T接线路电流纵差保护新判据研究

T 接线路电流纵差保护新判据研究高厚磊,江世芳(山东大学电气工程学院,山东济南　250061)摘要:根据T 接线路的特点,提出一种基于故障分量的电流纵差保护新判据。

该判据在保证外部故障稳定性的前提下,对内部故障具有灵敏度高、允许过渡电阻能力强等特点,动作性能不受负荷电流的影响,适应于有电流流出的内部故障情况。

文章给出了该判据的理论分析、应用条件和仿真结果。

关键词:T 接线路;　电流差动保护;　故障分量;　动作判据中图分类号:T M773 文献标识码:A 文章编号:100324897(2001)09200062041　引言在两端或多端输电线路电流差动保护中,其动作判据多采用基于故障后工频电流量的向量差动形式[2]。

虽然其工作量(各端电流和的绝对值)具有精确提取故障分量的能力,但内部故障时,具有穿越性性质的负荷电流将增大判据的制动作用,从而降低保护的灵敏度,高阻故障时有可能导致保护拒动[3]。

为解决这一问题,不少文献以两端线路为研究对象提出自己的见解。

本文根据T 接线路故障情况下各端故障分量电流的特点,提出基于故障分量电流的向量差动新判据;针对CT 饱和、转换性故障等给出具体对策。

文章给出了判据的理论依据、不同情况下动作性能分析、实际应用要求和E MTP 仿真结果。

2　T 接线路故障分量电流的特点如图1所示T 接线路,当F 1点发生区内故障时,根据叠加原理可得到如图2所示的故障附加状态(以单相系统为例分析)[1]。

根据图2可求出各端电流如下:I n = U f [0]Z n ∑(1) I m =Z s ∑Z f t ・Z m ∑+Z f t ・Z s ∑+Z m ∑・Z s ∑・ U f [0] (2)I s =Z m ∑Z f t ・Z m ∑+Z f t ・Z s ∑+Z m ∑・Z s ∑・ U f [0](3)式中:Z m ∑=Z m +Z mt ,　Z n ∑=Z n +Z n f ,Z s ∑=Z s +Z st由三端故障分量电流的表达式可以看出,三电流之间的相位差完全取决于各阻抗的阻抗角。

在假图1　T 接线示意图图2　内部故障时故障附加状态定各阻抗阻抗角相等的条件下,三电流相位完全相同;否则相位略有差异。

当图1所示系统F 2点发生外部故障时,其对应的故障附加状态如图3所示。

图3　外部故障时故障附加状态根据图3所示电路,可求出三端故障分量电流为:I n =- U f [0]Z nt +Z m ∑∥Z s ∑(4) I m =-Z s ∑Z m ∑+Z s ∑・ I n(5)I s =-Z m ∑Z m ∑+Z s ∑・ I n(6)以上三式表明,在忽略阻抗间相角差的情况下,远离故障点的两端其故障分量电流( I m , I s )相位相同,且与近故障端的故障分量电流( I n )相位相反;在幅值上满足以下关系:I n >I m ,I n >I s ,I n =I m +I s3　基于故障分量的向量差动判据3.1　动作判据方程根据T 接线路内、外部故障时各端故障分量电流的特点,提出以下分相差动动作判据: I m + I n + I s >I 0I m + I n + I s >k I max - I ∑ (7)式中: I m , I n , I s ———三端同名相故障分量电流I 0———门槛电流,整定时躲过线路充电电流k ———制动系数,(0.5<k ≤1)I max ———三端电流中幅值最大者 I ∑———其余两端电流向量和(7)中第一式为辅助判据,其目的是防止线路充电或稳态情况下因装置误起动而引起误跳闸。

第二式为主判据,。

当两式同时满足时发动作命令。

判据的制动特性如图4所示。

图4　比率制动特性3.2　不同故障情况下判据工作性能分析(1)外部故障此时,判据中工作量接近为零,制动量为三端电流幅值之和的比例值,判据处在最可靠不动作状态。

(2)内部金属性故障此时,三端电流相位接近相同且量值较大,使工作量远大于制动量,判据处在最灵敏动作状态。

(3)内部经过渡电阻故障T 接线路内部经电阻短路时,其对应的故障附加状态与图2的区别仅在于故障电动势和故障点之间串接一过渡电阻。

显然,该过渡电阻的存在不影响三端故障分量电流的相位关系,只影响其大小。

因此,理论上只要过渡电阻不是无穷大,主判据就能满足。

但当过渡电阻很大时,随着故障分量电流的减小,工作量就会小于附加判据中的门槛电流,保护将因此不能动作。

由此可知,该判据具有很强的允许过渡电阻能力,但将受到门槛电流的制约。

(4)分相动作能力为考察判据的分相动作能力,在附录中对T 接线内部A 相接地故障时各端故障相和非故障相故障分量电流进行了详细计算。

由计算结果可进行以下分析:对A 相有:| I ma + I sa + I na |µ| I max - I ∑|对B 相有:| I mb + I sb + I nb |≈0对C 相有:| I mc + Isc + I nc |≈0因此,故障相动作条件满足,非故障相动作条件不满足,保护具有很好的选相跳闸能力。

(5)内部故障有电流流出的情况如图4所示T 接线路。

在M 端系统阻抗较小,S 端系统阻抗很大,故障点在N 端出口附近时,故障电流的分布将如图中所示。

此时在S 端将有电流流出。

图5　内部故障有电流流出示意图根据图4的网络结构和阻抗相对关系,三端故障分量电流具有以下关系:I m 与 I n 相位接近相同, I s 与之接近反相;| I s |<| I m |,| I s |<| I n |, I m 与 I n 大小关系不定。

根据以上关系,有| I m + I n + I s |=I m +I n -I s| I max - I ∑|=I m +I s -I n (I m >I n 时)I n +I s -I m (I m <I n 时)| I m + I n + I s || I max - I ∑|>1因此,判据动作条件满足,能可靠动作。

(6)一端退出运行情况一端退出运行时,T 接线路变成两端供电线路。

此时,内、外部故障时故障分量电流的性质不改变,判据能正确工作。

4　CT饱和及转换性故障的对策4.1　外部故障引起CT饱和对判据的影响及对策T接线外部故障时,近故障侧CT由于电流较大可能产生饱和现象。

饱和侧电流由于波形有缺损,其基波分量的幅值将减少(其相位变化较小),由此导致判据中工作量的增大和制动量的降低。

在CT 饱和不严重、饱和侧故障分量电流的幅值仍是三侧当中最大时,主判据动作条件不会满足,保护不会误动。

即判据具有一定的抗饱和能力。

但在CT严重饱和情况下误动可能发生。

为提高判据的抗CT饱和能力,采取以下对策:故障启动后首先检测CT是否由外部故障引起饱和,确定后将主判据改为以下形式:I m+ I n+ I s>k( I m+ I n+ I s)(8)在k值接近1的条件下,上式具有很强的防误动能力。

CT饱和的检测依据如下:当外部故障引起CT 饱和时, I m+ I n+ I s突然增大,( I m+ I n+ I s)突然减小,两者的变化率正好相反。

利用这一点即可实现饱和检测。

详细内容请参考文献[4]。

4.2　转换性故障的对策故障分量的提取一般在故障发生后的一周波内有效,因此基于故障分量的电流差动判据仅在故障后的第一周波投入使用。

这对大部分故障来说能起到应有的保护作用,但对一周波后的转换性故障(如区外转区内)则失去保护能力。

为解决这一问题,采用以下对策:故障启动后,若一周内没有发出动作命令,则投入传统型全电流向量差动判据,如下式所示:I m+ I n+ I s>k( I max- I∑) (9)式中:I m、 I n、 I s为各端同名相全电流;I max为三电流中最大者; I∑为其余两电流和;k为制动系数　(0.5<k≤1)判据(9)不仅可以识别一周后的转换性故障,而且对于第一周波没有正确动作的内部故障起后备判定作用。

5　判据在应用时的考虑5.1　数据采集及传送对分相电流纵差保护而言,在有限的通信速率下(如64kb/s),通道传送的数据只能是一种形式的电流数据,即瞬时值或向量。

本文提出的判据既用工频故障分量又用工频全电流,为满足判据对不同工频量的需求,各端保护间传送的数据应是同时刻采集的全电流瞬时值,即采用“先送后算”的方案。

基于G PS的同步采样方法和采样时刻调整法能满足其要求。

5.2　采样数据处理各端保护在收到其它端送来的电流采样值后,应根据故障分量提取算法不断地进行故障分量瞬时值(采样值)的计算,并将计算结果存入采样值放置区。

故障起动后,为加快内部故障的动作速度,首先利用半周富氏算法进行基波故障分量的计算,并在判据(7)中利用半周计算值进行动作判定。

然后根据需要在故障后半周到一周之间利用全周富氏算法进行基波故障分量的计算;在一周后利用全周富氏算法进行全电流基波分量的计算;并适时将判据(7)的半周计算值改为全周计算值,将故障分量改为全电流。

6　数字仿真及结论为验证所提判据的正确性,运用E MTP对图6所示500kV系统进行了大量的仿真计算。

图6　E MTP仿真模型系统参数:Z m1=1.051+j21.8Ω,　Z m0=j14.5ΩZ n1=1.057+j22.6Ω,　Z n0=j19.2ΩZ s1=1.042+j30.5Ω,　Z s0=j21.3Ω线路参数:MT:Z1=0.0294+j0.278Ω/km,　C1=j0.012μF/km Z0=0.278+j0.652Ω/km,　C0=j0.0132μF/km NT:Z1=0.027+j0.278Ω/km,　C1=j0.011μF/km Z0=0.194+j0.642Ω/km,　C0=j0.09μF/km ST:Z1=0.021+j0.337Ω/km,　C1=j0.01μF/km Z0=0.135+j0.774Ω/km,　C0=j0.083μF/km仿真时系统以集中参数建模,线路以分布参数建模。

正常情况下线路中负荷情况为I ma=1676∠-9.7°A,I sa=629∠-5.9°A,I na=2313∠160°A;线路对地电容电流为437∠77°A。

判据(7)中制动系数取0.6,门槛电流取500A。

主要仿真结果如下:在仿真模型所示参数下,发生各种类型外部故障时,新判据具有很强的防卫能力;内部故障时动作灵敏,允许过渡电阻能力不受负荷电流影响(仅受门槛电流的影响),在本模型下单相接地故障可允许500Ω。

而(9)式所示的传统判据在该模型下允许过渡电阻能力为100Ω,当M、N两端电势夹角增大为50°时下降为50Ω。