輸電線路幾種比率差動(dòng)保護(hù)性能仿真

李俊華，霍兵兵

（1.西京學(xué)院 機(jī)電系自動(dòng)化教研室，陜西 西安 710123；2.西安西瑞智能電氣有限公司 陜西 西安 710065）

電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)是輸電線路和母線很重要的一種保護(hù)原理，其原理是利用比較被保護(hù)設(shè)備兩端電流，根據(jù)基爾霍夫定律實(shí)現(xiàn)的一種保護(hù)。從故障信息觀點(diǎn)來(lái)看，它最突出的特點(diǎn)是具有優(yōu)越的提取內(nèi)部故障信息的能力，這一點(diǎn)是其它保護(hù)原理無(wú)法比擬的。電流向量差動(dòng)保護(hù)判據(jù)在實(shí)際應(yīng)用中不斷的改進(jìn)和優(yōu)化，現(xiàn)在的微機(jī)保護(hù)中先后用到了常規(guī)比率制動(dòng)、復(fù)式比率制動(dòng)和故障分量復(fù)式比率制動(dòng)判據(jù)，這幾種判據(jù)動(dòng)作特性各有其特點(diǎn)；因此，文中在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，分析比較這3種保護(hù)判據(jù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出一種合理的應(yīng)用方法，使電流向量差動(dòng)保護(hù)發(fā)揮更大的性能[1]。

1 判據(jù)及其定性分析

如圖1所示，給出了一個(gè)簡(jiǎn)化的電力系統(tǒng)圖，設(shè)定線路兩端電流均為由母線指向被保護(hù)線路為正方向，分別為線路m端、n端的電流向量。

根據(jù)基爾霍夫電流定律，差動(dòng)電流表示為

圖1 電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖Fig.1 Simplified figure of power system

現(xiàn)就Id和Ir構(gòu)成的差動(dòng)比率制動(dòng)特性作以下分析。

1.1 常規(guī)比率差動(dòng)保護(hù)

其通用判據(jù)[2]為

其中：Idz為差動(dòng)保護(hù)整定值，一般為躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)，二次最大不平衡電流Ibp_max；k為取值小于1的比率制動(dòng)系數(shù)。其動(dòng)作特性如圖2所示。

正常狀態(tài)下，Id=Ibp＜Ibp_max，即 Id＜Idz，差動(dòng)保護(hù)不會(huì)啟動(dòng)。 當(dāng)外部發(fā)生故障時(shí)，由于不平衡電流的增大可能會(huì)導(dǎo)致Id>Idz，差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)，而此時(shí)Ir為外部故障電流和負(fù)荷電流的疊加Ir>>Id，Id＜kIr，制動(dòng)作用較強(qiáng)保證了外部發(fā)生故障時(shí)差動(dòng)可靠不動(dòng)作。當(dāng)內(nèi)部發(fā)生金屬性故障時(shí)，在理想狀態(tài)下I˙m和I˙n同向，Id>Idz差動(dòng)啟動(dòng)，并且Ir≈Id，因此Id>kIr，差動(dòng)保護(hù)可靠動(dòng)作。但是，若當(dāng)內(nèi)部經(jīng)高阻發(fā)生短路故障時(shí)，此時(shí)負(fù)荷電流仍存在并且還比較大，從而使制動(dòng)量Ir含有故障電流和相當(dāng)部分的負(fù)荷電流使Id＜Ir[3]，此時(shí)要使Id>kIr才能使差動(dòng)保護(hù)不會(huì)拒動(dòng)。因此比率制動(dòng)系數(shù)k就成為決定因素，k值偏大可能會(huì)導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)，靈敏性低；偏小又有可能會(huì)在外部發(fā)生故障時(shí)導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，可靠性差。

圖2 常規(guī)比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性Fig.2 Operation characteristic of conventional ratio differential protection

1.2 復(fù)式比率差動(dòng)保護(hù)

其通用判據(jù)為

其中：Idz為差動(dòng)保護(hù)整定值，k為復(fù)式比率制動(dòng)系數(shù)。其動(dòng)作特性如圖3所示。

圖3 復(fù)式比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性Fig.3 Operation characteristic of complex ratio differential protection

和常規(guī)比率差動(dòng)保護(hù)相比其在制動(dòng)量中引入了差動(dòng)電流Id。一方面在外部故障時(shí)，Ir隨著短路電流的增大而增大，Ir>>Id，（Ir-Id）>>Id能有效地防止差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。另一方面在內(nèi)部故障時(shí)，由于保護(hù)無(wú)制動(dòng)量，即讓制動(dòng)電流在理論上為零，使差動(dòng)保護(hù)能不帶制動(dòng)量靈敏動(dòng)作，這樣既有區(qū)外故障時(shí)保護(hù)的高可靠性又有區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)的靈敏性[4]。同樣若當(dāng)內(nèi)部經(jīng)高阻發(fā)生短路故障時(shí)，同常規(guī)比率差動(dòng)保護(hù)相比制動(dòng)量（Ir-Id）中去除了故障電流，只有負(fù)荷電流作為制動(dòng)量；顯然（Ir-Id）＜Ir，同樣條件下制動(dòng)量比常規(guī)比率差動(dòng)要小得多，靈敏性增高。

總之，同常規(guī)比率差動(dòng)保護(hù)相比復(fù)式比率差動(dòng)保護(hù)在保證可靠性高的同時(shí)提高了保護(hù)的靈敏性，性能比常規(guī)差動(dòng)保護(hù)優(yōu)越；但仍擺脫不了受負(fù)荷電流的影響。

1.3 故障分量復(fù)式比率差動(dòng)保護(hù)

其通用判據(jù)為：

其中：Idz為差動(dòng)保護(hù)整定值，k為復(fù)式比率制動(dòng)系數(shù)，為和電流故障分量。

其動(dòng)作特性如圖4所示。

圖4 故障分量復(fù)式比率差動(dòng)動(dòng)作特性Fig.4 Operation characteristic of fault component complex ratio differential protection

和常規(guī)比率差動(dòng)保護(hù)相比利用故障分量電流構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)，其在制動(dòng)量中消除了負(fù)荷電流和過(guò)渡電阻的影響，對(duì)相間故障有較高的靈敏度；即當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)期靈敏性要比復(fù)式比率差動(dòng)保護(hù)高。但是由于故障分量?jī)H在故障發(fā)生后的短時(shí)間內(nèi)存在，所以，保護(hù)的有效時(shí)間短，不能全程投入。另外，由于在正常狀態(tài)幾乎沒有制動(dòng)性，容易造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，所以采用低制動(dòng)系數(shù)的復(fù)式比率差動(dòng)對(duì)其進(jìn)行閉鎖。

2 各判據(jù)定量分析

利用數(shù)據(jù)仿真來(lái)定量分析上述3個(gè)判據(jù)的特點(diǎn)，通過(guò)比較來(lái)分析其優(yōu)越性。故障仿真如圖5所示。 110 kV系統(tǒng)中，電源用集中參數(shù)表示[5]，m側(cè)電源的相角超前n側(cè)電源相角30°；線路用分布參數(shù)表示，其值為：R1=0.118 84 Ω/km，X1=0.381 45 Ω/km，C1=0.009 587 5 μF/km，R0=0.359 76 Ω/km，X0=1.197 22 Ω/km，C0=0.005 429 3 μF/km。

圖5 110 kV系統(tǒng)的ATP仿真模型Fig.5 ATP simulation model of 110 kV system

模擬線路m、n之間發(fā)生單相接地故障，通過(guò)改變過(guò)渡電阻來(lái)對(duì)各判據(jù)的性能進(jìn)行分析。取3個(gè)判據(jù)的比率制動(dòng)系數(shù)k均為0.5，則仿真結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)上面的仿真結(jié)果，對(duì)各判據(jù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖6 經(jīng)10 Ω過(guò)渡電阻接地故障各保護(hù)動(dòng)作特性Fig.6 Operation characteristic of the several protection with ground fault of 10 Ω resistance

圖7 經(jīng)50 Ω過(guò)渡電阻接地故障各保護(hù)動(dòng)作特性Fig.7 Operation characteristic of the several protection with ground fault of 50 Ω resistance

圖8 經(jīng)100 Ω過(guò)渡電阻接地故障各保護(hù)動(dòng)作特性Fig.8 Operation characteristic of the several protection with ground fault of 100 Ω resistance

2.1 抗過(guò)渡電阻能力分析

由圖6可看出，當(dāng)線路經(jīng)過(guò)10 Ω的過(guò)渡電阻發(fā)生接地故障時(shí)，上述差動(dòng)保護(hù)動(dòng)均能可靠動(dòng)作，從某種意義上說(shuō)這3個(gè)判據(jù)都具有一定的抗過(guò)渡電阻能力。但由圖7可見當(dāng)所加的過(guò)渡電阻增加到50 Ω時(shí)，常規(guī)比率差動(dòng)已經(jīng)拒動(dòng)；同樣由圖8可知當(dāng)所加的過(guò)渡電阻增加到100 Ω時(shí)，復(fù)式比率差動(dòng)保護(hù)也已經(jīng)拒動(dòng)，而此時(shí)故障分量差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作量遠(yuǎn)大于制動(dòng)量仍能可靠動(dòng)作。所以，通過(guò)分析可知在這3種保護(hù)判據(jù)中故障分量比率差動(dòng)的抗過(guò)渡電阻能力最強(qiáng)，復(fù)式比率差動(dòng)的抗過(guò)渡電阻能力次之，常規(guī)比率差動(dòng)最弱。

2.2 制動(dòng)性和靈敏度比較分析

由圖6可看出，制動(dòng)性方面在正常狀態(tài)下常規(guī)比率差動(dòng)和復(fù)式比率差動(dòng)的制動(dòng)性都很強(qiáng)，而故障分量復(fù)式比率差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)性較差。靈敏度方面，在Id=200 A大約故障發(fā)生70 ms以后故障分量差動(dòng)保護(hù)就可以可靠動(dòng)作，復(fù)式比率差動(dòng)保護(hù)要在Id=420 A左右80 ms以后便可以動(dòng)作，常規(guī)比率差動(dòng)要在Id=1 300 A左右100 ms以后才能動(dòng)作；三者的靈敏度顯而易見常規(guī)比率差動(dòng)靈敏度最低，故障分量差動(dòng)靈敏度最高，復(fù)式比率制動(dòng)差動(dòng)比故障分量差動(dòng)能稍差點(diǎn)[6]。

3 各判據(jù)綜合比較

經(jīng)過(guò)上文的一些定性定量分析，對(duì)這3種差動(dòng)保護(hù)判據(jù)可做以比較，如表1所示。

表1 三種差動(dòng)判據(jù)綜合比較Tab.1 Comparison of the there differential protections

4 結(jié) 論

對(duì)線路差動(dòng)保護(hù)中常用的3種差動(dòng)保護(hù)判據(jù)特性的分析結(jié)果表明：故障分量復(fù)式比率差動(dòng)保護(hù)在抗過(guò)渡電阻和靈敏度方面都有其它判據(jù)無(wú)法比擬的優(yōu)越性，應(yīng)改在差動(dòng)保護(hù)中得到廣泛應(yīng)用，但其在外部故障時(shí)的制動(dòng)性較差需要靠低系數(shù)的復(fù)式比率差動(dòng)閉鎖以防止其誤動(dòng)。另外復(fù)式比率差動(dòng)保護(hù)在制動(dòng)性和靈敏度以及抗過(guò)渡電阻方面也具有較強(qiáng)的能力，也具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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