基于反時(shí)限特性的小電流接地故障保護(hù)設(shè)計(jì)

卓夢飛 王敬華 張海臺 趙彥 趙衛(wèi)斌 韓宇

摘 要：為了更好解決小電流接地故障保護(hù)選擇性問題，提出了一種基于反時(shí)限特性的小電流接地故障保護(hù)方案。本文首先分析了小電流接地故障穩(wěn)態(tài)零序電流特征，利用故障點(diǎn)到母線區(qū)段對地電容電流與線路長度成正比這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間方程，經(jīng)過ROUND函數(shù)取舍等一系列處理后得到開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間，滿足開關(guān)上下級時(shí)間級差的配合，且適用于不同長度的線路。通過ATP仿真驗(yàn)證了此方案的可行性，滿足了選擇性和速動(dòng)性的要求。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)態(tài)特征；階梯反時(shí)限；時(shí)間級差；ATP仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.102

0 引言

在我國小電流接地系統(tǒng)中，單相接地故障約占80%，對供電質(zhì)量的影響較大。線路發(fā)生小電流接地故障后，根據(jù)現(xiàn)有規(guī)定可帶故障運(yùn)行1～2小時(shí)，但運(yùn)行時(shí)間過長會引起相間短路故障和觸電事故，危害嚴(yán)重。故快速、有選擇性地隔離故障區(qū)域，對縮小停電面積、提高供電可靠性具有很大意義[1]。

文獻(xiàn)3提出了一種重合器與電壓—電流配合的保護(hù)方法，會造成線路短時(shí)全面停電的問題，降低了供電可靠性。文獻(xiàn)4利用零序電流波形相似確定出故障區(qū)域，然后借助配電自動(dòng)化快速隔離故障區(qū)域，此方法依賴于通信。文獻(xiàn)5根據(jù)故障線路暫態(tài)零序電流或無功功率方向與非故障線路相反的特點(diǎn)，提出了檢測暫態(tài)零序電流或無功功率方向的暫態(tài)方向保護(hù)方法，但是需要在特定的頻段內(nèi)測量零序電壓和零序電流兩個(gè)暫態(tài)量。

因此，本文提出了基于反時(shí)限的小電流接地故障保護(hù)設(shè)計(jì)方法，在線路中發(fā)生單相接地故障，根據(jù)測得故障電流的大小，代入事先整定的動(dòng)作時(shí)間方程，經(jīng)過取舍、計(jì)算處理后使開關(guān)在規(guī)定的時(shí)間切除故障，滿足了開關(guān)上下級時(shí)間級差的完美配合[6]。解決了定時(shí)限保護(hù)中開關(guān)誤動(dòng)不可靠、配電自動(dòng)化依賴通信等問題。此方法更為靈活可靠，提高了供電可靠性。

1 穩(wěn)態(tài)零序電流特性分析

如圖1所示故障零模等效網(wǎng)絡(luò)圖，其中C01～C0m為健全線路對地的等效電容，Ck1、Ck2為故障線路對地等效電容，uk0為發(fā)生小電流單相接地故障時(shí)在故障點(diǎn)處產(chǎn)生的虛擬電壓[7]，故障點(diǎn)虛擬電壓產(chǎn)生的零序電流ik為[8]：

（1）

式中i0B為A、B區(qū)段的零序電流，即故障點(diǎn)上游零序電流，方向由故障點(diǎn)流向母線，i0C為故障點(diǎn)右側(cè)所有正常線路的零序電流之和，即故障點(diǎn)下游零序電流，方向由故障點(diǎn)流向末端。

又有：

（2）

式中i0A為母線右側(cè)所有非故障線路的零序電流之和，方向和i01方向同，，i0m為非故障相對地電容電流，，ick1為AB段對地電容電流。

公式（2）代入公式（1）中整理后得到故障點(diǎn)到母線區(qū)段對地電容電流ick1為：

（3）

在實(shí)際的線路中，對地分布容抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線路電阻與感抗，故忽略線路電阻與感抗產(chǎn)生的電壓降。實(shí)際運(yùn)行的線路中，線路參數(shù)是一定的，每公里等效的對地電容是一定的，故障點(diǎn)到母線區(qū)段的對地電容電流ick1的大小即為每公里對地電容電流的疊加。故障點(diǎn)離母線越近ick越小，反之越大。利用此特性提出基于反時(shí)限特性的小電流接地故障保護(hù)設(shè)計(jì)方案原理。

2 基于傳統(tǒng)反時(shí)限特性小電流接地保護(hù)設(shè)計(jì)方案

在傳統(tǒng)反時(shí)限中，故障電流和啟動(dòng)電流的比值在1～4時(shí)，曲線的斜率大，相應(yīng)的時(shí)間級差就大；故障電流和啟動(dòng)電流的比值大于4時(shí)，曲線的斜率小，相應(yīng)時(shí)間級差就小[9-10]。相同時(shí)間系數(shù)的反時(shí)限曲線不能滿足開關(guān)上下級時(shí)間級差配合。若使曲線具有反時(shí)限特性且滿足時(shí)間級差，需要重新計(jì)算動(dòng)作方程。當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障，測得的故障電流大小為ik，先代入（3）中求得故障點(diǎn)到母線區(qū)段對地電容電流ick1，然后再代入（4）的動(dòng)作方程，求得時(shí)間：

（4）

式中為時(shí)間系數(shù)，根據(jù)線路的長短不同改變值的大小。

根據(jù)式（4）計(jì)算的時(shí)間，用ROUND函數(shù)進(jìn)行處理，得到系統(tǒng)的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間：

（5）

當(dāng)線路發(fā)生接地故障，如果線路上過流保護(hù)時(shí)間整定為，線路每相差1km，保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間就會相差0.1s左右，一般線路中開關(guān)上下級之間的時(shí)間級差Δt選為0.2s。根據(jù)計(jì)算的動(dòng)作時(shí)間需做進(jìn)一步的處理。如果計(jì)算的階梯反時(shí)限的時(shí)間為偶數(shù)，則此偶數(shù)減去0.1，使開關(guān)動(dòng)作時(shí)間滿足上下級時(shí)間級差Δt=0.2s，則最終開關(guān)動(dòng)作時(shí)間為：

（6）

經(jīng)過這一系列的運(yùn)算，無論線路上哪一位置處發(fā)生單相接地故障，都會在滿足時(shí)間級差的情況下使開關(guān)動(dòng)作跳閘。不影響開關(guān)的上下級配合，當(dāng)線路的長度發(fā)生變化，改變k值即可。這一方法避免了定時(shí)限電流速斷保護(hù)中開關(guān)誤動(dòng)或拒動(dòng)現(xiàn)象；解決了線路長度的變化導(dǎo)致定時(shí)限電流速斷保護(hù)上下級之間發(fā)生不配合，而需要重新設(shè)定時(shí)間定值這一缺點(diǎn)；也避免了在傳統(tǒng)反時(shí)限為了滿足上下級之間的時(shí)間級差需要計(jì)算不同的時(shí)間常數(shù)。

3 仿真驗(yàn)證

利用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真模型如圖2所示，線路參數(shù)設(shè)置如下：模型有4條輸電線路L1、L2、L3、L4，線路長度分別為4km、6km、13km、10km。電纜線路參數(shù)：正序電阻參數(shù)R+為0.08Ω/km。零序電阻參數(shù)R0為0.80Ω/km。正序電感參數(shù)L+為0.086mH/km。零序電感參數(shù)L0為0.30mH/km。正序電容參數(shù)C+為142.86F/km。零序電容參數(shù)C0為147.58F/km。線路負(fù)荷參數(shù)相同。

第一次仿真故障發(fā)生在L2上，S1～S5為線路安裝的保護(hù)，k1、k2、k3分別為線路的故障點(diǎn)位置，發(fā)生單相接地故障時(shí)接地電阻為1Ω。

在第一次仿真的10km線路中，根據(jù)線路的參數(shù)和長度，方程（4）中。經(jīng)過式（5）和式（6）整理后得開關(guān)最終動(dòng)作時(shí)間，如圖3所示。

設(shè)置不同的故障點(diǎn)位置，其中k1故障點(diǎn)距離母線1.2km，k2故障點(diǎn)距離母線7km，k3故障點(diǎn)距離母線9.5km。故障發(fā)生時(shí)刻為0.01s，計(jì)算保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間如下表1所示。

在第二次仿真中，L4=6km，這時(shí)k=-15代入方程（4）中。線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，其中k1故障點(diǎn)距離母線1km，k2故障點(diǎn)距離母線2.6km，k3故障點(diǎn)距離母線5.7km。故障發(fā)生時(shí)刻0.1s，計(jì)算保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間如表2所示。

從仿真結(jié)果來看，對于上下相鄰的兩個(gè)保護(hù)來說，如表1中保護(hù)4和保護(hù)5，動(dòng)作時(shí)間分別為0.1s和0.3s，對于表2的各個(gè)保護(hù)來說，時(shí)間級差都為0.2s，滿足實(shí)際運(yùn)行的需要，開關(guān)不會越級動(dòng)作，穩(wěn)定可靠。在不同長度的線路中，上述仿真的10km線路和6km線路，K值的不同就滿足了不同長度線路的需要，應(yīng)用廣泛。

4 結(jié)論

本文利用故障點(diǎn)到母線區(qū)段對地電容電流這一故障分量特點(diǎn)，提出了基于反時(shí)限特性的小電流接地保護(hù)設(shè)計(jì)方案，該保護(hù)使得開關(guān)在滿足時(shí)間級差的情況下動(dòng)作，且不依賴通信、不受線路長度約束。同時(shí)，此方案克服了定時(shí)限過流保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)的問題，仿真結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性，具有一定工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]賴平，周想凌，邱丹.小電流接地系統(tǒng)暫態(tài)電流頻率特性分析及故障選線方法研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43（04）：51-57.

[2]程星星，張懌寧，王健等.高壓直流接地極線路故障特性仿真及其故障測距新算法研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2016（03）：105-110.

[3]嚴(yán)敏敏，陳平，周新軍等.基于瞬時(shí)負(fù)序分量的小電流接地選線[J].廣東電力，2017，30（03）：87-93.

[4]張慧芬，潘貞存，桑在中.基于注入法的小電流接地系統(tǒng)故障定位新方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28（03）：64-66.

[5]吳樂鵬，黃純，林達(dá)斌等.基于暫態(tài)小波能量的小電流接地故障選線新方法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33（05）：70-74.

[6]朱珂，王怡軒，倪健.主動(dòng)干擾技術(shù)在消弧線圈接地系統(tǒng)故障選線中的應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2017，37（10）：189-196.

[7]潘慶慶.保護(hù)裝置中小電流接地選線功能的分析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2015（02）：56-58，66.

[8]劉健，程紅麗，李啟瑞.重合器與電壓—電流型開關(guān)配合的饋線自動(dòng)化[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27（22）：68-71.

[9]賀家李，李永麗，董新洲等.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].4版.北京：中國電力出版社，2010.

[10]孫桂花，王敬華，張璇，劉國棟，孔濤，李龍坤.分布式智能的小電流接地故障定位方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2017，45（16）：72-78.