基于负荷电流补偿的负序方向保护改进算法

李欧

(广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 52300)



基于负荷电流补偿的负序方向保护改进算法

李欧

(广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 52300)

电力系统非全相运行和非全相运行方式下再发生故障的工况，会对负序方向保护的正确动作造成影响。当电压互感器安装于母线侧，非全相运行时，负序方向元件会误动；而非全相运行方式下再发生正向故障时，负序方向元件能正确识别。针对该问题，提出了一种修正的负序方向保护新方案：加入负荷电流补偿来抵消非全相运行时系统中存在的负序电流，使得非全相运行时，负序方向保护能有效不动作，而非全相运行再发生故障时，负序方向保护能有效识别。PSCAD与MATLAB的仿真结果表明，新的保护方案在输电线路非全相运行各种工况下具有很好的实用性。

非全相；再发生故障；负序方向保护；补偿电流

负序方向保护作为方向纵联保护的重要元件，在全相运行时，对各种不对称短路有良好判别短路方向的能力，不受系统振荡、平行线零序互感、过渡电阻影响，同时能对抗分布电容的影响[1-6]。但在非全相运行条件下其动作行为比较复杂，工程应用中，系统非全相运行时，必须将负序方向保护退出运行[7]。

输电线路非全相运行主要是指：一相断线或者导线断线；某一线路单相接地后，故障相开关跳闸；开关合闸过程中三相触头不同时接通；分相检修线路或开关设备；装有串补电容器的线路上，电容器一相或两相击穿；三相参数不平衡等[8]。在非全相运行方式下，线路存在负序分量，当电力系统出现“非全相运行再发生故障”的工况，负序方向保护很可能误动或拒动。当电压互感器(voltagetransformer，VT)安装在母线侧，线路是一侧断线还是两侧断线，负序方向元件的动作特性没有差异。在线路非全相运行方式下，若将负序方向保护退出运行，再发生故障时，负序方向保护完全失去识别故障的能力[9-11]。

针对负序方向元件在非全相运行期间可能误动的问题，本文引入了负荷电流补偿，在非全相运行时，负序方向元件不退出运行的前提下，提出了基于负荷电流补偿的负序方向保护方案。

1　非全相运行分析

1.1动作判据及保护要求

负序方向保护正向动作判据：

(1)

非全相运行方式下的输电线路负序方向元件需要满足以下4个动作要求：

a)线路一相一侧断线情况下，保证负序方向保护不误动。

b)线路一相两侧断线情况下，保证负序方向保护不误动。

c)线路一相一侧断线后再发生区内不对称故障情况下，保证负序方向保护能灵敏动作；非全相运行再发生区外故障，保护能可靠闭锁。

d)线路一相两侧断线后再发生区内不对称故障情况下，保证负序方向保护能灵敏动作；非全相运行再发生区外故障，保护能可靠闭锁。

1.2双侧电源系统一相断线

图1为本文采用的双电流系统。

P、Q—送端、受端系统出口；M、N—保护安装处；F1、F2—故障点。图1　双侧电源系统

当线路一相断线(包括一侧和两侧)时，不考虑分布电容影响，此时的负序网络如图2所示。

ZM2、ZN2—M、N点背后系统的负序阻抗；M2—故障点的负序电压源；N2—M、N点由母线VT获取的负序电压；ZL2—M、N点间线路负序阻抗。图2　线路一相断线的负序网络图

负序方向元件测得的负序电压、电流如下：

(2)

两端的负序方向元件均判别为正向故障，负序方向保护会误动。

进一步分析，图1所示系统L1相断线时，复合序网如图3所示。

aL—系统正常运行时负荷电流；0—流过M点的正序、负序、零序电流；ZM1、ZN1—M、N点背后系统的正序阻抗；ZM0、ZN0—M、N点背后系统的零序阻抗。图3　L1相断线附加状态复合序网图

负序电流

(3)

式中，Z1∑=Z2∑=ZM1+ZN1，Z0∑=ZM0+ZN0。

2　基于负荷电流补偿的负序方向保护

2.1动作判据修正

针对非全相运行、VT安装在母线侧的情况，提出一种新的保护方案，保护动作判据如下：

(4)

对于一个实际运行的电力系统，若有

(5)

则非全相运行时，

(6)

2.2非全相运行再发生故障

3　仿真验证

将图1中500 kV系统在PSCAD中建立模型进行仿真。下文仿真均基于该模型，被保护线路MN全长300 km，线路PM和NQ长度均为20 km，系统参数见表1，Q侧电源相位落后P侧30°，P侧和Q侧电势取额定电压。送端系统正序阻抗ZP1=j19 Ω，受端系统正序阻抗ZQ1=j41 Ω，送端系统零序阻抗ZP0=j25 Ω，受端系统零序阻抗ZQ0=j45 Ω。

表1500 kV超高压输电线路主要参数

线路序别电阻/(Ω·km-1)电抗/(Ω·km-1)容抗/(MΩ·km-1)正序0.018390.263000.5001314零序0.141700.602700.8005217

当补偿系数k取0～1之间不同值，一侧断线与两侧断线时，基于负荷电流补偿的修正保护方案的保护元件动作特性如图4所示，图5为两侧断线并发生不同故障时保护元件动作特性曲线。其中，区内故障点取MN中点，区外故障取距保护安装处5 km处。

(a)一相一侧断线

(b)一相两侧断线图4　非全相运行期间，一相一侧断线与一相两侧断线时保护元件动作特性

(a)F1点L2相(健全相)发生单相接地故障

(b)F2点L2、L3相(健全相)发生相间故障图5　非全相运行期间，两侧断线发生再故障时保护元件动作特性

从图4可以看出，非全相运行期间，无论是一相一侧断线还是一相两侧断线，当补偿系数k取值为0.43～1时，基于负荷电流补偿的负序方向保护会将非全相运行判别为反向故障，保护不会误动。

当VT安装在母线侧时，一相一侧断线和两侧断线就电气特性而言，本质上并没有差异，本文不另作分析。

由图5可知，当补偿系数k取值为0.43～1时，不影响负序方向元件正确判断再故障的方向。可见，保护具有很好的可靠性与灵敏性。

4　结论

a)输电线路非全相运行时，若VT装于母线侧，负序方向保护会误动。为了确保保护动作的选择性，实际中采用在非全相运行时退出负序方向保护。但当非全相运行方式下再发生故障时，将不能正确识别故障方向。

b)非全相运行时，负序方向元件动作电流由负荷电流产生。因此，本文提出基于负荷电流补偿的新方案，在计算过程中抵消非全相运行时存在的负序电流，并过补偿使其反向，非全相运行时保护能实现可靠闭锁，同时不影响再发生故障时正确判别故障方向。

c)通过模拟仿真，验证了本文提出的基于负荷电流补偿的负序方向保护方案可以适用于输电线路非全相运行时的各种工况，即非全相运行时不误动，非全相运行再发生故障时，能正确识别故障方向。

d)本文所述算法仅针对VT装设于母线侧时负序方向保护的改进，VT装设于线路侧时负序方向保护的处理方案将在以后的工作中讨论，另外本文没有考虑非全相振荡、经过渡电阻故障等复杂情况。

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(编辑彭艳)

ImprovedAlgorithmforNegativeSequenceDirectionalProtectionBasedonLoadCurrentCompensation

LIOu

(DongguanPowerSupplyBureauofGuangdongPowerGridCo.,Ltd.,Dongguan,Guangdong523000,China)

Workingconditionsofopen-phaseoperationandopen-phasefaultoperationofthepowersystemmaycauseimpactoncorrectactionofnegativesequencedirectionalprotection.Whenvoltagetransformer(VT)isinstalledatthebussideandthepowersystemisunderopen-phaseoperationcondition,mal-operationofnegativesequencedirectionalelementswillbecaused.Whileitisabletocorrectlyidentifynegativesequencedirectionalelementsduringopen-phasefaultoperation.Inallusiontotheseproblems,anewkindofmodifiedschemefornegativesequencedirectionalprotectionispresentedwhichistoaddloadcurrentcompensationtooffsetnegativesequencecurrentinthesystemundertheconditionofopen-phaseoperationandensureeffectiveno-actionofnegativesequencedirectionalprotection.Meanwhile,undertheconditionofopen-phasefaultoperation,itisabletoeffectivelyidentifynegativesequenceprotection.SimulationresultsofPSCADandMATLABindicatethatthenewprotectionschemehasgoodpracticabilityundervariousworkingconditionsofopen-phaseoperationofpowertransmissionlines.

open-phase;open-phasefault;negativesequencedirectionalprotection;compensationcurrent

2016-02-25

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.07.020

TM773

A

1007-290X(2016)07-0101-04

李欧(1989)，女，四川内江人。助理工程师，工学硕士，主要研究方向为电力系统继电保护。