输电线路几种比率差动保护性能仿真

李俊华，霍兵兵

（1.西京学院 机电系自动化教研室，陕西 西安 710123；2.西安西瑞智能电气有限公司 陕西 西安 710065）

电流纵联差动保护是输电线路和母线很重要的一种保护原理，其原理是利用比较被保护设备两端电流，根据基尔霍夫定律实现的一种保护。从故障信息观点来看，它最突出的特点是具有优越的提取内部故障信息的能力，这一点是其它保护原理无法比拟的。电流向量差动保护判据在实际应用中不断的改进和优化，现在的微机保护中先后用到了常规比率制动、复式比率制动和故障分量复式比率制动判据，这几种判据动作特性各有其特点；因此，文中在现有研究的基础上，分析比较这3种保护判据的优缺点，并提出一种合理的应用方法，使电流向量差动保护发挥更大的性能[1]。

1 判据及其定性分析

如图1所示，给出了一个简化的电力系统图，设定线路两端电流均为由母线指向被保护线路为正方向，分别为线路m端、n端的电流向量。

根据基尔霍夫电流定律，差动电流表示为

图1 电力系统简化图Fig.1 Simplified figure of power system

现就Id和Ir构成的差动比率制动特性作以下分析。

1.1 常规比率差动保护

其通用判据[2]为

其中：Idz为差动保护整定值，一般为躲过正常运行时，二次最大不平衡电流Ibp_max；k为取值小于1的比率制动系数。其动作特性如图2所示。

正常状态下，Id=Ibp＜Ibp_max，即 Id＜Idz，差动保护不会启动。 当外部发生故障时，由于不平衡电流的增大可能会导致Id>Idz，差动保护启动，而此时Ir为外部故障电流和负荷电流的叠加Ir>>Id，Id＜kIr，制动作用较强保证了外部发生故障时差动可靠不动作。当内部发生金属性故障时，在理想状态下I˙m和I˙n同向，Id>Idz差动启动，并且Ir≈Id，因此Id>kIr，差动保护可靠动作。但是，若当内部经高阻发生短路故障时，此时负荷电流仍存在并且还比较大，从而使制动量Ir含有故障电流和相当部分的负荷电流使Id＜Ir[3]，此时要使Id>kIr才能使差动保护不会拒动。因此比率制动系数k就成为决定因素，k值偏大可能会导致差动保护拒动，灵敏性低；偏小又有可能会在外部发生故障时导致差动保护误动，可靠性差。

图2 常规比率差动保护动作特性Fig.2 Operation characteristic of conventional ratio differential protection

1.2 复式比率差动保护

其通用判据为

其中：Idz为差动保护整定值，k为复式比率制动系数。其动作特性如图3所示。

图3 复式比率差动保护动作特性Fig.3 Operation characteristic of complex ratio differential protection

和常规比率差动保护相比其在制动量中引入了差动电流Id。一方面在外部故障时，Ir随着短路电流的增大而增大，Ir>>Id，（Ir-Id）>>Id能有效地防止差动保护误动。另一方面在内部故障时，由于保护无制动量，即让制动电流在理论上为零，使差动保护能不带制动量灵敏动作，这样既有区外故障时保护的高可靠性又有区内故障时保护的灵敏性[4]。同样若当内部经高阻发生短路故障时，同常规比率差动保护相比制动量（Ir-Id）中去除了故障电流，只有负荷电流作为制动量；显然（Ir-Id）＜Ir，同样条件下制动量比常规比率差动要小得多，灵敏性增高。

总之，同常规比率差动保护相比复式比率差动保护在保证可靠性高的同时提高了保护的灵敏性，性能比常规差动保护优越；但仍摆脱不了受负荷电流的影响。

1.3 故障分量复式比率差动保护

其通用判据为：

其中：Idz为差动保护整定值，k为复式比率制动系数，为和电流故障分量。

其动作特性如图4所示。

图4 故障分量复式比率差动动作特性Fig.4 Operation characteristic of fault component complex ratio differential protection

和常规比率差动保护相比利用故障分量电流构成差动保护，其在制动量中消除了负荷电流和过渡电阻的影响，对相间故障有较高的灵敏度；即当发生内部故障时期灵敏性要比复式比率差动保护高。但是由于故障分量仅在故障发生后的短时间内存在，所以，保护的有效时间短，不能全程投入。另外，由于在正常状态几乎没有制动性，容易造成差动保护误动，所以采用低制动系数的复式比率差动对其进行闭锁。

2 各判据定量分析

利用数据仿真来定量分析上述3个判据的特点，通过比较来分析其优越性。故障仿真如图5所示。 110 kV系统中，电源用集中参数表示[5]，m侧电源的相角超前n侧电源相角30°；线路用分布参数表示，其值为：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。

图5 110 kV系统的ATP仿真模型Fig.5 ATP simulation model of 110 kV system

模拟线路m、n之间发生单相接地故障，通过改变过渡电阻来对各判据的性能进行分析。取3个判据的比率制动系数k均为0.5，则仿真结果如图6所示。

根据上面的仿真结果，对各判据的优缺点进行对比分析。

图6 经10 Ω过渡电阻接地故障各保护动作特性Fig.6 Operation characteristic of the several protection with ground fault of 10 Ω resistance

图7 经50 Ω过渡电阻接地故障各保护动作特性Fig.7 Operation characteristic of the several protection with ground fault of 50 Ω resistance

图8 经100 Ω过渡电阻接地故障各保护动作特性Fig.8 Operation characteristic of the several protection with ground fault of 100 Ω resistance

2.1 抗过渡电阻能力分析

由图6可看出，当线路经过10 Ω的过渡电阻发生接地故障时，上述差动保护动均能可靠动作，从某种意义上说这3个判据都具有一定的抗过渡电阻能力。但由图7可见当所加的过渡电阻增加到50 Ω时，常规比率差动已经拒动；同样由图8可知当所加的过渡电阻增加到100 Ω时，复式比率差动保护也已经拒动，而此时故障分量差动保护的动作量远大于制动量仍能可靠动作。所以，通过分析可知在这3种保护判据中故障分量比率差动的抗过渡电阻能力最强，复式比率差动的抗过渡电阻能力次之，常规比率差动最弱。

2.2 制动性和灵敏度比较分析

由图6可看出，制动性方面在正常状态下常规比率差动和复式比率差动的制动性都很强，而故障分量复式比率差动保护的制动性较差。灵敏度方面，在Id=200 A大约故障发生70 ms以后故障分量差动保护就可以可靠动作，复式比率差动保护要在Id=420 A左右80 ms以后便可以动作，常规比率差动要在Id=1 300 A左右100 ms以后才能动作；三者的灵敏度显而易见常规比率差动灵敏度最低，故障分量差动灵敏度最高，复式比率制动差动比故障分量差动能稍差点[6]。

3 各判据综合比较

经过上文的一些定性定量分析，对这3种差动保护判据可做以比较，如表1所示。

表1 三种差动判据综合比较Tab.1 Comparison of the there differential protections

4 结 论

对线路差动保护中常用的3种差动保护判据特性的分析结果表明：故障分量复式比率差动保护在抗过渡电阻和灵敏度方面都有其它判据无法比拟的优越性，应改在差动保护中得到广泛应用，但其在外部故障时的制动性较差需要靠低系数的复式比率差动闭锁以防止其误动。另外复式比率差动保护在制动性和灵敏度以及抗过渡电阻方面也具有较强的能力，也具有很高的实用价值。

[1]伍叶凯，邹东霞.分相式微机电流差动保护灵敏度的研究[J].上海交通大学学报，1997，12（1）：35-37.

WU Ye-kai，ZOU Dong-xia.The microprocessor-based splitphase current differential protection sensitivity[J].Journal of Shanghai Jiao Tong University，1997，12（1）：35-37.

[2]袁荣湘，陈德树.基于故障分量的采样值电流差动保护[J].电力系统保护与控制，1991，10（2）： 48-51.

YUAN Rong-xiang，CHEN De-shu. Based on fault component current sample value differential protection[J].Power system protection and control，1991，10（2）：48-51.

[3]胡玉峰，陈德树，尹项根.采样值差动及其应用[J].电力系统自动化，2000，10（5）：40-44.

HU Yu-feng，CHEN De-shu，YIN Xiang-gen.The sampling value differential protection and its applications[J].Automation of Electric Power Systems，2000，10（5）：40-44.

[4]葛耀中.继电保护原理与技术[M].西安：西安交通大学出版社，1996.

[5]贠保记.自适应分相电流差动保护的研究[J].天津大学学报，1999，10（1）：32-35.

YUN Bao-ji.Adaptive dispersed phase current differential protection[J].Journal of Tianjin University，1999，10（1）：32-35.

[6]高厚磊.利用故障分量瞬时值的电流纵差保护新判据[J].电力系统自动化，2000，18（2）：21-24.

GAO Hou-lei.Using the instantaneousvalue offault componentofthe new criterion ofcurrentdifferential protection[J].Automation of Electric Power Systems，2000，18（2）：21-24.