基于整定值随故障类型变化的电流保护方案研究

黄庆丰

(福建水利电力职业技术学院, 福建 永安 366000 )

基于整定值随故障类型变化的电流保护方案研究

黄庆丰

(福建水利电力职业技术学院, 福建 永安 366000 )

分析了输电线路发生接地短路故障和相间短路故障时, 故障相与非故障相之间的电流关系, 得出判别故障类型的方法; 提出了整定值随故障类型变化的阶段式电流保护方案, 并设计了程序框图; 通过ATP软件仿真, 验证该保护方案的可行性, 并具有提高灵敏度的优点.

接地短路故障; 相间短路故障; 短路类型判别; 零序电流保护; 电流速断保护

引言

传统的零序电流保护速断整定值按线路末端接地短路最大零序电流整定, 显然整定值与系统运行方式、短路类型有关; 相间短路电流速断保护按系统最大运行方式被保护线路末端三相短路电流整定. 虽然能保证保护不误动, 但存在不足, 当系统运行方式改变或故障类型变化, 保护性能将受到影响[1]. 本文提出随短路类型变换自动调整电流保护整定值的方法, 改善了电流保护性能.

1 故障类型判别

图1 双侧电源系统

1.1 接地短路故障

由于衰减非周期分量和谐波分量的影响可用滤波方法予以消除, 故以下分析接地故障和相间故障时不考虑非周期分量和谐波分量影响. 图1为双侧电源系统, 设F点发生接地故障.

1.1.1 单相金属性接地

设A相发生金属性接地故障, 故障点F边界条件为故障处故障相电流为

保护安装处故障分量电流为

其中C1M、C2M、C0M分别为M侧正、负、零序电流分流系数;分别为M侧A、B、C相电流. 取三相电流最大值

类似方式, 取得中值Im、最小值Imin.

由式(2)可得: 当C1M=C2M时, 非故障相中的故障分量电流幅值相等, 即Im=Imin; 当C1M=C0M时,则非故障相不存在故障分量电流, 即Im=Imin=0; 当C1M≠C0M时, 非故障相中就存在故障分量电流, 当C1M≠C2M时, 则非故障相的故障分量电流不相等[2,3], 均有Im≠Imin. 由于Imax远大于Imin, 因此单相接地短路时, 有:

1.1.2 两相金属性接地

设BC相发生两相金属性接地故障, 故障点边界条件为计及ZΣ1=ZΣ2时, 故障点故障相电流为

取式(4)中的电流的模值, 则故障相模值相等.

若计及过渡电阻Rg后, 特殊相正、负、零序分量电流不在一条直线上. 故障处故障电流为

保护安装处故障相电流为

依式(3)方式分别取得三相电流的最大值Imax、中值Im、最小值Imin. 由式(6)得, 当C1M≠C0M时, 非故障相故障电流不为0, 但仍远小于故障相电流, 可近似取Imin≈0; 当C1M=C0M时, 非故障相故障电流为0[2]. 因此两相接地短路时有:Imax≈Im,Imin≈0, 即

因实际运行中, 非故障相存在负荷电流, 以上Imax/Imin等比值不会是无穷大, 考虑一定区分度并结合实际电网情况统计数据, 取判别系数为4, 则有:

1.2 相间短路故障

设被保护线路发生金属性相间短路故障, 下面分析故障相与非故障相故障电流关系.

1.2.1 三相短路故障

三相短路故障时三相电流对称, 对中性点直接接地系统, 电流保护采用三相式接线, 则

1.2.2 两相短路故障

对中性点不直接接地系统线路, 为了提高供电可靠性, 电流保护采用两相式接线, 通常仅测量A、C相电流, 则通过计算可得到B相电流为[3]

当被保护线路发生CA两相金属性短路故障时, 故障点边界条件为因故障相的故障电流大小相等、方向相反, 非故障相的故障电流为0. 类似地, 依式(3)可得Imax=Im,Imin=0, 所以

对中性点直接接地系统线路, 电流保护采用三相式接线,B相电流也是通过测量得到, 各种相间短路故障结论与中性点不接地系统相同.

仍取判别系数为4, 依上述分析可得:

2 保护程序设计

保护程序设计的思路是, 装置监测到异动电流后, 计算出Imax、Im、Imin、I0; 若I0≠0, 转入零序保护程序, 判断接地类型, 再根据各自整定值启动保护; 若I0=0, 则转入相间保护程序, 判断相间短路类型, 再根据各自整定值启动保护. 各种类型短路保护整定如下[4]:

为简化计算, 通常线路保护取Z1=Z2(正序阻抗与负序阻抗相等), 则同一点三相和两相短路故障电流关系为保护灵敏度得到提高.

电流保护程序设计框图如图2所示.

零序电流保护Ⅱ段、阶段式相间电流保护的Ⅱ段流程均与Ⅰ段相同, 仅整定值不同. 阶段式相间电流保护Ⅲ段, 一般是作为后备保护, 其动作电流是按最大负荷电流整定, 整定值是不允许随短路类型而变.这些保护程序设计框图不一一罗列.

图2 阶段式电流保护程序框图

3 仿真验证

利用ATP软件对图3系统110kV线路M侧进行仿真,单位千米线路正序电抗为X1=0.4Ω,单位千米零序电抗为X0=0.9Ω; 最大负荷电流分别为100A, 负荷的自起动系数均为1.8; 可靠系数返回系数Kre=0.85;两侧系统电抗及变压器电抗为归算至被保护线路电压等级有名值, 且分别对接地故障、相间故障进行仿真, 仿真结果见表1.

图3 系统接线

表1 仿真结果

由仿真数据可求看出, 相间电流Ⅰ段整定值从1627.4A下降到1068.7A, 最小保护区延长了13.4%, 接地故障的结论基本相同.

4 结语

通过分析两种接地故障、两种相间短路故障电流之间关系, 提出了判断故障类型的方法, 设计了按不同故障类型采用不同整定值的电流保护程序. 通过仿真验证了该方案是可行的, 并且提高了保护灵敏性.

[1] 葛耀中. 新型继电保护和故障测距的原理与技术[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2007

[2] 许建安. 中性点不接地系统两点异地接地及故障点位置判别[J]. 水电能源科学2008. 26(6): 165～168

[3] 黄瑞梅, 张国良, 许建安. 输电线路故障选相方案探讨[J]. 水电能源科学, 2009, 27(3): 193～195

[4] 许建安, 王风华. 电力系统继电保护整定计算[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2007

The Research of the Current Protection Based on The Settings Change with the Type of Faults

HUANG Qing-feng
(Fujian College of Water Conservancy and Electric Power, Yong'an, 366000, China)

Through the analysis of the current relationship between the fault and healthy phase while the ground or phase short circuit fault occurs in the transmission lines, the method of judging fault type is obtained; the phase current protection scheme based on the fixed value varies with the fault type is proposed besides the flow charts are designed; the feasibility of above protection scheme is verified by the software’s simulation ATP Simulation results show that this scheme possesses the advantages of improved sensitivity.

ground short circuit fault; phase-to-phase short circuit fault; short circuit type discriminant; zero-sequence current protection; current fast-tripping protection

TM773

A

1672-5298(2014)03-0045-04

2014-06-17

黄庆丰(1963− ), 男, 福建寿宁人, 硕士, 福建水利电力职业技术学院副教授. 主要研究方向: 电力系统分析教学与研究