特高压输电线路自适应三相对称故障选相元件

[ 7]
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
K set0 ; 第 2 套 : I set = 0. 5I set0 , K s et = 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 I m in 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 s et , 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 s et , 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。
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 。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。
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 | = 2 3| C I | 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 : ( 5) ∀ ∀ | I CAg | = 3| C 1 I 1g | 因此 , 两 相 故 障 时 求 得 裕 度 比 K = I max / I 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 I 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。 82 | I ABg | = 3| C1 I 1g |
第 34 卷 第 20 期 2010 年 10 月 25 日
V o l. 34 N o . 20 Oct. 25, 2010
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
5 仿真结果
仿真模型如图 2 所示, 电压等级为 1 000 kV, 被保护线路全长 500 km 。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 2 s 障 , k 为区外故障。突变量定值 I et 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 1 000 kV/ 3 Z 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. 5 m 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。
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 [ 1 4] 序方向纵联保护可作为特高压线路主保护 。特 高压输电线路的相间距离 一般在 15 m 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 10 m 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 [ 5 6] 选相要优于故障分量选相 , 但是三相故障时理论
Fig. 1
图 1 三相对称故障选相元件判别流程 Flow chart of three phase fault selection element
3 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
2010, 34( 20)
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。
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 I A , I B , I 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: 三相均有突变量 ; ! 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( I A , I B , I 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。 m ax K = I ( 2) I m in 判别式如下 : K < K s et ( 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 s et = I set0 , K set =