基于PSCAD的距離保護(hù)作為變壓器低壓側(cè)故障遠(yuǎn)后備保護(hù)的仿真分析

閆 石

(深圳市機(jī)場(chǎng)(集團(tuán))有限公司，廣東 深圳 518128)

0 引 言

線路距離保護(hù)Ⅲ段在110 kV線路-變壓器組接線中可按對(duì)側(cè)變壓器低壓側(cè)有靈敏度整定，以作為變壓器低壓側(cè)短路故障的遠(yuǎn)后備保護(hù)[1]。為分析YNd11接線變壓器Y側(cè)線路距離保護(hù)對(duì)d側(cè)小電阻接地系統(tǒng)短路故障的遠(yuǎn)后備保護(hù)能力，通過(guò)對(duì)稱分量法進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，并以某用戶110 kV/35 kV供電系統(tǒng)為例，應(yīng)用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC搭建一次模型和二次模型對(duì)小電阻接地系統(tǒng)的不同類型短路故障進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 距離保護(hù)對(duì)變壓器低壓側(cè)故障的反應(yīng)

圖1所示為某用戶110 kV/35 kV供電系統(tǒng)，其系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。110 kV/35 kV YNd11變壓器的d側(cè)為35 kV小電阻接地系統(tǒng)，Y側(cè)為110 kV母線處安裝有距離保護(hù)。

表1 110 kV/35 kV供電系統(tǒng)參數(shù)

圖1 110 kV/35 kV供電系統(tǒng)接線

當(dāng)35 kV母線故障時(shí)，通過(guò)對(duì)稱分量法，可知距離保護(hù)的相間阻抗繼電器的測(cè)量阻抗為

(1)

(2)

(3)

由于YNd11變壓器兩側(cè)零序分量相互獨(dú)立，不能從d側(cè)傳變到Y(jié)側(cè)[2]，根據(jù)對(duì)稱分量法可知，距離保護(hù)的接地阻抗繼電器的測(cè)量阻抗為

(4)

(5)

(6)

1.1 三相短路故障

當(dāng)圖1中變壓器d側(cè)母線發(fā)生三相短路故障時(shí)，考慮金屬性短路，根據(jù)對(duì)稱分量法，由式(1)～(6)可得

ZMAB=ZMBC=ZMCA=ZMA=ZMB=ZMC=

(7)

式中：ZL為110 kV線路阻抗；ZT為YNd11變壓器阻抗。

由式(7)可見(jiàn)，變壓器d側(cè)母線三相短路故障時(shí)，Y側(cè)距離保護(hù)的相間阻抗繼電器、接地阻抗繼電器均能正確測(cè)量到短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的正序阻抗。測(cè)量阻抗如圖2所示。

圖2 YNd11變壓器d側(cè)三相短路故障時(shí)Y側(cè)距離保護(hù)的測(cè)量阻抗

1.2 兩相短路故障

當(dāng)圖1中變壓器d側(cè)母線發(fā)生B、C相短路故障時(shí)，考慮金屬性短路，根據(jù)對(duì)稱分量法，由式(1)～(6)可得

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：Z1∑為系統(tǒng)對(duì)故障點(diǎn)的正序綜合阻抗。

由式(8)～(13)可見(jiàn)，變壓器d側(cè)母線B、C相短路故障時(shí)，Y側(cè)距離保護(hù)僅C相接地阻抗繼電器能正確測(cè)量到短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的正序阻抗，其余阻抗繼電器均不能。測(cè)量阻抗如圖3所示。

圖3 YNd11變壓器d側(cè)B、C兩相短路故障時(shí)Y側(cè)距離保護(hù)的測(cè)量阻抗

1.3 單相接地短路故障

當(dāng)圖1中變壓器d側(cè)母線發(fā)生A相接地短路故障時(shí)，考慮金屬性短路，根據(jù)對(duì)稱分量法，由式(1)～(6)可得

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

式中：Z0∑為系統(tǒng)對(duì)故障點(diǎn)的零序綜合阻抗。

由式(14)～(19)可見(jiàn)，變壓器d側(cè)母線單相接地短路故障時(shí)，Y側(cè)距離保護(hù)的相間阻抗繼電器、接地阻抗繼電器均不能正確測(cè)量到短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的正序阻抗。測(cè)量阻抗如圖4所示(圖中虛線表示受圖幅影響，阻抗幅值無(wú)法完全體現(xiàn))。

圖4 YNd11變壓器d側(cè)A相接地短路故障時(shí)Y側(cè)距離保護(hù)的測(cè)量阻抗

1.4 兩相接地短路故障

當(dāng)圖1中變壓器d側(cè)母線發(fā)生B、C相接地短路故障時(shí)，考慮金屬性短路，根據(jù)對(duì)稱分量法，由式(1)～(6)可得

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

由式(20)～(25)可知，變壓器d側(cè)母線B、C相接地短路故障時(shí)，Y側(cè)距離保護(hù)僅C相接地阻抗繼電器能正確測(cè)量到短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的正序阻抗，其余阻抗繼電器均不能。測(cè)量阻抗如圖5所示(圖中虛線表示阻受圖幅影響，阻抗幅值無(wú)法完全體現(xiàn))。

圖5 YNd11變壓器d側(cè)B、C兩相接地短路故障時(shí)Y側(cè)距離保護(hù)的測(cè)量阻抗

綜上分析可知，由于YNd11變壓器兩側(cè)零序分量不能傳變，兩側(cè)電壓、電流的相位存在30°相角差，正、負(fù)序分量相位轉(zhuǎn)換不同[3]，變壓器d側(cè)發(fā)生不對(duì)稱短路故障時(shí)，Y側(cè)距離保護(hù)僅部分阻抗繼電器能正確測(cè)量。對(duì)于兩相接地短路故障、兩相短路故障，僅故障相中落后相的接地阻抗繼電器能正確測(cè)量。對(duì)于單相接地短路故障，所有阻抗繼電器均不能正確測(cè)量。對(duì)于三相短路故障，由于僅有正序分量，且YNd11變壓器兩側(cè)電壓、電流對(duì)稱，所有阻抗繼電器均能正確測(cè)量。

2 仿真模型的搭建

PSCAD/EMTDC是一款被廣泛應(yīng)用的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件，其仿真模型直觀，元件模塊庫(kù)豐富，可實(shí)現(xiàn)交流電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)研究、簡(jiǎn)單和復(fù)雜電力系統(tǒng)的故障建模及故障仿真[4]。通過(guò)PSCAD/EMTDC搭建一次、二次系統(tǒng)模型對(duì)前節(jié)的理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 一次系統(tǒng)的建模

按圖1所示供電系統(tǒng)進(jìn)行建模。一次系統(tǒng)模型由三相電壓源元件、三相雙繞組變壓器元件、架空輸電線路元件、單相雙繞組變壓器元件、三相斷路器元件、三相故障元件、故障定時(shí)控制邏輯元件、測(cè)量元件構(gòu)成，如圖6所示。

圖6 110 kV/35 kV供電系統(tǒng)模型

架空輸電線路元件采用Bergeron模型，能精確表示基頻模型，滿足繼電保護(hù)仿真的要求。三相故障元件采用外部控制故障類型，通過(guò)與撥碼盤元件的配合可方便設(shè)置故障時(shí)間和短路故障類型。

圖7 Z接地變模型

2.2 二次系統(tǒng)的建模

二次系統(tǒng)由2個(gè)自定義組件構(gòu)成，一是電流、電壓量變換處理部分；二是阻抗計(jì)算、保護(hù)判別、邏輯輸出部分。

電流、電壓量變換處理部分的自定義組件由快速傅里葉變換元件、相序?yàn)V波器元件構(gòu)成，如圖8所示。通過(guò)快速傅里葉變換元件對(duì)電流、電壓量進(jìn)行快速傅里葉變換后獲得電流、電壓量的基頻幅值和相位。通過(guò)相序?yàn)V波器元件將電流、電壓量的基頻幅值、相位變換后獲得正、負(fù)、零序分量的幅值和相位。

圖8 電流、電壓量變換處理部分

阻抗計(jì)算、保護(hù)判別、邏輯輸出部分的自定義組件由線對(duì)地阻抗元件、線間阻抗元件、歐姆圓元件、跳閘多邊形元件、多輸入邏輯門元件構(gòu)成，如圖9所示。通過(guò)線對(duì)地阻抗元件、線間阻抗元件將變換處理獲得的電流、電壓量的基頻幅值、相位及其正、負(fù)、零序分量的幅值和相位計(jì)算獲得線對(duì)地測(cè)量阻抗、線間測(cè)量阻抗。應(yīng)用歐姆圓元件可實(shí)現(xiàn)圓阻抗繼電器。歐姆圓元件將測(cè)量阻抗與已設(shè)定的阻抗定值進(jìn)行比較，若測(cè)量阻抗位于已設(shè)定的阻抗定值的區(qū)域內(nèi)，則歐姆圓元件輸出為1，保護(hù)動(dòng)作；反之，元件輸出為0，保護(hù)不動(dòng)作。多個(gè)歐姆圓元件的輸出經(jīng)多輸入邏輯門元件向斷路器發(fā)出跳閘信號(hào)。應(yīng)用跳閘多邊形元件則可實(shí)現(xiàn)四邊形阻抗繼電器。

圖9 保護(hù)部分

通過(guò)XY坐標(biāo)圖可以直觀地了解到測(cè)量阻抗是否位于設(shè)定的動(dòng)作區(qū)域內(nèi)。歐姆圓元件設(shè)定的動(dòng)作區(qū)域是通過(guò)AM/FM/PM函數(shù)元件、信號(hào)發(fā)生器元件等表達(dá)圓的參數(shù)方程并體現(xiàn)在XY坐標(biāo)圖中，而跳閘多邊形元件設(shè)定的動(dòng)作區(qū)域是通過(guò)AM/FM/PM函數(shù)元件、信號(hào)發(fā)生器元件等表達(dá)直線的參數(shù)方程并體現(xiàn)在XY坐標(biāo)圖中。

3 仿真分析

3.1 距離保護(hù)對(duì)變壓器低壓側(cè)故障反應(yīng)的仿真

應(yīng)用PSCAD/EMTDC對(duì)第1節(jié)的理論分析進(jìn)行仿真驗(yàn)證,仿真結(jié)果如圖10～13所示(圖中左側(cè)為相間阻抗繼電器，右側(cè)為接地阻抗繼電器,x軸為電阻分量,y軸為電抗分量)，仿真結(jié)果與理論分析一致。

圖10 YNd11變壓器d側(cè)三相短路故障時(shí)Y側(cè)距離保護(hù)動(dòng)作仿真

圖11 YNd11變壓器d側(cè)B、C兩相短路故障時(shí)Y側(cè)距離保護(hù)動(dòng)作仿真

圖12 YNd11變壓器d側(cè)A相接地短路故障時(shí)Y側(cè)距離保護(hù)的測(cè)量阻抗

3.2 距離保護(hù)整定的仿真

《DL/T584—2017 3～110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》對(duì)線路-變壓器組接線的距離保護(hù)Ⅲ段整定要求為：躲過(guò)事故負(fù)荷阻抗，對(duì)變壓器低壓側(cè)有不小于1.5的靈敏度。采用圓帶上拋四邊形的距離保護(hù)Ⅲ段可滿足規(guī)范要求[6]。

仍以圖1所示供電系統(tǒng)為例，其距離保護(hù)Ⅲ段整定值如表2所示。按表2參數(shù)設(shè)置進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖14～17所示(圖中左側(cè)為相間阻抗繼電器，右側(cè)為接地阻抗繼電器，AB、BC、CD、DA為四邊形的四條邊，BC-X、BC-Y為BC的參數(shù)方程)。

圖13 YNd11變壓器d側(cè)B、C兩相接地短路故障時(shí)Y側(cè)距離保護(hù)的測(cè)量阻抗

表2 整定值

圖14 d側(cè)三相短路故障時(shí)Y側(cè)距離保護(hù)動(dòng)作仿真

圖15 d側(cè)B、C兩相短路故障時(shí)Y側(cè)距離保護(hù)動(dòng)作仿真

圖16 d側(cè)A相接地短路故障時(shí)Y側(cè)距離保護(hù)的測(cè)量阻抗

從上述仿真結(jié)果可知，在滿足躲事故負(fù)荷阻抗同時(shí)取較大的靈敏系數(shù)，變壓器d側(cè)發(fā)生B、C相短路故障時(shí)或B、C相接地短路故障時(shí)，BC、CA相間測(cè)量阻抗均能進(jìn)入動(dòng)作區(qū)內(nèi)，相間距離保護(hù)也能動(dòng)作。由于小電阻接地系統(tǒng)的零序阻抗很大，即使取較大的靈敏系數(shù)，變壓器d側(cè)發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，接地距離保護(hù)、相間距離保護(hù)均無(wú)法動(dòng)作。

圖17 d側(cè)B、C兩相接地短路故障時(shí)Y側(cè)距離保護(hù)的測(cè)量阻抗

4 結(jié) 語(yǔ)

1)理論分析與仿真驗(yàn)證表明：YNd11變壓器d側(cè)發(fā)生三相短路故障時(shí)，Y側(cè)相間距離保護(hù)、接地距離保護(hù)均能正確測(cè)量；d側(cè)小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生兩相短路故障、兩相接地短路故障時(shí)，Y側(cè)僅故障相中落后相的接地距離保護(hù)能正確測(cè)量；d側(cè)小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，Y側(cè)相間距離保護(hù)、接地距離保護(hù)均不能正確測(cè)量。

2)距離保護(hù)Ⅲ段整定滿足躲事故負(fù)荷阻抗同時(shí)盡可能取較大靈敏系數(shù)，YNd11變壓器d側(cè)小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生兩相短路故障、兩相接地短路故障時(shí)，Y側(cè)相間距離保護(hù)Ⅲ段也能動(dòng)作。由于YNd11變壓器d側(cè)小電阻接地系統(tǒng)零序阻抗通常很大，發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，Y側(cè)距離保護(hù)無(wú)法動(dòng)作。

3)由于距離保護(hù)Ⅲ段動(dòng)作出口是三跳的，按對(duì)YNd11變壓器d側(cè)短路故障有靈敏度整定的Y側(cè)距離保護(hù)Ⅲ段可作為遠(yuǎn)后備保護(hù)，在發(fā)生除小電阻接地系統(tǒng)單相接地短路故障以外的短路故障時(shí)，均能正確動(dòng)作。