一种基于负序电抗继电器的单相接地故障继电保护方法

摘要

本发明属于电力系统领域，特别涉及一种基于负序电抗继电器的单相接地故障继电保护方法。该方法包括：测量线路在变电站保护安装处故障相电压φ、相电流φ、零序电压0、零序电流0及负序电流2，作为输入量；利用测量电压、测量电流、保护安装处负序电流以及线路阻抗角，计算故障点残压相量；利用测量电压、测量电流、故障点残压相量和线路保护范围的阻抗值，构造动作电压相量op；计算动作电压相量op领先负序电流2的角度，如果角度落在[180°，360°]区间内，则保护动作发跳闸信号；反之，保护不动作。本发明方法适用于超/特高压输电线路的送电侧，尤其对于超/特高压重负荷输电长线路，应用本发明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

本发明属于电力系统领域，特别涉及一种基于负序电抗继电器的单相接地故障继电保护方法。

背景技术

距离保护是基于单端电气量的优秀保护原理之一，其受系统运行方式影响小，保护区稳定；由于只使用保护安装处信息，不需要借助通信设备，而且采用的电气量是故障全量，故障后一直存在，因此保护稳定可靠，在高压、超高压输电线路上得到了广泛的应用，特别是作为后备保护。

阻抗继电器是距离保护的测量元件，传统阻抗继电器不考虑线路分布电容，在金属性故障情况下，测量阻抗是故障距离与线路单位阻抗的线性乘积。因此，传统阻抗继电器通过测量阻抗值，反应电力系统短路点至保护安装处的距离，并根据短路距离的远近来决定是否发出跳闸信号。然而，对于超/特高压重负荷输电长线路，输电线路的分布电容不能忽略。相关理论分析证明：考虑输电线路分布电容后，测量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的抗过渡电阻能力很差，过渡电阻带来的附加测量阻抗将严重地影响阻抗继电器的动作特性。尤其对于单相接地故障，过渡电阻值较大的情况下，阻抗继电器的动作特性严重变坏。必须选用抗过渡电阻能力强的动作特性。

对于高压、超高压输电线路单相接地故障来讲，阻抗继电器通常采用电抗特性来提高抗过渡电阻能力。电抗特性的动作情况只与测量阻抗中的电抗分量有关，与电阻无关，因此它具有很强的抗过渡电阻的能力。得到广泛应用的主要是零序电抗继电器，但是传统零序电抗继电器是基于输电线路集中参数模型来设计的，没有考虑分布电容的影响；而且重负荷电流虽然不会影响继电器动作的逻辑，但是会影响保护的灵敏度；最重要的是零序电抗继电器的设计中假设保护安装处流过的零序电流与故障支路的零序电流同相位，对于传统的小于400km的高压、超高压线路，这种假设带来的误差可以被现场所接受，但是对于750kV以上电压等级的超/特高压长线路，这种误差将难以满足现场应用的要求。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于负序电抗继电器的单相接地故障继电保护方法；该方法的物理模型采用分布参数建模，不受分布电容电流的影响；该方法的实质仍然是电抗继电器，具有天然的抗过渡电阻的能力；同时该方法在算法设计中充分考虑故障点残压相量的影响，相对地消弱了负荷电流的作用，提高了算法的灵敏性。

本发明提出的一种基于负序电抗继电器的单相接地故障继电保护方法，包括以下步骤：

1)测量线路在变电站保护安装处故障相电压相量故障相电流相量零序电压相量零序电流相量负序电流相量作为输入量；其中为故障相别：A相、B相或C相；

2)计算保护安装处测量电流：

测量电流其中：I_relay为测量电流幅值，η为测量电流初始相角；

$P=\frac{Z_{c0}}{Z_{c1}}\left(\frac{T\·\mathrm{ch}{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_1{l}_{\mathrm{set}}+\mathrm{sh}{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_0{l}_{\mathrm{set}}-T\·\mathrm{ch}{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_0{l}_{\mathrm{set}}}{\mathrm{sh}{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_1{l}_{\mathrm{set}}}\right)-1$

P为基于线路分布参数的零序电流补偿系数，其中：

Z_c1为正序波阻抗：$Z_{c1}=\sqrt{(R_1+\mathrm{j\ω}{L}_1)/(G_1+\mathrm{j\ω}{C}_1),}$R₁、L₁、G₁、C₁分别为单位长度线路的正序电阻、电感、电导和电容值；

Z_c0为零序波阻抗：$Z_{c0}=\sqrt{(R_0+\mathrm{j\ω}{L}_0)/(G_0+\mathrm{j\ω}{C}_0),}$R₀、L₀、G₀、C₀分别为单位长度线路的零序电阻、电感、电导和电容值；

为正序传播系数：${\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_1=\sqrt{(R_1+\mathrm{j\ω}{L}_1)(G_1+\mathrm{j\ω}{C}_1);}$

为零序传播系数：${\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_0=\sqrt{(R_0+\mathrm{j\ω}{L}_0)(G_0+\mathrm{j\ω}{C}_0);}$

l_set为线路保护范围整定值；

T为基于分布参数模型的系统等值零序阻抗：$T=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_0}{Z_{c0}{\stackrel{\·}{I}}_0};$

ω为电力系统额定角频率值；

3)计算测量电压与保护安装处负序电流的夹角α：

测量电压其中：U_relay为测量电压幅值，θ为测量电压初始相角；

负序电流${\stackrel{\·}{I}}_2=I_2(\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\δ})+j\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\δ})),$其中I₂为负序电流幅值，δ为负序电流初始相角，电流正方向由母线指向被保护线路；

则角度α＝|θ-δ|；

4)计算与测量电压的夹角β：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{relay}}{Z}_{c1}\mathrm{th}{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_1{l}_{\mathrm{set}}=U_{\mathrm{set}}(\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\λ})+j\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\λ})),$其中U_set为计算结果的电压幅值，λ为初始相角；

则角度β＝|λ-θ|；

5)根据正弦定理计算故障点残压幅值U_fault，并构造故障点残压相量

U_fault＝U_relay sin(β)/sin(180°-α-β)

则故障点残压相量${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{fault}}=U_{\mathrm{fault}}(\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\δ})+j\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\δ}));$

6)构造动作电压相量

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{op}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{relay}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{relay}}{Z}_{c1}\mathrm{th}{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_1{l}_{\mathrm{set}}+(k-1){\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{fault}},$其中k为抗负荷电流因子，其取值可尽量小，达到消除故障点残压相量的幅值影响；

7)计算动作电压相量领先负序电流的角度，如果角度落在[180°，360°]区间内，则保护动作跳闸，否则保护不动作；即保护的动作方程为：

本发明的特点及技术效果：

本发明方法是基于输电线路分布参数模型提出的，能够精确地描述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；本发明方法判断动作电压相量领先负序电流的角度是否落于负虚轴半平面内，决定是否动作跳闸，其实质是电抗继电器动作特性，具有天然的抗过渡电阻的能力；本发明方法在动作电压相量中充分考虑故障点残压相量的影响，相对地消弱了负荷电流的作用，提高了算法的灵敏性。本发明方法适用于超/特高压输电线路的送电侧，尤其对于750kV及以上的超/特高压重负荷输电长线路，应用本发明满足继电保护选择性、可靠性、灵敏性和速动性的要求。

附图说明

图1为应用本发明方法的特高压输电系统示意图。

图2为基于图1所示系统的应用本发明方法的保护动作特性和传统的基于集中参数线路模型整定的零序电抗继电器动作特性比较；其中：

(a)为传统的基于集中参数线路模型整定的零序电抗继电器动作特性；

(b)为应用本发明方法的保护动作特性。

具体实施方式

本发明提出的基于负序电抗继电器的单相接地故障继电保护方法实施例详细说明如下：

应用本发明的一种1000kV特高压输电系统型如图1所示，系统为典型的双端供电系统，两侧母线分别为M和N，线路长度为800km，线路参数值如表1所示。两侧系统阻抗参数如下所示，N侧电源角度落后M侧44度，M侧和N侧电势分别为1.1062和1.1069倍额定电压。应用本发明方法的线路保护装置安装在M侧，电压、电流分别来自线路侧电压互感器(PT)、电流互感器(CT)，电流的正方向为电流由母线流向线路的方向。ω为电力系统额定角频率值。

表1 1000kV特高压输电线路主要参数

  线路参数  电阻(Ω/km)    电抗(Ω/km)    容抗(MΩ/km)  正序  零序  0.00805  0.20489    0.25913    0.74606    0.22688    0.35251

两侧系统阻抗参数为：

M侧正序系统阻抗：Z_M1＝4.2643+j85.14528Ω

M侧零序系统阻抗：Z_M0＝98.533+j260.79Ω

N侧正序系统阻抗：Z_N1＝7.9956+j159.6474Ω

N侧零序系统阻抗：Z_N0＝184.749+j488.981Ω

本发明提出的线路单相接地故障继电保护方法适用于距离保护的任何一段。本实施例以距离保护I段为分析目标，保护范围整定为线路全长的80％(l_zd＝640km)，仿真故障为580km处A相经305欧姆过渡电阻接地故障，则实施例具体步骤如下：

1)测量线路在变电站保护安装处故障相电压相量、相电流相量、零序电压相量、零序电流相量、负序电流相量，作为输入量，本实施例的故障相为A相：

A相电压：${\stackrel{\·}{U}}_a=-0.738+j\·0.199\mathrm{MV}$

A相电流：${\stackrel{\·}{I}}_a=-2.901+j\·0.039\mathrm{kA}$

零序电压：${\stackrel{\·}{U}}_0=0.225-j\·0.038\mathrm{MV}$

零序电流：${\stackrel{\·}{I}}_0=-0.158+j\·0.804\mathrm{kA}$

负序电流：${\stackrel{\·}{I}}_2=-0.301+j\·0.438\mathrm{kA}$

2)计算保护安装处测量电流：

正序波阻抗：$Z_{c1}=\sqrt{(R_1+\mathrm{j\ω}{L}_1)/(G_1+\mathrm{j\ω}{C}_1)}=242.5-j\·3.766\mathrm{\Ω}$

零序波阻抗：$Z_{c0}=\sqrt{(R_0+\mathrm{j\ω}{L}_0)/(G_0+\mathrm{j\ω}{C}_0)}=517.55-j\·69.775\mathrm{\Ω}$

正序传播系数：${\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_1=\sqrt{(R_1+\mathrm{j\ω}{L}_1)(G_1+\mathrm{j\ω}{C}_1)}=j\·0.0011$

零序传播系数：${\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_0=\sqrt{(R_0+\mathrm{j\ω}{L}_0)(G_0+\mathrm{j\ω}{C}_0)}=0.0002+j\·0.0015$

利用零序电流、电压和零序波阻抗值，计算T：$T=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_0}{Z_{c0}{\stackrel{\·}{I}}_0}=-0.121-j\·0.520$

将上述计算结果带入P值计算公式，求取P值为：

$P=\frac{Z_{c0}}{Z_{c1}}\left(\frac{T\·\mathrm{ch}{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_1{l}_{\mathrm{set}}+\mathrm{sh}{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_0{l}_{\mathrm{set}}-T\·\mathrm{ch}{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_0{l}_{\mathrm{set}}}{\mathrm{sh}{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_1{l}_{\mathrm{set}}}\right)-1=1.478-j\·0.274$

因此，得到测量电流：

3)计算测量电压与保护安装处负序电流的夹角α：

测量电压：

即：U_relay＝0.764MV、θ＝164.91°；

负序电流

即：δ＝124.50°

则角度α＝|θ-δ|＝164.91°-124.50°＝40.41°；

4)计算与测量电压的夹角β：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{relay}}{Z}_{c1}\mathrm{th}{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_1{l}_{\mathrm{set}}$

$=(-2.914+j\·1.193)\·{10}^3\·(242.5-j\·3.766)\·\mathrm{th}(j\·0.0011\·640)$

$=-0.257-j\·0.567$

即：λ＝245.61°

则角度β＝|λ-θ|＝245.61°-164.91°＝80.7°；

5)根据正弦定理计算故障点残压幅值U_fault，并构造故障点残压相量

U_fault＝U_relay sin(β)/sin(180°-α-β)

＝0.764sin(80.7°)/sin(180°-40.41°-80.7°)；

＝0.881MV

则故障点残压相量：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{fault}}=U_{\mathrm{fault}}(\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\δ})+j\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\δ}))$

$=-0.499+0.726\mathrm{MV}$

6)构造动作电压相量其中k取值为0.0001：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{op}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{relay}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{relay}}{Z}_{c1}\mathrm{th}{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_1{l}_{\mathrm{set}}+(k-1){\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{fault}}$

$=-0.738+j\·0.199-(-0.257-j\·0.567)+(0.0001-1)\·(-0.499+0.726)$

$=18.027+39.935\mathrm{KV}$

7)计算动作电压相量领先负序电流的角度，如果角度落在[180°，360°]区间内，则保护动作跳闸，否则保护不动作；

因此，保护动作跳闸。

为了比较检验应用本发明方法的距离保护和传统的基于集中参数线路模型整定的零序电抗继电器的动作特性，本发明基于图1所示的系统进行了大量的数字仿真，故障点选择从780km逐渐递减到10km，步长为10km；故障过渡电阻从5欧姆开始，以200欧姆为步长，逐渐增加至405欧姆。仿真结果如图2所示。

由图2(a)可见，传统的基于集中参数线路模型整定的零序电抗继电器直接应用到图1所示的系统上，动作特性较差；在过渡电阻较小的情况下(5欧姆)，保护动作范围基本稳定，但是在保护区外故障时，动作电压与负序电流的角度差较小，即保护的灵敏度较差；当过渡电阻较大的情况下(205欧姆、405欧姆)，保护范围大幅度减小，而且保护动作的灵敏度也很差，难以满足现场应用的要求。

采用本发明方法的距离保护动作特性如图2(b)所示，无论经小过渡电阻(5欧姆)，还是大过渡电阻(205欧姆、405欧姆)接地的情况下，距离保护的动作范围稳定可靠，动作电压与负序电流的角度差恒定在70度左右，保证了很高的灵敏性。