抗分布电容电流和过渡电阻的线路单相接地故障继电保护方法

摘要

本发明公开了一种抗分布电容电流和过渡电阻的线路单相接地故障继电保护方法。该方法首先利用集总参数模型建模，并计算故障距离，然后采用长线方程描述输电线路电压、电流传输的物理特性，利用得到的故障距离计算输电线路补偿电流，进而根据输电线路保护安装处到单相接地故障点的电压降与故障距离呈双曲正切函数关系计算线路故障阻抗，根据对线路故障阻抗幅值的判断，确定是否发出动作跳闸信号。应用本发明方法作为超/特高压交流输电线路单相接地故障继电保护，能精确计算输电线路保护安装处到单相接地故障点的线路故障阻抗，与接地故障点电压、分布电容电流、过渡电阻和负荷电流无关，动作性能满足继电保护选择性、可靠性、灵敏性和速动性的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体地说是涉及一种抗分布电容电流和过渡电 阻的线路单相接地故障继电保护方法。

背景技术

距离保护由于受电力系统运行方式和结构变化影响小，能瞬间有选择性的切除输电线 路各种故障，在电力系统输电线路保护中获得了广泛应用。高压输电线路上距离保护被用 作输电线路主保护，超/特高压交流输电线路上距离保护被用作输电线路后备保护。目前电 力系统输电线路广泛应用的距离保护主要包括工频变化量距离保护和阻抗距离保护。

工频变化量距离保护通过反应工作电压幅值突变量构成距离保护，该方法具有受电力 系统运行方式影响小和抗过渡电阻能力强等优势。但由于该方法所采用的工作电压幅值突 变量仅在故障初期存在，无法用作超/特高压交流输电线路后备保护。

阻抗距离保护根据故障阻抗大小反映故障距离长度以区分故障点位于保护区内或是位 于保护区外。阻抗距离保护由于受电力系统运行方式和结构变化影响小，用于计算故障阻 抗的电气量为全故障分量，适用于整个故障过程。因此，阻抗距离保护既可用于高压输电 线路主保护，也可用作超/特高压交流输电线路后备保护。

然而，传统接地阻抗距离保护前提假设接地故障点电压为零，通过故障相电压和故障 相电流比值计算故障阻抗，并根据故障阻抗大小来反映故障点的远近以决定是否发出跳闸 信号。实际上，在电力系统中，除了人为构造的金属性接地短路故障外，接地故障点电压 几乎不可能为零，因此，接地故障点电压会对接地阻抗距离保护动作性能造成严重影响。

实际电力系统中，超/特高压交流输电线路的电压、电流传输具有明显的波过程，沿线分 布电容电流大，对阻抗距离保护动作性能的影响不能忽略。考虑线路沿线对地电容的影响， 线路故障阻抗与故障距离呈双曲正切函数关系，双曲正切函数特性决定了阻抗继电器耐过渡 电阻能力差，过渡电阻所带来的附加阻抗将严重影响阻抗继电器的动作性能。超/特压交流输 电线路输送大容量电能，是重负荷输电线路，重负荷电流会使阻抗距离保护的动作灵敏度 降低，重负荷电流对阻抗距离保护动作性能的影响不能忽略。

据国家电网公司统计，电力系统输电线路发生的各种故障类型中单相接地故障占80% 以上，因此，研究一种适用于超/特高压交流输电线路单相接地故障的继电保护方法具有非 常重要的工程意义。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种抗分布电容电流和过渡电阻的线 路单相接地故障继电保护方法。

为完成上述目的，本发明采用如下技术方案：

抗分布电容电流和过渡电阻的线路单相接地故障继电保护方法，其要点在于，包括如下 步骤：

（1）提供一种保护装置，其测量输电线路保护安装处的故障相电压故障相电流故障相负序电流和零序电流其中，φ=A、B、C相；

（2）保护装置计算如下数据：领先的角度θ₁；领先的角度θ₂； 单位长度输电线路正序阻抗z₁的相角θ₃；其中，z₁为单位长度输电线路正序阻抗，z₀为单位 长度输电线路零序阻抗；

（3）保护装置根据上述获得的测量数据和计算数据进一步计算输电线路补偿电流${\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{set}}=$

${\stackrel{·}{I}}_{\phi }+(\frac{Z_0\mathrm{ch}\left({\gamma }_0\frac{{\sin \theta }_1}{\sin ({\theta }_2+{\theta }_3)}\frac{{\stackrel{·}{U}}_{\phi }}{z_1({\stackrel{·}{I}}_{\phi }+\frac{z_0-z_1}{z_1}{\stackrel{·}{I}}_0)}\right)+Z_{c0}\mathrm{sh}\left({\gamma }_0\frac{{\sin \theta }_1}{\sin ({\theta }_2+{\theta }_3)}\frac{{\stackrel{·}{U}}_{\phi }}{z_1({\stackrel{·}{I}}_{\phi }+\frac{z_0-z_1}{z_1}{\stackrel{·}{I}}_0)}\right)}{Z_{\mathrm{cl}}\mathrm{sh}\left({\gamma }_1\frac{{\sin \theta }_1}{\sin ({\theta }_2+{\theta }_3)}\frac{{\stackrel{·}{U}}_{\phi }}{z_1({\stackrel{·}{I}}_{\phi }+\frac{z_0-z_1}{z_1}{\stackrel{·}{I}}_0)}\right)}-\frac{Z_0}{Z_{\mathrm{cl}}}\mathrm{cth}\left({\gamma }_1\frac{{\sin \theta }_1}{\sin ({\theta }_2+{\theta }_3)}\frac{{\stackrel{·}{U}}_{\phi }}{z_1({\stackrel{·}{I}}_{\phi }+\frac{z_0-z_1}{z_1}{\stackrel{·}{I}}_0)}\right)-1){\stackrel{·}{I}}_0$

其中，φ=A、B、C相，Z₀为输电线路保护安装处的系统零序等值阻抗，γ₁、γ₀分别 为输电线路正序、零序传播系数，Z_c1、Z_c0分别为输电线路正序、零序波阻抗，ch(.)为双曲 余弦函数，sh(.)为双曲正弦函数，cth(.)为双曲反正切函数；

（4）保护装置进一步计算如下角度数据：的相角α；领先的角度β；领先的角度γ；其中，th(.)为双曲正切函数；

（5）保护装置根据获得的角度数据计算输电线路保护安装处到单相接地故障点的线路 故障阻抗$Z_{\phi }=\frac{{\stackrel{·}{U}}_{\phi }}{{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{set}}}\frac{\sin \beta }{\sin (\alpha +\gamma )};$

（6）保护装置比较|Z_φ|<|Z_c1th(γ₁l_set)|是否成立，若成立，则保护装置发出动作跳闸信号； 其中，l_set为保护整定范围。

本发明方法首先利用集总参数模型建模，根据输电线路保护安装处到单相接地故障点的 电压降与故障距离呈线性关系计算故障距离，然后采用长线方程精确描述输电线路电压、电 流传输的物理特性，利用计算得到的故障距离计算输电线路补偿电流，进而根据输电线路保 护安装处到单相接地故障点的电压降与故障距离呈双曲正切函数关系计算线路故障阻抗，比 较线路故障阻抗幅值与保护整定阻抗幅值之间的大小关系，若线路故障阻抗幅值小于保护整 定阻抗幅值，则保护发出动作跳闸信号。应用本发明方法作为超/特高压交流输电线路单相接 地故障继电保护，能精确计算输电线路保护安装处到单相接地故障点的线路故障阻抗，与接 地故障点电压、分布电容电流、过渡电阻和负荷电流无关，动作性能满足继电保护选择性、 可靠性、灵敏性和速动性的要求。

本发明与现有技术相比较，具有下列积极成果：

（1）本发明方法采用长线方程精确描述超/特高压交流输电线路的物理特性，具有天然 的抗分布电容电流影响的能力。

（2）本发明方法用作超/特高压交流输电线路单相接地故障继电保护，能精确计算输电 线路保护安装处到单相接地故障点的线路故障阻抗，与接地故障点电压、分布电容电流、过 渡电阻和负荷电流无关。

附图说明

图1为应用本发明的线路输电系统示意图。

具体实施方式

下面根据说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细表述。

图1为应用本发明的线路输电系统示意图。图1中CVT为电压互感器、CT为电流互感 器。保护装置对输电线路保护安装处的电压互感器CVT的电压和电流互感器CT的电流波形 进行采样得到电压、电流瞬时值，然后保护装置对采集到的电压、电流瞬时值利用傅里叶算 法计算输电线路保护安装处的故障相电压故障相电流故障相负序电流和零序电 流其中，φ=A、B、C相。

保护装置计算领先的角度θ₁，计算领先的角度θ₂，计算单位长度 输电线路正序阻抗z₁的相角θ₃；其中，z₁为单位长度输电线路正序阻抗，z₀为单位长度输电 线路零序阻抗。

保护装置计算输电线路补偿电流${\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{set}}=$

${\stackrel{·}{I}}_{\phi }+(\frac{Z_0\mathrm{ch}\left({\gamma }_0\frac{{\sin \theta }_1}{\sin ({\theta }_2+{\theta }_3)}\frac{{\stackrel{·}{U}}_{\phi }}{z_1({\stackrel{·}{I}}_{\phi }+\frac{z_0-z_1}{z_1}{\stackrel{·}{I}}_0)}\right)+Z_{c0}\mathrm{sh}\left({\gamma }_0\frac{{\sin \theta }_1}{\sin ({\theta }_2+{\theta }_3)}\frac{{\stackrel{·}{U}}_{\phi }}{z_1({\stackrel{·}{I}}_{\phi }+\frac{z_0-z_1}{z_1}{\stackrel{·}{I}}_0)}\right)}{Z_{\mathrm{cl}}\mathrm{sh}\left({\gamma }_1\frac{{\sin \theta }_1}{\sin ({\theta }_2+{\theta }_3)}\frac{{\stackrel{·}{U}}_{\phi }}{z_1({\stackrel{·}{I}}_{\phi }+\frac{z_0-z_1}{z_1}{\stackrel{·}{I}}_0)}\right)}-\frac{Z_0}{Z_{\mathrm{cl}}}\mathrm{cth}\left({\gamma }_1\frac{{\sin \theta }_1}{\sin ({\theta }_2+{\theta }_3)}\frac{{\stackrel{·}{U}}_{\phi }}{z_1({\stackrel{·}{I}}_{\phi }+\frac{z_0-z_1}{z_1}{\stackrel{·}{I}}_0)}\right)-1){\stackrel{·}{I}}_0$

保护装置计算的相角α，计算领先的角度β，计算 领先的角度γ。其中，φ=A、B、C相，Z₀为输电线路保护安装处的系统零序等值阻 抗，γ₁、γ₀分别为输电线路正序、零序传播系数，Z_c1、Z_c0分别为输电线路正序、零序波阻抗， z₁为单位长度输电线路正序阻抗，z₀为单位长度输电线路零序阻抗，ch(.)为双曲余弦函数， sh(.)为双曲正弦函数，cth(.)为双曲反正切函数，th(.)为双曲正切函数。

保护装置计算输电线路保护安装处到单相接地故障点的线路故障阻抗

保护装置比较|Z_φ|<|Z_c1th(γ₁l_set)|是否成立，若成立，则保护装置发出动作跳闸信号。其中， l_set为保护整定范围，th(.)为双曲正切函数。

应用本发明方法作为超/特高压交流输电线路单相接地故障继电保护，能精确计算输电线 路保护安装处到单相接地故障点的线路故障阻抗，与接地故障点电压、分布电容电流、过渡 电阻和负荷电流无关，动作性能满足继电保护选择性、可靠性、灵敏性和速动性的要求。

以上所述仅为本发明的较佳具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉 本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在 本发明的保护范围之内。