超高壓線路保護零序電流變化量啟動判據研究

余 冬，張武洋，周榮斌

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100;2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

超高壓線路保護零序電流變化量啟動判據研究

余 冬1，張武洋2，周榮斌1

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100;2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

提出采用零序電流變化量、相電流變化量比較為基礎的零序電流變化量啟動判據，在系統負荷較大波動或純振蕩下能可靠閉鎖啟動，同時在振蕩過程中發生故障能可靠開放，分析了零序電流變化量啟動判據在單相、兩相經較大過渡電阻接地動作機理，并在PSCAD/EMTDC建立仿真模型，仿真數據表明，該判據能提高零序啟動元件的靈敏度和快速性。

啟動元件;零序;變化量;負荷波動;靈敏度;快速性

隨著電力系統的快速發展，500 kV系統發展迅速，如何使超高壓線路保護裝置更加可靠、靈敏、快速切除故障已成為首要問題。且全線不換位線路的增多、一些原來全換位線路的開斷及多條同塔雙回不換位線路相繼投入運行等諸多因素的影響，500 kV系統局部出現三相電流明顯不平衡，個別線路電流不平衡現象相當嚴重［1］。現有的零序電流判據由于要按照躲過最大不平衡電流整定，對經高阻接地故障存在靈敏度不足的情況［2-3］。因此，提出采用零序電流變化量、相電流變化量比較方式的零序電流變化量啟動計算判據，并通過理論分析，PSCAD/EMTDC仿真數據結果表明該計算方法對微機保護的靈敏度、快速性和可靠性均有一定程度的提高。

1 現有啟動元件分析

繼電保護裝置一般都設有啟動元件和測量元件，啟動元件主要用于故障時開放保護動作繼電器電源，正常時閉鎖保護出口，這樣可有效避免因測量元件動作造成誤出口。這就要求啟動元件對各種類型的故障均能快速、靈敏做出反應。對于單相經高阻接地故障，由于電壓電流變化均較小，常規的電流突變量元件由于考慮躲過最大負荷波動整定，門檻較高，無法啟動。采用穩態量故障特征量的啟動元件如i0、i0+i2和z0，輕微故障時，需經較長時間才能啟動［4］。因為三相系統并非嚴格對稱，造成正常運行存在零序分量，考慮躲過各種運行工況下最大不平衡電流進行整定的零序電流啟動元件不能快速、靈敏反映故障。

2 零序電流變化量啟動判據

發生接地故障時，非故障相上電流變化較小而3I0的變化較大，零序電流變化量啟動判據方程如下:

在動作邏輯中，式 (3)、式 (4)、式 (5)為或門，并與式 (6)構成與門，IN為二次額定相電流，β的整定考慮躲過正常運行情況下最大采樣誤差及相鄰平行線路發生接地時零序互阻抗影響。保護啟動具體判斷邏輯如下:一旦式 (6)條件滿足，連續判3個采樣點，如果式 (3)、式 (4)、

當系統發生過渡電阻接地時，由于電流的變化比較小［5］，常規的電流突變量元件和零序電流啟動元件均無法滿足快速、靈敏反映故障［6］，因此，提出以零序電流變化量與各相電流變化量比較的零序電流變化量判據，根據不平衡負荷和接地故障不同的電流變化特性判斷是否發生故障，用于開放接地保護，只要零序電流有較小突變，而三相電流未同時有較大變化即可開放啟動元件。原因如下:系統中有不平衡線路合環運行或發生振蕩時，往往是三相電流同時變化，零序電流雖然也有變化，但與相電流變化量比較，其量相對較小;發生接地故障時，零序電流變化較大，非故障相電流變化較小;穩定運行過程中，雖然系統三相不對稱，有零序電流存在［7］，但零序電流變化量啟動判據只反應故障分量，穩態不平衡電流不受影響。因此，可以采用零序電流變化量啟動判據，用于區分負荷波動和發生接地故障。

在負荷穩定的情況下，任何一個采樣時刻均滿足如下關系:式 (5)中有1個公式始終滿足，保護就開放啟動;一旦式 (6)條件滿足，連續判3個采樣點，式 (3)、式 (4)、式 (5)均始終不滿足，即認為是有不平衡負荷合環等原因引起負荷波動。由于在發生接地故障時零序電流變化量大于非故障相電流變化量，因此，零序電流變化量只要大于較小零序電流啟動門檻值，啟動判據就能開放。本判據作為穩態量零序啟動元件的補充，穩態量零序啟動門檻按躲過各種工況下最大零序電流整定，在不滿足式 (6)時開放，與零序電流變化量啟動判據構成或門，其邏輯如圖1所示。

圖1 零序電流變化量啟動元件判據邏輯圖

3 零序電流變化量判據仿真分析

3.1 仿真模型

PSCAD/EMTDC是目前廣泛使用的電磁暫態計算軟件，采用PSCAD/EMTDC進行建模仿真，仿真模型等效電路如圖2所示。電源內阻為0.168+j0.138 Ω，線路長度為300 km，線路采用Bergeron模型，每百公里正序阻抗為0.97+j14 Ω，零序阻抗為 9.14+j43 Ω，正序容抗為 47.18 Ω，零序容抗為69.14 Ω，線路TA變比為2 500/1。

圖2 系統接線圖

3.2 單相經過渡電阻接地仿真

針對系統發生單相接地故障情況下的零序電流變化量的啟動判據，在仿真中模擬系統在0.2 s時線路末端A相經300 Ω過渡電阻接地，仿真波形及啟動判據動作情況如圖3所示。

圖3中Is為一次電流，trip2為按照0.1倍額定電流整定的常規零序電流啟動開放標志，可看出零序電流變化量trip快于常規零序電流啟動判據。

圖3 單相經300 Ω接地波形

3.3 兩相經過渡電阻接地仿真

在系統發生兩相接地故障情況下校驗零序電流變化量判據，模擬系統在0.2 s時線路末端AB兩相經300 Ω過渡電阻接地，仿真波形及啟動判據動作情況如圖4所示。由圖3、圖4可以看出，不論是單相經過渡電阻接地，還是兩相經過渡電阻接地，與常規的零序電流啟動值相比，零序電流突變量啟動判據先開放。

圖4 兩相經過渡電阻接地仿真波形及啟動判據

3.4 不平衡負荷校驗零序電流變化量判據仿真

在系統不平衡負荷情況下，零序電流變化量啟動判據不應啟動，在仿真中模擬系統在0.2 s時有不平衡負荷合環引起電流波動，波動值A相電流二次為 0.3 A，B相電流為0.2 A，C相電流為0.2 A，零序電流變化量啟動元件和常規零序電流啟動元件動作情況如圖5所示。

圖5 不對稱負荷合環運行波形

Ia、Ib、Ic為三相負荷電流二次采樣值，I0為自產零序電流。在不平衡負荷合環影響下，零序電流變化量啟動元件可靠不啟動。

進一步模擬不平衡負荷下發生經過渡電阻接地。仿真中設置線路BC兩相滿負荷運行，A相帶90%負荷，系統在0.2 s時線路末端發生經300 Ω過渡電阻接地。

單相經過渡電阻接地、兩相經過渡電阻接地仿真波形如圖6、圖7所示，由圖6、圖7可以看出，不對稱負荷穩定運行下單相、兩相經300 Ω過渡電阻接地，零序電流變化量啟動元件能可靠動作。

圖6 不對稱負荷下單相經過渡電阻接地波形

圖7 不對稱負荷下兩相經過渡電阻接地波形

3.5 振蕩時校驗零序變化量判據仿真

在系統發生振蕩情況下，零序電流變化量啟動判據應可靠不啟動，在仿真中利用兩側頻率不一致，采用在線路兩端加2個不同頻率的電源產生振蕩電流［8］，振蕩周期為0.5 s，校驗零序電流突變量判據在振蕩模式下啟動情況。

模擬系統發生振蕩、振蕩時單相經過渡電阻接地、振蕩時兩相經過渡電阻接地，仿真波形及啟動判據動作情況如圖8、圖9、圖10所示，由圖8、圖9、圖10可以看出，零序電流突變量判據能正確區分振蕩和振蕩中發生單相、兩相經過渡電阻接地的情況。

圖8 振蕩運行波形及啟動判據

圖9 振蕩中0.2 s單相經300 Ω接地波形及啟動判據

圖10 振蕩中0.2 s兩相經300 Ω接地波形及啟動判據

4 結束語

針對現有零序電流啟動判據的不足，提出了零序電流變化量啟動判據，通過理論分析并在PSCAD/EMTDC建立相應的仿真模型，仿真結果表明，零序電流變化量啟動元件具有較高的靈敏度，在系統發生經高阻接地故障及在系統振蕩過程中發生接地故障時均能啟動，而在系統純振蕩下能可靠不啟動，同時啟動時間快于常規電流啟動元件的特點，可為超高壓線路保護提供參考。

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Research of Starting Criteria on Zero-sequence Current Variation of UHV Line Protection

YU Dong1，ZHANG Wu-yang2，ZHOU Rong-bin1
(1.Nari-Relays Electric Co.，Ltd.，Nanjing，Jiangsu 211100，China;2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

This paper proposes a starting criteria of zero-sequence current variation based on comparing zero-sequence current variation with phase-current variation，it can blocking start when system load has larger fluctuation or oscillation and can opening in the process of oscillation after developing a fault.Larger fault resistance group operation mechanism for starting criteria of zero-sequence current variation in one-phase and two-phase systems are analyzed，simulation model is set up by using PSCAD/EMTDC.Results demonstrate that this criteria can increase sensitivity and rapidity of zero-sequence starting component.

Starting component;Zero-sequence;Variation;Load fluctuation;Sensitivity;Rapidity

TM773

A

1004-7913(2015)08-0010-04

余 冬 (1981—)，男，工程師，主要從事繼電保護應用與研究。

2015-04-10)