自適應(yīng)零序電流繼電保護(hù)研究

劉 娟，胡徐勝

(1.馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，安徽 馬鞍山 243030；2.皖江工學(xué)院 馬鞍山市無(wú)線傳感網(wǎng)與智能感知工程技術(shù)研究中心，安徽 馬鞍山 243031)

自適應(yīng)零序電流保護(hù)是根據(jù)運(yùn)行中電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)的狀態(tài)、故障類型自動(dòng)調(diào)整動(dòng)作值和整定值，做出相應(yīng)保護(hù)的過(guò)程[1]。這一過(guò)程是自動(dòng)的不需要人工參與，這得益于微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得保護(hù)范圍擴(kuò)大、可靠性更強(qiáng)。

1 保護(hù)系統(tǒng)

設(shè)電力系統(tǒng)為雙側(cè)電源，并且系統(tǒng)兩側(cè)中性點(diǎn)均為接地，以保護(hù)1處為例(P處有故障)，如圖1所示，來(lái)分析傳統(tǒng)零序電流和自適應(yīng)零序電流在線路上的整定原理及整定方法的特點(diǎn)。

圖1 P處故障系統(tǒng)接線圖

根據(jù)系統(tǒng)兩側(cè)M側(cè)系統(tǒng)、N側(cè)系統(tǒng)運(yùn)行方案的不同，設(shè)系統(tǒng)各阻抗值如表1所示。

表1 運(yùn)行方案

2 傳統(tǒng)零序電流保護(hù)

2.1 傳統(tǒng)零序電流速斷保護(hù)

2.1.1 零序電流計(jì)算

在圖1中，先求得P處故障點(diǎn)在各種運(yùn)行方式下的零序電流值，用來(lái)作為零序電流速斷保護(hù)整定值的計(jì)算依據(jù)。首先需要計(jì)算故障點(diǎn)P的正序等值阻抗和零序等值阻抗，通常情況下，發(fā)電機(jī)的正序等值阻抗和負(fù)序等值阻抗相等[2]，因此，可以利用負(fù)序網(wǎng)絡(luò)來(lái)計(jì)算等值系統(tǒng)的正序阻抗。P處故障系統(tǒng)負(fù)序網(wǎng)絡(luò)和零序網(wǎng)絡(luò)如圖2和圖3所示。

圖2 P處故障系統(tǒng)負(fù)序網(wǎng)絡(luò)圖

圖3 P處故障系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)圖

(a)P故障處零序電流計(jì)算

單相接地時(shí)P故障處零序電流：

(1)

兩相接地時(shí)P故障處零序電流：

(2)

(b)保護(hù)1處零序電流計(jì)算

單相接地時(shí)保護(hù)1處零序電流：

(3)

兩相接地時(shí)保護(hù)1處零序電流：

(4)

式(1)-(4)中，E為系統(tǒng)等效電源的相電勢(shì)，200 V；ZΣ1為故障點(diǎn)P的正序等值阻抗；ZΣ0為故障點(diǎn)P的零序等值阻抗；C0m為實(shí)際的零序電流分布系數(shù)。

Z∑1=Z∑2=(ZM2+ZMP2)//(ZNP2+ZN2)，

(5)

Z∑0=(ZM0+ZMP0)//[ZT0//(ZNP0+ZN0)]，

(6)

(7)

將表1中的數(shù)據(jù)代入以上對(duì)應(yīng)公式，整理得出保護(hù)1處的零序電流如表2所示。

表2 保護(hù)1處的零序電流 A

2.1.2 傳統(tǒng)零序電流速斷保護(hù)整定計(jì)算

假設(shè)帶有0.1 s延時(shí)的傳統(tǒng)零序電流速斷保護(hù)，躲開斷路器三相不同期合閘時(shí)間，速斷保護(hù)的動(dòng)作電流按躲開下一線路出口處單相或兩相接地時(shí)出現(xiàn)的最大零序電流3I0.max來(lái)整定[3]，以圖1中保護(hù)1處為例，則傳統(tǒng)零序電流速斷保護(hù)整定值為：

(8)

2.1.3 傳統(tǒng)零序電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍計(jì)算

假設(shè)系統(tǒng)G處發(fā)生故障，如圖4所示，其負(fù)序網(wǎng)絡(luò)和零序網(wǎng)絡(luò)圖如圖5和圖6所示。

圖4 G處故障系統(tǒng)接線圖

圖5 G處故障系統(tǒng)負(fù)序網(wǎng)絡(luò)圖

圖6 G處故障系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)圖

Z∑1=Z∑2=(ZM2+ZMG2)//(ZGP2+ZNP2+ZN2)，

(9)

Z∑0=(ZM0+ZMG0)//[ZGP0+ZT0//(ZNP0+ZN0)]，

(10)

C0m=

(11)

將表1中的數(shù)據(jù)代入式(9)-(11)求解，再將求解值和零序電流速斷保護(hù)的動(dòng)作電流1 018.56 A代入式(8)，求得x后，代入保護(hù)范圍公式得到傳統(tǒng)零序電流速斷保護(hù)范圍，如表3所示。

表3 傳統(tǒng)零序電流速斷保護(hù)范圍 (%)

2.2 傳統(tǒng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)

2.2.1 零序電流計(jì)算

零序電流限時(shí)速斷的動(dòng)作值與下一條線路的零序電流速斷相配合，因此設(shè)N處有故障，如圖7所示，其負(fù)序網(wǎng)絡(luò)和零序網(wǎng)絡(luò)圖如圖8和圖9所示。

圖7 N處故障系統(tǒng)接線圖

圖8 N處故障系統(tǒng)負(fù)序網(wǎng)絡(luò)圖

圖9 N處故障系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)圖

同理，保護(hù)2處的單相接地短路零序電流和兩相接地短路零序電流仍按式(3)(4)計(jì)算，也只是下標(biāo)不同，用以區(qū)分保護(hù)處。

對(duì)應(yīng)圖8和圖9，阻抗及分布參數(shù)則變?yōu)椋?/p>

Z∑1=Z∑2=(ZM2+ZMP2+ZNP2)//ZN2，

(12)

Z∑0=[(ZM0+ZMP0)//ZT0+ZNP0]//ZN0，

(13)

(14)

經(jīng)計(jì)算得到保護(hù)2處的零序電流如表4所示。

表4 保護(hù)2處的零序電流 A

2.2.2 傳統(tǒng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)整定計(jì)算

零序電流限時(shí)速斷的動(dòng)作值與下一條線路的零序電流速斷相配合，所以保護(hù)2處零序電流限時(shí)速斷的動(dòng)作值為：

(15)

據(jù)表4有3I0.max=957.3 A，則整定值為：

為了確定保護(hù)最不利的情況下傳統(tǒng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)的整定值，需要進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)，校驗(yàn)應(yīng)按本線路末端最小零序電流來(lái)計(jì)算。

靈敏度值大于1.3～1.5，滿足靈敏度要求。由此可確定，傳統(tǒng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)的整定值為348.1 A。

2.2.3 傳統(tǒng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)的靈敏度計(jì)算

靈敏度=本線路末端故障流過(guò)保護(hù)安裝處的零序電流/零序電流限時(shí)速斷保護(hù)的整定值。

例如運(yùn)行方案二中單相接地時(shí)靈敏度為：

根據(jù)表2計(jì)算各種運(yùn)行方案下傳統(tǒng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)的靈敏度，結(jié)果見表5。

表5 傳統(tǒng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)的靈敏度

3 自適應(yīng)零序電流保護(hù)

3.1 自適應(yīng)零序電流保護(hù)整定計(jì)算

當(dāng)判斷出系統(tǒng)發(fā)生接地短路及其短路類型后，自適應(yīng)零序電流保護(hù)按照具體的短路類型和系統(tǒng)運(yùn)行方式以及接地中性點(diǎn)的分布來(lái)整定保護(hù)動(dòng)作值[4-6]。

自適應(yīng)零序電流速斷保護(hù)的動(dòng)作值按躲開下一線路出口處單相或兩相接地時(shí)出現(xiàn)的零序電流3I0來(lái)整定，這里以保護(hù)1處為例。

單相接地時(shí)保護(hù)1處的零序電流速斷整定值為：

(16)

兩相接地時(shí)保護(hù)1處的零序電流速斷整定值為：

(17)

表6 自適應(yīng)零序電流速斷保護(hù)整定值 A

3.2 自適應(yīng)零序電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍計(jì)算

假設(shè)G處發(fā)生故障，如圖4-6所示。自適應(yīng)零序電流速斷保護(hù)范圍的計(jì)算方法與傳統(tǒng)零序電流速斷保護(hù)范圍的計(jì)算方法一樣。

經(jīng)計(jì)算整理得到自適應(yīng)零序電流速斷保護(hù)范圍如表7所示。

表7 自適應(yīng)零序電流速斷保護(hù)范圍 (%)

3.3 自適應(yīng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)計(jì)算

自適應(yīng)零序電流限時(shí)速斷的動(dòng)作值與下一線路的零序電流配合，整定仍按式(15)進(jìn)行，但是分支系數(shù)K0.br取實(shí)際數(shù)值，而不是取最小值。

代入數(shù)據(jù)求得K0.br值為4.3。

將表4保護(hù)2處的零序電流代入上述公式，可得表8自適應(yīng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)整定值。

表8 自適應(yīng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)整定值 A

3.4 自適應(yīng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)的靈敏度計(jì)算

自適應(yīng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)的靈敏度的計(jì)算公式與傳統(tǒng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)的靈敏度的計(jì)算公式一樣，只是自適應(yīng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)的整定值視運(yùn)行方案自動(dòng)整定。

例如：運(yùn)行方案一的自適應(yīng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)的靈敏度：

經(jīng)計(jì)算得到各運(yùn)行方案下的自適應(yīng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)的靈敏度如表9所示。

表9 自適應(yīng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)的靈敏度

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比可看出，傳統(tǒng)零序電流速斷保護(hù)和限時(shí)速斷保護(hù)因其動(dòng)作值分別固定為1 018.56 A，348.1 A，整定值不變，所以面對(duì)運(yùn)行方式變化的電力系統(tǒng)，無(wú)法進(jìn)行很好的保護(hù)。而自適應(yīng)零序電流保護(hù)的動(dòng)作值和整定值可隨運(yùn)行過(guò)程和故障類型改變而調(diào)整，可以較好地適應(yīng)變化的電力系統(tǒng)，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。自適應(yīng)零序電流速斷保護(hù)較傳統(tǒng)零序電流速斷保護(hù)擴(kuò)大了保護(hù)范圍，例如在運(yùn)行方案一下，發(fā)生兩相接地故障時(shí)傳統(tǒng)零序電流速斷保護(hù)范圍僅為50.5%，而采取自適應(yīng)零序電流速斷保護(hù)時(shí)其保護(hù)范圍為80.0%。自適應(yīng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)靈敏度也較傳統(tǒng)零序電流限時(shí)速斷保護(hù)靈敏度普遍提高，而且前者受運(yùn)行方式變化和接地短路類型變化的影響不大。綜上，自適應(yīng)零序電流繼電保護(hù)值得在工程實(shí)際中推廣。