弱馈保护

弱馈保护（共3篇）

弱馈保护 篇1

纵联保护按照保护动作原理可分为:差动纵联保护 (比较两端全量) 、纵联方向和纵联距离保护 (比较两端逻辑量) 。在输电线路投入纵联保护情况下, 针对线路单侧有电源而对侧没有电源, 或两侧一端为大电源端、一侧为弱电源端的情况下, 在线路上发生故障时弱电一侧可能由于无法启动, 造成保护拒动。差动纵联保护能解决弱馈线路存在的问题, 即在弱馈方式下保护可以正确反映故障并快速切除, 因此无所谓弱馈功能;而纵联方向和纵联距离保护的弱馈功能适用于特殊方式下线路的弱电源侧, 可确保纵联保护达到全线速动的目的。

1 弱馈保护原理

对于环网运行的电网, 正常情况下线路两端都是强电源, 如果发生故障, 两端都会提供足够大的故障电流, 从而使纵联保护能够快速出口切除故障。但如果有一端是弱电源甚至没有电源, 线路发生故障, 强电源侧保护启动发信, 而弱电源侧保护不能启动, 所以只能靠对侧远方启动本侧发信。强电源侧保护判为正方向故障则发信, 但是由于弱电源侧保护不能感受足够的故障电流, 不足以让保护装置明确判断出是否该动作, 无法发信, 所以弱电源侧无法发信, 闭锁了两侧保护出口, 使得纵联保护不能出口切除故障。

投入弱馈保护功能, 当线路区内故障对侧保护启动发信, 由于本侧保护不能启动, 所以只能靠对侧远方启动本侧发信。对侧保护判为正方向故障则对侧发信, 由于本侧保护不能感受故障分量, 正方向元件不能动作, 无法实现保护发信, 但是由于线路故障会造成本侧母线电压下降, 满足了弱馈保护出口条件, 强迫发信, 两侧保护装置都可收信则跳闸出口, 使得故障由纵联保护切除。

2 弱馈保护动作逻辑

弱馈保护逻辑用于当保护装置背后的电源太弱以致无法起动距离保护的情况。比较两端逻辑量的纵联保护按信号类型可分为闭锁式和允许式。下面就对这两种纵联保护动作逻辑分别进行分析。

2.1 闭锁式纵联保护动作逻辑

弱馈侧保护启动时, 同时满足以下所有条件时 (弱馈侧保护不启动时, 满足 (1) 、 (2) ) , 弱馈侧保护快速停信, 可以保证强电源侧保护快速出口。

(1) 收到闭锁信号5-7ms; (2) 至少有一相或相间电压低于0.5Un; (3) 保护正方向和反方向元件均不动作。

2.2 允许式纵联保护动作逻辑

弱馈逻辑开放后, 收到允许信号同时低电压元件动作且反方向元件不动, 则瞬时跳闸, 同时将收到的允许信号回送到对侧, 以加速对侧跳闸。

弱馈侧保护启动时, 同时满足以下所有条件时, 弱馈侧保护快速发允许信号, 可以保证强电源侧保护快速出口。

(1) 收到允许信号5-7ms; (2) 至少有一相或相间电压低于0.5Un; (3) 保护正方向和反方向元件均不动作。

弱馈侧保护不启动时, 无论闭锁式还是允许式, 其原理相同, 因保护不启动, 则根本不流转故障判断程序, 也就不所谓正方向和反方向元件的动作情况, 但正常程序中可以判断电压降低情况, 故可以保证快速切除故障。

3 弱馈保护投入分析

3.1 正常方式下弱馈投入影响分析

(1) 线路两侧不允许同时投入弱馈保护。当线路远端区外发生故障时, 两侧保护可能正反向元件都不动作, 而低电压或电流条件满足, 若双端均投入弱馈保护, 可能会导致反方向侧保护误停信而使保护误动作。正常情况下, 线路单侧投入弱馈保护是没有什么后果的。

如图1, 线路AB两侧都投入弱馈, 那么若BC线路发生高阻接地或更远电气距离处发生故障, 若电流突变均达到AB保护低启动值, 未达到高启动值即未进入故障判断程序, 那么此时两侧均向对侧发闭锁信号, 但由于判断不出正方向和反方向, 故满足了弱馈停信的条件, 使得误动;若只B侧保护投入弱馈, 若发生上述故障, A侧会一直发送闭锁信号, 使得两侧均不动作, 即不会误动。

(2) 一般单回或双回线路的终端站均需投入弱馈保护, 双回线投入弱馈的原因为防止其中一条线路临时停运后, 另一条线路仍可以保证有足够的灵敏度。对于有一进一出线路的变电站, 其进线投入弱馈, 其出线一般不投入弱馈。

3.2 线路充电母线状态下弱馈投入影响分析

线路正常运行, 两侧开关在合闸位置, 一侧空充母线 (即无法提供故障电流) , 若空充母线侧未投入弱馈功能, 当发生故障时, 强电源侧判断为正方向故障而停信, 因为流过弱电源侧的故障电流不再与通常双端电源线路故障时相同, 无法提供足够的故障电流, 那么在对侧远方启信后会一直向对侧发出闭锁信号, 使主保护失去作用, 只能靠后备保护实现故障切除。若空充母线侧保护投入弱馈功能, 那么发生故障时该弱馈功能能够停信, 从而保证故障快速切除。

4 结束语

弱馈保护的功能主要用于解决终端线路故障时, 弱电源侧的保护由于故障特征不明显, 正方向元件不能动作从而导致两侧纵联保护都不动作的情况, 是电力系统继电保护中常见的问题。文章对弱馈保护的原理、动作逻辑和实际投入情况进行了总结, 对于电网调度员而言, 设备故障时保护动作情况是处理事故最重要的依据之一, 熟悉弱馈保护的工作原理, 才能在事故处理中正确地把握好处理原则, 正确处理事故。

参考文献

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[6]李萍, 熊健.弱馈投退问题的分析探讨[J].新余高专学报, 2009 (4) .

弱馈保护 篇2

关键词：零序方向,弱馈,纵联保护

0 引言

纵联零序方向保护原理简单,算法的实现非常方便,同时,灵敏度很高,抗过渡电阻能力强,实际应用中也基本不受系统振荡和正常负荷变化等因素的 影响,所以作为快速可靠切除单相金属性接地或经过渡电阻接地故障的保护,广泛配置在超高压线路保护中[1,2,3,4,5]。传统的纵联零序保护为了防止由于干扰和电流互感器不平衡引起的保护误动,必须考虑一定的零序电流门槛,但是线路两侧零序阻抗差别过大,可能导致两侧零序电流相差过大的现象。此时往往两侧的零序方向元件均能正确动作,但是由于一侧零序电流达不到动作定值,从而造成纵联零序方向保护拒动,这种现象就是零序弱馈现象,以下称零序电流达不到动作定值侧为零序弱馈侧。因此,有必要在传统的纵联零序方向保护方案的基础上进行改进,增加纵联零序方向保护的零序弱馈功能,以保证快速可靠地切除零序弱馈情况下的单相接地故障,改善纵联接地保护的性能。

1 零序弱馈现象的产生及分析

图1是双侧电源供电的单回线模型,图2是与之对应的系统零序网络示意图。

F点发生接地故障时,由图2可得故障点的系统零序综合阻抗Z0F:

${\rm Z}{}_{0F}=\frac{({\rm Z}{}_{0{\rm M}}+p{\rm Z}{}_{0\text{L}})({\rm Z}{}_{0{\rm N}}+{\rm Z}{}_{0\text{L}}-p{\rm Z}{}_{0\text{L}})}{{\rm Z}{}_{0{\rm M}}+{\rm Z}{}_{0\text{L}}+{\rm Z}{}_{0{\rm N}}}+R{}_{\text{f}}(1)$

Z0F的大小与故障点F的位置以及变压器接地中性点分布都有密切的关系。

金属性故障时Rf=0,M侧的零序电流值如下:

$\begin{array}{l}\dot{{\rm I}}{}_{0{\rm M}F}=\frac{\dot{U}{}_{0F}}{{\rm Z}{}_{0{\rm M}}+p{\rm Z}{}_{0\text{L}}}=\frac{{\rm Z}{}_{0F}}{{\rm Z}{}_{0{\rm M}}+p{\rm Z}{}_{0\text{L}}}\dot{{\rm I}}{}_{0F}=\\ \frac{{\rm Z}{}_{0{\rm N}}+(1-p){\rm Z}{}_{0\text{L}}}{{\rm Z}{}_{0{\rm M}}+{\rm Z}{}_{0\text{L}}+{\rm Z}{}_{0{\rm N}}}\dot{{\rm I}}{}_{0F}(2)\end{array}$

即$\dot{{\rm I}}{}_{0{\rm M}F}=c{}_{0{\rm M}}\dot{{\rm I}}{}_{0F}(3)$

式中:$c{}_{0{\rm M}}=\frac{{\rm Z}{}_{0{\rm N}}+(1-p){\rm Z}{}_{0\text{L}}}{{\rm Z}{}_{0{\rm M}}+{\rm Z}{}_{0\text{L}}+{\rm Z}{}_{0{\rm N}}}$,为M侧的零序电流分配系数;与之类似,$c{}_{0{\rm N}}=\frac{{\rm Z}{}_{0{\rm M}}+p{\rm Z}{}_{0\text{L}}}{{\rm Z}{}_{0{\rm M}}+{\rm Z}{}_{0\text{L}}+{\rm Z}{}_{0{\rm N}}}$,为N侧的零序电流分配系数。

由式(3)可知F点发生金属性接地故障时,M侧所分配的零序电流的大小取决于M侧的零序电流分配系数。显然,故障点距离M侧越远,即越接近线路末端,c0M越小。最恶劣的情况是线路末端发生接地故障,此时p=1,c0M只与线路长度以及两侧的系统零序阻抗有关。随着线路长度的增加,c0M将减小,M侧零序电流也随之减小。此外,厂站密集、环网众多的地区,往往在负荷中心或重要电源出线处,母线上连接有很多的线路和变压器,因此,随着N侧系统等值零序阻抗的减小,c0M也将减小,与之相对应,M侧零序电流也随之减小。零序弱馈现象的产生就源于上述因素的综合作用。

F点发生经过渡电阻单相接地故障时,由于Rf的影响,故障点的系统零序综合阻抗Z0F显著增大,故障点零序电流$\dot{{\rm I}}{}_{0F}$将随之大为减小,因而分配到两侧的零序分量电流也相应减小,考虑零序分配系数c0M和c0N的差异,很显然,零序弱馈现象的出现将更为频繁。

2 考虑零序弱馈拒动的纵联零序方向保护改进方案

2.1 传统的纵联零序方向保护

以国电南瑞科技股份有限公司的NSR302超高压线路保护装置为例[6]。纵联零序保护由正方向元件、反方向元件组成。正方向元件的动作定值是纵联零序电流定值3I0G,一般可取与300 A对应的二次电流值;反方向元件自动比正方向灵敏度高,动作定值为0.625×3I0G。3U0设置了固定门槛和浮动门槛, 浮动门槛根据正常运行时的零序电压计算。零序正方向的动作方程为:

$174°<\arg \frac{3\dot{U}{}_0}{3\dot{{\rm I}}{}_0}<342°(4)$

零序反方向的动作方程为:

$-6°<\arg \frac{3\dot{U}{}_0}{3\dot{{\rm I}}{}_0}<162°(5)$

假设纵联保护工作在允许式方式,当本侧保护所测零序电流达到正方向元件的动作定值,且所测零序电压、电流满足正方向元件的动作方程,纵联零序方向保护向对侧发允许信号,此时若收到对侧允许信号,即可发跳闸命令。

当发生前述的零序弱馈情况时,保护能够启动,所测零序电压、电流也满足正方向元件的动作方程,但是零序弱馈侧零序分配系数相对较小,造成零序电流小于纵联零序电流定值,所以零序弱馈侧的纵联零序方向保护无法向对侧发送允许信号,造成对侧的纵联零序方向保护拒动,零序弱馈侧的纵联零序保护也因相同原因发生拒动。

2.2 具有零序弱馈功能的纵联零序方向保护

对于前述零序弱馈情况下的接地故障,从系统运行的角度来说,纵续动作应该是允许的,即首先保证零序电流达到定值的一侧快速正确跳闸,以切除故障,随后零序弱馈侧的故障电流增大,零序电流达到纵联零序电流定值,经正方向元件的动作方程判断,从而能够纵续跳闸以有选择地切除故障。基于这种思想,考虑设置一个低门槛零序方向元件,以保证故障初期由零序弱馈侧向对侧发送允许信号。

NSR302超高压线路保护装置在传统的纵联零序方向保护基础上,还设置了一个允许对侧跳闸而本侧不跳闸的零序弱馈方向元件。纵联保护工作于允许方式时,该元件收到对侧允许信号并且满足下列判据即可向对侧回送允许信号。

$\{\begin{array}{l}3{\rm I}{}_0<3{\rm I}{}_{0\text{G}}\\ 3{\rm I}{}_0>3{\rm I}{}_{0\text{G}}m\\ 174°<\arg \frac{3\dot{U}{}_{0^{\prime }}}{3\dot{{\rm I}}{}_0}<342°\end{array}(6)$

式中:m为零序弱馈系数,m<1,可根据具体情况的灵敏度要求选取;$3\dot{U}{}_{0^{\prime }}$为零序弱馈方向元件动作方程中的零序电压。

以上所分析的线路末端接地故障或经过渡电阻接地故障情况下,保护所测零序电压可能较小,所以当测量零序电压3U0大于预设门槛时,$3\dot{U}{}_{0^{\prime }}$即取$3\dot{U}{}_0$。否则,$3\dot{U}{}_{0^{\prime }}$取对$3\dot{U}{}_0$进行补偿后的结果。零序弱馈元件所使用的补偿方程为:

$3\dot{U}{}_{0^{\prime }}=3\dot{U}{}_0-\frac{3\dot{{\rm I}}{}_0(3\dot{{\rm K}}+1){\rm Z}{}_{1\text{L}}}{2}(7)$

式中:$\dot{{\rm K}}$为线路的零序补偿系数;Z1L为线路的正序阻抗。

当对侧跳闸后,零序弱馈侧的传统纵联零序方向保护即可纵续跳闸。

相对于闭锁式纵联方向保护而言,允许式纵联方向保护一般以正方向测量元件为主,即正方向故障发允许信号,反方向故障不发允许信号,即使通道坏时发生外部故障也不会误动作,具有较高的安全性。零序弱馈方向元件的方向性由低门槛零序正向元件保证,灵敏度较高,作为传统纵联零序方向保护的补充,其与允许式方式相配合使用将获得更高的安全性。

3 仿真结果及分析

为了仿真零序弱馈现象并验证零序弱馈方向元件的有效性及安全性,本文利用国网电力科学研究院的RTDS数字仿真系统,建立如图1所示的仿真模型。该仿真模型的系统电压为500 kV,线路长度为400 km,模型参数如下:①线路参数:Z1L=Z2L=112.27∠86.02° Ω,Z0L=351.69∠78° Ω;②系统参数:Z1M=Z2M=116.17∠82.1° Ω,Z0M=24.61∠90° Ω,Z1N=Z2N=108.05∠81.51° Ω,Z0N=16.41∠90° Ω。

参照图2,重点对线路F1点(p=1)的区内单相金属性接地故障和线路F2点(p=0.75)经300 Ω过渡电阻接地故障进行了仿真,纵联保护工作于允许式方式,有关仿真波形及数据如图3、图4、表1、表2所示。

从以上仿真数据可以看出,以A相故障为例(注:两侧纵联零序电流定值对应一次电流为300 A),F1点发生金属性接地故障时,两侧零序电压、电流的相位均满足零序正方向动作方程,但由于两侧零序分配系数相差较大(cN/cM≈23),M侧零序电流仅为251 A,小于纵联零序电流定值,传统纵联零序方向判别存在困难;F2点发生经300 Ω过渡电阻接地故障时,由于过渡电阻的影响,两侧零序电流均较小,分别为230 A和778 A,M侧也无法进行传统的纵联零序方向判别。由图3及图4可知,增加零序弱馈元件,M侧可以向N侧发送允许信号,继而实现了有选择性的纵续动作,从而避免了纵联零序保护的拒动,也提高了其在经高阻接地故障时的灵敏度。

4 结语

本文对零序弱馈现象的产生及其对于纵联零序方向保护的影响进行了分析,并介绍了具有零序弱馈功能的纵联零序方向保护改进方案。该方案已在NSR302超高压线路保护装置中得到了具体应用。仿真试验结果表明该方案解决了零序弱馈时的保护拒动问题,而且提高了纵联零序保护在单相经高阻接地故障时的灵敏度,有效改善了纵联接地保护的性能,具有推广意义。

参考文献

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弱馈保护 篇3

近年来,随着电网容量的不断增加,电网开始解环运行,出现了大量同杆双回线路对终端变电站输电的方式,形成了带弱馈的同杆线路输电系统。以广东电网为例,220 k V一侧为弱馈(其正/负序等值阻抗值较对侧大5倍,零序等值阻抗值也较对侧大几倍到几十倍)的同杆双回线路已超过80条。当发生异名跨线故障且保护选相失败时,将导致双回线同时三跳,引起终端变电站失压而造成大量负荷损失[1,2,3,4,5]。国内已经出现了多起由于线路同杆架设而引发的保护失去选择性的事故,危及电力系统的安全运行。因此,有必要研究计及弱馈影响的同杆线路输电系统的主保护配置方案[6,7,8,9,10,11]。

本文从研究同杆弱馈输电系统的跨线故障特征入手,阐述了同杆线路主流保护原理在不同接地工况下的响应特性,提出了提高选相可靠性的保护配置方案,最后基于实际线路参数和主流厂家保护进行的RTDS仿真试验论证了保护方案的有效性。

1 跨线故障特征及保护响应特性

据统计,自2008年至2010年6月,广东电网共发生线路故障975次,其中同杆故障70次,占该时间段线路故障7.18%,跨线故障事实上已成为一种常见故障形式。其中同名相跨线故障54次,异名相跨线故障16次,所有故障均为接地故障,从未发生跨线不接地故障。在系统采用单相重合闸背景下,对于单相跨多相、多相跨多相故障,由于多相故障线路的相间故障特征得以完整保留,三相跳闸并无异议,如何保证发生单相故障的线路正确动作从而保证终端变电站的连续供电成为本文的研究重点。

国内普遍共识,对于同杆线路将以配置光纤差动保护和传输分相命令的纵联距离保护为主,因此本文将着重对这两种保护进行论述。

1.1 同名相单相跨线故障

不失一般性,以AN-AN为例,图1为同杆弱馈系统,其中当Gn为弱电源时,N侧即为弱馈系统,最恶劣的情况为N侧负荷变压器中性点不接地,此时系统甚至没有零序电流。

当上述线路弱馈侧发生AN-AN金属性跨线故障时,其电气分布与单回线弱馈输电系统单相短路接地是完全一致的。

国内主流高压纵联距离保护装置均设有“弱电源”控制字,当该控制字投入时,若两侧能够交换分相命令,装置能够依托低电压等辅助判据,实现区内单相故障选跳功能,双回线均能正确单跳重合,不存在终端失压问题。即使两回线经不同过渡电阻接地,大量仿真表明,其电气特性变异不大,国内220 k V及以上主流线路保护均能较好的应对。

1.2 异名相单相跨线故障

以弱馈侧CN-AN为例。此时系统近弱馈侧发生故障时的电气图如图2所示。可以看出,正是由于N侧弱馈,其电流均是由强电侧M侧提供,如乙线A相故障电流,其短路电流主要由甲线A相环绕提供而来,如图2中电流1所示。

由于故障电流对于相邻线路为穿越电流,对于本线为正向故障电流,差动保护肯定能够正确选相跳闸。而对于传输分相命令的纵联距离保护,强电源侧一定会判断为CAN故障,但弱电源侧甲线C相为正向故障,A相为明确的反向故障,在无过渡电阻的情况下,一定可以正确选出C相短路接地,通过传送的分相允许命令,两侧交换选相信息后,甲乙线的两侧纵联距离保护均可正确选相单跳。

1.3 含同名相的多相跨线故障

以弱馈侧CN-CAN故障为例,即甲线为CN单相接地故障,乙线为CAN两相接地故障。当发生金属性接地短路时,两侧差动保护一定能够正确计算出差流。虽然差动保护要求两侧保护均要有允许信号方可跳闸,但差动保护在弱馈情况下通常也配有低电压启动的辅助判据,而此时系统弱电源侧电压必然降低,因此差动保护能够正确选相跳闸。

对于传输分相命令的纵联距离保护,首先分析甲线的动作情况。由于此时N侧为弱馈侧,图3中电流4、电流5因为相邻线路无法环绕供电,其电流值均可能都很小,弱馈侧保护此时很难确定其故障特征;同时对于甲线的保护而言,其A相通过电流1对乙线的A相故障点环绕供电,由于M侧为强电源侧,穿越电流1可能很大,此时甲线N侧保护将看到一个明显的A相反方向故障特征。对于纵联距离保护而言,一般意义上,遵循反方向绝对优先原则,此时N侧保护将直接闭锁,导致两侧纵联距离保护的拒动。由于故障点在N侧出口,位于M侧距离Ⅰ段保护范围之外,因此M侧距离Ⅰ段也无法动作。

其次分析乙线纵联距离保护的动作情况。乙线由于电流1的环绕供电,其弱馈侧保护至少能够正确判断出A相发生了故障,而强电侧肯定能够判断出线路发生了CAN故障,对于两侧交换分相命令的保护,乙线两侧通过交换信息至少可以判断出本线A相发生了故障,因此乙线至少能够首先选跳A相,若不考虑开关失灵,大约在100 ms左右的时间内,乙线将形成非全相运行的工况。此时,对于乙线M侧保护,其由于看到C相的故障点仍然存在,其非全相再故障将在约200~250 ms左右的延时到后三跳;N侧此时可能没有电流,N侧保护可能并不会跳闸。

综上所述,大约在300 ms左右,最坏情况是甲线两侧所有保护拒动,乙线M侧三跳,N侧跳开A相,而C相故障点依然存在。此时对整个系统而言,乙线由于强电侧的跳开,B相并无电流,C相则相当于和甲线的C相故障点进行了并联和分流,导致甲线的C相故障特征进一步削弱。但无论如何,此时甲线实际上已经相当于单纯的单回线弱馈故障,只是故障特征可能更弱一点而已,依照现在国内主流高压微机纵联距离保护的逻辑,其能够正确选相跳闸,并不会造成N侧弱馈终端变电站失压。

2 跨线故障保护误选相机理分析

同杆线路弱馈侧系统发生金属性跨线接地故障时,基于主流保护原理的光纤差动和纵联距离保护在最恶劣的情况下均可以对单相故障的线路仍只选跳故障相,只是故障持续时间稍长。但对于经过渡电阻的跨线故障,故障电气特征更为复杂,保护误选相风险增加。

2.1 光纤差动保护

假设弱馈侧发生CN-CAN跨线接地故障时甲线C相经过一个较大的过渡电阻接地,而乙线CA相并无过渡电阻,此时由于弱馈侧并无电源供电,图3中电流4很可能反向,即系统通过甲线的C相经故障点过渡电阻支撑向乙线的C相故障点提供短路电流。此时,甲线的差动保护将发现A、B相无差流,C相虽有差流(甲线故障点接地电流),但制动电流也很大,因此差动保护可能不满足动作方程而拒动。由于系统存有零序电流,甲线的零差灵敏度相对更高,有可能在零差延时到后选相跳闸,但由于灵敏度的关系,其也不一定能够动作。

值得注意的是,此时乙线的差动保护由于N侧C相电流很大,将很快正确判断出本线发生了CA两相接地故障而两侧三跳,若不考虑开关失灵,乙线两侧三相跳开后,甲线将无法通过C相向乙线的C相故障点提供短路电流,甲线N侧C相只有从母线流向故障点的电流,因此差动保护可以满足差动条件正确动作,极端条件下也会经延时零差选相跳闸,因此系统仍然能够通过单相重合闸确保N侧终端变电站的连续供电。

2.2 传输分相命令的纵联距离保护

正确选相是主保护正确动作的关键,而纵联距离保护对于跨线故障的难点在于选相。常用的选相原理无论是相电流差突变量选相还是零负序电流比相选相,在同杆跨线故障时,均不能做到完全正确选相[7,8,9],当弱馈侧出口发生异名单相跨线故障时,强电源侧一定选相为多相故障,若弱馈侧在有过渡电阻的情况下距离Ⅰ段或者纵联距离错误选为多相故障,双回线将直接三跳。

因此,若考虑到同杆线路两套主保护中至少有一套为光纤差动保护,从尽量确保终端变电站连续供电的角度,要求纵联距离保护应首先判断系统是否跨线故障,对于跨线故障的故障相选择应更加严格和准确,但这也可能失去了选相的灵敏度,这就要求必须同时明确在选相存在困难时,应经过不超过250 ms的延时三跳,但不允许拒动。如此,系统将依靠光纤差动保护实现本线单相故障选跳功能。

3 基于提高选相可靠性的主保护方案

3.1 双套光纤差动保护方案

基于基尔霍夫定律原理的光纤差动保护具有天然判相功能,原理简单、可靠,由于光差保护从原理上避开了同杆线路对保护造成的影响,即便对于同杆线路的跨线故障,也完全能够进行故障选相。对于高压线路,国内通常采用双重化保护配置,在条件允许时应优先采用双套光纤差动保护。

当双回线同时采用光纤差动保护时,此时应着重考虑距离保护的性能,在发生异名相跨线故障时,距离保护同样不能误跳三相,否则一样存在终端变电站失压的可能。这就要求光纤差动保护的距离保护模块也应首先判断是否跨线故障,在判断出跨线故障后执行更加严格和科学的选相判据。

3.2 光纤差动保护加传输分相命令的纵联距离保护方案

当电力系统存在带旁路运行的需要,或者光纤通道存有困难时,可能需要配置一套纵联距离保护。由于同杆线路弱电源侧选相存有困难,因此一定要配置传输分相命令的纵联距离保护,但当有过渡电阻时,仍可能选错相三跳。保护选相的可靠性应包括安全性和可依赖性,因此依照前文所述,在传输分相命令的纵联距离保护装置探测到系统发生了跨线故障而选相又存在困难时,允许经不长于250 ms的延时三跳,但不允许拒动。该要求已经通过《广东电网公司220~500 k V线路保护技术规范》正式发布并开始对广东电网执行。

依照本保护配置方案,最恶劣的情况将变为双回线一条线路差动保护退出的情况,此时若发生异名相跨线故障,如2.1节中的CN-CAN故障,当乙线差动保护退出,甲线由于过渡电阻的存在,两侧所有保护均不能动作;乙线由于N侧C、A两相均具有明显的正向短路电流,因此绝大多数情况下一开始纵联距离即可正确三跳,即使一开始只是依靠交换命令通过纵联距离跳开了A相,但乙线N侧C相存在较大的短路电流,该侧保护非全相保护也一定可以正确动作三跳。当乙线两侧所有开关跳开之后,甲线即转变为正常的弱馈单回线经过渡电阻接地故障,无论是光线差动保护还是传输分相命令的纵联距离保护均可正确动作。

4 保护方案RTDS仿真试验

为论证上述实验方案的有效性,广东电网公司RTDS继电保护数字仿真实验室于2010年6月组织国内主流继电保护厂家进行了联合仿真测试(包括南瑞继保、北京四方、国电南自、许继电气和深圳南瑞),主一、主二保护分别采用光纤差动保护和传输分相命令的纵联距离保护,采用220 k V双母线主接线,保护安装于甲线(开关SK1、SK2)。RTDS仿真模型图如图4所示。

本次试验模型为同杆双回线弱馈输电系统,单开关接线方式,弱馈端N侧仅设置一台直接接地的变压器以提供零序短路电流,主要试验参数如表1。

故障类型包括F1、F2及F3点AN-BN,AN-ABN,ABN-AN、AN-ABCN及ABCN-AN等。试验分为甲乙线均投入光纤差动保护及一回线投入差动保护另一回线投入分相纵联距离保护,测试时N侧纵联距离保护始终投入弱馈。试验结果如下:

1)当发生类似AN-ABN接地故障,甲线带有5Ω过渡电阻AN(一次值),乙线AB两相金属性短路接地时,甲线所有厂家差动保护均无法动作;但乙线能够快速切除故障,乙线切除后,甲线可以动作。

2)对于F1-F4,F2-F5及F3-F6三处跨线故障,由于M侧出口及线路中间发生故障时,强电源侧距离保护均能正确动作,因此最恶劣的情况为弱馈出口F3-F6发生故障。

3)对于F3-F6跨线故障,当金属性接地故障时,各厂家距离保护可以正确选相动作。

4)对于F3-F6跨线故障,当发生经过渡电阻接地故障时,距离保护的选相除少数厂家外,其他目前仍然存在不正确选相的情况,导致单线单相故障时纵联距离保护三跳。这表明,国内主流保护厂家整体上对于跨线故障距离保护选相尚有待改进。

5)试验证明,对于F3-F6跨线故障,当双回线至少有一路光纤差动保护均投入的情况下,在金属性故障及有过渡电阻的情况下,部分厂家保护产品两侧开关跳闸情况见表2,已经较好实现了广东电网提出的严格选相,选相失败延时不超过250 ms三跳的要求。表2为某主流分相纵联距离保护在跨线故障经过2Ω接地的保护动作情况表,保护安装位置见图4。

考虑最严苛的情况,若甲乙线的光差保护均退出,此时观察F3AG-F6ABG故障,乙线由于光差保护退出,该分相纵联距离保护两侧比较分相命令后选为B相跳开,此时甲线保护经过约200 ms后三跳,满足了广东电网“选相失败延时不超过250 ms三跳”的要求。上述测试结论表明,同杆线路若有光差保护投入运行,则传输分相命令的距离保护并不会“惹事”,可保证此时单相故障时线路的连续供电。

其他故障点的保护跳闸时间随着过渡电阻及故障类型变化而变化,但结论类似。上述结果表明,保护装置对于跨线故障实现严格选相是可行的,部分厂家现有装置中已经实现,提高了保护选相的可靠性。在实现了跨线故障严格选相的基础上,假设甲乙线至少存在一套光纤差动保护,该保护配置方案能够保证双回线中至少有一回线发生单相短路接地时的终端变电站的供电,达到了尽量确保用户连续供电,提升供电可靠性的目的。

5 结论

本文研究了弱馈带来的同杆线路跨线故障特征,分析了跨线故障保护误选相的机理,指出了纵联距离保护在本线单相故障的跨线故障情况下可能误跳三相,差动保护有过渡电阻情况下也有可能拒动。分析了光纤差动保护和传输分相命令的纵联距离保护在不同故障条件下的响应特性,从提高选相可靠性的角度,给出了跨线故障下保护误选相的处理措施,提出了双套光纤差动保护及光纤差动保护配传输分相命令的纵联保护的配置方案。目前,该方案已经通过技术规范的形式在广东电网正式执行,运行效果良好,必将为提升供电可靠性做出积极的贡献。

摘要：研究了带弱馈系统的同杆线路跨线故障的电气特征和保护响应特性,在异名相跨线故障时由于弱馈端电源支撑不足,非故障相反向电流穿越等原因可能造成保护选相失败,进而导致同杆线路同时三跳,引起终端变电站失压而损失大量负荷。分析了光纤差动保护和传输分相命令的纵联距离保护在不同故障条件下的响应特性,给出了跨线故障下保护误选相的处理措施,提出了提高选相可靠性的主保护配置方案。基于实际线路参数和主流厂家保护进行的RTDS仿真试验论证了保护方案的有效性。

关键词：同杆线路,弱馈,跨线故障,保护方案

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