大保护范围电流保护的原理与装置研究

王晓波，王锌桐

(安徽电气工程职业技术学院，安徽合肥 230051)

0 引言

在35kV及以下电压等级输电线路中，广泛的使用三段式电流保护作为相间短路的保护方案.但是，三段式电流保护也具有直接受电网接线方式以及电力系统运行方式变化影响的缺点，使它往往不能满足灵敏性或保护范围的要求.为了提高灵敏性，可以采用灵敏性更高的距离保护、高频保护和光纤保护.近年来，随着微机保护的普及，又提出了自适应电流保护作用来提高保护的灵敏性.但是，在系统运行方式变化较大的情况下，自适应保护也难以解决电流保护灵敏性低的缺点，针对以上问题，本文提出大保护范围电流保护原理及装置的设计方案，可以大大提高电流保护的灵敏性.

1 大保护范围电流保护的原理与装置

图1 输电线路图Fig.1 Typical transmission line

(1)

在这个整定值下，电流I段保护的最小保护范围的计算式如式(2)所示.

(2)

电流I段保护的保护范围主要受到系统运行方式、故障类型等因素的影响.如果系统的运行方式变化较大(即Zsmax与Zsmin的数值相差较大)，那么将会造成电流I段保护的保护范围很小甚至完全没有保护范围.

为了解决上述问题，可以在进行电流I段保护定值整定时，从以下两个方面着手.

(3)

当线路发生短路故障后，有多种判据可以快速判断出是哪种故障.比如，利用A、B、C三相电流突然增大了很多倍，判断线路中发生的是三相短路故障；利用A、B、C三相电流中有两相电流增大了很多倍，另外一相电流基本没有变化，而且系统中存在明显的零序电流，判断线路中发生了两相短路接地故障；利用A、B、C三相电流中有两相电流增大了很多倍，另外一相电流基本没有变化，而且系统中没有零序电流，判断线路中发生了两相短路故障.当微机保护装置判定出线路中发生的是哪种短路故障以后，立刻调用相对应的整定电流值，用该定值作为此短路故障下的电流I段保护的保护定值.使用该方法以后，可以消除由于故障类型不同使整定电流值不同，影响电流I段保护保护区的问题.该方法在文献[1-10]中有具体叙述，在此不再叙述.

其次，式(1)在计算电流Ⅰ段保护整定值时，用到的电源等值阻抗是采用最小阻抗Zsmin，这里采用的是静态阻抗，实际上在线路运行时，随着运行方式变化，电源的等值阻抗是一个动态变化的阻抗值，如果能够动态测量发生短路故障时的电源等值阻抗与线路阻抗之和Zs动，那么式(3)可以写为式(4).

为了测量动态阻抗值Zs动，设计装置系统如图2所示.其中，部件1为系统

(4)

图2 动态阻抗测量原理图Fig.2 Schematic diagram of measuring dynamic impedance图3 微机保护装置改进原理图Fig.3 Improved schematic diagram of microprocessor-based protection device

(5)

可以计算出R与L分别如式(6)与式(7)所示：

(6)

(7)

微机保护装置根据以上R与L的数值，采用R-L模型算法，可以计算出在此时的运行方式下，系统阻抗的电阻部分为R，电抗部分为ωf0L，则系统在工频下的动态阻抗值Zs动可以式(8)进行计算.

(8)

在式(4)中使用式(8)计算出的系统动态阻抗值，可以整定出在不同短路故障类型下和不同运行方式时的电流I段保护的定值，在该动态定值下，大大增加了电流I段保护的保护范围，提高了保护的灵敏性.

实际上，在计算电流Ⅱ段保护整定值时，完全也可以将传统电流保护中所用到的静态抗阻换作动态阻抗Zs动，同样可以提高电流Ⅱ段保护的灵敏性.

2 算例分析

为了便于理解大保护范围电流保护的继电保护原理和该保护方案的优越性，举出以下算例进行说明，电网系统如图1所示，算例中将使用传统三段式电流保护和大保护范围电流保护两种保护原理对AB线路进行整定，并将整定结果进行对比.电网输电线路参数如表1所示.

表1 电网输电线路参数Tab.1 Parameters of transmission line

使用传统三段式电流保护原理对电网中AB段输电线路进行保护整定，得到对应的整定结果如表2所示.

表2 AB段输电线路传统三段式电流保护整定结果Tab.2 Setting calculation result based on traditional principle of three-stage current protection of section AB transmission line

使用大保护范围电流保护原理对电网中AB段输电线路进行保护整定，得到对应的整定结果如表3所示.

表3 AB段输电线路大保护范围电流保护整定结果Tab.3 Setting calculation result based on improved principle of large range overcurrent protection of section AB transmission line

将使用传统三段式电流保护原理和大保护范围电流保护原理对电网中AB段输电线路的保护整定结果进行对比，结果如表4所示.

表4 两种不同继电保护原理整定结果对比Tab.4 etting results comparison of two different relay protection principles

根据表4对比结果，在该算例的输电线路网络中，对于无时限电流速断保护保护来说，采用传统三段式电流保护对该线路进行保护时，最小可以保护本段线路的23.3%，而采用大保护范围电流保护进行保护后，最小可以保护本段线路的57.5%，保护范围有了明显的提升；对于限时电流速断保护保护来说，采用传统三段式电流保护对该线路进行保护时，灵敏系数为1.21，而采用大保护范围电流保护进行保护后，灵敏系数最小也可达1.49，保护的灵敏性由不满足要求提升为满足要求.

3 小结

从以上算例中可以看出，将传统三段式电流保护原理改进为大保护范围电流保护原理对电网中AB段输电线路进行保护整定计算，无论是无时限电流速断保护还是限时电流速断保护，在使用大保护范围电流保护原理进行保护以后，保护的灵敏性均有所改善.实际上，使用大保护范围电流保护原理对输电线路进行保护，对于改善定时过电流保护(后备保护)的灵敏性也是有积极作用的.