金超杰，陳曉明，李德利

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310000；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211100）

輸配電技術(shù)

采用同步變化量的超高壓線路保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)研究

金超杰1，陳曉明2，李德利2

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310000；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211100）

超高壓線路保護(hù)在運(yùn)行中受負(fù)荷波動(dòng)影響，負(fù)荷不對(duì)稱的線路在正常運(yùn)行時(shí)，都存在較大零序電流，為防止頻繁啟動(dòng)不得不提高啟動(dòng)值，從而降低了啟動(dòng)元件的靈敏度，導(dǎo)致現(xiàn)有的零序電流判據(jù)對(duì)經(jīng)高阻接地的故障無(wú)法靈敏判別，不能滿足超高壓線路保護(hù)對(duì)啟動(dòng)元件快速性的要求。提出一種采用線電壓、同相間電流同步變化量開放的相間啟動(dòng)判據(jù)和零序電流、相電流同步變化量比較方式的零序啟動(dòng)判據(jù)。通過(guò)PSCAD/EMTDC仿真表明，如果使用同步變化量的啟動(dòng)判據(jù)，保護(hù)的靈敏度、快速性和可靠性均有一定程度的提高。

高壓輸電線路；保護(hù)；啟動(dòng)元件；變化量

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，輸電線路的電壓等級(jí)和輸送容量逐步提高，要求微機(jī)線路保護(hù)裝置能更可靠、靈敏、快速地切除故障。

現(xiàn)有的保護(hù)判據(jù)一般是按照躲過(guò)系統(tǒng)最大負(fù)荷波動(dòng)來(lái)整定定值，對(duì)于負(fù)荷波動(dòng)較大的線路，往往是提高啟動(dòng)門檻值，以犧牲靈敏度來(lái)達(dá)到防止保護(hù)裝置頻繁啟動(dòng)的目的，與超高壓線路啟動(dòng)元件高靈敏性要求不相符合。

對(duì)于單相經(jīng)高阻接地故障，由于電壓電流變化均較小，常規(guī)的電流變化量無(wú)法靈敏判別，并且因?yàn)槿嘞到y(tǒng)并非嚴(yán)格對(duì)稱，如同桿雙回線路中負(fù)荷分配不均，造成在正常運(yùn)行過(guò)程中存在零序分量，躲過(guò)各種運(yùn)行工況下最大不平衡電流來(lái)進(jìn)行整定的零序電流啟動(dòng)不能快速、靈敏地反應(yīng)故障。

在此提出一種采用線電壓、相間電流同步變化的相間變化量判據(jù)及零序電流、相電流同步變化量為基礎(chǔ)的接地啟動(dòng)判據(jù)，該判據(jù)在不降低保護(hù)快速性的前提下增加了啟動(dòng)元件的靈敏度和可靠性。

1 同步變化量啟動(dòng)判據(jù)

1.1 新啟動(dòng)判據(jù)的提出

系統(tǒng)故障往往是伴隨著電流的增加和電壓的降低，相間短路時(shí)相間電流和線電壓均有較為明顯的變化，同時(shí)對(duì)于電感性質(zhì)的電路，故障后電壓變化可以有“階躍”特點(diǎn)，因此采用線電壓、相間電流的同步變化量作為相間故障開放判據(jù)，是完全可行的，不會(huì)因?yàn)橛须妷鹤兓康膮⑴c而影響啟動(dòng)元件的快速性。

針對(duì)單相經(jīng)高阻接地故障時(shí)現(xiàn)有零序電流啟動(dòng)判據(jù)存在的不足，提出利用零序電流的變化量與各相電流變化量比較方式的零序同步變化量判據(jù)，根據(jù)不平衡負(fù)荷和接地故障不同的電流變化特性，判斷是否發(fā)生故障，用于開放接地保護(hù)。對(duì)于絕緣緩慢破壞的接地故障，零序變化量啟動(dòng)判據(jù)可能會(huì)不滿足，在保護(hù)判據(jù)中輔以固定零序電流啟動(dòng)門檻，在零序電流突變量小于啟動(dòng)門檻時(shí)開放。

以下重點(diǎn)研究同步變化量啟動(dòng)判據(jù)在相間故障、單相、二相經(jīng)較大過(guò)渡故障接地啟動(dòng)動(dòng)作機(jī)理，在系統(tǒng)負(fù)荷較大波動(dòng)或純振蕩下閉鎖啟動(dòng)，同時(shí)振蕩過(guò)程中發(fā)生故障能可靠開放，并通過(guò)在PSCAD/EMTDC建立仿真模型，對(duì)其靈敏度、快速性和可靠性進(jìn)行分析。

1.2 相間同步變化量判據(jù)

根據(jù)GB 156-2003要求，各電壓等級(jí)電壓波動(dòng)允許值如表1所示。

表1 各電壓等級(jí)電壓波動(dòng)允許值

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于電流互感器以及保護(hù)本身采樣誤差的存在，為了保證相間故障時(shí)有較高靈敏度，同時(shí)為了避免正常情況下頻繁啟動(dòng)，且考慮較大負(fù)荷波動(dòng)下，或者振蕩時(shí)電壓電流波動(dòng)會(huì)引起同步變化量相間啟動(dòng)元件誤啟動(dòng)，相間變化量判據(jù)為此定義了電壓電流門檻值εu和εi：

式中：εu按照躲過(guò)正常情況下最大電壓波動(dòng)整定；εi按照躲過(guò)正常情況下最大電流采樣誤差整定，帶浮動(dòng)門檻；uφφN為額定線電壓；iφφN為額定相間電流；Δuφφ（t-T）為1個(gè)周波前的電壓變化量；Δiφφ（t-T）為1個(gè)周波前的電流變化量；α為整定系數(shù)。

在電力系統(tǒng)中通常有以下情況：

（1）較大負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，雖然電流有很大變化但電壓變化不大；

（2）TV（電壓互感器）斷線時(shí)，線電壓變化很大，而相間電流變化不大于采樣最大誤差；

（3）當(dāng)線路上發(fā)生相間故障時(shí)，相間電壓的變化量與相間電流的變化量均比較大。

針對(duì)以上3種現(xiàn)象，設(shè)置了如下啟動(dòng)方程：

式（2）“與”門滿足后保護(hù)啟動(dòng)，啟動(dòng)量ΔC和制動(dòng)量ΔR分別為：

式中：Δuφφ（t）為相間電壓變化量；Δiφφ（t）為相間電流變化量；uφφ（t），iφφ（t）為當(dāng)前線電壓和相間電流采樣值；uφφ（t-T），iφφ（t-T）為1個(gè)周波前線電壓、相間電流采樣值。

為了提高可靠性，本判據(jù)設(shè)定在連續(xù)3次滿足條件情況下，開放啟動(dòng)元件。

1.3 零序同步變化量判據(jù)

當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生過(guò)渡電阻接地時(shí)，由于電流的變化比較小，常規(guī)的電流突變量元件按躲過(guò)最大負(fù)荷波動(dòng)整定，門檻較高，無(wú)法啟動(dòng)。采用穩(wěn)態(tài)量故障特征量的啟動(dòng)元件如i0，i0+i2和z0，在輕微故障時(shí)需經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間才能啟動(dòng)，不能滿足超高壓線路快速性的要求。同時(shí)不對(duì)稱負(fù)載的合環(huán)運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致常規(guī)啟動(dòng)元件誤判，甚至保護(hù)誤動(dòng)作。故提出以零序電流變化量與各相電流變化量比較的零序同步變化量判據(jù)，只要零序電流有較小突變，而三相電流沒有同時(shí)有較大變化即可開放啟動(dòng)元件。原因如下：

（1）系統(tǒng)中有不平衡線路合環(huán)運(yùn)行或者發(fā)生振蕩時(shí)，往往是三相電流同時(shí)變化，零序電流雖然也存在，但是與相電流變化量比較，其量相對(duì)較??；

（2）發(fā)生接地故障時(shí)，零序電流變化較大，非故障相電流變化較小。

因此，可以采用零序同步變化量啟動(dòng)判據(jù)，用于區(qū)分負(fù)荷波動(dòng)和發(fā)生接地故障。

在負(fù)荷穩(wěn)定的情況下，任何1個(gè)采樣時(shí)刻均滿足如下關(guān)系：

式中：ia（t），ib（t），ic（t）為各相當(dāng)前時(shí)刻采樣值；ia（t-T），ib（t-T），ic（t-T）為1個(gè)周波前的采樣值；φ為A，B，C各相。

發(fā)生接地故障時(shí)，非故障相上電流變化較小而3i0的變化較大，零序同步變化啟動(dòng)判據(jù)方程如下所示：

在動(dòng)作邏輯中式（6）—（8）為“或”門，并與式（9）構(gòu)成“與”門，IN為二次額定相電流，β的整定考慮躲過(guò)正常運(yùn)行情況下最大采樣誤差及相鄰平行線路發(fā)生接地時(shí)零序互感影響。保護(hù)啟動(dòng)具體判斷邏輯如下：

（1）一旦式（9）條件滿足，連續(xù)判3個(gè)點(diǎn)，如果式（6）—（8）中有1個(gè)式子始終滿足，保護(hù)就開放啟動(dòng)；

（2）一旦式（9）條件滿足，連續(xù)判3個(gè)點(diǎn)，式（6）—（8）始終不滿足，即認(rèn)為是有不平衡負(fù)荷合環(huán)等原因引起負(fù)荷波動(dòng)。

雖然實(shí)際三相系統(tǒng)并非嚴(yán)格對(duì)稱，正常情況下就有一定程度零序分量，然而本判據(jù)以變化量為基礎(chǔ)，不受穩(wěn)態(tài)不平衡電流的影響。在負(fù)荷變動(dòng)較大時(shí)，通常是三相電流一起變化，即使不平衡引起零序電流變化，而各相電流變化量大于零序電流變化量，保護(hù)不會(huì)啟動(dòng)。由于在發(fā)生接地故障時(shí)零序電流的變化量大于非故障相電流的變化量，因此零序電流變化量只要大于較小零序電流啟動(dòng)門檻值，啟動(dòng)判據(jù)就能開放。

在啟動(dòng)保護(hù)判據(jù)中為防止絕緣緩慢破壞的接地故障，零序電流變化量判據(jù)可能會(huì)不滿足，增加固定零序啟動(dòng)門檻，按躲過(guò)各種工況下最大零序電流整定，在不滿足式（9）時(shí)開放，與變化量比較零序判據(jù)為“或”門。

1.4 同步變化量判據(jù)邏輯

在保護(hù)裝置判斷出TV斷線或者使用在短線路差動(dòng)保護(hù)中無(wú)TV電壓引入時(shí)，為防止相間變化量啟動(dòng)元件無(wú)法開放，相間變化量啟動(dòng)判據(jù)需退出，采用常規(guī)電流變化量啟動(dòng)，按躲過(guò)最大負(fù)荷變化整定。

同時(shí)為防止發(fā)生TV斷線而保護(hù)裝置由于TV斷線判斷有延時(shí)，未能置“TV斷線”標(biāo)識(shí)，出現(xiàn)相間故障存在因相間變化量啟動(dòng)元件不開放而拒動(dòng)的情況，一旦判出電壓變化量大于TV斷線整定門檻值UPTDX，將此變化量值記錄并帶記憶，開放延時(shí)略大于TV斷線判斷時(shí)間即可，在開放時(shí)間內(nèi)，電流變化大于1.05倍最大采樣誤差即可開放保護(hù)動(dòng)作元件。同步變化量啟動(dòng)判據(jù)總的邏輯見圖1。

圖1 同步變化量啟動(dòng)元件判據(jù)邏輯

2 同步變化量判據(jù)仿真分析

2.1 仿真模型

采用PSCAD/EMTDC進(jìn)行建模仿真，仿真模型等效電路圖如圖2所示。電源內(nèi)阻為0.168+ j0.138 Ω，線路長(zhǎng)度為300 km，線路采用Bergeron模型，每km正序阻抗為0.019 5+j0.28 Ω，零序阻抗為0.1828+j0.86 Ω，正序容抗為235.9 MΩ·m，零序容抗346.2 MΩ·m，線路TA（電流互感器）變比2 500/1。

圖2 系統(tǒng)接線

2.2 相間短路仿真

式（1）中α取0.05，式（9）中β取0.05，之后仿真所取的α與β值均相同。在0.2 s時(shí)發(fā)生AB相間短路，50 ms后故障切除，校驗(yàn)相間變化量啟動(dòng)判據(jù)靈敏度和快速性。

對(duì)于常規(guī)的電流變化量啟動(dòng)元件，一般取額定電流的0.2倍，為進(jìn)行靈敏度相互比較，用同步變化量判據(jù)與0.2倍額定電流的常規(guī)電流變化量判據(jù)進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖3所示。

圖3相間故障時(shí)同步變化量與常規(guī)電流變化量判據(jù)比較

圖3 中Vs1為三相電壓波形，Is為三相電流波形，trip為同步相間變化量啟動(dòng)標(biāo)志，trip2為常規(guī)按照0.2倍額定電流整定的電流變化量啟動(dòng)標(biāo)志，以下仿真波形中均類似。從仿真波形可以看出，相間故障下同步變化量啟動(dòng)不會(huì)因?yàn)樵黾与妷鹤兓慷档涂焖傩浴?/p>

2.3 振蕩時(shí)校驗(yàn)相間同步變化量判據(jù)仿真

考慮電力系統(tǒng)振蕩情況下保護(hù)不應(yīng)該啟動(dòng)，采用在線路兩端加2個(gè)不同頻率的電源產(chǎn)生振蕩電流，振蕩周期為0.5 s，同步變化量判據(jù)和常規(guī)的電流突變量判據(jù)在振蕩模式下啟動(dòng)情況見圖4。

從圖4可以看出，在系統(tǒng)發(fā)生純振蕩的過(guò)程中，按照0.2倍額定電流整定的常規(guī)電流突變量啟動(dòng)元件會(huì)誤開放，而同步變化量啟動(dòng)元件在系統(tǒng)振蕩中沒有啟動(dòng)。

圖4 系統(tǒng)振蕩下電流突變和同步變化量判據(jù)比較

進(jìn)一步考慮在振蕩過(guò)程中發(fā)生AB相間故障，從圖5中可以看出，在系統(tǒng)振蕩中發(fā)生相間故障時(shí)同步變化量啟動(dòng)元件能夠可靠開放。

圖5 振蕩中發(fā)生相間故障時(shí)同步變化量啟動(dòng)波形

2.4 單相經(jīng)過(guò)渡電阻接地仿真

在0.2 s時(shí)線路末端A相經(jīng)300 Ω過(guò)渡電阻接地，仿真波形及啟動(dòng)判據(jù)動(dòng)作情況如圖6所示。

圖6單相經(jīng)300 Ω電阻接地

圖6 中trip2為按照0.1倍額定電流整定的常規(guī)零序啟動(dòng)開放標(biāo)志，可以看出零序同步變化量trip靈敏度快于常規(guī)零序啟動(dòng)判據(jù)。

2.5 兩相經(jīng)過(guò)渡電阻接地仿真

在系統(tǒng)發(fā)生二相接地故障下校驗(yàn)零序同步變量判據(jù)，模擬系統(tǒng)在0.2 s時(shí)線路末端AB二相經(jīng)300 Ω過(guò)渡電阻接地，仿真波形及啟動(dòng)判據(jù)動(dòng)作情況如圖7所示。從圖6與7中可以看出，不論是單相經(jīng)過(guò)渡電阻接地，還是二相經(jīng)過(guò)渡電阻接地，和常規(guī)的零序啟動(dòng)值相比，零序同步突變量啟動(dòng)提高了靈敏度。

圖7 二相經(jīng)過(guò)渡電阻接地

2.6 不平衡負(fù)荷時(shí)零序變化量判據(jù)仿真

在系統(tǒng)不平衡負(fù)荷情況下，零序變化量啟動(dòng)判據(jù)不應(yīng)啟動(dòng)，模擬系統(tǒng)在0.2 s時(shí)有不平衡負(fù)荷合環(huán)引起電流波動(dòng)，波動(dòng)值A(chǔ)相電流二次0.3 A，B相電流0.2A，C相電流0.2A。

仿真表明，在不平衡負(fù)荷合環(huán)影響下，常規(guī)的零序電流啟動(dòng)元件會(huì)誤啟動(dòng)，而零序同步變化量啟動(dòng)元件可靠不啟動(dòng)。

進(jìn)一步模擬不平衡負(fù)荷下發(fā)生經(jīng)過(guò)渡電阻接地。仿真中設(shè)置線路BC二相滿負(fù)荷運(yùn)行，A相帶90%負(fù)荷，系統(tǒng)在0.2 s時(shí)線路末端發(fā)生經(jīng)300 Ω過(guò)渡電阻接地。仿真表明，不對(duì)稱負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行下單相、二相經(jīng)300 Ω過(guò)渡電阻接地，同步變化量啟動(dòng)元件能可靠動(dòng)作。

2.7 振蕩時(shí)校驗(yàn)零序同步變化量判據(jù)仿真

純振蕩和振蕩中0.2 s單相經(jīng)300 Ω接地的判據(jù)仿真波形見圖8—9?？梢娫谙到y(tǒng)發(fā)生振蕩情況下，零序同步變化量啟動(dòng)判據(jù)可靠不啟動(dòng)。

2.8 同步變化量啟動(dòng)判據(jù)的優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)相間故障、單相接地、系統(tǒng)不平衡負(fù)荷波動(dòng)、系統(tǒng)發(fā)生振蕩以及振蕩中發(fā)生故障下的仿真結(jié)果可知，同步變化量啟動(dòng)判據(jù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

圖8 純振蕩時(shí)零序變化量判據(jù)動(dòng)作行為

圖9 振蕩中0.2 s單相經(jīng)300 Ω電阻接地

（1）使用同步變化量啟動(dòng)判據(jù)可以避免由于負(fù)荷波動(dòng)或者因?yàn)椴黄胶庳?fù)荷合環(huán)運(yùn)行，導(dǎo)致超高壓線路保護(hù)啟動(dòng)元件犧牲靈敏度的問(wèn)題；

（2）相間變化量判據(jù)由于增加了電壓變化量元件作為限制，電流啟動(dòng)元件可以按照躲過(guò)正常采樣下最大誤差整定，和常規(guī)電流變化量元件比較，具有很高的靈敏度。從仿真波形圖3中看出，啟動(dòng)速度沒有降低；

（3）零序變化量和相電流變化量比較的零序啟動(dòng)判據(jù)不受穩(wěn)態(tài)不平衡電流影響，只反映零序故障分量，因此具有很高的靈敏度；

（4）能區(qū)分系統(tǒng)純振蕩和振蕩中發(fā)生故障2種不同狀況，振蕩時(shí)發(fā)生相間故障或單相經(jīng)過(guò)渡電阻接地，均能可靠啟動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)的不足，提出了同步變化量啟動(dòng)判據(jù)，在PSCAD/EMTDC建立相應(yīng)的仿真。仿真結(jié)果表明，同步變化量啟動(dòng)元件具有較高的靈敏度，可以反應(yīng)系統(tǒng)經(jīng)高阻接地故障、以及在系統(tǒng)振蕩過(guò)程中發(fā)生故障時(shí)均能啟動(dòng)，而在系統(tǒng)純振蕩下能可靠不啟動(dòng)，同時(shí)啟動(dòng)時(shí)間快于常規(guī)電流啟動(dòng)元件，可以為超高壓線路保護(hù)提供一種新的啟動(dòng)判據(jù)方法。

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（本文編輯：楊勇）

Research on the Criterion of UHV Line Protection Based on Synchronous Variation

JIN Chaojie1，CHEN Xiaoming2，LI Deli2
（1.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310000，China；2.NR Electric Co.，Ltd.，Nanjing 211100，China）

UHV line protection devices are easily affected by load fluctuation.Lines with asymmetric load carry larger zero-sequence current in normal operation.So the starting value has to be increased to prevent frequent starts.Therefore，sensitivity of starting components is reduced and faults due to high resistance grounding cannot be sensitively determined by existing criterion of zero-sequence current，which fails to meet the requirement of UHV lines on rapidity of starting component.This paper puts forward a new starting algorithm, in which interphase startup criterion is based on phase-to-phase synchronous current variation value with synchronous current variation value abrupt change，zero sequence startup criterion is based on the mutations current synchronous variation value of zero sequence compare with the abrupt change of phase current value.It is proved by PSCAD/EMTDC simulation that starting criterion based on synchronous variation can improve sensitivity，rapidity and reliability of UHV line protection devices.

HV transmission line；protection；starting component；variation

TM773

A

1007-1881（2015）01-0001-05

2014-07-11

金超杰（1982），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)殡姎庵髟O(shè)備繼電保護(hù)。