康豐，齊以年，張瑋，劉慶海

(南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211100)

0 引言

距離保護的優(yōu)點之一是保護范圍明確、不受系統(tǒng)運行方式影響，作為后備保護被廣泛應(yīng)用于各電壓等級的線路保護。距離保護基于電壓和電流等電氣量構(gòu)成，為確保距離保護方向的正確性，距離保護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準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。目前距離保護的研究主要集中在110 kV及以上電壓等級系統(tǒng)的快速段保護范圍方面[3-10]，對不接地系統(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判別突變量方向，計算量較大，對于35 kV電壓等級的繼電保護來說消耗資源較多，存在應(yīng)用局限性。

本文對不接地系統(tǒng)的區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障進行分析，結(jié)合電流、電壓的特點在原有四邊形特性距離保護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)外故障距離保護誤動問題，并通過實時數(shù)字仿真儀(RTDS)仿真試驗驗證了此方法的可靠性。

1 距離保護的基本原理

目前的距離保護主要為測距式。測距式距離保護通過計算故障點到保護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、時域距離元件[11-13]等。

上述原理在實際應(yīng)用中會用到方向元件，通過方向元件來判別故障發(fā)生在線路的正方向還是反方向。通過方向元件和距離元件的綜合判斷，實現(xiàn)距離保護正確動作。

1.1 工頻量距離元件

工頻量距離保護的基本思想是通過故障全量網(wǎng)絡(luò)基本方程，求解得出保護安裝處到故障點的阻抗，進而確定故障距離。其測距基本方程為

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。距離保護的整定阻抗為Zset，通過比較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 時域距離元件

將式(1)寫為時域形式，即可得到時域距離元件的測距方程

(2)

式中：uw和iw分別為Uw和Iw的時域形式；Rk+Lw=Zset。由式(2)可知，時域距離元件的保護原理面向線路，與保護安裝處背側(cè)電源的特性無關(guān)。同時由于采用時域算法，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，時域距離元件仍具有良好的保護性能。

1.3 中性點不接地系統(tǒng)的距離保護的原理

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

Z??=(U?1-U?2)/(I?1-I?2) 。

(3)

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

當Z??

僅靠此判斷線路的區(qū)內(nèi)故障是不夠的，例如當在線路近端發(fā)生區(qū)外故障時，計算出來的阻抗小于Zset，此時還需增加方向判據(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，距離保護不動作，否則距離保護動作。常用的方向判別采用正序電壓與故障電流的角度差來判斷故障的方向，其公式如下

(4)

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

當Z??小于Zset且正序電壓與電流的方向為正方向時，允許距離保護動作，此時開始距離保護計時，當計時滿足距離保護延時后距離保護動作。

四邊形特性距離保護動作特性如圖1所示。

圖1 四邊形特性距離保護動作特性Fig.1 Distance protection action with quadrilateral characteristic

在圖1中，第2和第4象限虛線以上部分與實線之間的區(qū)間為距離保護的動作區(qū)間。

由圖1可知AB相間故障時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相間故障時的正序方向正向角度區(qū)間為95°～255°，CA相間故障時的正序方向正向角度區(qū)間為-145°～15°。

2 中性點不接地系統(tǒng)區(qū)外故障分析

在某一次中性點不接地系統(tǒng)RTDS試驗中，當線路兩端都有電源時，線路的區(qū)內(nèi)外故障距離保護裝置都能正確動作，但是當距離保護側(cè)有電源，另外一側(cè)沒有電源時，此時做線路區(qū)外故障試驗，發(fā)現(xiàn)距離保護誤動，其誤動時線路上的電流電壓波形如圖2所示。

圖2 距離保護誤動時的電流電壓波形Fig.2 Current and voltage waveform during the malfunction of distance protection

圖4 35 kV線路保護RTDS模型Fig.4 RTDS model of 35 kV line protection

對圖2進行分析可知，故障為線路區(qū)外BC相間故障。在距離保護動作時刻，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)計算正序電壓與相間電流，結(jié)果見表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個相間電流為正方向電流，此時BC相間阻抗小于1 Ω，其小于距離保護定值，故距離保護動作。

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

3 正序電壓方向判別的改進方案

通過對圖2中波形做進一步分析，發(fā)現(xiàn)在此種故障類型中線路上的電流較故障前電流變小，可以做如下改進。

(1)通過電壓來判斷發(fā)生的故障類型。當某一相間電壓小于10 V且正序電壓大于10 V時，則一定為相間電壓發(fā)生故障。

(2)比較電流的變化。當保護啟動時，記住此時負荷電流的最大相電流，保護啟動后10 ms開始計算保護啟動后的正序電流，如果正序電流小于最大相電流的0.80倍，則認為電流變小。

(3)負序電流和正序電流的比較。保護啟動10 ms后，開始計算三相電流的負序電流和正序電流，如果此時負序電流小于0.33倍正序電流，則認為不對稱故障開放條件不滿足。

上面的3個條件都滿足時，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試驗及結(jié)果分析

為驗證正序方向判別改進方案的正確性和可靠性，通過RTDS對判據(jù)進行數(shù)字仿真試驗，試驗?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°；架空線路長度10 km，R=0.147 1 Ω/km，X=0.429 9 Ω/km；電纜線路長度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；距離保護裝置安裝在架空線路M側(cè)。

此模型能夠充分模擬中性點不接地系統(tǒng)(兩端都接有電源、一端有電源一端無電源)各種類型的故障，能夠充分地驗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

故障點設(shè)在K2點，此時模擬區(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，當發(fā)生線路區(qū)內(nèi)故障時，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，正序電壓的方向為正方向，且阻抗?jié)M足定值條件，故距離保護動作。

4.2 區(qū)外故障

故障點設(shè)在K1點，此時模擬線路區(qū)外正常故障具體分析如下。

4.2.1 N側(cè)無小電源的區(qū)外故障

圖7為N側(cè)無小電源的線路區(qū)外AB相間故障的錄波圖，從圖7中可以分析出：當發(fā)生故障時，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，小于故障前的負荷電流有效值；此時線電壓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足閉鎖正序電壓方向的條件，此時即使正序方向元件滿足正方向條件，也判定為正序電壓方向為反方向，閉鎖距離保護。

圖7 N側(cè)無小電源的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)無小電源的線路區(qū)外ABC三相故障錄波圖，從圖8中可以分析出：當發(fā)生故障時，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判別方向，而在此種故障波形中，由于三相電流無流，則距離保護不動作。

圖8 N側(cè)無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，故開放正常的正序電壓方向判別。在圖9中，正序電壓方向為反方向，故閉鎖距離保護動作。

圖9 N側(cè)有小電源時的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

本文對距離保護的原理進行了初步介紹，并對中性點不接地系統(tǒng)單端電源線路區(qū)外故障時距離保護誤動進行了初步分析，進而提出來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電壓和電流的特征量做進一步判別，當此方法成立時能夠閉鎖正序方向判別。通過RTDS仿真試驗，證明該方法可行，能夠有效避免中性點不接地系統(tǒng)單端電源線路反向區(qū)外故障時距離保護誤動的問題，并且在正常中性點不接地兩端電源系統(tǒng)中也能適用，不會造成距離保護的誤動和拒動。