不對(duì)稱整定阻抗的多相補(bǔ)償距離繼電器在單相接地條件下的動(dòng)作特性

朱德亮，蘇建明

(國(guó)網(wǎng)銅陵供電公司，安徽 銅陵 244000)

距離保護(hù)被廣泛應(yīng)用在超高壓輸電線路保護(hù)中[1]，以阻抗繼電器為核心元件距離保護(hù)易受到系統(tǒng)振蕩的影響，在系統(tǒng)振蕩無(wú)故障條件下容易引起誤動(dòng)[2-3]，在實(shí)用保護(hù)邏輯中采用振蕩閉鎖元件來(lái)識(shí)別系統(tǒng)振蕩短時(shí)閉鎖及開(kāi)放距離保護(hù)元件[4-6]。眾多學(xué)者對(duì)如何設(shè)置閉鎖元件提出了眾多解決方案[7-11]，但使得距離保護(hù)邏輯變得復(fù)雜，不利于保護(hù)可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

在電磁式保護(hù)時(shí)代，以多相距離補(bǔ)償繼電器的距離保護(hù)得到了廣泛應(yīng)用[12-13]，該繼電器在系統(tǒng)單純振蕩無(wú)故障條件下可靠不動(dòng)作，但在系統(tǒng)振蕩中心在整定范圍內(nèi)，同時(shí)系統(tǒng)振蕩達(dá)到最大值附近會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)情況。

為了提高距離補(bǔ)償繼電器抑制系統(tǒng)振蕩的性能，文獻(xiàn)[14]提出一種基于多相距離補(bǔ)償繼電器的距離保護(hù)構(gòu)成方案，該距離繼電器利用單相與相間補(bǔ)償電壓向量比相方式來(lái)識(shí)別故障相區(qū)內(nèi)及區(qū)外故障，在系統(tǒng)無(wú)振蕩情況下繼電器能夠正確反映區(qū)內(nèi)及區(qū)外故障，在系統(tǒng)振蕩較小的情況下繼電器同樣能夠正確反映區(qū)內(nèi)及區(qū)外故障；文獻(xiàn)[15]通過(guò)分析多相補(bǔ)償距離繼電器在系統(tǒng)振蕩且單相接地情況下的動(dòng)作特性，指出其反映故障相的動(dòng)作元件及反映非故障相的動(dòng)作元件在系統(tǒng)振蕩較大條件下可能出現(xiàn)拒動(dòng)或誤動(dòng)現(xiàn)象，并沒(méi)有給出具體解決方案。

本文通過(guò)研究多相補(bǔ)償距離繼電器的動(dòng)作方程，通過(guò)動(dòng)作特性提出了一種不對(duì)稱整定阻抗原則的多相補(bǔ)償距離繼電器來(lái)解決上述對(duì)稱整定阻抗原則的多相補(bǔ)償距離繼電器的缺點(diǎn)，給出詳細(xì)的理論分析過(guò)程，仿真結(jié)果證明該方法可有效適用于輸電線路距離保護(hù)上。

1 多相補(bǔ)償距離繼電器動(dòng)作方程

多相距離補(bǔ)償繼電器的動(dòng)作條件，如式(1)所示：

(1)

(2)

(3)

2 單相接地故障多相距離繼電器動(dòng)作性能分析

2.1 不對(duì)稱整定多相補(bǔ)償距離繼電器動(dòng)作特性分析

線路區(qū)內(nèi)故障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 線路區(qū)內(nèi)故障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了簡(jiǎn)便分析，針對(duì)圖1所示輸電系統(tǒng)有如下假設(shè)：

a.系統(tǒng)各部分阻抗角相等；

b.系統(tǒng)正序分量與負(fù)序分量相等；

c.不考慮經(jīng)過(guò)渡電阻接地故障，所論述均為金屬性接地故障。

對(duì)圖1所示的系統(tǒng)保護(hù)安裝處M側(cè)的距離繼電器元件分析建立在A相接地故障條件下分析，考慮兩側(cè)電源電勢(shì)有如下關(guān)系；

(4)

省略中間步驟，對(duì)于保護(hù)安裝處M多相距離繼電器動(dòng)作方程PA-BC有式(5)所示：

(5)

令：

(6)

式(5)可簡(jiǎn)化為

(7)

對(duì)于兩側(cè)電源幅值比A可取1作近似替代，參數(shù)B的含義為保護(hù)整定范圍對(duì)側(cè)至本側(cè)的相對(duì)距離大小，為大于0的正實(shí)數(shù)，為了進(jìn)一步分析B值大小對(duì)多相距離補(bǔ)償繼電器特性的影響，繪制B取不同值時(shí)PA-BC隨δ變化曲線如圖2所示。

圖2 PA-BC計(jì)算結(jié)果隨δ變化曲線圖

從圖2中曲線可見(jiàn)，B=0時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)振蕩在90°<δ<270°范圍時(shí)，多相距離補(bǔ)償繼電器比動(dòng)作元件易出現(xiàn)拒動(dòng)，拒動(dòng)范圍達(dá)到180°，隨著B(niǎo)值的增大，拒動(dòng)范圍逐漸減小直至拒動(dòng)范圍完全消失。

2.2 對(duì)稱整定阻抗多相補(bǔ)償距離繼電器

從式(5)中可以看出影響多相補(bǔ)償距離繼電器動(dòng)作特性的B值主要由相間補(bǔ)償電壓Zset值大小決定，若在單相接地條件下，減小Zset值，B值將逐漸增大，在系統(tǒng)振蕩且單相接地情況下拒動(dòng)范圍將逐漸減少直至消失。根據(jù)上述分析提出一種新的單相接地多相補(bǔ)償距離繼電器相間補(bǔ)償電壓計(jì)算公式如式(8)所示：

(8)

式(8)定義同式(3)，0≤γ≤1為抵消系統(tǒng)振蕩對(duì)相間補(bǔ)償電壓帶來(lái)的影響而設(shè)定的參數(shù)，即縮小相間補(bǔ)償電壓整定范圍，同樣保持單相補(bǔ)償電壓計(jì)算公式如式(2)所示保持不變，如能夠在單相接地條件下，適當(dāng)降低γ值可有效縮小系統(tǒng)振蕩條件下單相接地故障拒動(dòng)范圍。

上述分析中，定義的多相補(bǔ)償距離繼電器的動(dòng)作充分條件為發(fā)生單相接地情況，如何判斷系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障是分析的重點(diǎn)，文獻(xiàn)[16]為了避免系統(tǒng)振蕩且發(fā)生區(qū)外故障條件下，多相補(bǔ)償距離繼電器動(dòng)作模塊無(wú)動(dòng)作，引入閉鎖模塊，本文參照該條件引入判斷單相接地故障判據(jù)，如式(9)所示：

(9)

3 仿真與計(jì)算

為了驗(yàn)證以上結(jié)論的正確性，建立Matlab/Simulink雙端500 kV電源系統(tǒng)輸電線路進(jìn)行仿真研究，如表1所示。

表1 500 kV線路參數(shù)

3.1 系統(tǒng)無(wú)故障振蕩條件下仿真分析

如圖1所示的區(qū)內(nèi)故障系統(tǒng)圖，其中取：ZM=100 km、ZN=200 km、Zset=160 km、ZL=200 km。

波形

(b)PA-BC動(dòng)作結(jié)果圖3 系統(tǒng)無(wú)故障振蕩條件下振蕩及動(dòng)作波形

3.2 系統(tǒng)故障且振蕩條件下仿真分析

?。篫M=100 km、ZN=200 km、Zf=100 km、Zsef=160 km、ZL=100 km，在上述數(shù)據(jù)計(jì)算條件下B=0.923，小于1，根據(jù)第2.1節(jié)中分析，系統(tǒng)在此種條件下發(fā)生單相接地故障，對(duì)稱整定阻抗型多相補(bǔ)償距離繼電器將發(fā)生拒動(dòng)。系統(tǒng)故障時(shí)刻在0.1 s，γ=0.7，分析在系統(tǒng)發(fā)生故障且振蕩條件下，不對(duì)稱整定阻抗多相補(bǔ)償距離繼電器同對(duì)稱整定阻抗距離繼電器的動(dòng)作特性分析，以A相接地故障分析，仿真結(jié)果如圖4所示，圖4(a)中陰影部分標(biāo)出了動(dòng)作區(qū)，動(dòng)作元件PA-BC分別在不對(duì)稱整定阻抗及對(duì)稱整定阻抗下多相補(bǔ)償距離繼電器的動(dòng)作結(jié)果，虛線表示對(duì)稱整定，實(shí)線表示不對(duì)稱整定，對(duì)稱整定的多相補(bǔ)償距離繼電器在系統(tǒng)振蕩180°附近出現(xiàn)了拒動(dòng)區(qū)域，但不對(duì)稱整定的多相補(bǔ)償距離繼電器始終在動(dòng)作區(qū)，未出現(xiàn)拒動(dòng)情況；圖4(b)及圖4(c)非動(dòng)作元件PB-CA及PC-AB動(dòng)作結(jié)果，對(duì)稱整定的多相補(bǔ)償距離繼電器均在系統(tǒng)振蕩180°附近出現(xiàn)了動(dòng)作區(qū)域，但不對(duì)稱整定的多相補(bǔ)償距離繼電器始終在非動(dòng)作區(qū)，未出現(xiàn)動(dòng)作情況，仿真結(jié)果有效驗(yàn)證了本文第2節(jié)的理論分析，

(a)PA-BC動(dòng)作結(jié)果

(b)PB-CA動(dòng)作結(jié)果

(c)PC-AB動(dòng)作結(jié)果圖4 系統(tǒng)振蕩且發(fā)生A相接地故障動(dòng)作元件及非動(dòng)作元件波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析一種對(duì)稱整定阻抗的多相補(bǔ)償距離繼電器在單相接地且系統(tǒng)振蕩條件下的動(dòng)作特性，指出該距離繼電器在系統(tǒng)振蕩180°附近時(shí)，反映故障相的動(dòng)作元件出現(xiàn)拒動(dòng)及反映非故障相的動(dòng)作元件出現(xiàn)誤動(dòng)，提出了一種基于不對(duì)稱整定阻抗的多相補(bǔ)償距離繼電器，該繼電器利用選相元件判斷單相接地故障，減小相間阻抗繼電器整定阻抗范圍來(lái)避免振蕩且單相接地條件下多相補(bǔ)償距離繼電器拒動(dòng)或誤動(dòng)，理論分析及仿真結(jié)果充分驗(yàn)證本文理論分析的正確性，能夠應(yīng)用在輸電線路保護(hù)中。