超高压线路保护零序电流变化量启动判据研究

余 冬，张武洋，周荣斌

(1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100;2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

超高压线路保护零序电流变化量启动判据研究

余 冬1，张武洋2，周荣斌1

(1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100;2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

提出采用零序电流变化量、相电流变化量比较为基础的零序电流变化量启动判据，在系统负荷较大波动或纯振荡下能可靠闭锁启动，同时在振荡过程中发生故障能可靠开放，分析了零序电流变化量启动判据在单相、两相经较大过渡电阻接地动作机理，并在PSCAD/EMTDC建立仿真模型，仿真数据表明，该判据能提高零序启动元件的灵敏度和快速性。

启动元件;零序;变化量;负荷波动;灵敏度;快速性

随着电力系统的快速发展，500 kV系统发展迅速，如何使超高压线路保护装置更加可靠、灵敏、快速切除故障已成为首要问题。且全线不换位线路的增多、一些原来全换位线路的开断及多条同塔双回不换位线路相继投入运行等诸多因素的影响，500 kV系统局部出现三相电流明显不平衡，个别线路电流不平衡现象相当严重［1］。现有的零序电流判据由于要按照躲过最大不平衡电流整定，对经高阻接地故障存在灵敏度不足的情况［2-3］。因此，提出采用零序电流变化量、相电流变化量比较方式的零序电流变化量启动计算判据，并通过理论分析，PSCAD/EMTDC仿真数据结果表明该计算方法对微机保护的灵敏度、快速性和可靠性均有一定程度的提高。

1 现有启动元件分析

继电保护装置一般都设有启动元件和测量元件，启动元件主要用于故障时开放保护动作继电器电源，正常时闭锁保护出口，这样可有效避免因测量元件动作造成误出口。这就要求启动元件对各种类型的故障均能快速、灵敏做出反应。对于单相经高阻接地故障，由于电压电流变化均较小，常规的电流突变量元件由于考虑躲过最大负荷波动整定，门槛较高，无法启动。采用稳态量故障特征量的启动元件如i0、i0+i2和z0，轻微故障时，需经较长时间才能启动［4］。因为三相系统并非严格对称，造成正常运行存在零序分量，考虑躲过各种运行工况下最大不平衡电流进行整定的零序电流启动元件不能快速、灵敏反映故障。

2 零序电流变化量启动判据

发生接地故障时，非故障相上电流变化较小而3I0的变化较大，零序电流变化量启动判据方程如下:

在动作逻辑中，式 (3)、式 (4)、式 (5)为或门，并与式 (6)构成与门，IN为二次额定相电流，β的整定考虑躲过正常运行情况下最大采样误差及相邻平行线路发生接地时零序互阻抗影响。保护启动具体判断逻辑如下:一旦式 (6)条件满足，连续判3个采样点，如果式 (3)、式 (4)、

当系统发生过渡电阻接地时，由于电流的变化比较小［5］，常规的电流突变量元件和零序电流启动元件均无法满足快速、灵敏反映故障［6］，因此，提出以零序电流变化量与各相电流变化量比较的零序电流变化量判据，根据不平衡负荷和接地故障不同的电流变化特性判断是否发生故障，用于开放接地保护，只要零序电流有较小突变，而三相电流未同时有较大变化即可开放启动元件。原因如下:系统中有不平衡线路合环运行或发生振荡时，往往是三相电流同时变化，零序电流虽然也有变化，但与相电流变化量比较，其量相对较小;发生接地故障时，零序电流变化较大，非故障相电流变化较小;稳定运行过程中，虽然系统三相不对称，有零序电流存在［7］，但零序电流变化量启动判据只反应故障分量，稳态不平衡电流不受影响。因此，可以采用零序电流变化量启动判据，用于区分负荷波动和发生接地故障。

在负荷稳定的情况下，任何一个采样时刻均满足如下关系:式 (5)中有1个公式始终满足，保护就开放启动;一旦式 (6)条件满足，连续判3个采样点，式 (3)、式 (4)、式 (5)均始终不满足，即认为是有不平衡负荷合环等原因引起负荷波动。由于在发生接地故障时零序电流变化量大于非故障相电流变化量，因此，零序电流变化量只要大于较小零序电流启动门槛值，启动判据就能开放。本判据作为稳态量零序启动元件的补充，稳态量零序启动门槛按躲过各种工况下最大零序电流整定，在不满足式 (6)时开放，与零序电流变化量启动判据构成或门，其逻辑如图1所示。

图1 零序电流变化量启动元件判据逻辑图

3 零序电流变化量判据仿真分析

3.1 仿真模型

PSCAD/EMTDC是目前广泛使用的电磁暂态计算软件，采用PSCAD/EMTDC进行建模仿真，仿真模型等效电路如图2所示。电源内阻为0.168+j0.138 Ω，线路长度为300 km，线路采用Bergeron模型，每百公里正序阻抗为0.97+j14 Ω，零序阻抗为 9.14+j43 Ω，正序容抗为 47.18 Ω，零序容抗为69.14 Ω，线路TA变比为2 500/1。

图2 系统接线图

3.2 单相经过渡电阻接地仿真

针对系统发生单相接地故障情况下的零序电流变化量的启动判据，在仿真中模拟系统在0.2 s时线路末端A相经300 Ω过渡电阻接地，仿真波形及启动判据动作情况如图3所示。

图3中Is为一次电流，trip2为按照0.1倍额定电流整定的常规零序电流启动开放标志，可看出零序电流变化量trip快于常规零序电流启动判据。

图3 单相经300 Ω接地波形

3.3 两相经过渡电阻接地仿真

在系统发生两相接地故障情况下校验零序电流变化量判据，模拟系统在0.2 s时线路末端AB两相经300 Ω过渡电阻接地，仿真波形及启动判据动作情况如图4所示。由图3、图4可以看出，不论是单相经过渡电阻接地，还是两相经过渡电阻接地，与常规的零序电流启动值相比，零序电流突变量启动判据先开放。

图4 两相经过渡电阻接地仿真波形及启动判据

3.4 不平衡负荷校验零序电流变化量判据仿真

在系统不平衡负荷情况下，零序电流变化量启动判据不应启动，在仿真中模拟系统在0.2 s时有不平衡负荷合环引起电流波动，波动值A相电流二次为 0.3 A，B相电流为0.2 A，C相电流为0.2 A，零序电流变化量启动元件和常规零序电流启动元件动作情况如图5所示。

图5 不对称负荷合环运行波形

Ia、Ib、Ic为三相负荷电流二次采样值，I0为自产零序电流。在不平衡负荷合环影响下，零序电流变化量启动元件可靠不启动。

进一步模拟不平衡负荷下发生经过渡电阻接地。仿真中设置线路BC两相满负荷运行，A相带90%负荷，系统在0.2 s时线路末端发生经300 Ω过渡电阻接地。

单相经过渡电阻接地、两相经过渡电阻接地仿真波形如图6、图7所示，由图6、图7可以看出，不对称负荷稳定运行下单相、两相经300 Ω过渡电阻接地，零序电流变化量启动元件能可靠动作。

图6 不对称负荷下单相经过渡电阻接地波形

图7 不对称负荷下两相经过渡电阻接地波形

3.5 振荡时校验零序变化量判据仿真

在系统发生振荡情况下，零序电流变化量启动判据应可靠不启动，在仿真中利用两侧频率不一致，采用在线路两端加2个不同频率的电源产生振荡电流［8］，振荡周期为0.5 s，校验零序电流突变量判据在振荡模式下启动情况。

模拟系统发生振荡、振荡时单相经过渡电阻接地、振荡时两相经过渡电阻接地，仿真波形及启动判据动作情况如图8、图9、图10所示，由图8、图9、图10可以看出，零序电流突变量判据能正确区分振荡和振荡中发生单相、两相经过渡电阻接地的情况。

图8 振荡运行波形及启动判据

图9 振荡中0.2 s单相经300 Ω接地波形及启动判据

图10 振荡中0.2 s两相经300 Ω接地波形及启动判据

4 结束语

针对现有零序电流启动判据的不足，提出了零序电流变化量启动判据，通过理论分析并在PSCAD/EMTDC建立相应的仿真模型，仿真结果表明，零序电流变化量启动元件具有较高的灵敏度，在系统发生经高阻接地故障及在系统振荡过程中发生接地故障时均能启动，而在系统纯振荡下能可靠不启动，同时启动时间快于常规电流启动元件的特点，可为超高压线路保护提供参考。

［1］ 周冠波，李晓华，蔡泽祥，等.同杆多回线不平衡问题分析与对策［J］.电力系统自动化，2010，34(16):58-63.

［2］ 柳焕章，李晓华，尹项根，等.三相同时刻采样值高灵敏启动元件［J］.电力系统自动化，2003，27(19):52-56.

［3］ 柳焕章，许庆强.高性能三相采样值启动元件［J］.电力系统自动化，2005，29(22):68-73.

［4］ 冯连伟，林添顺，陈 曦.振荡中突变量方向元件及启动元件动作特性的仿真分析［J］.电网技术，2007，31(2):170-172.

［5］ 朱声石.高压电网继电保护原理与技术［M］.北京:中国电力出版社，2005.

［6］ 郭志红，程慈源，苏建军，等.山东电网部分500 kV线路不平衡电流偏大的原因分析及改善措施［J］.电网技术，2006，30(21):32-36.

［7］ 贺仁睦，王吉利，史可琴，等.实测冲击负荷分析与建模［J］.中国电机工程学报，2010，30(25):59-65.

［8］ 熊小伏，叶一麟，李小秋.在电力系统振荡情况下提取故障分量的新方法［J］.重庆大学学报，1994，17(4):45-52.

［9］ 韦 刚，张子阳，房正良，等.多回输电线路并架的不平衡性分析［J］.高电压技术，2004，30(10):9-12.

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，工程师，主要从事继电保护应用与研究。

2015-04-10)