(fù)序網(wǎng)絡(luò)可以看出，各測(cè)量點(diǎn)的負(fù)序電壓與負(fù)序電流成正比，比值即為測(cè)量點(diǎn)到系統(tǒng)側(cè)的負(fù)序阻抗，與過(guò)渡電阻以及中性點(diǎn)接地電阻無(wú)關(guān)。因此可以利用負(fù)序阻抗來(lái)反應(yīng)測(cè)量點(diǎn)到系統(tǒng)的距離。此外，系統(tǒng)高壓側(cè)負(fù)序阻抗以及變壓器負(fù)序阻抗折算到低壓側(cè)值很小，因此，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)位置變化時(shí)，測(cè)量負(fù)序阻抗變化明顯，具有較高的靈敏度。

盡管配電網(wǎng)中可能存在大量的分支線路，但負(fù)荷阻抗通過(guò)負(fù)荷變壓器折算到10kV線路時(shí)，負(fù)荷阻抗變得很大，遠(yuǎn)大于10kV饋線自身的阻抗。因此，接地故障產(chǎn)生的負(fù)序電流絕大部分由故障點(diǎn)經(jīng)故障路徑流向系統(tǒng)側(cè)，故障點(diǎn)下游流過(guò)的負(fù)序電流相對(duì)很??；從而，負(fù)序阻抗測(cè)量值不受健全線路以及分支線路的影響，只反映故障路徑上測(cè)量點(diǎn)到系統(tǒng)側(cè)的距離。

3 基于負(fù)序阻抗的反時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)

反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)的動(dòng)作特性方程為[5]：

式中：t為動(dòng)作時(shí)間；k為時(shí)間常數(shù)；I為故障電流；Iop為啟動(dòng)電流，α為反時(shí)限曲線形狀系數(shù)；β為曲線平移系數(shù)，一般取值為1。

傳統(tǒng)的反時(shí)限動(dòng)作特性方程參數(shù)的選取以感應(yīng)型和晶體管型反時(shí)限繼電器物理載體作為參考，在微機(jī)保護(hù)成熟應(yīng)用的現(xiàn)階段，可以根據(jù)實(shí)際需要提出適合于微機(jī)保護(hù)的時(shí)間——電流動(dòng)作特性曲線[6]。文中將重點(diǎn)分析基于負(fù)序阻抗的統(tǒng)一反時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)整定方案。

針對(duì)等距離分段的輻射型配電網(wǎng)絡(luò)，接地故障零序電流由故障點(diǎn)流回系統(tǒng)側(cè)，故障路徑上分段開(kāi)關(guān)所感知的零序電流基本一致，采用統(tǒng)一反時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)時(shí)所得到的動(dòng)作時(shí)間相同，而現(xiàn)在只需要距離故障點(diǎn)最近的分段開(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作。因此可以引入加速因子對(duì)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行修正，以保證上下級(jí)分段開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間拉開(kāi)極差。

保護(hù)開(kāi)關(guān)上下級(jí)允許拉開(kāi)的最小時(shí)間級(jí)差Δt為保護(hù)窗時(shí)間加斷路器的動(dòng)作時(shí)間，10kV斷路器的一般動(dòng)作時(shí)間為40～70ms，充分考慮一定裕度后取Δt=0.5s。根據(jù)上節(jié)分析，分段開(kāi)關(guān)測(cè)量點(diǎn)的負(fù)序阻抗能反映測(cè)量點(diǎn)到系統(tǒng)側(cè)的距離，可以利用等距離分段的負(fù)序阻抗為時(shí)間級(jí)差修正因子。據(jù)此，提出如下的統(tǒng)一反時(shí)限動(dòng)作特性方程：

式中：N為出線開(kāi)關(guān)統(tǒng)計(jì)的故障分段開(kāi)關(guān)數(shù)量，Zm2為分段開(kāi)關(guān)測(cè)量點(diǎn)負(fù)序阻抗；Zs2為每公里線路所反映的負(fù)序阻抗，為等距離分段的線路長(zhǎng)度。

要得到分段開(kāi)關(guān)處的負(fù)序阻抗，就需要已知該測(cè)量點(diǎn)的負(fù)序電壓和負(fù)序電流，而目前成套裝置大多只能獲取兩個(gè)線電壓、兩相電流以及零序電流。在只有線電壓和的情況下可以使用式(3)獲取負(fù)序電壓

式中a=ej120o。在只有相電流和零序電流的情況下可用式(4)獲取負(fù)序電流：

基于上述分析，結(jié)合通信信道，提出如下統(tǒng)一反時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)：

當(dāng)配電線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線路上處于故障路徑上的分段開(kāi)關(guān)感知到高于啟動(dòng)值的零序電流后，借助通信信道將故障信息上傳至變電站出線開(kāi)關(guān)。

變電站出線開(kāi)關(guān)統(tǒng)計(jì)故障開(kāi)關(guān)數(shù)量N，并將信息反饋給流過(guò)故障零序電流的分段開(kāi)關(guān)。

分段開(kāi)關(guān)再將N和零序電流值帶入公式（2），即可以得到該分段開(kāi)關(guān)的動(dòng)作出口時(shí)間。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型

如圖3所示為PSCAD環(huán)境下搭建的10kV配電網(wǎng)接地仿真模型。線路選用分布式參數(shù)模型，工頻下線路參數(shù)為：正序阻抗Z1=0.26+j0.3768Ω/km；正序?qū)Φ貙?dǎo)納b1=j3.077μs/km；零序阻抗Z0=0.52+ j1.4752Ω/km；零序?qū)Φ貙?dǎo)納b0=j1.4758μs/km。每條線路等效負(fù)荷阻抗統(tǒng)一為ZL=400+j20Ω。四條饋線長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1=10km，L2=8km，L3=8km，L4=12km，帶有測(cè)量裝置的成套配電控制終端FTU1～FTU3將饋線線路L4分為3個(gè)區(qū)段。

圖3 配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1 零序電流與負(fù)序阻抗分布特性

當(dāng)中性點(diǎn)接地電阻為Rg=30Ω，在t=0.202s時(shí)刻，L4線路上F2～F3區(qū)段發(fā)生經(jīng)故障電阻為Rf=10Ω的單相接地故障，圖3給出了系統(tǒng)不同測(cè)量點(diǎn)處的零序電流值。從圖中可以看出，非故障線路以及故障線路故障點(diǎn)下游流過(guò)的零序電流值很??；而流過(guò)故障線路故障點(diǎn)上游F1、F2的零序電流很大，且?guī)缀跸嗤?。因此，通過(guò)測(cè)量零序電流可以反映該處分段開(kāi)關(guān)是否在故障路徑上。

表1給出了中性點(diǎn)接地電阻為30Ω，故障發(fā)生在t=0.2s時(shí)刻的單相接地故障仿真結(jié)果；表2給出了中性點(diǎn)接地電阻為50Ω，故障發(fā)生在t=0.203s時(shí)刻的兩相接地故障仿真結(jié)果；其中故障點(diǎn)都在線路L4的測(cè)量點(diǎn)F3右端。

圖4 不同線路零序電流幅值

從表1和表2中仿真結(jié)果可以看出，盡管零序電流會(huì)隨著故障電阻和中性點(diǎn)接地電阻的變化而發(fā)生顯著變化，但各測(cè)量點(diǎn)的負(fù)序阻抗模值基本不受故障條件的影響，只與測(cè)量點(diǎn)到系統(tǒng)側(cè)的距離有關(guān)。因此，選用負(fù)序阻抗模值作為反時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)的時(shí)間修正因子，可以在故障線路分段開(kāi)關(guān)上形成時(shí)間級(jí)差。

表1 單相接地故障下的仿真結(jié)果

表2 兩相接地故障下的仿真結(jié)果

3.2.2 統(tǒng)一反時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)參數(shù)選取

零序過(guò)流保護(hù)的啟動(dòng)電流Iop按照躲過(guò)不平衡電流的原則整定，其值一般為2～3A，本文取Iop=3A，此時(shí)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作時(shí)間可以整定為滿足斷路器動(dòng)穩(wěn)定的最大動(dòng)作時(shí)間，本文以4s計(jì)算。從圖2中可以推出故障零序電流可以表式為：

式中ZT1、ZS1、ZT2、ZS2分別為變壓器和系統(tǒng)的正序、負(fù)序阻抗。在文中仿真系統(tǒng)中，當(dāng)中性點(diǎn)電阻為30Ω時(shí)，線路故障零序電流最大幅值為60A，此時(shí)對(duì)應(yīng)的斷路器動(dòng)作時(shí)間為最小出口時(shí)間0.1s。

對(duì)于式(1)中的統(tǒng)一反時(shí)限動(dòng)作特性中，參數(shù)β一般設(shè)置為1，α=0.02，代入坐標(biāo)點(diǎn)(60，0.1)，可得式(1)中的其它參數(shù)k=0.0062。

3.3 統(tǒng)一反時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)時(shí)限仿真

從表1、表2中的仿真結(jié)果可以看出，每公里架空線路所反映的負(fù)序阻抗約為1.3987Ω，因而等距離分段每段的負(fù)序阻抗約為5.5948Ω。

表3、表4給出了表1、表2中相應(yīng)故障條件下采用負(fù)序阻抗模值作為反時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)的時(shí)間修正因子后的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)作出口時(shí)間。從仿真結(jié)果可以看出，經(jīng)修正后故障線路分段開(kāi)關(guān)的動(dòng)作保護(hù)出口能形成保護(hù)時(shí)間級(jí)差。

表3 單相接地故障下的動(dòng)作時(shí)限仿真結(jié)果

表4 兩相接地故障下動(dòng)作時(shí)限仿真結(jié)果

4 結(jié)論

提出一種基于配電網(wǎng)負(fù)序阻抗加速的統(tǒng)一反時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)方案，推導(dǎo)了在現(xiàn)有的測(cè)量條件下獲取負(fù)序電流、負(fù)序電壓的方法，所提出的負(fù)序阻抗不受故障電阻的影響，在借助通信信道的情況下能保證上下級(jí)保護(hù)之間的時(shí)間級(jí)差配合。