CN102082423B - 一种线路相间故障继电保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力系统继电保护技术领域中的一种线路相间故障继电保护方法。通过计算故障相间电压向量与故障处电压向量的矢量差超前故障相间动作电压向量与故障处电压向量的矢量差的角度，来决定保护是否动作。本发明方法消除了高压/超高压/特高压输电线路分布电容的影响，具有很好的抗过渡电阻和抗负荷电流的能力。

Description

一种线路相间故障继电保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种线路相间故障继电保护方法。

背景技术

高压输电线路是电网正常运行的大动脉，既担负着传送巨大功率的任务，又是各大电网联网运行的纽带，其安全运行对整个电网的供电可靠性非常重要。同时高压输电线路也是电力系统中发生故障最多的地方。当高压/超高压/特高压输电线路发生故障时，若没有及时切除故障或者误切除故障，都会造成电网解列或变压器越级跳闸等重大事故，对国民经济造成巨大损失。因此对线路保护装置的选择性、快速性、可靠性和灵敏性提出了更高的要求。

距离保护的动作性能受系统运行方式的影响小，在复杂电网中能够有选择性地切除故障，同时具有足够的灵敏性和快速性，所以距离保护一直是高压/超高压/特高压输电线路保护的主要保护方式。当线路发生金属性故障时，传统距离保护的测量阻抗是故障距离与线路单位阻抗的线性乘积，传统距离保护是根据测量阻抗的大小来反映故障点的远近，以决定是否发出跳闸信号，此过程没有考虑线路分布电容的影响。然而，高压/超高压/特高压重负荷远距离输电线路的沿线分布电容很大，因此，分布电容对高压线路的保护动作性能的影响不能忽略。王宾、董新洲等人发表的《特高压长线路单端阻抗法单相接地故障测距》(2008年7月25日，电力系统自动化第32卷第14期，25页-29页)理论分析证明了：考虑输电线路分布电容的影响后，测量阻抗与故障距离呈双曲正切函数关系，双曲正切函数特性决定了阻抗继电器容易受到过渡电阻的影响，而过渡电阻所带来的附加阻抗将严重影响阻抗继电器的动作特性。同时，高压/超高压/特高压重负荷远距离输电线路上的负荷电流对阻抗计算的影响也不容忽视，容易造成故障距离计算不准而缩短或超范围。

发明内容

针对上面技术背景中描述的现有距离保护受分布电容、负荷电流、过渡电阻影响的不足，本发明提出了一种线路相间故障继电保护方法。

本发明的技术方案是，一种线路相间故障继电保护方法，其特征是所述方法包括以下步骤：

步骤1：在变电站保护安装处测量线路上的故障相间电压向量、故障相间电流向量和故障相间电流突变量；

步骤2：用步骤1测量的各量计算保护整定距离处的故障相间动作电压向量；

步骤3：计算故障处电压向量；

步骤4：计算故障相间电压向量与故障处电压向量的矢量差1，计算故障相间动作电压向量与故障处电压向量的矢量差2；

步骤5：计算步骤4中矢量差1超前矢量差2的角度：若角度在大于90度且小于270度的范围内，则保护动作跳闸；否则保护不动作。

所述故障相间动作电压向量的计算方法为：

其中：

为故障相间动作电压向量；

为故障相间电压向量；

Z_c1为线路正序波阻抗： $Z_{c1}=\sqrt{\frac{R_1+\mathrm{j\ω}{L}_1}{G_1+\mathrm{j\ω}{C}_1}};$

γ₁为线路正序传播系数：

其中：R₁、L₁、

G₁、C₁分别为单位长度线路的正序电阻、电感、电导和电容值；

l_set为线路相间距离保护的整定范围；

为故障相间电流向量。

所述故障处电压向量的计算方法为：

其中：

为故障处电压向量；

为故障相间电压向量；

φ_L为线路正序阻抗角，其计算公式为：φ_L＝arg(Z_c1thγ₁l)，其中，l为被保护线路长度；

β为超前于

的相角，其计算公式为：

θ为

超前于的相角，其计算公式为：

为故障相间电流向量；

为故障相间电流突变量。

本发明采用分布参数模型，消除了高压/超高压/特高压输电线路分布电容的影响；使用电抗继电器，具有很好的抗过渡电阻的能力；同时考虑了故障处电压的影响，提高了抗负荷电流的能力。

附图说明

图1是本发明方法的超高压输电系统示意图。

图2是本发明方法的保护动作特性效果图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明提出了一种线路相间故障继电保护方法，包括如下内容：

1)在变电站保护安装处测量线路上的故障相间电压向量故障相间电流向量

故障相间电流突变量

其中：

分别表示AB相、BC相、CA相；

2)用上述步骤测量到的各量计算故障相线路上距保护安装处距离为l_set处的故障相间动作电压向量

故障相间动作电压向量的计算公式为：

其中：

Z_c1为线路正序波阻抗： $Z_{c1}=\sqrt{\frac{R_1+\mathrm{j\ω}{L}_1}{G_1+\mathrm{j\ω}{C}_1}};$

γ₁为线路正序传播系数：

其中：R₁、L₁、

G₁、C₁分别为单位长度线路的正序电阻、电感、电导和电容值；

l_set为线路相间距离保护的整定范围；

3)计算故障处电压向量

故障处电压向量的计算公式为：

其中：φ_L为线路正序阻抗角，其计算公式为：φ_L＝arg(Z_c1thγ₁l)，其中，l为

被保护线路长度；

β为超前于

的相角，其计算公式为：

θ为

超前于

的相角，其计算公式为：

4)故障相间电压向量

与故障处电压向量

的矢量差为

故障相间动作电压向量

与故障处电压向量

的矢量差为

计算

领先

的角度γ，如果角度γ满足90°≤γ≤270°，则故障点位于保护整定范围内，保护动作跳闸，否则保护不动作：即保护的动作方程为：

本发明的实施例说明如下：

应用本发明方法的一种500kV超高压输电系统如图1所示，其中，CT为电流互感器，PT为电压互感器，本发明的保护装置安装在送电端。系统为典型的双端供电系统，两侧母线分别为m和n，输电线路长度为300km。线路m、n两侧等效电源相角差为δ＝25°，线路m、n两侧电源幅值分别为1.05倍的标么值和1倍的标么值。线路参数采用京津唐500kV输电线路参数：

线路正序参数：R₁＝0.02083Ω/km，L₁＝0.8948mH/km，C₁＝0.0129μF/km，

G₁＝0s/km

线路零序参数：R₀＝0.1148Ω/km，L₀＝2.2886mH/km，C₀＝0.00523μF/km，

G₀＝0s/km

母线m的正序等值阻抗：Z_m1＝4.2643+j85.1453Ω

母线m的零序等值阻抗：Z_m0＝0.6+j29.0911Ω

母线n的正序等值阻抗：Z_n1＝7.9956+j159.6474Ω

母线n的零序等值阻抗：Z_n0＝2.0+j37.4697Ω

本发明提出的线路相间故障继电保护方法适用于距离保护的任何一段。实施例以距离保护I段为分析对象，保护范围整定为线路全长的85％(l_set＝255km)，仿真故障为：母线m侧185km处发生BC相间5欧姆电阻短路故障，具体步骤如下：

1)在变电站保护安装处测量线路上的故障相间电压向量

故障相间电流向量故障相间电流突变量

本实施例的故障相为BC相：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{BC}}=-18.56-j74.704\mathrm{kV};$

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BC}}=-2.0238+j3.2644\mathrm{kA};$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BC}}=-1.4648+j3.7678\mathrm{kA}.$

2)计算故障相线路上距保护安装处距离为l_set的故障相间动作电压向量

正序波阻抗： $Z_{c1}=\sqrt{\frac{R_1+\mathrm{j\ω}{L}_1}{G_1+\mathrm{j\ω}{C}_1}}=263.55-j9.7511\mathrm{\Ω};$

正序传播系数： ${\mathrm{\γ}}_1=\sqrt{(R_1+\mathrm{j\ω}{L}_1)(G_1+\mathrm{j\ω}{C}_1)}=0.00003951+j0.001068;$

故障相线路上距保护安装处l_set的故障相间动作电压向量

为：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{op},\mathrm{BC}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{BC}}-Z_{c1}\mathrm{th}{\mathrm{\γ}}_1{l}_{\mathrm{set}}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BC}}=63.669+j55.803\mathrm{kV}.$

3)计算故障处电压向量

线路正序阻抗角φ_L＝arg(Z_c1thγ₁l)＝85.61°，

超前于

的相角

超前于

的相角

计算故障处电压

4)故障相间电压向量

与故障处电压向量的矢量差为故障相间动作电压向量

与故障处电压向量

的矢量差为计算

领先

的角度γ，如果角度γ满足90°≤γ≤270°，则说明故障点位于保护整定范围内，保护动作跳闸，否则保护不动作：

故障相间电压向量与故障处电压向量矢量差为：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{BC}}-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{fBC}}=-180.26-j93.469\mathrm{kV},$

故障相间动作电压向量与故障处电压向量矢量差为：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{op}\·\mathrm{BC}}-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{fBC}}=70.963+j37.038\mathrm{kV},$

计算故障相间电压向量

与故障处电压向量的矢量差

超前故障相间动作电压向量

与故障处电压向量的矢量差

的角度γ：

90°＜γ＜270°，因此，保护动作跳闸。

图2是本发明方法的保护动作特性效果图。图中0Ω、15Ω、60Ω、300Ω为相间短路过渡电阻，各过渡电阻位于线路上保护范围内的不同位置。当BC相间发生过渡电阻短路故障时，本发明方法动作方程的相角情况如图所示。由图2可知，无论BC相间经过渡电阻0Ω短路故障，还是经过渡电阻300Ω短路故障，只要位于保护整定范围内，本发明方法动作方程的相角皆位于(90°270°)范围内，保护可靠动作；当故障位于保护整定范围外时，本发明方法动作方程的相角都位于(-90°90°)范围内，保护可靠制动。可见，本发明方法稳定可靠。同时，当保护范围内发生故障时，本发明方法动作方程的相角稳定在180°附近，位于动作角度范围的中间位置，保证了很高的灵敏性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种线路相间故障继电保护方法，其特征是所述方法包括以下步骤：

步骤1：在变电站保护安装处测量线路上的故障相间电压向量、故障相间电流向量和故障相间电流突变量；

步骤2：用步骤1测量的各量计算保护整定距离处的故障相间动作电压向量，所述故障相间动作电压向量的计算方法为：

其中：

为故障相间动作电压向量；

为故障相间电压向量；

Z_c1为线路正序波阻抗：

γ₁为线路正序传播系数：

其中：R₁、L₁、G₁、C₁分别为单位长度线路的正序电阻、电感、电导和电容值；

l_set为线路相间距离保护的整定范围；

为故障相间电流向量；

步骤3：计算故障处电压向量，所述故障处电压向量的计算方法为：

其中：

为故障处电压向量；

为故障相间电压向量；

φ_L为线路正序阻抗角，其计算公式为：φ_L=arg(Z_c1thγ₁l)，其中，l为被保护线路长度；

β为

超前于

的相角，其计算公式为：

θ为

超前于

的相角，其计算公式为：

为故障相间电流向量；

为故障相间电流突变量；

步骤4：计算故障相间电压向量与故障处电压向量的矢量差1，计算故障相间动作电压向量与故障处电压向量的矢量差2；

步骤5：计算步骤4中矢量差1超前矢量差2的角度：若角度在大于90度且小于270度的范围内，则保护动作跳闸；否则保护不动作。

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