基于零序电流补偿的零序过电压保护方案

基于零序电流补偿的零序过电压保护方案

0馈线接地保护最常见的系统电源连接错误。国内外许多配电网用中性点不直接接地方式,单相接地故障时,使流过接地点的电流很小。这样,虽运行设备受到故障冲击的概率降低可靠性得到提高,但增加了由电流特征辨别发生故障线路的难度。传统的小电流接地系统的故障选线方法有注入信号法、基波或谐波零序电流的大小和方向故障选线、零序有功功率等。现有了小波分析等检测电流暂态特征的故障选线。传统方法需集中比较各条出线的零序电流大小或相位,使仪器接线复杂,且现场运行可靠性不高。为此出现了一些新方法,如文为实现基于就地测量的馈线接地保护提供了新的思路,但在具体实施时可能会有困难,如负序过流保护,整定时需要避开健全线的最大负序电流,在配电系统中因各条线路所带负荷可能变化很大,整定工作相当繁琐,且保护的灵敏度不高;文提出了基于负、零序基波电流大小的接地保护,对负、零序电流保护设置精工电流门槛,和当负、零序基波幅值均大于门槛时,启动接地保护。接地保护采用反时限特性,在一定程度上具有了自适应的特点。因采用基波电流作为判断依据,当发生故障时,如消弧线圈工作在谐振点附近,保护处分配的负序电流很可能远小于精工电流,导致保护灵敏度不足或失去选择性。另外,在不同补偿方式下,保护处观测到的负、零序电流大小可能存在很大差别,用同一个过电流定值无法适应实际系统的要求。故提出一种新的零序电流补偿零序电压的自适应接地保护。1反时限保护原则komp故障点产生的零序电流流向电源和负载,流向电源的零序电流在公共母线处再次分配,分别流向电源和健全线路。在高频暂态情况下,消弧线圈的补偿作用可忽略,故障支路仍可能有相当可观的暂态电流,并在零序网中分配。暂态过程可看成一个复杂的波过程。在故障线入射波抵达母线并透射到系统和健全线路的初始波过程中,故障线的入射波幅值最大,其幅值等于健全线路透射波幅值的总和。故故障线路上的零序暂态电流最大,可通过比较单相接地故障时各出线零序电流的大小即可构成接地保护。但集中式比较的方法难以与馈线保护结合为一体并在开关柜上就地安装,需要寻找新的思路。另希望故障严重时(金属性接地故障),保护能够尽快动作,而轻微故障时,可由恰当的延时保证选择性。显然,零序电压的大小正是这样一个指标,采用图1中的反时限特性即可实现上述目的。当零序电压越限后,保护的动作时间特性满足图1曲线1,此段采用以下的反时限特性:top=τ0/(U0/U0set-1)α,(1)top=τ0/(U0/U0set−1)α,(1)式中:top为动作时间,U0set为零序过电压定值,U0为测量到的零序电压,时间常数τ0和反时限函数指数α按2个原则确定:①当U0set<U0≤1.1U0set时,动作时间为60s;②当U0=Uphas(相电压)时,动作时间为5s;当U0>Uphas时,动作时间固定为5s。实际单相短路故障时,理论上不可能出现U0>Uphas。但一般按额定电压整定Uphas,系统轻载时,相电压可能要略高于额定电压,导致U0>Uphas。考虑U0set=0.1Uphas,由此制定曲线1。根据上述原则τ0和α分别为50和0.068s。因系统中任何一点发生单相接地故障,各条馈线观测到的是同一个零序电压,故保护的选择性是由定义的前补偿电压Uprec=I0Xset来实现,I0是零序电流的模值,Xset是补偿电抗,其整定原则后论。对于连接于同一母线的所有馈线而言,Xset都取同一整定值。引入Xset主要目的是将电流大小的比较转化为电压比较,将比较的结果用于修正各条线路零序过电压保护的动作时间,实现保护的选择性,回避了比较各条线路零序电流需集中采集困难,将幅值比较转换为时间比较,根据本线路保护自己的采集电量就可间接实现零序电流幅值比较,动作时间的不同又可确保保护的选择性。Uprec基于零序电流的大小,故障线路的Uprec远高于非故障线路,有望用Uprec实现选择性接地保护。为此需定义复合补偿电压Ucomp=U0+Uprec和补偿系数Kcomp=U0/Ucomp。可见故障线路的补偿系数明显小于非故障线路,可采用Kcomp修正式(1)中的标准反时限特性:t′op=Κcompτ0/(U0/U0set-1)α。(2)t′op=Kcompτ0/(U0/U0set−1)α。(2)对不同的补偿系数,过电压保护的反时限动作特性相对标准特性有不同程度的向下偏移,见图2曲线1,作为比较补偿效果的参考。按式(2),对应于同一U0,补偿系数大,即零序电流小的线路,保护动作时间相对较长,对应图2中的曲线2,补偿系数小,即零序电流大的线路,保护动作时间相对较短,见曲线3。故故障线路的保护一定最先动作。当故障线路被正确切除后,故障消失,零序过电压元件返回,所有健全线路的保护均复归保证了保护的选择性。且故障电流越大,U0越高,动作时间越小,故本保护具有自适应特点。故障时故障线的零序电流幅值应大于各条健全线的零序电流幅值,考虑用暂态零序电流作为补偿的基量。虽在故障线入射波抵达母线并透射到系统和健全线路的初始波过程中,健全线和故障线的暂态波不仅幅值有差别,极性也有明显的区分。考虑经济性装置的AD采样率不宜过高,建议取每周波约96点。这样,初始波头的信息可能失去,故极性的信息就变得不可靠无法利用。但后续波过程的幅值基本由初始波决定,虽极性信息不确定,但暂态过程是一个高频振荡的过程,捕捉到的幅值信息仍可信,且大部分情况下,其模值要远大于其稳态值。为此提出一种基于补偿的自适应保护原理。故障发生(零序电压越限)后,各条线路的保护采集记录一段时窗内数据,继而合成I0和U0,并计算出U0的基波幅值。对I0找出其中绝对值最大的采样值I0max乘Xset得出Uprec。算法的时窗长以充分考虑包容暂态过程中出现最大的采样值为宜,仿真表明,I0max采样值都出现在故障后的首个周波内,可在首个周波里取最大值。考虑到保护在实际运行中因各种干扰的存在,有可能使非故障线路I0绝对值最大的采样值大于故障线路而造成误判。为此提出改进措施:在首个周波时窗内,先选出采样点的最大绝对值。以最大值的70%作为门槛,数据窗内绝对值越过该门槛的采样点都参加有效值运算,上述计算在本文中定义为I0暂态有效值。在用微机实现保护时,假定一个周波的采样点数为N,绝对值最大的采样点为i0max,以0.7|i0max|为门槛,挑选1～N个采样点,将所有绝对值>0.7|i0max|的采样点形成一组新的采样序列{i0k},假定序列长度为N1,则I0暂态有效值定义为:Ι0t=√Ν1∑k=1i20k。(3)I0t=∑k=1N1i20k−−−−−ue001⎷ue000ue000。(3)对于因各种干扰产生的健全线最大采样值大于故障线的情况,该虚假最大值点更有可能是孤立点,即其他采样点要远小于该点,而对于真正的故障线,在最大采样值的邻域,一定还有大小可比的采样点,用式(3)表述平均技术后,判别的可靠性加强。至于Xset其大小并不重要,只要所有的线路取相同的定值即可。根据理论分析和仿真试验结果,可考虑利用线路的零序导纳参数进行整定。不妨令其等于所有线路零序电容容抗。在选取了合适的τ0和α后,仿真结果证明,该整定值可适应各种工况下各种故障条件的要求。故本方案的基本流程为:据式(3)算出I0后,结合母线的U0及式(2)修正零序过电压保护的标准反时限动作特性,使I0t最大的线路最先动作,切除故障,然后健全线路的保护返回,选择性得到保证。2故障线路时间差仿真结果图3为用EMTP仿真分析一10kV配电网的典型算例,根据中性点接地方式、补偿度、故障点、故障接地方式、故障过渡电阻和负荷的不同等得到大量数据。系统电源110kV;变压器Y/Δ接线,110/10.5kV;线路所带负荷同为ZLd=240+j180Ω,C0=0.006μF/km。根据该配网参数,可算出配网侧相电压为6kV,线路总等效容抗为4244Ω,根据上述整定原则,可确定动作门槛和整定电抗分别为600V和4244Ω。以下面的一个算例为例,利用图例验证所提算法,由于本算法并不基于电流的波开特征,且篇幅有限,其他的仿真结果不再用图例给出。算例:过补偿8%,Rf=1kΩ,故障点距离保护安装处26km,合闸角为50°。在所设故障条件下,5条线路的I0见图4。可见故障线路I0最大瞬时值要明显大于各条健全线的最大I0瞬时值,经过式(3)的有效值运算后,I0暂态有效值也最大,求得对应的动作时间也最短,为7.9072s,而健全线路最快时间14.322s。显然这个时间差足以保证故障线路的断路器可靠切除故障或向相邻线路发出闭锁信号。当采用跳闸模式时,跳闸后零序过电压元件返回,健全线的保护不动作,当用告警模式时,故障线路保护发送的闭锁信号可在其他线路保护延时到达之前送达,保证只有故障线的保护发信号。改变系统和故障参数,仿真1000多例各种单相短路故障的结果表明,过补偿20%并存在5Ω接地的故障条件下,故障线路保护动作时间和健全线路最短的保护动作时间最为接近,为842ms,这个时差应当足够保证保护的选择性,确认故障线。另外,通过调整反时限动作特性曲