特高压输电线路自适应三相对称故障选相元件_薛士敏

特高压输电线路自适应三相对称故障选相元件薛士敏,贺家李,李永丽(天津大学电力系统仿真控制教育部重点实验室,天津市300072)摘要:针对特高压输电线路三相对称故障发展的特点,在详细分析三相对称故障选相要求的基础上,提出了自适应三相对称故障选相元件。

该选相元件利用三相电流突变量,根据零序分量的有无自适应选择定值,判断三相突变量是否存在、是否相等。

该选相原理考虑了特高压输电线路暂态分量的影响,能实现快速准确选相,且不受过渡电阻影响。

所提出的选相元件在三相对称故障的选择上优于传统相电流差突变量选相元件。

理论分析和仿真实验验证了该方法的正确性和有效性。

关键词:选相元件;特高压输电线路;三相对称故障;自适应原理;负序方向元件收稿日期:2010-02-04;修回日期:2010-06-22。

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2009CB219704);国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2007A A05Z241);国家自然科学基金资助项目(50607014);天津市自然科学基金资助项目(08JCYBJC13500)。

0　引言特高压输电线路长,分布电容大,而方向元件的动作范围大,是半个平面,经过大量的分析认为,负序方向纵联保护可作为特高压线路主保护[1-4]。

特高压输电线路的相间距离一般在15m 以上,完全同时的三相故障可能性很小,大部分三相故障的初瞬间都有短时的不对称,但由于滤波算法的跨窗问题以及暂态故障分量的影响,在故障转换为三相故障后10m s 左右,由滤波算法求得此时的不平衡负序电压、电流仍然较大,难以用负序电流的幅值门槛加以限制。

不平衡负序电压、电流较大,可能导致负序方向元件不正确动作[1]。

考虑到这一情况,在负序方向元件的动作逻辑中应加入三相对称故障的选相元件,要求该元件应该具有较快的动作速度,一旦由不对称故障发展为三相对称故障可以快速闭锁负序方向元件,如同对方来的闭锁信号一样。

一般保护装置中选相元件是为了在单相接地短路时,选出故障相单相跳闸,在两相和三相短路时三相跳闸,而此处设立的三相不对称故障选相元件的目的在于判断是否发生了三相对称故障,当发生不对称故障时,也不需区分不对称故障的类型。

另外,在一些专门反映三相对称故障的原理上也需要三相故障选相元件。

在选择单相故障和相间故障时利用序分量进行选相要优于故障分量选相[5-6],但是三相故障时理论上不存在负序和零序分量,所以应用序分量进行选相是不可能的;而如果应用相电流差突变量选相元件,由于故障时暂态分量的影响,这一选相元件往往将三相对称故障误判为两相短路故障[7]。

因此,已有的选相方案都不能可靠判定三相短路,需要提出新的三相对称故障选相元件。

本文提出了一个新的三相对称故障选相原理。

该选相原理充分考虑了特高压输电线路要求保护动作速度快、暂态分量影响大的特点,应用自适应原理,对三相电流突变量的相近性进行判别,如果三相电流突变量相近且大于门槛值则判为三相对称故障,否则判为不对称故障。

1　对三相对称故障选相元件的要求1.1　动作速度为了防止不对称故障转换为三相对称故障时,由于滤波算法跨窗问题和暂态分量影响,导致负序方向元件误判,要求三相对称故障选相元件快速动作,需要在负序方向元件动作之前判断出三相故障。

一旦该选相元件判断系统发生三相故障,立即闭锁负序方向元件,这样保证了负序方向元件只有在不对称故障期间才有输出。

1.2　特高压输电线路暂态分量影响电力系统发生三相短路故障时,短路电流由强制分量和自由分量2部分组成,短路电流的强制分量与外加电源电势有相同的变化规律,基本上也是恒幅值的正弦交流,而短路电流的自由分量与外加电源无关,它是按指数规律衰减的直流。

只有短路电流的周期分量才是对称的,而各相短路电流的非周期分量并不相等。

非周期分量的初值既与短路前和短路后电路的情况有关,又与短路发生时刻(或合—80—第34卷　第20期2010年10月25日V o l .34　N o .20O ct .25,2010闸角)有关。

对于低电压等级的中短线路,线路分布电容小,电流暂态分量中主要是非周期分量。

而对于特高压输电线路,由线路分布电容、电源侧分布电容、串补电容、母线电容和并联电抗器等引起多种不同的暂态分量[8]即高频分量,其值较大且频谱很宽,并且特高压输电线路由于线路电阻小,则非周期分量衰减时间常数大[9],因此,对于要求快速动作的选相元件要充分考虑特高压输电线路故障时暂态分量的影响。

2　三相对称故障选相元件2.1　基本原理本原理通过对三相电流突变量ΔI A,ΔI B,ΔI C 的判别和比较来判定三相故障。

当线路上发生三相故障时,此时A BC三相电流皆有突变量且三相突变量在不考虑暂态分量的情况下大小是相等的,然而,实际系统发生三相短路故障时,尤其在特高压输电线路上,由于暂态分量的影响,三相突变量之间会有很大的偏差。

本文根据特高压输电线路对三相对称故障选相元件的要求,确定三相对称故障选相元件的启动原则为:①三相均有突变量;②三相突变量基本相等。

具体判别方法如下。

1)三相电流均有突变三相电流突变量幅值均大于一定的门槛值:min(ΔI A,ΔI B,ΔI C)>I set(1)式中:I set为门槛值。

2)三相突变量基本相等考虑到保护动作快,由于暂态非周期分量及谐波分量对滤波算法的影响,三相故障时三相突变量彼此间会不相同,但比不对称短路时差别小得多。

两相接地和单相接地故障时由于零序互感及暂态分量对滤波算法的影响,非故障相均有一定的突变量。

根据上述因素,本原理对三相突变量基本相等的判据采用三相电流中最大突变量与最小突变量的比值K,称为裕度比。

K=ΔI maxΔI min(2) 判别式如下:K<K set(3)即求取K,与事先设定好的裕度比定值K set相比,如果K<K set,说明三相突变量接近,认为此时发生的是三相故障,否则说明此时发生的是不对称故障。

2.2　定值选取设立了2套定值。

第1套:I set=I set0,K set=K set0;第2套:I set=0.5I set0,K set=2K set0。

定值的选取根据故障后是否有零序分量来确定。

之所以采用2套定值,是因为在两相接地故障和单相接地故障时由于零序互感的影响,非故障相电流有突变量,这会使ΔI min接近I set,同时使K值减小并接近K set,因此可能误判为三相故障,而如果此时增大门槛值且提高裕度比定值,则将影响三相对称故障选相元件的灵敏度,导致三相故障时误判。

因此,本文提出了自适应选取定值的方法,方法如下。

首先,判断零序分量(零序分量受故障暂态分量影响小)是否存在,如果故障后有零序分量,则判为接地故障(两相接地或单相接地),此时为了增加三相对称故障选相元件的可靠性,提高门槛值I set,降低裕度比定值K set,即选择第1套定值。

如果故障后没有零序分量,则说明此时发生三相故障或两相故障。

然后,只需区分三相故障和两相故障,因两相故障时非故障相无突变量,考虑到暂态过程对滤波算法的影响,非故障相求得的突变量相对于故障相也非常小,因此求得的裕度比K非常大,远大于裕度比定值K set,即K K set,可见不符合三相对称故障选相元件的启动原则(式(3)),可明确区分三相故障和两相故障。

此时,选用第2套定值,可增加三相对称故障选相元件的灵敏度。

本文所提出的三相故障选相流程如图1所示。

图1　三相对称故障选相元件判别流程Fig.1　Flow chart of three-phase fault selection element3　过渡电阻和负荷变化的影响该选相元件用来选择三相对称故障,当发生三—81—·研制与开发·　薛士敏,等　特高压输电线路自适应三相对称故障选相元件相故障时突变量的大小不受过渡电阻的影响;而当发生不对称接地故障且过渡电阻较大时,过渡电阻的存在使突变量减小,有利于三相故障的判别。

同时,过渡电阻的存在加快了暂态分量的衰减速度,能够减小暂态分量对滤波算法的影响,对正确得到各相突变量和负序分量有利,有利于三相对称故障选相元件和负序方向元件的正确动作。

当负荷突然变化较大时,如果三相突变量均大于突变量门槛值,此时三相对称故障选相元件判为三相故障,同时闭锁负序方向纵联保护,这是正确的,因为负荷变化时保护应可靠不动作。

而对于专门反应三相故障的纵联保护原理,由于此时被保护元件两端的方向元件方向相反,所以保护不会误动。

4　与相电流差突变量选相元件的比较对于特高压输电线路,用相电流差突变量往往无法区分出三相故障。

因为电力系统发生三相短路时,相电流差突变量由于受暂态分量的影响基本不会相等。

当相电流差突变量相差较大时,由于不符合三相短路判据而继续进行判断,根据选相流程,最终往往因符合两相短路故障判据而误判为两相短路故障[7]。

并且在区分两相故障和三相故障的能力上,本文所提出的三相故障选相方法明显优于相电流差突变量选相元件。

以发生BC 两相短路为例分析如下。

两相故障时,相间的相电流差为: I·BCg=23C 1I ·1g(4)式中:I ·1g 为故障点的正序故障分量电流。

另外2个相电流差为:I ·ABg =3 C 1I ·1gI ·CAg=3 C 1I ·1g(5)因此,两相故障时求得裕度比K =ΔI max /ΔI min =2。

而三相对称故障时,理论上,K =1,可见,两相故障和三相故障时两者裕度比区分度很小。

考虑特高压输电线路故障时暂态分量的影响,则相电流差突变量选相元件根本无法区分三相故障和两相故障。

本文所提出的自适应相电流突变量选相元件,在两相故障时非故障相突变量很小,可以认为ΔI A =0,因此,理论上K 为无穷大,而实际上K 也为很大的值,因而能够明确判断出三相故障和两相故障。

仿真结果证明,在三相故障的判定上,本文所提出的三相对称故障选相元件采用相电流突变量原理明显优于相电流差突变量原理。

5　仿真结果仿真模型如图2所示,电压等级为1000kV ,被保护线路全长500km 。

系统参数如图2所示,其中r ,L ,C 分别为单位长度的电阻、电感和电容。

正常运行时,两侧系统电势夹角为65°。

k 1为区内故障,k 2为区外故障。

突变量定值I set 选为额定电流的0.075～0.15(额定电流设为传输自然功率下的电流有效值,即1000kV /3Z C ,Z C 为输电线路的波阻抗),裕度比定值K set 选为6。

仿真步长0.5m s 。

判断为三相故障的条件为连续5点中有3点判为三相故障,即5取3。

仿真结果如表1所示。

图2　1000kV 特高压输电线路系统Fig .2　1000kV ultra -high -voltage transmission system表1　仿真结果Table 1　Simulation result故障位置动作时间/m s稳定三相故障不对称初瞬间为5m s 的转换性三相故障首端3.07.5中点3.08.5末端3.59.0反方向3.07.5由仿真结果可知,三相对称故障选相元件动作速度快;对于短时不对称三相故障,三相对称故障选相元件在故障转换为三相故障后2.5m s ～4.0ms 可快速判出三相故障,避免了不对称故障转化为对称故障后由于滤波算法的跨窗及暂态分量的影响引起负序方向纵联保护误动问题。