基于反時限特性的小電流接地故障保護(hù)設(shè)計

卓夢飛 王敬華 張海臺 趙彥 趙衛(wèi)斌 韓宇

摘 要：為了更好解決小電流接地故障保護(hù)選擇性問題，提出了一種基于反時限特性的小電流接地故障保護(hù)方案。本文首先分析了小電流接地故障穩(wěn)態(tài)零序電流特征，利用故障點到母線區(qū)段對地電容電流與線路長度成正比這一特點，設(shè)計保護(hù)動作時間方程，經(jīng)過ROUND函數(shù)取舍等一系列處理后得到開關(guān)的動作時間，滿足開關(guān)上下級時間級差的配合，且適用于不同長度的線路。通過ATP仿真驗證了此方案的可行性，滿足了選擇性和速動性的要求。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)態(tài)特征；階梯反時限；時間級差；ATP仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.102

0 引言

在我國小電流接地系統(tǒng)中，單相接地故障約占80%，對供電質(zhì)量的影響較大。線路發(fā)生小電流接地故障后，根據(jù)現(xiàn)有規(guī)定可帶故障運(yùn)行1～2小時，但運(yùn)行時間過長會引起相間短路故障和觸電事故，危害嚴(yán)重。故快速、有選擇性地隔離故障區(qū)域，對縮小停電面積、提高供電可靠性具有很大意義[1]。

文獻(xiàn)3提出了一種重合器與電壓—電流配合的保護(hù)方法，會造成線路短時全面停電的問題，降低了供電可靠性。文獻(xiàn)4利用零序電流波形相似確定出故障區(qū)域，然后借助配電自動化快速隔離故障區(qū)域，此方法依賴于通信。文獻(xiàn)5根據(jù)故障線路暫態(tài)零序電流或無功功率方向與非故障線路相反的特點，提出了檢測暫態(tài)零序電流或無功功率方向的暫態(tài)方向保護(hù)方法，但是需要在特定的頻段內(nèi)測量零序電壓和零序電流兩個暫態(tài)量。

因此，本文提出了基于反時限的小電流接地故障保護(hù)設(shè)計方法，在線路中發(fā)生單相接地故障，根據(jù)測得故障電流的大小，代入事先整定的動作時間方程，經(jīng)過取舍、計算處理后使開關(guān)在規(guī)定的時間切除故障，滿足了開關(guān)上下級時間級差的完美配合[6]。解決了定時限保護(hù)中開關(guān)誤動不可靠、配電自動化依賴通信等問題。此方法更為靈活可靠，提高了供電可靠性。

1 穩(wěn)態(tài)零序電流特性分析

如圖1所示故障零模等效網(wǎng)絡(luò)圖，其中C01～C0m為健全線路對地的等效電容，Ck1、Ck2為故障線路對地等效電容，uk0為發(fā)生小電流單相接地故障時在故障點處產(chǎn)生的虛擬電壓[7]，故障點虛擬電壓產(chǎn)生的零序電流ik為[8]：

（1）

式中i0B為A、B區(qū)段的零序電流，即故障點上游零序電流，方向由故障點流向母線，i0C為故障點右側(cè)所有正常線路的零序電流之和，即故障點下游零序電流，方向由故障點流向末端。

又有：

（2）

式中i0A為母線右側(cè)所有非故障線路的零序電流之和，方向和i01方向同，，i0m為非故障相對地電容電流，，ick1為AB段對地電容電流。

公式（2）代入公式（1）中整理后得到故障點到母線區(qū)段對地電容電流ick1為：

（3）

在實際的線路中，對地分布容抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線路電阻與感抗，故忽略線路電阻與感抗產(chǎn)生的電壓降。實際運(yùn)行的線路中，線路參數(shù)是一定的，每公里等效的對地電容是一定的，故障點到母線區(qū)段的對地電容電流ick1的大小即為每公里對地電容電流的疊加。故障點離母線越近ick越小，反之越大。利用此特性提出基于反時限特性的小電流接地故障保護(hù)設(shè)計方案原理。

2 基于傳統(tǒng)反時限特性小電流接地保護(hù)設(shè)計方案

在傳統(tǒng)反時限中，故障電流和啟動電流的比值在1～4時，曲線的斜率大，相應(yīng)的時間級差就大；故障電流和啟動電流的比值大于4時，曲線的斜率小，相應(yīng)時間級差就小[9-10]。相同時間系數(shù)的反時限曲線不能滿足開關(guān)上下級時間級差配合。若使曲線具有反時限特性且滿足時間級差，需要重新計算動作方程。當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障，測得的故障電流大小為ik，先代入（3）中求得故障點到母線區(qū)段對地電容電流ick1，然后再代入（4）的動作方程，求得時間：

（4）

式中為時間系數(shù)，根據(jù)線路的長短不同改變值的大小。

根據(jù)式（4）計算的時間，用ROUND函數(shù)進(jìn)行處理，得到系統(tǒng)的保護(hù)動作時間：

（5）

當(dāng)線路發(fā)生接地故障，如果線路上過流保護(hù)時間整定為，線路每相差1km，保護(hù)的動作時間就會相差0.1s左右，一般線路中開關(guān)上下級之間的時間級差Δt選為0.2s。根據(jù)計算的動作時間需做進(jìn)一步的處理。如果計算的階梯反時限的時間為偶數(shù)，則此偶數(shù)減去0.1，使開關(guān)動作時間滿足上下級時間級差Δt=0.2s，則最終開關(guān)動作時間為：

（6）

經(jīng)過這一系列的運(yùn)算，無論線路上哪一位置處發(fā)生單相接地故障，都會在滿足時間級差的情況下使開關(guān)動作跳閘。不影響開關(guān)的上下級配合，當(dāng)線路的長度發(fā)生變化，改變k值即可。這一方法避免了定時限電流速斷保護(hù)中開關(guān)誤動或拒動現(xiàn)象；解決了線路長度的變化導(dǎo)致定時限電流速斷保護(hù)上下級之間發(fā)生不配合，而需要重新設(shè)定時間定值這一缺點；也避免了在傳統(tǒng)反時限為了滿足上下級之間的時間級差需要計算不同的時間常數(shù)。

3 仿真驗證

利用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP進(jìn)行仿真驗證。仿真模型如圖2所示，線路參數(shù)設(shè)置如下：模型有4條輸電線路L1、L2、L3、L4，線路長度分別為4km、6km、13km、10km。電纜線路參數(shù)：正序電阻參數(shù)R+為0.08Ω/km。零序電阻參數(shù)R0為0.80Ω/km。正序電感參數(shù)L+為0.086mH/km。零序電感參數(shù)L0為0.30mH/km。正序電容參數(shù)C+為142.86F/km。零序電容參數(shù)C0為147.58F/km。線路負(fù)荷參數(shù)相同。

第一次仿真故障發(fā)生在L2上，S1～S5為線路安裝的保護(hù)，k1、k2、k3分別為線路的故障點位置，發(fā)生單相接地故障時接地電阻為1Ω。

在第一次仿真的10km線路中，根據(jù)線路的參數(shù)和長度，方程（4）中。經(jīng)過式（5）和式（6）整理后得開關(guān)最終動作時間，如圖3所示。

設(shè)置不同的故障點位置，其中k1故障點距離母線1.2km，k2故障點距離母線7km，k3故障點距離母線9.5km。故障發(fā)生時刻為0.01s，計算保護(hù)的動作時間如下表1所示。

在第二次仿真中，L4=6km，這時k=-15代入方程（4）中。線路發(fā)生單相接地故障時，其中k1故障點距離母線1km，k2故障點距離母線2.6km，k3故障點距離母線5.7km。故障發(fā)生時刻0.1s，計算保護(hù)的動作時間如表2所示。

從仿真結(jié)果來看，對于上下相鄰的兩個保護(hù)來說，如表1中保護(hù)4和保護(hù)5，動作時間分別為0.1s和0.3s，對于表2的各個保護(hù)來說，時間級差都為0.2s，滿足實際運(yùn)行的需要，開關(guān)不會越級動作，穩(wěn)定可靠。在不同長度的線路中，上述仿真的10km線路和6km線路，K值的不同就滿足了不同長度線路的需要，應(yīng)用廣泛。

4 結(jié)論

本文利用故障點到母線區(qū)段對地電容電流這一故障分量特點，提出了基于反時限特性的小電流接地保護(hù)設(shè)計方案，該保護(hù)使得開關(guān)在滿足時間級差的情況下動作，且不依賴通信、不受線路長度約束。同時，此方案克服了定時限過流保護(hù)誤動或拒動的問題，仿真結(jié)果驗證了方案的可行性，具有一定工程應(yīng)用價值。

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