三相同时刻采样值启动元件判据3

1、三相同时刻采样值启动元件柳焕章 李晓华（华中电力集团公司 华中科技大学电力系）摘要：电力系统的发展对保护的速度提出了更高的要求，加速启动元件的动作速度有利于提高保护装置的动作速度。通过对现有微机保护装置启动元件的分析，提出了基于三相同时刻的采样值的启动新算法。EMTP仿真和动模试验表明：这种算法具有不受系统频率偏差和共模干扰的影响和能灵敏的反映各种故障类型的优点。关键字：微机保护 启动元件 采样值0 问题的提出随着电力系统的快速发展，输电线路的电压等级和输送容量逐步提高，由输电线路故障所造成的损失也越来越大。快速切除输电线路故障是保证电力系统暂态稳定的投资少、收效大的措施。加速启动元件的动作速

2、度，将有利于提高整组保护装置的动作速度。启动元件要求对所有各种类型的故障都应能快速、灵敏地反映。微机保护主要是采用电流突变量来反应故障，它存在缓慢发展性故障灵敏度不足的缺点。通常采用故障后的稳态电量（如：）作为辅助启动元件。如果在故障时启动元件不能动作，则将导致保护拒动，从而引起上一级保护越级跳闸，不但延长了切除故障时间影响系统稳定，而且扩大停电范围。随着信息技术的发展和硬件水平的提高，新技术应用于继电保护提出快速保护和暂态保护。这对启动元件的灵敏度和速度也提出了更高的要求。以此有必要对保护的启动元件进行进一步分析，使其与保护判据密切配合，更好地保证电力系统的安全稳定运行。本文针对现有启动元件

3、的不足，提出利用三相电流采样值进行启动判别。EMTP仿真和动模试验结果表明：这种启动方案具有启动灵敏度高、不受频率偏差的影响的优点。1 现有启动元件的分析继电保护装置中一般都设有启动元件。启动元件主要用作在正常时闭锁保护，即使测量元件误动也可保证保护不误跳闸；在故障时启动整套保护，解除出口闭锁。这要求启动元件对所有各种类型的故障都应能快速、灵敏地反映。对于微机型继电保护装置，一般是在启动元件启动后才转入故障处理程序的。启动元件的动作表示故障的开始，只有启动元件动作，保护才能出口；保护延时也是由启动元件启动后开始计时的；保护判据也可以在启动元件启动后才开始测量，这样保护判据可以完全不受故障前系统

4、运行工况影响。微机保护装置一般采用相电流突变量构成启动元件：式中：为工频每周采样点数；为三相电流采样值。系统发生故障时，电流的幅值与相位发生改变，反映了相电流突变量，即相电流的故障分量。为了防止因干扰信号引起启动元件误动作，相电流差突变量启动元件是在连续多点满足相电流差值大于整定值时才启动。相电流突变量启动元件的灵敏度与故障类型、合闸角、过渡电阻大小以及等值两侧电源的相角差有关。对于电源电压过零时发生的故障以及在振荡过程中又发生的短路故障，保护的启动时间还会加长。对于经高过渡电阻单相接地故障，启动元件灵敏度不足。通常采用稳态量故障特征电量如来作为辅助启动元件。轻微故障时他们在故障发生后需要经过

5、较长的时间才能启动，不能满足超高压系统快速性的要求。2 基于三相采样值启动方案的原理分析正常运行时，三相电流是对称的。设任意时刻的三相电流采样值为：其中为相电流峰值。这样对于任意时刻，均有：，三相对称无零序。对称的三相电流同时刻的三相采样值，等同于一相电流的三个采样值，其采样间隔为电角度。当然可以用三点采样值算法1计算其有效值，由三点采样值计算公式知：即： （3）虽然（3）式基于三点采样值算法推得，实际上将（2）式带入（3）式的左边，同样可以得到：由于，三相电流具有轮换对称性，可以推得：（4）即任意时刻三相采样值，其中一相采样值的平方减去另两相采样值之积所得的差为一常数。这个结论只假设了三相是

6、对称的，与频率无关。也可以将（4）式改写为（5）正常运行时，（5）式理论上是相电流有效值平方成正比的常数，可以认为只有恒定分量，无交变分量。在实际系统中，线路的换位不完全等不对称因素，使得三相电流不是绝对对称，实际三相电流可以表示为：式中：分别为电流峰值，角频率和初相角；下标1、2和0分别为正序、负序和零序。将（6）式代入（5）式，有：（7）由于正常运行时，系统中负荷电流三相不完全对称，三相电流存在负序、零序分量。但此电流负序分量较小，其角频率由电源角频率决定，与正序电流角频率大小相同，方向相反。式（7）为较大的恒定分量上叠加两倍频变化的较小交变分量。在故障的暂态过程中正序电流幅值不再恒定，并

7、且出现了较大的负和零序电流，使得（5）式产生较大的交变分量。在实际使用中，为了减小负荷电流对启动灵敏度的影响，电流启动元件选用有效地滤除恒定分量，提取交变分量的判据。因此我们采用类似于相电流突变量计算方法，这样启动元件具体判式为：（8）其中：比起（4）式，采用三相同时刻采样值启动综合计算结果，虽然消去了故障的零序电流会降低灵敏度，但是有效地也抑制了共模干扰，同时计算量小。在正常负荷波动不大和振荡周期不太短的的情况下。考虑了三相电流实际存在不对称、电流互感器的特性差异以及计算等引起的误差，设定一启动门槛值。的整定要求躲开负荷波动和振荡时最大的不平衡输出。正常运行不等式（8）左边为零，给出恰当定值

8、，三相同时刻采样值启动元件可靠不动。无故障全相振荡时，由于启动判据与频率无关，只与振荡电流的包络线有关。只要振荡周期不是太短也不启动。故障的暂态过程中，正、负和零序电流不再恒定，使得式（8）产生交变分量。即使是完全同时性三相短路，由于三相电流相角互差，受三相电流中衰减直流的影响，在其过渡过程中必然存在不对称过程。另外故障后三相电流的幅值不可能与故障前相同。因此三相同时刻采样值启动元件能可靠启动。考虑到突变量启动元件来反应故障存在缓慢发展性故障灵敏度不足的缺点，采用三相同时刻采样值元件瞬时值启动作为辅助启动元件。具体判别式如式（9）： (9)的整定考虑躲开正常运行情况下的最大负荷电流的幅值。这样

9、对于发展性故障，稳态量故障特征电量可能最大需要延时一个周波才能启动；而三相同时刻采样值启动元件只要电流的幅值一满足启动条件，就能可靠启动。这对于防止故障继续发展和快速切除十分必要。3 EMTP仿真和动模试验3.1EMTP仿真本文利用ATP电磁暂态仿真程序，按照分布参数建立了一条340公里长的500kV线路模型，如图1所示。按照空载线路工频过电压系数不超过的原则，考虑了大、中、小三种系统阻抗，电源电势角差考虑了从0 90均匀分布的四种。对接地故障考虑了从0300的10种过渡电阻，故障方式考虑了单相接地、两相短路、两相接地、三相短路四类共十种故障。从S母线至D母线设了1个外部故障点，在MS线路始端

10、、线路中点和线路末端设置了3个内部故障点。对于每一种运行工况，一个短路点计算的故障情况有400种。总共计算了5101种故障情况。模型暂时没有考虑系统振荡的情况。图1 500KV系统ATP仿真模型具体参数如下：系统阻抗一： Zm1Zm0=0.5595+ 系统阻抗二： Zm1=0.4225+ Zm0=0.1865+ 系统阻抗三： Zm1=2.374+ j187.73Zm0=1.047+ 线路分布参数：正序： R1/KmXL=0.2783/KmYc/Km零序： R0=0.195/KmXL=0.6946/KmYc=2.82/Km注：以下图中分别为A、B、C三相电流；分别为三相采样值启动元件电流和A、B

11、、C三相电流突变量启动元件电流。仿真分析和计算表明：1)在正常情况下等于线路负荷电流，为一恒定值；三相同时刻采样值启动元件为接近零的小值。2)发生故障后三相对称条件被破坏，启动元件反应了故障电流的大小。故障（即使三相对称性故障）的暂态过程中三相电流同时存在正序和负序电流，使得三相同时刻采样值启动元件可靠启动(如图2、3所示)。相对于常规相电流启动元件仅反应本相的故障信息，三相同时刻采样值启动元件同时利用三相故障信息，因而能够更灵敏和准确地反应故障引起的突变。对于多相故障（即使是三相同时刻故障），三相同时刻采样值启动元件的灵敏度高于常规相电流启动元件（如图2）。（a）三相电流(b)启动元件计算结

12、果图2线路末端三相经10接地故障3）三相同时刻采样值启动元件可以可靠、灵敏地反应所有故障。对于单相经大过渡电阻接地，不需要增加辅助判据。规程要求500kV系统发生故障电流大于300A或者过渡电阻小于300的线路故障，保护应能够灵敏地反映。下面给出两侧电源电势角差为600重负荷情况下340kM线路N侧出口经300过渡电阻A相接地故障不同故障合闸角（以电压为参考）的仿真计算结果：(a1)(b1)(a2)(b2)(a3)(b3) (a4)(b4)图3线路末端A相经300接地故障（a）三相电流 (b)启动元件计算结果(1)(2)(3)和(4)合闸角分别为0o、30o、60o和90从图(3)可以清楚看出

13、：在重负荷情况下发生单相接地故障，故障相电流变化较小。此时若采用常规的相电流突变量启动元件，灵敏度可能难以满足要求；三相采样值启动元件峰值和变化增大，两者的区别非常明显。此时采用三相同时刻采样值启动元件，可以灵敏地启动。由式（7）知：三相同时刻采样值启动元件出现以两倍频变化的分量，而常规相电流启动元件在故障时以基频变化。这样三相同时刻采样值启动元件受故障合闸角的影响较常规相电流启动元件小。由图(3)可以：故障的暂态过程中，三相同时刻采样值启动元件变化的幅度和陡度明显高于常规相电流突变量启动元件，有利于启动时刻的准确判别。这对于超高压线路暂态快速保护是至关重要的。4）实际系统频率并不是稳定的50

14、HZ，这样相电流突变量元件在实际应用中必须考虑系统频率偏差的最大不平衡输出。而三相同时刻采样值启动元件则完全不受频率偏差的影响。考虑到运行规程中规定允许最大频率偏差为2HZ。EMTP仿真当系统频率为48HZ，三相对称运行时三相同时刻采样值启动元件和常规相电流突变量启动元件的不平衡输出，如图4所示。（a）(b)(c)图4f=48HZ，三相对称运行（a）三相电流 (b)三相电流启动元件计算结果(c)三相同时刻采样值电流启动元件计算结果由图(4)可知：当系统频率不等于50HZ时，相电流突变量元件有不平衡输出，其最大输出与实际频率与基频偏差的大小、负荷电流的大小要关。三相同时刻采样值启动元件的输出为零

15、(图4中微小的不平衡输出是由计算误差造成的)。3.2动模试验为了便于对振荡和振荡中发生故障情况下启动元件的特性进行分析，我们在华中科技大学动模实验室中进行振荡实验，动模实验具体接线如图5。图5动模实验接线振荡中心落在单机与无穷大系统之间的340kM线路上。动模试验振荡周期大约为200ms，比实际系统最快振荡快一倍，因此对启动元件的考验更为严格，其最大不平衡比实际系统要大。以下数据为电科院录波装置的动模实录数据。三相同时刻采样值启动元件在正常运行时与常规相电流突变量启动元件相似，为一接近零的小量。其波动的幅度取决于负荷变化的陡度，而与负荷本身大小无关。全相振荡过程中，三相电流幅值波动，但其对称性

16、没有破坏。由式（7）知：三相同时刻采样值启动元件与常规相电流突变量启动元件相似，有一个较小的输出值。最大输出幅度的大小取决于三相振荡电流的最大变化率。由于相电流突变量启动元件的不平衡输出受频率变化的影响，在振荡时还必须考虑电流频率波动对不平衡输出的影响。因此三相同时刻采样值启动元件振荡中的最大不平衡输出比常规相电流突变量启动元件小，如图6所示。（a）(b)(c)图6振荡（a）三相电流 (b)三相电流启动元件 (c)三相同时刻采样值电流启动元件整定时应考虑躲开系统最短振荡周期时的最大不平衡输出。在实际应用中，三相同时刻采样值启动元件整定可以参考常规相电流突变量启动元件，前者定值可以整定略低于或等

17、于后者。如在动模中常规相电流突变量启动元件需整定为0.3A才能躲开振荡，而三相同时刻采样值启动元件只需整定0.2A就可以保证振荡不启动。（a）(b)(c)图7振荡中发生A相接地故障（a）三相电流 (b)三相电流启动元件 (c)三相同时刻采样值电流启动元件（a）(b)(c)图8振荡中发生BC两相故障（a）三相电流 (b)三相电流启动元件 (c)三相同时刻采样值电流启动元件（a）(b)(c)图9振荡中发生三相故障（a）三相电流 (b)三相电流启动元件 (c)三相同时刻采样值电流启动元件图（7）、（8）和(9)分别表示振荡中发生单相接地故障、相间故障和三相故障时三相电流、相电流突变量启动元件和三相同时刻启动元件的波形。振荡中故障情况下，相电流突变量启动元件的峰值与振荡最大不平衡输出相近，启动灵敏度不足。而三相同时刻启动元件则在故障发生时刻有较大的输出，在启动定值整定为0.2A情况下仍能够可靠启动。4 结论本文针对现有保护启动判据的不足，结合三相同时刻采样值的特点，提出了一个基于三相同