引入電壓變速因子的反時(shí)限零序電流保護(hù)方案

李歐

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000)

定時(shí)限零序電流保護(hù)能對各種不對稱接地故障作出有效反應(yīng)，具有整定原則簡單、靈敏度高等特點(diǎn)，在電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用；但其保護(hù)范圍受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響，動(dòng)作時(shí)間固定，靈活性差，因而限制了定時(shí)限零序電流保護(hù)的進(jìn)一步發(fā)展[1-11]。隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，定時(shí)限零序電流保護(hù)的整定配合愈發(fā)困難。反時(shí)限零序電流保護(hù)特性由于與負(fù)載故障特性相似，即故障電流越大，動(dòng)作時(shí)間越小，在系統(tǒng)運(yùn)行方式變化較大時(shí)也能自動(dòng)配合，在很多場合下比定時(shí)限零序電流保護(hù)性能更為優(yōu)越[12-19]。

傳統(tǒng)反時(shí)限零序電流保護(hù)整定配合原則存在局限性：如果各處保護(hù)分別按選擇性配合的要求進(jìn)行整定，則計(jì)算過程繁瑣復(fù)雜；如果全網(wǎng)采用統(tǒng)一的反時(shí)限特性公式和時(shí)間常數(shù)，則難以滿足保護(hù)選擇性的要求[20-24]。針對此問題，本文提出了一種引入電壓變速因子的反時(shí)限零序電流保護(hù)，與修正的反時(shí)限特性曲線相配合，可以大大簡化反時(shí)限零序電流保護(hù)的整定計(jì)算，同時(shí)使上下級反時(shí)限零序電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間自動(dòng)配合，并提高保護(hù)動(dòng)作的選擇性。

1 反時(shí)限零序電流保護(hù)的實(shí)現(xiàn)

1.1 反時(shí)限特性方程

根據(jù)國際電工委員會(huì)IEC 255-3的規(guī)定，常用反時(shí)限特征有一般反時(shí)限、非常反時(shí)限和極端反時(shí)限。反時(shí)限特性方程通用表達(dá)式為

(1)

式中：t為反時(shí)限動(dòng)作時(shí)間；tp為時(shí)間常數(shù)；I*為保護(hù)處測得的故障電流與啟動(dòng)電流比值(電流標(biāo)幺值)；α和β為反時(shí)限特性參數(shù)，α和β共同決定反時(shí)限類型，取值見表1。對于不同保護(hù)的特性曲線，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間均隨流過保護(hù)裝置電流增大而減小。工程應(yīng)用中，依據(jù)實(shí)際情況選取適合的反時(shí)限曲線。

表1 不同反時(shí)限類型的α和β值Tab.1 Values of α and β in different curves

1.2 斷線判據(jù)反時(shí)限零序電流保護(hù)的整定配合

本文以一般反時(shí)限為研究對象。由文獻(xiàn)[16]可得，反時(shí)限保護(hù)的整定配合關(guān)系如圖1所示。圖1中，A、B、C、D為母線處，1、2、3為保護(hù)安裝處，K1、K2、K3、K4、Ka、Kb為故障點(diǎn)，l為線路長度，te1為保護(hù)1在本段線路末端故障時(shí)動(dòng)作時(shí)間，ts2為保護(hù)2在本段線路首端故障時(shí)動(dòng)作時(shí)間，te2為保護(hù)2在本段線路末端故障時(shí)動(dòng)作時(shí)間，ts3為保護(hù)3在本段線路首端故障時(shí)動(dòng)作時(shí)間，te3為保護(hù)3在本段線路末端故障時(shí)動(dòng)作時(shí)間，Δt為本段保護(hù)末端故障時(shí)和下一段保護(hù)首端故障時(shí)動(dòng)作時(shí)間差，tⅡ?yàn)槎〞r(shí)限Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，Δt1為本段定時(shí)限Ⅱ段保護(hù)范圍內(nèi)末端故障動(dòng)作時(shí)間與下一段反時(shí)限保護(hù)動(dòng)作時(shí)間差，Δt2為本段定時(shí)限Ⅱ段保護(hù)范圍內(nèi)首端故障動(dòng)作時(shí)間與上一段反時(shí)限保護(hù)動(dòng)作時(shí)間差。

由圖1(a)可知，保護(hù)上下級反時(shí)限特性曲線需逐級整定，即：首先整定末端曲線3(勿需與下級保護(hù)配合)；其次在保護(hù)3開口故障時(shí)，以曲線3得出的動(dòng)作時(shí)間ts3疊加上動(dòng)作時(shí)間差Δt，即以ts3+Δt整定曲線2；曲線1的整定以此類推。

圖1 反時(shí)限保護(hù)整定配合Fig.1 Setting and coordinating diagram of the inverse time protection

由圖1(b)可知，以保護(hù)2反時(shí)限特性為例，定時(shí)限保護(hù)和反時(shí)限反時(shí)限保護(hù)時(shí)間配合要求：在各種運(yùn)行方式下，保護(hù)1定時(shí)限Ⅱ段末端Ka故障時(shí)，需滿足式(2)；保護(hù)2定時(shí)限Ⅱ段首端Kb故障時(shí)，需滿足式(3)。

(2)

(3)

式中：Ik1為Ka故障時(shí)流過保護(hù)2的電流；Ik2為Kb故障時(shí)流過保護(hù)2的電流。

對于1組確定的反時(shí)限曲線，相應(yīng)的短路電流是否滿足式(2)、(3)，會(huì)出現(xiàn)以下4種情況：

a)式(2)、(3)均滿足，反時(shí)限零序電流保護(hù)整定配合統(tǒng)一性滿足；

b)式(2)滿足，式(3)不滿足，則反時(shí)限零序電流保護(hù)的時(shí)間常數(shù)偏小，增大最后一級線路末端的最小動(dòng)作時(shí)間ten設(shè)定值(如圖1中增大te3)；

c)式(2)不滿足，式(3)滿足，則反時(shí)限零序電流保護(hù)的時(shí)間常數(shù)偏大，適當(dāng)減小最后一級線路末端的最小動(dòng)作時(shí)間ten設(shè)定值；

由此可見，傳統(tǒng)反時(shí)限零序電流保護(hù)整定原則以及定、反時(shí)限保護(hù)的配合要求，雖然理論上可以很好地滿足繼電保護(hù)選擇性的要求，但在實(shí)施中可能出現(xiàn)相互矛盾的情況。

1.3 反時(shí)限零序電流保護(hù)的工程應(yīng)用

通過第1.2節(jié)的分析可知，反時(shí)限零序電流保護(hù)的局限在于：全網(wǎng)統(tǒng)一整定的計(jì)算過程繁瑣復(fù)雜，靈活性差，有時(shí)甚至難以同時(shí)滿足保護(hù)上下級時(shí)間配合與定、反時(shí)限保護(hù)時(shí)間配合的要求。為此，南方電網(wǎng)在反時(shí)限零序電流保護(hù)的應(yīng)用中，不僅將啟動(dòng)電流Ip設(shè)定為統(tǒng)一值(300 A)，也將時(shí)間常數(shù)tp設(shè)定為全網(wǎng)統(tǒng)一值(1.0 s)，并且不考慮定、反時(shí)限時(shí)間配合問題。

220 kV以上電壓等級系統(tǒng)的變電站通常都連接著接地變壓器，母線接地變壓器的分流作用使故障線路的零序電流大于非故障線路的零序電流；因此，即使采用相同的時(shí)間參數(shù)，下級保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間也快于上級保護(hù)時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)上下級之間的自然配合。盡管如此，保護(hù)的上下級動(dòng)作時(shí)間配合完全依賴于母線接地變壓器的分流，在某些特定條件下不能很好地滿足保護(hù)的選擇性，如母線接地變壓器檢修退出運(yùn)行，即使不考慮定、反時(shí)限時(shí)間配合問題，也將給保護(hù)動(dòng)作的可靠性和選擇性帶來挑戰(zhàn)。

2 引入電壓變速因子的反時(shí)限零序電流保護(hù)

中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中發(fā)生不對稱接地故障時(shí)，故障點(diǎn)零序電壓最高，越遠(yuǎn)離故障點(diǎn)，零序電壓越低。基于這一特點(diǎn)定義電壓變速因子

(4)

將電壓變速因子m引入式(1)特性方程的分母中，可以對現(xiàn)有的反時(shí)限零序電流保護(hù)進(jìn)行改造，使其在全網(wǎng)采用統(tǒng)一的反時(shí)限特性及時(shí)間常數(shù)的條件下保證保護(hù)上下級擁有足夠動(dòng)作時(shí)間差，更好地滿足保護(hù)的選擇性與可靠性要求。

2.1 電壓變速因子特性分析

圖2 發(fā)生不對稱故障時(shí)的電壓分布Fig.2 Voltage distribution with asymmetric fault

因此，將m引入反時(shí)限特性方程，可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)區(qū)內(nèi)故障加速、區(qū)外故障減速，保護(hù)出口附近故障時(shí)甚至可以瞬時(shí)切除故障。區(qū)外較遠(yuǎn)處故障時(shí)，由于電壓變速因子m的修正，動(dòng)作時(shí)間大大增加甚至不動(dòng)作，可能造成下級保護(hù)失去遠(yuǎn)后備，但這可以通過修正電壓變速因子引入方式進(jìn)行糾正。

2.2 電壓變速因子參數(shù)

(5)

若故障類型為單相接地故障，則

(6)

若故障類型為兩相接地故障，則

(7)

補(bǔ)償電壓的整定阻抗Zset的大小決定區(qū)內(nèi)故障的劃定范圍，以本線路阻抗ZL為基準(zhǔn)，分為3種情形，即Zset>ZL、Zset=ZL或Zset

(8)

(9)

式(8)、(9)中：ZS為系統(tǒng)阻抗；ZL1為保護(hù)1所在線路阻抗；Zset2、Zset2分別為保護(hù)1、2補(bǔ)償電壓整定阻抗。

2.3 電壓變速因子的引入方式

表 2列舉了m引入反時(shí)限方程的3種方式。

表2 電壓變速因子m的引入方式Tab.2 Introducing way of voltage factor m

對電壓變速因子不同的引入方式進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，結(jié)果如圖3所示，其中y1、y2、y3為采用不同電壓變速因子m引入方式時(shí)反時(shí)限動(dòng)作方程分母值(見表2)，y1=(mI*)0.02-1、y2=m(I*)0.02-1、y3=m[(I*)0.02-1]。

圖3 y1、y2、y3隨m變化曲線Fig.3 Changing curves of y1、y2、y3 with m

由圖3可知：m>1時(shí)，max{y1,y2,y3}=y2，即“修正電流冪函數(shù)”的引入方式對反時(shí)限零序電流保護(hù)加速程度最大；m<1時(shí)，y1、y2均可能出現(xiàn)小于0的情況。

從希望故障快速切除的角度出發(fā)，選用“修正電流冪函數(shù)”的引入方式；從保證動(dòng)作時(shí)間為非負(fù)的角度出發(fā)，選用“修正動(dòng)作時(shí)間”的引入方式。通過數(shù)學(xué)分析可知：若選用“修正電流冪函數(shù)”的引入方式，上級保護(hù)m>1時(shí)，會(huì)使上下級保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間差減少，不利于保護(hù)的選擇性動(dòng)作；而選用“修正動(dòng)作時(shí)間”的引入方式，既能對保護(hù)進(jìn)行加速，又能增加保護(hù)上下級動(dòng)作時(shí)間差，最終選用此種引入方式。

3 過渡電阻的影響及其對策

電力系統(tǒng)的短路一般不是金屬性的，而是在短路點(diǎn)存在過渡電阻。

單相接地故障時(shí)，式(6)可改寫為

(10)

式中Rg為過渡電阻。

同理，兩相接地故障時(shí)，式(7)可改寫為

(11)

4 仿真驗(yàn)證

考慮母線接地變壓器的影響，將如圖4所示的多級線路相連的輸電線路在PSCAD中建立模型仿真，其中，ZS1、ZS0為送端系統(tǒng)正負(fù)序阻抗，ZR1、ZR0為受端系統(tǒng)正負(fù)序阻抗，Ip為啟動(dòng)電流，W1、W2為母線接地變壓器，IW1、IW2為流過變壓器的電流。送電端系統(tǒng)：ZS1=j23 Ω，ZS0=j40 Ω；受電端系統(tǒng)：ZR1=j56 Ω，ZR0=j115 Ω；兩側(cè)電勢功角δ為30°。輸電線路：正、負(fù)序阻抗相等ZL1=ZL2=(0.018 39+j0.263 9) Ω/km，零序阻抗ZL0=(0.141 3+j0.602 7) Ω/km。變壓器額定容量100 MVA，電壓500 kV，W1、W2短路占比為10%、50%。保護(hù)1、2、3所在線路長度L1、L2、L3分別為20 km、100 km、50 km。tp=0.5 s，Ip=300 A，Zset=0.85ZL。

圖4 多級線路相連的輸電線路Fig.4 Transmission line of multistage lines connected

保護(hù)3所在線路發(fā)生A相接地故障時(shí)的反時(shí)限時(shí)間特性如圖5(Rg=0 Ω)、圖6(Rg=100 Ω)所示，圖5中U1、U2、U3分別為3種保護(hù)的測量電壓。

圖5 保護(hù)3所在線路A相接地故障時(shí)的反時(shí)限特性(Rg=0 Ω)Fig.5 Inverse time characteristicof protection 3 with A-G fault (Rg=0 Ω)

圖6 保護(hù)3所在線路A相接地故障時(shí)的反時(shí)限時(shí)間特性(Rg=100 Ω)Fig.6 Inverse time characteristicof protection 3 with A-G fault (Rg=100 Ω)

由圖6可以看出，當(dāng)過渡電阻較大時(shí)，引入電壓變速因子對反時(shí)限動(dòng)作時(shí)間的修正作用較小。但方案設(shè)定m<1時(shí)，不對保護(hù)時(shí)間進(jìn)行修正，因此不會(huì)對原有保護(hù)造成負(fù)面影響。

5 結(jié)論

a)現(xiàn)有的反時(shí)限零序電流保護(hù)在工程應(yīng)用上存在嚴(yán)重的局限性，如果各處保護(hù)分別按選擇性配合的要求進(jìn)行整定，則計(jì)算過程繁瑣復(fù)雜；如果全網(wǎng)采用統(tǒng)一的反時(shí)限特性公式和時(shí)間常數(shù)，又難以滿足保護(hù)選擇性的要求。

b)提出了一種引入電壓變速因子的反時(shí)限零序電流保護(hù)，通過分析電壓變速因子的特性、參數(shù)和引入方式，詳細(xì)闡述了該方案的具體應(yīng)用。分析表明：該方案既能簡化反時(shí)限零序電流保護(hù)的整定配合，又能較好地保證保護(hù)的選擇性和速動(dòng)性。

c)分析了過渡電阻對修正保護(hù)方案的影響，即高阻接地故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作的速動(dòng)性將受到挑戰(zhàn)。對保護(hù)方案進(jìn)一步優(yōu)化，擴(kuò)大變速因子的加速范圍，并設(shè)定只有當(dāng)電壓變速因子m>1時(shí)，才引入m，對反時(shí)限保護(hù)只加速不減速，以達(dá)到躲高阻接地故障的目的，確保電壓變速因子的引入不會(huì)對原有的反時(shí)限保護(hù)造成負(fù)面影響。