相位相關(guān)電流差動保護原理分析

王美忠 邊洪波(山東金嶺礦業(yè)有限公司,山東淄博 255080)

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相位相關(guān)電流差動保護原理分析

王美忠 邊洪波
(山東金嶺礦業(yè)有限公司,山東淄博 255080)

【摘 要】電流差動保護被稱為是擁有絕對選擇性的迅速保護,其原理簡單可靠,是針對電力系統(tǒng)發(fā)電機、變壓器、母線等元件實施的主保護。但是,電流差動保護也出現(xiàn)了一些不足,本文在電流差動保護相關(guān)理論的基礎(chǔ)上,提出了一種相位相關(guān)電流差保護新原理,統(tǒng)一了內(nèi)外故障發(fā)生時的靈敏性和可靠性,希望可以對電流差動保護存在問題進行有效解決,推動器迅速發(fā)展。本文分析了相位相關(guān)電流差動保護新原理,內(nèi)外部故障差動保護的可靠性和靈敏性,相位相關(guān)電流差動保護性能比較。

【關(guān)鍵詞】相位 電流差動保護 電流

1 相位相關(guān)電流差動保護新原理

相位相關(guān)電流差動保護新原理,也就是相位相關(guān)電流差動保護的動作方程及動作判據(jù)見下:

其中差動保護兩側(cè)采集的電流相量分別是Im和In, ψ代表Im和In之間的夾角,K3是制動系統(tǒng),Iop.3是保護的動作量,Idz代表操作的固定門檻。

把線路兩側(cè)電流向量的夾角引入了新判據(jù)中。在內(nèi)部發(fā)生故障時,通常cos ψ＞0時,增加制動系數(shù)能夠提高內(nèi)部發(fā)生故障時保護的操作量;而當(dāng)外部發(fā)生故障時,cos ψ＜0時,增加制動系數(shù)也能夠提高外部發(fā)生故障時保護的操作量。因此從理論上分析,上式涉及的相位相關(guān)電流差保護的制動系統(tǒng)能夠任意選擇數(shù)值,并且選擇該值時必須統(tǒng)一外部故障的可靠性和內(nèi)部故障的靈敏性。

2 內(nèi)外部故障差動保護的可靠性和靈敏性

2.1 內(nèi)部故障差動保護的靈敏性

當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)部故障時,假設(shè)故障點電流是If。設(shè)定電流兩端的夾角是0°,則會得到I f = I m + I n。為了方便研究,使 Im=δ If,則In=（1 -δ）If,可以得到各差動保護實際動作量:

很明顯,內(nèi)部故障發(fā)生時差動保護的真實動作量和故障電流之間呈現(xiàn)了直線關(guān)系。因此,傳統(tǒng)差動保護在發(fā)生內(nèi)部故障時保護動作量和故障點電流形成小于1的正比關(guān)系。新原理出現(xiàn)了最大的動作量,并且靈敏度隨著制動系數(shù)的增加而不斷增大。

2.2 外部故障差動保護的可靠性

當(dāng)輸電線路出線外部故障時,短路電流對被保護元件進行穿越,因此對于差動來說這一電流是穿越性電流。這里對CT飽和等問題的影響暫時不予考慮,則出線Im=In.。利用Ith表示穿越電流的幅值,很明顯出現(xiàn)了Ith=Im=In。

此時各差動保護實際動作量分別為:

通過上式可知在外部故障時三種差動保護判據(jù)制動性能。

從上分析得知,傳統(tǒng)電流差動保護的制動系數(shù)K1＜1,K2＞1;而相位相關(guān)電流差動保護的制動系數(shù)選擇的越大,則制動性能會越強。

3 相位相關(guān)電流差動保護性能比較

3.1 電流互感器飽和影響

電流差動保護最重要的問題之一便是安全性,而電流互感器的飽和與造成區(qū)外故障時保護誤動的具體原因之一。因此需要分析新原理的差動保護CT飽和的性能。由于不同的CT性能、高次諧波的影響,會導(dǎo)致電流兩端互感器產(chǎn)生一端飽和或者兩端飽和的不同步問題,進一步出現(xiàn)保護誤動。

3.2 過渡電阻的影響

電力系統(tǒng)會出現(xiàn)很多故障類型,并且影響因素也不少,基本上不會出現(xiàn)金屬性故障,也就是故障點都需要通過一定的過渡電阻。電流差動判據(jù)所應(yīng)用的是被保護元件兩端電流,而過渡電阻將會對兩端測量電流大小造成影響,因此有必要分析過渡電阻影響新原理動作特性。當(dāng)出現(xiàn)外部故障時,屬于穿越性電流,過渡電阻影響判據(jù)的程度不大;但是出現(xiàn)內(nèi)部故障時,過渡電阻將會直接影響電流差動保護判據(jù)。接下來采取故障分量法對過渡電阻故障進行分析,兩端電流向量的關(guān)系,這里將A相單相接地故障為例。

例如雙側(cè)電源系統(tǒng),在輸電線路安裝電流差動保護,線路出線單相接地。設(shè)定保護設(shè)置m側(cè)到故障點之間的線路阻抗是Zm,到故障點的線路阻抗是Zm,m側(cè)是送電測,n側(cè)是受電側(cè)。對線路分布電容、并聯(lián)電抗等因素不進行考慮,假定Zm和Zn和線路長度之間形成正比,整個系統(tǒng)阻抗角統(tǒng)一,全部是90°。

當(dāng)線路內(nèi)出現(xiàn)A相接地故障,采取故障分量法對過渡電阻影響電流差動保護進行分析。按照疊加管理,可以分解為正常負荷狀態(tài)與短路附加狀態(tài)。非故障分量具體是指線路形成的負荷電流,大小保持不變;而故障分量數(shù)值當(dāng)線路運行正常時歸零,當(dāng)故障出現(xiàn)時故障分量則非零。

已知負荷電流時一定的,過渡電阻將會對故障分量電流造成影響。因此,要對過渡電阻影響電流差動保護判據(jù)實行分析,通過電力系統(tǒng)出現(xiàn)的單相接地故障時,三序電流相等。

通過上述分析可知,內(nèi)部故障通過越大的過渡電阻,新原理判據(jù)的動作量越小,越容易出現(xiàn)拒動;經(jīng)一定過渡電阻故障時,故障發(fā)生的位置與送電測越接近則判據(jù)動作量越小,拒動就越容易出現(xiàn)。

3.3 線路重載及系統(tǒng)振蕩的影響

重載線路,也就是擁有很大的負荷電流,若其內(nèi)部出現(xiàn)高電阻故障,極有可能電流差動保護會產(chǎn)生拒動。因為此時符合電流分量大小與故障電流分量接近,甚至比故障電流分量大,這一狀況下就相當(dāng)于出現(xiàn)線路外電流。此外當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩時,會出現(xiàn)兩端電源電壓相位差超過90°,甚至出現(xiàn)與180°接近的情況,此時的負荷電流要大于正常情況。

(1)不管是傳統(tǒng)比率差動保護判據(jù)還是相位相關(guān)電流差動保護原理都極有可能產(chǎn)生拒動。只要后者形成合理的制動系數(shù)數(shù)值,則拒動概率很小。(2)相位相關(guān)電流差動保護判據(jù)的制動系數(shù)也不能取值較大。雖然理論分析可以選擇無限大,但是若取值較大,在系統(tǒng)發(fā)生特殊運行時判據(jù)機構(gòu)可能出現(xiàn)內(nèi)部故障拒動。事實上關(guān)于相位相關(guān)電流差動保護判據(jù),完全沒有必要選擇較大的制動系數(shù),只要選擇在1附近就能夠充分確保良好的操作特性,還可以防止出現(xiàn)重載線路內(nèi)部故障拒動現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文詳細研究了一種相位相關(guān)電流差動保護新原理,其具體是把差動兩側(cè)的電流相位差引入判據(jù),進一步在內(nèi)外部故障達到了動態(tài)調(diào)節(jié)制動特性的目標(biāo),新原理的差動保護在內(nèi)故障發(fā)生時形成更好的靈敏性操作,同時外故障發(fā)生時形成極高的安全性。

參考文獻:

[1]賀家李.電力系統(tǒng)繼電保護原理[M].北京:中國電力出版社,2014．

[2]高厚磊.輸電線路新型電流差動保護的研究[M].中國電機工程學(xué)報,2013．

作者簡介:王美忠(1977—),男,山東淄博人,職稱:工程師,學(xué)歷:本科,主要研究方向:電氣自動化。