双回线单端保护的改进

双回线单端保护的改进

0双回线单端手术车辆运行模型的建立同一杆和双回路的传输能力大，占用输出走廊狭窄，投资方便，提高重要线路的可靠性，并将越来越多地应用于电网。双回线的单端保护不需要纵向通道,既简化了保护又节约了投资。而双回线在发生故障时有更多可利用的电气量信息,所以双回线单端相继速动保护研究既有意义也是可行的。本文分析了现有双回线单端保护的优缺点以及两回线间零序互感对接地距离继电器的影响,并以此为基础提出了几个改进元件,共同组合构成新的双回线单端相继速动保护判据。新判据弥补了现有双回线单端保护的一些不足,很好地实现了快速保护双回线系统的功能。1电流平衡保护现有的双回线单端保护有距离保护、各种横差保护、无通道相继速动保护等,它们都各有优缺点。三段式距离保护动作可靠、受系统运行方式的影响较小,在双回线系统单回运行时依然可以使用,且能反应于区外故障,对相邻元件有后备保护功能。但在线路一端母线出口处发生故障时,远故障端保护要以距离Ⅱ段延时跳闸,从而对系统不利,且发生接地故障时两回线间零序互感会影响接地距离继电器,使接地距离保护的范围缩小或产生超越。零序横差保护整定计算简单,易于实现,且动作灵敏度高,但只反应于不对称接地短路故障,对于区内发生的不接地短路故障以及对称短路故障都不能做出反应,另外也不能反应于双回线跨线故障。电流平衡保护的原理简单可靠,但将其用于背后无电源也无接地中性点的线路一端时会拒动。横联电流方向差动保护同时适用于电源侧及负荷侧。系统双回线运行时,两回线的相间差流能准确表明是否发生区内故障,受系统振荡及短路过渡电阻的影响很小,但在选择故障线时有时会误跳健全线(如某回线一相断线,且断线相再接地时可能会误跳健全线)。横联阻抗差动保护在原理上与横联电流方向差动保护类似,整定相对来说较简单,且保护范围比横联方向差动保护长,但在发生跨线故障时保护性能会恶化,可能拒动。上述几种横差保护均不能反应于同名跨线故障,这是横差保护原理上的缺陷。另外,横差保护只在双回线运行时才能投入,一旦系统处于单回运行状态,就要及时退出,否则可能会导致保护的误动。双回线无通道相继速动保护在现有微机保护中已有相应模块来实现。利用本回线距离Ⅱ段动作、邻线距离Ⅲ段先动作再返回来实现相继速动,该保护以三段式距离保护为基础,在大部分情况下能实现全线范围内单回线故障的相继速动,但用于弱馈系统,且系统强电源侧母线出口处发生两相短路或对称故障时,故障线上弱馈侧的保护可能拒动。不对称相继速动保护也可用于双回线,利用不对称故障时近故障侧跳开后负荷电流的消失来实现相继跳闸,但该保护只能实现相继跳闸,且不能反应于三相对称故障。2区内故障识别由于双回线(特别是不带分支的同杆并架双回线)的特殊性,两回线间参数较对称,线路正常运行或发生区外故障时,两回线上的同名相电流几乎相等。只要两回线某一相差流较大,就可判为区内故障,据此可识别出除同名跨线故障外的其他区内故障。这对实现双回线单端相继速动保护很有利。2.1同组合的发展分析根据以上分析,在南瑞继保公司RCS-943AM硬件基础上,将同一端的2台保护用光纤互连,并进行同步采样,根据“双回线区内发生故障时,两回线的某一相差流会比较大”这个特征,引入横差保护和不对称相继速动保护的原理,再依据线路电气量特征和三段式距离保护的动作情况,形成几条有利于保护在特殊情况下快速动作的判据,并与三段式距离保护及双回线无通道相继速动保护一起,共同组合形成双回线单端相继速动保护的新判据,其逻辑框图如图1所示。判据1:独立的三段式距离保护。判据2:若保护距离Ⅲ段启动或其他保护跳闸则向本地邻线保护发送闭锁信号闭锁其距离Ⅱ段相继速动跳闸元件。距离Ⅱ段保护相继速动跳闸的条件为:①距离Ⅱ段启动;②收到邻线发来的闭锁信号后又返回;③距离Ⅱ段启动后经过小的延时不返回。判据3:若某相差流元件动作,且邻线差流动作相有电流,至少有一相低电压,保护启动后先是三相有电流而后任一相无电流,则加速保护动作于跳闸。判据4:若某相差流元件动作,且邻线差流动作相有电流,本线距离Ⅱ段达到动作值而邻线距离Ⅱ段未达到,则加速本线距离Ⅱ段快速动作于跳闸。判据5:若某相差流元件动作,且该相差流大于该侧差流最大值的0.7倍,另外,本线该相电流幅值大于邻线该相电流幅值,则向邻线保护发送“异名跨线不接地故障辅助动作允许信号”;本线保护发出“异名跨线不接地故障辅助动作允许信号”,且又收到邻线保护传来的该信号,则保护动作于跳闸。差流元件的启动条件为:通道正常,保护启动后的一段时间内邻线任一相有电流且开关不处于跳位,则差流元件启动且延时展宽400ms左右,一旦通道异常,则差流元件立即闭锁。只有差流元件启动且某相差流达到动作整定值,该相差流元件才能动作。2.2u2009邻线零序电流的补偿鉴于已将同端2台保护用光纤互连,针对两回线间零序互感对接地距离继电器产生的影响,可通过自适应引入邻线零序电流补偿来解决。针对一回线运行、另一回线两端挂地检修的运行状态,其零序等效电路如图2所示。将原本引入接地距离继电器的工作电流˙Ιp=˙Ιφ+ΖL0-ΖL13ΖL13˙Ι01(1)I˙p=I˙φ+ZL0−ZL13ZL13I˙01(1)改为:˙Ιp=˙Ιφ+ΖL0-ΖL13ΖL13˙Ι01+Ζm03ΖL13˙Ι03(2)I˙p=I˙φ+ZL0−ZL13ZL13I˙01+Zm03ZL13I˙03(2)式中:ZL1和ZL0分别为线路全长L对应的正序、零序阻抗;Zm0为两回线间的零序互感。运行线路发生接地故障,检修线路中的零序电流通过两回线间零序互感对接地距离继电器产生影响,该零序电流不能测得,所以保护得到的测量阻抗不仅有故障阻抗,还包括一个附加阻抗:ΖFJ=kΖL1Ζm03ΖL13˙Ι03˙Ιφ+ΖL0-ΖL13ΖL13˙Ι01(3)ZFJ=kZL1Zm03ZL13I˙03I˙φ+ZL0−ZL13ZL13I˙01(3)文献中已经提出了一种在此情况下自适应引入邻线零序电流补偿的措施,假设故障发生点离M侧母线的距离为kL,由此时的零序等效电路得:˙Ι03=-Ζm0ΖL0[k˙Ι01-(1-k)˙Ι02](4)I˙03=−Zm0ZL0[kI˙01−(1−k)I˙02](4)且有:˙Ι02˙Ι01=ΖΜ0ΖL0+k(Ζ2L0-Ζ2m0)ΖΝ0ΖL0+(1-k)(Ζ2L0-Ζ2m0)(5)I˙02I˙01=ZM0ZL0+k(Z2L0−Z2m0)ZN0ZL0+(1−k)(Z2L0−Z2m0)(5)以保护范围末端(例如指定k=0.85)求出补偿系数,将k=0.85代入式(5)再代入式(4)可求得˙Ι03(0.85)I˙03(0.85),以该值代替实际的邻线零序电流,则会产生一个附加阻抗:ΖFJ´=kΖL1Ζm03ΖL13(˙Ι03-˙Ι03(0.85))˙Ιφ+ΖL0-ΖL13ΖL13˙Ι01+Ζm03ΖL13˙Ι03(0.85)ZFJ´=kZL1Zm03ZL13(I˙03−I˙03(0.85))I˙φ+ZL0−ZL13ZL13I˙01+Zm03ZL13I˙03(0.85)根据双回线系统参数的不同,对于M侧系统,如果ZM0/(ZM0+ZN0)<0.85,则故障发生在线路末端时,自适应引入邻线零序电流进行补偿,与不进行这种补偿相比,所得到的测量阻抗将更接近实际故障阻抗,且ZM0/(ZM0+ZN0)越小,该现象越明显。而如果ZM0/(ZM0+ZN0)>0.85,故障发生在线路末端时,2种情况下所得到的测量阻抗的偏差不大,不进行补偿情况下测量阻抗的偏差相对更小些。鉴于系统零序阻抗的不确定性,综合考虑,自适应引入邻线零序电流补偿效果更好。此时,ZM0由保护安装处的零序电压和零序电流自适应计算得到,ZN0取可能的最大值,这样使邻线两端挂地检修情况下,线路末端故障时,接地距离继电器的测量阻抗偏差变小。2.3新保护试验的性能2.3.1分析方法bk4处保护接地距离继电器中自适应引入邻线零序电流补偿后,除系统区内发生跨线不接地故障外,其他情况下距离继电器都能正确反应于故障点位置,因此,基础判据1和判据2相配合可很好地实现双回线运行系统一回线上金属性短路故障的相继速动,针对弱馈系统强电源侧母线出口处(见图3所示F点)发生的两相相间短路及三相对称短路故障,由于N侧系统太弱,无法为线路提供故障电流,流过断路器BK4的电流由M侧系统提供并流向故障点F,所以BK4处保护认为是反方向故障,其相间距离Ⅲ段一直不动作,导致BK2处保护的无通道相继速动保护判据失效,但判据3和判据4可以弥补这一不足。如图3所示,假设F点发生BC相间短路故障,则BK1处保护距离Ⅰ段会快速动作于断路器跳闸,之后电流均由M侧电源提供,经Ⅱ回线流向故障点F,使N侧两回线间的相电流差值增大,达到差流元件动作值,Ⅰ回线N侧先三相有电流后A相无电流,所以BK2处保护依据判据3相继动作于跳闸。若图3中F点发生三相短路故障,BK1断开后,N侧相间差流增大,差流元件动作,且此时BK2处保护的距离Ⅱ段动作,BK4处保护的距离Ⅱ段不动,由判据4,BK2处保护也能相继动作跳闸。综上所述,通过前4条判据可实现双回线运行系统一回线上故障的全线相继速动。另外,针对线路上发生的异名跨线接地故障(有一回线上发生三相短路的情况除外),近故障端保护以距离Ⅰ段瞬时动作跳开断路器,则远故障端保护可依据判据3实现相继动作。发生同名跨线故障时,两回线间的差流很小,只能由三段式距离保护实现故障跳闸。双回线系统处于单回运行状态时,差流元件闭锁,后4条判据失效,也只能由三段式距离保护实现此时的故障跳闸。2.3.2同序网正序一种特性在接地距离继电器中自适应引入邻线零序电流进行补偿后,针对区内发生的大部分金属性短路故障,距离继电器都能正确测量故障阻抗,但发生跨线不接地故障时,因为线路上仅有零序电流没有零序电压,所以接地距离继电器和相间距离继电器都不能正确测量实际的故障阻抗。在接地距离继电器中引入邻线零序电流补偿的前提下,用六序分量法分析两异名相跨线不接地故障。以ⅠB-ⅡC为例,由文献可知,不计及负荷电流影响时,相间距离继电器和接地距离继电器的测量阻抗会在实际故障阻抗的基础上产生一个附加分量,以图3中M侧测量附加阻抗为例:ΖJBCⅠFJ_Μ=2Ζ0Σf+Ζ1Σf3C1Μt=k(1-k)3C1Μt[1+2(ΖL0-3Ζm0)ΖL1〗ΖL1ΖJBⅠFJ_Μ=-ΖJCⅡFJ_Μ=-jk(1-k)[ΖL1+2(ΖL0-3Ζm0)]+3Ζ1Σt3√3[C1Μt+(1-2k0+2k0′)C1Μf]式中:C1Mt和C1Mf分别为正序同序、反序网M侧的分配系数;k0为零序补偿系数;k0′=Zm0/(3ZL1);Z0Σf和Z1Σf分别为反序网的零序、正序总阻抗;Z1Σt为同序网的正序总阻抗。如计及负荷电流的影响,会使送电侧相间测量附加阻抗相角减小,而受电侧相角增大;送电侧接地测量附加阻抗相角减小,而受电侧相角增大。具体如图4所示。经理论分析和实例验证可得,线路上发生两异名相跨线不接地故障时,两端保护的相间测量阻抗随系统参数不同而不同,因而有以下结论:1)当两回线间的零序互感约为线路零序阻抗的0.4倍时,保护的测量阻抗与实际的故障阻抗偏差不大,则除下一端母线出口处发生故障时距离Ⅱ段动作外,其他情况下距离Ⅰ段动作。2)当两回线间的零序互感Zm0较小(比0.4ZL0小较多)时,系统的测量阻抗幅值比实际的故障阻抗偏大,且Zm0值越小,偏差越大。3)当两回线间的零序互感Zm0较大(比0.4ZL0大较多)时,系统的测量阻抗幅值比实际的故障阻抗偏小,且Zm0值越大,偏差越大,会使相间距离继电器的测量阻抗从反方向超出距离Ⅰ段、Ⅱ段动作整定圆,特别是故障发生在线路母线出口处时。4)一侧系统的正序阻抗较线路正序阻抗和另一侧系统正序阻抗越大(即系统的弱馈侧),该侧的测量阻抗与实际故障阻抗的偏差越大,弱馈系统强电源侧的测量阻抗接近于实际故障阻抗。线路上发生两异名相跨线不接地故障时,接地测量阻抗随系统参数不同而不同,因而有以下结论:1)故障点离保护安装处越远,保护测量阻抗产生的附加分量幅值越大,使测量阻抗偏移实际的故障阻抗越大。2)系统的正序阻抗相对于线路的正序阻抗越小,则接地测量阻抗的偏差越小;一旦系统的正序阻抗与线路正序阻抗相近,甚至大于线路正序阻抗时,线路上任一点发生跨线不接地故障,接地距离Ⅰ段、Ⅱ段均不能动作;系统的正序阻抗相对于线路的正序阻抗较小(不及线路正序阻抗的一半),则在一端线路出口处发生故障时,保护的接地距离Ⅰ段可能动作,故障点越远离保护安装处,得到的接地测量阻抗越大,慢慢超出距离Ⅰ段保护范围,甚至超出距离Ⅱ段保护范围。通过上述结论可知:双回线上发生两异名相跨线不接地故障,在线路两端电源的正序阻抗相对于线路的正序阻抗都不是很小时,两端保护的接地距离Ⅰ段均不能动作,如果此时两回线间的零序互感与0.4倍线路零序阻抗相差较大,则故障发生在线路中间或者弱馈侧母线出口处时,两端保护的相间距离Ⅰ段也不能动作,这种特殊情况下,两端保护都不能实现快速跳闸,只能依靠距离Ⅱ段实现线路跳闸,这对系统非常不利。判据5是跨线不接地故障情况下的补充判据。由六序分量法分析区内的ⅠB-ⅡC故障,可得到以下电流表达式:|ΙΜBⅠ-ΙΜBⅡ|=|ΙΜCⅠ-ΙΜCⅡ|=2√3(1-k)|i1t|(6)ΙΜBⅠ=-ΙΜCⅡ=-j√3(C1Μt+C1Μf)i1t(7)ΙΜCⅠ=-ΙΜBⅡ=j√3(C1Μt-C1Μf)i1t(8)式中:IMBⅠ和IMCⅠ分别为Ⅰ回线流过M侧保护的B,C相电流;IMBⅡ和IMCⅡ分别为Ⅱ回线流过M侧保护的B,C相电流;i1t为线路的正序同序电流。由式(6)～式(8)可得到:只要不是对端母线出口处故障,两回线故障相的差流都较大,足以使故障相差流元件动作,且C1Mf>0,所以有|IMBⅠ|>|IMBⅡ|,|IMCⅠ|<|IMC