一种基于故障分量的对称分量距离继电器

摘要

本发明涉及电力系统高压输电线路继电保护技术领域，具体涉及一种基于故障分量的对称分量距离继电器。本发明要提供一种基于故障分量的对称分量距离继电器，以克服现有技术存在的原理上受系统电势及负载电流的影响和判据不准确的问题。本发明的技术方案是，包括主判据和辅助判据，主判据由正序故障分量和负序分量构成；辅助判据由正序故障分量、负序分量和零序分量构成。本发明从原理上发生了根本变化，可制成多种类型的对称分量距离继电器。

说明书

所属技术领域：

本发明涉及电力系统高压输电线路继电保护技术领域，具体涉及一种基于故障分量的对称分量距离继电器。

背景技术：

距离继电器是电力系统中广泛采用的距离保护装置中的核心元件，它起着十分重要的作用。传统的对称分量距离继电器是利用故障条件下的正序、负序和零序分量，并根据复合序网及其故障边界条件构成的距离继电器。目前有正序距离继电器、负序距离继电器、零序距离继电器和将正、负、零序三种对称分量组合在一起的一种综合对称分量继电器。

但传统的对称分量距离继电器存在着一些不足之处，主要问题是：1、距离继电器利用正序、负序和零序分量构成，原理上受系统电势及负载电流的影响。2、判据不准确：正序、负序对称分量继电器的动作判据受系统阻抗、故障类型和故障地点的影响，保护范围变化大或可能拒动；零序对称分量距离继电器的动作判据必须依赖选相才能正确动作，失去了利用对称分量的优点；综合对称分量距离继电器的判据物理概念不明确，计算复杂，虽能反应所有类型故障，但是需要多次判断才能得出结果。上述问题导致对称分量继电器并未得到广泛应用。

发明内容：

本发明要提供一种基于故障分量的对称分量距离继电器，以克服现有技术存在的原理上受系统电势及负载电流的影响和判据不准确的问题。

为克服现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种基于故障分量的对称分量距离继电器，其特征在于：它是利用故障条件下的正序故障分量和负序分量，并根据复合序网的故障附加网络及其故障边界条件构成的距离继电器。

利用故障条件下的正序故障分量、负序和零序分量，并根据复合序网的故障附加网络及其故障边界条件构成的距离继电器。

在接地故障条件下，消除过渡电阻的影响。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明利用正序故障分量、负序和零序构成，原理上不受系统电势及负载电流的影响；

2、判据准确：本发明包括有主判据和辅助判据，判据简单明确便于实现。(1)主判据由正序故障分量和负序分量构成，单独应用主判据可以实现除单相接地故障外的所有其它保护功能。仅主判据的功能已超过并优于传统正序或负序距离继电器或它们组合在一起的功能。(2)辅助判据由正序故障分量、负序分量和零序分量构成，它主要起到了在单相接地故障时的保护作用。

3、应用前景好：本发明从原理上发生了根本变化，可制成多种类型的对称分量距离继电器，具有十分广阔的应用前景。

附图说明：

图1：故障附加状态图；

图2：故障系统图；

图3：故障附加状态网络的复合序网图；

图4：三相短路附加网络图；

图5：两相相间短路附加网络图；

图6：两相短路接地附加网络图；

图7：单相接地附加网络图；

图8：故障分量距离继电器的判据方案；

图9：仿真系统图。

具体实施方式：

下面将通过具体描述对本发明进行说明。

一、基本原理：

基于故障分量的对称分量距离继电器是利用负序分量、零序分量和正序故障分量，根据复合序网的故障附加状态网络及其故障边界条件构成的一种距离继电器。其基本原理可用图1所示的故障附加状态网络来说明。图1中网络对负序、零序和正序故障分量均适用，其下标i＝1、2、0分别对应正、负、零序网络有关参量，Z_iL为线路全长的阻抗；Z_iy为距离继电器的整定阻抗；Z_imF为保护到故障点之间的阻抗；为故障点的i序电压；为通入m端距离继电器的故障分量电压和故障分量电流。

由图1可写出在线路F点故障时的电压方程为

设在任意点发生三相对称短路，为故障前F点的电压，则补偿到保护末端y点的故障分量电压为：

由图1及式(1)可得到如下结果：

1、在y点(保护边界)故障时，保护刚好动作。

2、在F₁点(区内)故障时，

因此区内故障，保护能准确动作。

3、在F₂点(区外)故障时，因此

区外故障，保护不动作。

4、在F₃点(保护反方向)故障时，Z_1Fm＝Z_1F3m，得到

因此反方向故障，保护不动作。

由上述分析可得，保护的动作条件为：

二、保护装设处负、零序及正序故障分量的基本关系式

设系统如图2所示，保护装设在线路m、n端。下面分析m端保护在正、反向发生各类故障时，负、零序及正序故障分量的基本关系。

2.1利用故障附加状态网络求故障分量

图3示出对应于图2所示的系统故障附加状态网络的复合序网图。图3中为故障点故障前的电压，其值为

ΔZ对应于不同类型故障有如下结果

单相接地故障d⁽¹⁾时，ΔZ＝Z_∑2+Z_∑0；

两相短路接地d^(1，1 )时，ΔZ＝Z_∑2·Z_∑0/(Z_∑2+Z_∑0)；

两相相间短路d⁽²⁾时，ΔZ＝Z_∑2；

三相短路d⁽³⁾时，ΔZ＝0；

其中，Z_∑2、Z_∑0为故障点看进去的系统等值负序、零序阻抗，ΔZ应根据故障类型和边界条件接入。

2.2保护处故障分量的基本关系式

利用图3作出各类故障下的故障附加状态复合序网，进而求出保护处的故障分量

(1)三相短路d⁽³⁾

参见附图4的三相短路附加网络图，可以得到

(2)两相短路d⁽²⁾

参见附图5的两相相间短路附加网络图，可以得到

(3)两相短路接地d^(1，1)

参见附图6的两相短路接地附加网络图，可以看出，在d^(1，1)条件下可以得到与在d⁽²⁾下的同一关系式。

(4)单相接地d⁽¹⁾

参见附图7的单相接地附加网络图

由上述分析可见，当故障点位于距离继电器保护范围末端y点时有如下结果

三相短路d⁽³⁾：

两相短路d⁽²⁾：

两相短路接地d^(1，1)，与两相短路d⁽²⁾有同样的结果：

单相接地d⁽¹⁾：

根据基本原理和式(7)、(8)、(9)，可形成基于故障分量的对称分量距离继电器的电压判据。

三、动作判据：

根据上述分析，尽量简化保护和不依赖选相以提高保护的可靠性和动作速度，提出以下动作判据

判据1(主判据)：

判据2(辅助判据)：

显然，判据1适用于d⁽³⁾、d⁽²⁾和d^(1，1)类型的故障。在d⁽³⁾时，只有正序出现，U_2y＝0，自动适应d⁽³⁾的要求，该判据在d⁽¹⁾时也能起到一定作用，但保护范围将缩短。

判据2不仅适用于d⁽¹⁾类的故障，同时也能自动适应d⁽³⁾和d⁽²⁾类型的故障，但它不能适应d^(1，1)类故障，因为保护出现超越会引起误动作。因此，判据2只能在判定d⁽¹⁾时才投入。

判据组成方案如附图8所示。

四、在d⁽¹⁾条件下，消除过渡电阻R_f影响的算法

由理论分析及仿真结果可知，判据受过渡电阻R_f的影响较大，因此，进一步考虑了消除过渡电阻影响的算法。

根据故障分量复合序网，在线路上任意点F发生d⁽¹⁾时，例如d_A⁽¹⁾，可以写出以下电压方程

或者

式中R′_f＝3R_f/C_2m，因C_2m接近于实数，可将R′_f看为实数；

为F点在故障前的电压；

为m端保护处的A相故障分量电压和故障分量电流；

为m端保护处的负序电流；

Z_1mF为m端保护到F点之间的正序阻抗；

由式(12)得到

令Z_1mF＝(R₁+jX₁)L_mf，考虑到k＝(Z₀-Z₁)/Z₁为复数，代入(12)可得到

由式(13)，两边实、虚部分别相等，得到

$>\left(\begin{array}{}>>>>U>Agr>>+>>U>Fr>>=>>AL>mf>>->>I>>2>mr>>sup>>R>f>\prime sup>\; >>>>>U>Agx>>+>>U>Fx>>=>>BL>mf>>->>I>>2>mx>>sup>>R>f>\prime sup>\; >\end{array}\right)$

上式中            A＝I_AgrR₁+(R₀-R₁)I_2mr-I_AgxX₁-(X₀-X₁)I_2mx

                  B＝I_AgxR₁+(R₀-R₁)I_2mx-I_AgrX₁-(X₀-X₁)I_2mr

由式(14)解得故障距离L_mf与R_f无关，表示为

$>>>L>mf>>=>>>>(>>U>Agr>>+>>U>Fr>>)>>·>>I>>2>mx>>>->>(>>U>Agx>>+>>U>Fx>>)>>·>>I>>2>mr>>>>>A>·>>I>>2>mx>>>->B>·>>I>>2>mr>>>\; >->->->>(>15>)>>>s>$

                  Z_1mF＝(R₁+jX₁)L_mf

保护的动作条件为：

                  L_1mF＜L_y                               (16)

根据前面的推导得到

$>sup>>R>f>\prime sup>>=>>>B>·>>(>>U>Agr>>+>>U>Fr>>)>>->A>·>>(>>U>Agr>>+>>U>Fx>>)>>>>A>·>>I>>2>mx>>>->B>·>>I>>2>mr>>>\; >->->->>(>17>)>>>s>$

将R′_f代入电压判据得到判据3(附加判据)

应当说明。判据3消除了过渡电阻的影响，但是应首先选出故障相。为了不失原判据不需选相的优点，新判据只在辅助判据不成功后才投入。此外，式(15)还给出了故障距离，实现了测距功能。

五判据基准值的确定

1、保护所在端电压法

当被保护线路压降不大时，例如ΔU＜0.05U_H，可取其中是保护所在端在故障发生前的电压。

由此产生的误差影响可在选定Z_y值加以考虑，为防止超越误动作，可在受电端取其中k＝1.05。

2、补偿电压法

当线路电压降较大时，可取

即用正常工作下，保护范围末端的电压为基准值，这种方法可保证在y点故障时的准确性，但仍应注意以下问题。

(1)保护在送电端以为基准值时，可保证区内可靠动作，区外可靠不动；

(2)保护在受电端以为基准值时，在区外故障偏于动作，可能会超越；区内故障偏于不动，从防止超越考虑，在受电端宜取

即取线路送电端电压为基准，此时保护范围将缩短。

(3)送电端和受电端的识别方法

方法为比较和的大小：

当时，判为送电端，用式(19)来得到

当时，判为受电端，用式(20)来得到

六、仿真实验结果：

以某500kV、300km单回输电线路为模型进行仿真，系统图见附图9，其模型参数如下：

M端背后系统参数：正序阻抗：Z_m1＝1.0515+j43.176Ω；零序阻抗：Z_m0＝j29.0925Ω

N端背后系统参数：正序阻抗：Z_n1＝1.0577+j44.92Ω；零序阻抗：Z_n0＝j37.47Ω

线路参数：       正序参数：r₁＝0.02083Ω/km，   l₁＝0.8984H/km，

                 零序参数：r₀＝0.1148Ω/km，    l₀＝2.2886H/km，

F1、F2、F3、F4和F5分别为保护反向出口、正向出口、100km(33.3％处)、255km(85.0％处)和线路末端故障，仿真中用空载运行发生故障的方法得到电流、电压故障分量。对单相接地的仿真结果为|U_1y|+|U_2y|+|U_0y|-|U_F|的值，其余故障为|U_1y|+|U_2y|-|U_F|的值。

        表1  不同故障点和故障类型下∑|U_iy|-|U_F|的值

从上面的仿真结果可见，对金属性故障，判据准确可靠。两相短路经高阻接地，判据仍能准确判断区内外故障，但是对单相接地故障，判据|U_1y|+|U_2y|+|U_0y|-|U_F|≥0受过渡电阻的影响，会使得保护范围缩小。为此本发明给出了在单相短路接地条件下，消除过渡电阻影响的算法。