具有防过负荷误动的距离保护新方法

1、 投稿栏目 作者, 等: 文章题目 PAGE 2 PAGE 8 , PAGE 1 具有防过负荷误动的距离保护新方法*李辉，宋斌, 许捷，陈兴松(国电南瑞科技股份有限公司, 江苏省南京市 211106)摘要: 针对事故潮流易造成线路传统距离保护III段误动的隐性故障问题，详细研究了过负荷和故障在Ucos和电压序分量相位等电气特征差异，提出了一种具有防过负荷误动的距离保护III段新方法。此方法包括两部分：基于Ucos(+90-line)0.5UNN 的全相过负荷与相间故障识别方法；基于电流不对程度、和的非全相过负荷与单相接地故障识别方法。介绍了具有防止过负荷误动的距离保护III段实施方案，并通过了

2、RTDS 仿真试验验证。关键词: 事故潮流转移; 距离保护; 隐性故障; 过负荷; 单相接地故障中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：10011390（2015）00000000A new method of distance protection capable to preventing overload mal-operation due to overloadLi Hui, Song Bin, Xu Jie, Chen Xingsong(NARI Technology Development Limited Company, Nanjing 211106, Jiangsu,

3、China)Abstract: In allusion to the problem of traditional zone III distance relays cant identify the line overload and the line fault, this paper specifically analyses the electrical characteristics differences of the overload and the fault in Ucos and the change of phase, then a new method forof di

4、stance protection zone III preventing identification of overload and fault mal-operation is proposed. The method includes two parts: one of them is a method to distinguish phase-to-phase faults from Symmetrical symmetrical overload, which is based on Ucos(+90-line)0.5UNN; the another other of them i

5、s a method to distinguish single-phase earth fault from unsymmetrical overload, which is based on current asymmetry degree, 、and (=A,B,C). The scheme to implement distanceimplementation scheme of distance protection zone III capable to cope coping with overload mal-operation is proposed. Through RTD

6、S simulation, tThe method is effective through RTDS simulation verification.Key words: accident flow transferring; , distance protection; , hidden failure; , overload; , single-phase earth fault0 引 言*基金项目：国家电网公司大电网重大专项资助项目课题（SGCC-MPLG003-2012）分析世界上已发生多起的大范围内停电事故，总结原因都是由于事故潮流转移导致非故障线路负荷增大，负荷阻抗随负荷增大不断

7、减小，当负荷阻抗进入到距离保护动作区域时，造成距离保护III段误动，从而引起连锁反应造成的1-3。目前许多专家学者做了大量研究来解决线路距离保护III段因事故过负荷发生误动的隐性故障问题。例如，文献4提出了基于图论分析的潮流转移区域距离保护不同动作特性自适应调整策略来实现潮流转移过负荷识别方案。文献5提出了基于广域测量系统的防止距离保护III段因过负荷误动实现方法。文献6通过线路潮流对线路阻抗的向量分析，建立电压函数形式的距离保护III段动作裕度函数，借助潮流雅可比矩阵，建立该裕度函数对节点注入功率的灵敏度指标，从而得到避免距离III段不合理动作的直接控制方案；文献7提出根据线路过负荷情况自适

8、应调整距离保护负荷限制线的方法来防止过负荷情况下的保护误动，增加了保护耐受过负荷的能力，也严重降低了保护耐受过渡电阻的能力。文献8利用相间故障时弧光电压特性，提出增加条件来区分相间故障和过负荷，同时增加零序电流闭锁条件来识别单相接地故障和过负荷，但在非全相过负荷时接地距离III段也有可能误动作，文中没有针对这一情况提出解决办法；文献9摒弃了惯用的距离保护阻抗平面，利用保护安装处测量的本地信息，提出了基于电压平面判据的新保护；文献10提出基于复合相量平面的自适应过负荷识别方法，首先根据不同运行工况下测量向量的几何分布特性，建立虚拟电压降落方程，并据此求解自适应整定系数的计算公式，构造距离保护II

9、I段自适应过负荷识别判据，然后，将该判据与传统距离保护III段的动作特性相结合，以识别过负荷与全相故障。本文通过比较故障与过负荷在电流不对称度、和电压序分量相位变化等电气特征差异，提出了基于的全相过负荷与相间故障识别方法；提出了基于电流不对称度、和的非全相过负荷与单相接地故障识别方法，然后将该识别方法与传统距离保护III段的动作特性相结合，构建了防止距离保护因过负荷误动作的逻辑关系。试验结果表明，该方法能够准确区分全相过负荷与相间故障、非全相过负荷与单相接地故障，在区内发生故障时能可靠开放距离保护，过负荷时可靠闭锁距离保护。由于该方法不受接地电阻的影响，所以不会降低现行距离保护的灵敏度和耐过渡

10、电阻的能力。1 故障和过负荷的区分方法1.1 传统距离保护在过负荷情况下误动分析图1为双侧电源线路系统图。M与N是继电器安装处的母线，一般M为送电端，N为受电端。装在M侧线路上的距离继电器所见阻抗轨迹如图2所示的P点轨迹。图1 双侧电源系统图Fig. 1 Two1 Two-source power system diagram正常运行时，对于送电端M侧，因0o090o，故P点恒在阻抗圆的右侧，如P0点处。随着系统发生负荷增加，机组加速，功角角不断增大，P点的轨迹将由右向左运动。当功角增大到1时，即线路MN过负荷，M侧母线保护安装处测量阻抗轨迹进入阻抗圆的动作区域内，如P1点处，引起距离保护误动

11、。MP是输出端M侧继电器的测量阻抗。图2 过负荷时阻抗轨迹图Fig. 2 The pPlane trajectory of measured impedance under the overload1.2 全相过负荷与相间故障的区分图3为图1系统过负荷时的电压电流向量图。系统负荷中心电压，即系统中电压最低处的电压值，其中为M侧母线保护安装处的测量电压，、分别为测量阻抗角和MN线路阻抗角。根据稳定分析原则，线路发生故障过负荷但没有失稳的情况下，其系统负荷中心电压值大于额定电压的11。系统发生故障时，表示相间故障时过渡电阻上的电压，而相间故障的过渡电阻主要是电弧电阻，不论线路的电压等级多大，电弧电

12、阻上的压降都不会超过额定电压的6%12。利用相间故障时弧光电阻特性，在相间距离继电器中设置限制条件如式(1)来区分相间短路故障和全相过负荷。 （1）式中：为保护安装处测得的相间电压模值，为相间测量阻抗角，为线路正序阻抗角，为额定相间电压。 两相短路径电阻接地故障的接地电阻虽然可能很大，但相间距离继电器不受其影响，能保持正确测量。三相短路是相间短路的一种特殊情况，本判据同样适用于其与过负荷的区分。图3 过负荷时电压电流向量图Fig. 3 Vector3 Vector diagram of voltage and current under the overload1.3 非全相过负荷与单相接地故

13、障的区分相间电弧电阻很小，接地过渡电阻可能很大，特别当发生单相高阻接地故障时，利用无法实现其与非全相过负荷的区分。如何区分单相接地故障与非全相过负荷是本文研究的重点问题。(1)非全相过负荷时电压向量变化分析。线路过负荷和电力系统震荡可以归为同一类问题，即都是由于功角增大而引起距离继电器不正确动作。振荡时功角周期性变化，而过负荷时功角持续过大13。图2即是系统接线方式图1的过负荷时阻抗轨迹图，又是过负荷时电压向量轨迹图。在电压向量图中，,送电角，随着负荷增加，送电角从变为，可见图2表示了系统过负荷时的电源电压与各母线电压向量的变化情况。在系统图1的基础上以A相过负荷为例，对其进行电压向量分析，如

14、图4所示。、和、分别是系统发生非全相过负荷前的M侧的三相系统电势和母线电压向量，、和、分别是系统发生非全相过负荷前的N侧的三相系统电势和母线电压向量，发生非全相过负荷前，各点三相电压完全对称，相互间相位差1200。根据图2分析，系统A相发生过负荷时，其送电角变大。、和、分别是系统发生A相过负荷后的M侧的三相系统电势和母线电压向量，、和、分别是系统发生A相过负荷后的N侧的三相系统电势和母线电压向量。图4 电压平面上过负荷和功角的关系Fig. 4 Relation4 Relation of overload and power angle in voltage plane线路过负荷的本质是系统功角

15、随负荷的增加不断增大14。从图4看出，线路故障潮流转移造成过负荷时，功率输出端M的功角从0变大为1，M点电压向量的相位相对于负荷转移前超前， B、C两相的电压向量大小及相对相位关系基本不变。利用对称分量法对母线M三相电压向量分析可得表达式（2）。 (2)式中 为保护安装处测得的A相正序电压向量；为保护安装处测得的零序电压向量。(2)单相接地故障时电压向量变化分析为了对单相接地故障时电压向量变化分析情况有一个清楚的认识，以系统图1 为例，在G点发生A相接地故障时，参考文献15画出电压向量全图5。按稳定分析的原则，在发生故障的初瞬间，图5表示的系统电源电势、和、的向量大小及相对相位关系将保持不变。

16、接地故障电压的轨迹是一个圆弧，其弦为，圆周角是180o-L，L是ZL的阻抗角，是从故障点G看到的A相综合自阻抗。当接地电阻Rg=0时最小，当Rg变化时，的大小相位沿着的终端在圆弧轨迹上变化。母线M电压向量的轨迹也是一个圆弧，故障后的M侧母线电压向量的终端点的轨迹，完全对应于的轨迹，也是几何相似的圆弧,满足Mm平行于Gg，且长度成一固定比例关系。为对应于某一特定接地电阻的故障点A相故障后电压向量，与这一点相对应的是唯一点，。两健全相B、C的电压向量大小及相对相位关系基本不变。图5 路单相接地故障时的电压向量图Fig. 5 Vector5 Vector diagram of voltage und

17、er single phase grounding fault圆弧可分为两部分，分别处于左右两侧。左侧部分圆弧上的相对应圆弧上的很小，可知此时接地电阻的数值都不大，属于严重不对称短路故障。电流不对称度是反映不对称短路程度的重要指标，它利用电流零序和负序分量较准确地反映金属性不对称短路故障。无论发生的是全相过负荷或者是非全相过负荷，此时都有m 0.5，认为必定发生了严重不对称故障，即金属性单相接地短路，开放接地距离保护。利用以上特性，设置如下判据区分金属性单相接地短路故障和非全相过负荷。m=(I0+I2)/I1 0.5 (3)式中 I1为保护安装处测得的正序电流；I0、I2分别为保护安装处测得的

18、零序和负序电流。右侧部分圆弧上的相对应圆弧上的较大，可知此时接地电阻的数值较大，属于较大接地电阻短路故障。由图5可知，此时送电侧保护安装处M点电压向量的相位滞后于故障前电压向量的相位,利用对称分量法对母线M三相电压向量分析可得表达式（4）。 (4)式中 为保护安装处测得的A相正序电压向量；为保护安装处测得的零序电压向量。利用式(4)判据，可实现经较大接地电阻的单相短路故障和非全相过负荷之间的区分。2 防止过负荷距离保护误动的实施方案根据上述对故障与过负荷区分判据，结合传统距离保护III段的动作特性，提出具备防止过负荷误动能力的距离保护III段实施方案。具体实现方案如下：首先，判断 QUOTE

19、QUOTE UCOS(+90o-line) 0.5是否成立，若成立，可判断为严重不对称单相接地故障，根据选相元件开放相应接地距离继电器；若上述电压条件都不满足时，如，为单相高阻接地故障，再利用负序零序比相器选择故障相，开放相应接地距离III段继电器。防过负荷误动的距离保护III段实现方案流程如图4所示。图6 具有防过负荷误动的距离保护III段流程图Fig. 6 Flow chart of zone III distance protection capable to preventing overload mal-operationdue to overload下图7和8分别以AB相间距离II

20、I段继电器和A接地距离III段继电器为例，给出两种距离保护防过负荷误动实现逻辑图。图7 AB相间距离继电器防误动方法的逻辑图Fig. 7 Logic7 Logic diagram for AB phase-to-phase distance relays to prevent mal-operation图8 A接地距离继电器防误动方法的逻辑图Fig.8 LogicFig.8 Logic diagram for A phase distance relays to prevent mal-operation3 仿真试验3.1 仿真模型本文利用RTDS搭建了500kV输电线路模型，来考核距离保护I

21、II段在全相过负荷、非全相过负荷以及不同故障情况下所提方案的性能。图9给出了双电源仿真系统图， M侧系统正序阻抗为1185.78o，零序阻抗为4377.74o，N侧系统正序阻抗为1284.88o，零序阻抗为4578.64o，线路L1、L2和L3长度均为186km，正序电阻为0.0102/km，正序感抗为0.2705/km，正序容抗为0.2287/km，零序电阻为0.1763/km，零序感抗为0.7901/km，零序容抗为0.3705/km。F点为故障点，距离母线Q为线路L3全长的80%，系统M侧为送端，系统N侧为受端，系统两侧电势夹角为40o。图9 仿真系统图Fig. 9 Simulation

22、 system diagram保护安装1处距离III段应负责对下一级线路L3起远后备保护作用，考虑到PQ之间两回线路电流的助增作用，在线路L3末端故障时，保护安装1处的距离III段定值需整定3倍线路阻抗，考虑1.3倍的可靠系数，距离III段整定为3.9倍线路阻抗。3.2 模拟全相过负荷期间发生区内故障线路L2发生故障，两端保护动作，线路L2断开后，其潮流大量转移到线路L1上，导致线路L1发生全相过负荷，在此期间F点发生AB两相短路故障。整个过程分为2个阶段：全相过负荷和区内AB两相短路故障。故障全相过负荷表1为故障全相过负荷期间保护1处各电气量。表1 全相过负荷的电气量Tab.le 1 Ele

23、ctrical quantities of symmetry overload 0.820.820.820.02不计算不计算不计算不计算不计算不计算此时虽然保护1处的相间测量阻抗位于相间距离保护III段的动作区内，由于三相相间电压都不满足，故闭锁相间距离保护。全相过负荷期间发生区内故障表2为全相过负荷期间F点发生AB两相短路状态下保护1安装处各电气量。表2 AB两相短路的电气量Tab.le 2 Electrical quantities of AB two-phase short circuit faults0.120.650.670.42-115o125o5o125o-115o5o此时保护1

24、处的测量阻抗ZAB、ZBC、ZCA都位于相间距离保护三段动作区内，由于只有满足，故开放AB相间距离保护III段。对于BC和CA相间，不满足，闭锁BC和CA相间距离保护III段。仿真结果表明，采取本方法后，全相过负荷期间可防止相间距离保护III段误动，区内故障时，相间距离保护III段正确动作。3.3 模拟非全相过负荷期间发生区内接地故障线路L2发生A相偷跳，线路L1发生非全相过负荷，在此期间F点A相接地故障。整个过程分为2个阶段：非全相过负荷和区内A相接地故障。故障前非全相过负荷表3为故障前非全相过负荷期间保护1处各电气量。表3 非全相过负荷的电气量Tab.le 3 Electrical qua

25、ntities of asymmetry overload0.860.900.920.33-95o148o28o-3o117o-123o此时保护1处的A相测量阻抗ZA进入A相接地距离保护III段的动作区内，表3可知，电流不对称度m0.5，属于严重不对称故障，直接开放A相接地距离保护III段。仿真结果表明，采取本方案后，非全相过负荷期间可防止接地距离保护III段误动，区内故障时，接地距离保护III段正确动作。3.4 模拟发生区内单相高阻接地故障线路F点发生经180高阻A相接地故障。分为2个阶段：正常运行和区内高阻接地故障。(1) 正常运行表5为正常运行期间保护1处电气量。表5 正常运行期间的电气

26、量Tab.5le 3 ElectricalElectrical quantities under normal conditions0.900.910.890.02不计算不计算不计算不计算不计算-不计算此时保护1处的测量阻抗在距离保护III段的动作区外。高阻接地故障表6为线路F点发生经180高阻A相接地故障状态下保护1处电气量。表6 高阻故障期间的电气量Table .6 Electrical6 Electrical quantities of fault with large resistancem UAcosA UBcosBUCcosC0.780.880.870.42104o-18o-125

27、o3o121o-117o此时保护1处的A相测量阻抗ZA进入A相接地距离保护III段的动作区内，表6可知，虽然电流不对称度m0.5，但是和满足，开放A相接地距离保护III段。仿真结果表明，采取本方案后，F点发生经180高阻A相接地故障时，本方案能可靠开放距离保护动作，而且提高了耐过渡电阻的能力，又能防止非全相过负荷时距离保护误动。4 结束语本文提出的方法，其本质上是对事故过负荷和故障两种状态下电气特性进行了区分，并提出区分过负荷和故障识别判据以及防止距离保护III段因过负荷误动方法的实现逻辑。该方法不但解决了相间距离III段误动问题，同时也解决了单相距离III段误动问题，具有以下特点：（1）无需

28、增加整定定值就可实现；（2）能够准确区分全相过负荷、非全相过负荷与各种故障，任何过负荷，距离保护可靠不动作，有效防止因潮流转移过负荷导致的距离保护误动，而线路故障时，距离保护可靠动作；（3）该方法不受接地电阻大小的影响。仿真结果表明，该方法不仅能够有效防止事故潮流转移引起的线路全相过负荷和非全相过负荷导致的距离保护III段误动，而且能够保证在故障时可靠开放距离保护III段动作，实现后备保护功能，验证了其有效性，消除了传统距离保护III段存在的隐性故障问题。 参 考 文 献薛禹胜. 综合防御由偶然故障演化为电力灾难: 北美“814”大停电的警示J. 电力系统自动化, 2003, 27(18):

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