基于PSCAD的距離保護作為變壓器低壓側(cè)故障遠后備保護的仿真分析

閆 石

(深圳市機場(集團)有限公司，廣東 深圳 518128)

0 引 言

線路距離保護Ⅲ段在110 kV線路-變壓器組接線中可按對側(cè)變壓器低壓側(cè)有靈敏度整定，以作為變壓器低壓側(cè)短路故障的遠后備保護[1]。為分析YNd11接線變壓器Y側(cè)線路距離保護對d側(cè)小電阻接地系統(tǒng)短路故障的遠后備保護能力，通過對稱分量法進行推導計算，并以某用戶110 kV/35 kV供電系統(tǒng)為例，應用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC搭建一次模型和二次模型對小電阻接地系統(tǒng)的不同類型短路故障進行仿真驗證。

1 距離保護對變壓器低壓側(cè)故障的反應

圖1所示為某用戶110 kV/35 kV供電系統(tǒng)，其系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。110 kV/35 kV YNd11變壓器的d側(cè)為35 kV小電阻接地系統(tǒng)，Y側(cè)為110 kV母線處安裝有距離保護。

表1 110 kV/35 kV供電系統(tǒng)參數(shù)

圖1 110 kV/35 kV供電系統(tǒng)接線

當35 kV母線故障時，通過對稱分量法，可知距離保護的相間阻抗繼電器的測量阻抗為

(1)

(2)

(3)

由于YNd11變壓器兩側(cè)零序分量相互獨立，不能從d側(cè)傳變到Y側(cè)[2]，根據(jù)對稱分量法可知，距離保護的接地阻抗繼電器的測量阻抗為

(4)

(5)

(6)

1.1 三相短路故障

當圖1中變壓器d側(cè)母線發(fā)生三相短路故障時，考慮金屬性短路，根據(jù)對稱分量法，由式(1)～(6)可得

ZMAB=ZMBC=ZMCA=ZMA=ZMB=ZMC=

(7)

式中：ZL為110 kV線路阻抗；ZT為YNd11變壓器阻抗。

由式(7)可見，變壓器d側(cè)母線三相短路故障時，Y側(cè)距離保護的相間阻抗繼電器、接地阻抗繼電器均能正確測量到短路點到保護安裝處的正序阻抗。測量阻抗如圖2所示。

圖2 YNd11變壓器d側(cè)三相短路故障時Y側(cè)距離保護的測量阻抗

1.2 兩相短路故障

當圖1中變壓器d側(cè)母線發(fā)生B、C相短路故障時，考慮金屬性短路，根據(jù)對稱分量法，由式(1)～(6)可得

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：Z1∑為系統(tǒng)對故障點的正序綜合阻抗。

由式(8)～(13)可見，變壓器d側(cè)母線B、C相短路故障時，Y側(cè)距離保護僅C相接地阻抗繼電器能正確測量到短路點到保護安裝處的正序阻抗，其余阻抗繼電器均不能。測量阻抗如圖3所示。

圖3 YNd11變壓器d側(cè)B、C兩相短路故障時Y側(cè)距離保護的測量阻抗

1.3 單相接地短路故障

當圖1中變壓器d側(cè)母線發(fā)生A相接地短路故障時，考慮金屬性短路，根據(jù)對稱分量法，由式(1)～(6)可得

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

式中：Z0∑為系統(tǒng)對故障點的零序綜合阻抗。

由式(14)～(19)可見，變壓器d側(cè)母線單相接地短路故障時，Y側(cè)距離保護的相間阻抗繼電器、接地阻抗繼電器均不能正確測量到短路點到保護安裝處的正序阻抗。測量阻抗如圖4所示(圖中虛線表示受圖幅影響，阻抗幅值無法完全體現(xiàn))。

圖4 YNd11變壓器d側(cè)A相接地短路故障時Y側(cè)距離保護的測量阻抗

1.4 兩相接地短路故障

當圖1中變壓器d側(cè)母線發(fā)生B、C相接地短路故障時，考慮金屬性短路，根據(jù)對稱分量法，由式(1)～(6)可得

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

由式(20)～(25)可知，變壓器d側(cè)母線B、C相接地短路故障時，Y側(cè)距離保護僅C相接地阻抗繼電器能正確測量到短路點到保護安裝處的正序阻抗，其余阻抗繼電器均不能。測量阻抗如圖5所示(圖中虛線表示阻受圖幅影響，阻抗幅值無法完全體現(xiàn))。

圖5 YNd11變壓器d側(cè)B、C兩相接地短路故障時Y側(cè)距離保護的測量阻抗

綜上分析可知，由于YNd11變壓器兩側(cè)零序分量不能傳變，兩側(cè)電壓、電流的相位存在30°相角差，正、負序分量相位轉(zhuǎn)換不同[3]，變壓器d側(cè)發(fā)生不對稱短路故障時，Y側(cè)距離保護僅部分阻抗繼電器能正確測量。對于兩相接地短路故障、兩相短路故障，僅故障相中落后相的接地阻抗繼電器能正確測量。對于單相接地短路故障，所有阻抗繼電器均不能正確測量。對于三相短路故障，由于僅有正序分量，且YNd11變壓器兩側(cè)電壓、電流對稱，所有阻抗繼電器均能正確測量。

2 仿真模型的搭建

PSCAD/EMTDC是一款被廣泛應用的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件，其仿真模型直觀，元件模塊庫豐富，可實現(xiàn)交流電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)研究、簡單和復雜電力系統(tǒng)的故障建模及故障仿真[4]。通過PSCAD/EMTDC搭建一次、二次系統(tǒng)模型對前節(jié)的理論分析進行驗證。

2.1 一次系統(tǒng)的建模

按圖1所示供電系統(tǒng)進行建模。一次系統(tǒng)模型由三相電壓源元件、三相雙繞組變壓器元件、架空輸電線路元件、單相雙繞組變壓器元件、三相斷路器元件、三相故障元件、故障定時控制邏輯元件、測量元件構成，如圖6所示。

圖6 110 kV/35 kV供電系統(tǒng)模型

架空輸電線路元件采用Bergeron模型，能精確表示基頻模型，滿足繼電保護仿真的要求。三相故障元件采用外部控制故障類型，通過與撥碼盤元件的配合可方便設置故障時間和短路故障類型。

圖7 Z接地變模型

2.2 二次系統(tǒng)的建模

二次系統(tǒng)由2個自定義組件構成，一是電流、電壓量變換處理部分；二是阻抗計算、保護判別、邏輯輸出部分。

電流、電壓量變換處理部分的自定義組件由快速傅里葉變換元件、相序濾波器元件構成，如圖8所示。通過快速傅里葉變換元件對電流、電壓量進行快速傅里葉變換后獲得電流、電壓量的基頻幅值和相位。通過相序濾波器元件將電流、電壓量的基頻幅值、相位變換后獲得正、負、零序分量的幅值和相位。

圖8 電流、電壓量變換處理部分

阻抗計算、保護判別、邏輯輸出部分的自定義組件由線對地阻抗元件、線間阻抗元件、歐姆圓元件、跳閘多邊形元件、多輸入邏輯門元件構成，如圖9所示。通過線對地阻抗元件、線間阻抗元件將變換處理獲得的電流、電壓量的基頻幅值、相位及其正、負、零序分量的幅值和相位計算獲得線對地測量阻抗、線間測量阻抗。應用歐姆圓元件可實現(xiàn)圓阻抗繼電器。歐姆圓元件將測量阻抗與已設定的阻抗定值進行比較，若測量阻抗位于已設定的阻抗定值的區(qū)域內(nèi)，則歐姆圓元件輸出為1，保護動作；反之，元件輸出為0，保護不動作。多個歐姆圓元件的輸出經(jīng)多輸入邏輯門元件向斷路器發(fā)出跳閘信號。應用跳閘多邊形元件則可實現(xiàn)四邊形阻抗繼電器。

圖9 保護部分

通過XY坐標圖可以直觀地了解到測量阻抗是否位于設定的動作區(qū)域內(nèi)。歐姆圓元件設定的動作區(qū)域是通過AM/FM/PM函數(shù)元件、信號發(fā)生器元件等表達圓的參數(shù)方程并體現(xiàn)在XY坐標圖中，而跳閘多邊形元件設定的動作區(qū)域是通過AM/FM/PM函數(shù)元件、信號發(fā)生器元件等表達直線的參數(shù)方程并體現(xiàn)在XY坐標圖中。

3 仿真分析

3.1 距離保護對變壓器低壓側(cè)故障反應的仿真

應用PSCAD/EMTDC對第1節(jié)的理論分析進行仿真驗證,仿真結果如圖10～13所示(圖中左側(cè)為相間阻抗繼電器，右側(cè)為接地阻抗繼電器,x軸為電阻分量,y軸為電抗分量)，仿真結果與理論分析一致。

圖10 YNd11變壓器d側(cè)三相短路故障時Y側(cè)距離保護動作仿真

圖11 YNd11變壓器d側(cè)B、C兩相短路故障時Y側(cè)距離保護動作仿真

圖12 YNd11變壓器d側(cè)A相接地短路故障時Y側(cè)距離保護的測量阻抗

3.2 距離保護整定的仿真

《DL/T584—2017 3～110 kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程》對線路-變壓器組接線的距離保護Ⅲ段整定要求為：躲過事故負荷阻抗，對變壓器低壓側(cè)有不小于1.5的靈敏度。采用圓帶上拋四邊形的距離保護Ⅲ段可滿足規(guī)范要求[6]。

仍以圖1所示供電系統(tǒng)為例，其距離保護Ⅲ段整定值如表2所示。按表2參數(shù)設置進行仿真，仿真結果如圖14～17所示(圖中左側(cè)為相間阻抗繼電器，右側(cè)為接地阻抗繼電器，AB、BC、CD、DA為四邊形的四條邊，BC-X、BC-Y為BC的參數(shù)方程)。

圖13 YNd11變壓器d側(cè)B、C兩相接地短路故障時Y側(cè)距離保護的測量阻抗

表2 整定值

圖14 d側(cè)三相短路故障時Y側(cè)距離保護動作仿真

圖15 d側(cè)B、C兩相短路故障時Y側(cè)距離保護動作仿真

圖16 d側(cè)A相接地短路故障時Y側(cè)距離保護的測量阻抗

從上述仿真結果可知，在滿足躲事故負荷阻抗同時取較大的靈敏系數(shù)，變壓器d側(cè)發(fā)生B、C相短路故障時或B、C相接地短路故障時，BC、CA相間測量阻抗均能進入動作區(qū)內(nèi)，相間距離保護也能動作。由于小電阻接地系統(tǒng)的零序阻抗很大，即使取較大的靈敏系數(shù)，變壓器d側(cè)發(fā)生單相接地短路故障時，接地距離保護、相間距離保護均無法動作。

圖17 d側(cè)B、C兩相接地短路故障時Y側(cè)距離保護的測量阻抗

4 結 語

1)理論分析與仿真驗證表明：YNd11變壓器d側(cè)發(fā)生三相短路故障時，Y側(cè)相間距離保護、接地距離保護均能正確測量；d側(cè)小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生兩相短路故障、兩相接地短路故障時，Y側(cè)僅故障相中落后相的接地距離保護能正確測量；d側(cè)小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路故障時，Y側(cè)相間距離保護、接地距離保護均不能正確測量。

2)距離保護Ⅲ段整定滿足躲事故負荷阻抗同時盡可能取較大靈敏系數(shù)，YNd11變壓器d側(cè)小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生兩相短路故障、兩相接地短路故障時，Y側(cè)相間距離保護Ⅲ段也能動作。由于YNd11變壓器d側(cè)小電阻接地系統(tǒng)零序阻抗通常很大，發(fā)生單相接地短路故障時，Y側(cè)距離保護無法動作。

3)由于距離保護Ⅲ段動作出口是三跳的，按對YNd11變壓器d側(cè)短路故障有靈敏度整定的Y側(cè)距離保護Ⅲ段可作為遠后備保護，在發(fā)生除小電阻接地系統(tǒng)單相接地短路故障以外的短路故障時，均能正確動作。