电压波动与闪变对距离保护影响的研究

马 慧，李丽明，李忠政，王 毅

（1.国网潍坊市寒亭区供电公司，山东 潍坊 261100；2.国网新疆电力公司经济技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830000；3.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590）

电压波动与闪变对距离保护影响的研究

马 慧1，李丽明1，李忠政2，王 毅3

（1.国网潍坊市寒亭区供电公司，山东 潍坊 261100；2.国网新疆电力公司经济技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830000；3.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590）

电压波动与闪变引起电压幅值和电网频率发生变化。高压输电线路的距离保护中方向阻抗继电器无论幅值式还是相位式，都与电压幅值直接相关；极化电压受频率影响较大，严重时导致继电器拒动。依据电压波动与闪变影响电压幅值、频率的机理，以及影响距离保护正确动作的各因素，探究电压波动与闪变的影响；基于Matlab/Simulink搭建电压波动与闪变基础上的距离保护模型，就故障、电压波动与闪变、既有电压波动与闪变又有故障3种情况进行仿真，验证了电压波动与闪变对距离保护影响分析的合理性。

电压波动与闪变；高压；距离保护；方向阻抗继电器；距离保护模型

0 引言

目前电网向长距离、大容量、超高压、特高压等方向快速发展，用电负荷也趋向于非线性和波动性，使得电能质量问题越来越严重［1］。电压波动是一系列电压变动或者连续的电压偏差，指电压幅值在0.9～1.1 pu内的一系列随机变化［2］。闪变反映灯光闪烁对人眼视觉的影响，是灯、眼、脑共同作用的结果。电能质量标准中，电压波动和闪变的标准往往合在一起，工程中也将两者一起讨论。发生电压波动与闪变时，电压的幅值与频率一定发生变化，会对电力系统各部分产生不同程度的影响。距离保护性能完善，可以消除电力系统运行方式对继电保护中故障点定位与判别的影响。近年来，针对距离保护国内外学者做了大量研究，文献［3］针对双回输电线路的接地距离保护容易受互感因素影响而发生误动这一问题，研究了一种零序电流补偿的方法，以解决双回线路中零序电流会出现反向的问题。文献［4］采用了频变参数模型，将频率参数考虑进距离保护之中，把受频率影响的参数用补偿矩阵表示，通过解微分方程求取故障处距离。文献［5］提出了一种基于参数识别的新算法，采用微分方程来判别故障范围，用插值法计算电压与电流，改善了在长距离线路中设置距离保护的准确性。文献［6］找到了一种计算过渡电阻的新方法，它的依据是保护处的有功功率值，新的判别依据弥补了旧方法的缺陷，使距离保护更加可靠。

考虑到现有文献并没有深入研究电压波动与闪变对距离保护的影响。本文从理论方面分析发生电压波动与闪变时，影响距离保护的几个主要因素的变化；并搭建了基于Matlab/Simulink的距离保护模型，就发生故障、发生电压波动与闪变、既有电压波动与闪变又有故障3种情况进行仿真，验证理论分析的正确性。

1 电压波动与闪变影响电压幅值及频率机理分析

实际应用中，电压波动与闪变根据不同电压等级有不同的范围。35 kV及以上供电电压不得超过标称电压的±5%；20 kV及以下供电电压不得超过标称电压的±7%；220 V供电电压不得超过标称电压的-10%～+7%。

电压波动与闪变是一种动态的偏差，指偏差的值在一定范围内的不断变化。电网的潮流分布决定了电网电压分布情况，因此电网中负荷消耗和电源注入功率变化会引起电压波动。简单电网示意如图1所示，电压矢量如图2所示。其中E为电网电压相量，V为线路末端电压相量，均取标幺值；R1、X1为线路电阻和电抗；Ia、Ir分别为线路上的有功电流和无功电流相量。

图1 简单电网示意

图2 电压矢量

由图2可以看出，IaR1与IrX1是有功电流和无功电流引起电压降落的主要原因。电网中负荷的变化以及电源的接入，都会使有功电流和无功电流随之变化，从而引起电网电压波动与闪变。

闪变涉及的频率范围为0.05～35Hz，因此实际建模中精确的分析必须采用电磁暂态模型。异步发电机运行过程中会吸收无功功率，它是影响电压的主要因素，且有功波动时无功功率也会随之波动，因此在35 kV的电网中选用27.5MVA的异步发电机，基于Matlab/Simulink进行简单系统的电磁暂态仿真，异步发电机采用6阶模型，通过仿真结果可知，当加入10%，频率为0.5Hz的扰动时，闪变的电压波动为14%，且在母线处的电压波动高频分量较多，引起的相角变化为 0°～360°。

2 电压波动与闪变对距离保护的影响

从频率变化、平行双回线路互感、电压和电流互感器的误差3个方面来分析电压波动与闪变对距离保护影响［7］。

2.1 频率变化的影响

电压波动与闪变时幅值的变化影响极化电压的幅值，频率的变化影响相位，距离保护中极化电压主要起到相位参考作用，本节探讨频率变化对方向阻抗继电器的影响。

当正、反向出口发生三相短路故障，电压幅值为1.1 pu时，AB相方向阻抗继电器的极化电压UK为

2.2 平行双回线路互感的影响

电网发生单相接地短路的概率最大。当发生单相接地短路，电压幅值为1.1 pu，且存在双回线路互感时，测量阻抗将会增大，保护范围缩短的百分数为

当α=1时，若令Z1=0.5Z0，保护范围将缩短33%。工程中，整定阻抗一般为线路全长的80%，此时保护范围将缩短22%，实际保护范围为线路全长的58%。

图3 距离保护中发生电压波动与闪变时模型

2.3 电压互感器和电流互感器误差的影响

保护安装点ld处发生金属性短路故障，电压幅值为0.9 pu，整定阻抗为线路全长的80%时，保护范围将缩短22%；若保护范围计及整定阻抗角与线路阻抗角的差值Δφ和电网频率的δ变化，ld与lz的比值为

若取Δφ=-3°，ki=0.95，δi=5°，kμ=0.98，δμ=-2°，则ld=85.5%lz，即保护范围缩短14.5%；若不存在电压波动与闪变，ld=95%lz，由此可得，电压波动与闪变使保护范围缩短9.5%。若再计及电网频率升高，取δ=-6°，则ld=84.6%lz，即保护范围缩短15.4%；若不存在电压波动与闪变，ld=94%lz，即电压波动与闪变使保护范围缩短9.4%。

3 距离保护中发生电压波动与闪变模型

3.1 仿真模型

距离保护中发生电压波动与闪变时模型如图3所示。

3.2 启动模块

三相测量元件中提取到的电压、电流，与整定值进行比较，若电流值大于整定值，则启动元件动作于跳闸［8］。启动模块如图4所示，70.35为经多次仿真而得的整定值。

图4 相位式启动模块

3.3 距离模块

距离模块包括相间故障模块和接地故障模块，相间故障模块选用0°接线方向阻抗继电器，接地故障模块选用带零序补偿式方向阻抗继电器，因系统发生了电压波动与闪变，零序补偿式方向阻抗继电器的内部结构使用 Discrete Fourier（离散 FFT）模块［9］，如图5所示。

图5 零序补偿式方向阻抗继电器

4 仿真验证

式中：电压等级为 35 kV，ω=2π×50 rad/s，调制系数M=0.1，Ω=2π×5 rad/s，采样频率 1 600 Hz，整个信号运行时间为3 s，闪变发生在1～2 s之间，线路总长300m，线路230m处发生AB相间故障。分析发生故

设某电网的电压信号为障、发生电压波动与闪变、既有电压波动与闪变又有故障3种情况。

4.1 发生故障

启动元件动作特性如图6所示。

图6 启动元件动作曲线

相间故障时，距离元件的相位曲线如图7所示。

图7 相间短路中方向阻抗继电器的相位曲线

距离保护Ⅰ段能保护线路全长的85%，故障位于230m处，属于正方向出口末端短路情况，应距离Ⅰ段动作，其动作曲线如图8所示。

图8 距离Ⅰ段的动作曲线

4.2 发生电压波动与闪变

启动元件动作特性如图9所示。

图9 只有闪变时，启动元件动作特性

相间故障和接地故障模块的相位曲线如图10和图11所示。

图10 相间故障模块的相位曲线

图11 接地故障模块的相位曲线

距离保护Ⅰ段的动作特性如图12所示。

图12 距离保护Ⅰ段的动作曲线

由图10～12可知，发生电压波动与闪变时，启动模块中的电流值大于整定值，启动元件动作于跳闸；相间故障模块的方向阻抗继电器相位超过90°，接地故障模块的方向阻抗继电器相位在闪变瞬间也超过90°，说明两个模块都发生了误动作；距离保护Ⅰ段发生误动作。

经多次仿真，在不同电压幅值下，相间与接地模块的相位角变化情况如表1所示。

由表1可知，当发生AB相间故障时，电压值越偏离标幺值，电压波动与闪变对距离保护的影响越明显。

4.3 既有电压波动与闪变又有故障

三相电流曲线如图13所示，可以清晰地看到故障以及电压波动与闪变发生的时间。

图13 有闪变和故障时的三相电流波形

启动元件的电流波形如图14所示。启动元件动作特性曲线如图15所示。

图14 有闪变且有故障时，启动元件的电流波形

图15 启动元件动作特性曲线

将信号锁定在0.5～1 s之间时，可以更加清晰地看到信号的变化，如图16所示。

图16 锁定启动元件动作特性曲线

相间和接地故障模块方向阻抗继电器相位曲线如图17和图18所示。

表1 不同电压下相间与接地模块相位变化 （°）

图17 相间故障模块的相位曲线

由图17和图18可知，相间与接地故障模块的动作特性发生变化，对于相间故障模块，发生故障的0.6～0.8s中，方向阻抗继电器的相位在-190°～ +190°之间波动，大部分相位的绝对值大于90°，即方向阻抗继电器发生动作，故障结束到电压波动与闪变期间（0.8～2s），方向阻抗继电器相位不断波动，有十多次进入方向阻抗继电器的动作范围；对于接地故障模块，在发生AB相间故障的0.6～0.8s中，方向阻抗继电器的相位部分超过90°，进入方向阻抗继电器动作范围，这说明电压波动与闪变的存在，使得接地故障模块的方向阻抗继电器发生了误动作。

经多次仿真，在不同电压幅值下，相间与接地模块的相位角变化情况如表2所示。

由表2可知，电压幅值在0.9～1.1 pu之间发生AB相间短路时，相间模块中ABC相的相位全部在-90°～+90°之间，且电压幅值越偏离标幺值，电压波动与闪变对距离保护的影响越明显。接地模块中ABC相的相位有一部分进入了-90°～+90°之间，这部分值的持续时间很短暂，后面迅速衰减。

表2 不同电压下相间与接地模块的相位角变化情况 （°）

5 结语

电压波动与闪变的发生，使得距离保护的测量阻抗发生变化，即保护范围延长或缩短。

由3种情况的仿真可知，所搭建模型可行、有效。可以用于电压波动与闪变对距离保护影响的仿真分析。

仅有电压波动与闪变时，起动模块动作于跳闸；相间与接地故障模块在不同程度超过了90°，发生误动作；距离Ⅰ段、Ⅱ段也随之发生误动作。

既有电压波动与闪变又发生AB相故障时，起动模块反复在“0”和“1”之间波动，相间故障模块的相位多次超过90°，接地故障模块在部分时间发生误动作。

所研究电压波动与闪变对电力系统中继电保护的影响，针对的主要是理论与仿真，并未有实际试验，因此该课题的操作性有待进一步深入研究。

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The Study of Effect of Voltage Fluctuation and Flicker on Distance Protection

MA Hui1，LILiming1，LIZhongzheng2，WANG Yi3
（1.State Grid Weifang Hanting Power Supply Company，Weifang 261100，China；2.Economic and Technical Research Institute of Xinjiang Power Supply Company，U rumqi830000，China；3.Shandong University of Science and Technology Mine disaster prevention and control of the Ministry of State to build national key laboratory training base，Qingdao 266590，China ）

Voltage fluctuation and flicker can change voltage amplitude and frequency of the power grid.The directional impedance relay for distance protection of the high voltage transmission line，regardless if it is the amplitude or phase type，is directly related to the amplitude of the voltage.The determination of the polarization voltage is heavily affected by the frequency.When the voltage，especially the frequency of the voltage，fluctuate seriously，the relay will refuse to move.According to the character of voltage fluctuation and flicker and the factor that influences the correct action of distance protection，the influence of voltage fluctuation and flicker is explored.The distance protectionmodel based on voltage fluctuation and flicker is built by Matlab /Simulink.The simulation is carried out for system with the following three situations： fault，voltage fluctuation and flicker and a combined situation of the two situations above.The conclusion obtained from analyzing the influence of the voltage fluctuation and flicker on the distance protection is verified through this simulation.

voltage fluctuation and flicker；high voltage；distance protection；directional impedance relay；distance protection model

TM773

：A

：1007－9904（2017）08－0007－06

2017-04-09

马 慧（1990），女，研究方向为电力系统继电保护；

李丽明（1987），男，研究方向为电力系统及其自动化；

李忠政（1987），男，研究方向为电气工程；

王 毅（1978），女，研究方向为控制理论与控制工程。

“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAB13B04）；国际（中国-南非）科技合作项目（CS06-L02）