中性点不接地系统对距离保护的影响分析

康丰，齐以年，张玮，刘庆海

(南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211100)

0 引言

距离保护的优点之一是保护范围明确、不受系统运行方式影响，作为后备保护被广泛应用于各电压等级的线路保护。距离保护基于电压和电流等电气量构成，为确保距离保护方向的正确性，距离保护一般采用正序电压作为极化电压[1-2]。由于正序极化电压具备故障前与故障后电压相位不变的特性，因此以正序电压作为参考标准的极化电压具有良好的方向性。但正序极化电压方向判别在不接地系统单端电源运行方式下存在明显不足，因而存在着误判的可能。目前距离保护的研究主要集中在110 kV及以上电压等级系统的快速段保护范围方面[3-10]，对不接地系统中单端电源的研究较少。

单端电源系统现阶段主要出现在110 kV及以下电压等级的电网系统中。110 kV单端电源已经有一定研究，其主要应用电压、电流的工频变化量来判别突变量方向，计算量较大，对于35 kV电压等级的继电保护来说消耗资源较多，存在应用局限性。

本文对不接地系统的区内和区外故障进行分析，结合电流、电压的特点在原有四边形特性距离保护上增加一种方向元件判别，其作为正序极化电压方向的辅助判别，能够很好地避免不接地系统单相电源区外故障距离保护误动问题，并通过实时数字仿真仪(RTDS)仿真试验验证了此方法的可靠性。

1 距离保护的基本原理

目前的距离保护主要为测距式。测距式距离保护通过计算故障点到保护安装处的距离判别区内外故障，主要包括工频量距离元件、时域距离元件[11-13]等。

上述原理在实际应用中会用到方向元件，通过方向元件来判别故障发生在线路的正方向还是反方向。通过方向元件和距离元件的综合判断，实现距离保护正确动作。

1.1 工频量距离元件

工频量距离保护的基本思想是通过故障全量网络基本方程，求解得出保护安装处到故障点的阻抗，进而确定故障距离。其测距基本方程为

Zk=Uw/Iw，

(1)

式中：Uw为相间电压，V；Iw为相间电流，A；Zk为相间距离阻抗，Ω。距离保护的整定阻抗为Zset，通过比较Zk和Zset，可以判断区内外故障。本文主要用到工频量距离元件。

1.2 时域距离元件

将式(1)写为时域形式，即可得到时域距离元件的测距方程

(2)

式中：uw和iw分别为Uw和Iw的时域形式；Rk+Lw=Zset。由式(2)可知，时域距离元件的保护原理面向线路，与保护安装处背侧电源的特性无关。同时由于采用时域算法，只需在R-L模型所要求的低通适用频带内，受电流频率偏移和高次谐波的影响很小，时域距离元件仍具有良好的保护性能。

1.3 中性点不接地系统的距离保护的原理

中性点不接地系统的距离保护为相间距离保护，其距离保护的基本公式如下

Zøø=(Uø1-Uø2)/(Iø1-Iø2) 。

(3)

采用工频量距离元件的思路，利用故障时刻的相间电压(Uø1-Uø2)与相间电流(Iø1-Iø2) 计算出故障时刻的相间阻抗Zøø与Zset进行比较。

当Zøø

仅靠此判断线路的区内故障是不够的，例如当在线路近端发生区外故障时，计算出来的阻抗小于Zset，此时还需增加方向判据，判断发生的是正向故障还是反向故障。

如果判断出反向故障，距离保护不动作，否则距离保护动作。常用的方向判别采用正序电压与故障电流的角度差来判断故障的方向，其公式如下

(4)

式中：U1为正序电压，V；Iøø为相间电流，A。当正序电压与相间电流的夹角在θ1与θ2之间时，认为是正方向，否则为反方向。

当Zøø小于Zset且正序电压与电流的方向为正方向时，允许距离保护动作，此时开始距离保护计时，当计时满足距离保护延时后距离保护动作。

四边形特性距离保护动作特性如图1所示。

图1 四边形特性距离保护动作特性Fig.1 Distance protection action with quadrilateral characteristic

在图1中，第2和第4象限虚线以上部分与实线之间的区间为距离保护的动作区间。

由图1可知AB相间故障时正序电压正向角度的有效区，其正向角度区间为-25°～135°。

同理可以推出BC相间故障时的正序方向正向角度区间为95°～255°，CA相间故障时的正序方向正向角度区间为-145°～15°。

2 中性点不接地系统区外故障分析

在某一次中性点不接地系统RTDS试验中，当线路两端都有电源时，线路的区内外故障距离保护装置都能正确动作，但是当距离保护侧有电源，另外一侧没有电源时，此时做线路区外故障试验，发现距离保护误动，其误动时线路上的电流电压波形如图2所示。

图2 距离保护误动时的电流电压波形Fig.2 Current and voltage waveform during the malfunction of distance protection

图4 35 kV线路保护RTDS模型Fig.4 RTDS model of 35 kV line protection

对图2进行分析可知，故障为线路区外BC相间故障。在距离保护动作时刻，正序电压为28.66 V∠127.28°，AB相间电流为0.359 A∠138.63°，BC相间电流为0.254 A∠28.60°，CA相间电流为0.362 A∠-82.62°。使用上述数据计算正序电压与相间电流，结果见表1。

表1 正序电压与相间电流的角度差Tab.1 Angular difference between positive-sequence voltage and phase current

用正序电压为极电压，参考各相间电压的正方向范围，可以得出3个相间电流为正方向电流，此时BC相间阻抗小于1 Ω，其小于距离保护定值，故距离保护动作。

分析图2可知，在单电源线路区外相间故障时，存在着正序电压方向误判为正方向的问题，导致距离保护误动。

3 正序电压方向判别的改进方案

通过对图2中波形做进一步分析，发现在此种故障类型中线路上的电流较故障前电流变小，可以做如下改进。

(1)通过电压来判断发生的故障类型。当某一相间电压小于10 V且正序电压大于10 V时，则一定为相间电压发生故障。

(2)比较电流的变化。当保护启动时，记住此时负荷电流的最大相电流，保护启动后10 ms开始计算保护启动后的正序电流，如果正序电流小于最大相电流的0.80倍，则认为电流变小。

(3)负序电流和正序电流的比较。保护启动10 ms后，开始计算三相电流的负序电流和正序电流，如果此时负序电流小于0.33倍正序电流，则认为不对称故障开放条件不满足。

上面的3个条件都满足时，闭锁正序电压判别方向，让正序电压方向返回，其逻辑如图3所示。

图3 闭锁正序电压方向逻辑Fig.3 Blocking positive-sequence voltage logic

4 RTDS试验及结果分析

为验证正序方向判别改进方案的正确性和可靠性，通过RTDS对判据进行数字仿真试验，试验模型如图4所示。

模型中的主要参数如下：M侧110 kV系统短路容量600 MV·A，正序阻抗为20∠82.00°；N侧35 kV系统短路容量40 MV·A，正序阻抗为30∠78.00°；架空线路长度10 km，R=0.147 1 Ω/km，X=0.429 9 Ω/km；电缆线路长度15 km，R=0.196 0 Ω/km，X=0.102 0 Ω/km；电流互感器(CT)1和2变比均为600 A/1A；电压互感器(TV)变比为35 kV/100 V；距离保护装置安装在架空线路M侧。

此模型能够充分模拟中性点不接地系统(两端都接有电源、一端有电源一端无电源)各种类型的故障，能够充分地验证本文增加的闭锁正序电压方向判据的可靠性。

4.1 区内故障

故障点设在K2点，此时模拟区内正常故障，具体分析如下。

图5为N侧小电源不接入系统的AB相间故障录波图，图6为N侧小电源接入系统的AB相间故障录波图。

图5 N侧小电源不接入时AB相间故障波形Fig.5 AB phase-to-phase fault waveform during the disconnection of small power supply on theN-side

图6 N侧小电源不接入时AB相间故障波形Fig.6 AB phase-to-phase fault waveform during the connection of the small power supply on theN-side

从图5和图6中可以分析出，当发生线路区内故障时，M侧CT A相和B相的电流明显增大，相应正序电流的有效值明显增大，且大于故障前负荷电流的有效值，这明显不符合闭锁正序方向的电流条件，故开放正常的正序电压方向判别。在图5和图6中，正序电压的方向为正方向，且阻抗满足定值条件，故距离保护动作。

4.2 区外故障

故障点设在K1点，此时模拟线路区外正常故障具体分析如下。

4.2.1 N侧无小电源的区外故障

图7为N侧无小电源的线路区外AB相间故障的录波图，从图7中可以分析出：当发生故障时，三相电流的有效值变小，则相应的正序电流有效值也变小，小于故障前的负荷电流有效值；此时线电压UAB小于10 V，相应的正序电压U1大于10 V；在此故障波形中，其负序电流小于0.33倍的正序电流。综上分析，故障后的电流电压波形满足闭锁正序电压方向的条件，此时即使正序方向元件满足正方向条件，也判定为正序电压方向为反方向，闭锁距离保护。

图7 N侧无小电源的AB相间故障波形Fig.7 AB phase-to-phase fault waveform without small power supply on the N side

图8为N侧无小电源的线路区外ABC三相故障录波图，从图8中可以分析出：当发生故障时，三相电流明显变小到0，相应的正序电压小于10 V，故正序电压用正常的记忆电压来判别方向，而在此种故障波形中，由于三相电流无流，则距离保护不动作。

图8 N侧无小电源的三相故障波形Fig.8 Threek-phase fault waveform with no small power supply on the N side

4.2.2 N侧有小电源的区外故障

图9为N侧有小电源的线路区外AB相间故障录波图，从图9中可以分析出:M侧CT A相和B相的电流明显增大，相应的正序电流有效值明显增大，其大于故障前的负荷电流的有效值，这明显不符合闭锁正序方向的电流条件，故开放正常的正序电压方向判别。在图9中，正序电压方向为反方向，故闭锁距离保护动作。

图9 N侧有小电源时的AB故障录波图Fig.9 AB fault recording during connection of the small power supply on the N-side

5 结束语

本文对距离保护的原理进行了初步介绍，并对中性点不接地系统单端电源线路区外故障时距离保护误动进行了初步分析，进而提出来一种闭锁正序电压判别方向的方法。该方法基于相间故障时电压和电流的特征量做进一步判别，当此方法成立时能够闭锁正序方向判别。通过RTDS仿真试验，证明该方法可行，能够有效避免中性点不接地系统单端电源线路反向区外故障时距离保护误动的问题，并且在正常中性点不接地两端电源系统中也能适用，不会造成距离保护的误动和拒动。