CN103986133A - 基于无功功率突变量启动的定时限过电流保护方法 - Google Patents

Abstract

一种配电网继电保护技术领域的基于无功功率突变量启动的定时限过电流保护方法，首先采用负序电压启动元件监测线路负序电压，当超过负序电压启动值U_set时，负序电压元件动作，启动输出信号并保持；然后采用无功功率突变量启动元件监测三相无功功率，计算三相无功功率和的突变量，当突变量超过无功功率启动值Q_set时，启动输出信号并保持；再按照远后备保护必须保证的灵敏度整定保护III段的动作电流，得到动作电流整定值；当短路电流超过步骤三中的动作电流整定值，且步骤一、步骤二中的启动元件均发出动作信号时，保护经III段延时t^III出口跳闸，并且发出跳闸信号。本发明具有可靠动作，灵敏度高，抗过渡电阻能力强等优点，尤其适用于有功分量较大的重负荷线路保护。

Description

基于无功功率突变量启动的定时限过电流保护方法

技术领域

本发明涉及的是一种配电网继电保护技术领域的方法，具体是一种基于无功功率突变量启动的定时限过电流保护方法。

背景技术

随着我国城市化进程的进一步加快，城市用电负荷也逐渐上升，配电线路负荷不断增加。以电能作为能量来源的电动汽车需要通过充电装置对蓄电池进行充电，但大规模电动汽车同时充电使得线路更加重载。电动汽车充电机通常采用整流‐逆变‐整流的结构，电网侧电流三相对称，基波功率因数接近1，无功分量较小。

目前，35kV及以下配电网的保护方式主要是三段式电流保护，其优点是简单可靠，在一定程度上能够满足快速切除故障的要求。其中定时限过电流保护(III段)需要考虑躲开可能出现的最大负荷电流，且考虑电机自启动过程中保护能够可靠返回；作为后备保护，必须检验最小方式下相邻线路末端金属性两相相间短路时的灵敏度。I、II段保护定值较高，通常不会受到负荷电流的影响。

对于含有大规模电动汽车充电负荷接入的重负荷配电线路，随着负荷电流的增加，通常的保护方案仅仅提高III段保护定值以躲开重负荷电流，保护的整定值比较大，在较长相邻线路末端发生两相短路时，短路电流较小，保护灵敏度降低，对配电网的安全稳定运行构成严重威胁。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101267099A，公开日2008‐09‐17，公开了一种供配电线路自适应过电流保护的实现方法，包括：预先设定返回系数、可靠系数、自启动系数；测量线路相电流值；通过SCADA或EMS获得A、B两相实际负荷电流值；通过返回系数、可靠系数、自启动系数和负荷电流值，在线计算得整定值；考虑和相邻线路过电流保护配合，通过可靠系数计算另一整定值，和前一整定值相比，较大的作为本线路过电流保护整定值；比较相电流值和整定值的大小，若相电流值较大，则过电流保护动作；否则，获取负荷电流值，重新计算。该方法考虑线路实际负荷大小，确保了保护的可靠动作，但需要借助数据采集监控系统或能量管理系统监测负荷电流，实现过程复杂，成本较高，无法大规模普及。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于无功功率突变量启动的定时限过电流保护方法，具有可靠动作，灵敏度高，抗过渡电阻能力强等优点，尤其适用于有功分量较大的重负荷线路保护。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

步骤一，采用负序电压启动元件监测线路负序电压，当超过负序电压启动值U_set时，负序电压元件动作，启动输出信号并保持；

步骤二，采用无功功率突变量启动元件监测三相无功功率，计算三相无功功率和的突变量，当突变量超过无功功率启动值Q_set时，启动输出信号并保持；

步骤三，按照远后备保护必须保证的灵敏度整定保护III段的动作电流，得到动作电流整定值；

步骤四，当短路电流超过步骤三中的动作电流整定值，且步骤一、步骤二中的启动元件均发出动作信号时，保护经III段延时t^III出口跳闸，并且发出跳闸信号。

所述的负序电压启动元件的启动值U_set按照躲开正常运行时可能出现的最大不平衡电压来整定：U_set＝kU_N，其中：U_N为线路正常运行时的额定电压；k为可靠系数，取0.06。只要出现故障，都会出现负序分量，一旦检测到负序电压，就将动作信号延长0.2秒，以启动保护装置。

所述的无功功率突变量启动元件的启动值Q_set按照躲开本线路正常运行时可能出现的最大无功功率来整定，并且考虑在相邻线路故障时保护动作切除故障后，电动机自启动过程中可以可靠返回：其中：U_N为线路额定电压，I_max为最大负荷电流，K_rel为可靠系数，K_ss为电动机为自启动系数，K_re为返回系数，为正常运行时的功率因数角。启动元件输出启动信号后，保持0.2秒，以使保护装置可靠启动。

所述的保护III段动作电流为：其中：I_k.min为相邻线路末端短路时可能出现的最小短路电流；K_sen为灵敏系数。

本发明涉及实现上述方法的系统，包括：用于比较负序电压和负序电压启动值的负序分量启动模块、用于比较无功功率和无功功率启动值的无功功率突变量启动模块、用于比较线路电流和动作电流整定值的比较器以及延时器，其中：负序分量启动模块的输入端采集负序电压，无功功率突变量启动模块的输入端采集无功功率，比较器的输入端采集线路电流，负序分量启动模块、无功功率突变量启动模块和比较器的输出端并联后与延时器相连，延时器在三路输入端均接受到触发信号时延时后发出跳闸信号。

技术效果

与现有技术相比，本发明有效地克服了目前配电线路继电保护方法面对重负荷存在的灵敏度不足的问题。采用负序电压启动元件和无功功率突变量启动元件，能够可靠区分短路电流和负荷电流，在系统重载运行时，即使负荷电流超过整定值，由于不存在无功功率突变量和负序电压，保护都不会动作。启动信号输出后保持一段时间，有利于保护的正确动作。按照远后备保护的灵敏度要求进行整定，这种方式可以大幅降低整定值，使得保护抗过渡电阻能力增强。对于功率因数较高的负荷，由于无功分量相对较小，启动元件灵敏度高，这种方法尤其适用：

附图说明

图1为实施例1某35kV配电线路结构简图。

图2为实施例1III段保护的逻辑框图。

图3为本发明流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例应用环境为某35kV配电线路。

系统中性点不直接接地，AB、BC、CD为输电线路，LB、LC、LD为负荷，各条线路采用三段式电流保护，其中III段保护采用基于无功功率突变量启动的方法。

本实施例分析AB线路保护1的定时限过电流保护方法，包括以下步骤：

步骤一，保护包含负序电压启动元件。测量并求得负序电压U₂，当检测到U₂超过启动值U_set时，输出动作信号，并保持一段时间。启动值U_set按照躲开正常运行时可能出现的最大不平衡电压来整定：U_set＝kU_N，其中：U_N为线路额定电压，即两相短路故障时，系统会出现较大的负序电压，三相短路瞬间也会出现较大负序电压。k值取0.06，能够使得启动元件在故障发生时可靠动作。当U₂大于U_set时，输出启动信号，并延长0.2秒，以启动保护装置。

步骤二，保护包含无功功率突变量启动元件。测量并计算线路实时三相无功功率，并减去ΔT之前时刻的测量值，差值作为无功功率突变量ΔQ。ΔT为无功功率的检测间隔，应根据短路发生至短路稳态的时间来确定，一般可取为0.02～0.04秒。

当检测到ΔQ超过启动值Q_set时，输出动作信号，并保持一段时间。启动值Q_set按照躲开本线路正常运行时可能出现的最大无功功率来整定，并且考虑在相邻线路故障时保护动作切除故障后，电动机自启动过程中保护可以可靠返回。

无功功率的整定值为：其中：U_N为线路额定电压，即I_max为AB线路最大负荷电流，为LB、LC、LD负荷电流的叠加。I_max可以通过日负荷波动曲线预测得到，对于电动汽车充电负荷，可以在分析用户用车行为的基础上通过蒙特卡洛方法确定日负荷曲线。K_rel为可靠系数，取1.2；K_ss为电动机为自启动系数，取1.5；K_re为返回系数，取0.85；为正常运行时的功率因数角，取0.9。

启动元件输出启动信号后，保持0.2秒，以使保护装置可靠启动。

步骤三，按照远后备保护必须保证的灵敏度整定III段动作电流，不需要考虑躲开可能出现的最大负荷电流。对于定时限过电流保护，当负荷较重时，加设负序电压启动和无功功率突变量启动元件后，整定值可以大幅降低，无须躲开包括电动汽车充电功率的最大负荷电流。充电负荷不会导致启动元件的动作，因此可以直接按照远后备保护必须保证的灵敏度整定保护III段动作电流：其中：I_k.min为相邻线路BC末端C点短路时可能出现的最小短路电流；K_sen为灵敏系数，取1.5。

步骤四，当检测到线路电流Im大于步骤三中的整定值且步骤一、步骤二中的启动元件均发出动作信号时，保护按照配合要求经III段延时t^III出口跳闸信号。保护1的III段作为BC线路全长的远后备保护，动作时限应比保护2的II段高出一个Δt，比保护3的I段高出两个Δt，因此t^III取1.0秒。

如图2所示，实现上述方法的系统包括：用于比较负序电压和负序电压启动值的负序分量启动模块、用于比较无功功率和无功功率启动值的无功功率突变量启动模块、用于比较线路电流和动作电流整定值的比较器以及延时器，其中：负序分量启动模块的输入端采集负序电压，无功功率突变量启动模块的输入端采集无功功率，比较器的输入端采集线路电流，负序分量启动模块、无功功率突变量启动模块和比较器的输出端并联后与延时器相连，延时器在三路输入端均接受到触发信号时延时后发出跳闸信号。

所述的负序分量启动模块包括：依次连接的电压过滤器、比较器和延时器，其中：电压过滤器用于获得三相基波电压，比较器用于比较过滤后的负序电压与负序电压启动值，延时器用于在负序电压大于等于负序电压启动值时延时后发出触发信号。

所述的无功功率突变量启动模块包括：依次连接的突变量检测单元、比较器和延时器，其中：突变量检测单元用于计算当前无功功率与历史无功功率之差，作为无功功率突变量，比较器用于比较无功功率突变量与启动值，延时器用于在无功功率突变量大于等于无功功率突变量启动值时延时后发出触发信号。

基于以上分析，对于负载较重、保护灵敏度较低的配电线路，本保护方案包含无功功率突变量和负序电压两个启动元件，能够区分短路电流和负荷电流，可靠动作于短路故障。启动信号输出后保持0.2秒，以使保护可靠启动。按照灵敏度要求整定值电流，相比传统方法整定值降低，保护抗过渡电阻能力增强。对于功率因数约为0.9的民用负荷，以及接近单位功率因数的电动汽车充电负荷，无功分量较小，无功功率突变量启动元件灵敏度高，本保护尤其适用。

实施例2

结合本发明方法提供以下仿真实施例。

本发明利用电磁暂态仿真软件PSCAD进行了仿真实验，仿真模型如图1所示。

设定最小运行方式下C点发生两相短路，不同过渡电阻下保护1的动作情况列于表1。

表1最小方式下C点两相间短路保护1的动作情况

从表1看出，本发明提出的保护方案具有较强的抗过渡电阻能力，在过渡电阻较大时，启动元件能够正常启动，保护也能够可靠动作。

本发明可广泛应用于中低压配电线路的相间短路保护，尤其适用于含电动汽车充电负荷的配电线路。

Claims (6)

1.一种基于无功功率突变量启动的定时限过电流保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，采用负序电压启动元件监测线路负序电压，当超过负序电压启动值U_set时，负序电压元件动作，启动输出信号并保持；

步骤二，采用无功功率突变量启动元件监测三相无功功率，计算三相无功功率和的突变量，当突变量超过无功功率启动值Q_set时，启动输出信号并保持；

步骤三，按照远后备保护必须保证的灵敏度整定保护III段的动作电流，得到动作电流整定值；

步骤四，当短路电流超过步骤三中的动作电流整定值，且步骤一、步骤二中的启动元件均发出动作信号时，保护经III段延时t^III出口跳闸，并且发出跳闸信号；

所述的负序电压启动元件的启动值U_set＝kU_N，其中：U_N为线路正常运行时的额定电压；k为可靠系数，当出现负序分量时将动作信号延时以启动保护装置；

所述的无功功率突变量启动元件的启动值其中：U_N为线路额定电压，I_max为最大负荷电流，K_rel为可靠系数，K_ss为电动机为自启动系数，K_re为返回系数，为正常运行时的功率因数角；

所述的保护III段动作电流为：其中：I_k.min为相邻线路末端短路时可能出现的最小短路电流；K_sen为灵敏系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的可靠系数为0.06；当出现负序分量时将动作信号延长0.2秒，以启动保护装置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的无功功率突变量启动元件输出启动信号后，保持0.2秒，以使保护装置可靠启动。

4.一种用于实现上述任一权利要求所述方法的系统，其特征在于，包括：用于比较负序电压和负序电压启动值的负序分量启动模块、用于比较无功功率和无功功率启动值的无功功率突变量启动模块、用于比较线路电流和动作电流整定值的比较器以及延时器，其中：负序分量启动模块的输入端采集负序电压，无功功率突变量启动模块的输入端采集无功功率，比较器的输入端采集线路电流，负序分量启动模块、无功功率突变量启动模块和比较器的输出端并联后与延时器相连，延时器在三路输入端均接受到触发信号时延时后发出跳闸信号。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征是，所述的负序分量启动模块包括：依次连接的电压过滤器、比较器和延时器，其中：电压过滤器用于获得三相基波电压，比较器用于比较过滤后的负序电压与负序电压启动值，延时器用于在负序电压大于等于负序电压启动值时延时后发出触发信号。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征是，所述的无功功率突变量启动模块包括：依次连接的突变量检测单元、比较器和延时器，其中：突变量检测单元用于计算当前无功功率与历史无功功率之差，作为无功功率突变量，比较器用于比较无功功率突变量与启动值，延时器用于在无功功率突变量大于等于无功功率突变量启动值时延时后发出触发信号。