三相同時刻采樣值啟動元件判據(jù)3.doc

三相同時刻采樣值啟動元件柳煥章 李曉華（華中電力集團(tuán)公司 華中科技大學(xué)電力系）摘要：電力系統(tǒng)的發(fā)展對保護(hù)的速度提出了更高的要求，加速啟動元件的動作速度有利于提高保護(hù)裝置的動作速度。通過對現(xiàn)有微機(jī)保護(hù)裝置啟動元件的分析，提出了基于三相同時刻的采樣值的啟動新算法。EMTP仿真和動模試驗表明：這種算法具有不受系統(tǒng)頻率偏差和共模干擾的影響和能靈敏的反映各種故障類型的優(yōu)點。關(guān)鍵字：微機(jī)保護(hù) 啟動元件 采樣值70 問題的提出隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，輸電線路的電壓等級和輸送容量逐步提高，由輸電線路故障所造成的損失也越來越大?？焖偾谐旊娋€路故障是保證電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的投資少、收效大的措施。加速啟動元件的動作速度，將有利于提高整組保護(hù)裝置的動作速度。啟動元件要求對所有各種類型的故障都應(yīng)能快速、靈敏地反映。微機(jī)保護(hù)主要是采用電流突變量來反應(yīng)故障，它存在緩慢發(fā)展性故障靈敏度不足的缺點。通常采用故障后的穩(wěn)態(tài)電量（如：）作為輔助啟動元件。如果在故障時啟動元件不能動作，則將導(dǎo)致保護(hù)拒動，從而引起上一級保護(hù)越級跳閘，不但延長了切除故障時間影響系統(tǒng)穩(wěn)定，而且擴(kuò)大停電范圍。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和硬件水平的提高，新技術(shù)應(yīng)用于繼電保護(hù)提出快速保護(hù)和暫態(tài)保護(hù)。這對啟動元件的靈敏度和速度也提出了更高的要求。以此有必要對保護(hù)的啟動元件進(jìn)行進(jìn)一步分析，使其與保護(hù)判據(jù)密切配合，更好地保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文針對現(xiàn)有啟動元件的不足，提出利用三相電流采樣值進(jìn)行啟動判別。EMTP仿真和動模試驗結(jié)果表明：這種啟動方案具有啟動靈敏度高、不受頻率偏差的影響的優(yōu)點。1 現(xiàn)有啟動元件的分析繼電保護(hù)裝置中一般都設(shè)有啟動元件。啟動元件主要用作在正常時閉鎖保護(hù)，即使測量元件誤動也可保證保護(hù)不誤跳閘；在故障時啟動整套保護(hù)，解除出口閉鎖。這要求啟動元件對所有各種類型的故障都應(yīng)能快速、靈敏地反映。對于微機(jī)型繼電保護(hù)裝置，一般是在啟動元件啟動后才轉(zhuǎn)入故障處理程序的。啟動元件的動作表示故障的開始，只有啟動元件動作，保護(hù)才能出口；保護(hù)延時也是由啟動元件啟動后開始計時的；保護(hù)判據(jù)也可以在啟動元件啟動后才開始測量，這樣保護(hù)判據(jù)可以完全不受故障前系統(tǒng)運(yùn)行工況影響。微機(jī)保護(hù)裝置一般采用相電流突變量構(gòu)成啟動元件：式中：為工頻每周采樣點數(shù)；為三相電流采樣值。系統(tǒng)發(fā)生故障時，電流的幅值與相位發(fā)生改變，反映了相電流突變量，即相電流的故障分量。為了防止因干擾信號引起啟動元件誤動作，相電流差突變量啟動元件是在連續(xù)多點滿足相電流差值大于整定值時才啟動。相電流突變量啟動元件的靈敏度與故障類型、合閘角、過渡電阻大小以及等值兩側(cè)電源的相角差有關(guān)。對于電源電壓過零時發(fā)生的故障以及在振蕩過程中又發(fā)生的短路故障，保護(hù)的啟動時間還會加長。對于經(jīng)高過渡電阻單相接地故障，啟動元件靈敏度不足。通常采用穩(wěn)態(tài)量故障特征電量如來作為輔助啟動元件。輕微故障時他們在故障發(fā)生后需要經(jīng)過較長的時間才能啟動，不能滿足超高壓系統(tǒng)快速性的要求。2 基于三相采樣值啟動方案的原理分析正常運(yùn)行時，三相電流是對稱的。設(shè)任意時刻的三相電流采樣值為：其中為相電流峰值。這樣對于任意時刻，均有：，三相對稱無零序。對稱的三相電流同時刻的三相采樣值，等同于一相電流的三個采樣值，其采樣間隔為電角度。當(dāng)然可以用三點采樣值算法1計算其有效值，由三點采樣值計算公式知：即： （3）雖然（3）式基于三點采樣值算法推得，實際上將（2）式帶入（3）式的左邊，同樣可以得到：由于，三相電流具有輪換對稱性，可以推得：（4）即任意時刻三相采樣值，其中一相采樣值的平方減去另兩相采樣值之積所得的差為一常數(shù)。這個結(jié)論只假設(shè)了三相是對稱的，與頻率無關(guān)。也可以將（4）式改寫為（5）正常運(yùn)行時，（5）式理論上是相電流有效值平方成正比的常數(shù)，可以認(rèn)為只有恒定分量，無交變分量。在實際系統(tǒng)中，線路的換位不完全等不對稱因素，使得三相電流不是絕對對稱，實際三相電流可以表示為：式中：分別為電流峰值，角頻率和初相角；下標(biāo)1、2和0分別為正序、負(fù)序和零序。將（6）式代入（5）式，有：（7）由于正常運(yùn)行時，系統(tǒng)中負(fù)荷電流三相不完全對稱，三相電流存在負(fù)序、零序分量。但此電流負(fù)序分量較小，其角頻率由電源角頻率決定，與正序電流角頻率大小相同，方向相反。式（7）為較大的恒定分量上疊加兩倍頻變化的較小交變分量。在故障的暫態(tài)過程中正序電流幅值不再恒定，并且出現(xiàn)了較大的負(fù)和零序電流，使得（5）式產(chǎn)生較大的交變分量。在實際使用中，為了減小負(fù)荷電流對啟動靈敏度的影響，電流啟動元件選用有效地濾除恒定分量，提取交變分量的判據(jù)。因此我們采用類似于相電流突變量計算方法，這樣啟動元件具體判式為：（8）其中：比起（4）式，采用三相同時刻采樣值啟動綜合計算結(jié)果，雖然消去了故障的零序電流會降低靈敏度，但是有效地也抑制了共模干擾，同時計算量小。在正常負(fù)荷波動不大和振蕩周期不太短的的情況下?？紤]了三相電流實際存在不對稱、電流互感器的特性差異以及計算等引起的誤差，設(shè)定一啟動門檻值。的整定要求躲開負(fù)荷波動和振蕩時最大的不平衡輸出。正常運(yùn)行不等式（8）左邊為零，給出恰當(dāng)定值，三相同時刻采樣值啟動元件可靠不動。無故障全相振蕩時，由于啟動判據(jù)與頻率無關(guān)，只與振蕩電流的包絡(luò)線有關(guān)。只要振蕩周期不是太短也不啟動。故障的暫態(tài)過程中，正、負(fù)和零序電流不再恒定，使得式（8）產(chǎn)生交變分量。即使是完全同時性三相短路，由于三相電流相角互差，受三相電流中衰減直流的影響，在其過渡過程中必然存在不對稱過程。另外故障后三相電流的幅值不可能與故障前相同。因此三相同時刻采樣值啟動元件能可靠啟動?？紤]到突變量啟動元件來反應(yīng)故障存在緩慢發(fā)展性故障靈敏度不足的缺點，采用三相同時刻采樣值元件瞬時值啟動作為輔助啟動元件。具體判別式如式（9）： (9)的整定考慮躲開正常運(yùn)行情況下的最大負(fù)荷電流的幅值。這樣對于發(fā)展性故障，穩(wěn)態(tài)量故障特征電量可能最大需要延時一個周波才能啟動；而三相同時刻采樣值啟動元件只要電流的幅值一滿足啟動條件，就能可靠啟動。這對于防止故障繼續(xù)發(fā)展和快速切除十分必要。3 EMTP仿真和動模試驗3.1EMTP仿真本文利用ATP電磁暫態(tài)仿真程序，按照分布參數(shù)建立了一條340公里長的500kV線路模型，如圖1所示。按照空載線路工頻過電壓系數(shù)不超過1.4的原則，考慮了大、中、小三種系統(tǒng)阻抗，電源電勢角差考慮了從0 90均勻分布的四種。對接地故障考慮了從0300的10種過渡電阻，故障方式考慮了單相接地、兩相短路、兩相接地、三相短路四類共十種故障。從S母線至D母線設(shè)了1個外部故障點，在MS線路始端、線路中點和線路末端設(shè)置了3個內(nèi)部故障點。對于每一種運(yùn)行工況，一個短路點計算的故障情況有400種?？偣灿嬎懔?101種故障情況。模型暫時沒有考慮系統(tǒng)振蕩的情況。圖1 500KV系統(tǒng)ATP仿真模型具體參數(shù)如下：系統(tǒng)阻抗一： Zm1=1.2675+j100.2350Zm0=0.5595+ j33.6050系統(tǒng)阻抗二： Zm1=0.4225+ j33.4117Zm0=0.1865+ j11.2017系統(tǒng)阻抗三： Zm1=2.374+ j187.73Zm0=1.047+ j62.939線路分布參數(shù)：正序： R1=0.027/KmXL=0.2783/KmYc=3.99/Km零序： R0=0.195/KmXL=0.6946/KmYc=2.82/Km注：以下圖中分別為A、B、C三相電流；分別為三相采樣值啟動元件電流和A、B、C三相電流突變量啟動元件電流。仿真分析和計算表明：1)在正常情況下等于線路負(fù)荷電流，為一恒定值；三相同時刻采樣值啟動元件為接近零的小值。2)發(fā)生故障后三相對稱條件被破壞，啟動元件反應(yīng)了故障電流的大小。故障（即使三相對稱性故障）的暫態(tài)過程中三相電流同時存在正序和負(fù)序電流，使得三相同時刻采樣值啟動元件可靠啟動(如圖2、3所示)。相對于常規(guī)相電流啟動元件僅反應(yīng)本相的故障信息，三相同時刻采樣值啟動元件同時利用三相故障信息，因而能夠更靈敏和準(zhǔn)確地反應(yīng)故障引起的突變。對于多相故障（即使是三相同時刻故障），三相同時刻采樣值啟動元件的靈敏度高于常規(guī)相電流啟動元件（如圖2）。（a）三相電流(b)啟動元件計算結(jié)果圖2線路末端三相經(jīng)10接地故障3）三相同時刻采樣值啟動元件可以可靠、靈敏地反應(yīng)所有故障。對于單相經(jīng)大過渡電阻接地，不需要增加輔助判據(jù)。規(guī)程要求500kV系統(tǒng)發(fā)生故障電流大于300A或者過渡電阻小于300的線路故障，保護(hù)應(yīng)能夠靈敏地反映。下面給出兩側(cè)電源電勢角差為600重負(fù)荷情況下340kM線路N側(cè)出口經(jīng)300過渡電阻A相接地故障不同故障合閘角（以電壓為參考）的仿真計算結(jié)果：(a1)(b1)(a2)(b2)(a3)(b3) (a4)(b4)圖3線路末端A相經(jīng)300接地故障（a）三相電流 (b)啟動元件計算結(jié)果(1)(2)(3)和(4)合閘角分別為0o、30o、60o和90從圖(3)可以清楚看出：在重負(fù)荷情況下發(fā)生單相接地故障，故障相電流變化較小。此時若采用常規(guī)的相電流突變量啟動元件，靈敏度可能難以滿足要求；三相采樣值啟動元件峰值和變化增大，兩者的區(qū)別非常明顯。此時采用三相同時刻采樣值啟動元件，可以靈敏地啟動。由式（7）知：三相同時刻采樣值啟動元件出現(xiàn)以兩倍頻變化的分量，而常規(guī)相電流啟動元件在故障時以基頻變化。這樣三相同時刻采樣值啟動元件受故障合閘角的影響較常規(guī)相電流啟動元件小。由圖(3)可以：故障的暫態(tài)過程中，三相同時刻采樣值啟動元件變化的幅度和陡度明顯高于常規(guī)相電流突變量啟動元件，有利于啟動時刻的準(zhǔn)確判別。這對于超高壓線路暫態(tài)快速保護(hù)是至關(guān)重要的。4）實際系統(tǒng)頻率并不是穩(wěn)定的50HZ，這樣相電流突變量元件在實際應(yīng)用中必須考慮系統(tǒng)頻率偏差的最大不平衡輸出。而三相同時刻采樣值啟動元件則完全不受頻率偏差的影響?？紤]到運(yùn)行規(guī)程中規(guī)定允許最大頻率偏差為2HZ。EMTP仿真當(dāng)系統(tǒng)頻率為48HZ，三相對稱運(yùn)行時三相同時刻采樣值啟動元件和常規(guī)相電流突變量啟動元件的不平衡輸出，如圖4所示。（a）(b)(c)圖4f=48HZ，三相對稱運(yùn)行（a）三相電流 (b)三相電流啟動元件計算結(jié)果(c)三相同時刻采樣值電流啟動元件計算結(jié)果由圖(4)可知：當(dāng)系統(tǒng)頻率不等于50HZ時，相電流突變量元件有不平衡輸出，其最大輸出與實際頻率與基頻偏差的大小、負(fù)荷電流的大小要關(guān)。三相同時刻采樣值啟動元件的輸出為零(圖4中微小的不平衡輸出是由計算誤差造成的)。3.2動模試驗為了便于對振蕩和振蕩中發(fā)生故障情況下啟動元件的特性進(jìn)行分析，我們在華中科技大學(xué)動模實驗室中進(jìn)行振蕩實驗，動模實驗具體接線如圖5。圖5動模實驗接線振蕩中心落在單機(jī)與無窮大系統(tǒng)之間的340kM線路上。動模試驗振蕩周期大約為200ms，比實際系統(tǒng)最快振蕩快一倍，因此對啟動元件的考驗更為嚴(yán)格，其最大不平衡比實際系統(tǒng)要大。以下數(shù)據(jù)為電科院錄波裝置的動模實錄數(shù)據(jù)。三相同時刻采樣值啟動元件在正常運(yùn)行時與常規(guī)相電流突變量啟動元件相似，為一接近零的小量。其波動的幅度取決于負(fù)荷變化的陡度，而與負(fù)荷本身大小無關(guān)。全相振蕩過程中，三相電流幅值波動，但其對稱性沒有破壞。由式（7）知：三相同時刻采樣值啟動元件與常規(guī)相電流突變量啟動元件相似，有一個較小的輸出值。最大輸出幅度的大小取決于三相振蕩電流的最大變化率。由于相電流突變量啟動元件的不平衡輸出受頻率變化的影響，在振蕩時還必須考慮電流頻率波動對不平衡輸出的影響。因此三相同時刻采樣值啟動元件振蕩中的最大不平衡輸出比常規(guī)相電流突變量啟動元件小，如圖6所示。（a）(b)(c)圖6振蕩（a）三相電流 (b)三相電流啟動元件 (c)三相同時刻采樣值電流啟動元件整定時應(yīng)考慮躲開系統(tǒng)最短振蕩周期時的最大不平衡輸出。在實際應(yīng)用中，三相同時刻采樣值啟動元件整定可以參考常規(guī)相電流突變量啟動元件，前者定值可以整定略低于或等于后者。如在動模中常規(guī)相電流突變量啟動元件需整定為0.3A才能躲開振蕩，而三相同時刻采樣值啟動元件只需整定0.2A就可以保證振蕩不啟動。（a）(b)(c)圖7振蕩中發(fā)生A相接地故障（a）三相電流 (b)三相電流啟動元件 (c)三相同時刻采樣值電流啟動元件（a）(b)(c)圖8振蕩中發(fā)生BC兩相故障（a）三相電流 (b)三相電流啟動元件 (c)三相同時刻采樣值電流啟動元件（a）(b)(c)圖9振蕩中發(fā)生三相故障（a）三相電流 (b)三相電流啟動元件 (c)三相同時刻采樣值電流啟動元件圖（7）、（8）和(9)分別表示振蕩中發(fā)生單相接地故障、相間故障和三相故障時三相電流、相電流突變量啟動元件和三相同時刻啟動元件的波形。振蕩中故障情況下，相電流突變量啟動元件的峰值與振蕩最大不平衡輸出相近，啟動靈敏度不足。而三相同時刻啟動元件則在故障發(fā)生時刻有較大的輸出，在啟動定值整定為0.2A情況下仍能夠可靠啟動。4 結(jié)論本文針對現(xiàn)有保護(hù)啟動判據(jù)的不足，結(jié)合三相同時刻采樣值的特點，提出了一個基于