CN113949049A - 一种220kV输电线路自适应单相重合闸方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种220kV输电线路自适应单相重合闸方法。该方法包括1、当输电线路发生单相故障时，线路保护选相后跳开输电线路两侧故障相的断路器；2、设置两侧线路保护单相重合闸先后顺序，断路器单相跳开后经重合闸时间T1，先重合输电线路大电源一侧；3、称先重合一侧M侧，若重合于永久性故障，则跳开三相断路器；若为瞬时性故障，断路器重合成功；4、称后重合一侧N侧，在断路器重合前，利用M侧和N侧重合时间差，判断故障是否为永久性故障；5、若判断N侧故障为永久性故障，则N侧闭锁重合闸并跳开三相断路器；若判断N侧故障为瞬时性故障，则经短延时T2后重合断路器。

Description

一种220kV输电线路自适应单相重合闸方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种220kV输电线路自适应单相重合闸方法。

背景技术

220kV输电线路断路器采用分相操动机构，同时架空输电线路单相故障占70％以上，因此采用单相重合闸。目前国内220kV输电线路的主保护为光纤电流差动保护。

220kV输电网大量使用同杆双回线的联络方式，当其中一回线路发生单相故障后，单相重合闸动作；目前线路两侧单相重合闸整定时间一致，但由于断路器机构特性不一致，故障相两侧断路器分合闸时间存在不同步性，导致相邻线路短时流过很大的穿越性故障电流；当故障线路两侧完成重合后，由于输电线路呈感性，该穿越性电流不能立即消失；相邻线路穿越性电流在衰减过程中产生较大的剩磁，并结合系统直流分量，使得电流互感器快速趋于饱和。

故障线路保护后加速动作后，由于分闸时间的不同步性，相邻线路短时内再次流过大的穿越性电流；若此电流初始突变方向与衰减直流分量一致，在助磁作用下使得电流互感器快速饱和；若相邻非故障线路两侧电流互感器特性不一致，饱和情况不同，光纤电流差动保护将会感受到很大的差流，造成保护的不正确动作，进而造成两侧变电站完全失去联络。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种220kV输电线路自适应单相重合闸方法，对于永久性故障只重合线路一侧断路器，解决了220kV双回输电线路其中一回线发生单相永久性故障后，因两侧断路器分合闸时间的不同步性，导致相邻非故障线路产生衰减直流分量引发CT饱和，进而造成非故障线路的保护误动作问题。

本发明是采取以下技术方案实现的，一种220kV输电线路自适应单相重合闸方法，包括以下步骤：

步骤1、当输电线路发生单相故障时，线路保护选相后跳开输电线路两侧故障相的断路器；

步骤2、设置两侧线路保护单相重合闸的先后顺序，断路器单相跳开后经过重合闸时间T1，先重合输电线路大电源一侧；

步骤3、将步骤2所述的先重合的一侧定义为M侧，若重合于永久性故障，则线路保护检测到故障电流后，立即加速跳开三相断路器；若为瞬时性故障，则断路器重合成功；

步骤4、将后重合的一侧定义为N侧，在断路器重合前，利用两侧即M侧和N侧的重合时间差，根据电流序分量的变化判断故障是否为永久性故障；

步骤5、若判断N侧故障为永久性故障，则N侧闭锁重合闸并跳开三相断路器；若判断N侧故障为瞬时性故障，则经短延时T2后重合断路器。

本发明中的线路保护指的是保护此条线路的继电保护装置。

所述重合闸时间T1为重合闸的整定时间，单位秒S。

所述大电源侧是指双电源联络线的功率送出一侧；大电源侧电源短路阻抗小，小电源侧电源短路阻抗大；本专利所述方法先重合于大电源侧，重合于永久性故障的短路电流更大，更有利于故障性质识别。

电力系统短路故障按照持续时间可分为瞬时性故障和永久性故障两类；瞬时性故障即故障时间持续很短，如雷击、鸟害引起的故障，断路器跳闸后电弧将自动熄灭，故障消失，因此重合闸能够成功；而永久性故障一直存在，如杆塔倒地、带地线合闸，重合闸后故障仍然存在，因此继电保护再次动作将断路器跳开，这样重合闸就没有成功。

步骤4中根据电流序分量的变化判断故障是否为永久性故障，具体方法为：在N侧断路器跳开后等待重合闸期间，若检测到序分量电流突变并满足公式(5)则为永久性故障，否则为瞬时性故障；

公式(5)具体为：

其中，

为N侧负序电路，

为N侧零序电流，取N侧断路器等待重合期间，检测到零序电流突变后的第三个周波电流进行计算；m，n为计算权重，取m＝0.8，n＝0.2，I_set为整定电流且

其中，k_rel为可靠系数且k_rel＝0.55，

为M侧重合于永久性单相故障后N侧负序、零序计算电流。

上述步骤4中M侧重合于永久性单相故障后，N侧负序、零序计算电流

表达式如公式(4)所示：

其中Z_M1、Z_M0为线路故障点K至M侧中性点的正序阻抗和零序阻抗，故障点取线路长度50％处；

为接地短路附加电动势，取故障前线路相电压；

D是阻抗表示式，D＝(Z₁₁+2Z₀₀)(2Z_M1+Z_M0)-2(Z_M0-Z_M1)²，Z₁₁＝Z_M1+Z_N1，Z₀₀＝Z_M0+Z_N0，Z_N1、Z_N0为线路故障点至N侧中性点的正序阻抗和零序阻抗。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过设置线路两侧断路器单相重合闸时间差，识别故障是否为永久性故障，后重合侧针对故障类型决策是否重合，可以有效解决断路器单相跳开后的故障性质识别问题，不受故障位置影响，并且受过渡电阻影响较小。

(2)当双回线路其中一回线发生永久性单相故障后，可以解决因两侧断路器分合闸时间的不同步性，导致相邻非故障线路产生衰减直流分量引发CT饱和，进而造成非故障线路的保护误动作问题。

(3)可减小重合于永久性故障对系统造成的冲击，提高系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明一种220kV输电线路自适应单相重合闸方法中双电源联络线单相接地故障示意图；

图2为本发明一种220kV输电线路自适应单相重合闸方法中断线接地短路附加状态示意图；

图3为本发明中自适应重合闸流程图；

图4为利用PSCAD/EMTDC仿真得到的发生瞬时性单相接故障地后M侧先重合，N侧电流序分量幅值；

图5为利用PSCAD/EMTDC仿真得到的发生永久性单相接故障地后M侧先重合，N侧电流序分量幅值。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示双电源联络线，当线路发生单相故障保护跳开故障相后，经过重合闸时间T1后先重合线路大电源侧(M侧)断路器，另一侧(N侧)断路器是否重合取决于故障性质的识别结果；若N侧识别故障为永久性故障，则不重合；若N侧识别故障为瞬时性故障，则经过短延时T2后重合。

图1所示，为输电线路A相接地、M侧断路器先重合的系统图，等效于单相断线并接地故障。图2为断线接地短路附加状态，

为接地短路附加电动势，Z_M1、Z_M0为线路故障点K至M侧中性点的正序阻抗和零序阻抗，Z_N1、Z_N0为线路故障点至N侧中性点的正序阻抗和零序阻抗，R_g为过渡电阻。

和

为A、B、C三相的电流，因B、C两相的参数相同，所以

K点左侧每相自阻抗为

相间互阻抗为

根据图2，列出回路方程：

解得：

其中D′＝(Z₁₁+2Z₀₀)(2Z_M1+Z_M0+3R_g)-2(Z_M0-Z_M1)²，Z₁₁＝Z_M1+Z_N1，Z₀₀＝Z_M0+Z_N0。N侧各序分量电流为：

为了便于整定，将故障点K取线路50％处，即线路中点，同时忽略R_g，M侧重合于永久性单相故障后N侧负序、零序计算电流

幅值为：

其中Z_M1、Z_M0为线路中点K至M侧中性点的正序阻抗和零序阻抗，

为接地短路附加电动势，D＝(Z₁₁+2Z₀₀)(2Z_M1+Z_M0)-2(Z_M0-Z_M1)²，Z₁₁＝Z_M1+Z_N1，Z₀₀＝Z_M0+Z_N0，Z_N1、Z_N0为线路故障点至N侧中性点的正序阻抗和零序阻抗。

本发明一种220kV输电线路自适应单相重合闸方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1、当输电线路发生单相故障时，线路保护选相后跳开输电线路两侧故障相的断路器；

步骤2、设置两侧线路保护单相重合闸的先后顺序，断路器单相跳开后经过重合闸时间T1，先重合输电线路大电源一侧；

步骤3、将步骤2所述的先重合的一侧定义为M侧，若重合于永久性故障，则线路保护检测到故障电流后，立即加速跳开三相断路器；若为瞬时性故障，则断路器重合成功；

步骤4、将后重合的一侧定义为N侧，在断路器重合前，利用两侧即M侧和N侧的重合时间差，根据电流序分量的变化判断故障是否为永久性故障；

步骤5、若判断N侧故障为永久性故障，则N侧闭锁重合闸并跳开三相断路器；若判断N侧故障为瞬时性故障，则经短延时T2后重合断路器。

实施例：仿真验证实验

利用PSCAD/EMTDC建立了如图1所示的220k V双端网络仿真模型，其中M侧系统为大电源，N侧为小电源，线路全长30km，输电线路为Bergeron模型，参数为：单位长度正序阻抗0.041+j0.2953(Ω/km)，单位长度零序阻抗0.2031+j0.7369(Ω/km)，单位长度正序电容C₁＝0.0128μF/km，零序电容C₀＝0.0075μF/km。主变参数：自耦降压变，额定容量334/334/100MVA，短路阻抗高-中：19.7％，中-低：38.71％，高-低：64.81％。将T1整定为0.8秒，T2整定为0.1秒。根据以上参数，求解N侧负序电流、零序电流计算幅值分别为114.5A和229A，因此由式(6)计算得整定值为I_set＝75.6A。

仿真过程：假设0.5s时线路中点发生瞬时性A相金属性接地故障，0.1s后跳开A相断路器，0.3s后故障消失，T1＝0.8s后重合A相M侧断路器，测得N侧负序电流、零序电流幅值如图4所示，序电流变化过程经历四个阶段：a.故障前阶段，此时电流为负荷电流，因此只有正序分量；b.故障阶段，此时电流产生正序、负序、零序分量，且其幅值相等；c.非全相运行阶段，此时线路两侧A相断路器跳开，等待重合；d.重合成功后阶段，故障电流消失。

当故障性质为永久性故障时，M侧A相断路器重合后，N侧负序电流、零序电流幅值如图5所示序，电流变化过程经历五个阶段：a.故障前阶段，此时电流为负荷电流，因此只有正序分量；b.故障阶段，此时电流产生正序、负序、零序分量，且其幅值相等；c.非全相运行阶段，此时线路两侧A相断路器跳开，等待重合；d.M侧重合于故障阶段，N侧电流产生正序、负序、零序分量，且零序分量为负序分量的两倍，正序、负序分量相等；e.故障切除阶段，两侧三相断路器均跳开。仿真结果表明，发生永久性故障时，在M侧重合于故障阶段，N侧负序电流、零序电流有明显的突变，并具有一定的幅值，验证了本发明故障性质判据的正确性和有效性。

改变故障位置，进一步校验本发明故障性质判据的灵敏性。分别记录永久性故障不同故障位置和过渡电阻时N侧负序电流、零序电流幅值。其中故障位置由故障点距M侧母线的电气距离占线路总长的百分比表示，判据的灵敏系数K_lm计算公式为：

下表中记录了仿真验证实验的数据。

过渡电阻指电力系统故障点与大地之间的等效电阻，包括电弧电阻、杆塔电阻、大地电阻、异物电阻等，用R_g表示；R_g即式(1)和图2中的R_g，本发明为方便整定，忽略R_g，得到式(4)；220kV线路在接地短路时考虑的最大过渡电阻为100Ω，因此仿真中设置0.01～100Ω的过渡电阻以验证本发明整定方法的可靠性。灵敏性指保护装置具有的正确动作能力的裕度，反映了保护对故障的反应能力，一般以灵敏系数来描述；灵敏系数是指故障量与整定值之比，灵敏系数越大则保护对故障量的识别越灵敏，灵敏系数大于1，保护才是有效的。

由表中数据可见，过渡电阻不大于50Ω时，对于永久性故障的判别灵敏系数均大于1.5，且不受故障位置影响。

当过渡电阻为100Ω，金属性故障发生在M侧母线出口处时(线路长度1％处)，重合M侧A相断路器，N侧负序电流、零序电流幅值分别为78A和99.4A，判别灵敏度仍大于1。由此可见，故障位置最不利于故障性质判别时(M侧母线出口处)，本发明判据仍可准确判断故障性质。因此，本发明判据具有较强耐过渡电阻性能。解决了220kV双回输电线路其中一回线发生单相永久性故障后，因两侧断路器分合闸时间的不同步性，导致相邻非故障线路产生衰减直流分量引发CT饱和，进而造成非故障线路的保护误动作问题。

Claims (3)

1.一种220kV输电线路自适应单相重合闸方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、当输电线路发生单相故障时，线路保护选相后跳开输电线路两侧故障相的断路器；

步骤2、设置两侧线路保护单相重合闸的先后顺序，断路器单相跳开后经过重合闸时间T1，先重合输电线路大电源一侧；

步骤3、将步骤2所述的先重合的一侧定义为M侧，若重合于永久性故障，则线路保护检测到故障电流后，立即加速跳开三相断路器；若为瞬时性故障，则断路器重合成功；

步骤4、将后重合的一侧定义为N侧，在断路器重合前，利用两侧即M侧和N侧的重合时间差，根据电流序分量的变化判断故障是否为永久性故障；

步骤5、若判断N侧故障为永久性故障，则N侧闭锁重合闸并跳开三相断路器；若判断N侧故障为瞬时性故障，则经短延时T2后重合断路器。

2.根据权利要求1所述的220kV输电线路自适应单相重合闸方法，其特征在于，步骤4中根据电流序分量的变化判断故障是否为永久性故障，具体方法为：在N侧断路器跳开后等待重合闸期间，若检测到序分量电流突变并满足公式(5)则为永久性故障，否则为瞬时性故障；

公式(5)具体为：

其中，

为N侧负序电路，

为N侧零序电流，取N侧断路器等待重合期间，检测到零序电流突变后的第三个周波电流进行计算；m，n为计算权重，取m＝0.8，n＝0.2，I_set为整定电流且

其中，k_rel为可靠系数且k_rel＝0.55，

为M侧重合于永久性单相故障后N侧负序、零序计算电流。

3.根据权利要求1所述的220kV输电线路自适应单相重合闸方法，其特征在于，上述步骤4中M侧重合于永久性单相故障后，N侧负序、零序计算电流

表达式如公式(4)所示：

其中Z_M1、Z_M0为线路故障点K至M侧中性点的正序阻抗和零序阻抗，故障点取线路长度50％处；

为接地短路附加电动势，取故障前线路相电压；

D是阻抗表示式，D＝(Z₁₁+2Z₀₀)(2Z_M1+Z_M0)-2(Z_M0-Z_M1)²，Z₁₁＝Z_M1+Z_N1，Z₀₀＝Z_M0+Z_N0，Z_N1、Z_N0为线路故障点至N侧中性点的正序阻抗和零序阻抗。

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