基于負序阻抗加速的配電網統一反時限零序過流保護

南方電網貴陽供電局 王恩偉 王林波 王元峰 楊鳳生 曾惜

1 引言

針對中性點非有效接地的配電系統，為了解決單相接地故障時故障電流不明顯的問題，部分配電網絡在檢測到零序電壓后將中性點串接小電阻，形成小電阻接地系統，以增大故障電流，便于保護動作。此時，傳統的三段式零序過流保護應用存在一定困難：城市配電線路通常采用等負荷或等距離分段，每段配電線路長只有3～5公里，短線路使得零序電流速斷保護的整定以及定時限零序電流保護的配合越發困難；定時限零序過流保護的整定時間固定，而大多數被保護元件允許通過故障電流的時間與故障電流成反比關系；短路點越靠近電源，故障電流越大，允許過電流保護動作時間越短。而反時限零序電流保護在一定程度上具有三段式零序電流保護的功能，并且即使在電網運行方式變化較大的情況下，各級保護動作時間也能自動配合，保證動作的選擇性。但目前的反時限電流保護通常需要從線路末端開始向電源側逐級整定，每級的反時限常數受到下一級保護限制，每個保護安裝處采用不同的時間常數來拉開時間級差，因而整定非常繁瑣。鑒于此，有必要研究具有統一反時限特性的過流保護。

文獻[1]提出基于低電壓加速的反時限電流保護，能夠在滿足保護選擇性的同時提高反時限過電流保護的動作速度而無需改變保護的整定值，但該方法主要在400V線路上做了仿真應用。

文獻[2]借助通信信道將分布式電源支路的故障助增電流數據發送至上級線路保護，用于改善保護間的配合特性，再中引入低電壓加速因子構成低電壓加速反時限過電流保護。

文獻[3]提出基于負荷阻抗的低阻抗反時限保護，有較好的抗過渡電阻能力；上述兩種方法均針對分布式有源配電網。

本文分析了小電阻接地系統發生接地故障時配電網絡的負序阻抗分布特性，并在此基礎上提出一種基于通信的負序阻抗加速統一反時限零序過流保護方案，PSCAD仿真結果驗證文中所提方法不受故障電阻的影響。

2 配電網分段點負荷阻抗特性

當配電網中性點接地系統發生接地故障時，零序電流從故障點經故障線路流至中性點接地電阻，非故障線路以及故障點下游并無零序電流流過，因此，圖1只給出了故障回路示意圖。從圖1中可以看出，此時流過分段開關1、2、3的零序電流相等，要想在統一反時限曲線上來開時間級差，必須找到能夠反映分段開關在故障路徑上位置的電氣量。

圖1 配電網接地故障示意圖

以圖1發生單相接地故障為例，用對稱分量法分析得到的序網圖如圖2所示[4]。

圖2 單相接地故障序網圖

從圖2中所示的負序網絡可以看出，各測量點的負序電壓與負序電流成正比，比值即為測量點到系統側的負序阻抗，與過渡電阻以及中性點接地電阻無關。因此可以利用負序阻抗來反應測量點到系統的距離。此外，系統高壓側負序阻抗以及變壓器負序阻抗折算到低壓側值很小，因此，當測量點位置變化時，測量負序阻抗變化明顯，具有較高的靈敏度。

盡管配電網中可能存在大量的分支線路，但負荷阻抗通過負荷變壓器折算到10kV線路時，負荷阻抗變得很大，遠大于10kV饋線自身的阻抗。因此，接地故障產生的負序電流絕大部分由故障點經故障路徑流向系統側，故障點下游流過的負序電流相對很小；從而，負序阻抗測量值不受健全線路以及分支線路的影響，只反映故障路徑上測量點到系統側的距離。

3 基于負序阻抗的反時限零序過流保護

反時限過電流保護的動作特性方程為[5]：

式中：t為動作時間；k為時間常數；I為故障電流；Iop為啟動電流，α為反時限曲線形狀系數；β為曲線平移系數，一般取值為1。

傳統的反時限動作特性方程參數的選取以感應型和晶體管型反時限繼電器物理載體作為參考，在微機保護成熟應用的現階段，可以根據實際需要提出適合于微機保護的時間——電流動作特性曲線[6]。文中將重點分析基于負序阻抗的統一反時限零序過流保護整定方案。

針對等距離分段的輻射型配電網絡，接地故障零序電流由故障點流回系統側，故障路徑上分段開關所感知的零序電流基本一致，采用統一反時限零序過流保護時所得到的動作時間相同，而現在只需要距離故障點最近的分段開關保護動作。因此可以引入加速因子對保護動作時間進行修正，以保證上下級分段開關的動作時間拉開極差。

保護開關上下級允許拉開的最小時間級差Δt為保護窗時間加斷路器的動作時間，10kV斷路器的一般動作時間為40～70ms，充分考慮一定裕度后取Δt=0.5s。根據上節分析，分段開關測量點的負序阻抗能反映測量點到系統側的距離，可以利用等距離分段的負序阻抗為時間級差修正因子。據此，提出如下的統一反時限動作特性方程：

式中：N為出線開關統計的故障分段開關數量，Zm2為分段開關測量點負序阻抗；Zs2為每公里線路所反映的負序阻抗，為等距離分段的線路長度。

要得到分段開關處的負序阻抗，就需要已知該測量點的負序電壓和負序電流，而目前成套裝置大多只能獲取兩個線電壓、兩相電流以及零序電流。在只有線電壓和的情況下可以使用式(3)獲取負序電壓

式中a=ej120o。在只有相電流和零序電流的情況下可用式(4)獲取負序電流：

基于上述分析，結合通信信道，提出如下統一反時限零序過流保護：

當配電線路發生單相接地故障時，故障線路上處于故障路徑上的分段開關感知到高于啟動值的零序電流后，借助通信信道將故障信息上傳至變電站出線開關。

變電站出線開關統計故障開關數量N，并將信息反饋給流過故障零序電流的分段開關。

分段開關再將N和零序電流值帶入公式（2），即可以得到該分段開關的動作出口時間。

3 仿真驗證

3.1 仿真模型

如圖3所示為PSCAD環境下搭建的10kV配電網接地仿真模型。線路選用分布式參數模型，工頻下線路參數為：正序阻抗Z1=0.26+j0.3768Ω/km；正序對地導納b1=j3.077μs/km；零序阻抗Z0=0.52+ j1.4752Ω/km；零序對地導納b0=j1.4758μs/km。每條線路等效負荷阻抗統一為ZL=400+j20Ω。四條饋線長度分別為L1=10km，L2=8km，L3=8km，L4=12km，帶有測量裝置的成套配電控制終端FTU1～FTU3將饋線線路L4分為3個區段。

圖3 配電網仿真系統結構示意圖

3.2 仿真結果

3.2.1 零序電流與負序阻抗分布特性

當中性點接地電阻為Rg=30Ω，在t=0.202s時刻，L4線路上F2～F3區段發生經故障電阻為Rf=10Ω的單相接地故障，圖3給出了系統不同測量點處的零序電流值。從圖中可以看出，非故障線路以及故障線路故障點下游流過的零序電流值很小；而流過故障線路故障點上游F1、F2的零序電流很大，且幾乎相同。因此，通過測量零序電流可以反映該處分段開關是否在故障路徑上。

表1給出了中性點接地電阻為30Ω，故障發生在t=0.2s時刻的單相接地故障仿真結果；表2給出了中性點接地電阻為50Ω，故障發生在t=0.203s時刻的兩相接地故障仿真結果；其中故障點都在線路L4的測量點F3右端。

圖4 不同線路零序電流幅值

從表1和表2中仿真結果可以看出，盡管零序電流會隨著故障電阻和中性點接地電阻的變化而發生顯著變化，但各測量點的負序阻抗模值基本不受故障條件的影響，只與測量點到系統側的距離有關。因此，選用負序阻抗模值作為反時限零序過流保護的時間修正因子，可以在故障線路分段開關上形成時間級差。

表1 單相接地故障下的仿真結果

表2 兩相接地故障下的仿真結果

3.2.2 統一反時限零序過流保護參數選取

零序過流保護的啟動電流Iop按照躲過不平衡電流的原則整定，其值一般為2～3A，本文取Iop=3A，此時對應的動作時間可以整定為滿足斷路器動穩定的最大動作時間，本文以4s計算。從圖2中可以推出故障零序電流可以表式為：

式中ZT1、ZS1、ZT2、ZS2分別為變壓器和系統的正序、負序阻抗。在文中仿真系統中，當中性點電阻為30Ω時，線路故障零序電流最大幅值為60A，此時對應的斷路器動作時間為最小出口時間0.1s。

對于式(1)中的統一反時限動作特性中，參數β一般設置為1，α=0.02，代入坐標點(60，0.1)，可得式(1)中的其它參數k=0.0062。

3.3 統一反時限零序過流保護時限仿真

從表1、表2中的仿真結果可以看出，每公里架空線路所反映的負序阻抗約為1.3987Ω，因而等距離分段每段的負序阻抗約為5.5948Ω。

表3、表4給出了表1、表2中相應故障條件下采用負序阻抗模值作為反時限零序過流保護的時間修正因子后的各監測點的動作出口時間。從仿真結果可以看出，經修正后故障線路分段開關的動作保護出口能形成保護時間級差。

表3 單相接地故障下的動作時限仿真結果

表4 兩相接地故障下動作時限仿真結果

4 結論

提出一種基于配電網負序阻抗加速的統一反時限零序過流保護方案，推導了在現有的測量條件下獲取負序電流、負序電壓的方法，所提出的負序阻抗不受故障電阻的影響，在借助通信信道的情況下能保證上下級保護之間的時間級差配合。