自适应零序电流继电保护研究

刘 娟，胡徐胜

(1.马鞍山职业技术学院 电气工程系，安徽 马鞍山 243030；2.皖江工学院 马鞍山市无线传感网与智能感知工程技术研究中心，安徽 马鞍山 243031)

自适应零序电流保护是根据运行中电力系统实时的状态、故障类型自动调整动作值和整定值，做出相应保护的过程[1]。这一过程是自动的不需要人工参与，这得益于微机技术的发展，使得保护范围扩大、可靠性更强。

1 保护系统

设电力系统为双侧电源，并且系统两侧中性点均为接地，以保护1处为例(P处有故障)，如图1所示，来分析传统零序电流和自适应零序电流在线路上的整定原理及整定方法的特点。

图1 P处故障系统接线图

根据系统两侧M侧系统、N侧系统运行方案的不同，设系统各阻抗值如表1所示。

表1 运行方案

2 传统零序电流保护

2.1 传统零序电流速断保护

2.1.1 零序电流计算

在图1中，先求得P处故障点在各种运行方式下的零序电流值，用来作为零序电流速断保护整定值的计算依据。首先需要计算故障点P的正序等值阻抗和零序等值阻抗，通常情况下，发电机的正序等值阻抗和负序等值阻抗相等[2]，因此，可以利用负序网络来计算等值系统的正序阻抗。P处故障系统负序网络和零序网络如图2和图3所示。

图2 P处故障系统负序网络图

图3 P处故障系统零序网络图

(a)P故障处零序电流计算

单相接地时P故障处零序电流：

(1)

两相接地时P故障处零序电流：

(2)

(b)保护1处零序电流计算

单相接地时保护1处零序电流：

(3)

两相接地时保护1处零序电流：

(4)

式(1)-(4)中，E为系统等效电源的相电势，200 V；ZΣ1为故障点P的正序等值阻抗；ZΣ0为故障点P的零序等值阻抗；C0m为实际的零序电流分布系数。

Z∑1=Z∑2=(ZM2+ZMP2)//(ZNP2+ZN2)，

(5)

Z∑0=(ZM0+ZMP0)//[ZT0//(ZNP0+ZN0)]，

(6)

(7)

将表1中的数据代入以上对应公式，整理得出保护1处的零序电流如表2所示。

表2 保护1处的零序电流 A

2.1.2 传统零序电流速断保护整定计算

假设带有0.1 s延时的传统零序电流速断保护，躲开断路器三相不同期合闸时间，速断保护的动作电流按躲开下一线路出口处单相或两相接地时出现的最大零序电流3I0.max来整定[3]，以图1中保护1处为例，则传统零序电流速断保护整定值为：

(8)

2.1.3 传统零序电流速断保护的保护范围计算

假设系统G处发生故障，如图4所示，其负序网络和零序网络图如图5和图6所示。

图4 G处故障系统接线图

图5 G处故障系统负序网络图

图6 G处故障系统零序网络图

Z∑1=Z∑2=(ZM2+ZMG2)//(ZGP2+ZNP2+ZN2)，

(9)

Z∑0=(ZM0+ZMG0)//[ZGP0+ZT0//(ZNP0+ZN0)]，

(10)

C0m=

(11)

将表1中的数据代入式(9)-(11)求解，再将求解值和零序电流速断保护的动作电流1 018.56 A代入式(8)，求得x后，代入保护范围公式得到传统零序电流速断保护范围，如表3所示。

表3 传统零序电流速断保护范围 (%)

2.2 传统零序电流限时速断保护

2.2.1 零序电流计算

零序电流限时速断的动作值与下一条线路的零序电流速断相配合，因此设N处有故障，如图7所示，其负序网络和零序网络图如图8和图9所示。

图7 N处故障系统接线图

图8 N处故障系统负序网络图

图9 N处故障系统零序网络图

同理，保护2处的单相接地短路零序电流和两相接地短路零序电流仍按式(3)(4)计算，也只是下标不同，用以区分保护处。

对应图8和图9，阻抗及分布参数则变为：

Z∑1=Z∑2=(ZM2+ZMP2+ZNP2)//ZN2，

(12)

Z∑0=[(ZM0+ZMP0)//ZT0+ZNP0]//ZN0，

(13)

(14)

经计算得到保护2处的零序电流如表4所示。

表4 保护2处的零序电流 A

2.2.2 传统零序电流限时速断保护整定计算

零序电流限时速断的动作值与下一条线路的零序电流速断相配合，所以保护2处零序电流限时速断的动作值为：

(15)

据表4有3I0.max=957.3 A，则整定值为：

为了确定保护最不利的情况下传统零序电流限时速断保护的整定值，需要进行灵敏度校验，校验应按本线路末端最小零序电流来计算。

灵敏度值大于1.3～1.5，满足灵敏度要求。由此可确定，传统零序电流限时速断保护的整定值为348.1 A。

2.2.3 传统零序电流限时速断保护的灵敏度计算

灵敏度=本线路末端故障流过保护安装处的零序电流/零序电流限时速断保护的整定值。

例如运行方案二中单相接地时灵敏度为：

根据表2计算各种运行方案下传统零序电流限时速断保护的灵敏度，结果见表5。

表5 传统零序电流限时速断保护的灵敏度

3 自适应零序电流保护

3.1 自适应零序电流保护整定计算

当判断出系统发生接地短路及其短路类型后，自适应零序电流保护按照具体的短路类型和系统运行方式以及接地中性点的分布来整定保护动作值[4-6]。

自适应零序电流速断保护的动作值按躲开下一线路出口处单相或两相接地时出现的零序电流3I0来整定，这里以保护1处为例。

单相接地时保护1处的零序电流速断整定值为：

(16)

两相接地时保护1处的零序电流速断整定值为：

(17)

表6 自适应零序电流速断保护整定值 A

3.2 自适应零序电流速断保护的保护范围计算

假设G处发生故障，如图4-6所示。自适应零序电流速断保护范围的计算方法与传统零序电流速断保护范围的计算方法一样。

经计算整理得到自适应零序电流速断保护范围如表7所示。

表7 自适应零序电流速断保护范围 (%)

3.3 自适应零序电流限时速断保护计算

自适应零序电流限时速断的动作值与下一线路的零序电流配合，整定仍按式(15)进行，但是分支系数K0.br取实际数值，而不是取最小值。

代入数据求得K0.br值为4.3。

将表4保护2处的零序电流代入上述公式，可得表8自适应零序电流限时速断保护整定值。

表8 自适应零序电流限时速断保护整定值 A

3.4 自适应零序电流限时速断保护的灵敏度计算

自适应零序电流限时速断保护的灵敏度的计算公式与传统零序电流限时速断保护的灵敏度的计算公式一样，只是自适应零序电流限时速断保护的整定值视运行方案自动整定。

例如：运行方案一的自适应零序电流限时速断保护的灵敏度：

经计算得到各运行方案下的自适应零序电流限时速断保护的灵敏度如表9所示。

表9 自适应零序电流限时速断保护的灵敏度

4 结论

通过对比可看出，传统零序电流速断保护和限时速断保护因其动作值分别固定为1 018.56 A，348.1 A，整定值不变，所以面对运行方式变化的电力系统，无法进行很好的保护。而自适应零序电流保护的动作值和整定值可随运行过程和故障类型改变而调整，可以较好地适应变化的电力系统，使系统更加稳定。自适应零序电流速断保护较传统零序电流速断保护扩大了保护范围，例如在运行方案一下，发生两相接地故障时传统零序电流速断保护范围仅为50.5%，而采取自适应零序电流速断保护时其保护范围为80.0%。自适应零序电流限时速断保护灵敏度也较传统零序电流限时速断保护灵敏度普遍提高，而且前者受运行方式变化和接地短路类型变化的影响不大。综上，自适应零序电流继电保护值得在工程实际中推广。