（电力系统及其自动化专业论文）自动识别弱馈方式及序分量故障选相的研究.pdf

一 一 华北i 乜力人学顾：i ：学位论文 摘要 随着电力系统的不断发生，电网的运行方式和参数都发生了一些变化，这就对 电力系统弱馈的自动识别及序分量故障选相的可靠性提出了新的要求。本文通过分 析弱馈侧故障时的电气量特征，提出了利用零负序电流比较并引入负序电压的方法 进行弱馈的自动识别。通过分析单相和两相接地故障的特点，提出在零负序电流分 区的基础上利用正负序电流比相法进行选相的方法，提高了耐受过渡电阻的能力， 有效解决了传统阻抗排除法在重负荷情况下误选相的问题。同时，提出了通过给定 的定值参数自动调整动作区间的智能型功率方向继电器，提高了方向判别的可靠 性，以及在弱馈侧与弱馈识别元件的配合。论文所研究的三个问题都有利于提高继 电保护的性能与适应性，方法简便有效，具有较高的理论和工程应用价值。 关键词：弱馈识别，序分量选相，功率方向继电器 a b s t r a c t a sp o w e rs y s t e md e v e l o p i n g ，t h e r ea r es o m ec h a n g e si ng r i do p e r a t i o nm o d ea n d p a r a m e t e r s t h a tp r e s e n t sn e wr e q u i r e m e n t so fw e a kf e e di d e n t i f i c a t i o na n df a u l t e d p h a s es e l e c t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fw e e kf e e ds i d ef a u l t ，t h i sp a p e r p r o p o s e san e wm e t h o dw h i c hi d e n t i f i e s w e a kf e e dm o d eb yc o m p a r i n gz e r oa n d n e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t ，a n dc l a s s i l y i n gn e g a t i v es e q u e n c ev o l t a g e a c c o r d i n gt o t h e c h a r a c t e r i s t i co fs i n g l ea n dt w o p h a s eg r o u n df a u l t ，t h i sp a p e ru s e sp h a s ec o m p a r i s o no f p o s i t i v ea n dn e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n tt o s e l e c tf a u l tp h a s e ，b a s e do nz e r oa n dn e g a t i v e s e q u e n c ec u r r e n td i v i s i o n t h a ti n c r e a s e st h ea b i l i t yo fr e s i s t i n gt r a n s i t i o nr e s i s t a n c e ， a n ds o l v e st h ep r o b l e mt h a tt r a d i t i o n a li m p e d a n c ee x c l u s i v em e t h o dm a ys e l e c te r r o r p h a s eo nh e a v yl o a dl i n e m e a n w h i l e ，a ni n t e l l i g e n tp o w e rd i r e c t i o nr e l a yi sp u tf o r w a r d i nt h i sp a p e r ，w h i c hc a na d j u s tt h em o t i o ni n t e r v a la u t o m a t i c a l l yb yi n p u t t i n gk n o w nl i n e p a r a m e t e r s t h i sr e l a ye n h a n c e st h er e l i a b i l i t yo fd i r e c t i o nd i s t i n g u i s h i n ga n dt h e a d a p t a b i l i t yw i t hw e a kf e e di d e n t i f i c a t i o ne l e m e n t s a l lm e t h o d sp r o p o s e di nt h i sp a p e r c a nh e l pt oi n c r e a s et h ep e r f o r m a n c ea n da d a p t a b i l i t yo fr e l a yp r o t e c t i o n ，w h i c ha r e s i m p l ea n de f f i c i e n t ，a n dh a v eh i g hv a l u ei nt h e o r ya n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n y uy u e ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o fh u a n gs h a o f e n g k e yw o r d s ：i d e n t i f i c a t i o no fw e a kf e e dm o d e ，f a u l t e dp h a s es e l e c t i o no fs e q u e n c e c o m p o n e n t ，p o w e r d i r e c t i o nr e l a y 、 华北电力人学硕i ：学位论义 目录 摘要 第一章引言1 1 1 课题研究的背景及意义1 2 1 课题研究现状综述2 2 3 论文要解决的问题6 第二章弱馈方式的自动识别及其选相7 2 1 弱馈方式的定义及弱馈侧保护的功能要求7 2 2 弱馈自动识别方法的研究9 2 3 弱馈侧的选相方法1 4 2 4 频率偏移的影响分析及对策1 7 2 5 仿真结果及评价18 2 6 本章小结2 3 第三章序分量选相的原理研究2 5 3 1 传统序分量选相的原理及影响因素2 5 3 2 f 负序电流相位比较的选相原理2 6 3 3 影响因素分析及对策3 3 3 4 仿真验证及评价3 5 3 5 选相中阻抗确认方法的改进设计3 7 3 6 本章小结3 8 第四章微机型功率方向继电器的分析与改进3 9 4 19 0 。接线功率方向继电器的工作原理3 9 4 2 影响传统功率方向继电器正确工作的凶素4 0 4 3 微机型功率方向继电器的改进方案4 2 4 4 负荷电流的影响5 2 4 5 对改进后的微机型功率方向继电器的评价5 2 4 6 本章小结5 3 第五章结论与展望5 4 参考文献5 5 致谢5 8 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 9 华北电力大学硕i j 学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 第一章引言弟一早 ，i百 1 1 1 弱馈方式自动识别研究的背景及意义 随着电力系统的不断发展，电网的运行方式经常会发生变化，输电线路存在一 侧是弱电源，甚至是无电源的情况。在这些线路内部发生故障时，弱电源侧的保护很 可能由于该侧系统不能提供足够的短路电流而不能启动。对于允许式保护，弱电源侧 发不出允许信号，两侧的纵联保护不能快速跳闸甚至拒动。为解决此问题而设的保 护称为弱馈保护。 目前，弱馈保护通常通过设定相应的控制字来决定弱馈保护功能的投退1 2 j ，但 当系统运行方式发生变化时，即系统可能出现弱馈和非弱馈相互转化的情况时，不 能实现动态的弱馈功能。尤其是2 0 0 8 年冰雪灾害时期，线路大面积跳闸，导致系 统运行方式频繁发生变化，在这种情况下，电力系统用户迫切希望能够实现弱馈方 式的自动识别，从而提高继电保护的速动性和可靠性，确保系统的安全和稳定。 2 0 0 7 年国家电网公司出台的q g d w l 6 1 2 0 0 7 线路保护及辅助装置标准化设 计规范也对纵联保护实现弱馈侧的自动识别提出了要求，要求纵联保护应具备弱 馈功能，在f 、负序阻抗过大，或两侧零序阻抗差别过大的情况下，允许纵续动作 f3 1 。因此研究能够自动识别弱馈方式的自适应线路纵联保护具有理论意义和工程应 用价值。 1 1 2 故障选相研究的背景及意义 目前，高压和超高压输电线路所传输的电能在整个电力系统容量中占有相当大 的比重，发生故障时若全被切除将对系统产生巨大的影响，所造成的损失是不可估 计的。而且，目前国内的电网结构还不够完善，很多高压线路没有备用，因此在线 路发生单相接地故障时，希望继电保护装置仅切除故障相p j 。而且在2 2 0 k v 及以上 的架空线路上，由于线间距离大，运行经验表明，9 0 以上的短路故障都是单相接 地短路，并且，其中的大部分故障都属于瞬时性故障，所以，在2 2 0 k v 及以上的 高压输电线路中广泛采用单相自动重合闸，这样可以大大提高供电的可靠性和并列 运行的稳定性。凶此，选帽元件成为高压线路保护中的重要组成部分，选相元件的 准确性、可靠性也是衡量继电保护性能优劣的一项重要标志1 5 。 随着数字式微机保护装置在电力系统中的广泛应用，故障信息的获取量逐渐增 大，对选相元件的要求也有所提高。传统的选相元件要求在单相接地故障时准确选 出故障相，在两相和三相故障时判为多相故障实现三相跳闸。而微机保护不仅要求 1 产北i u 力人学侦i j 学位论文 选相元件能准确判别出单相故障的故障相，还要准确判别相问故障的柏别【6 】。以距 离继电器为例，由于多种原因，在故障时故障相继电器的判别是较准确的，彳日非故 障相继电器的判别却不一定可靠，超前相和落后相中很可能有一个会误判，为了提 高继电保护动作的准确性，有必要在故障时选出故障相别，投入相应的继电器，来 防j i - _ 1 乍故障相的误动。因此，高压输电线路微机保护不仅要求在单相故障时选出故 障相，在多相故障时，也要优先选出故障相，保证阻抗的准确测母。 目前，主要采用工频相电流差突变量选相和序分量相结合的选相元件。在保护 启动后第一次利用工频相电流差突变量选相，振荡闭锁期f b j 由于突变量提取网难而 采用序分量选相【7 】。序分量选相元件自其出现以来一直是一种应用较广泛的稳念量 故障选相元件，由于保护安装处的电流序分量与故障点的电流序分龟具有十分相似 的特征，因而利用电流序分量进行比相选相受到了青睐。在特殊性故障情况一f ( 弱 电源侧故障和转换性故障等) ，或是重负荷线路上，原有的序分量选柏有呵能出现 灵敏度不足甚至根本无法f 确选相，因此，有必要对现有的序分量选相方法进行进 一步的研究。 2 1 课题研究现状综述 2 1 1 弱馈方式自动识别及选相的国内外研究现状 所谓弱馈线路是指，线路的一端为系统大电源，而另一端( 一般为用户端) 为 终端变压器或带有地区负荷的小电源的馈线。 1 ) 利用弱馈控制字进行低电压选相的方法 目前工程中多通过设置弱馈控制字来决定弱馈保护功能的投退。对于长期处于 负荷侧或弱电源侧运行的继电保护装置，提前设定弱馈控制字，投入弱馈保护的功 能。故障发生后，本侧保护则使用低电压选相的方式进行故障选相。单相故障时跳 开故障相，多相故障时跳开三相。 然而，对于双电源系统，从继电保护安全的角度考虑，通常都退出弱馈保护的 功能。这样，当背后的相邻线路发牛故障并跳闸后，本段线路变为弱馈运行方式， 此时，如果本段线路内部发生短路故障，则由于弱馈保护的功能已经退出，导致该 侧保护很可能不能启动，也难以j 下确选相跳闸。对于纵联保护而言，强电侧的保护 也会因为收不到对侧的允许跳闸信号丽判定为区外故障，致使保护拒动【叭。 2 ) 利用弱馈侧稳念电流特征识别弱馈方式 弱馈侧的典型特征是负序电流很小甚至为0 ，零序电流按故障类型和故障点进 行计算，一般比较大。因此，参考文献 9 提出了如下的识别判据： 聊1 2 i ( 1 - 1 ) 2 牛北电力人学硕1 二学位论文 式中，m 取足够大的值。 图1 - 1 双端系统示意图 在双端系统考察该判据，如图1 1 所示。以a 相接地故障为例，考虑n 侧序网 络序电流的分配，该判据由系统参数可得： ! ! 二丝! 圣! 圣竺 垅! ! 二茎! 圣! 垒竺( 1 芝) z o l + z o m + z b nz 2 l + z 2 m + z 2 n 由上式叮见，式( 1 1 ) 中的系数m 取值较难，其与故障点的位置、两端系统 的序阻抗等均有关系。该方法实现原理简单，但针对不同的弱电系统，需要不同的 定值，取值难度较大，上上在某螳情况下不能准确削断出弱馈方式。 3 ) 利用相电流差突变量进行识别【9 】 考察弱电侧的特征，尤其足单电源线路的受电侧。受电侧的线路电流中只有零 序电流流过，三相电流基本相等。冈此有： 峨一k l 峨。 红峨厂+ o 2 i , ， ( 1 3 ) 式中，k 。为最大相电流差突变量峨。的制动系数；包为浮动门槛r 的可靠 系数；，。为电流互感器二次侧额定电流，取其0 2 倍作同定门槛。 此判据分为a b 、b c 和c a 共3 个相间电流差突变量继电器。若仪有一个继电 器动作或均不动作时，则判断为弱馈侧。为避免因线路高阻接地故障中此判据灵敏 度不足而误将强电源侧判断为弱电侧的缺陷，需另加任一相低电压或相间低电压元 件进行辅助确认。 该方法中使用的相电流差突变量不受负荷电流影响，耐受过渡电阻能力较强， 且对系统适应性强。由于弱馈侧相电流差突变量数值很小，且存在时间很短，提取 非常困难，故该方法可靠性不足，容易造成误判。 2 1 2 序分量故障选相的国内外研究现状 序分量选相足根据对称分量法得到故障时正、负、零序故障分量，通过各分量 相位关系来进行故障类型的判别。目前应用较多的有序电流分区法及电压电流序分 量( 补偿电压序分量) 分区方法，分区的基本原理主要有利用零序、负序电流分量 比相以及正序故障分量和负序分量比相两种。故障分区后同相区内可能会重叠不 3 1 芦北i 【l 力人学f ! ；! f j 学位论义 同类型的故障，具体故障类型的判定一般要借助阻抗元件，导致可能会影n 向实际的 选相性能。 ( 1 ) 零序分量与负序分量l ：k s r h 法【1 0 1 零序、负序电流分量只有在发生不对称故障时才会出现，是天然的故障分量且 不受负荷电流影响，这是采用零序、负序电流比相构成选相元件的优势所在。由于 零序分量在不对称接地故障情况下才会出现，所以该比相法只有在发生不对称接地 故障时d 有意义。以a 相为特殊相，当发生单相接地故障时，零序、负序电流比相 结果不受接地电阻的影响，只与零序和负序电流的分配系数c o m 、c m 的相位有关， 对于1 1 0 k v 及以上高压和超高压线路及系统，一般c o m 和c ，m 相位差较小，比相结 果在o 。附近；而发生两相短路接地敝障时，零序、负序电流比相结果受接地电阻 的影响较大，极端情况下( 接地电阻为无穷大) ，零序电流分量的相位超f j i 负序电 流分量的相位接近9 0 。以i o 为基准棚时，给m 复平面上的相区划分如图1 2 所示。 0 + 3 0 。 旷a n 或，。3 0 。 b c n 妒 芒划 a b n l 刚 图卜2 发生不对称接地故障时，厶。与厶。比相的相区划分 在单相接地时，该方法不受负荷电流、过渡电阻和系统运行方式的影响。两相 接地故障时，电流的相位虽然受过渡电阻的影响，但足，在分区中已考虑了过渡电 阻，并留出了足够的裕度。 使用上述两种序分量选相的方法进行区域划分时都存在重叠区域，因此需要结 合其他的判据来进行重叠区域内的故障类型和相别的进一步识别。目前，常用的是 采用阻抗排除法进行进一步区分，但阻抗选相的方法受过渡电阻的影响i ：i ：s r - , 交大，且 在重负荷情况f 可能误选相。凶此需要研究新的序分量选相方法，以提高选相的准 确率【。 ( 2 ) 正序故障分量与负序分量i ：c 千h 法选相元件1 2 】 由于通常正序和负序电流的分布系数近似相等，1 7 k - i 而保护安装处的7 f 序故障分 量电流与负序电流间的相位关系可认为与故障点处一样。此外，由于该方法采用的 4 华北电力大学硕- 上学位论文 是正序故障分量与负序分量，因而对于任何不对称故障类型的判别都有意义。以j ：一 为基准相时，给出复平面上的相区划分如图1 3 所示。 图1 3 发生1 i 对称故障时，与l 。比相的相区划分 利用f 序故5 4 ；- 分鼍与负序分量进行第一次比相分区的方法，存在着以下几个方 面的特点： a ) 利用时。与，。来进行比相的电流序分量分区选相元件的优点在= 它能反映 所有的不对称性故障，适用范围比较广，不像零负序比相那样会受到接地条件的约 束。 b 1 从图中我们可以看到，重叠部分的两种不同故障类型，均有共同的故障相， 这就为下一步进行二次分区带来了很大的难度。 c ) 采用瓦和，：。直接比相的选相元件，两相接地时受过渡电阻的影响小，止。 和t 。的幅值比较大，相位相对比较准确，灵敏度比较高。但是在单相接地故障转 化为两相故障时会冉次出现“的相位，虽然与一开始就足两相接地故障时的相位 相同，但是不适用于纵序动作，这是该选相元件需要注意的问题。 ( 3 ) 电压序分量选相1 1 3 1 如果假设零序阻抗角和正序阻抗角相同，零负序电压所构成的序分量选相元件 具有零负序电流选相的特征，它在区分单相接地和两相接地故障时也存在着重叠 区，为此根据潮流的变化引入正序电压和零序电压进行比相，进一步区分两相和单 相故障。单相接地和两相接地故障的重叠一般只发生在一个为受端、另一个为送端 的情况。如果只考虑送端或受端，则一般不会发生重叠。 但是，当发生非金属型故障时，电压序分量的相位关系会随着故障点位置到保 护安装处的距离的变化而变化，影响了选相结果的正确性。当发生出口短路时，由 于正序电压几乎为0 ，也可能造成误选相。 f # 北i 【i 力人学坝j j ：学位论文 ( 4 ) 利用模糊数学原理进行序分量选相【1 4 , 1 5 】 针对传统的故障序分量选相元件均存在同一分区内重叠不同故障的现象，需要 辅助其他判别方法，才能进一步明确故障相别。随着先进的数学方法在微机保护中 的应用，有学者提出了利用模糊逻辑的思想将两种传统的故障序分量选相方法结合 米选相的方法，达到了较好的选相效果。以a n 故障为例，按照零负序比相7 七什的 相l 戛划分方法，考虑误差的影响，a n 故障位于一定的相区范围，对该相区的边缘 进行模糊化处理，设置模糊函数；同样，f 负序比相兀件也可以得到相应的的相区， 也。町设置相应的模糊函数。对上述两种比相方法设置一定的权值，即可获得a n 故 障的模糊函数。 不同的故障均可以预先在微机中设置好模糊函数，当发生具体故障时，可以求 得零负序相位差以及正负序相位差，求取对于不同故障隶属度，然后综合两个隶属 度结果分别乘以权值来获取最终的隶属度函数。当对于某种故障类型的隶属度大于 一定的值时可以判为该种故障。 由于模糊函数的原理复杂，函数设置繁琐，可靠性不足，因此该方法目前在电 力系统巾的应用较少。 2 3 论文要解决的问题 针对现自研究成果的不足，本沦义拟解决如下几个问题： 1 ) 输电线路弱馈侧的自动识别 考虑弱馈侧各种运行方式下发生区内外故障的情况，通过对弱馈侧电流、电压 等电气量的分析计算，找到识别弱馈方式的微机保护可实现的方法，实现允许式或 闭锁式线路纵联保护免整定的自适应弱馈，实现动态弱馈功能。分析频率偏移的影 响，并提出解决办法。 2 ) 对零、负序电流相位重叠区域进行进一步的选相 零负序电流所构成的序分量选相元件在区分单相接地和两相接地故障时存在 重叠区，为此引入j 下序电流和负序电流进行比相，进一步区分两相和单相接地故障。 分析过渡电阻及负荷分量的影响，并提出解决办法。 3 ) 对微机型功率方向继电器的动作区域进行改进 通过分析不同序阻抗关系下、不同故障类型、经过渡电阻短路的电压电流相位 关系，使其通过输入线路的已知参数能够自动生成相应的动作区域，提高对高压线 路和超高压线路的适应性。同时分析其在弱馈侧的动作情况，提出在弱馈侧与弱馈 自动识别元件的配合方案。 4 ) 对自动识别弱馈的方法以及序分量故障选相的方法进行仿真验证。 6 f 仁北l u 力人学硕匕学位论文 第二章弱馈方式的自动识别及其选相 随着电力系统的彳i 断发展，电网的运行方式经常会发生变化。对于长期曾电源 运行的线路负荷侧保护设置弱馈 空制字，发生故障时利用低电压选相i i 引。对于双电 源系统，当背后的相邻线路发垒i 故障并跳闸后，本段线路变为弱馈运行方式，此时， 如果本段线路内部发生短路故障，则由于弱馈保护的功能已经退出，导致该侧保护 很可能不能启动，也难以正确选相跳闸。对于纵联保护而言，强电侧的保护也会因 为收不到对侧的允许跳闸信号而判定为区外故障，致使纵联保护拒动，从而只能依 靠单端电气量的继电保护。为此，本章将重点研究弱馈和双电源情况下的电气量特 征，实现弱馈侧的自动识别及选相方法。 2 1 弱馈方式的定义及弱馈侧保护的功能要求 2 1 1 弱馈运行方式的定义 图2 - 1 馈线系统示意图 弱电源线路是指电路的一端为系统大电源，而另一段为通过终端变压器带有地 区负荷的小电源，如图2 2 所示。由于弱电源侧系统阻抗远远大于非弱电源侧的系 统阻抗，即z i 胚+ 乙z 。腑，故弱馈侧负序分配系数很小，故障发生后流过保护安 7 华北i 【i 力人学坝l j 学位论文 装处的负序电流很小，且远远小于零序电流，故障特征接近于图l 一2 中的馈侧。 图2 - 2 弱电源系统示意图 2 1 2 对弱馈侧保护的功能要求 同前，弱馈保护存在下面2 个主要的问题： 两侧小能同时设为弱馈，不能实现动态弱馈功能。 所消动态弱馈是指自动识别或跟踪弱馈的运行方式。否则，会出现不利的情况， 如：在故障起动自订，某一侧并不是弱馈1 ：况，本侧线路保护控制字末没置弱馈，但 是，当相邻兀件跳j 、甲j 后就成为了弱馈侧，这样，继电保护只能误当作非弱馈的方式； 或弱馈线路在保护装置起动以后、复归以前线路发生区内故障，现有闭锁式纵联保 护有的不能动作。 灵敏度差。 一般要检杏相或相间低电压小于3 0 v j + 允许动作，在高阻接地时，灵敏度较低， 甚至没有灵敏度，增大了拒动的町能性。 为此，工程中要求实现弱馈侧的自动识别。改进原有弱馈保护的目标是实现允 许式或闭锁式线路纵联保护免整定的白适j 迎弱馈，提高弱馈功能的灵敏度，统一和 完善弱馈回路的跳闸方式。由线路纵联保护自适应弱馈功能的技术原则可知， 其基本技术原则如下： 1 ) 增设允许对侧跳闸而本侧不跳闸的不完全允许信号。 2 ) 对弱电侧，允许信号可以采用“非反即正”的原则判断故障方向。对弱馈 侧，在线路近区的正方向故障时可能出现弱馈特征，而反方向故障时，则受对侧电 源的影响满足强电的故障特征，可以通过阻抗元件或方向元件判断为反方向，所以 反方向元件不动作就是正方向故障，即非反即币的原则，与非讵即反的原则不完全 一致。 对强r c l 侧，如纯负荷线路，负荷侧无电源，在送电侧线路背侧发生相l 、h j 不接地 故障，反方向、正方向元件均不能动作，不满足非反即正的原则，又如，纯负荷线 产北电力人学硕i j 学位论文 路，如负荷侧变压器不接地，在送电侧线路背侧发生接地故障，零序反方向、正方 向元件均不能动作，也不满足非反即f 的原则。而在负荷侧，线路区内发生故障， 线路负荷侧负荷侧正、反零序方向均不动作，而在负荷侧线路背侧发生故障时，有 零序电流，可判为反方向，满足非反即正的原则。所以，方向元件非反即j 下的原则 可以适用于有条件允许信号。 3 ) 跳闸原则。 弱馈侧出现强电的工况时，可以自动地退出弱馈的工作条件，实现无延时跳闸。 如不出现强电动作条件，则接地故障考虑跳闸，相间故障不跳闸。 在相间故障情况下，考虑方向阻抗测量元件要求精度不高，在大于0 0 6 i 电流 的条件下，精工电流电压满足要求，所以，一般情况只要有弱电源，阻抗元件也能 动。如果相电流突变量动作而阻抗元件不动，弱电源侧应该为无电源，本侧可以不 跳闸。 4 ) 增设弱馈启动元件，使弱馈功能为短时丌放功能。 2 2 弱馈自动识别方法的研究 2 2 1 弱馈侧故障时电气量特征的分析 由卜述弱馈保护的基本技术原则可知，弱馈侧出现强电动作条件时无延时跳 闸，如不出现强电动作条件，则接地故障考虑跳闸，相间故障不跳闸。因此本节重 点分析弱馈侧发生单相和两相接地故障时的电气量特征。 2 2 1 1 单相接地故障时的电气特征分析 对于图2 1 所示的馈线系统，以k ? 为例，分析单相接地故障时的电气量特征， 对于弱馈的情况，由于其背后的系统阻抗很大，特征也近似1 8 】。 ( 一) 内部短路的电流分布 1 、k 点处的a 相各序电流 t = i 2 k2 - 厶k 。i 瓦靠2 瓦面e ( 2 - 1 ) 式中，z l y - = z i s , z 2 = z z s ，z 0 2 乏z 了0 5 ( i z o 磊k 忑+ z o o ) 。其中，假设z l s 2z z s ，并 将负荷阻抗视为无穷大。 2 、保护2 安装处的各序电流分量为故障点故障电流的分流 9 华北电力大学硕二 学位论文 i 。= c i 置 j ：= c 2 厶足 ( 2 - 2 ) i o ：c o i o k = = i 南j o k 下面，分几种情况予以分析： 1 ) 对于馈线侧，叫以将负荷阻抗等效为无穷大，于是，弱馈侧的j 下、负序电 流分配系数均为0 ，只有零序电流分量，且三相电流基本相等。由此，可以提炼出 这样的特征： 一, t o ：c o i o , , ：鱼：o o ( 2 3 ) 1 2 c 2 i 2 x c 2 此特征儿乎不受过渡电阻的影响。 2 ) 当背后为小电源，即为弱电源侧时，式( 2 3 ) 的比值虽然不是无穷大，但 依然是很大的数值。 3 ) 当背后是较大的电源时，式( 2 3 ) 的比值为有限数值。 ( 二) 内部短路的电压分布 1 、k 点处a 相的各序电压 【7 = ( z i + z o + 2 r g ) i o k 吱k = 一( z l + 毽) 厶k ( 2 - 4 ) c o k ，= - ( z o + r 。) 厶k 2 、k 点处a 相的各序电压 d 。k = o 。c + r g i t k = 0 z l s + z o s + 3 r g ) i o k u 2 k = u 2 x t + 疋l z k _ 一z l s l o k 哦x = 吼x + r , i o k = 一z o s j 。k ( 2 5 ) 3 、保护2 安装处a 相的各序电压 玩= 矽。k = ( z l + z o + 3 r , ) i o k d 2 = 0 2 x = 一z 1 i o x ( 2 6 ) o o = o o x + z o k c o i o k = ( c o z 。x - z o ) i o x 其中，零序电压也等于一z o r 。，即矽。= 一z 。r j 。负序电压d ：随着过渡电阻的 增加而减小，故障点到保护2 安装处的负序电压降也随着弱馈侧弱馈程度的增加而 减小。 ( 三) 弱馈侧反方向短路的电流分布 i o 竺! ! 皇尘查竺竺! ：兰丝笙兰 - _ _ _ 一。 保护安装处的测量电流为： i l = - - c , i l k j ：= - c f l ：k ( 2 - 7 ) j o = - c o j o k 一志厶x 零序、负序电流均由对侧的电源提供，所以，比值争：_ c o o , c ：争为有限的数 。2 c 2 1 2 x 乙2 值。 2 2 1 2 两相接地故障时的电气特征分析 以k 嚣为例，分析两相接地故障时的电气量特征。 ( 一) 内部故障时电流分布 1 、k 点处的a 相各序电流 = 丘旺i l k 2 ：z t z + z 2 z ( z 2 z + 3 r g ) 1 0 k = - - 西瓦z 2 e 面k = 一瓦蒜 弦8 ) 1 2 k - - 0 龟2 k 一警k 其中，假发z i = z 2 z 。 2 、保护2 安装处的各序电流分量为故障点故障电流的分流 ，1 = c l l l x = 0 j 2 = c 2 j 2 x = 0 ( 2 - 9 ) 1 0 = c o k = 志k 同样，将负荷阻抗等效为无穷大之后，弱馈侧只有零序电流。 雌端妣量1 22 瓦c j o , 【2 彘百c o 一棚电删，眦值虽不糯 但仍很大。 ( 二) 内部故障时的电压分布 1 、短路点的a 相各序电压 扛北i u 力人学硕f ：学位论文 u x2 x2 一( z o + 3 愿) ，0 x( 2 1o ) 【k = 一z o 厶k 2 、保护2 安装处a 相的各序电压 一= u 2 圳旷一( z o + 3 毽 ( 2 _ 1 1 ) u o = u o k + z o k i o = 一z o i o x + z o k i o2 卜z q + c o z o x ) j o k i ， = 一( z 。+ 3 以) 厶k = 乏i 糍丘= ( 三一芝轰) 丘( 2 - ，2 ) 、 保护2 安装处测得的负t 孑电压随过渡电阻的变化舰律如式( 2 1 2 ) 所示，并且 随着弱馈程度的增加而增j j 。 ( 三) 弱馈侧反方向短路的电流分布 保护安装女卜的测蛋巾流为： j i = - c , i l ，2 = - c j 2 x ( 2 - 1 3 ) 拈一一志 零序、负序电流均山对侧的电源提供，所以，比值丢2 石c o l ，o ：& k 2 g c o 为有限的数 值。 2 2 2 弱馈自动识别的方法 由上述分析可知，输电线路弱馈侧的特点足保护背侧系统正、负序阻抗非常大， 而零序阻抗等于保护背后变压器的零序阻抗。对于弱电源侧保护，在线路发生故障 后，能感受到的电流仅为零序电流，而负序电流几乎为零。 利用这一特点，我们可以对线路运行方式进行初步的区分。考虑到零漂的影响 和测量的精度等因素后，在实际应用时，设计为如下的应用条件：满足厶 厶。， 且3 & k i e i 对，需进一步区分 ( 2 - 1 4 ) 驴厶埘凰 5 j f 时，判定为单相接地，- 日i , j 。根据最人最小相电流差进行选相。 序分鼍选相兀件的动作判据将住本义第三章中讨论。 3 ) 对于仍需进一步区分的系统，引入负序电爪进行削别。 通过前面的分析可知，弱馈侧故障后的典型电气特征足有负序电压和零序电 流、无负序电流；而f 卜常运行时，弱馈侧无负序电压。由于故障后保护安装处的负 序电压反应的是保护背后的系统负序阻抗，因此保护安装处的负序电压随着弱馈侧 系统阻抗的增加而升高，即弱馈的程度越深，保护安装处测得的负序电压越高。因 此引入负序电压进行判别可以进一步明确系统不对称放障和识别弱馈方式，同时能 够防l 卜零负序电流均较小时因测量误差造成零负序电流的比值有较大误差。故弱馈 系统削据如f ： 吵g 去( 2 - 1 5 ) 考虑负序电流大于二次侧额定电压的q 倍时判定为线路发生4 u 。口，于是，弱馈侧 1 4 、 保护 当丝 3 1 m i 。 ( 2 - 2 0 ) 按照这种方式改进后，各种相问短路仍然可以被很好地区分出来，并且具有足 够的裕度。 图2 - 5 弱馈侧发生a 相接地故障时的相i b 流差突变量 2 4 频率偏移的影响分析及对策 在前面的分析中可知，弱馈系统发生故障后测得的负序电流非常小，甚至为零。 此时如果有频率偏移，那么有频率偏移导致的负序小平衡电流会对弱馈的识别带来 极大的影n 向，因此要在负序电流的计算中尽量减小不平衡电流的影响【2 1 1 。 负序电流的最人不平衡输出的计算公式为： 3 i 2 = i a + 口2 + a i c ( 2 2 1 ) 仅有正序分量时，即系统正常运行时，微机保护中负序电流的计算公式为： = 三厶s i n ( 刎+ 口) ( 1 + 2 c o s - - 芋) s i n ( 缈卜了t + 则，受频率波动影响时的最大不平衡输出的相对误差公式为 1 7 ( 2 2 2 ) t忆三二抖w ， 0 l 口 丁一3 1_1 缈 + 一3 掰 3 泐 ，l a “ + l 、， h d 卜 ，一3 口 + o 聒 讹 + m o w 0 ， 1 p 引一3 = = o ；匕i t i u 力人学坝f 。学位论文 - a i 2 m ，。r px 1 0 0 = 三( 1 + 2 c o s - - 等) x 1 0 0 = 三 1 + 2 c o s ( 丢斟弦2 3 ， 通过计算可得不同系统频率偏移情况下负序电流的不平衡电流大小如表2 - 3 所 示。将其相对误差绘制在坐标轴上町以看出，负序电流的不平衡电流随着频率偏移 程度的增加约呈抛物线增大，如图2 - 6 所示。 表2 3 不同系统频率偏移情况下的负序电流的不平衡电流 f ( h z ) 4 8 4 9 4 9 55 05 0 55 1 5 2 最大相对误差 a i , m a x ( o x10 0 4 9 52 4 51 2 0o1 2 02 4 54 9 5 l a ( f ) a i 2 , m w 10 0 ( ，j 劁2 - 6 负序不甲衡电流随频率变化曲线 为了解决这一问题，对系统连续计算负序电流，记录系统故障时刻前两个周波 的负序电流幅值( 认为系统的频率在短时间之内基本不变，因此故障发，l 前后由于 频率偏移产生的不平衡负序电流数值基本不变) 。计算负序电流最长的时j 喇窗为 ， r ，则当故障发生丁时刻后的负序电流瞬时值用式( 2 2 4 ) 计算，能有效消除频 j j 率偏移对负序电流的影响。 i ，= ，( t ) 一1 2 ( f 一2 丁) ( 2 - 2 4 ) 2 5 仿真结果及评价 一 o # 北i 乜力人学顾i ：学位论文 为验证利用零负序电流并引入负序电压的弱馈识别方法，本文利用r t d s 进行 2 2 0 k v 系统进行仿真，系统模型( 见图2 7 ) 及参数如下所示。 图2 7 的模型可模拟双电源及译电源( 包括弱馈) 等多种系统结构和运行方式。 图2 7 r t d s 系统仿真模型 模型参数： s 1 和s 2 两电源阻抗完全一一致 si ：e s = 2 3 0 k v ，p h = 2 0 。；s 2 ：e s = 2 2 0 k v ，p h = 0 。； l in e l 和l in e 2 线路阻抗参数完全一敏，l in el ：1 0 0 k m ；l in e 2 ：5 0 k m ； r s l 一i e = r s l 一零= 1 0q ；x s l n j = x s l 一零= 1 0 0 5q ； r 1 l 一f = 2 4 1q ；r 1 1 一零= 11 5 7q ；x 11 一正= 2 8 0q ；x ll 一零= 8 4 0q ； ri 2 一i e = 1 2 1q ；r1 2 一零= 5 7 8q ；x l2 一i e = 1 4 0q ；x 1 2 一零= 4 2 0q ； s t = 1 2 0 m v a ；u k = 1 5 ；2 2 0 6 3 k v ； 故障点： k 1 ：m 侧出口故障； k 2 ：线路中间故障( 距m 侧l0 0 k m ；距n 侧5 0 k m ) ； k 3 ：n 侧出口故障。 2 5 1 不同系统阻抗情况下的系统仿真数据 1 、单电源情况下的系统仿真：b k 3 断丌 仿真结果如表2 2 所示。 表2 2 簟电源系统故障时b k 2 处的仿真结果 盒属性接地 经5 0 欧过渡经10 0 欧过 故障类型电阻接地渡电阻接地 k 1k 2k 3k 2 k 2 a 相接地 u 2 4 4 7 2 3 6 o o4 2 4 6 1 9 7 6 1 1 5 9 故障 1 0 1 24 7 8 无穷无穷无穷无穷 b c 两相 u 2 4 4 6 75 1 64 3 82 2 0 4 1 3 5 2 接地故障1 0 1 2l3 0 无穷无穷无穷无穷 1 9 华北咆j 人学f l ! j ! f 。学 t 沦爻 以单电源系统k 2 点发生a 相及b c 相金属，阡接地故障为例，故障前后b k 2 处 的电压电流波形如图2 8 所示。 鼢卜 雅卜 瓣拿卜 莨p 璐b 荔 虢瞳，* 糍 鼢群 vv