中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)對(duì)距離保護(hù)的影響分析

康豐，齊以年，張瑋，劉慶海

(南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211100)

0 引言

距離保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)之一是保護(hù)范圍明確、不受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響，作為后備保護(hù)被廣泛應(yīng)用于各電壓等級(jí)的線(xiàn)路保護(hù)。距離保護(hù)基于電壓和電流等電氣量構(gòu)成，為確保距離保護(hù)方向的正確性，距離保護(hù)一般采用正序電壓作為極化電壓[1-2]。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(biāo)準(zhǔn)的極化電壓具有良好的方向性。但正序極化電壓方向判別在不接地系統(tǒng)單端電源運(yùn)行方式下存在明顯不足，因而存在著誤判的可能。目前距離保護(hù)的研究主要集中在110 kV及以上電壓等級(jí)系統(tǒng)的快速段保護(hù)范圍方面[3-10]，對(duì)不接地系統(tǒng)中單端電源的研究較少。

單端電源系統(tǒng)現(xiàn)階段主要出現(xiàn)在110 kV及以下電壓等級(jí)的電網(wǎng)系統(tǒng)中。110 kV單端電源已經(jīng)有一定研究，其主要應(yīng)用電壓、電流的工頻變化量來(lái)判別突變量方向，計(jì)算量較大，對(duì)于35 kV電壓等級(jí)的繼電保護(hù)來(lái)說(shuō)消耗資源較多，存在應(yīng)用局限性。

本文對(duì)不接地系統(tǒng)的區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障進(jìn)行分析，結(jié)合電流、電壓的特點(diǎn)在原有四邊形特性距離保護(hù)上增加一種方向元件判別，其作為正序極化電壓方向的輔助判別，能夠很好地避免不接地系統(tǒng)單相電源區(qū)外故障距離保護(hù)誤動(dòng)問(wèn)題，并通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀(RTDS)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了此方法的可靠性。

1 距離保護(hù)的基本原理

目前的距離保護(hù)主要為測(cè)距式。測(cè)距式距離保護(hù)通過(guò)計(jì)算故障點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離判別區(qū)內(nèi)外故障，主要包括工頻量距離元件、時(shí)域距離元件[11-13]等。

上述原理在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)用到方向元件，通過(guò)方向元件來(lái)判別故障發(fā)生在線(xiàn)路的正方向還是反方向。通過(guò)方向元件和距離元件的綜合判斷，實(shí)現(xiàn)距離保護(hù)正確動(dòng)作。

1.1 工頻量距離元件

工頻量距離保護(hù)的基本思想是通過(guò)故障全量網(wǎng)絡(luò)基本方程，求解得出保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)的阻抗，進(jìn)而確定故障距離。其測(cè)距基本方程為

Zk=Uw/Iw，

(1)

式中：Uw為相間電壓，V；Iw為相間電流，A；Zk為相間距離阻抗，Ω。距離保護(hù)的整定阻抗為Zset，通過(guò)比較Zk和Zset，可以判斷區(qū)內(nèi)外故障。本文主要用到工頻量距離元件。

1.2 時(shí)域距離元件

將式(1)寫(xiě)為時(shí)域形式，即可得到時(shí)域距離元件的測(cè)距方程

(2)

式中：uw和iw分別為Uw和Iw的時(shí)域形式；Rk+Lw=Zset。由式(2)可知，時(shí)域距離元件的保護(hù)原理面向線(xiàn)路，與保護(hù)安裝處背側(cè)電源的特性無(wú)關(guān)。同時(shí)由于采用時(shí)域算法，只需在R-L模型所要求的低通適用頻帶內(nèi)，受電流頻率偏移和高次諧波的影響很小，時(shí)域距離元件仍具有良好的保護(hù)性能。

1.3 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的距離保護(hù)的原理

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的距離保護(hù)為相間距離保護(hù)，其距離保護(hù)的基本公式如下

Z??=(U?1-U?2)/(I?1-I?2) 。

(3)

采用工頻量距離元件的思路，利用故障時(shí)刻的相間電壓(U?1-U?2)與相間電流(I?1-I?2) 計(jì)算出故障時(shí)刻的相間阻抗Z??與Zset進(jìn)行比較。

當(dāng)Z??

僅靠此判斷線(xiàn)路的區(qū)內(nèi)故障是不夠的，例如當(dāng)在線(xiàn)路近端發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，計(jì)算出來(lái)的阻抗小于Zset，此時(shí)還需增加方向判據(jù)，判斷發(fā)生的是正向故障還是反向故障。

如果判斷出反向故障，距離保護(hù)不動(dòng)作，否則距離保護(hù)動(dòng)作。常用的方向判別采用正序電壓與故障電流的角度差來(lái)判斷故障的方向，其公式如下

(4)

式中：U1為正序電壓，V；I??為相間電流，A。當(dāng)正序電壓與相間電流的夾角在θ1與θ2之間時(shí)，認(rèn)為是正方向，否則為反方向。

當(dāng)Z??小于Zset且正序電壓與電流的方向?yàn)檎较驎r(shí)，允許距離保護(hù)動(dòng)作，此時(shí)開(kāi)始距離保護(hù)計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)滿(mǎn)足距離保護(hù)延時(shí)后距離保護(hù)動(dòng)作。

四邊形特性距離保護(hù)動(dòng)作特性如圖1所示。

圖1 四邊形特性距離保護(hù)動(dòng)作特性Fig.1 Distance protection action with quadrilateral characteristic

在圖1中，第2和第4象限虛線(xiàn)以上部分與實(shí)線(xiàn)之間的區(qū)間為距離保護(hù)的動(dòng)作區(qū)間。

由圖1可知AB相間故障時(shí)正序電壓正向角度的有效區(qū)，其正向角度區(qū)間為-25°～135°。

同理可以推出BC相間故障時(shí)的正序方向正向角度區(qū)間為95°～255°，CA相間故障時(shí)的正序方向正向角度區(qū)間為-145°～15°。

2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)區(qū)外故障分析

在某一次中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)RTDS試驗(yàn)中，當(dāng)線(xiàn)路兩端都有電源時(shí)，線(xiàn)路的區(qū)內(nèi)外故障距離保護(hù)裝置都能正確動(dòng)作，但是當(dāng)距離保護(hù)側(cè)有電源，另外一側(cè)沒(méi)有電源時(shí)，此時(shí)做線(xiàn)路區(qū)外故障試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)距離保護(hù)誤動(dòng)，其誤動(dòng)時(shí)線(xiàn)路上的電流電壓波形如圖2所示。

圖2 距離保護(hù)誤動(dòng)時(shí)的電流電壓波形Fig.2 Current and voltage waveform during the malfunction of distance protection

圖4 35 kV線(xiàn)路保護(hù)RTDS模型Fig.4 RTDS model of 35 kV line protection

對(duì)圖2進(jìn)行分析可知，故障為線(xiàn)路區(qū)外BC相間故障。在距離保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻，正序電壓為28.66 V∠127.28°，AB相間電流為0.359 A∠138.63°，BC相間電流為0.254 A∠28.60°，CA相間電流為0.362 A∠-82.62°。使用上述數(shù)據(jù)計(jì)算正序電壓與相間電流，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 正序電壓與相間電流的角度差Tab.1 Angular difference between positive-sequence voltage and phase current

用正序電壓為極電壓，參考各相間電壓的正方向范圍，可以得出3個(gè)相間電流為正方向電流，此時(shí)BC相間阻抗小于1 Ω，其小于距離保護(hù)定值，故距離保護(hù)動(dòng)作。

分析圖2可知，在單電源線(xiàn)路區(qū)外相間故障時(shí)，存在著正序電壓方向誤判為正方向的問(wèn)題，導(dǎo)致距離保護(hù)誤動(dòng)。

3 正序電壓方向判別的改進(jìn)方案

通過(guò)對(duì)圖2中波形做進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)在此種故障類(lèi)型中線(xiàn)路上的電流較故障前電流變小，可以做如下改進(jìn)。

(1)通過(guò)電壓來(lái)判斷發(fā)生的故障類(lèi)型。當(dāng)某一相間電壓小于10 V且正序電壓大于10 V時(shí)，則一定為相間電壓發(fā)生故障。

(2)比較電流的變化。當(dāng)保護(hù)啟動(dòng)時(shí)，記住此時(shí)負(fù)荷電流的最大相電流，保護(hù)啟動(dòng)后10 ms開(kāi)始計(jì)算保護(hù)啟動(dòng)后的正序電流，如果正序電流小于最大相電流的0.80倍，則認(rèn)為電流變小。

(3)負(fù)序電流和正序電流的比較。保護(hù)啟動(dòng)10 ms后，開(kāi)始計(jì)算三相電流的負(fù)序電流和正序電流，如果此時(shí)負(fù)序電流小于0.33倍正序電流，則認(rèn)為不對(duì)稱(chēng)故障開(kāi)放條件不滿(mǎn)足。

上面的3個(gè)條件都滿(mǎn)足時(shí)，閉鎖正序電壓判別方向，讓正序電壓方向返回，其邏輯如圖3所示。

圖3 閉鎖正序電壓方向邏輯Fig.3 Blocking positive-sequence voltage logic

4 RTDS試驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證正序方向判別改進(jìn)方案的正確性和可靠性，通過(guò)RTDS對(duì)判據(jù)進(jìn)行數(shù)字仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4所示。

模型中的主要參數(shù)如下：M側(cè)110 kV系統(tǒng)短路容量600 MV·A，正序阻抗為20∠82.00°；N側(cè)35 kV系統(tǒng)短路容量40 MV·A，正序阻抗為30∠78.00°；架空線(xiàn)路長(zhǎng)度10 km，R=0.147 1 Ω/km，X=0.429 9 Ω/km；電纜線(xiàn)路長(zhǎng)度15 km，R=0.196 0 Ω/km，X=0.102 0 Ω/km；電流互感器(CT)1和2變比均為600 A/1A；電壓互感器(TV)變比為35 kV/100 V；距離保護(hù)裝置安裝在架空線(xiàn)路M側(cè)。

此模型能夠充分模擬中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)(兩端都接有電源、一端有電源一端無(wú)電源)各種類(lèi)型的故障，能夠充分地驗(yàn)證本文增加的閉鎖正序電壓方向判據(jù)的可靠性。

4.1 區(qū)內(nèi)故障

故障點(diǎn)設(shè)在K2點(diǎn)，此時(shí)模擬區(qū)內(nèi)正常故障，具體分析如下。

圖5為N側(cè)小電源不接入系統(tǒng)的AB相間故障錄波圖，圖6為N側(cè)小電源接入系統(tǒng)的AB相間故障錄波圖。

圖5 N側(cè)小電源不接入時(shí)AB相間故障波形Fig.5 AB phase-to-phase fault waveform during the disconnection of small power supply on theN-side

圖6 N側(cè)小電源不接入時(shí)AB相間故障波形Fig.6 AB phase-to-phase fault waveform during the connection of the small power supply on theN-side

從圖5和圖6中可以分析出，當(dāng)發(fā)生線(xiàn)路區(qū)內(nèi)故障時(shí)，M側(cè)CT A相和B相的電流明顯增大，相應(yīng)正序電流的有效值明顯增大，且大于故障前負(fù)荷電流的有效值，這明顯不符合閉鎖正序方向的電流條件，故開(kāi)放正常的正序電壓方向判別。在圖5和圖6中，正序電壓的方向?yàn)檎较颍易杩節(jié)M足定值條件，故距離保護(hù)動(dòng)作。

4.2 區(qū)外故障

故障點(diǎn)設(shè)在K1點(diǎn)，此時(shí)模擬線(xiàn)路區(qū)外正常故障具體分析如下。

4.2.1 N側(cè)無(wú)小電源的區(qū)外故障

圖7為N側(cè)無(wú)小電源的線(xiàn)路區(qū)外AB相間故障的錄波圖，從圖7中可以分析出：當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，三相電流的有效值變小，則相應(yīng)的正序電流有效值也變小，小于故障前的負(fù)荷電流有效值；此時(shí)線(xiàn)電壓UAB小于10 V，相應(yīng)的正序電壓U1大于10 V；在此故障波形中，其負(fù)序電流小于0.33倍的正序電流。綜上分析，故障后的電流電壓波形滿(mǎn)足閉鎖正序電壓方向的條件，此時(shí)即使正序方向元件滿(mǎn)足正方向條件，也判定為正序電壓方向?yàn)榉捶较?，閉鎖距離保護(hù)。

圖7 N側(cè)無(wú)小電源的AB相間故障波形Fig.7 AB phase-to-phase fault waveform without small power supply on the N side

圖8為N側(cè)無(wú)小電源的線(xiàn)路區(qū)外ABC三相故障錄波圖，從圖8中可以分析出：當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，三相電流明顯變小到0，相應(yīng)的正序電壓小于10 V，故正序電壓用正常的記憶電壓來(lái)判別方向，而在此種故障波形中，由于三相電流無(wú)流，則距離保護(hù)不動(dòng)作。

圖8 N側(cè)無(wú)小電源的三相故障波形Fig.8 Threek-phase fault waveform with no small power supply on the N side

4.2.2 N側(cè)有小電源的區(qū)外故障

圖9為N側(cè)有小電源的線(xiàn)路區(qū)外AB相間故障錄波圖，從圖9中可以分析出:M側(cè)CT A相和B相的電流明顯增大，相應(yīng)的正序電流有效值明顯增大，其大于故障前的負(fù)荷電流的有效值，這明顯不符合閉鎖正序方向的電流條件，故開(kāi)放正常的正序電壓方向判別。在圖9中，正序電壓方向?yàn)榉捶较颍书]鎖距離保護(hù)動(dòng)作。

圖9 N側(cè)有小電源時(shí)的AB故障錄波圖Fig.9 AB fault recording during connection of the small power supply on the N-side

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)距離保護(hù)的原理進(jìn)行了初步介紹，并對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單端電源線(xiàn)路區(qū)外故障時(shí)距離保護(hù)誤動(dòng)進(jìn)行了初步分析，進(jìn)而提出來(lái)一種閉鎖正序電壓判別方向的方法。該方法基于相間故障時(shí)電壓和電流的特征量做進(jìn)一步判別，當(dāng)此方法成立時(shí)能夠閉鎖正序方向判別。通過(guò)RTDS仿真試驗(yàn)，證明該方法可行，能夠有效避免中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單端電源線(xiàn)路反向區(qū)外故障時(shí)距離保護(hù)誤動(dòng)的問(wèn)題，并且在正常中性點(diǎn)不接地兩端電源系統(tǒng)中也能適用，不會(huì)造成距離保護(hù)的誤動(dòng)和拒動(dòng)。