CN101539606B - 一种电力系统继电保护的故障方向判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统继电保护领域，公开了一种故障方向判定方法，用于系统中发生接地故障时，故障方向的判别。包括在被保护线路段某侧设置有保护装置，通过计算本侧零序故障分量电压相量

和零序故障分量电流相量

，然后计算出故障分量零序阻抗

，取其虚部，即为故障分量零序电抗，

，根据故障分量零序电抗与定值的大小关系来区分接地故障的方向。

Description

一种电力系统继电保护的故障方向判定方法

(一)、技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域的故障方向判定方法。具体的说，是一种当电力系统交流输电线路发生接地故障时，用于判断故障方向的方法。

(二)、背景技术

为保证选择性，线路保护中都配置有方向元件，零序方向元件是使用最广泛的一种，用于系统中发生接地故障时，故障方向的判别。目前的零序方向元件，一般是通过检测零序电压和零序电流之间的角度，如果这个角度在一定范围内，则判断为正向或者反向。这种方法的缺陷在于，对于某些系统中的某些接地故障，零序电压可能很小，灵敏度不能满足要求，导致方向判别错误。特别是在线路上发生高阻接地的情况下，零序电压可能很小，有时甚至不能和干扰相区分。另外，由于系统的不平衡，有的线路在正常运行中，线路上就存在零序电压，在故障时，保护感受到的零序电压是故障产生的零序电压和不平衡零序电压的叠加，用叠加后的电压来判断方向，有时会得出错误的结果。

(三)、发明内容

本发明的目的在于提供了一种电力系统继电保护的故障方向判定方法，用于系统中发生接地故障时，故障方向的判别。所要解决的技术问题是：根据故障分量零序电抗与定值的大小关系来区分故障方向；即使感受到的故障分量零序电压的幅值较小，仍可以准确地判别故障方向。

本发明的技术方案如下：

一种电力系统继电保护的故障方向判定方法，其特征在于：在被保护线路段任一侧设置保护装置，

首先，保护装置采集本侧三相电压和电流值，计算本侧零序故障分量电压相量

零序故障分量电流相量

其次，根据零序故障分量电压相量和电流相量，计算故障分量零序电抗X₀，X₀为零序故障分量电压相量和零序故障分量电流相量之间的比值的虚部， $X_0=\mathrm{Im}\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_0}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_0}\right);$

最后，进行判定，如果X₀＜k_F×X_L0，X_L0为线路零序电抗，K_F为正向故障电抗可靠系数，且 $\left|\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_0\right|>I_{\mathrm{set}},$ I_set为电流定值，则确定为正向故障；如果X₀＞k_R×X_L0，K_R为反向故障电抗可靠系数，且 $\left|\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_0\right|>I_{\mathrm{set}},$ 则确定为反向故障。

所述K_F的整定原则为：0.1≤K_F≤0.4；所述K_R的整定原则为：0.6≤K_R≤0.9；所述I_set的整定原则为：I_set＝0.1In-0.5In，I_n是线路本侧电流互感器二次额定值。

K_F优选0.4；K_R优选0.6；I_set优选0.2I_n。

故障分量的计算采用故障后数据减去故障前数据的方法，将得到的故障分量数据，使用全周傅立叶算法，计算出故障分量相量。通过计算本侧零序故障分量电压相量

和零序故障分量电流相量

然后计算出故障分量零序阻抗

取其虚部，得到故障分量零序电抗， $X_0=\mathrm{Im}(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_0/\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_0),$ 根据故障分量零序电抗与定值的大小关系来区分故障方向。

当线路上发生正向接地故障时，故障分量零序电抗等于背侧的系统电抗，极性为负，因为极性的关系，它总是小于线路零序电抗。当线路上发生反向接地故障时，故障分量零序电抗等于线路和对侧系统的零序电抗之和，大于线路电抗。根据这个特点，可以判断接地故障的方向。

本发明中故障分量零序电抗X₀为零序故障分量电压相量与零序故障分量电流相量之间的比值的虚部。通过计算故障分量零序电抗，根据故障分量零序电抗与定值的比较结果，来判断故障方向。该方向元件的优点在于，该方向元件不受系统正常运行时存在的不平衡电压的影响，灵敏度高，不需要设置电压门槛，即使感受到的故障分量零序电压的幅值较小，仍可以准确地判别方向。

(四)、附图说明

图1是保护装置连接图，以m侧的保护为例。

图2是发生正向接地故障时的零序故障分量等效网络。

图3是发生反向接地故障时的零序故障分量等效网络。

图4是正向和反向区域描述图。

(五)、具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

参照图1，在m侧有保护装置。线路的保护装置具有数据处理功能，能够采样本侧的三相电压和电流，控制本侧的执行机构。保护装置采样本侧的三相电压和电流，计算出故障分量零序电抗，然后进行方向判别。

图2、图3分别为发生正向、反向接地故障时的零序故障分量网络图，双侧电源供电的线路在F点发生了接地故障。图中，Z_sm、Z_sn分别为线路两侧零序电源阻抗，Z_L0为零序线路阻抗，

为F点的零序故障分量电势，

为流过故障支路的零序电流，R_F0为故障点处的零序电阻，

分别为母线m处的零序故障分量电压和电流。m处故障分量零序阻抗为：

$Z_0=\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_0}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_0}$

故障分量零序电抗为故障分量零序阻抗的虚部：

X₀＝Im(Z₀)    (1)

当发生正向接地故障时，如图2所示，对于装在母线m处的保护装置，可知：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_0=-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_0\×Z_{\mathrm{sm}}$

所以，母线m处的故障分量零序阻抗为：

$Z_0=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_0/\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_0=-Z_{\mathrm{sm}}---\left(2\right)$

当发生反向接地故障时，如图3所示，可知：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_0=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_0\×(Z_{L0}+Z_{\mathrm{sn}})$

所以，

$Z_0=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_0/\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_0=Z_{L0}+Z_{\mathrm{sn}}---\left(3\right)$

结合式(2)和式(3)可知，当发生正向接地故障时，

m侧的故障分量零序电抗为：

X₀＝-X_sm    (4)

其中，X₀和X_sm分别为故障分量零序电抗和m侧系统的零序电抗。

当发生反向接地故障时，

X₀＝X_L0+X_sn    (5)

其中，X_L0和X_sn分别为线路和n侧系统的零序电抗。

由式(4)、(5)可知，当发生正向接地故障时，故障分量零序电抗的极性为负，因为极性的关系，它总是会小于线路零序电抗，即X₀＜X_L0；当发生反向接地故障时，故障分量零序电抗为线路零序电抗和对侧系统零序电抗之和，必定大于线路零序电抗，即X₀＞X_L0。因此，可以根据故障分量零序电抗来判断接地故障的方向。基于故障分量零序电抗的方向元件即据此提出，判据为：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_0<k_F\&times;X_{L0}\\ \left|\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0\right|>I_{\mathrm{set}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{X}_0>k_R\&times;X_{L0}\\ \left|\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0\right|>I_{\mathrm{set}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

当故障分量零序电抗和线路零序电抗之间的关系满足式(6)时，为正向故障；满足式(7)时，为反向故障。式(6)和式(7)中的k_F、k_R分别为正向和反向判据的电抗可靠系数，I_set是电流定值。k_F和k_R应取不同的数值，且k_F小于k_R，以使正向区域和反向区域完全分开，保证可靠性。一般地，k_F可以设定为0.4，k_R可以设定为0.6，如此，k_R＞k_F，正向范围和反向范围没有交迭区，而且正向区域和反向区域都有较大裕度。I_set可以设置为0.2I_n，I_n为CT二次侧的额定电流，足以保证方向判别的可靠性。

图4为由正向门槛K_F×X_L0和反向门槛K_R×X_L0确定的正向区域和反向区域，K_F＜K_R。从图中可以看出，正向区域和反向区域之间，没有交迭区。发生正向接地故障时，故障分量零序电抗小于零，位于横轴以下；发生反向接地故障时，故障分量零序电抗大于线路零序电抗。当k_F取为0.4，k_R取为0.6时，正向区域和反向区域都有较大裕度，有利于可靠的判断方向。线路电抗X_L0越大，此方向元件的可靠性越高。

故障分量零序电抗方向元件有以下性能

(1)不受负荷影响，不受过渡电阻影响，灵敏度高，不受正常运行时的不平衡电压的影响。

基于故障分量零序电抗的方向元件，采用故障分量，不受负荷影响，不受正常运行时的不平衡电压的影响。

结合式(4)和式(5)可知，故障分量零序电抗仅与系统和线路的零序电抗有关，与过渡电阻无关，可知该方向元件不受过渡电阻的影响。

从式(6)和式(7)可知，该元件的灵敏度受限于电流定值I_set，因系统正常运行时，并无故障分量，而目前的微机保护测量精度高，所以I_set可以取较低的数值，设置为0.2I_n时，已足以满足判别方向的可靠性。由此可知，该方向元件的灵敏度高。

(2)不需要设定电压门槛，当保护感受到的故障分量零序电压较低，甚至接近于零时，仍可以准确的判别方向。

当发生反向接地故障时，只要电流条件满足要求， $\left|\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0\right|>I_{\mathrm{set}},$ 装置感受到的故障分量零序电压和电流总是满足式(3)所描述的关系，故障分量零序电抗等于线路和对侧系统的零序电抗之和，大于线路的零序电抗，式(7)满足，而式(6)不满足，基于故障分量零序电抗的方向元件可以准确的判别出故障方向。

当发生正向接地故障时，如果装置背后是大电源，或故障点远离保护安装处，保护感受到的故障分量零序电压会较小。基于故障分量零序电抗的方向元件，电流条件需满足要求， $\left|\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0\right|>I_{\mathrm{set}},$ 装置感受到的故障分量零序电压和电流满足式(2)所描述的关系，故障分量零序电抗等于负的背后系统零序电抗，其小于线路的零序电抗。当故障分量电压较小，甚至接近于零时，计算的故障分量零序电抗也会很小，式(6)满足，而式(7)不满足，基于故障分量零序电抗的方向元件可以准确的判别出故障方向。

容易得出，线路越长，线路零序阻抗越大，基于故障分量零序电抗的可靠性越高。当线路很短时，考虑极端情况，假设线路零序电抗接近于零，则式(6)、(7)中的电抗门槛K_F×X_L0和K_R×X_L0接近于零，保护不能区分正向和反向的电抗门槛，则不能准确的判别方向。一般地，当X_L0＞1Ω(二次值)时，因微机保护的测量精度高，该方向元件已经具有较高的可靠性。而实际系统中的线路零序电抗一般满足X_L0＞1Ω的关系，基于故障分量零序电抗的方向元件可以满足实际电力系统的要求。

(3)实现简单。

传统的反映电压和电流之间相角的方向元件，需要对灵敏角进行设定。而基于故障分量零序电抗的方向元件，使用电抗分量来判别方向，仅需比较故障分量零序电抗和相应门槛之间的大小，而非判断角度区域，不需要考虑灵敏角，实现简单。

Claims (3)

1.一种电力系统继电保护的故障方向判定方法，其特征在于：在被保护线路段任一侧设置保护装置，

首先，保护装置采集本侧三相电压和电流值，计算本侧零序故障分量电压相量

、零序故障分量电流相量

其次，根据零序故障分量电压相量和零序故障分量电流相量，计算故障分量零序电抗X₀，X₀为零序故障分量电压相量和零序故障分量电流相量之间的比值的虚部，

最后，进行判定，如果X₀＜K_F×X_L0，X_L0为线路零序电抗，K_F为正向故障电抗可靠系数，且I_set为电流定值，则确定为正向故障；如果X₀＞K_R×X_L0，K_R为反向故障电抗可靠系数，且

则确定为反向故障。

2.根据权利要求1所述的电力系统继电保护的故障方向判定方法，其特征在于：所述K_F的整定原则为：0.1≤K_F≤0.4；所述K_R的整定原则为：0.6≤K_R≤0.9；所述I_set的整定原则为：I_set＝0.1I_n～0.5I_n，I_n是线路本侧电流互感器二次额定值。

3.根据权利要求1所述的电力系统继电保护的故障方向判定方法，其特征在于：K_F＝0.4；K_R＝0.6；I_set＝0.2I_n；I_n是线路本侧电流互感器二次额定值。

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