（电力系统及其自动化专业论文）高压电网的故障选相及电网故障自动仿真软件.pdf

塑鋈盔堂堡主兰垡堡苎 垒呈! ! 坠曼! a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e rf o c u s e so ns e l e c t i n gf a u l t p h a s eo fh i g hv o l t a g ep o w e r n e t w o r k s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 d i s c u s s i n gt h e b a s i ct h e o r i e sa n dt h ea d v a n t a g e sa n dd e f e c t so fa l lk i n d so f s e l e c t i n gf a u l t p h a s em e t h o d sb e i n gi nc o m m o n u s e t ot h ec u r r e n ts e q u e n c ec o m p o n e n t s e l e c t i n gf a u l t - p h a s em e t h o db a s e do nc o m p a r i n gt h ep h a s eo f1 0 a n d 1 2 ，t h ea u t h o r d e t a i l e d l ya n a l y z e da n ds i m u l a t e dt h ea c t i o np r o p e r t i e sa n dt h ee x i s t e n tp r o b l e m su n d e r a l lk i n d so ff a u l tc o n d i t i o n s ，a n dp u tf o r w a r dt h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s 2 d e v e l o p i n ga p o w e rn e t w o r kf a u l ta u t o m a t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r e a l ls i m u l a t i o n a n da n a l y s i so f t h i sp a p e rw e r ep r o c e s s e dw i t ht h i ss o f t w a r e 3 w i t ht h ec o o p e r a t i n ga m o n gt h ec u r r e n ts e q u e n c ec o m p o n e n ts e l e c t i n gf a u l t - p h a s e m e t h o d ，r e s i s t a n c es e l e c t i n gf a u l t - p h a s em e t h o da n dv o l t a g es e l e c t i n gf a u l t p h a s em e t h o d ， t h ea u t h o rp u tf o r w a r das e l e c t i n gf a u l t - p h a s es c h e m eo f h i g hv o l t a g ep o w e rn e t w o r k s ，a n d f u l l ys i m u l a t e da n dd e m o n s t r a t e dt h i ss c h e m e k e y w o r d s ：s e l e c t i n gf a u l t - p h a s e ，a u t o m a t i cs i m u l a t i o n ，c u r r e n ts e q u e n c ec o m p o n e n t - i v - 浙江大学硕士学位论文绪沦 绪论 一、课题意义 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汁 的。而且目前，国内的电网在环网方面发展还不够发达，很多高压线路没有备用， 因此在线路发生单相接地故障时，仍要求系统能继续供电一段时间，对继电保护装 置要求是仅切除故障相，而健全相却不应跳闸。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，绝大多数短路故障都是单相接地短路，达到9 0 以上，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。由于选相跳闸的需要，选相元件成为 高压线路保护装置中的重要元件。选相元件在单相故障时应选出故障相，在多相故 障时，应能判定为多相故障而立即跳三相。同时反映各种故障的距离保护采用不切 换式每段需要6 个距离继电器，三段共需要18 个距离继电器，采取先选相后测距的 方法，无疑可以减少计算量。而且对于目前所存在的距离继电器而言，由于多种原 因在故障时故障相继电器的判别是可以很准确的，但健全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要误判。因此为了测量的准确性，不仅要求 在单相故障时选出故障相，在多相故障时，也要选出故障相，投入相应的继电器， 使保护不再误判；而且在转换性故障、两点接地故障、双回线跨线故障以及对侧先 跳闸等复杂情况下也要求保持正确选相，这些都增大了选相的难度。目前广泛采用 的选相元件有电流选相元件、电压选相元件、阻抗选相元件、序分量选相元件、反 应两相电流差的突变量选相元件等。这些选相元件都具有各自的优点，但也多多少 少存在着某些不足之处，并不能完全满足上述各种要求。因此有必要对选相方法进 行进一步的研究。 利用。和，：来进行比相的电流序分量分区选相元件是目前在稳态选相元件中应 用的最为广泛的一种选相方法。我们知道，单相短路接地和两相短路接地这两种故 障在输电线路故障中占绝大多数，而它恰恰能够较好地满足这两种故障时的选相要 求。在单相故障时该选相元件有很好的选相性能，它不受接地电阻和负荷的影响， 有很高的灵敏度。在两相金属性短路接地或过渡电阻较小的情况下，辅之以阻抗判 据，也能够正确选出故障相。但是在两相经过较大过渡电阻短路接地的情况下，。的 幅值很小，该选相元件的灵敏度可能不足，必须采用其它选相方法。经过理沦推导 和大量的仿真论证，电流序分量分区选相元件在各种简单不对称短路接地故障时都 1 浙江大学硕士学位论文 绪论 能够正确选相；但是，在转换性故障、两点接地故障、同杆双回线跨线故障、两侧 开关相继跳闸以及对侧三相开关不同时跳闸等复杂情况下，有可能误选相，需要采 取其它辅助措施。因此，研究这些复杂情况下电流序分量选相元件的动作情况对于 保证正确选相将有非常重要的实际意义。 我们知道，现有的各种选相元件都存在着某些不足之处，单独采用任何一种选相 元件都不能完全满足高压电网的选相要求。在实际的高压电刚故障选相方案中，通 常的做法是同时采用一种以上的选相元件相互配合和补充，来满足各种故障情况下 的选相要求。因此，如何选择选相元件，如何使它们有效地相互配合和补充，使设 计出的选相方案既做到简单、快速、可靠，又能够最大限度地满足各种故障情况下 的选相要求，也是一个有待解决的实际问题。 在电力系统继电保护新原理、新方案的研究以及继电保护装置的开发过程中，需 要在电力系统各种典型的网络拓扑模型中模拟各种类型的故障进行大量的仿真论 证。对于本文所研究的高压电网的故障选相问题，传统保护装置中的选相元件一般 只考虑简单故障的情况，即在单相故障时选出故障相实现单相跳闸；在两相和三相 故障时不要求选出故障相，但应能判定为多相故障而实现三相跳闸。这些简单故障 情况一般通过理论推导就可以进行分析论证。微机保护在电力系统中的应用对选相 元件提出了更高的要求，选相元件的作用不仅为自动重合闸服务，同时也要满足正 确测量距离的要求以及为打印出故障类型所必需，因此要求选相元件不仅要在单相 故障时选出故障相，在多相故障时也要选出故障相，此外还需要考虑两点接地故障、 转换性故障、双回线跨线故障以及对侧开关先跳闸等复杂情况，这些故障特征很难 从理论上进行推导，只有经过大量的仿真计算来论证。因此，我们需要一种仿真t 具，完成仿真模型的建立、输入数据文件的生成、仿真计算以及计算结果处理等功 能，特别是能够方便有效地进行大批量的仿真论证。然而，现在还没有一种仿真t 具能够完成所有这些功能，它们或者使用起来比较烦琐，对仿真计算结果的分析处 理和可视化功能不够( 例如e m t p 程序) ：或者虽具备较强大的数据处理功能，但是 仿真计算功能不够( 例如m a t l a b ) 。为此需要开发一种专用的仿真t 具，能够对于 所研究的高压电网继电保护问题，在各种典型的网络拓扑模型中模拟各种类型的故 障，方便有效地进行所需的仿真论证，这对于故障选相以及继电保护其它方面问题 的研究和论证都将有很重要的实际意义。 二、论文的主要工作 针对前面提出的高压电网故障选相中所存在的问题，本论文进行了重点、深入的 研究，对各个问题均提出了解决方案，并进行了大量的仿真论证。论文主要包括以 下几个方面的内容： 1 讨论了各种常用的故障选相元件的基本原理和优缺点，对基于厶和，：比相 - 2 - 浙江大学硕士学位论文绪论 的电流序分量选相元件在各种故障情况下的动作特性和存在的问题进行了详细的分 析和仿真试验，并提出了相应的解决方法。 2 充分利用e m t p 在仿真计算以及m a t l a b 在数据处理、程序设计和高级语 言程序接口上的优点和功能，开发了一个电网故障自动仿真软件。针对所研究的高 压电网继电保护问题，该软件可以方便地利用e m t p 和m a t l a b 在各种典型的网络 拓扑模型中模拟各种类型的故障，实现仿真建模、仿真计算以及i ：卜算结果的分析处 理和可视化等功能。本论文中所有的仿真分析都是利用该软件进行的。 3 充分利用电流序分量选相的优点，同时采用阻抗选相和电压选相与之配合， 提出了一套高压电网故障选相方案，并对该方案进行了充分的仿真论证。 3 浙江大学硕士学位论文 第一章高压电刚的故障选相 第一章高压电网的故障选相 本章讨论了各种常用的故障选相元件的基本原理和优缺点，对基于，。和，：比相 的电流序分量选相元件在各种故障情况下的动作特性和存在的问题进行了详细的分 析和仿真试验，并提出了相应的解决方法。 1 1 常用选相元件分析 目前，在高压电网中广泛采用单相自动重合闸，这就需要选相元件。选相元件在 单相故障时应选出故障相，在多相故障时，应能判定为多相故障而立即跳三相。 在距离保护中也需要应用选相元件。反映各种故障的距离保护采用不切换式每 段需要6 个距离继电器，三段共需要1 8 个距离继电器，为了减少计算量，一般采取 先选相后测距的方法，这样就同时满足了单相自动重合闸选相跳闸的要求。同时为 了满足正确测量距离的要求，不仅要在单相故障时选出故障相，在多相故障时，也 要选出故障相，投入相应的继电器，而且在转换性故障和对侧先跳闸的情况下也要 求保持正确选相。 1 1 1 电流选相元件 最简单的选相元件就是电流选相元件。电流选相元件的启动电流虑避开健全相 可能出现的最大电流。其优点就是简单。但线路上的电流随着系统的运行方式的变 化而变化，因此电流选相元件在系统运行方式变化很大时灵敏度可能不足；同时在 发生单相经高阻接地时灵敏度也可能不足。最严重的情况发生在受电侧，那里的故 障相电流可能小于负荷电流，这是由于线路两侧负荷电流相位相反，故障相电流使 受电侧电流下降所造成的。 1 1 2 电压选相元件 电压选相元件要求在接地故障时用相电压选相，在相间故障时用相间电压来选 相，对此可以采用零序电压元件来区别。在零序电压元件启动时用相电压来选相， 按避开正常运行时的最低电压整定。如果零序电压元件未启动，就用相间电压选相。 在微机保护中可用相对比较法，即从3 个相间电压中挑出幅值最小者，用相对比较 法电压元件无需避开最低运行电压，因而灵敏度极高。选出后再补充汁算相间测量 阻抗就十分可靠了。电压选相元件的优点在于当电源和线路阻抗比大时灵敏度很高， 尤其在弱馈线路其它选相方法有困难时更显出它的优越性。其缺点就在于对长线路 末端故障时灵敏度不足。 4 浙江大学硕士学位论文第一章高压电网的故障选相 1 1 3 阻抗选相元件 阻抗选相一般采用3 个相阻抗继电器，任一相继电器动作表明其所对应相发生 故障。相阻抗继电器对于两相短路不接地故障是不灵敏的。在双侧电源下送电侧的 超前相继电器有较高的灵敏度，而落后相继电器则很不灵敏，受电侧反之。此时选 相跳闸的结果可能是两侧跳开的不是同一相，造成故障处电弧不能熄灭，故障不能 切除，必须另外采取措施。由于蹑相短路不接地故障的几率很小，传统的办法是利 用零序电压元件不动作，接通三相跳闸回路，但这个办法不能具体确定故障相。 阻抗继电器为了测量准确，在电流回路中引入零序电流补偿，为了消除死区， 有希望采用偏移特性，但若同时采用这两相措施就要影响选相的正确性。 作为选相元件并不要求精确测量距离，故不定要引入k i o 进行补偿。没有k ，。， 选相性能就一定能得到保证。在长线路末端故障时大部分零序电流被对侧变压器所 分流，本侧分到的零序电流不多。所以专用的阻抗选相元件，不用零序电流补偿， 再避开最小负荷阻抗的前提下把整定阻抗选大些，不失为一种解决办法。 微机保护如果计算出全部6 个回路的测量阻抗，则其中最小值和不大于最小值 1 5 倍的相别应为故障相。这种选相方法在同杆并架双回线上发生跨相故障时也能正 确选相。对于出口跨线故障，由于有两相或三相电压为零，有多个阻抗为零时要辅 以方向判别以确定故障相。 阻抗选相的主要优点是在距离保护中就用保护第1 i i 段接地阻抗继电器作为选相 元件，使装置得以简化。缺点是受系统运行方式、故障点的过渡电阻影响较大，当 发生单相高阻接地故障时灵敏度不足，会发生误选相。 1 1 4 电流序分量选相元件 利用故障电流序分量来进行选相，是目前在稳态选相元件中应用得最为广泛的 一种选相方法。由于故障支路中电流各序分量的相位有较明显的特征，可显示出故 障的相别。只要各序电流的分配系数都是实数，线路两侧各序电流的相位就仍可以 保持这种关系，利用这种关系就可以实现选相。对于采用正、负序故障电流序分量 相对相位选相的原理，受故障点过渡电阻的影响较小，相区的划分可以做到较为合 理，但正序故障电流的提取需要排除负荷电流的影响，这对于后续出现的各种故障 的选相甚为不利。因此为了不受负荷分量的影响，电流序分量选相元件都是反应故 障分量。、，：和，。的相位，用得最多的就是利用，。和，：来进行比相的选相元件。 显然，这种选相元件不反应三相及两相短路不接地故障，但是这两种类型的故障可 以通过判别有无零序电流而很容易地区分出来，再辅之以其它的选相元件加以判别。 在单相故障时该选相元件有很好的选相性能，它不受接地电阻的影响，有很高的灵 5 浙江大学硕士学位论文第一章高压电网的故障选相 敏度。在两相短路接地故障时，健全相选相元件测量的相角a r g _ 1o 一为0o 9 0 。，其中 2 口 0 。对应于接地电阻r 。= 0 的情况；9 0 。对应于r 。趋向于无限大的情况。当，。超前于 ，：。9 0 。时，j 。的幅值很小。由于当r 。很大时的故障可以认为是两相短路不接地故障， 故仅当，。，：足够大时才使用该选相元件进行选相。现将单相接地及两相短路接地 时，负序及零序电流相对相位关系分析如下。 1 单相短路接地时，。= j ，经过故障点的负序和零序电流总是同相位的，而 实际分配到每一侧的负序和零序电流相对相位则有相应的分配系数的相位决定。 设m 侧为所讨论的保护侧，则有： i o m = c o m i o( 1 1 ) ，：。= g m ，2( f - 2 ) 舯：c o m 。彘；c 2 m2 乏 ，。、j ：为故障点零序和负序电流分量，j 。、j ：。为m 侧保护的零序和负序电 流分量，c 。、c ：。为m 侧保护的零序和负序电流分配系数，z 。、z 。、z 。、z i 。 分别为m 侧和n 侧零序和负序短路阻抗。 根据( 1 一1 ) 、( 1 - 2 ) 式，因。、，：同相位，若以其相位为参考，则有： 伊。2 妒o ， ( 1 3 ) 妒，：，3 。 ( 1 _ 4 ) 其中：。、妒k ，为m 侧保护零序及负序电流相位，妒、吼：。为m 侧保护的 零序及负序电流分配系数的相位。所以，零序和负序电流相对相位之差为： 妒0 22 妒岛，一妒c ：，( i - 5 ) 显而易见，单相短路接地时，负序和零序电流相对相位与接地电阻无关，其相 对相位为负序和零序电流分配系数相位之差。对于1 1 0 k v 以上高压及超高压线路及 系统，一般妒。j 。、妒q ，相位之差都很小。 2 两相短路接地时，( 1 - 1 ) 、( 1 2 ) 式仍然成立，但此时无j 。= ，：的关系，但有下 式成立： 厶一若篡厶 ( 1 6 ) 厶一若篡 ( 1 - 7 ) 上式中，z 。、z i e 分别为故障点等值正序和零序阻抗，将以上两式代入( 1 一1 ) 、 ( 1 2 ) 式，得： 6 - 浙江大学硕士学位论文第一章高压电网的故障选相 t o m 一笼t ( 1 _ s ) 一糍j - ( 1 - 9 ) 由( i _ 8 ) 、( 1 9 ) 式可见，由于c o 。、c 2 。相位相差很小，对于两相短路接地来说， 零序、负序电流之间的相对相位关系，主要受z 。、z t z 相位影响较大，尤其是受过 渡电阻的影响较大。由于对两相短路接地存在以下关系： l o z o e = 1 2 z l ( 1 - 1 0 ) 所以随着接地电阻的增大，z t 的相角越前于z 旺的相角，相应的，此时亦就越 滞后于吼在极端的情况下，9 k 滞后于。的相角接近于9 0 。 根据以上单相接地及两相短路接地时，负序及零序电流相对相位关系的分析 可将爿r g 皇1 2 a 划分为6 个相区，得到如图卜l 所示的相区划分图。 图l - l 单相接地和两相接地短路时爿馏丢的相区划分图 由图l l 可以看出，a 相单相接地及b c 两相经较小电弧电阻接地时，j 。，：。 i 接近于同相位，相对相位爿僧善位于一3 0 。3 0 。之内。对于某些经过较大过渡电阻 2 口 引起的比较特殊的两相接地短路，随着接地电阻的增大，i 2 0 越滞后于j 。图1 - 1 中， b c 两相经较大过渡电阻短路接地时，j ：。滞后于j 。的相位爿曙进入3 0 。9 0 。相 1 2 口 区，即图l 一1 中的b c g 相区，直接选为b c 两相短路接地故障。 7 浙江大学硕士学位论文 第一章高压电网的故障选相 同于以上分析，其它相区的划分如下所示： ， i 2 0 滞后于，。的相位a r g l 可能故障类型的相区 1 2 p ( 1 ) 一3 0 。3 0 。a g ，b c g ( 2 ) 3 0 。9 0 。 b c g ( 3 ) 9 0 。1 5 0 。b g ，c a g ( 4 ) 一15 0 。1 5 0 。c a g ( 5 ) 一9 0 。一15 0 。c g ，a b g ( 6 ) 一3 0 。一9 0 。a b g 在以上( 2 ) 、( 4 ) 、( 6 ) 单一故障相别的相区，直接确认为相应的相间故障。在 ( 1 ) 、( 3 ) 、( 5 ) 有单相及相间两种故障类型的相区，由于两种故障类型的相别总是 不相关的，因此可以采用相间阻抗排除法。可以设置一个辅助阻抗元件z ”，z ”采 用阻抗i i i 段，为负荷阻抗判据。考虑在a 区时，一般情况下，当发生a 相接地故障 时，z 。为负荷阻抗肯定在辅助阻抗以外，即有z 。 z ”，因此就可以选中a 相接 地故障。但是在长距离熏负荷的输电线路上，考虑灵敏度的要求，如果z ”整定值较 大，当发生a 相短路接地时，由于故障前负荷电流很大，z 。有可能落在辅助阻抗以 内，从而误选为b c 两相故障。为了防止这种情况，需要再增加一个辅助判据，通过 比较两个测量阻抗z 与z 。的大小，当满足z h 1 5 z 。时，选中b c 两相故障，否则 选中a 相接地故障。同理，b 区、c 区也可以用同样的方法选出b 相、c 相。因此 在确定故障相区后，再采用以下的方法来进一步判别单相接地故障或两相短路接地 故障。以a 区为例，当同时满足以下这两个条件时选中b c 相，当其中有一个条件 不满足时选中a 相。 ( a ) z z “ ( b ) z 6 。 1 5 z 。 实际保护装置所测量到的是保护安装处的线路电流而不是故障点电流。对于一 般简单故障，由于电流分配系数接近实数，保护安装处的情况和故障点的情况是一 样的。但对于转换性故障( 一点在保护正方向，另一点在保护反方向) 或同杆并架 线路上的跨线故障来说两者是不相同的，因为当发生转换性故障时，由于电流一相 为正，另一相为负，此时零序电流和负序电流的相位不能正确反映故障相别，因此 这种利用零序、负序电流相位差选相的元件在这种情况下必将发生误选相。对于双 回线路上发生的跨线故障也存在着类似的问题。实际应用当中，我们可以增加一个 判别方向的判据来进行方向的判别。 对于高压线路，尤其是超高压长线路，线路的分布电容可能会较大，系统中的 任何不对称故障必然会引起线路容抗的不对称。一般不考虑线路分布电导的影响， 而且线路分布电容引起的在线路同一保护安装点的零序和负序电容电流分量，与故 障零序和负序电流分量基本上保持同相位。因此，线路分布电容对这种相区的划分 8 浙江大学硕士学位论文 第一章高压电刚的故障选柏 基本上没有影响。 这种选相元件的优点是灵敏可靠，动作正确，不受负荷影响，并且具有耐受大 过渡电阻的能力；缺点是滤波和计算相位值，影响选相速度。另外，它还须依靠阻 抗元件，影响选相的可靠性。而且在发生转换性故障或同杆并架线路上的跨线故障 时，有可能误选相。 1 1 5 反应相电流差的突变量选相兀件 反应相电流差的突变量选相元件，是利用系统发生故障时，两相电流差的突变 量的幅值特征来区分各种类型的故障。该选相元件共用3 个继电器，分别反应于： 1 号继电器 ，。= i 出。一心。l ( 1 - 1 1 ) 2 号继电器 。= l o 。，一o 。lo - 1 2 ) 3 号继电器 。= i o 。一o 。l ( 1 - 1 3 ) 表1 1 示出在各种故障情况下各继电器的动作情况。 表1 - 1两相电流差突变量选相元件的动作情况 单相短路接地两相短路接地或不接地三相短路 突变量 abca bb cc aa b c m + 上 + 屯 + 上 + 越 b 上 + 上 + 由表1 - 1 可知，单相故障时两健全相电流突变量之差为零，所以反应该电流的继 电器能可靠不动作，其它各继电器都能灵敏地动作，因此只需根据3 个继电器的动 作情况，作出逻辑判断就可以在单相故障时正确选出故障相。但是对于多相故障，3 个继电器均动作，如要确定故障类型，还需要分析两相电流差突变量的幅值。图1 2 和1 3 给出了两相短路不接地和两相短路接地故障下电流的相量图。 出， i u = 0 。 涂以 u l r “一e ，2 。 图1 - 2 两相短路不接地 l8 9 u l ，2 j 图i - 3 两相短路接地 浙江大学硕士学位论文 第一章高压电网的故障选相 由以上两图可知，发生两相接地故障时，故障相的电流突变量幅值最大，因此 可以先用表1 1 区分出是单相接地故障还是多相故障。若是多相故障，则判断哪两相 电流差的幅值最大，即判为这两相故障。若三个相电流差的突变量的幅值差不多， 则可判为三相故障。 这种选相元件的最大优点是不反应负荷分量，而且简单、灵敏和快速，是快速 主保护较理想的选相元件。但是在弱电源侧灵敏度可能不足，尤以单侧电源受电侧 的情况最为严重。同时在发生转换性故障和保护纵序动作时也有可能误选相。 1 2 各种故障情况下电流序分量选相元件的问题 电力系统短路故障大多数发生在架空线路部分，约占7 0 以上。众所周知，输 电线的故障有单相短路接地故障、两相短路接地和不接地故障发二相短路故障等1 0 种简单故障，此外还有断线接地故障、两点接地故障以及转换性故障等复杂故障。 单相短路接地故障的几率最多，其次是两相短路接地故障，两者合讨约占输电 线路故障总数的9 0 ；两相短路不接地故障的几率很小，约占2 3 ；二相短路都 是接地的，其几率也很小，约占1 3 ，且大多数三相故障都是由单相、两相故障 发展来的。 对于同一点的转换性故障，当保护动作后一律三相跳闸时不需要对转换性故障 作特殊处理，当采用单相重合闸时需要考虑转换性故障的问题。转换性故障主要考 虑单相故障转换为多相故障的问题。原因是：( 1 ) 前者要求跳单相后者要求跳二相； ( 2 ) 反应这两种故障的测量原理往往不同，保护的动作不应间断，应能及时地彤l - - - 相。全于两相故障转换为三相故障一般无须特殊考虑，因为对这两类故障的测量原 理往往相同，保护动作后都要求跳三相。转换性故障如果是发生在重合闸命令发出 之前，应跳三相并闭锁单相重合闸；如果在重合闸命令发出之后才发展为多相故障， 则应按重合闸于永久性故障处理。转换性故障约占5 。 断线接地故障的几率很小，2 2 0 k v 线路不到1 ，5 0 0 k v 线路采用分裂导线后 短线接地故障的几率就更小。 在我国不允许线路长期两相运行，两相运行仅出现在单相自动重合闸周期的短 暂时期，所以两相运行再故障的几率很小，约占1 。但统计表明这时的故障都发生 在两相运行的线路，而不是与它相邻的线路之上。 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，绝大多数短 路故障都是单相接地短路，达到9 0 以上。因此，2 2 0 k v 及以上的输电线路广泛采 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。为了实 现单相自动重合闸，就必须要求故障选相元件在单相故障时应选出故障相：同时为 了满足正确测量距离的要求，在多相故障时，也要选出故障相，投入相应的继电器。 在上- - + 节中我们已经论述过，利用，。和，来进行比相的电流序分量分区选相 】o 浙江大学硕士学位论文第一章高压电刚的故障选相 元件是目前在稳态选相元件中应用的最为广泛的一种选相方法。我们知道，单相短 路接地和两相短路接地这两种故障在输电线路故障中占绝大多数，而它恰恰能够较 好地满足这两种故障时的选相要求。在单相故障时该选相元件有很好的选相性能， 它不受接地电阻和负荷的影响，有很高的灵敏度。在两相金属性短路接地或过渡电 阻较小的情况下，辅之以阻抗判据，也能够正确选出故障相。但是在两相经过较大 过渡电阻短路接地的情况下，厶的幅值很小，该选相元件的灵敏度可能刁i 足，必须 采用其它选相方法。经过理论推导和大量的仿真论证，电流序分量分区选相元件在 各种简单不对称短路接地故障时都能够正确选相。但是，在发生各种单相短路接地 和两相短路接地故障时又发生其它情况，例如：单相短路接地故障时两侧开关不同 时跳闸，两相短路接地故障时两侧开关纵序跳闸并且跳闸侧三相开关不同时跳开， 两点接地故障、转换性故障以及同杆双回线跨线故障等等，有可能误选相。因此， 研究这些复杂情况下电流序分量选相元件的动作情况对于保证正确选相将有非常苹 要的实际意义。 在本节中，我们将根据理论推导和仿真分析，来研究单相短路接地和两相短路 接地而引起的各种复杂情况下电流序分量元件存在的问题，并提出适当的解决办法。 本小节仿真分析所采用的系统模型为5 0 0 k v 双回线输电系统( 如图1 4 ) ： 峰t z l 峰s垮e t jjj 峰。擘1蹲， ； 暑一 图1 - 45 0 0 k v 双回线输电系统 m 侧是小系统，_ 侧是大系统。两侧电源的相位差为3 0 。，系统阻抗支路采用 三相耦合r l 集中参数模型，参数如下： 大运行方式：m 侧 r o = 0 4 1 7 f 2 ，三。= 3 8 m h r l = 1 2 5 f 2 ，l l = 1 1 4 m h 侧 r o = o 4 3 6 n ，l o = 3 9 8 m h r l = o 4 3 6 q ，l 。= 3 9 8 m h 小运行方式：m 侧 r o = 0 8 3 3 q ，l 。= 7 6 m h r l = 2 5 f 2 ，l 。= 2 2 8 m h 侧 r o = 2 9 q ，l 。= 2 6 5 m h 浙江大学硕士学位论文 第一章高压电网的故障选相 r 1 = 2 舛2 ，l l = 2 6 5 m h 线路采用三相完全换位的分布参数模型，线路长度为4 0 0 k m 。并联电抗器装在 线路两端。线路参数如下： r 。= 0 11 4 8 f 2 k m ，l o = 2 6 2 6 m h k m ，c o = o 0 0 9 2 胪k m r = 0 0 1 7 8 q k m ，l = 0 8 9 7 l m h k m ，c = 0 0 1 3 5 旷k m k 。、k ：、k ，、k 。、k ，和k 。艄j ) b n n 线路两侧出口处及中点处的故障点， k ，为m 侧出口处反方向故障点。 1 2 1线路近端单相短路接地，两侧开关纵续跳闸 1 本侧开关跳闸对侧开关未跳闸 当被保护线路发生近端单相接地短路而两侧的保护相继动作时，在一侧开关故 障相跳闸另一侧未跳闸的情况下，将出现一相短路接地加同名相断线的复故障形式。 此时仍要求电流序分量选相元件正确动作，不能误选非故障相。此时，在线路对侧 看来仍然是单相短路接地，因此对侧的选相元件可以正确选相；但是在本侧看来已 经由跳闸前的单相短路接地转变成为一相短线的情况，因此流过本侧线路保护安装 处的零序电流j 。和负序电流厶将不同于跳闸前的情况，电流序分量选相元件所选中 的相区必然发生变化，如果此时再次动作将误选相。下面我们就来分析一下这种情 况下两侧选相元件的动作情况。 仿真模型如图1 - 4 。其中m 、n 为保护安装处。k 为m 侧出口处故障，k ，为 n 侧出口处故障。接地电阻分别为3 0 0 ，2 0 0 ，1 0 0 ，5 0 ，1 0 欧和金属性故障。k 点 故障后5 0 m s 先跳m 侧故障相开关，k ，点故障后5 0 m s 先跳n 侧故障相开关。m 侧 和n 侧都为大运行方式。仿真结果如表i - 1 和1 3 所示。 由仿真结果可知，当线路上发生近端单相短路接地故障，靠近故障点的- n 开 ， 关先跳闸的情况下，无论有无接地电阻，未跳闸侧的a r g 卫基本保持不变，该侧的 2 。 电流序分量选相元件所选中的相区不会发生变化，因此不会出现误选相的情况。然 ， 而跳闸侧的a r g 将发生很大改变，这时，该侧选相元件所选中的相区将移向跳闸 2 口 前相邻的相区，必然误选为两健全相中一相或两相故障，如果不采取其它措施，就 有可能再次动作而误跳非故障相或误跳三相。这种情况下，跳闸侧相当于一相断线， n 流经该侧的零序电流将迅速减小，跳闸侧两健全相按。二i 接线的阻抗继电器的测 i 。+ 珏b 量阻抗与跳闸前相比增大很多倍，两健全相的相间测量阻抗基本保持不变，而与两 健全相相别有关的两个相间测量阻抗也将增大很多倍，因此，此时若采用阻抗选相 元件，比较6 个回路的测量阻抗，选出其中最小值和不小于最小值1 5 倍的相别为故 障相，则仍然会选中跳闸相为故障相，避免了误选相。 1 2 浙江大学硕士学位论文第一章高压电网的故障选相 表1 - 2k 点单相接地故障，5 0 m s 先跳m 侧故障相开关 故障 接地 m 侧选相元件n 侧选相元件 运行方式电阻a r g ：i o ( 度) 跳闸后 爿馏_ i o ( 度) 跳闸后 相别 2 4 选中相 2 。 选中相 ( 欧) 跳闸前跳闸后 l x 跳闸前跳闸后 i x o08 3b c66a l o08 5b c55a 5 0o9 1b46a m 大n 大 a n 1 0 0o9 5b45a 2 0 009 3b45a 3 0 008 5b c45a o1 2 0一15 8c a1 2 41 2 5b 1 01 2 0一1 5 6c a1 2 41 2 5b 5 01 2 0- 15 0c1 2 41 2 6b m 大n 大b n 1 0 01 2 01 4 6c1 2 41 2 5b 2 0 01 2 01 4 8c1 2 31 2 5b 3 0 01 2 0- 1 5 6c a1 2 31 2 5b o1 2 03 7a b- 1 1 61 1 4c l o1 2 0一3 5a b1 l51 1 4c 5 01 2 02 9a一1 1 51 1 4c m 大n 大c n 1 0 0一1 2 0一2 6a一1 1 61 15c 2 0 01 2 02 7a1 1 61 l5c 3 0 01 2 03 5a b- 1 1 61 1 5c 表i - 3 k 3 点单相接地故障，5 0 m s 先跳n 侧故障相开关 故障 接地 m 侧选相元件n 侧选相元件 运行方式电阻 a r g _ l o ( 度) 跳闸后 爿增_ i o ( 度) 跳闸后 相别 2 “ 选中相 1 2 。 选中相 ( 欧) 跳闸前跳闸后 陕 跳闸前跳闸后 i o24a 07 8a b 1 044a07 4a b 5 044ao- 6 3a b m 大n 大a n 1 0 045ao一4 7a b 2 0 055ao2 2a 3 0 046ao9a 01 2 41 2 4b1 2 04 3b c 1 01 2 41 2 4b 1 2 04 5b c 5 01 2 41 2 4b1 2 0 5 7b c m 大n 大b n l o o1 2 31 2 4b 1 2 07 3b c 2 0 01 2 41 2 5b1 2 0 9 8b 3 0 01 2 31 2 6b 1 2 01 1 0b o- 1 1 7- 1 1 6c一1 2 01 6 3c a 1 01 1 71 1 6c 1 2 01 6 6c a 5 01 1 51 1 6c一1 2 01 7 7c a m 大n 大c n 1 0 01 1 6- 1 1 6c- 1 2 0 1 6 7c a 2 0 01 1 71 1 5c1 2 01 4 2 c 3 0 0一1 1 6- 1 1 4c- 1 2 0 1 2 9c 浙江大学硕士学位论文 第一章高压电网的故障选相 其它运行方式下的仿真结果与以上相同，这里不再列出。 2 一侧开关跳闸后再故障 如果在本侧开关跳闸对侧开关未跳闸的情况下两健全相之一( 情况1 ) 或两健全 相( 情况2 ) 又发生故障，这时相当于出现两相或三相短路接地加一相断线的复故障 形式，对于两侧选相元件。应当正确选出故障相而立即跳三相。此时，跳闸侧的零 序电流又将迅速增大，在这一侧看来相当于又发生单相短路接地( 对于情况1 ) 或两 相短路接地( 对于情况2 ) 故障，本侧的电流序分量选相元件可以正确选出再次故障 的相区，再辅之以阻抗判据，就可以再次选为单相故障( 对于情况1 ) 或两相故障( 对 于情况2 ) ，如果我们在前一次单相故障发出单相跳闸命令时将此事件记忆下来( 按 相固定) ，则通过逻辑判断就可正确选出两次故障的全部故障相别，此时应跳三相并 闭锁单相重合闸。对于未跳闸侧，相当于两相短路接地( 对于情况1 ) 或三相短路( 对 于情况2 ) 故障。对于情况l ，必然可以正确选相：对于情况2 ，是对称故障，将采 用其它选相元件进行判别，例如阻抗选相元件，利用前面提到的比较6 个回路的测 量阻抗的方法也可以正确选出再次故障时的故障相别。 我们采用图1 - 4 的双回线仿真模型。丘点单相金属性短路接地，5 0 m s 跳m 侧 故障相开关，疋点单相金属性短路接地，5 0 m s 跳n 侧故障相开关，同时发生同一 点转换性故障。m 侧和n 侧都为大运行方式。仿真结果如表l 一4 和l - 5 所示。 由仿真结果可知，对于情况1 ，两侧选相元件的相区选择是正确的，这时再辅之 以阻抗判据，就可以选出故障相。对于情况2 ，本侧为一相短线加两相短路，将出现 较大的零序和负序电流，可以正确选为转换后的两相故障，所以能够启动跳三相； 对侧为三相短路，因此零序和负序电流很小，电流序分量选相元件不能正确选相， 此时投入其它选相元件，比如阻抗选相元件，就可以正确选相。 表i - 4k 点单相接地故障，5 0 m s 跳m 侧故障相开关同时再故障 m 侧选相元件n 侧选相元件 故障相别a r g _ i o ( 度) 再次故 a r g r i o ( 度) 再次故 2 4 障后选 2 0 障后选 跳闸前再故障后 中相区 跳闸前再故障后 中相区 a n - b n 1 2 5b1 1 0c ，a b a n + c n o1 2 5c81 1 8b c a a n b c n2a b c不定不定 b n + a n5a1 2 4c a b b n c n1 2 0一1 1 6c1 2 51 0a ，b c b n c a n1 2 lb c a不定不定 c n a n 5a1 3 0b c a c n b n 1 2 01 1 5b1 2 84a b c c n a b n1 2 1c a b不定不定 1 4 浙江大学硕士学位论文第一章高压电网的故障选相 表i - 5 k 3 点单相接地故障，5 0 m s 跳n 侧故障相开关后再故障 m 侧选相元件n 侧选相元件 故障相别爿，g 善( 度) 再次故 爿信皇( 度) 再次故 2 0 障后选 2 。 障后选 跳闸前再故障后 中相区 跳闸前再故障后 中相区 a n b n 1 0 lc a b1 2 1b a n c n3 1 1 0b c ao1 2 lc a n b c n不定不定 1a ，b c b n a n。1 3 0c a b。1a b n c n 1 2 41 9a m c1 2 01 1 9c b n c a n不定不定 1 1 8b c a c n a n1 4 0b c alc c n b n 1 1 8- 8a b c1 2 01 1 9b c n - a b n不定不定 1 2 0c a b 其它运行方式下的仿真结果与以上相同，这里不再列出。 3 两侧开关都已跳闸 如果两侧开关都已经跳闸，这时线路进入两相运行状态，故障侧的零序电流又 将迅速减小。我们知道，一相断线和相别不相关的两相金属性短路接地的边界条件 对应相同，例如a 相短线和b c 两相金属性短路接地的边界条件相同，因此a 相短 线时零序和负序电流的相对相位关系与b c 两相金属性短路接地时的情况相同，也将 位于一3 09 3 0 。的a g b c g 相区，这时再辅之以阻抗判据，仍然会选中a 相故障， 而不会误选健全相。采用图1 4 的双回线模型进行仿真计算，模拟各种运行条件下两 侧开关单相跳闸后两侧选相元件的动作情况，由表1 6 中的数据可知不会误选相。 表i - 6 各种运行条件下两侧开关单相跳闸后选相元件的动作情况 各种运行条件下两倾i跳闸后选中的相区 跳闸相m 大n 大m 大n 小m 小n 大m 小n 小 m 侧n 侧m 侧n 倾0m 侧n 侧m 侧n 侧 aaaaaaaaa bbbbbbbbb ccccccccc 4 两侧开关跳闸后再故障 如果线路两相运行时两健全相之一( 情况1 ) 或两健全相( 情况2 ) 又发生故障， 此时两侧选相元件应当正确选出故障相而立即跳三相。这种情况下，两侧的电流序 分量选相元件的动作情况与一侧开关跳闸两健全相再发生故障时跳闸侧的情况相 同，可以正确选相。 1 5 浙江大学硕士学位论文第一章高压电网的故障选相 我们采用图l - 4 的双回线仿真模型。k 。、k ：、k ；点分别发生单相金属性短路 接地，5 0 m s 跳m 侧和n 侧故障相开关，同时发生同一点转换性故障。m 侧和n 侧 都为大运行方式。仿真结果如表l 一7 所示。 表卜7 两侧开关跳闸后荐故障时选相元件的动作情况 两侧开关跳闸后再故障时选中的相区 故障相别足点故障l 点故障k ，点故障 m 侧n 侧m 侧n 侧m 侧n 侧 a n b nbbbbbb a n - c ncccccc a n - b c n a b ca ，b ca ，b ca ，b ca b ca ，b c b n a naaaaaa b n c ncc cccc b n c a nb c ab c ab c ab c ab c ab c a c n a naaaaaa c n b nbbbbbb c n a b nc a bc ，a bc ，a bc a bc a bc a b 由仿真结果可知，两健全相无论再发生一相还是两相故障，选相元件选中的相 区都是正确的，不会误选相。其它运行方式下的仿真结果与以上相同。 通过以上分析，在被保护线路发生近端单相短路接地而两侧的保护相继动作的 的过程中，误选相的情况仅发生在本侧开关已跳闸而对侧开关未跳闸并且不再发生 其它故障期间本侧的电流序分量选相元件上，为此，可以采取两种办法：第一，故 障侧开关单相跳闸后立即闭锁本侧电流序分量选相元件，而投入阻抗选相元件：第 二，故障侧开关单相跳闸后短时闭锁本侧电流序分量选相元件，如果本侧零序电流 再次发生变化( 零序电流增大表明健全相又发生故障，零序电流减小表明对侧开关 已跳闸) ，就再次开放选相元件。 1 2 2 线路近端两相短路接地，故障倾t j - - 相开关不同时跳闸 在被保护线路发生近端两相短路接地且两侧保护相继动作，故障侧二相开关小 同时跳闸的情况下，由于故障侧开关已经启动三跳，此时该侧电流序分