CN103166206A - 基于测距式输电线路单相接地故障距离保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统距离保护技术领域，公开了一种基于测距式输电线路单相接地故障距离保护。该方法首先测量输电线路保护安装处的故障相电压

故障相电流

故障相负序电流

零序电流

φ＝A、B、C相，作为输入量。根据上述输入量计算单相接地故障点到保护安装处的故障距离，最后根据距离保护判据|xz₁-0.5Z_set|<|0.5Z_set|是否成立来启动保护。本发明方法根据保护安装处到单相接地故障点的电压降与故障距离呈线性关系计算故障距离和故障阻抗，利用故障阻抗与阻抗整定值构成距离保护判据。本发明方法的故障距离测量精度不受过渡电阻、负荷电流等因素影响，因此本发明方法具有很强的耐高电阻和抗负荷电流影响的能力，距离保护整定范围附近故障时本发明方法可靠正确动作。

Description

基于测距式输电线路单相接地故障距离保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统距离保护技术领域，具体地说是涉及一种基于测距式输电线路单相接地故障距离保护方法。

背景技术

输电线路是电网正常运行的动脉，其运行可靠性影响着整个电网的供电可靠性，然而也是电力系统中发生故障最多的地方。当输电线路发生故障时，需要有效启动故障保护系统，以防止故障扩大，避免影响整个电网供电可靠性。

传统接地阻抗距离保护计算故障距离的计算式为

由于 ${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{\&phi;}}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{f\&phi;}}+x{z}_1({\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+\frac{z_0-z_1}{z_1}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0),$ 因此计算式 $x_{\mathrm{ce}}=\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{\&phi;}}}{z_1({\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+\frac{z_0-z_1}{z_1}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0)}=x+\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{f\&phi;}}}{z_1({\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+\frac{z_0-z_1}{z_1}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0)},$ 即计算式

的计算结果由两部分组成：一部分为真实故障距离x，另一部分为附加故障距离上述各式中，

为故障相电压，

为接地故障点电压，

为故障相电流，

为零序电流，φ=A、B、C相，z₁、z₀分别为每公里输电线路正序阻抗、零序阻抗，x为保护安装处到接地故障点的真实故障距离，x_ce为传统接地阻抗距离保护计算得到的故障距离。由于接地故障点电压引起的附加故障距离

会导致故障距离测量结果存在较大误差，造成距离保护拒动或误动，给电网稳定带来了非常不利的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于测距式输电线路单相接地故障距离保护方法。

基于测距式输电线路单相接地故障距离保护，其要点在于，包括以下步骤：

（1）提供电力测量仪，其实时采集输电线路保护安装处的故障相电压

故障相电流

故障相负序电流

和零序电流

其中，φ＝A、B、C相。

（2）提供数据处理器，其根据所采集的输电线路保护安装处的故障相电压

故障相电流

故障相负序电流和零序电流

计算以下相位差及相位角：

$\mathrm{\&beta;}=\mathrm{Arg}\left(\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{\&phi;}}}{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+3k{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0}\right);$ $\mathrm{\&theta;}=\mathrm{Arg}\left({\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{\&phi;}2}\right);$ α=Arg(z₁)和 $\mathrm{\&gamma;}=\mathrm{Arg}\left(\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+3k{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0}{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{\&phi;}2}}\right);$

其中，

z₁为每公里输电线路正序阻抗，z₀为每公里输电线路零序阻抗，

其中，φ＝A、B、C相。

（3）进一步的，根据上述获得的相位差及相位角，和所采集到的输电线路保护安装处的故障相电压故障相电流

故障相负序电流

和零序电流

计算单相接地故障点到保护安装处的故障距离x：

$x=\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{\&phi;}}-\left|\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{\&phi;}}\sin (\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&beta;})}{\sin (\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&gamma;})}\right|\exp \left(\mathrm{j\&theta;}\right)}{z_1({\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+3k{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0)}$

（4）根据故障距离x计算故障阻抗Z_celia=xz₁，数据处理器中设定有距离保护阻抗整定值Z_set；比较保护判据|xz₁-0.5Z_set|<|0.5Z_set|是否成立，若成立，则数据处理器发出动作指令，启动保护系统，保护动作。

本发明的特点及技术成果：

本发明所述方法是根据保护安装处到单相接地故障点的电压降与故障距离呈线性关系计算故障距离和故障阻抗，利用故障阻抗与距离保护阻抗整定值构成距离保护判据。本发明方法消除了接地故障点电压的影响，故障距离测量精度不受过渡电阻和负荷电流等因素影响，因此本发明所述方法具有很强的耐高电阻和抗负荷电流影响的能力，距离保护整定范围附近故障时本发明方法能够实现可靠、正确动作。

附图说明

图1为应用本发明方法的超高压双端输电系统示意图。

图2为m、n两侧等效电源相角差δ=20°时，距保护安装处220km处A相经300Ω接地故障后本发明方法与传统接地阻抗距离保护测量的故障距离的变化轨迹。

图3为m、n两侧等效电源相角差δ=20°时，距保护安装处220km处A相经300Ω接地故障后本发明方法与传统接地阻抗距离保护测量的故障阻抗的变化轨迹。

具体实施方式

结合附图，本发明提出的一种基于测距式输电线路单相接地故障距离保护的实施例详细说明如下：

应用本发明方法的一种500kV超高压输电系统如图1所示。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1段长为200km，输电线路2段长为100km。距离保护安装在输电线路1段m端处。m、n两侧等效电源相角差为δ，m、n两侧电源幅值分别为1.05倍标么值和1倍标么值。1段和2段输电线路参数采用华北电网500kV输电线路参数：

每公里输电线路正序阻抗z₁＝0.02083+j0.281Ω

每公里输电线路零序阻抗z₀＝0.1148+j0.7186Ω

m系统正序系统等值阻抗z_m1＝4.2643+j85.1453Ω

m系统零序系统等值阻抗z_m0＝0.6+j29.0911Ω

n系统正序系统等值阻抗z_n1＝7.9956+j159.6474Ω

n系统零序系统等值阻抗z_n0＝2.0+j37.4697Ω

本发明方法适用于距离保护的任何一段。本实施例中I段、II段和III段距离保护整定范围分别整定为1段输电线路全长的85%、120%，150%，分别为170km、240km、300km。距离保护整定阻抗方向与输电线路阻抗方向一致。仿真故障为m、n两侧等效电源相角差δ=20°时，2段输电线路内距m侧220km处发生A相经300Ω电阻接地故障，则实施例具体步骤如下：

（1）提供电力测量仪，测量输电线路保护安装处故障A相电压

故障A相电流

故障A相负序电流

零序电流

本实施例的故障相为A相：

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_A=42.446-j302.3\mathrm{kV},$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_A=0.23051-j0.7842\mathrm{kA},$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{A2}=-0.012521-j0.2028\mathrm{kA},$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0=-0.0053646-j0.11564\mathrm{kA},$

（2）距离保护的数据处理器根据获得的采集数据计算A相接地故障点至保护安装处的故障距离x，首先计算以下相位差及相位角：

$k=\frac{z_0-z_1}{3z_1}=0.5246-j0.0725,$

线路正序阻抗角α＝Arg(z₁)＝85.762°，

故障A相负序电流

相角

超前于

的相角

超前于

的相角

进一步的，计算A相输电线路接地故障点至保护安装处的故障距离 $x=\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_A-\left|\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_A\sin (\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&beta;})}{\sin (\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&gamma;})}\right|\exp \left(\mathrm{j\&theta;}\right)}{z_1({\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_A+3k{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0)}=223.56\mathrm{km},$

将所设定的整定值代入保护判据，首先根据故障距离x计算故障阻抗Z_celia=xz₁，进一步计算距离保护判据|xz₁-0.5Z_set|＝|223.56z₁-0.5×240z₁|<|0.5Z_set|＝|0.5×240z₁|成立，因此单相接地故障点位于II段距离保护范围内，A相输电线路II段距离保护动作。

图2给出了m、n两侧等效电源相角差δ=20°时，距保护安装处220km处A相经300Ω电阻接地故障后150个采样点内本发明方法和传统接地阻抗距离保护测量的故障距离的变化轨迹。由图2知，本发明方法故障距离测量结果很快趋于实际故障距离220km处，落在II段距离保护整定范围内，距离保护动作于跳闸。而传统接地阻抗距离保护的故障距离测量结果则一直落在III段距离保护整定范围外，传统接地阻抗距离保护保护一直拒动。

图3给出了m、n两侧等效电源相角差δ=20°时，距保护安装处220km处A相经300Ω电阻接地故障后150个采样点内本发明方法和传统接地阻抗距离保护测量的故障阻抗的变化轨迹。由图3可知，本发明方法测量的故障阻抗于故障发生后6.167ms进入动作区域，并很快趋于稳定，最终故障阻抗为Z_celia＝4.658+j62.87Ω，落在II段距离保护动作区域内，保护动作于跳闸。而传统接地阻抗距离保护测量的故障阻抗则一直位于III段距离保护动作区域之外，传统接地阻抗距离保护保护一直拒动。

表1给出了m、n两侧电源相角差δ=20°，距保护安装处不同位置发生A相经300Ω接地故障时本发明方法测量的故障距离和测量阻抗的情况。

表1

故障位置/(km)	故障距离/(km)	故障阻抗/(Ω)	保护动作情况
				50	52.951	1.103+j14.885	I段距离保护动作
70	73.008	1.5208+j20.523	I段距离保护动作

100	103.1	2.1476+j28.983	I段距离保护动作
				150	153.26	3.1923+j43.082	I段距离保护动作
180	183.39	3.82+j51.552	II段距离保护动作
				200	203.51	4.2392+j57.21	II段距离保护动作
230	233.69	4.8678+j65.693	II段距离保护动作
				250	253.62	5.2829+j71.295	III段距离保护动作
270	273.3	5.6928+j76.827	III段距离保护动作
				280	283.05	5.896+j79.569	III段距离保护动作
290	292.73	6.0977+j82.29	III段距离保护动作

由表1可知，m、n两侧电源相角差δ=20°，距保护安装处不同位置发生A相经300Ω接地故障时，本发明方法测量的故障距离都准确落在相应段距离保护整定范围内，测量的故障阻抗也都落在相应段距离保护动作区域内，各段距离保护都正确动作于跳闸。

表2给出了m、n两侧电源相角差δ=50°（重负荷线路情况），距保护安装处不同位置发生A相经300Ω接地故障时本发明方法测量的故障距离和测量阻抗的情况。

表2

故障位置/(km)	故障距离/(km)	故障阻抗/(Ω)	保护动作情况
				30	30.203	0.62913+j8.4904	I段距离保护动作
60	60.503	1.2603+j17.008	I段距离保护动作
				80	80.706	1.6811+j22.687	I段距离保护动作
140	141.39	2.9452+j39.747	I段距离保护动作
				190	192.33	4.0062+j54.065	II段距离保护动作
210	212.78	4.4322+j59.814	II段距离保护动作
				260	263.93	5.4977+j74.194	III段距离保护动作
275	279.27	5.8172+j78.506	III段距离保护动作
				285	289.5	6.0302+j81.38	III段距离保护动作
295	299.72	6.2432+j84.254	III段距离保护动作

由表2可知，m、n两侧电源相角差δ=50°（输电线路为重负荷线路），距保护安装处不同位置发生A相经300Ω接地故障时，本发明方法测量的故障距离都准确落在相应段距离保护整定范围内，测量的故障阻抗也都落在相应段距离保护动作区域内，各段距离保护都正确动作于跳闸。

因此，本发明方法具有很强的耐高电阻能力和抗负荷电流能力，比传统接地阻抗距离保护具有更好的动作特性，具有很强的实用价值。

以上所述仅为本发明的较佳具体实施例，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。

Claims (1)

1.基于测距式输电线路单相接地故障距离保护方法，包括下列步骤：

（1）提供电力测量仪，其实时采集输电线路保护安装处的故障相电压

故障相电流

故障相负序电流

和零序电流

其中，φ＝A、B、C相；

（2）提供数据处理器，其根据所采集的输电线路保护安装处的故障相电压

故障相电流故障相负序电流

和零序电流

计算以下相位差及相位角：

$\mathrm{\&theta;}=\mathrm{Arg}\left({\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{\&phi;}2}\right);$ α=Arg(z₁)和 $\mathrm{\&gamma;}=\mathrm{Arg}\left(\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+3k{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0}{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{\&phi;}2}}\right);$ 其中， $k=\frac{z_0-z_1}{3z_1},$ z₁为每公里输电线路正序阻抗，z₀为每公里输电线路零序阻抗，其中，φ＝A、B、C相；

（3）进一步的，根据上述获得的相位差及相位角，和所采集到的输电线路保护安装处的故障相电压

故障相电流

故障相负序电流

和零序电流

计算单相接地故障点到保护安装处的故障距离 $x=\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{\&phi;}}-\left|\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{\&phi;}}\sin (\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&beta;})}{\sin (\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&gamma;})}\right|\exp \left(\mathrm{j\&theta;}\right)}{z_1({\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{\&phi;}}+3k{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0)};$

（4）根据故障距离x计算故障阻抗Z_celia=xz₁，数据处理器中设定有距离保护阻抗整定值Z_set；比较保护判据|xz₁-0.5Z_set|<|0.5Z_set|是否成立，若成立，则数据处理器发出动作指令，启动保护系统，保护动作。

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