王美忠 邊洪波(山東金嶺礦業(yè)有限公司,山東淄博 255080)

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相位相關(guān)電流差動(dòng)保護(hù)原理分析

王美忠 邊洪波
(山東金嶺礦業(yè)有限公司,山東淄博 255080)

【摘 要】電流差動(dòng)保護(hù)被稱為是擁有絕對(duì)選擇性的迅速保護(hù),其原理簡(jiǎn)單可靠,是針對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)、變壓器、母線等元件實(shí)施的主保護(hù)。但是,電流差動(dòng)保護(hù)也出現(xiàn)了一些不足,本文在電流差動(dòng)保護(hù)相關(guān)理論的基礎(chǔ)上,提出了一種相位相關(guān)電流差保護(hù)新原理,統(tǒng)一了內(nèi)外故障發(fā)生時(shí)的靈敏性和可靠性,希望可以對(duì)電流差動(dòng)保護(hù)存在問題進(jìn)行有效解決,推動(dòng)器迅速發(fā)展。本文分析了相位相關(guān)電流差動(dòng)保護(hù)新原理,內(nèi)外部故障差動(dòng)保護(hù)的可靠性和靈敏性,相位相關(guān)電流差動(dòng)保護(hù)性能比較。

【關(guān)鍵詞】相位 電流差動(dòng)保護(hù) 電流

1 相位相關(guān)電流差動(dòng)保護(hù)新原理

相位相關(guān)電流差動(dòng)保護(hù)新原理,也就是相位相關(guān)電流差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作方程及動(dòng)作判據(jù)見下:

其中差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)采集的電流相量分別是Im和In, ψ代表Im和In之間的夾角,K3是制動(dòng)系統(tǒng),Iop.3是保護(hù)的動(dòng)作量,Idz代表操作的固定門檻。

把線路兩側(cè)電流向量的夾角引入了新判據(jù)中。在內(nèi)部發(fā)生故障時(shí),通常cos ψ＞0時(shí),增加制動(dòng)系數(shù)能夠提高內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)保護(hù)的操作量;而當(dāng)外部發(fā)生故障時(shí),cos ψ＜0時(shí),增加制動(dòng)系數(shù)也能夠提高外部發(fā)生故障時(shí)保護(hù)的操作量。因此從理論上分析,上式涉及的相位相關(guān)電流差保護(hù)的制動(dòng)系統(tǒng)能夠任意選擇數(shù)值,并且選擇該值時(shí)必須統(tǒng)一外部故障的可靠性和內(nèi)部故障的靈敏性。

2 內(nèi)外部故障差動(dòng)保護(hù)的可靠性和靈敏性

2.1 內(nèi)部故障差動(dòng)保護(hù)的靈敏性

當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)部故障時(shí),假設(shè)故障點(diǎn)電流是If。設(shè)定電流兩端的夾角是0°,則會(huì)得到I f = I m + I n。為了方便研究,使 Im=δ If,則In=（1 -δ）If,可以得到各差動(dòng)保護(hù)實(shí)際動(dòng)作量:

很明顯,內(nèi)部故障發(fā)生時(shí)差動(dòng)保護(hù)的真實(shí)動(dòng)作量和故障電流之間呈現(xiàn)了直線關(guān)系。因此,傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)在發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作量和故障點(diǎn)電流形成小于1的正比關(guān)系。新原理出現(xiàn)了最大的動(dòng)作量,并且靈敏度隨著制動(dòng)系數(shù)的增加而不斷增大。

2.2 外部故障差動(dòng)保護(hù)的可靠性

當(dāng)輸電線路出線外部故障時(shí),短路電流對(duì)被保護(hù)元件進(jìn)行穿越,因此對(duì)于差動(dòng)來說這一電流是穿越性電流。這里對(duì)CT飽和等問題的影響暫時(shí)不予考慮,則出線Im=In.。利用Ith表示穿越電流的幅值,很明顯出現(xiàn)了Ith=Im=In。

此時(shí)各差動(dòng)保護(hù)實(shí)際動(dòng)作量分別為:

通過上式可知在外部故障時(shí)三種差動(dòng)保護(hù)判據(jù)制動(dòng)性能。

從上分析得知,傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)系數(shù)K1＜1,K2＞1;而相位相關(guān)電流差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)系數(shù)選擇的越大,則制動(dòng)性能會(huì)越強(qiáng)。

3 相位相關(guān)電流差動(dòng)保護(hù)性能比較

3.1 電流互感器飽和影響

電流差動(dòng)保護(hù)最重要的問題之一便是安全性,而電流互感器的飽和與造成區(qū)外故障時(shí)保護(hù)誤動(dòng)的具體原因之一。因此需要分析新原理的差動(dòng)保護(hù)CT飽和的性能。由于不同的CT性能、高次諧波的影響,會(huì)導(dǎo)致電流兩端互感器產(chǎn)生一端飽和或者兩端飽和的不同步問題,進(jìn)一步出現(xiàn)保護(hù)誤動(dòng)。

3.2 過渡電阻的影響

電力系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)很多故障類型,并且影響因素也不少,基本上不會(huì)出現(xiàn)金屬性故障,也就是故障點(diǎn)都需要通過一定的過渡電阻。電流差動(dòng)判據(jù)所應(yīng)用的是被保護(hù)元件兩端電流,而過渡電阻將會(huì)對(duì)兩端測(cè)量電流大小造成影響,因此有必要分析過渡電阻影響新原理動(dòng)作特性。當(dāng)出現(xiàn)外部故障時(shí),屬于穿越性電流,過渡電阻影響判據(jù)的程度不大;但是出現(xiàn)內(nèi)部故障時(shí),過渡電阻將會(huì)直接影響電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)。接下來采取故障分量法對(duì)過渡電阻故障進(jìn)行分析,兩端電流向量的關(guān)系,這里將A相單相接地故障為例。

例如雙側(cè)電源系統(tǒng),在輸電線路安裝電流差動(dòng)保護(hù),線路出線單相接地。設(shè)定保護(hù)設(shè)置m側(cè)到故障點(diǎn)之間的線路阻抗是Zm,到故障點(diǎn)的線路阻抗是Zm,m側(cè)是送電測(cè),n側(cè)是受電側(cè)。對(duì)線路分布電容、并聯(lián)電抗等因素不進(jìn)行考慮,假定Zm和Zn和線路長(zhǎng)度之間形成正比,整個(gè)系統(tǒng)阻抗角統(tǒng)一,全部是90°。

當(dāng)線路內(nèi)出現(xiàn)A相接地故障,采取故障分量法對(duì)過渡電阻影響電流差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行分析。按照疊加管理,可以分解為正常負(fù)荷狀態(tài)與短路附加狀態(tài)。非故障分量具體是指線路形成的負(fù)荷電流,大小保持不變;而故障分量數(shù)值當(dāng)線路運(yùn)行正常時(shí)歸零,當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)故障分量則非零。

已知負(fù)荷電流時(shí)一定的,過渡電阻將會(huì)對(duì)故障分量電流造成影響。因此,要對(duì)過渡電阻影響電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)實(shí)行分析,通過電力系統(tǒng)出現(xiàn)的單相接地故障時(shí),三序電流相等。

通過上述分析可知,內(nèi)部故障通過越大的過渡電阻,新原理判據(jù)的動(dòng)作量越小,越容易出現(xiàn)拒動(dòng);經(jīng)一定過渡電阻故障時(shí),故障發(fā)生的位置與送電測(cè)越接近則判據(jù)動(dòng)作量越小,拒動(dòng)就越容易出現(xiàn)。

3.3 線路重載及系統(tǒng)振蕩的影響

重載線路,也就是擁有很大的負(fù)荷電流,若其內(nèi)部出現(xiàn)高電阻故障,極有可能電流差動(dòng)保護(hù)會(huì)產(chǎn)生拒動(dòng)。因?yàn)榇藭r(shí)符合電流分量大小與故障電流分量接近,甚至比故障電流分量大,這一狀況下就相當(dāng)于出現(xiàn)線路外電流。此外當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩時(shí),會(huì)出現(xiàn)兩端電源電壓相位差超過90°,甚至出現(xiàn)與180°接近的情況,此時(shí)的負(fù)荷電流要大于正常情況。

(1)不管是傳統(tǒng)比率差動(dòng)保護(hù)判據(jù)還是相位相關(guān)電流差動(dòng)保護(hù)原理都極有可能產(chǎn)生拒動(dòng)。只要后者形成合理的制動(dòng)系數(shù)數(shù)值,則拒動(dòng)概率很小。(2)相位相關(guān)電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)的制動(dòng)系數(shù)也不能取值較大。雖然理論分析可以選擇無限大,但是若取值較大,在系統(tǒng)發(fā)生特殊運(yùn)行時(shí)判據(jù)機(jī)構(gòu)可能出現(xiàn)內(nèi)部故障拒動(dòng)。事實(shí)上關(guān)于相位相關(guān)電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù),完全沒有必要選擇較大的制動(dòng)系數(shù),只要選擇在1附近就能夠充分確保良好的操作特性,還可以防止出現(xiàn)重載線路內(nèi)部故障拒動(dòng)現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)研究了一種相位相關(guān)電流差動(dòng)保護(hù)新原理,其具體是把差動(dòng)兩側(cè)的電流相位差引入判據(jù),進(jìn)一步在內(nèi)外部故障達(dá)到了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)制動(dòng)特性的目標(biāo),新原理的差動(dòng)保護(hù)在內(nèi)故障發(fā)生時(shí)形成更好的靈敏性操作,同時(shí)外故障發(fā)生時(shí)形成極高的安全性。

參考文獻(xiàn):

[1]賀家李.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].北京:中國電力出版社,2014．

[2]高厚磊.輸電線路新型電流差動(dòng)保護(hù)的研究[M].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013．

作者簡(jiǎn)介:王美忠(1977—),男,山東淄博人,職稱:工程師,學(xué)歷:本科,主要研究方向:電氣自動(dòng)化。