魯曉毅,鄭濤,代鈺欣,楊暢,宋宇飛

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,710049,西安)

輸電線路接地短路的后備保護(hù)一般采用接地距離保護(hù)和零序電流保護(hù)。接地距離保護(hù)具有保護(hù)范圍受運(yùn)行方式影響小[1-2]、較好的選擇性等優(yōu)點(diǎn),但固有缺陷是耐受過(guò)渡電阻的能力有限,在應(yīng)對(duì)高阻接地故障時(shí)靈敏性不足,因此必須配備零序電流保護(hù)。目前,利用零序電流構(gòu)成的后備保護(hù)在大接地電流系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用[3-11]。其中,傳統(tǒng)階段式定時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)的原理及構(gòu)成簡(jiǎn)單,但整定計(jì)算受電網(wǎng)運(yùn)行方式影響較大,且選擇性配合困難,存在單一故障導(dǎo)致大范圍多條線路無(wú)序動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)[12-13]。由于反時(shí)限電流保護(hù)具有“電流越大、動(dòng)作越快”的特點(diǎn),當(dāng)相鄰線路短路電流大小存在差異時(shí),反時(shí)限電流保護(hù)能自然實(shí)現(xiàn)上下級(jí)保護(hù)選擇性配合,因此逐漸得到了廣泛應(yīng)用[14-17]。

在實(shí)際應(yīng)用中,全網(wǎng)零序反時(shí)限保護(hù)選擇同一種反時(shí)限特性和統(tǒng)一定值[18],大部分情況下能夠保證選擇性。然而,當(dāng)同桿雙回線中某條線路發(fā)生故障時(shí),相鄰非故障線路流過(guò)的零序電流可能大于故障線路的零序電流,零序反時(shí)限電流保護(hù)將發(fā)生誤動(dòng)。針對(duì)此問(wèn)題,文獻(xiàn)[19-20]提出了基于廣域信息的改進(jìn)算法,引入算子調(diào)整保護(hù)動(dòng)作時(shí)間,但該方法需要采用廣域信息,即涉及通信問(wèn)題,對(duì)于后備保護(hù)而言實(shí)現(xiàn)難度大且成本較高。文獻(xiàn)[21-22]基于零序功率方向,通過(guò)改變時(shí)間整定系數(shù)對(duì)故障線路的保護(hù)進(jìn)行加速動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)了相鄰線路的選擇性配合。文獻(xiàn)[23]提出了“引入電壓及變速因子”的改進(jìn)方法,但在原理上不完善,且正確性和適用性有待驗(yàn)證。文獻(xiàn)[24]提出了結(jié)合接地距離元件和增加零序反時(shí)限過(guò)流加速系數(shù)的改進(jìn)策略,以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)分段加速切除故障,但此方法整定計(jì)算工作量大。此外,以上方法都需要零序反時(shí)限保護(hù)投入方向元件。但高阻接地時(shí),由于保護(hù)安裝處的零序電壓較小,導(dǎo)致方向元件往往不能正確動(dòng)作[25]。考慮到零序反時(shí)限電流保護(hù)用于切除高阻接地故障的定位,以上方法在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)存在一些問(wèn)題。

線路發(fā)生故障時(shí),流過(guò)故障線路兩端保護(hù)的電流一般不相等,文獻(xiàn)[21-26]針對(duì)零序電流大的一側(cè)保護(hù)與相鄰非故障線路保護(hù)的配合問(wèn)題,提出了相應(yīng)的解決方案。而文獻(xiàn)[13]指出,零序電流小的一側(cè)保護(hù)與相鄰非故障線路保護(hù)同樣存在配合問(wèn)題,但到目前為止,還沒(méi)有文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行專門研究。

本文通過(guò)分析上述問(wèn)題產(chǎn)生的原因,提出了基于零序電流有效值與相位突變量判據(jù)的零序反時(shí)限電流保護(hù)方法。所提方法原理簡(jiǎn)單,整定工作量小,且無(wú)需投入方向元件,不受高阻接地的影響,能有效防止相鄰非故障線路零序反時(shí)限電流保護(hù)先于故障線路中零序電流小的一側(cè)保護(hù)動(dòng)作,提高了零序反時(shí)限電流保護(hù)的選擇性。電磁暫態(tài)仿真軟件(PSCAD)的仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 零序反時(shí)限電流保護(hù)特性分析

1.1 特性方程

根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家電網(wǎng)公司《線路保護(hù)及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范》,線路零序反時(shí)限電流保護(hù)采用正常反時(shí)限特性方程表示,寫為

(1)

式中:t(3I0)為反時(shí)限曲線計(jì)算時(shí)間;I0為零序電流有效值;Ip為啟動(dòng)電流定值;tp為時(shí)間系數(shù)定值。

1.2 動(dòng)作邏輯

線路零序反時(shí)限電流保護(hù)的動(dòng)作邏輯如圖1所示。圖中,反時(shí)限曲線計(jì)算時(shí)間t(3I0)由電流定值Ip和時(shí)間定值tp共同決定,故線路零序反時(shí)限電流保護(hù)整定涉及4個(gè)定值:Ip、tp、th、tx。其中,th為零序反時(shí)限配合時(shí)間,tx為零序反時(shí)限最小時(shí)間。

由圖1,零序反時(shí)限電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間可表示為

td=max{t(3I0),th}+tx

(2)

在零序反時(shí)限電流保護(hù)的整定中,主要通過(guò)th與tx時(shí)間的整定,躲開(kāi)自動(dòng)重合閘的延時(shí)以及接地距離保護(hù)和三相不一致保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間,其中th宜小于t(3I0),以使保護(hù)始終保持反時(shí)限特性;而相鄰線路零序反時(shí)限電流保護(hù)間的動(dòng)作級(jí)差要求,可通過(guò)Ip與tp時(shí)間的整定滿足。

1.3 零序反時(shí)限電流保護(hù)相繼動(dòng)作情況分析

線路發(fā)生故障時(shí),流過(guò)故障線路兩端保護(hù)的電流一般不相等。本文中,定義故障線路中流過(guò)零序電流較大的保護(hù)為先動(dòng)保護(hù),流過(guò)零序電流較小的保護(hù)為后動(dòng)保護(hù),與先動(dòng)保護(hù)相鄰的非故障線路上的保護(hù)為近側(cè)保護(hù),與后動(dòng)保護(hù)相鄰的非故障線路上的保護(hù)為遠(yuǎn)側(cè)保護(hù)。此外,若故障線路為平行雙回線中的一回,則平行雙回線中非故障線路上的保護(hù)定義為平行保護(hù)。

設(shè)先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為tdx,表示為

(3)

則定義滿足式(3)的零序電流I0為臨界電流Ix。

圖1中的t(3I0)元件,是通過(guò)電流與時(shí)間的積分來(lái)實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)累積量達(dá)到動(dòng)作門檻時(shí),則滿足t(3I0)元件的要求,隨后進(jìn)入tx元件的固定延時(shí),此時(shí)動(dòng)作時(shí)間與電流值無(wú)關(guān),只要3I0>Ip,保護(hù)將正常動(dòng)作。

先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后,流過(guò)其余保護(hù)的電流將會(huì)發(fā)生變化。設(shè)在先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作前,流過(guò)某保護(hù)的零序電流為Iq,先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后,流過(guò)該保護(hù)的零序電流為Ih。若Iq>Ix,則在tdx時(shí)間內(nèi),該保護(hù)已進(jìn)入tx環(huán)節(jié),先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后,該保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間與Ih無(wú)關(guān);若Iq

(4)

式中:t′為先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后,該保護(hù)處于反時(shí)限曲線計(jì)算環(huán)節(jié)的時(shí)間;td為該保護(hù)總的動(dòng)作時(shí)間。

2 零序電流分布特征與保護(hù)動(dòng)作情況分析

2.1 單回線故障時(shí)的零序電流分布特征

含單回線的輸電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中數(shù)字1～10代表保護(hù)編號(hào),線路L零序阻抗為ZL,母線A左側(cè)系統(tǒng)等值零序阻抗為ZA,母線B右側(cè)系統(tǒng)等值零序阻抗為ZB。設(shè)線路L發(fā)生故障,故障位置距母線A的距離與線路L全長(zhǎng)之比為α,保護(hù)動(dòng)作前的電流下標(biāo)為q,保護(hù)動(dòng)作后的電流下標(biāo)為h。先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作前后,各支路上零序電流的方向如圖2(a)和2(b)所示。其中,IFq為先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作前故障點(diǎn)的零序電流,IFh為先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后故障點(diǎn)的零序電流。

(a)先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作前

(b)先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后

根據(jù)回路電流法,可得到I5q與I6q的關(guān)系,如下所示

(5)

由式(5)可見(jiàn),隨著α增大,分子減小分母增大,即I5q與I6q的比值隨α增大而單調(diào)遞減。式(5)中,若令I(lǐng)5q=I6q,可定義臨界位置α0,如下所示

(6)

當(dāng)α<α0時(shí),I5q>I6q,保護(hù)5將先于保護(hù)6動(dòng)作,此時(shí)保護(hù)5為先動(dòng)保護(hù),保護(hù)6為后動(dòng)保護(hù),保護(hù)1～4為近側(cè)保護(hù),保護(hù)7～10為遠(yuǎn)側(cè)保護(hù)。由于各母線上都接有多條支路,故流過(guò)保護(hù)1～4的電流Iq小于流過(guò)保護(hù)5的電流Iq,因此不會(huì)先于保護(hù)5動(dòng)作。同理,保護(hù)7～10不會(huì)先于保護(hù)6動(dòng)作,但保護(hù)1～4上的電流Iq有可能會(huì)大于保護(hù)6的電流Iq。

在以下分析中,假設(shè)I1q～I(xiàn)4q>I6q。若I1q～I(xiàn)4q>Ix,則在tdx時(shí)間內(nèi),保護(hù)1～4先于保護(hù)6進(jìn)入tx時(shí)間環(huán)節(jié),保護(hù)5動(dòng)作后,由于高壓輸電網(wǎng)為環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),I1h～I(xiàn)4h一般不會(huì)減小為0,此時(shí)各支路的零序電流方向如圖2(b)所示。若流過(guò)保護(hù)1～4的電流3Ih大于Ip,則保護(hù)將繼續(xù)動(dòng)作,且動(dòng)作時(shí)間與3Ih無(wú)關(guān),保護(hù)1～4將先于保護(hù)6動(dòng)作。若I1q～I(xiàn)4qI6q,保護(hù)1～4就可能先于保護(hù)6動(dòng)作。同理,當(dāng)I5q

保護(hù)5動(dòng)作前,I5q和I6q從IFq分得零序電流且I5q>I6q,I1q～I(xiàn)4q從I5q分得電流;保護(hù)5動(dòng)作后,I6h分得IFh的全部電流,其有效值將增大,而I1h～I(xiàn)4h只能通過(guò)電網(wǎng)中的環(huán)流分得電流,其有效值將減小。即單回線故障時(shí),先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作前后,流過(guò)近側(cè)保護(hù)的零序電流減小,流過(guò)后動(dòng)保護(hù)的零序電流增大。

對(duì)比圖2(a)和2(b)可以發(fā)現(xiàn),保護(hù)5動(dòng)作前后,流過(guò)保護(hù)1～4的電流方向改變,流過(guò)保護(hù)6的電流方向不變。這表明單回線故障時(shí),先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作前后,流過(guò)近側(cè)保護(hù)的零序電流方向改變,流過(guò)后動(dòng)保護(hù)的零序電流方向不變。

2.2 雙回線故障時(shí)的零序電流分布特征

含雙回線的輸電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)如圖3所示,其中,數(shù)字1～12代表保護(hù)編號(hào),線路L1、L2為同桿雙回線,零序阻抗分別為ZL1和ZL2,零序互阻抗為Zm,母線A左側(cè)系統(tǒng)等值零序阻抗為ZA,母線B右側(cè)系統(tǒng)等值零序阻抗為ZB。設(shè)線路L2發(fā)生故障,故障位置距母線A的距離與線路L2全長(zhǎng)之比為α,保護(hù)動(dòng)作前的電流下標(biāo)為q,保護(hù)動(dòng)作后的電流下標(biāo)為h。保護(hù)動(dòng)作前,各支路上零序電流的方向如圖3(a)所示。

根據(jù)回路電流法,可得到I5q、I7q、I8q之間的關(guān)系,如下所示

(7)

(8)

式中:Z′L1=ZL1-Zm;Z′L2=ZL2-Zm。

式(7)中,隨著α增大,分子減小分母增大,即I7q與I8q的比值隨α增大而單調(diào)遞減。此時(shí),若令I(lǐng)7q=I8q,可定義臨界故障位置α1,如下所示

α1=

(9)

式(8)中,若令I(lǐng)5q=0,可定義臨界故障位置α2,如下所示

(10)

當(dāng)α<α1時(shí),I7q>I8q,保護(hù)7將先于保護(hù)8動(dòng)作。I1q～I(xiàn)4q從I7q分得電流,I9q～I(xiàn)12q從I8q分得電流,假設(shè)保護(hù)1～4不會(huì)先于保護(hù)7動(dòng)作,保護(hù)9～12不會(huì)先于保護(hù)8動(dòng)作,這與實(shí)際系統(tǒng)中絕大多數(shù)情況相符。由于I7q>I8q,則I1q～I(xiàn)4q可能大于I8q。保護(hù)7動(dòng)作后,若流過(guò)其余保護(hù)的電流3Ih大于Ip,則保護(hù)將繼續(xù)動(dòng)作。與單回線故障類似,無(wú)論I1q～I(xiàn)4q與Ix的大小關(guān)系如何,只要I1q～I(xiàn)4q>I8q,都存在保護(hù)1～4先于保護(hù)8動(dòng)作的可能性。同理,當(dāng)I7q

保護(hù)7動(dòng)作前,I7q和I8q從IFq分得零序電流且I7q>I8q,I1q～I(xiàn)4q從I7q分得電流;保護(hù)7動(dòng)作后,I8h分得IFh的全部電流,其有效值將增大,I1h～I(xiàn)4h從I5h分得電流,由于I5h

保護(hù)7動(dòng)作后,各線路流過(guò)的零序電流方向如圖3(b)所示。對(duì)比圖3(a)和3(b)可以發(fā)現(xiàn),保護(hù)7動(dòng)作前后,流過(guò)保護(hù)1～4、保護(hù)8的零序電流方向不變。這表明雙回線故障時(shí),先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作前后,流過(guò)近側(cè)保護(hù)的零序電流方向不變,流過(guò)后動(dòng)保護(hù)的零序電流方向也不變。

對(duì)于雙回線中的非故障線路,保護(hù)7動(dòng)作前,流過(guò)其的零序電流方向不定,需分情況討論。

當(dāng)0<α<α2時(shí),雙回線中的非故障線路中實(shí)際電流方向與I6q相同,隨著α增大,式(8)的分子減小而分母增大,比值單調(diào)遞減,當(dāng)α=0時(shí),有

(11)

若ZL2>ZL1,則在α=0附近區(qū)間,將有I5q>I8q,保護(hù)5、6可能先于保護(hù)8動(dòng)作,保護(hù)7動(dòng)作后,流過(guò)保護(hù)5、6的零序電流可能增大或減小,方向變?yōu)榕cI5h相同,即0<α<α1時(shí),先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作前后,流過(guò)平行保護(hù)的零序電流可能增大或減小,方向改變。當(dāng)α=α2時(shí),保護(hù)7動(dòng)作前,I5q=0,保護(hù)7動(dòng)作后,流過(guò)保護(hù)5、6的零序電流必然增大;當(dāng)α>α2時(shí),保護(hù)7動(dòng)作前后,雙回線中的非故障線路中實(shí)際電流方向均與I5q(I5h)相同,即流過(guò)平行保護(hù)的零序電流方向不變。但根據(jù)基爾霍夫電流定律,雙回線中的非故障線路和母線B上其它支路均從I8q分得電流,故I5q、I6q將遠(yuǎn)小于I8q,保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。同理,當(dāng)I7qZL1,在α=1附近區(qū)間,保護(hù)5、6有可能先于保護(hù)7動(dòng)作。

本節(jié)分析了近側(cè)保護(hù)和平行保護(hù)的電流大于后動(dòng)保護(hù)的電流而導(dǎo)致誤動(dòng)的情況。此外,若流過(guò)近側(cè)保護(hù)和平行保護(hù)的零序電流小于流過(guò)后動(dòng)保護(hù)的零序電流,且二者相差不大,此時(shí)將再不滿足動(dòng)作級(jí)差的要求?？紤]到保護(hù)分閘時(shí)間和時(shí)間繼電器的正負(fù)誤差等因素[17],不滿足動(dòng)作級(jí)差要求的情況也可能造成近側(cè)保護(hù)和平行保護(hù)誤動(dòng)。

綜上所述,可得到以下結(jié)論。

(1) 單回線或雙回線發(fā)生故障時(shí),近側(cè)保護(hù)的零序電流可能大于后動(dòng)保護(hù)的零序電流,或二者相差不大,保護(hù)將誤動(dòng)。

(2) 雙回線發(fā)生故障時(shí),平行保護(hù)的零序電流可能大于后動(dòng)保護(hù)的零序電流,或二者相差不大,保護(hù)將誤動(dòng)。

3 基于零序電流有效值與相位突變量判據(jù)的零序反時(shí)限電流保護(hù)

通過(guò)對(duì)先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作前后各線路中零序電流有效值和方向的變化進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn):

(1)單回線發(fā)生故障,先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后,流過(guò)近側(cè)保護(hù)的零序電流將減小,方向改變;流過(guò)后動(dòng)保護(hù)的零序電流將增大,方向不變。

(2) 雙回線發(fā)生故障,先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后,流過(guò)近側(cè)保護(hù)的零序電流將減小,方向不變;流過(guò)后動(dòng)保護(hù)的零序電流將增大,方向不變。

(3) 雙回線發(fā)生故障,先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后,流過(guò)平行保護(hù)的零序電流可能增大或減小,方向可能改變,也可能不變。若方向不變,平行保護(hù)不會(huì)先于后動(dòng)保護(hù)動(dòng)作,即只有在方向改變的情況下平行保護(hù)才可能誤動(dòng)。

基于先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作前后,其余線路中零序電流的有效值與方向發(fā)生變化的特點(diǎn),可在零序反時(shí)限電流保護(hù)動(dòng)作邏輯中增加檢測(cè)零序電流有效值與相位突變量的判據(jù),如下所示

(12)

(13)

電流相位突變量判據(jù)原理上依靠電流方向的突變,無(wú)需采集零序電壓。對(duì)于電流方向發(fā)生突變的線路,相位突變量在180°附近;對(duì)于電流方向未發(fā)生突變的線路,相位突變量在0°附近,不受高阻接地的影響。

增加零序電流有效值與相位突變量判據(jù)后的零序反時(shí)限電流保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖4所示。

圖4 基于電流有效值與相位突變量判據(jù)的保護(hù)動(dòng)作邏輯 Fig.4 Action logic based on current effective value and phase mutation criterion

由圖4可見(jiàn),當(dāng)電流3I0大于Ip時(shí),零序電流有效值突變量與相位突變量檢測(cè)元件將會(huì)啟動(dòng)。實(shí)際應(yīng)用中,需先確定零序反時(shí)限電流保護(hù)的定值及上下級(jí)線路最小的動(dòng)作時(shí)間級(jí)差Δtm。令Δt<Δtm,即可保證該判據(jù)在相鄰線路誤動(dòng)前啟動(dòng),Δt越小,該判據(jù)生效所需時(shí)間越短。此外,由于受衰減直流分量的影響[26-27],前幾個(gè)周波內(nèi)得到的相角值不準(zhǔn)確。設(shè)前幾個(gè)周波時(shí)間為Δte,延時(shí)元件Δt1的作用為防止誤判,只有在Δt1時(shí)間內(nèi)始終滿足判據(jù)才會(huì)輸出高電平信號(hào)。在Δte時(shí)間內(nèi),可能存在原本不滿足判據(jù)的保護(hù),由于受衰減直流分量的影響從而滿足了判據(jù),也可能存在原本滿足判據(jù)的保護(hù)變得不滿足判據(jù)。故設(shè)置Δte<Δt1<Δt-Δte,可避免由于衰減直流分量引起的該判據(jù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。

故障發(fā)生后,先動(dòng)保護(hù)將按照正常的反時(shí)限邏輯動(dòng)作。先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后,對(duì)于單回線相鄰的近側(cè)保護(hù),將滿足式(12)和(13);對(duì)于雙回線相鄰的近側(cè)保護(hù),將滿足式(12);對(duì)于雙回線中的平行保護(hù),若電流方向發(fā)生突變,則滿足式(13)。不論單回線還是雙回線故障,后動(dòng)保護(hù)將不受判據(jù)影響而正常動(dòng)作。

對(duì)于滿足式(12)或(13)的保護(hù),無(wú)論其處于哪個(gè)環(huán)節(jié),都將在重新計(jì)時(shí)命令的作用下回到t(3I0)環(huán)節(jié)重新計(jì)時(shí)。由于先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后,流過(guò)后動(dòng)保護(hù)的電流最大,故其它保護(hù)重新計(jì)時(shí)后將不會(huì)再誤動(dòng)。

4 仿真分析

根據(jù)文獻(xiàn)[8]和[16]中的整定原則,為躲開(kāi)重合閘延時(shí)及接地距離保護(hù)、三相不一致保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間,應(yīng)有th+tx≥3 s,即零序反時(shí)限電流保護(hù)間的動(dòng)作級(jí)差應(yīng)大于0.3 s。根據(jù)此原則,本文中零序反時(shí)限電流保護(hù)的定值參數(shù)如表1所示。

表1 零序反時(shí)限電流保護(hù)的定值設(shè)置

采用PSCAD軟件建立如圖5所示的750 kV環(huán)網(wǎng)模型,阻抗參數(shù)如表2所示。設(shè)置故障位置為α=0,0.5,1.0,在0.1 s發(fā)生故障,0.6 s先動(dòng)保護(hù)切除,1.2 s后動(dòng)保護(hù)切除。對(duì)于有效值突變量和相位突變量判據(jù),設(shè)置Δt=0.08 s,Δt1=0.04 s,Id=300 A,θd=90°。

圖5 PSCAD仿真模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of PSCAD simulation model

表2 仿真模型中的阻抗參數(shù)

4.1 單回線單相接地故障

單回線發(fā)生金屬性故障時(shí),流過(guò)各保護(hù)的零序電流與動(dòng)作時(shí)間如表3所示,其中,3Iq為先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作前的3倍零序電流,3Ih為先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后的3倍零序電流,3ΔI=3Ih-3Iq,①、②、③分別為第1、2、3個(gè)動(dòng)作。

表3 單回線不同故障位置下流過(guò)保護(hù)的零序電流與動(dòng)作時(shí)間

由表3可見(jiàn),當(dāng)α=0時(shí),流過(guò)保護(hù)9的電流3Iq最大,其動(dòng)作時(shí)間為3.295 s,對(duì)應(yīng)的電流3Ix為1.056 kA。此時(shí),保護(hù)9為先動(dòng)保護(hù),保護(hù)10為后動(dòng)保護(hù),保護(hù)5～8為近側(cè)保護(hù),流過(guò)保護(hù)5～8、10的電流3Iq均大于3Ix,且流過(guò)保護(hù)5～8的電流3Iq大于保護(hù)10的電流3Iq,因此存在誤動(dòng)的可能性。但由于保護(hù)9動(dòng)作后,保護(hù)5～8的電流3Ih小于300 A,故不會(huì)誤動(dòng)。當(dāng)α=0.5時(shí),流過(guò)保護(hù)9、10的電流3Iq相差不大,且均大于流過(guò)其它保護(hù)的電流,動(dòng)作級(jí)差滿足要求。當(dāng)α=1.0時(shí),故障發(fā)生后,流過(guò)保護(hù)10的電流3Iq最大,其動(dòng)作時(shí)間為3.316 s,對(duì)應(yīng)的電流3Ix為1.048 kA。此時(shí),保護(hù)10為先動(dòng)保護(hù),保護(hù)9為后動(dòng)保護(hù),保護(hù)11～14為近側(cè)保護(hù),流過(guò)保護(hù)11～14的電流3Iq小于保護(hù)9的電流3Iq,且保護(hù)9動(dòng)作后,流過(guò)保護(hù)11～14的電流3Ih小于300 A,故不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。

從有效值變化情況上看,在以上3個(gè)故障位置,先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后,后動(dòng)保護(hù)的電流有效值均增大,近側(cè)保護(hù)的電流有效值均減小且減小量大于Id。這表明先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后,后動(dòng)保護(hù)不能滿足有效值突變量判據(jù),而近側(cè)保護(hù)則能滿足。

當(dāng)α=0時(shí),保護(hù)5～8、10以及11～14零序電流的相位變化量如圖6所示。

圖6 各保護(hù)零序電流的相位變化量Fig.6 Phase change of zero sequence current for each protection

由圖6可見(jiàn),在0.6 s時(shí),保護(hù)9動(dòng)作,保護(hù)10、保護(hù)11～14零序電流的相位突變量基本無(wú)變化,保護(hù)5～8零序電流的相位突變量大于90°且持續(xù)時(shí)間大于0.04 s。由于α=0.5、1.0時(shí)的波形與α=0時(shí)相類似,所以不再單獨(dú)列出。因此可知,先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后,后動(dòng)保護(hù)不滿足相位突變量判據(jù),而近側(cè)保護(hù)可滿足相位突變量判據(jù)。

另外還發(fā)現(xiàn),當(dāng)單回線故障時(shí),先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后,由于近側(cè)保護(hù)只能通過(guò)環(huán)網(wǎng)獲得電流,流過(guò)的零序電流較小,達(dá)不到啟動(dòng)電流Ip值,于是近側(cè)保護(hù)將會(huì)在瞬間返回,故而單回線故障時(shí),近側(cè)保護(hù)誤動(dòng)的可能性很小。

在表3中,由于在金屬性接地時(shí)近側(cè)保護(hù)不會(huì)誤動(dòng),則經(jīng)過(guò)渡電阻接地時(shí)更不會(huì)誤動(dòng)。即使某種情況下,先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后近側(cè)保護(hù)的零序電流大于啟動(dòng)定值,也能依靠有效值突變量判據(jù)和相位突變量判據(jù)將近側(cè)保護(hù)重新計(jì)時(shí),防止其先于后動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

4.2 雙回線單相接地故障

雙回線發(fā)生金屬性故障時(shí),流過(guò)各保護(hù)的零序電流與動(dòng)作時(shí)間如表4所示。

表4 雙回線不同故障位置下流過(guò)保護(hù)的零序電流與動(dòng)作時(shí)間

由表4可見(jiàn),當(dāng)α=0時(shí),故障發(fā)生后,流過(guò)保護(hù)1的電流3Iq最大,其動(dòng)作時(shí)間為3.234 s,對(duì)應(yīng)的電流3Ix為1.082 kA。此時(shí),保護(hù)1為先動(dòng)保護(hù),保護(hù)2為后動(dòng)保護(hù),保護(hù)3、4為平行保護(hù),保護(hù)5～8為近側(cè)保護(hù),流過(guò)所有保護(hù)的電流3Iq均大于3Ix,其中流過(guò)保護(hù)3、4的電流3Iq與保護(hù)2的電流3Iq基本相同,流過(guò)保護(hù)5～8的電流3Iq大于保護(hù)2的電流3Iq。保護(hù)1動(dòng)作后,流過(guò)其余保護(hù)的電流3Ih均大于300 A,因此將繼續(xù)動(dòng)作,此時(shí)保護(hù)3～8將誤動(dòng)。當(dāng)α=0.5時(shí),流過(guò)保護(hù)1、2的電流3Iq相差不大,且均大于流過(guò)其它保護(hù)的電流,動(dòng)作級(jí)差滿足要求。當(dāng)α=1.0時(shí),故障發(fā)生后,流過(guò)保護(hù)2的電流3Iq最大,其動(dòng)作時(shí)間為3.348 s,對(duì)應(yīng)的電流3Ix為1.036 kA。此時(shí),保護(hù)2為先動(dòng)保護(hù),保護(hù)1為后動(dòng)保護(hù),保護(hù)3、4為平行保護(hù),保護(hù)11～14為近側(cè)保護(hù),流過(guò)保護(hù)1、3、4、11～14的電流3Iq大于3Ix,流過(guò)保護(hù)3、4、11～14的電流3Iq均大于保護(hù)1的電流3Iq。保護(hù)2動(dòng)作后,流過(guò)保護(hù)1、3、4、11～14的電流3Ih均大于啟動(dòng)電流,因此將繼續(xù)動(dòng)作,此時(shí)保護(hù)3、4、11～14將誤動(dòng)。

當(dāng)α=1.0時(shí),不同過(guò)渡電阻Rg下流過(guò)各保護(hù)的零序電流與動(dòng)作時(shí)間如表5所示。

表5 不同過(guò)渡電阻下流過(guò)保護(hù)的零序電流與動(dòng)作時(shí)間

由表5可見(jiàn),當(dāng)Rg=50 Ω時(shí),保護(hù)2的動(dòng)作時(shí)間為3.778 s,對(duì)應(yīng)的電流3Ix為0.901 kA,流過(guò)保護(hù)1、3、4、11～14的電流3Iq均大于3Ix。保護(hù)2動(dòng)作后,流過(guò)保護(hù)1、3、4、11～14的電流3Ih均大于300 A,于是將繼續(xù)動(dòng)作,此時(shí)保護(hù)3、4、11～14將誤動(dòng)。當(dāng)Rg=80 Ω時(shí),保護(hù)2動(dòng)作時(shí)間為3.992 s,對(duì)應(yīng)的電流3Ix為0.850 kA,流過(guò)保護(hù)1、3、4、11～14 的電流3Iq均小于3Ix。保護(hù)2動(dòng)作后,流過(guò)保護(hù)1、3、4、11～14的電流3Ih均大于啟動(dòng)電流,于是將繼續(xù)動(dòng)作,此時(shí)根據(jù)式(4)計(jì)算出它們的動(dòng)作時(shí)間,可發(fā)現(xiàn)保護(hù)3、4不會(huì)先于保護(hù)1動(dòng)作,但由于動(dòng)作級(jí)差不滿足要求,保護(hù)11～14仍先于保護(hù)2動(dòng)作,此時(shí)保護(hù)3、4、11～14將誤動(dòng)。當(dāng)Rg=90 Ω時(shí),保護(hù)2的動(dòng)作時(shí)間為4.058 s,對(duì)應(yīng)的電流3Ix為0.836 kA,流過(guò)保護(hù)1、3、4、11～14的電流3Iq均小于3Ix。保護(hù)2動(dòng)作后,流過(guò)保護(hù)1、3、4、11～14的電流3Ih均大于啟動(dòng)電流,于是將繼續(xù)動(dòng)作,此時(shí)根據(jù)式(4)計(jì)算出它們的動(dòng)作時(shí)間,可發(fā)現(xiàn)保護(hù)3、4、11～14不會(huì)先于保護(hù)2動(dòng)作,且動(dòng)作級(jí)差滿足要求,不會(huì)誤動(dòng)。當(dāng)Rg=200 Ω時(shí),保護(hù)2的動(dòng)作時(shí)間為4.736 s,對(duì)應(yīng)的電流3Ix為0.722 kA,流過(guò)保護(hù)1、3、4、11～14的電流3Iq均小于3Ix。保護(hù)2動(dòng)作后,流過(guò)保護(hù)1、3、4的電流3Ih均大于啟動(dòng)電流,于是將繼續(xù)動(dòng)作,此時(shí)根據(jù)式(4)計(jì)算出它們的動(dòng)作時(shí)間,可發(fā)現(xiàn)保護(hù)3、4不會(huì)先于保護(hù)2動(dòng)作,且動(dòng)作級(jí)差滿足要求,不會(huì)誤動(dòng);而此時(shí),保護(hù)11～14的電流3Ih小于啟動(dòng)電流,已不會(huì)再動(dòng)作。

以上仿真結(jié)果表明,在線路兩側(cè)出口處發(fā)生故障時(shí),流過(guò)先動(dòng)保護(hù)的電流遠(yuǎn)大于后動(dòng)保護(hù)的電流,近側(cè)保護(hù)的電流大于后動(dòng)保護(hù)的電流的可能性也較大,此時(shí)較易發(fā)生誤動(dòng);而當(dāng)故障位置向線路中間移動(dòng)時(shí),近側(cè)保護(hù)的電流大于后動(dòng)保護(hù)的電流的可能性減小,不易發(fā)生誤動(dòng)。當(dāng)故障點(diǎn)存在一定的過(guò)渡電阻時(shí),仍會(huì)存在近側(cè)保護(hù)及雙回線中非故障線路的保護(hù)與后動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不滿足級(jí)差要求的情況。隨著過(guò)渡電阻的增大,臨界電流Ix減小,同時(shí)流過(guò)近側(cè)保護(hù)和平行保護(hù)的電流3Iq將逐漸由大于Ix變?yōu)樾∮贗x。當(dāng)過(guò)渡電阻增大到某一臨界值時(shí),近側(cè)保護(hù)和平行保護(hù)將不會(huì)再誤動(dòng)。

從有效值變化情況來(lái)看,在3個(gè)不同的故障位置,先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后,后動(dòng)保護(hù)的電流有效值均增大,近側(cè)保護(hù)的電流有效值均減小,因此,通過(guò)引入有效值突變量判據(jù)可以防止近側(cè)保護(hù)誤動(dòng)。當(dāng)Rg=90 Ω時(shí),流過(guò)保護(hù)11～14的電流3ΔI最小,為-390 A,故將Id設(shè)置為300 A,能夠保證有效值突變量判據(jù)正確動(dòng)作,且具有足夠的靈敏度。當(dāng)Rg≥90 Ω時(shí),已不會(huì)再發(fā)生誤動(dòng),因此不需要該判據(jù)啟動(dòng)。實(shí)際應(yīng)用中,可以通過(guò)降低電流Id的值,提升該判據(jù)對(duì)過(guò)渡電阻的耐受能力,以保證零序反時(shí)限電流保護(hù)在任何過(guò)渡電阻下都不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。當(dāng)α=0、0.5、1.0時(shí),經(jīng)過(guò)渡電阻接地先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后,平行保護(hù)的電流有效值增大;而當(dāng)α=1.0金屬接地時(shí),平行保護(hù)的電流有效值減小,因此,有效值突變量判據(jù)無(wú)法防止平行保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)。

當(dāng)α=1.0時(shí),不同過(guò)渡電阻Rg下各保護(hù)零序電流的相位變化量如圖7所示。

(b)Rg=80 Ω

(c)Rg=200 Ω

由圖7可見(jiàn),在不同過(guò)渡電阻下,當(dāng)保護(hù)2動(dòng)作后,保護(hù)1、5～8、11～14零序電流的相位變化量均遠(yuǎn)小于90°,而保護(hù)3、4零序電流的相位變化量均大于90°且持續(xù)時(shí)間大于0.04 s。因此可知,雙回線故障時(shí),先動(dòng)保護(hù)動(dòng)作前后,后動(dòng)保護(hù)和近側(cè)保護(hù)不滿足相位突變量判據(jù),而平行保護(hù)滿足相位突變量判據(jù),此時(shí)引入零序電流相位突變量判據(jù)可防止平行保護(hù)誤動(dòng)。

4.3 雙回線兩相接地故障

兩相接地與單相接地,僅在零序電流的大小上有所區(qū)別,在出現(xiàn)零序電流這一本質(zhì)現(xiàn)象上基本沒(méi)有區(qū)別。下面,以α=0時(shí)雙回線兩相金屬性接地故障為例,說(shuō)明所提方法在兩相接地時(shí)的適用性。表6給出了雙回線兩相金屬性接地故障時(shí),流過(guò)保護(hù)的零序電流與動(dòng)作時(shí)間。兩相接地時(shí)各保護(hù)零序電流的相位變化量如圖8所示。

表6 雙回線兩相接地故障時(shí)流過(guò)保護(hù)的零序電流與動(dòng)作時(shí)間

圖8 兩相接地時(shí)各保護(hù)零序電流的相位變化量 Fig.8 Phase change of zero sequence current for each protection during two-phase grounding

由表6可見(jiàn),保護(hù)3～8將誤動(dòng),其中保護(hù)5～8的有效值突變量為-4.524 kA,通過(guò)有效值突變量判據(jù)可以防止保護(hù)5～8發(fā)生誤動(dòng)。由圖8可見(jiàn),保護(hù)3、4的零序電流相位變化量大于90°,通過(guò)相位突變量判據(jù)可以防止保護(hù)3、4發(fā)生誤動(dòng)。由此可知,有效值突變量和相位突變量判據(jù)同樣適用于兩相接地的故障類型。

5 結(jié) 論

本文分析了單回線和雙回線發(fā)生接地故障時(shí),零序電流的分布特征以及故障線路中零序電流較大的一側(cè)保護(hù)動(dòng)作前后,其余各線路中零序電流有效值和方向的變化情況,提出了引入零序電流有效值突變量和相位突變量判據(jù)的零序反時(shí)限電流保護(hù)方案。通過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證,得到以下結(jié)論。

(1) 高壓電網(wǎng)發(fā)生接地故障,非故障線路的反時(shí)限零序電流保護(hù)可能先于故障線路中流過(guò)故障電流小的一側(cè)保護(hù)動(dòng)作。

(2)故障線路中零序電流較大的一側(cè)保護(hù)動(dòng)作后,流過(guò)相鄰非故障線路的零序電流有效值將減小,或方向突變;而對(duì)于故障線路中零序電流較小的一側(cè)保護(hù),流過(guò)其的零序電流有效值將增大,且方向不變。

(3) 通過(guò)在零序反時(shí)限電流保護(hù)中引入零序電流有效值突變量和相位突變量判據(jù),可以有效防止非故障線路的零序反時(shí)限電流保護(hù)誤動(dòng),且在經(jīng)過(guò)渡接地時(shí),該判據(jù)仍然適用。