不對稱整定阻抗的多相補償距離繼電器在單相接地條件下的動作特性

朱德亮，蘇建明

(國網銅陵供電公司，安徽 銅陵 244000)

距離保護被廣泛應用在超高壓輸電線路保護中[1]，以阻抗繼電器為核心元件距離保護易受到系統振蕩的影響，在系統振蕩無故障條件下容易引起誤動[2-3]，在實用保護邏輯中采用振蕩閉鎖元件來識別系統振蕩短時閉鎖及開放距離保護元件[4-6]。眾多學者對如何設置閉鎖元件提出了眾多解決方案[7-11]，但使得距離保護邏輯變得復雜，不利于保護可靠穩定運行。

在電磁式保護時代，以多相距離補償繼電器的距離保護得到了廣泛應用[12-13]，該繼電器在系統單純振蕩無故障條件下可靠不動作，但在系統振蕩中心在整定范圍內，同時系統振蕩達到最大值附近會出現誤動情況。

為了提高距離補償繼電器抑制系統振蕩的性能，文獻[14]提出一種基于多相距離補償繼電器的距離保護構成方案，該距離繼電器利用單相與相間補償電壓向量比相方式來識別故障相區內及區外故障，在系統無振蕩情況下繼電器能夠正確反映區內及區外故障，在系統振蕩較小的情況下繼電器同樣能夠正確反映區內及區外故障；文獻[15]通過分析多相補償距離繼電器在系統振蕩且單相接地情況下的動作特性，指出其反映故障相的動作元件及反映非故障相的動作元件在系統振蕩較大條件下可能出現拒動或誤動現象，并沒有給出具體解決方案。

本文通過研究多相補償距離繼電器的動作方程，通過動作特性提出了一種不對稱整定阻抗原則的多相補償距離繼電器來解決上述對稱整定阻抗原則的多相補償距離繼電器的缺點，給出詳細的理論分析過程，仿真結果證明該方法可有效適用于輸電線路距離保護上。

1 多相補償距離繼電器動作方程

多相距離補償繼電器的動作條件，如式(1)所示：

(1)

(2)

(3)

2 單相接地故障多相距離繼電器動作性能分析

2.1 不對稱整定多相補償距離繼電器動作特性分析

線路區內故障系統結構圖如圖1所示。

圖1 線路區內故障系統結構圖

為了簡便分析，針對圖1所示輸電系統有如下假設：

a.系統各部分阻抗角相等；

b.系統正序分量與負序分量相等；

c.不考慮經過渡電阻接地故障，所論述均為金屬性接地故障。

對圖1所示的系統保護安裝處M側的距離繼電器元件分析建立在A相接地故障條件下分析，考慮兩側電源電勢有如下關系；

(4)

省略中間步驟，對于保護安裝處M多相距離繼電器動作方程PA-BC有式(5)所示：

(5)

令：

(6)

式(5)可簡化為

(7)

對于兩側電源幅值比A可取1作近似替代，參數B的含義為保護整定范圍對側至本側的相對距離大小，為大于0的正實數，為了進一步分析B值大小對多相距離補償繼電器特性的影響，繪制B取不同值時PA-BC隨δ變化曲線如圖2所示。

圖2 PA-BC計算結果隨δ變化曲線圖

從圖2中曲線可見，B=0時，當系統振蕩在90°<δ<270°范圍時，多相距離補償繼電器比動作元件易出現拒動，拒動范圍達到180°，隨著B值的增大，拒動范圍逐漸減小直至拒動范圍完全消失。

2.2 對稱整定阻抗多相補償距離繼電器

從式(5)中可以看出影響多相補償距離繼電器動作特性的B值主要由相間補償電壓Zset值大小決定，若在單相接地條件下，減小Zset值，B值將逐漸增大，在系統振蕩且單相接地情況下拒動范圍將逐漸減少直至消失。根據上述分析提出一種新的單相接地多相補償距離繼電器相間補償電壓計算公式如式(8)所示：

(8)

式(8)定義同式(3)，0≤γ≤1為抵消系統振蕩對相間補償電壓帶來的影響而設定的參數，即縮小相間補償電壓整定范圍，同樣保持單相補償電壓計算公式如式(2)所示保持不變，如能夠在單相接地條件下，適當降低γ值可有效縮小系統振蕩條件下單相接地故障拒動范圍。

上述分析中，定義的多相補償距離繼電器的動作充分條件為發生單相接地情況，如何判斷系統發生單相接地故障是分析的重點，文獻[16]為了避免系統振蕩且發生區外故障條件下，多相補償距離繼電器動作模塊無動作，引入閉鎖模塊，本文參照該條件引入判斷單相接地故障判據，如式(9)所示：

(9)

3 仿真與計算

為了驗證以上結論的正確性，建立Matlab/Simulink雙端500 kV電源系統輸電線路進行仿真研究，如表1所示。

表1 500 kV線路參數

3.1 系統無故障振蕩條件下仿真分析

如圖1所示的區內故障系統圖，其中取：ZM=100 km、ZN=200 km、Zset=160 km、ZL=200 km。

波形

(b)PA-BC動作結果圖3 系統無故障振蕩條件下振蕩及動作波形

3.2 系統故障且振蕩條件下仿真分析

取：ZM=100 km、ZN=200 km、Zf=100 km、Zsef=160 km、ZL=100 km，在上述數據計算條件下B=0.923，小于1，根據第2.1節中分析，系統在此種條件下發生單相接地故障，對稱整定阻抗型多相補償距離繼電器將發生拒動。系統故障時刻在0.1 s，γ=0.7，分析在系統發生故障且振蕩條件下，不對稱整定阻抗多相補償距離繼電器同對稱整定阻抗距離繼電器的動作特性分析，以A相接地故障分析，仿真結果如圖4所示，圖4(a)中陰影部分標出了動作區，動作元件PA-BC分別在不對稱整定阻抗及對稱整定阻抗下多相補償距離繼電器的動作結果，虛線表示對稱整定，實線表示不對稱整定，對稱整定的多相補償距離繼電器在系統振蕩180°附近出現了拒動區域，但不對稱整定的多相補償距離繼電器始終在動作區，未出現拒動情況；圖4(b)及圖4(c)非動作元件PB-CA及PC-AB動作結果，對稱整定的多相補償距離繼電器均在系統振蕩180°附近出現了動作區域，但不對稱整定的多相補償距離繼電器始終在非動作區，未出現動作情況，仿真結果有效驗證了本文第2節的理論分析，

(a)PA-BC動作結果

(b)PB-CA動作結果

(c)PC-AB動作結果圖4 系統振蕩且發生A相接地故障動作元件及非動作元件波形

4 結束語

本文通過分析一種對稱整定阻抗的多相補償距離繼電器在單相接地且系統振蕩條件下的動作特性，指出該距離繼電器在系統振蕩180°附近時，反映故障相的動作元件出現拒動及反映非故障相的動作元件出現誤動，提出了一種基于不對稱整定阻抗的多相補償距離繼電器，該繼電器利用選相元件判斷單相接地故障，減小相間阻抗繼電器整定阻抗范圍來避免振蕩且單相接地條件下多相補償距離繼電器拒動或誤動，理論分析及仿真結果充分驗證本文理論分析的正確性，能夠應用在輸電線路保護中。