短路故障时高过渡电阻条件下距离保护的研究

短路故障时高过渡电阻条件下距离保护的研究
St udy on Distance Protection of Short Circuit under High Fault Resist ance
燕山大学电气工程学院(河北秦皇岛066004) 荣雅君　王　
　王莉丽
摘　要:电力系统发生故障时存在过渡电阻是距离保护中的一个难题。

为此,应用微分方程对单相接地短路进行了描述,并将其转化为相量方程进行了分析,而且获取了短路电流值。

根据短路电流值计算出了测量阻抗,比较接近于真实值。

EM T P 仿真结果表明,应用这种方法求出的测量阻抗可以保证距离保护正确动作。

关键词:距离保护;过渡电阻;微分方程中图分类号:TM 733文献标识码:A
文章编号:1003-9171(2004)03-0006-02
当电力系统发生短路故障时,一般不是金属性短路,大多数的情况下短路点存在着过渡电阻。

当存在过渡电阻时,距离保护的测量电阻不再同故障距离成正比,距离保护的动作区会扩大或者缩小,距离保护因此可能发生拒动或者误动,会给电力系统安全运行带来重大的损失,甚至有可能
会威胁到电力系统的稳定性。

[1、2、3]
由于电力系统故障可以用一个微分方程来描述。

因此,国内外的学者们提出了应用微分方程的算法来计算故障距离[1]
,由于在微分方程算法中要用到短路电流I f ,所以在文献[1]中,提出了一种使用测量电流零序分量相角来代替短路电流I f 相角的方法。

但应用这种方法时,在一部分区域中,保护不能判定是否应该动作。

在本文中,
用另外的一种方法得到了短路电流I
f ,对存在过渡电阻时的距离保护测量阻抗进行了研究。

EMT P 的仿真结果表明,应用这种方法得到的阻抗值接近于实际值,能够保证正确动作。

1　基本原理与理论
对于单相接地短路,在忽略输电线路并联接地电容的情况下,有(1)式成立:
u =
其中　u ,i ——分别为线路上故障相电压,故障相
电流;
i f ——流经过渡电阻的短路电流;
R L 和X L ——分别为线路A B 的正序电阻和正
序电抗;
　R f ——过渡电阻。

图1　电力系统故障线路图
线路A B 全长为l 0,l 为故障距离,且l =ml 0,(0<m <1)。

图中所示线路阻抗Z L =R L +j X L 。

假定距离保护安装在母线A 处,在F 点发生单相接地短路故障。

假设该点到保护安装处的测量阻抗为mZ L (0<m <1)。

式(1)可以写成如下的形式:
U =I (Z L l +Z A )+R f I f (2)
对于单相接地短路,有:
I f =
(Z A +Z B +Z L )I L -(E A -E B )Z B +(1-m )Z L
(3)
考虑到在故障前有下式成立:
E A (0)-E B (0)=[Z A (0)+Z B (0)+Z L ]I L ′(4)
其中　I L ′——故障前的电流;
Z
A (0),Z
B (0)——分别为线路的A 相和B 相零序阻抗。

由式(4),可得:
I
f =k (I L -I L ′)(5)其中k =Z A (L)+Z B (L)+Z L
Z B (L)
+(1-m )Z L
其中Z A (L)和Z B (L)分别为线路的A 相和B 相的正序阻抗。

由式(5),便可以得到I
f 。

当过渡电阻R f =0时,在母线A 处的保护测量得到的阻抗值为:
Z L
(6)
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其中,U 1,U 2,U 0分别为故障后的正序、负序和零
序电压分量;I 1,I 2,I 0分别为故障后的正序、负序和零序电流分量;k 0=Z L(0)/Z L ,Z L(0)为线路的零序阻抗。

由式(6)可知,当发生了金属性短路(即R f =0)时,测量阻抗与故障距离成正比。

当短路故障存在过渡电阻(即R f ≠0)时,在母线A 处保护的测量阻抗值变为下式:
Z =mZ L +3R f I f
I (7)
其中,I =I 1+I 2+k 0I 0。

由式(7)可知,此时的测量阻抗不仅与线路阻抗mZ L 有关,还与过渡电阻R f 有关。

测量阻抗的值有可能小于mZ L ,也有可能大于mZ L 。

由于过渡电阻的存在,使得距离保护的测量阻抗出现了误差。

如果要保证距离保护正确地进行判断,就要对这个值进行一下修正。

根据单相接地短路时电压和电流的相量关系可画出图2。

从图2可知有以下关系成立
:
图2　单相接地短路相量图m Z L = Z sin
sin
(8)
其中Z 为测量阻抗,同时有
=!+arg I f -arg I -∀
L ; =arg U -arg I f ;U
=U 1+U 2+U 0;∀
L =arg Z L 。

由式(3)可得:
m =X CO X L = Z Z L sin sin
(9)即 X CO =X L Z Z L sin
sin
(10)
其中,X L =Im{Z L },X CO 就是经过修正之后的电抗
值。

同时可以得到修正的测量阻抗的值:
Z CO =R +j X CO
其中,R =Re (Z ),且保持不变。

将式(10)代入式(11)中,即可得到修正后的测量阻抗。

2　仿真结果
仿真线路如图1所示,线路A B 的电压等级为500kV,全长为225km 。

其中,Z A =(24+
j 153)#,Z B =(1.3+j 31.4)#,线路A B 的正序阻抗为(4.5+j75)#,零序阻抗为(85.5+j267.75)
#。

发电机电势E A =E B =500∠0°(kV)。

R f 为过渡电阻。

仿真中,设距离保护I 段的整定值为线路全长的85%(m =0.85),仿真数据处理过程中应用了[4]中介绍的傅立叶滤波算法,将故障电流、电压中的谐波分量滤除,尽量避免谐波分量的干扰。

在不同的过渡电阻、故障距离条件下,由式(10)、(11)仿真计算出的母线A 处测量阻抗值示于表1。

从表1中可知,如果在线路全长的90%(m =0.9)处发生A 相接地短路故障,过渡电阻为100#时,修正前,求出的测量阻抗值为(4.0133+
j 64.96)#。

修正后,求出的测量阻抗为(4.0337+j 66.871)#。

由此可见,修正前求出的测量阻抗十
分不准确,并且求出的测量阻抗值进入了距离保护I 段动作区,造成了距离保护的误动作。

修正后,与实际值相比,测量阻抗的准确度增加了,且位于动作区之外,可以保证距离保护的正确动作。

表1　测量阻抗实际值与修正前、
后的测量阻抗值
故障电阻/#故障距离/m 阻抗实际值/#
修正前测量
阻抗值/#修正后测量阻抗值/#
100
0.9
4.05+j 67.54.0133+j 64.964.0337+j 66.8710.7 3.15+j52.54.5805+j59.12 3.1301+j51.6860.20.9+j1
5.0 3.4754+j31.900.9207+j14.1601
0.9 4.05+j67.54.0883+j66.184.0693+j66.8980.7 3.15+j52.53.4595+j57.353.1460+j50.2580.2
0.9+j15.00.9091+j14.070.9163+j14.121
过渡电阻为100#的情况下,故障距离为70%(m =0.7)时,修正前,距离保护I 段测量出的阻抗值位于动作区之外,会造成距离保护I 段拒动。

当故障距离为20%(m =0.2)时,距离保护I 段测量出的阻抗值位于I 段动作区之内,虽然不会造成距离保护拒动,但是,从数值上可以看出测量阻抗值偏差很大。

修正后,得到的值和实际值偏差不是很大,保证了距离保护I 段正确动作。

(下转第26页)
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(收稿日期:2003-07-11)
(上接第7页)
过渡电阻为1#的情况下,修正前后的偏差比较小,说明了这种算法受过渡电阻的影响很小,能够保证阻抗继电器I 段正确动作,避免了由于出现拒动或者误动而造成的损失。

3　结论
在距离保护I 段中对测量阻抗进行修正受到过渡电阻的影响比较小,由此得到的测量阻抗值比较接近于实际值。

与此相比,在没有进行修正时,传统方法得到的测量阻抗值与实际值相比偏差较大,无法保证距离保护动作的正确性。

根据这种方法,保护可以正确地判断出短路故障发生在动作区内还是在动作区外。

而且这种方法与故障距离无关,具有自适应的特点,可以保证阻抗继电器的正确动作,提高了距离保护的选择性和可靠性,避免了因阻抗继电器拒动或者误动造成的损失。

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