自適應零序電流繼電保護研究

劉 娟，胡徐勝

(1.馬鞍山職業技術學院 電氣工程系，安徽 馬鞍山 243030；2.皖江工學院 馬鞍山市無線傳感網與智能感知工程技術研究中心，安徽 馬鞍山 243031)

自適應零序電流保護是根據運行中電力系統實時的狀態、故障類型自動調整動作值和整定值，做出相應保護的過程[1]。這一過程是自動的不需要人工參與，這得益于微機技術的發展，使得保護范圍擴大、可靠性更強。

1 保護系統

設電力系統為雙側電源，并且系統兩側中性點均為接地，以保護1處為例(P處有故障)，如圖1所示，來分析傳統零序電流和自適應零序電流在線路上的整定原理及整定方法的特點。

圖1 P處故障系統接線圖

根據系統兩側M側系統、N側系統運行方案的不同，設系統各阻抗值如表1所示。

表1 運行方案

2 傳統零序電流保護

2.1 傳統零序電流速斷保護

2.1.1 零序電流計算

在圖1中，先求得P處故障點在各種運行方式下的零序電流值，用來作為零序電流速斷保護整定值的計算依據。首先需要計算故障點P的正序等值阻抗和零序等值阻抗，通常情況下，發電機的正序等值阻抗和負序等值阻抗相等[2]，因此，可以利用負序網絡來計算等值系統的正序阻抗。P處故障系統負序網絡和零序網絡如圖2和圖3所示。

圖2 P處故障系統負序網絡圖

圖3 P處故障系統零序網絡圖

(a)P故障處零序電流計算

單相接地時P故障處零序電流：

(1)

兩相接地時P故障處零序電流：

(2)

(b)保護1處零序電流計算

單相接地時保護1處零序電流：

(3)

兩相接地時保護1處零序電流：

(4)

式(1)-(4)中，E為系統等效電源的相電勢，200 V；ZΣ1為故障點P的正序等值阻抗；ZΣ0為故障點P的零序等值阻抗；C0m為實際的零序電流分布系數。

Z∑1=Z∑2=(ZM2+ZMP2)//(ZNP2+ZN2)，

(5)

Z∑0=(ZM0+ZMP0)//[ZT0//(ZNP0+ZN0)]，

(6)

(7)

將表1中的數據代入以上對應公式，整理得出保護1處的零序電流如表2所示。

表2 保護1處的零序電流 A

2.1.2 傳統零序電流速斷保護整定計算

假設帶有0.1 s延時的傳統零序電流速斷保護，躲開斷路器三相不同期合閘時間，速斷保護的動作電流按躲開下一線路出口處單相或兩相接地時出現的最大零序電流3I0.max來整定[3]，以圖1中保護1處為例，則傳統零序電流速斷保護整定值為：

(8)

2.1.3 傳統零序電流速斷保護的保護范圍計算

假設系統G處發生故障，如圖4所示，其負序網絡和零序網絡圖如圖5和圖6所示。

圖4 G處故障系統接線圖

圖5 G處故障系統負序網絡圖

圖6 G處故障系統零序網絡圖

Z∑1=Z∑2=(ZM2+ZMG2)//(ZGP2+ZNP2+ZN2)，

(9)

Z∑0=(ZM0+ZMG0)//[ZGP0+ZT0//(ZNP0+ZN0)]，

(10)

C0m=

(11)

將表1中的數據代入式(9)-(11)求解，再將求解值和零序電流速斷保護的動作電流1 018.56 A代入式(8)，求得x后，代入保護范圍公式得到傳統零序電流速斷保護范圍，如表3所示。

表3 傳統零序電流速斷保護范圍 (%)

2.2 傳統零序電流限時速斷保護

2.2.1 零序電流計算

零序電流限時速斷的動作值與下一條線路的零序電流速斷相配合，因此設N處有故障，如圖7所示，其負序網絡和零序網絡圖如圖8和圖9所示。

圖7 N處故障系統接線圖

圖8 N處故障系統負序網絡圖

圖9 N處故障系統零序網絡圖

同理，保護2處的單相接地短路零序電流和兩相接地短路零序電流仍按式(3)(4)計算，也只是下標不同，用以區分保護處。

對應圖8和圖9，阻抗及分布參數則變為：

Z∑1=Z∑2=(ZM2+ZMP2+ZNP2)//ZN2，

(12)

Z∑0=[(ZM0+ZMP0)//ZT0+ZNP0]//ZN0，

(13)

(14)

經計算得到保護2處的零序電流如表4所示。

表4 保護2處的零序電流 A

2.2.2 傳統零序電流限時速斷保護整定計算

零序電流限時速斷的動作值與下一條線路的零序電流速斷相配合，所以保護2處零序電流限時速斷的動作值為：

(15)

據表4有3I0.max=957.3 A，則整定值為：

為了確定保護最不利的情況下傳統零序電流限時速斷保護的整定值，需要進行靈敏度校驗，校驗應按本線路末端最小零序電流來計算。

靈敏度值大于1.3～1.5，滿足靈敏度要求。由此可確定，傳統零序電流限時速斷保護的整定值為348.1 A。

2.2.3 傳統零序電流限時速斷保護的靈敏度計算

靈敏度=本線路末端故障流過保護安裝處的零序電流/零序電流限時速斷保護的整定值。

例如運行方案二中單相接地時靈敏度為：

根據表2計算各種運行方案下傳統零序電流限時速斷保護的靈敏度，結果見表5。

表5 傳統零序電流限時速斷保護的靈敏度

3 自適應零序電流保護

3.1 自適應零序電流保護整定計算

當判斷出系統發生接地短路及其短路類型后，自適應零序電流保護按照具體的短路類型和系統運行方式以及接地中性點的分布來整定保護動作值[4-6]。

自適應零序電流速斷保護的動作值按躲開下一線路出口處單相或兩相接地時出現的零序電流3I0來整定，這里以保護1處為例。

單相接地時保護1處的零序電流速斷整定值為：

(16)

兩相接地時保護1處的零序電流速斷整定值為：

(17)

表6 自適應零序電流速斷保護整定值 A

3.2 自適應零序電流速斷保護的保護范圍計算

假設G處發生故障，如圖4-6所示。自適應零序電流速斷保護范圍的計算方法與傳統零序電流速斷保護范圍的計算方法一樣。

經計算整理得到自適應零序電流速斷保護范圍如表7所示。

表7 自適應零序電流速斷保護范圍 (%)

3.3 自適應零序電流限時速斷保護計算

自適應零序電流限時速斷的動作值與下一線路的零序電流配合，整定仍按式(15)進行，但是分支系數K0.br取實際數值，而不是取最小值。

代入數據求得K0.br值為4.3。

將表4保護2處的零序電流代入上述公式，可得表8自適應零序電流限時速斷保護整定值。

表8 自適應零序電流限時速斷保護整定值 A

3.4 自適應零序電流限時速斷保護的靈敏度計算

自適應零序電流限時速斷保護的靈敏度的計算公式與傳統零序電流限時速斷保護的靈敏度的計算公式一樣，只是自適應零序電流限時速斷保護的整定值視運行方案自動整定。

例如：運行方案一的自適應零序電流限時速斷保護的靈敏度：

經計算得到各運行方案下的自適應零序電流限時速斷保護的靈敏度如表9所示。

表9 自適應零序電流限時速斷保護的靈敏度

4 結論

通過對比可看出，傳統零序電流速斷保護和限時速斷保護因其動作值分別固定為1 018.56 A，348.1 A，整定值不變，所以面對運行方式變化的電力系統，無法進行很好的保護。而自適應零序電流保護的動作值和整定值可隨運行過程和故障類型改變而調整，可以較好地適應變化的電力系統，使系統更加穩定。自適應零序電流速斷保護較傳統零序電流速斷保護擴大了保護范圍，例如在運行方案一下，發生兩相接地故障時傳統零序電流速斷保護范圍僅為50.5%，而采取自適應零序電流速斷保護時其保護范圍為80.0%。自適應零序電流限時速斷保護靈敏度也較傳統零序電流限時速斷保護靈敏度普遍提高，而且前者受運行方式變化和接地短路類型變化的影響不大。綜上，自適應零序電流繼電保護值得在工程實際中推廣。