基于对称分量突变量距离保护＊

2014-04-22杨武盖

江苏海洋大学学报(自然科学版) 2014年1期

杨武盖

（福建水利电力职业技术学院电力工程系，福建永安 366000）

0 引言

目前微机保护算法基本上是单相算法，从概念上讲，最简单的距离元件算法将处理6个单相距离元件方程［1］，在连续采样之间处理6个元件方程将会遇到困难，若采用给定的故障，仅某些会产生正确的故障距离。若故障类型不确定，所有的6个方程都必须处理，事实上对于任何故障只需要处理一个方程［2］。

对于相间、接地短路故障，若保护用一种算法时相当于感受到10种故障。由于故障类型并非提前得知，算法必须处理所有电压、电流采样值，以确定故障类型。先选相再计算的一个缺点是只有在选相结束后故障处理才开始，浪费了宝贵时间，造成保护响应速度慢。

克拉克分量为保证计算正确性，故障必须正确分类［3］。相量计算的应用允许使用对称分量判断故障类型，本文以对称分量突变量为例，介绍对称分量突变量距离保护。

1 对称分量突变量定义

如图1所示系统，设故障前的负荷电流为I′0，I′1，I′2，事实上，正常运行时只有I′1有意义。定义各序电流突变量为

图1 系统接线图Fig.1 System wiring diagram

线路上的电压降被定义为

式中，Z0，Z1，Z2为线路全长的序阻抗。设故障时保护安装处母线电压分别为E1，E2，E0，比值为

2 短路故障k值分析

2.1 三相短路

设图2所示网络，在被保护线路MN的F点发生三相短路故障，根据叠加原理，将故障状态分解为正常状态与故障附加状态，如图3所示［4］。图中k值反映故障点距离。

由图2、图3得，保护安装处电压E1为

由定义将上式改写为

和

即可表示为

或

图2 MN线路F点三相短路Fig.2 MNline Fthree－phase short circuit

图3 正、负序网络图Fig.3 Positive and negative sequence network diagram

2.2 接地故障

如图1所示系统，接地故障时三序故障分量都必须计算，因两相接地故障与两相短路相似，故仅需讨论单相接地故障。单相接地短路故障的突变量序网络如图4所示。

当输电线路发生单相接地故障时，故障处

由图4故障附加状态网络求得的保护安装处母线电压为

故障点正序电压为

故障点负序电压为

故障点零序电压为

将式（5），（6），（7）相加得

简化后得

k的表达式为

其中，

2.3 两相短路

输电线路发生相间短路时，序分量网络如图4所示，当发生相间两相短路故障时，不必计算零序分量（相当于图4c不存在）；注意到故障前负序负荷电流不存在，所以负序网中电流就是负序分量电流的变化量。

由图4可得两相短路故障分量网络保护安装处母线电压为

故障点负序电压为

故障处正序电压为

两相短路边界条件为

则

图4 单相接地短路序故障分量网络Fig.4 Single－phase grounding sequence fault component network

因两相短路故障，计算输电线路保护时，可假设正序阻抗与负序阻抗相等，负序电流与正序电流方向相反，即

则k的表达式为

或

2.4 k值计算流程

综合所有可能的故障类型，则可按下式给出求解到故障点距离k的一般表达式为

其中k′0和k′2的表达式为

由式（10）可知，相间短路故障k′0＝0，即零序分量不存在，两相短路时k′2＝1。k值计算的明显优点在于执行更有意义的计算之前不需要确定故障的类型。

流程如图5所示，图中δ1，δ2，δ3为门槛值。判断｜ΔE2｜小于槛值相当于负序分量不存在，直接可计算k值；若｜ΔE2｜不满足条件，且｜ΔE0｜小于门槛值，判为两相短路，计算k2后计算k值；若接地故障k′2＝0，利用式（9）可计算k值。

由公式（4），（8），（9）可知，当故障点存在过渡电阻时，k值变小，存在误差，但是不影响故障判断。k值大小为启动距离Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段计算程序作准备。

图5 算法流程Fig.5 Algorithm flow chart

2.5 故障类型及故障相判别

由以上分析得，当k′2＝0和k′0＝0时，为三相短路；当k′2＝1，k′0＝0时，为相间短路；当k′0≠0时，为单相接地短路。

前面的分析是以特殊相为基础进行的，所以当｜ΔE2a｜＝｜ΔE1a｜时，BC两相短路，按类似方法可判定AB和CA故障；当时，为A相接地短路。故障相判定后，进入距离计算程序。当故障点存在过渡电阻时，在单侧电源情况下，取阻抗值虚部即可消除过渡电阻对测量的影响；双端电源情况下，取分布系数为实数，基本上可消除过渡电阻的影响［5－6］。

3 相间距离保护程序

下面以相间距离保护程序为例。如图6所示，当发生短路故障时，状态监视启动（启动元件），先进行故障范围判定，若满足条件则进行故障类型判别，不满足条件则等待。当满足保护区条件时，进行故障类型判定。相间距离保护是通过比较k值大小，确定相间距离保护启动段别程序。接地距离保护程序基本与相间相似。

图6 相间距离保护程序流程Fig.6 Table of simulation results

4 仿真验证

为了检验算法的正确性，用图1所示的模型取电压等级为220kV的单侧电源和双侧电源50km长线路，利用电力系统电磁暂态计算程序，算出线路上不同地点经过渡电阻短路故障k值准确性及距离元件动作情况进行仿真。在距线路全长10%，30%，50%，70%和90%等处，经过渡电阻发生各种简单故障时，仿真结果见表1。结果表明，单侧电源不受过渡电阻影响，也不受负荷电流影响；双侧电源有比较小的误差，但不影响距离保护正确动作。