零序电压三篇

零序电压 篇1

纵联零序方向保护因原理简单、抗过渡电阻能力强, 实际运行中基本不受负荷变化和系统振荡等因素的影响, 可快速切除输电线路各类接地故障, 而广泛配置在超高压电网的线路保护中[1~4]。传统的纵联零序保护为了抗干扰和保证方向元件的可靠性, 对零序电压设置了一定门槛。零序电压门槛的使用, 虽然提高了方向元件的可靠性, 但同时也降低了方向元件的灵敏性。随着电网规模和容量的不断扩大, 当母线综合零序阻抗很小时, 线路末端发生高阻接地故障, 零序电流虽然达到定值, 但是零序电压可能达不到动作门槛, 从而造成纵联零序方向保护拒动。文献[5, 6]提出根据零序电压的大小, 在故障时有选择地投入负序方向元件或用正序电压来代替零序电压作为零序方向判别, 采用负序方向元件或正序电压来弥补零序电压灵敏度不足, 以解决零序电压死区问题。文献[7]通过分析零序电压和故障相电压间的相位关系, 提出基于故障类型的零序方向元件, 当零序电压低于门槛值时, 采用保护安装处故障前的故障相电压代替零序电压进行方向判别。文献[5~7]提出的方法在实际应用中均取得了一定效果。文献[8]提出采用零序电压补偿的方法来提高零序方向元件的灵敏度, 但未针对补偿度进行充分定性分析, 同时也仅针对单回线路故障进行分析, 对双回线路故障则没有介绍。本文通过分析基于本地零序电压补偿的纵联零序方向保护的动作特性, 定性分析补偿度的取值对补偿后的纵联零序方向保护的影响, 重点分析了双回线中一回线非全相运行时, 零序电压过补偿导致健全线的纵联零序方向保护误动机理, 最后通过理论推导和仿真算例证明分析的正确性。

1 传统的纵联零序方向保护

传统纵联零序方向保护由正方向元件、反方向元件组成。以国内主流微机保护为例, 正方向元件的动作定值是纵联零序电流整定值一般取与300A对应的二次电流值;反方向元件的动作定值自动比正方向元件高, 电流门槛取正方向的0.625倍;纵联零序方向保护安装处的零序电压门槛取1.0V。零序方向元件可按相位比较或幅值比较的原理构成, 但归根到底是比较保护安装处的零序电压和零序电流的相位。零序正方向的动作方程为:

零序反方向的动作方程为:

零序方向元件的动作特性如图1所示。假设纵联保护工作在允许式, 当本侧保护所测零序电流达到正方向元件的动作定值, 且所测零序电压、零序电流满足正方向元件的动作方程时, 纵联零序方向保护向对侧发允许信号, 此时若收到对侧允许信号即可发跳闸命令。

当线路末端发生高阻接地故障或继电保护背后为大电源系统时, 保护能够启动, 保护安装处所测零序电压、零序电流也满足正方向元件的动作方程, 但零序电压可能低于动作门槛值36) U0dz, 造成纵联零序方向保护无法向对侧发送允许信号, 导致对侧纵联零序方向保护拒动, 本侧也因零序电压36) U0dz无法开放而拒动, 严重威胁到电网的安全稳定运行, 此时需研究防止保护拒动的有效对策。

2 零序电压补偿的纵联零序方向保护

针对大电源、长线路末端发生高阻接地故障时, 保护安装处零序电压灵敏度不足问题, 基于本地零序电压补偿的纵联零序方向保护动作方程为:

式中, 3U′0为零序补偿电压。

当大电源、长线路末端发生高阻接地故障时, 保护所测零序电压可能较小, 所以当测量零序电压大于预设门槛时, 3U′0即取3U0, 否则, 3U′0取对本地零序电压3U0补偿后的值。零序电压补偿公式为:

式中, Zcom为零序补偿阻抗;ρ为补偿度 (ρ>0) ;ZL0为线路的零序阻抗;Zcom=ρZL0。

现针对双电源供电单回线和双回线模型, 分析线路分别发生横向和纵向故障后零序电压补偿的纵联零序方向保护动作特性, 研究ρ的取值对该保护的影响。

2.1 单回线故障

2.1.1 正方向横向故障

线路正方向横向故障后, 系统零序网络及零序电压分布如图2 (a) 、 (b) 所示。M侧补偿电压U′m0在母线零序电压Um0与故障点零序电压UF0的连线上;N侧补偿电压U′n0在母线零序电压Un0与故障点零序电压UF0的连线上。通过补偿, U′m0>Um0, U′n0>Un0, 提高了零序电压与零序方向元件的灵敏度。两侧方向元件的零序电流与零序补偿电压的相位关系如图2 (c) 所示, 线路两侧均判断为正方向。

2.1.2 正方向纵向故障

线路正方向纵向故障后, 系统零序网络及零序电压分布如图3 (a) 、 (b) 所示, 与横向故障类似, U′m0>Um0, U′n0>Un0, 提高了零序电压与零序方向元件的灵敏度。两侧方向元件的零序电流与零序补偿电压的相位关系如图3 (c) 所示, 线路两侧均判断为正方向。

2.1.3 反方向横向故障

线路反方向横向故障后, 系统零序网络及零序电压分布如图4 (a) 、 (b) 所示。对于M侧 (反方向) , 经补偿后, U′m0逐渐减小, 当超过K点 (过补偿) 后, U′m0发生反向;对于N侧, 补偿后的零序电压特性与正方向横向故障时相同。

M侧零序补偿电压反向前后与零序电流的相位关系如图4 (c) 所示。U′m0过补偿后, M侧零序方向元件将反方向判断为正方向, 线路两侧纵联零序方向保护将会误动。为了防止过补偿造成U′m0反向, 同时考虑到线路N侧背后零序网络开路的极端情况, Zcom应小于线路的零序阻抗ZL0, 即ρ<1。

2.1.4 反方向纵向故障

线路反方向纵向故障后, 系统零序网络及零序电压分布如图5 (a) 、 (b) 所示。纵向故障时, M侧 (反方向) 零序补偿电压特征与横向故障类似。

2.2 双回线故障

对于双侧电源供电的双回线模型, 故障线路两侧零序补偿电压及零序方向元件的动作特性分析同单回线模型, 本处仅分析一回线发生故障, 相邻正常运行的健全线线路两侧经零序电压补偿后的纵联零序方向保护动作特性。

2.2.1 相邻线路横向故障

I回线横向故障后, 系统零序网络及II回线零序电压分布如图6 (a) 、 (b) 所示, 只要ρ<1, 健全线线路两侧零序补偿电压不会反向, M、N两侧方向元件分别判为反方向故障和正方向故障。

2.2.2 相邻线路纵向故障

I回线纵向故障后, 系统零序网络及II回线零序电压分布如图7 (a) 、 (b) 所示, 在线路MN上存在零序补偿电压过零点K。补偿后, 两侧零序电压减小。当M侧零序电压补偿超过K点时, U′m0发生反向;同理, 当N侧零序补偿电压超过K点时, U′n0也发生反向。此时, M、N两侧的零序电流与零序补偿电压间的相位关系如图8所示。

根据图8中的相位关系可知零序方向元件动作行为情况组合, 见表1。当U′m0、U′n0均反向时, 线路两侧均判为正方向故障, 此时健全线纵联零序方向保护会误动。

综上所述, 对于本地零序电压补偿的纵联零序方向保护有以下动作特性。

(1) 对于单回线, 线路正方向发生横向或纵向故障, 当ρ>0时零序电压补偿可以提高零序方向元件的灵敏度。

(2) 对于单回线, 线路反方向发生横向或纵向故障, 存在一侧补偿后零序补偿电压低于补偿前的零序电压。当过补偿时, 零序补偿电压会反向, 零序方向元件会误判为正方向故障。为防止零序电压过补偿反向, 要求0<ρ<1。

(3) 对于双回线中一回线发生横向故障, 相邻健全线一侧补偿后的零序补偿电压低于补偿前的零序电压, 当0<ρ<1时, 健全线线路两侧纵联零序方向保护不会误动。

(4) 对于双回线中一回线发生纵向故障, 过补偿时健全线两侧零序补偿电压均会反向, 健全线纵联零序方向保护将会误动。

为防止误动并找出误动机理, 对ρ做进一步的定量分析, 研究ρ的大小对补偿后的纵联零序方向保护的影响。

3 健全线纵联零序方向保护误动机理

双侧电源供电的双回线模型如图9 (a) 所示, 其中一回线断线时与之等效的系统零序网络示意图如图9 (b) 所示。

规定零序电压的正方向是母线电位为正、中性点电位为负, 零序电流以母线流向被保护线路的方向为正方向。当I回线两侧断线时, 不计输电线路分布电容的影响, 有:

式 (5) ~ (9) 通过换算可得:

假设线路两侧系统零序阻抗角相同, 则健全线 (II回线) 两侧的零序电压超前零序电流的相角为线路零序阻抗角, 线路两侧纵联零序方向保护均判为反方向故障。若II回线两侧采用本地零序电压补偿, 则根据式 (4) , 有:

显然, 补偿后的健全线两侧零序补偿电压是否反向与补偿度ρ的大小有关。当时, 健全线两侧零序补偿电压均反向, 零序补偿电压滞后零序电流的相角为线路零序阻抗角的补角, 线路两侧纵联零序方向保护均判为正方向故障, 保护必将误动;假定ZM0>ZN0, 当时, 健全线M侧和N侧零序方向元件分别判为反方向和正方向, 零序电压补偿后的纵联零序方向保护不会误动;当时, 健全线M侧和N侧零序方向元件均判为反方向, 零序电压补偿后的纵联零序方向保护不会误动。因此, 对于双电源供电的双回线模型, 计及补偿度的取值, 当其中一回线发生纵向故障时, 健全线两侧通过本地零序电压补偿的纵联零序方向保护发生误动的必要条件是如图10所示, 当ρ的取值在阴影区域时, 健全线两侧的零序补偿电压均过补偿, 保护将误动。

4 仿真结果及分析

为验证双回线中一回线断线时健全线通过本地零序电压补偿后的纵联零序方向保护误动机理, 建立如图9 (a) 所示的仿真模型。设故障类型:0.05s时I回线A相断线。ρ取不同值时, II回线两侧零序电流与零序补偿电压的相位关系如图11所示。

从图11的仿真结果可知, 当ρ=0.7>0.56时, 零序电压过补偿, 健全线两侧补偿后的零序方向元件均判为正方向故障, 纵联零序方向保护将误动。当ρ=0.5<0.56时, 健全线M侧零序方向元件判为正方向, N侧零序方向元件判为反方向, 纵联零序方向保护不会误动;当ρ=0.3<0.56时, 健全线两侧零序方向元件均判为反方向, 纵联零序方向保护不会误动。

5 结束语

基于本地零序电压补偿的纵联零序方向保护的动作特性与零序补偿电压有关, 在选取合适的补偿度下, 线路正方向故障时可提高纵联零序方向保护的灵敏度, 从而可以解决大电源、长线路末端发生高阻接地故障时零序电压死区问题。理论分析和仿真结果表明, 对于双电源供电双回线路, 当其中一回线路非全相运行时, 零序电压过补偿会导致健全线的纵联零序方向保护误动。在超高压电网纵联零序方向保护的研发和设计中, 应合理选择零序补偿电压的补偿度, 以避免线路误跳闸事件的发生。通道条件具备时, 宜优先选择光纤差动保护作为超高压电网日常运行中快速切除线路接地故障的主保护。

参考文献

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零序电压 篇2

为保证人身和二次设备的安全[1,2,3], 电压互感器 (TV) 二次回路必须接地, 而当TV二次回路出现两点甚至多点接地时, 将导致继电保护装置在系统发生故障时测量电压受到干扰, 可能引起保护的误动或拒动, 因此, 《电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施要点》 (以下简称《反措要点》) 中明确提出“经控制室零相小母线联通的几组电压互感器二次回路, 只应在控制室将小母线一点接地, 各电压互感器二次中性点在开关场的接地点应断开”。虽然有了反措要求, 但由TV二次回路两点接地造成的保护不正确动作还是屡有发生, 原因很多, 但有一点不容忽视, 就是故障期间TV二次侧中性点放电间隙或氧化锌阀片短时导通造成故障期间TV二次回路短时两点接地。故障后该接地点又消失, 事后往往无法寻找第2个接地点。《反措要点》8.4条规定“已在控制室一点接地的电压互感器二次线圈, 如认为必要, 可以在开关场将二次线圈中性点经放电间隙或氧化锌阀片接地, 其击穿电压峰值 (单位为V) 应大于30Imax, Imax为电网接地故障时通过变电所的可能最大接地电流有效值, 单位为kA” 。放电间隙或氧化锌阀片是为了保护TV的二次绕组, 其设计目标更多地针对雷电波、冲击过电压等, 对于工频电压, 反而不是考虑重点。因此, 在放电间隙或氧化锌阀片设计选型过程中, 若没有充分考虑工频分量电流造成的压降, 很可能在严重故障时放电间隙击穿或氧化锌阀片导通, 形成短时内TV二次回路的两点接地。这个问题是比较普遍的, 若能从零序方向元件上解决, 将对系统安全可靠运行很有好处。

两点接地可能造成接地距离保护、突变量距离保护和零序方向元件等不正确动作, 尤其以零序方向元件受影响最为严重, 其直接结果就是导致纵联零序保护不正确动作[1,2,3,4,5,6,7,8,9]。本文针对单相接地故障, 提出了不受两点接地影响的零序方向元件算法, 可以解决纵联零序保护因此造成拒动和误动的问题。

1TV二次回路两点接地的识别

1.1两点接地情况

双端输电系统如图1所示。

若变电站M母线TV二次侧存在两点接地, 发生故障后在二次回路将产生一个叠加电压, 如图2中的$\text{Δ}\dot{U},$这个电压将叠加到各相中去, 因此保护测量的各相电压为故障电压和叠加电压之和。假设正常情况下K点 (或者F点) 发生单相接地故障后保护安装处三相电压为$\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}},\dot{U}{}_{{\rm M}\text{B}},\dot{U}{}_{{\rm M}\text{C}}$, 在两点接地的情况下发生相同故障时三相电压分别为$\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}}´,\dot{U}{}_{{\rm M}\text{B}}´,\dot{U}{}_{{\rm M}\text{C}}´$, 有如下关系:

$\{\begin{array}{l}\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}}´=\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}}+\text{Δ}\dot{U}\\ \dot{U}{}_{{\rm M}\text{B}}´=\dot{U}{}_{{\rm M}\text{B}}+\text{Δ}\dot{U}\\ \dot{U}{}_{{\rm M}\text{C}}´=\dot{U}{}_{{\rm M}\text{C}}+\text{Δ}\dot{U}\end{array}(1)$

$\text{Δ}\dot{U}$的幅值大小与二次回路流过的电流成正比, 其相位可能超前于故障相电压100°～120°, 也可能滞后于故障相电压60°～80°。前一种情况零序方向元件能正确动作;后一种情况零序方向元件则可能不正确动作[4]。以后的分析均针对第2种情况展开。图2所示的相量图简单示意了此种情况下各电气量之间的相位关系。其中$\dot{U}{}_{{\rm M}0}$和$\dot{U}{}_{{\rm M}0}´$分别为正常情况下故障的零序电压和保护实际测量的零序电压。若故障点在反方向, 如图1中F点, 则M侧保护测量的零序电流相位如图2中$\dot{{\rm I}}{}_{{\rm M}0}$, 落后$\dot{U}{}_{{\rm M}0}$约70°。只有当$|\text{Δ}\dot{U}|$很大, 导致$\dot{U}{}_{{\rm M}0}´$落于第一象限才有可能将反方向故障误判为正方向。A相测量电压也受$\text{Δ}\dot{U}$的影响进入第一象限, $\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}}´$与$\dot{U}{}_{{\rm M}0}´$之间的相位差小于90°;若故障点在正方向, 如图1中K点, 则M侧保护测量的零序电流相位如图2中$\dot{{\rm I}}{}_{{\rm M}0}´$所示, 超前$\dot{U}{}_{{\rm M}0}$约110°, 若$|\text{Δ}\dot{U}|$较大, 零序方向同样将出现误判, 将正方向故障误判为反方向, 而出现此情况时$\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}}´$与$\dot{U}{}_{{\rm M}0}´$之间的相位差同样也比较小。

下面分析正常情况下发生单相故障时故障相电压与零序电压之间的相位差, 若两者相位差大于90°, 则可以用故障时$\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}}´$与$\dot{U}{}_{{\rm M}0}´$之间的相位差的大小来实时判别是否出现两点接地。

1.2正常情况

如图1所示K点发生单相接地故障 (以A相故障为例进行说明) , 根据故障分析可知, 故障后保护安装处的故障相 (A相) 测量电压为:

$\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}}=\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}[0]}-\frac{2C{}_1{\rm Z}{}_{{\rm M}1}+C{}_0{\rm Z}{}_{{\rm M}0}}{3R{}_{\text{g}}+2{\rm Z}{}_{{\displaystyle \sum 1}}+{\rm Z}{}_{{\displaystyle \sum 0}}}\dot{U}{}_{{\rm K}\text{A}[0]}(2)$

零序测量电压为:

$\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}0}=-\frac{C{}_0{\rm Z}{}_{{\rm M}0}}{3R{}_{\text{g}}+2{\rm Z}{}_{{\displaystyle \sum 1}}+{\rm Z}{}_{{\displaystyle \sum 0}}}\dot{U}{}_{{\rm K}\text{A}[0]}(3)$

式中:$\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}}$为M侧保护测量到的A相电压;$\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}[0]}$和$\dot{U}{}_{{\rm K}\text{A}[0]}$分别为故障前保护安装处和故障点的A相电压;ZM1和ZM0分别为M侧系统的正序和零序阻抗;C1和C0分别为正序和零序电流在M侧的分配系数;Rg为故障点的接地电阻;Z∑1和Z∑0分别为从故障点看系统的正序综合阻抗和零序综合阻抗。

因此,

$\frac{\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}0}}{\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}}}=\frac{-C{}_0}{k\angle \delta \frac{3R{}_{\text{g}}+2{\rm Z}{}_{{\displaystyle \sum 1}}+{\rm Z}{}_{{\displaystyle \sum 0}}}{{\rm Z}{}_{{\rm M}0}}-\frac{2C{}_1{\rm Z}{}_{{\rm M}1}+C{}_0{\rm Z}{}_{{\rm M}0}}{{\rm Z}{}_{{\rm M}0}}}(4)$

式中:$\delta =\arg (\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}[0]}/\dot{U}{}_{{\rm K}\text{A}[0]})$;$k=|\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}[0]}/\dot{U}{}_{{\rm K}\text{A}[0]}|$。

1.2.1 经小过渡电阻接地故障

经小过渡电阻接地故障时可忽略式 (4) 中的Rg。假定全系统零序阻抗角相同, 正序阻抗角也相同, 则

$\begin{array}{l}\frac{\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}0}}{\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}}}=\frac{-C{}_0}{k\angle \delta (\frac{2{\rm Z}{}_{{\displaystyle \sum 1}}}{{\rm Z}{}_{{\rm M}0}}+\frac{{\rm Z}{}_{{\displaystyle \sum 0}}}{{\rm Z}{}_{{\rm M}0}})-(2C{}_1\frac{{\rm Z}{}_{{\rm M}1}}{{\rm Z}{}_{{\rm M}0}}+C{}_0)}=\\ \frac{-C{}_0}{k\angle \delta (k{}_1\angle \alpha +k{}_2)-(k{}_3\angle \alpha +C{}_0)}=\\ \frac{-C{}_0}{kk{}_1\angle (\alpha +\delta )+k{}_{2}k\angle \delta -k{}_3\angle \alpha -C{}_0}(5)\end{array}$

式中:α=arg (ZM1/ZM0) ;k1=2|Z∑1/ZM0|;k2=|Z∑0/ZM0|;k3=2C1|ZM1/ZM0|。

令θ=arg (kk1∠ (α+δ) +k2k∠δ-k3∠α-C0) , 有

$\arg \frac{\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}0}}{\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}}}=180°-\theta (6)$

正常运行时两侧电源的相位差不会太大, 即使线路MN较长, δ也约在10°[10];系统的正序阻抗角和零序阻抗角一般认为相差很小, 即α很小。因此, 正常情况下应该满足|θ|<90°, 有

$90°＜\arg \frac{\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}0}}{\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}}}＜270°(7)$

1.2.2 高阻故障

高阻故障时, 可认为Rg远大于线路阻抗和系统阻抗。因此,

$\frac{\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}0}}{\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}}}\approx \frac{-C{}_0}{3k\angle \delta \frac{R{}_{\text{g}}}{{\rm Z}{}_{{\rm M}0}}}=-{\rm K}\angle (-\delta +{\rm Z}{}_{\text{k}\text{j}0})(8)$

式中:K=C0|ZM0|/ (3kRg) ;Zkj0为零序阻抗角。

因此,

$\begin{array}{l}\arg \frac{\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}0}}{\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}}}=\arg [-{\rm K}\angle (-\delta +{\rm Z}{}_{\text{k}\text{j}0})]=\\ 180°-(\delta -{\rm Z}{}_{\text{k}\text{j}0})(9)\end{array}$

若δ>0, 即M端为送电侧, -90°<δ-Zkj0<0°, 则$180°＜\arg (\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}0}/\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}})＜270°$。

若δ<0, 即M端为受电侧。若零序阻抗角较大, δ-Zkj0<-90°, 则$270°＜\arg (\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}0}/\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}})＜360°$, 两者相位差小于90°;否则, -90°<δ-Zkj0<0°, 有$180°＜\arg (\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}0}/\dot{U}{}_{{\rm M}\text{A}})＜270°$, 其相位差大于90°。

1.3TV二次回路两点接地判据

假设故障相电压和零序电压之间的相位差为β, 根据前面的分析可以得出如下结论:

1) TV二次回路两点接地情况下发生单相故障, 在β<90°时零序方向元件会误动, 而β较大时零序方向不会误动。因此只需要关心β<90°这种情况。

2) 正常情况下发生单相接地故障, 送电侧保护测量的β将大于90°;对于受电侧, 一般情况下保护测量的β也将大于90°, 但在高阻接地故障时β可能小于90°。高阻接地情况下零序电压很低, 而两点接地时由于叠加分量的影响, 零序电压往往比较高, 以零序电压幅值的大小可以区分高阻故障和两点接地。

此处提出两点接地的实时判据如下:

$\left|\arg \frac{\dot{U}{}_0}{\dot{U}{}_{\phi }}\right|<90°(10)$

式中:$\dot{U}{}_0$和$\dot{U}{}_{\phi }$分别为保护装置测量的零序电压和故障相电压。

对于送电侧来说, 满足式 (10) 就可以判定TV二次回路存在两点接地。

对于受电侧来说, 满足式 (10) 后还需判别零序电压的幅值。若同时满足式 (11) 则判定TV二次回路存在两点接地, 否则认为是高阻接地故障。

$\left|\dot{U}{}_0\right|>U{}_{{\rm M}{\rm K}}(11)$

式中:UMK为电压门槛, 可设定在10 V。

2TV二次回路两点接地情况下的零序方向元件

如1.1节中的分析, TV二次回路两点接地的情况下发生单相接地故障时保护测量的零序电压$\dot{U}{}_{0^{\prime }}$是故障引起的零序电压$\dot{U}{}_0$和由两点接地引起的附加分量$3\text{Δ}\dot{U}$的叠加量, $\dot{U}{}_{0^{\prime }}$相对于$\dot{U}{}_0$其相位有了较大的偏移, 以致用$\dot{U}{}_{0^{\prime }}$判别零序方向可能误判。若能在两点接地情况下找到一个与$\dot{U}{}_0$同相位的相量, 以此代替$\dot{U}{}_{0^{\prime }}$计算零序方向则可正确判别故障方向。假设图1中K点 (或F点) 发生A相接地故障, 健全相相间电压为:

$\begin{array}{l}\dot{U}{}_{{\rm M}\text{B}\text{C}}´=\dot{U}{}_{{\rm M}\text{B}}´-\dot{U}{}_{{\rm M}\text{C}}´=(\dot{U}{}_{{\rm M}\text{B}}+\text{Δ}\dot{U})-\\ (\dot{U}{}_{{\rm M}\text{C}}+\text{Δ}\dot{U})=\dot{U}{}_{{\rm M}\text{B}}-\dot{U}{}_{{\rm M}\text{C}}(12)\end{array}$

由式 (12) 可知, 系统发生单相故障健全相相间电压不受TV二次回路两点接地影响。由故障分析可知, 正常情况下发生单相接地故障健全相相间电压超前零序电压90°, 因此存在两点接地的情况下$\dot{U}{}_{\text{B}\text{C}}´$也超前$\dot{U}{}_0$为90°, 可利用$\dot{U}{}_{\text{B}\text{C}}´\text{e}{}^{-\text{j}90°}$代替$\dot{U}{}_{0^{\prime }}$计算零序方向。在TV二次回路两点接地的情况下发生单相故障时, 零序正方向元件的动作方程如下:

$-190°＜\arg \frac{\dot{U}{}_{\phi \phi }\text{e}{}^{-\text{j}90°}}{\dot{{\rm I}}{}_0}＜-30°(13)$

式中:$\dot{U}{}_{\phi \phi }$为保护测量的健全相相间电压。

系统发生单相接地故障后, 继电保护装置首先利用1.3节中的方法判别是否存在TV二次回路两点接地情况。若存在, 则以式 (13) 判别零序方向, 否则采用常规的方法判别零序方向。

3现场事故数据的分析验证

某地区220 kV输电系统如图3所示, 甲站各条出线均配有高频零序保护。2009年7月9日7时7分, 丁站母线发生B相接地故障, 甲乙线、甲丙Ⅰ线和甲丙Ⅱ线高频零序保护均动作跳开B相, 后重合成功;甲丁线高频零序保护未动作虽行为正确, 但事后从录波看甲站的保护零序方向判反方向, 属误判。总的来说, 甲站母线上相连的4条线路纵联零序方向均误判。

此次是典型的TV二次回路两点接地造成纵联零序保护误动的事故。图4为甲站母线电压录波数据, 故障从60 ms开始。

故障期间故障相 (B相) 电压与零序电压之间的相位差如图5所示。故障后B相电压超前零序电压45°左右, 零序电压幅值达到17 V, 因此, 根据式 (10) 和式 (11) 能准确判别出甲站母线TV的二次回路存在两点接地。

令$\dot{U}{}_0^{\text{A}},\dot{U}{}_{\text{C}\text{A}}^{\text{A}}$分别为甲站母线的零序电压和健全相相间电压, $\dot{{\rm I}}{}_0^{\text{A}X}$为连接在甲站上的任意一条线路的甲站侧保护测量的零序电流。令

$\{\begin{array}{l}\alpha =\arg \frac{\dot{U}{}_0^{\text{A}}}{\dot{{\rm I}}{}_0^{\text{A}X}}\\ \beta =\arg \frac{\dot{U}{}_{\text{C}\text{A}}^{\text{A}}\text{e}{}^{-\text{j}90°}}{\dot{{\rm I}}{}_0^{\text{A}X}}\end{array}(14)$

图6 (a) 为甲乙线路流过甲站保护的故障电流波形。图6 (b) 为计算所得的α和β值。

从α和β的计算结果可以看出, 常规的零序方向元件确实是误判为正方向的, 而新的零序方向元件能正确判别故障方向。甲丙两回线类似。

对于甲丁线上甲站的保护而言是正方向故障, 该线甲站保护测量的故障电流波形和α, β的计算结果如图7所示。

从图7可以看出, 甲丁线上甲站侧测量的零序电压与零序电流之间的相位差在0°左右, 常规零序方向元件判反方向;而β在-110°左右, 在新的零序方向元件正方向灵敏角附近, 可以正确判别出故障点在正方向。

4结语

本文提出了一种识别TV二次回路两点接地的方法, 即使是故障期间由于TV二次侧中性点空气间隙或者氧化锌阀片击穿所造成的短时两点接地也能很好地识别。在此基础上提出了适用于该情况下的零序方向元件, 解决了传统的零序方向元件误判造成纵联零序保护拒动和误动的问题。现场录波数据验证了本文所提出的方法的有效性。

摘要：电压互感器二次回路出现两点接地情况 (简称“两点接地”) 下再发生单相故障, 若引起零序方向元件误判, 零序电压和故障相电压之间相位差较小, 而正常情况下故障零序电压与故障相电压之间的相位差一般较大, 文中据此提出了电压互感器二次回路两点接地的实时识别方法。根据两点接地再故障时附加电压分量对各相电压影响的特点, 提出用健全相相间电压替代零序电压的零序方向算法。将两点接地的实时识别和零序方向新算法结合形成一种不受两点接地影响的零序方向元件, 可有效防止纵联零序保护不正确动作。现场事故录波数据的分析验证了该方法的有效性。

关键词：电压互感器,二次回路,两点接地故障,零序方向元件

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零序电压 篇3

摘要:文章介绍了一种新的基于零序电压的发电机定子接地故障100%范围差动保护的方法。研究表明在发电机中性点以及端点的零序基频电压和三次谐波电压同时改变,并且他们表现出一些相同特点。根据这个新的保护方法研究零序基波电压和三次谐波电压的故障信息。正因为联系了零序基波电压和三次谐波电压的信息,新的保护方法可以100%的检测绕组接地故障。模拟及现场测试的结果显示新的保护方法比传统的保护方法更加灵敏。

关键词:故障构成;定子接地保护;零序基频电压

中图分类号:TM310.73文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)18-0115-02

1概 述

因为定子接地故障是发电机组常见的故障之一,并且能够引起很大的损失,因此定子接地故障越来越引起大家的重视。随着电力工业的发展,发电机单机容量越来越大,这对发电机的设计、制造、运行都提出了很大的挑战。

目前许多定子保护方法被提出及应用,最简单、广泛的方法是基于测量零序电压的方法。概括地说他们包含两个部分:零序基频电压方法和三次谐波方法。当设置良好时,零序基频电压保护方法可以保护90%～95%的定子绕组。但是它不能检测出中性点附近的接地故障,中性点附近的接地保护通常是利用三次谐波电压。在中性点或者是机端只利用三次谐波的保护灵敏度很低,这是因为三次谐波随着运行状态的改变变化非常大。因此很多文章提出了基于中性点电压和机端电压变化的保护方法。在实际应用中他们的灵敏度都很低,因为发电机的运行情况经常改变。为了克服这种缺点,也有文章提出了相应解决办法,但是对大容量的水电机组来说,这些方法的灵敏度仍然很低。

以上的方法只是单一应用了零序基频电压的故障信息或者三次谐波电压的故障信息,灵敏度不高。文章利用零序电压的差动保护提出了一种具有高灵敏度的保护方法,该方法可以检测整个定子绕组。

2基于零序电压保护方法的比较

2.1零序基频电压保护方法的灵敏度

接地保护方法的应用,是指无论是中性点接地还是机端短路都不受影响。在中国,接地分为三种情况:经配电变压器高阻抗接地、中性点经消弧线圈接地和不接地。模拟结果证明接地故障引起的基频电压在所有的绕组中都是一定的。因此作为保护动作参量的基波零序电压可取自发电机中性点,也可取自机端。一般现场整定基波零序电压型接地保护的动作电压为5～10 V。图1显示了在整定为5 V时的保护范围临界电压曲线。曲线1、2、3是接地情况I、II、III的分析。文中发电机定子每相5分支,每项对地接地电容C=1.8uF。

以中性点经配电变压器高阻接地为例,从图1可见,在允许过滤电阻为8KΩ的情况下,基波零序电压保护只能保护发电机端附近的94%～100%范围的定子绕组。在距中性点约40%的绕组部分,可以实现3 kΩ过渡电阻接地的故障保护。保护灵敏度随故障点与中性点的距离近似成线性增长,在机端的灵敏度为最大。基波零序电压保护在中性点附近的灵敏度普遍偏低。因此,必须要引入三次谐波电压保护,以消灭这部分死区。

2.2三次谐波电压保护灵敏度分析

通常定子接地保护的三次谐波保护方法通常都是基于比较中性点电压和机端电压的差值。在实际中大量使用的方法可以分为以下几种形式:

方法1:当U3n-KpU3t>?茁1U3n时动作

方法2:当U3t(t)-U3n(t)*U3t(t-tcc)/U3n(t-tcc)>?茁2U3n(t)时动作

方法1基于中性点电压与机端电压的比率。不幸的是即使发电机在无故障运行时中性点电压与机端电压的比率也不是常数。Kp是个常数或者可在投入运行前调为最佳值。这里必须指出这种保护方法的灵敏度并不非常令人满意。

上面两种方法的不同之处是:我们用方法2中的U3t(t-tcc)/ U3n(t-tcc)代替方法1中的Kp。这样就具有相对中性点电压和机端电压比率变化的适应能力。方法2的PCCR中,其中β2=0.06。我们可以看出它的保护区域为整个定子绕组,方法2的灵敏度也比方法1的高。很容易得出以下结论:

①即使中性点与机端电压的比率随着励磁和输出功率而变化,但是在正常运行情况下变化的比率要远小于接地故障的情况。②同方法1比较,方法2不需要增加极限情况来避免功率波动。因此可以确保在不同情况下的灵敏度。③方法2中的设置量可以看做是近似独立量。给与更有效的数据,计算错误将会减少。通过给β2选择较小的值可以改善灵敏度。当β2=0.045时自适应方法可以得到较高的灵敏度。但对于一些大型机组这仍然不够。例如三峡电站中机组的临界中性点电压需求为8 kΩ,显而易见即使是自适应方法也有办法满足。

对以上方法灵敏度限制的主要原因大,在最小运行方式下故障,中性点和机端电压的变化很小。这些小的变化无法达到启动量。我们可以发现零序基频电压方法和三次谐波方法有灵敏度补偿区域。与三次谐波方法相比,零序基频电压方法在中间和发电机机端时有较高的灵敏度区域。同时,三次谐波方法在中性点附近有较好的表现,而零序基频方法在中性点的表现不令人满意。根据这些,如果在新方法中能结合零序基频分量方法和三次谐波方法的信息,将会得到满意的灵敏度并且可以保护整个定子绕组。

3对零序电压故障构成的分析

零序电压故障构成包括零序基频电压和三次谐波电压,当定子发生接地故障时在中性点和机端的三次谐波电压会同时发生变化,即使是经高电阻接地。对于零序电压发电机绕组电阻的影响可以忽略不计。基于此,当接地故障发生时,在中性点和机端的三次谐波相增量是相等的。作为一个故障运行的发电机,三相对称遭到破坏,三相基频电压将会在定子接地故障时立即出现。基于相同的原因,由接地故障引起的零序基频电压在整个绕组中都是相同的。在机端和中性点的零序基频电压向量分别由Uot和Uon表示。这里有: Uot=Uon。

这表明在机端和中性点的零序基频电压增量是相等的。这一信息包含在保护继电器的测量信号中,作为结果,它可以用来决定发电机定子是否接地。

根据这些,文中继电器的主要部分是多通滤波器作为带通滤波器工作。继电器快速分解由发电机接地故障引起的零序基频分量和三次谐波分量。为了从本质上产生两个零序分量,多通滤波器设计成本办法输出两个信号。

4基于故障零序电压的差动保护

文中差动保护的原则是当定子接地故障发生时使用零序电压增量。根据第三章,了解在中性点和机端零序电压增量是相等的很重要。基于零序电压的相关差动保护的方法为当:—Uop—>β—Ures—时动作,其中:

Uop=—Ut(t)- Ut(t-tc)+ Un(t)- Un(t-tcc)

Ures=—Ut(t)- Ut(t-tc)- Un(t)+Un(t-tcc)

T=Kn是采样点,Tcc是计算周期。为了增加可靠性(4)需要重复计算m次(m>6)

本保护方法只考虑故障电压而不考虑非故障电压。在平常情况下或者是功率波动情况下的零序电压波形是连续的。在这种情况下无法检测增量程序启动不能发出警报。在另一种情况,当电流发生大的突变时中性点和机端电压的增量表现为不规则。但这并不会影响新的保护方法。当中性点电压和机端电压相反时,而且它们的振幅也不相同。同时,理论上并不存在零序基频电压,因为发电机是对称的。因此存在很强的抑制,这可以避免保护在正常情况下误动。因为只考虑了故障电压,新的保护方法具备较高的灵敏度。

5分析以及测试结果

为了阐述新保护策略的有效性,进行了基于方法1和2的不同测试来比较。

硬件设备是多通滤波器系统,其中包括一个主控制器以及1个或多个处理器,采样频率是4 800 Hz。数字信号处理器卡根据低成本原则设计,但是能够提供足够的设计能力。一个监视程序用来检测主微处理器的运行,当监控程序无法提供正常的信号时继电器的输出断开连接。

设备同时接受正常和非正常情况下的数据,并将这些数据存储,例如设置数据、电流、电压、记录的情况以及扰动,然后在LCD上把这些数据显示出来。这个系统还可以通过电缆之类的媒介和监控系统连接。保护功能通常自动运行且独立于通讯和控制系统。在通讯和控制系统中的任何不正常情况都不会影响保护功能的运行。保护的运行和动作只能取决于自身的硬件和软件。

由于新的保护方法基于差动保护原理,由于变量非常少,设置可以做到非常简单。通过显示了保护设备的连接,发电机组配电变压器高阻接地。在这里应该指出方法1和方法2的比较都经过确认。

6结 语

分析结果显示保护方法只使用基频电压或者是三次谐波电压在一些绕组区域不是很理想。但他们都具有敏感的可补偿区域。根据这些文章总结了一个新的方法,同时使用零序基频分量信息和三次谐波信息。由于在中性点和机端零序基频分量和三次谐波分量同时变化,并且在故障情况下表现出一些相同的特点,它可以用来判断电子绕组是否发生接地故障。

综上所述,新的发电机定子接地保护方法得到发展以及保护设备的实际执行也被证明是可行的,其中保护设备包括硬件和软件设备。由于零序基频电压和三次谐波电压信息被同时使用,保护方法可以获得较高的灵敏度。测试结果表明,提出的方法可以成功的监测出发电机定子接地故障。这种新方法可以获得比其它方法更高的灵敏度。

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