高压输电线路振荡中的故障选相元件

高压输电线路振荡中的故障选相元件
许庆强 1，陈久林 1，索南加乐 2
(1. 江苏省电力试验研究院有限公司，江苏 南京，210036； 2. 西安交通大学电气工程学院，陕西 西安，710049) 摘 要：针对现有选相元件在系统振荡期间存在误选相问
题， 文中提出了一种基于相间电阻变化特征的高压输电线路 故障选相新原理。在故障发生前后， 故障回路的测量电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ是 突变的，而故障后故障回路的测量电阻基本没有变化， 以此 来判断故障相，从而得到选相结果。仿真结果表明，该选相 元件有很高的动作可靠性和准确性， 适用于系统振荡期间的 选相元件。 关键词：电力系统；线路保护；振荡；选相元件
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准确率，对动作速度的要求可以降低，因此，上述 选相元件更适合用于电力系统振荡的情形。 当然，如果采用短数据窗滤波算法，可以大大 提高该选相元件的动作速度，但其选相可靠性会适 当下降。
4 结论
文中提出了一种基于相间测量电阻变化特征 的高压输电线路故障选相元件。该选相元件不受负 荷电流、过渡电阻和分支系数等的影响，具有较高 的选相准确性。其缺点是所用数据窗较长，动作速 度相对比较慢，由于系统期间发生故障对保护动作 速度要求不高，因此，该选相元件特别适用于系统 振荡中的选相元件。RTDS 试验结果证实了该选相 元件的优良性能。
Rzd 1 为故障前后相间测量电阻突变量整定值；
若满足式（2） ，判断为发生了分区内的两相短 路接地。但是在系统发生快速振荡时，健全相的相 间测量电阻很可能满足式（ 2 ） ，如果提高整定值 Rzd 1 ，则可能保证不了灵敏度，为此增加了第二 个判据，见下式（3） ：
R / T Rzd 2
C 区（包括 CG 和 ABG： 150 ~ 30 ） 。 上面每个分区包括某相单相接地和另外两相 短路接地两种故障（比如 A 区包括 AG 和 BCG 两 种故障） 。 如何准确区分每个分区内的两种故障是目前 选相元件的难点。下面通过分析相间测量电阻的变 化情况，从而得到区分该两种故障的选相方案。 1.2 相间测量电阻的特征 相间测量电阻的计算方法为： /I R Real (U （1） ) 其中 ＝AB、BC 或 CA。 与单相接地测量阻抗计算方法相比[7]，该测量 算法不受负荷电流、过渡电阻和分支系数等的影 响，具有很高的测量精度，且式（1）是稳态量算 法，没有用到突变量，因此该算法基本不受系统振 荡的影响。 系统纯振荡时，测量阻抗将沿线 1、2 和 3 渐 渐移动，参见图 1。线 1 为两侧电动势相等，线 2 和 3 为两侧电动势不等的情况。 jX Z
0 引言
故障选相元件是高压线路保护装置中的重要 元件[1]。目前高压微机线路保护中主要采用突变量 选相和稳态量选相相结合，利用突变量元件作为故 障初期的选相元件，而利用序电流的分区结合其它 辅助方法作为故障后期的稳态量选相元件[2]。 突变量选相元件具有众多的优点，在现场得到 了广泛的应用[3]。但故障分量存在时间短，在故障 后期，可能存在系统网络结果变化以及突变量提取 精度不够等原因，导致突变量选相结果不可靠，只 能采用稳态量选相元件[4]。稳态量选相元件在一般 情况能正确动作，但在系统发生振荡，尤其是发生 快速振荡时，很容易发生误选相，这是当前高压输 电线路保护中的一大隐患[5]。 众所周知，利用电气量变化速度可以区分振荡 与短路，构成微机距离保护的振荡闭锁原理，其中 以测量电阻分量突变量判据的新原理有较好的效 果[6]。不管系统振荡与否，在故障发生前后，故障 回路的测量电阻是突变的，而故障后的测量电阻基 本没有变化。 文中提出了一种基于测量电阻变化情况的高 压输电线路故障选相元件，用于电力系统振荡期间 的故障选相元件。理论分析和实时数字仿真实验都 证实了新选相元件能准确有效地选出故障相。
上述不同故障情况下判据量大小、选相结果和动作时间
时间/ms 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 拒动 动作判据 1 30 150 130 60 250 114 345 16 20 45 230 170 10 130 15 N 侧保护 动作判据 2 选相结果 27 正确 3 正确 1 正确 49 正确 1 正确 86 正确 1 正确 5 正确 4 正确 16 正确 1 正确 2 正确 2 延时 2 正确 5 正确 时间/ms 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 拒动 60 60
L 侧保护 动作判据 2 选相结果 28 正确 2 正确 2 正确 58 正确 1 正确 92 正确 1 正确 7 正确 5 正确 15 正确 1 正确 1 正确 1 正确 5 正确 3 延时
图 3、4 和图 5 为不同振荡周期下，发生金属 性接地故障的选相结果；图 6 为简单金属性故障的 选相结果；图 7 为高阻接地故障的选相结果。 表 1 为上述不同故障情况下判据量大小、选 相结果和动作时间。 “动作判据 1”指的是故障后 40ms 到 60ms 之间 Rbc (k N ) Rbc (k 3N ) 的平均值， “动作判据 2”指的是故障后 40ms 到 60ms 之间 Rbc (k ) Rbc (k N ) 的平均值，单位均为 ；动作 时间指的是判断出故障类型的时刻 t0 。 3.2 仿真结果分析 从上面仿真结果来看，该选相元件不论在系统 正常运行还是系统振荡时，基本能正确选出故障 相。只是在线路远端发生单相经高阻接地故障时， 因分配到的零序或负序比较小，可能不会同时满足 I 0 / I1 0.1 和 I 2 / I1 0.15 而造成选相元件无法正常 选相，参见图 7（a）中 N 侧保护和图 7（c）中 L 侧保护的仿真结果。因此，在高阻接地时，选相元 件的动作灵敏度相对比较低。 从仿真结果看，选相元件的动作时间一般为 60ms， 对于简单故障， 这样的动作速度是比较慢的。 如果系统在振荡期间发生故障，保护关心的是动作
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由于高压输电线路的阻抗角接近 90 度，因此 线 1、2、和 3 在 R 轴上的投影远大于在 X 轴上的 投影。即在系统振荡期间，测量阻抗将连续变化， 且测量电阻的变化速度明显大于测量电抗的变化 速度。 若系统振荡期间发生单相接地故障，则式（1） 计算得到的另外两相相间测量阻抗，反应的是负荷 阻抗的情况，接地相对健全相的相间测量阻抗基本 没有影响[1]，相间测量阻抗与图 1 中测量阻抗的变 化规律基本相同，即该相间测量电阻在单相接地故 障发生的整个过程都在不断变化，但是不发生突 变。 若系统振荡期间发生两相短路接地故障，故障 发生前后故障相的相间测量电阻是突变的，而故障 后相间测量电阻基本没有变化。 1.3 选相动作判据 下面式（2）用于判断相间测量电阻在故障前
L


R
图 1 振荡时的测量阻抗
1 基本选相原理
下面来说明该选相元件在系统振荡时的选相 原理和动作判据。 1.1 电流序分量分区 首先根据线路中的零序和负序电流判断出系 统发生了不对称接地故障；不管系统振荡与否，对 于不对称接地故障，根据零、负序电流的相位差可 分成如下三个区域[2]： A 区（包括 AG 和 BCG： 30 ~ 90 ） ； B 区（包括 BG 和 CAG： 90 ~ 210 ） ；
150 30
30 90
t0 40ms
Rbc (k N ) Rbc (k 3N ) Rzd 1
Rbc (k ) Rbc ( k N ) 0.02 Rzd 2
图 2 选相流程框图
图 2 给出了以 A 区为例的选相流程框图， 图中 a arg( I 0 / I 2 ) 。对流程框图的说明如下： 1）该选相流程图中，求取向量时采用全周付 氏滤波算法。若采用短数据窗算法，则流程图中的 时间常数和时标会有相应的变化。 2） I 0 / I1 0.1 和 I 2 / I1 0.15 ，表示线路发 生了不对称接地故障； 3） t0 为故障启动时标， 在 t0 0 时刻发生故障，
T 为与 R 对应的时间间隔；
（3）
其中， R 为故障后相间测量电阻的差分值；
3 实时仿真分析
3.1 实时仿真结果 为验证该选相元件的准确性，进行了大量的 RTDS 实验，采用文献[5]中的双电源双回线长线模 型。实验中每工频周期 24 点采样，K1 为 L 侧保护 相邻线的出口， K2、 K3 和 K4 分别位于线路的出口、 中点和末端，K5 为 N 侧保护相邻线的出口。 对仿真结果图形说明如下： 1）采用全周付氏滤波算法得到电压、电流相 量，然后计算得到相间测量电阻； 2）每组数据的仿真结果都有左右两个小图， 左边的小图表示 L 侧保护的判别结果；右边的小图 表示 N 侧保护的判别结果。 3） 横坐标为采样点， 从第 51 点开始发生故障， 即第 50 个采样点对应故障时刻 t0 0 ，第 99 个采 样点对应的故障时刻为 t0 40ms ； 4）仿真结果中纵坐标的含义如下 “0”表示不同时满足 I 0 / I1 0.1 和 I2 / I1 0.15； “1”表示进入 A 区且至少有一个判据不满足； “2”表示进入 B 区且至少有一个判据不满足； “3”表示进入 C 区且至少有一个判据不满足； “4”表示进入 A 区且同时满足两个判据； “5”表示进入 B 区且同时满足两个判据； “6”表示进入 C 区且同时满足两个判据。
（a）K2 点 C 相接地故障
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（b）K2 点 AB 两相短路接地故障 （a）K2 点 CA 两相短路接地故障
（c）K4 点 BC 两相短路接地故障 图 3 振荡周期为 200ms 时发生接地故障的选相结果
（b）K3 点 A 相短路接地故障
（a）K4 点 C 相接地故障
（c）K4 点 C 相短路接地故障 图 5 振荡周期为 1500ms 时发生接地故障的选相结果
（a）K2 点 A 相短路接地故障
（b）K1 点 CA 两相短路接地故障
（b）K3 点 AB 两相短路接地 （c）K5 点 B 相短路接地故障 图 4 振荡周期为 600ms 时发生接地故障的选相结果