不对称整定阻抗的多相补偿距离继电器在单相接地条件下的动作特性

朱德亮，苏建明

(国网铜陵供电公司，安徽 铜陵 244000)

距离保护被广泛应用在超高压输电线路保护中[1]，以阻抗继电器为核心元件距离保护易受到系统振荡的影响，在系统振荡无故障条件下容易引起误动[2-3]，在实用保护逻辑中采用振荡闭锁元件来识别系统振荡短时闭锁及开放距离保护元件[4-6]。众多学者对如何设置闭锁元件提出了众多解决方案[7-11]，但使得距离保护逻辑变得复杂，不利于保护可靠稳定运行。

在电磁式保护时代，以多相距离补偿继电器的距离保护得到了广泛应用[12-13]，该继电器在系统单纯振荡无故障条件下可靠不动作，但在系统振荡中心在整定范围内，同时系统振荡达到最大值附近会出现误动情况。

为了提高距离补偿继电器抑制系统振荡的性能，文献[14]提出一种基于多相距离补偿继电器的距离保护构成方案，该距离继电器利用单相与相间补偿电压向量比相方式来识别故障相区内及区外故障，在系统无振荡情况下继电器能够正确反映区内及区外故障，在系统振荡较小的情况下继电器同样能够正确反映区内及区外故障；文献[15]通过分析多相补偿距离继电器在系统振荡且单相接地情况下的动作特性，指出其反映故障相的动作元件及反映非故障相的动作元件在系统振荡较大条件下可能出现拒动或误动现象，并没有给出具体解决方案。

本文通过研究多相补偿距离继电器的动作方程，通过动作特性提出了一种不对称整定阻抗原则的多相补偿距离继电器来解决上述对称整定阻抗原则的多相补偿距离继电器的缺点，给出详细的理论分析过程，仿真结果证明该方法可有效适用于输电线路距离保护上。

1 多相补偿距离继电器动作方程

多相距离补偿继电器的动作条件，如式(1)所示：

(1)

(2)

(3)

2 单相接地故障多相距离继电器动作性能分析

2.1 不对称整定多相补偿距离继电器动作特性分析

线路区内故障系统结构图如图1所示。

图1 线路区内故障系统结构图

为了简便分析，针对图1所示输电系统有如下假设：

a.系统各部分阻抗角相等；

b.系统正序分量与负序分量相等；

c.不考虑经过渡电阻接地故障，所论述均为金属性接地故障。

对图1所示的系统保护安装处M侧的距离继电器元件分析建立在A相接地故障条件下分析，考虑两侧电源电势有如下关系；

(4)

省略中间步骤，对于保护安装处M多相距离继电器动作方程PA-BC有式(5)所示：

(5)

令：

(6)

式(5)可简化为

(7)

对于两侧电源幅值比A可取1作近似替代，参数B的含义为保护整定范围对侧至本侧的相对距离大小，为大于0的正实数，为了进一步分析B值大小对多相距离补偿继电器特性的影响，绘制B取不同值时PA-BC随δ变化曲线如图2所示。

图2 PA-BC计算结果随δ变化曲线图

从图2中曲线可见，B=0时，当系统振荡在90°<δ<270°范围时，多相距离补偿继电器比动作元件易出现拒动，拒动范围达到180°，随着B值的增大，拒动范围逐渐减小直至拒动范围完全消失。

2.2 对称整定阻抗多相补偿距离继电器

从式(5)中可以看出影响多相补偿距离继电器动作特性的B值主要由相间补偿电压Zset值大小决定，若在单相接地条件下，减小Zset值，B值将逐渐增大，在系统振荡且单相接地情况下拒动范围将逐渐减少直至消失。根据上述分析提出一种新的单相接地多相补偿距离继电器相间补偿电压计算公式如式(8)所示：

(8)

式(8)定义同式(3)，0≤γ≤1为抵消系统振荡对相间补偿电压带来的影响而设定的参数，即缩小相间补偿电压整定范围，同样保持单相补偿电压计算公式如式(2)所示保持不变，如能够在单相接地条件下，适当降低γ值可有效缩小系统振荡条件下单相接地故障拒动范围。

上述分析中，定义的多相补偿距离继电器的动作充分条件为发生单相接地情况，如何判断系统发生单相接地故障是分析的重点，文献[16]为了避免系统振荡且发生区外故障条件下，多相补偿距离继电器动作模块无动作，引入闭锁模块，本文参照该条件引入判断单相接地故障判据，如式(9)所示：

(9)

3 仿真与计算

为了验证以上结论的正确性，建立Matlab/Simulink双端500 kV电源系统输电线路进行仿真研究，如表1所示。

表1 500 kV线路参数

3.1 系统无故障振荡条件下仿真分析

如图1所示的区内故障系统图，其中取：ZM=100 km、ZN=200 km、Zset=160 km、ZL=200 km。

波形

(b)PA-BC动作结果图3 系统无故障振荡条件下振荡及动作波形

3.2 系统故障且振荡条件下仿真分析

取：ZM=100 km、ZN=200 km、Zf=100 km、Zsef=160 km、ZL=100 km，在上述数据计算条件下B=0.923，小于1，根据第2.1节中分析，系统在此种条件下发生单相接地故障，对称整定阻抗型多相补偿距离继电器将发生拒动。系统故障时刻在0.1 s，γ=0.7，分析在系统发生故障且振荡条件下，不对称整定阻抗多相补偿距离继电器同对称整定阻抗距离继电器的动作特性分析，以A相接地故障分析，仿真结果如图4所示，图4(a)中阴影部分标出了动作区，动作元件PA-BC分别在不对称整定阻抗及对称整定阻抗下多相补偿距离继电器的动作结果，虚线表示对称整定，实线表示不对称整定，对称整定的多相补偿距离继电器在系统振荡180°附近出现了拒动区域，但不对称整定的多相补偿距离继电器始终在动作区，未出现拒动情况；图4(b)及图4(c)非动作元件PB-CA及PC-AB动作结果，对称整定的多相补偿距离继电器均在系统振荡180°附近出现了动作区域，但不对称整定的多相补偿距离继电器始终在非动作区，未出现动作情况，仿真结果有效验证了本文第2节的理论分析，

(a)PA-BC动作结果

(b)PB-CA动作结果

(c)PC-AB动作结果图4 系统振荡且发生A相接地故障动作元件及非动作元件波形

4 结束语

本文通过分析一种对称整定阻抗的多相补偿距离继电器在单相接地且系统振荡条件下的动作特性，指出该距离继电器在系统振荡180°附近时，反映故障相的动作元件出现拒动及反映非故障相的动作元件出现误动，提出了一种基于不对称整定阻抗的多相补偿距离继电器，该继电器利用选相元件判断单相接地故障，减小相间阻抗继电器整定阻抗范围来避免振荡且单相接地条件下多相补偿距离继电器拒动或误动，理论分析及仿真结果充分验证本文理论分析的正确性，能够应用在输电线路保护中。