CN101291056B

CN101291056B - 一种长线模型故障选相方法

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Publication number: CN101291056B
Application number: CN2008100913495A
Authority: CN
Inventors: 潘荣贞
Original assignee: SHANGHAI SUNRISE POWER AUTOMATION CO Ltd
Current assignee: Shanghai Sunrise Power Technology Co., Ltd.
Priority date: 2007-04-17
Filing date: 2008-04-07
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2028-04-07
Also published as: CN101291056A

Abstract

一种长线模型故障选相方法，涉及电力系统继电保护技术领域；所要解决的是长线模型的故障选相方法技术问题；该故障选相方法指的是在长线上发生短路时，利用故障相两点的补偿电压比正常运行时变化很多这一特点来进行故障选相的方法，当一点的补偿电压变化不明显时，另一点的补偿电压必然变化明显，两点互作替补，为同时适用于短线模型，两个补偿点电压中的一个取为0.8Z_L处的U_y1，另一个取为0.3Z_L处的U_y2。本发明的故障选相方法能同时适用于长线和短线的故障选相，并能在不同的负荷电流、不同的故障地点和不同的过渡电阻时提高选相的准确度和灵敏度，具有可靠、灵敏、准确并且适应性强的特点。

Description

一种长线模型故障选相方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术，特别是涉及一种用于高压输电线路故障选相的基于补偿电压计算判别的长线模型故障选相的技术。

背景技术

高压输电线路的故障选相是线路保护尤其是距离保护中的一个重要环节，选相结果的正确与否直接关系到保护动作出口的正确性。在众多的选相方案中，基于稳态量的低电压选相和单点补偿电压选相方案相配合的方法是比较全面的一种，但它只适用于较短线路的故障，而在遇到长线模型时，线路上发生较近处故障时，保护安装处的故障相电压降低的也并不多，所以此时主要依靠补偿电压来进行选相，而单点的补偿电压变化量已经不能反应长线路上任一点发生故障时故障相的特征，所以本发明专利提出了一种基于两点补偿电压计算判别的新型选相方法，并成功应用于自主研发的110KV线路保护装置中，静态模拟实验和动模实验充分证明了该方法在任何长度线路上的可靠性和准确性，不受负荷电流的影响，并适用于高阻接地故障的选相。

迄今为止在众多的微机线路保护装置中，所采用的选相元件主要有以下几种：

1)电流选相元件：确定三相电流的最大值，则该相为故障相，其他相电流的幅值超过它的0.5倍就也被认定为故障相，缺点是受负荷电流和过渡电阻的影响较大。

2)电压选相元件：对接地故障采用三相电压，判据为：

对相间故障则采用三个相间电压来判别，可以提高对长线末端故障选相的灵敏度，但对高阻接地故障灵敏度依然不足。还有一种就是专门针对近处故障进行选相的低电压选相元件，直接根据电压幅值的排序和比较来确定故障相别。

3)阻抗选相元件：利用不带零序电流补偿的阻抗继电器进行选相，对高阻故障灵敏度还是不足。

4)序分量选相元件：a.

或

的分区选相元件，判据为：满足

就判为是AG或BCG故障，只适用于接地故障的选相；和

比相的选相元件，判据为：

可以反映所有的不对称故障，但不能反映三相短路。

5)突变量电流选相元件：例如相电流差突变量选相元件和弱电源侧采用的反映电流和电压的综合突变量符合判据等等，优点是对近处故障很灵敏，不受负荷电流的影响，但不能反映转换性故障。

6)补偿电压突变量选相元件：这也是综合反映故障相电流升高和电压下降的一种选相元件，只不过它将电流和电压突变量综合在一个补偿电压突变量中进行计算，其优缺点与5)类似，灵敏度更高。

7)将4)中的序分量替换为零序补偿电压和负序补偿电压，就构成了另一种分区选相元件，其优点是能在单侧电源线路上发生接地故障时，无源的负荷侧仍能选相。

8)多序电流选相元件：利用特殊相正序故障分量电流和负序故障分量电流进行比相的选相元件。

9)余弦电压Ucos

选相元件：适用于相间故障选相，该电压分量反应了相间弧光压降，在相间故障时不会超过额定电压的5％。

10)补偿电压选相元件：区别于6)中的突变量，该选相元件采用的是线路上某一点补偿电压稳态量来进行选相，为阐明本专利所提出的方法，其原理将在下面的“单点补偿电压选相方法”中进行说明。

微机线路保护中所采用的选相方法一般都是以上选相元件中若干元件的组合，而且在故障暂态过程中采用突变量选相元件，进入稳态后运用稳态量选相元件是目前公认的做法。例如利用低电压选相元件对线路近处故障进行选相，而利用补偿电压选相元件对线路中长远处故障进行选相，再辅助以其他的一些判据以增加适应性就是一种稳态量选相方案。而以上所有这些选相元件或微机保护中采用的选相方案考虑的较多的因素有：负荷电流，过渡电阻，弱电源，转换性故障等等，也有些论文提出过适用于振荡过程中再发生故障的选相方法，但还没有提到线路长短对故障选相的影响以及解决的方案。本发明就是在微机线路保护装置的研制过程中由于低电压和补偿电压选相方案在遇到长线模型时遇到困难而提出的一种新的选相方法，并且附加了若干电流辅助判据，从而构成了一种适用于长线模型和高阻故障的新型的选相方法。下面对所提出的方法进行阐述。

现有的单点补偿电压选相方法：

所谓单点补偿电压选相方法指的是利用线路发生短路时根据故障相在某一点的补偿电压比正常运行时下降很多这一特点来进行故障选相的方法。在距离保护中为了提高选相结果对距离I、II、III段的灵敏度，补偿点Y通常选取为距离I段的定值附近，例如取为0.8Z_L处(Z_L为被保护线路全长的正序阻抗，再记保护背侧电源的阻抗为Z_S)。

在较短线路模型中(Z_S/Z_L＞1)，如图1所示，图中Em、En分别表示线路两侧电源的电压幅值，U、I分别表示保护安装处的电压和电流，ZS为本侧电源阻抗，Z1为被保护线路全长的正序阻抗，Y为补偿点0.8*Z1，F1、F2为故障点。假定此时Z_S/Z_L＝1，分析一下线路上各点发生短路时故障相的电压分布，当线路正方向发生区内故障时，如图2所示的F₁点(0.5Z_L处，此时U＝0.33Em，Uy＝0.2Em)，保护安装处的故障相电压U都会降低到故障前的一半以上，此时低电压选相方法就能轻易检测出故障相，如果靠近线路末端，补偿电压U_y就会降低很多；而发生本线以外下一条线路上的故障时，如图3所示的F₂点(1.4Z_L处，此时U＝0.58Em，Uy＝0.25Em)，虽然此时保护安装处故障相电压U下降不多，但故障相在0.8Z_L处的补偿电压U_y必然会下降较多，依然可以依靠该点的故障相的补偿电压幅值判出故障相。当线路越短，这一特征越明显，所以在Z_S/Z_L＞1的较短线路模型下，无论是区内外任一点的故障，在低电压选相判据失效后，根据故障相单点补偿电压的幅值降低、而健全相补偿电压基本保持不变的特点总是能选出故障相别。

以下运用解析的方法来分析故障相在0.8Z_L处的补偿电压U_y与线路长短与故障点的关系。假定本侧电源电势E_m的幅值始终保持恒定，而且故障的性质为金属性短路(故障点电压降为零)，令K₁＝Z_S/Z_L，故障点为K₂×Z_L，那么U_y就可以推导为K₁和K₂的函数：

1)当K₂＜0.8时，如图2所示，U_y在电源电势E_m和故障点F₁连线的延长线上，此时

U_{y} = \frac{(0.8 - K_{2}) \times Z_{L}}{Z_{S} + K_{2} \times Z_{L}} \times E_{m} = \frac{(0.8 - K_{2}) \times Z_{L}}{K_{1} \times Z_{L} + K_{2} \times Z_{L}} \times E_{m} = \frac{0.8 - K_{2}}{K_{1} + K_{2}} \times E_{m}

2)当K₂≥0.8时，如图3所示，U_y在电源电势E_m和故障点F₁的连线中间，此时

U_{y} = \frac{(K_{2} - 0.8) \times Z_{L}}{Z_{S} + K_{2} \times Z_{L}} \times E_{m} = \frac{(K_{2} - 0.8) \times Z_{L}}{K_{1} \times Z_{L} + K_{2} \times Z_{L}} \times E_{m} = \frac{K_{2} - 0.8}{K_{1} + K_{2}} \times E_{m}

综合上述两种情况可以看出，在线路上任何一点故障，U_y可写成统一的表达式：

U_{y} = \frac{| K_{2} - 0.8 |}{K_{1} + K_{2}} \times E_{m}

类似地可以推导出保护安装处故障相电压U的表达式为：

U = \frac{K_{2} Z_{L}}{Z_{S} + K_{2} Z_{L}} \times E_{m} = \frac{K_{2}}{K_{1} + K_{2}} \times E_{m}

当K₁＝1时，

U = \frac{K_{2}}{1 + K_{2}} \times E_{m},

U_{y} = \frac{| K_{2} - 0.8 |}{1 + K_{2}} \times E_{m},

假定低电压选相的门槛值为U＜0.3E_m，则在K₂＜0.43的范围以内可以采用低电压选相的方法，而在0.43＜K₂＜2的范围内，则有U_y＜0.4E_m，就可以采用单点补偿电压选相的方法。而当K₁＞1时，低电压选相的范围增大，而且补偿电压U_y进一步降低，仍可采用补偿电压选相。

但随着线路模型的变长，Z_S/Z_L逐渐变小，那么线路正方向上发生短路时故障相的保护安装处电压U下降会越来越少，原本低电压可以选相的范围逐渐被补偿电压选相所取代，但在0.8Z_L以内的故障，从图2可以看出，补偿电压总是在故障点的延长线上，当Z_S/Z_L减小时，必然会出现故障相的保护安装处电压U下降地不多，既不能依靠低电压进行选相，同时补偿点电压U_y下降很少或者不仅没有下降，反而其幅值上升了，所以也不能依靠故障相补偿电压的下降的特征进行选相。例如，假定K₁＝1/3时，当故障点为K₂＝0.3处，此时

U = \frac{K_{2}}{K_{1} + K_{2}} \times E_{m} = \frac{0.3}{1 / 3 + 0.3} \times E_{m} = 0.6 E_{m},

U_{y} = \frac{| K_{2} - 0.8 |}{K_{1} + K_{2}} \times E_{m} = 1.15 E_{m},

此时既不满足前述低电压选相的条件，用补偿电压也不能选出故障相。可见，单点补偿电压选相方法在遇到长线模型时将遇到原理性的缺陷，针对这种情况，本发明就提出了以下利用两点补偿电压来进行故障选相的新方法。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能同时适用于长线和短线的故障选相，并能在不同的负荷电流和不同的过渡电阻时提高选相的准确度和灵敏度的，可靠、灵敏、准确并且适应性强的基于两点补偿电压计算判别的长线模型故障选相方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种基于两点补偿电压计算判别的长线模型故障选相方法，特征在于，故障选相方法的流程为：

1)计算出c₁Z_L和c₂Z_L两处的各六个补偿电压：

并计算一个零序补偿电压U_0y1＝U₀-I₀×0.5Z_0L用于判断是否为接地故障。其中，

Z_L，Z_0L分别为线路的正序阻抗和零序阻抗，K＝(Z_0L-Z_L)/Z_L为零序补偿系数，

为保护安装处测到的三个单相电压和电流，

为保护安装处计算得到的三个相间电压和电流，

分别表示c₁Z_L处的三个单相补偿电压和三个相间补偿电压，

分别表示c₂Z_L处的三个单相补偿电压和三个相间补偿电压，

c₁＝0.7～0.9，c₂＝0.25～0.35分别表示两个补偿点位置占线路全长的百分比，

U_0y1表示在线路中点0.5Z_L处的零序补偿电压，

则两点补偿电压选相流程分以下两步进行：

2)如果满足则判为接地故障，然后计算以下三个判据，否则进入3)。

其中，

为故障前保护安装处的相电压幅值，I₀为计算零序电流，I_RES＝0.04I_N为继电器有流门槛。

满足上面三个判据中的一个则判为单相接地故障，满足两个则判为两相接地故障(由于存在零序分量，不可能三个都满足)；否则判为选相失败；

3)判为相间故障，计算以下三个判据：

其中，为故障前保护安装处的相间电压幅值，

为三相电流的最大值，I_REs＝0.04I_N为继电器有流门槛：

满足上面三个判据中的一个则判为两相故障，满足三个则判为三相故障，否则判为选相失败；

进一步地，所述长线模型是源阻抗和线路阻抗满足Z_S/Z_L<1/4的系统模型。进一步地，所述步骤3)后需要进行有流判据(

或

)和单相经过渡电阻短路时故障相电流必须满足的

的判据。

进一步地，所述步骤2)后若是接地故障(单相或两相接地)，再用现有技术中的序分量选相元件来进行校验，看是否满足分区判据：

a.若判为AG或BCG故障，则检查是否满足判据：

b.若判为BG或CAG故障，则检查是否满足判据：

c.若判为CG或ABG故障，则检查是否满足判据：

如果满足上述判据，则确定选相结果正确；如果不满足，再参照保护装置中的突变量选相元件的方法进行判别。

本发明提供的基于两点补偿电压计算判别的长线模型故障选相方法并提供了一套具体运用方案，相对于现有的故障选相方法，本发明方法的特点和优点如下：

1)两点补偿电压同时综合了故障相的电流电压量的变化并反映了故障时故障相全线的电压分布，能利用相互替补的冗余方法选出故障相别，具有原理性优势；

2)解决了传统选相方法在遇到高压长输电线路故障时的原理性缺陷，本发明特别适用于长线选相，同时也保留了单点补偿电压选相法在短线上的优点；

3)电流辅助判据和序分量分区选相校验方法确保了选相结果更加可靠和准确，同时能适应负荷电流和过渡电阻的变化；

4)本发明易于在微机线路保护装置中实现，用有限的计算量提高了故障选相的准确度和适应性，更易于实用推广。

将本发明的长线模型故障选相方法运用于110KV线路保护装置中，在图4所示的220KV双端电源长输电线路模型上运用DDRTS(Digital Dynamic Real TimeSimulator，深圳殷图)静模试验仪，在给定的系统模型下针对不同的故障类型，不同的故障点，不同的过渡电阻R_g和不同的两侧电势夹角δ进行实验，由于这几个条件排列组合的情况非常多，表1给出了电流选相方法，单点补偿电压方法和两点补偿电压方法的部分典型选相结果的一个比较，从表中可以看出，本发明的两点补偿电压选相方法的正确率相当高，而其他两种方法的选相结果均存在错误或选不出故障相。图4系统归算到二次侧的主要参数为：

Z_L1＝1.4+j8.0Ω，Z_L0＝1.2+j12.4Ω，Z_Sm＝0.1+j2.5Ω，Z_Sn＝0.15+j4Ω

表1不同选相方法的实验结果比较

故障参数	电流选相结果	单点补偿电压选相结果	两点补偿电压选相结果
				故障点：90％，AGδ＝15°，R_g＝5Ω	AG	AG	AG
故障点：90％，AGδ＝30°，R_g＝10Ω	选相失败	CAG	AG
				故障点：40％，AGδ＝15°，R_g＝5Ω	AG	选相失败	AG
故障点：90％，ABGδ＝15°，R_g＝5Ω	ABG	ABG	ABG
				故障点：90％，ABGδ＝30°，R_g＝10Ω	选相失败	ABG	ABG
故障点：40％，ABGδ＝15°，R_g＝5Ω	ABG	选相失败	ABG

大量的静态模拟实验和动模实验充分证明了本发明的稳态量选相方法是一种可靠、灵敏、准确并且适应性强的故障选相方案。

附图说明

图1是短线路模型(Z_S/Z_L＞1)中各点短路时的电压分布示意图；

图2是图1的短线路模型(Z_S/Z_L＞1)中F1点(0.5Z1处)发生故障时故障相的电压分布示意图；

图3是图1的短线路模型(Z_S/Z_L＞1)中F2点(1.4Z1处)发生故障时故障相的电压分布示意图；

图4是长线路模型(Z_S/Z_L＝1/9)中各点短路时的电压分布示意图；

图5是图4的长线路模型(Z_S/Z_L＝1/9)中F1点(约0.3Z1处)发生故障时故障相的电压分布示意图；

图6是图4的长线路模型(Z_S/Z_L＝1/9)中F2点(约0.1Z1处)发生故障时故障相的电压分布示意图；

图7是图4的长线路模型(Z_S/Z_L＝1/9)中F3点(约1.2Z1处)发生故障时故障相的电压分布示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法、结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

本发明实施例所提供的一种基于两点补偿电压计算判别的长线模型故障选相方法。所谓两点补偿电压选相方法指的是在长线上发生短路时，利用两点的补偿电压比正常运行时变化很多这一特点来进行故障选相的方法，当一点的补偿电压变化不明显时，另一点的补偿电压必然变化明显，两点互作替补，为同时适用于短线模型，两个补偿点电压中的一个取为0.8ZL处的U_y1，另一个取为0.3Z_L处的U_y2。所谓长线模型指的是源阻抗和线路阻抗满足Z_S/Z_L＜1/4的系统模型，以下我们来分析在长线(以Z_S/Z_L＝1/9为例)上各点发生短路时的电压分布图，如图4所示，图中Em、En分别表示线路两侧电源的电压幅值，U、I分别表示保护安装处的电压和电流，ZS为本侧电源阻抗，Z1为被保护线路全长的正序阻抗，Y1为补偿点0.8*Z1，Y2为补偿点0.8*Z1，F1、F2、F3为故障点。

类似于前面的推导，故障相的保护安装处电压U和两点补偿电压U_y1和U_y2的表达式分别如下：

U = \frac{K_{2}}{K_{1} + K_{2}} \times E_{m}, U_{y 1} = \frac{| K_{2} - 0.8 |}{K_{1} + K_{2}} \times E_{m}, U_{y 2} = \frac{| K_{2} - 0.3 |}{K_{1} + K_{2}} \times E_{m}

当线路正方向发生区内故障时，假定故障点在如图5所示的F₁点(0.3Z_L处，此时U＝0.73Em，Uy1＝1.22Em，Uy2＝0)，故障相的保护安装处电压U下降到故障前的0.73，此时故障相在0.8Z_L处的补偿电压U_y1为故障前的1.22倍，不仅没有下降，反而上升了。而低电压选相的门槛一般是故障前电压的0.3到0.4之间，所以此时低电压选相失效，同时运用单点补偿电压U_y1的选相方法将变得不够灵敏或者根本选不出故障相。但很明显故障相在0.3Z_L处的补偿电压U_y2降为零，此时若根据该点的补偿电压降低就可以选出故障相，而对于更近处的故障，比如图6所示的F₂点(0.1Z_L处，此时U＝0.47Em，Uy1＝3.32Em，Uy2＝0.95Em)发生故障时，此时保护安装处电压U下降到故障前的0.5，低电压选相方法依然失效，而此时故障相0.3Z_L处的补偿电压U_y2与故障前接近相等，下降得很少，靠它选相就变得不灵敏了，但故障相0.8Z_L处的补偿电压U_y1此时又变为故障前的3.32倍，变化量非常明显，所以此时又可根据该点补偿电压的上升准确选出故障相。对于发生在本线以外下一条线路上的故障，如图7所示的F₃点(1.2Z_L处，此时U＝0.92Em，Uy1＝0.31Em，Uy2＝0.69Em)，此时故障相0.8Z_L处的补偿电压U_y1降为故障前的0.31，类似于短线模型，依靠该点补偿电压可以选出故障相，至于发生F₁点和F₃点的故障，同样可以依靠上述两点的补偿电压值的变化确定故障相别。以上就是两点补偿电压选相方法在长线模型下发生故障时的基本原理。

以上的分析是在基于线路正方向上发生金属性短路时系统的电压分布图，在经过渡电阻故障时，由于故障点的电压并非为零，而是随过渡电阻值的升高而升高，所以上述两点补偿电压选相方法在经过渡电阻短路时灵敏度将会下降；同时在长线上发生故障时，由于短路阻抗的增大，故障电流将变小，甚至有可能出现故障相电流小于负荷电流的情况。所以，两点补偿电压选相方法在实际运用时需要辅助以有流判据

和单相经过渡电阻短路时故障相电流必须满足的

的判据。同时，在运用两点补偿电压法选出故障相后，若是接地故障(单相或两相接地)，再用所述的现有技术中的序分量选相元件来进行校验，看是否满足相应的分区判据，例如当选为AG或BCG故障时，看是否满足

如果不满足，再考虑运用其他的判据重新进行选相，但由于基于稳态量的选相判据的门槛值一般都比较粗略，所以本方案在这种情况下就参照高灵敏度的突变量选相的结果，具体的实现方法是：选取在故障后头两周波(40ms)以内突变量选相结果中累计点数最多的故障相作为稳态量选相结果。但由于突变量仅仅存在于故障后的40ms，不能适应转换性故障是它的一个缺点。出现这种情况最大的可能就是长线上中长远处经高阻发生单相接地故障时，由于故障相的电流电压变化都不明显，实验发现往往很容易误选为两相接地故障。

两点补偿电压法在经过上述修正后，就能同时适用于长线和短线的故障选相，并能在不同的负荷电流和不同的过渡电阻时提高选相的准确度和灵敏度。已将此法成功地运用于自主研发的110KV线路保护装置中，大量的静态模拟实验和动模实验充分证明了这一新型稳态量选相方法是一种可靠、灵敏、准确并且适应性强的故障选相方案。

以下就来叙述一下两点补偿电压选相方法在微机线路保护装置中具体实现的方案和流程。两个补偿点分别记为c₁Z_L和c₂Z_L，c₁，c₂分别表示补偿点位置占线路全长的百分比。其基本思想是用故障相两点的补偿电压更加全面地反应故障相的特征，通常为配合距离I段的选相灵敏度，可选取c₁在0.7～0.9之间，为配合长线模型的故障选相，可选取c₂在0.25～0.35之间，本发明的实施方案中选取c₁＝0.8，c₂＝0.3，以下的叙述中就采用这两个经验值作为计算的两个补偿点，实现方案：

1)计算出0.8Z_L和0.3Z_L两处的各六个补偿电压：

为保护安装处测到的三个单相电压和电流，

为保护安装处计算得到的三个相间电压和电流，

别表示0.8Z_L处的三个单相补偿电压和三个相间补偿电压，

分别表示0.3Z_L处的三个单相补偿电压和三个相间补偿电压，

U_0y1表示在线路中点0.5Z_L处的零序补偿电压。

则两点补偿电压选相流程分以下两步进行：

2)如果满

则判为接地故障，然后计算以下三个判据，否则进入3)。

其中，

3)判为相间故障，计算以下三个判据：

其中，

为故障前保护安装处的相间电压幅值，

为三相电流的最大值，I_RES＝0.04I_N为继电器有流门槛。

4)当2)中选出的相别为单相接地或者两相接地故障后，再用现有技术中的

序分量分区选相判据进行校验：

a.若判为AG或BCG故障，则检查是否满足判据：

b.若判为BG或CAG故障，则检查是否满足判据：

c.若判为CG或ABG故障，则检查是否满足判据：