母線內(nèi)、外部故障的判定

母線內(nèi)、外部故障的判定

0電流差動(dòng)式保護(hù)水庫和能源站的線圈是電氣系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一。通過電池連接裝置、變壓器、電源、電源等裝置。螺母的可靠性直接影響水庫和能源站的可靠性。與輸電線路故障相比,母線故障的機(jī)率較小,但造成的后果卻十分嚴(yán)重,若不及時(shí)切除,甚至可能造成整個(gè)電力系統(tǒng)瓦解,且其電壓等級(jí)越高,故障造成的危害也越大。因此,隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大,電壓等級(jí)的不斷提高,對(duì)母線保護(hù)的可靠性也提出了更高的要求。數(shù)字式母線保護(hù)按最為通用的原理可分為兩種:電流差動(dòng)式原理和電流相位比較式原理。電流差動(dòng)式原理整定時(shí)受母線運(yùn)行方式的影響較大,使得保護(hù)在滿足選擇性和靈敏度上發(fā)生困難。在高壓和超高壓系統(tǒng)中廣泛采用的3/2斷路器接線甚至接有平行短線路的雙母線方式中,母線發(fā)生區(qū)內(nèi)故障伴有汲出電流的情況多有發(fā)生,此時(shí)對(duì)于電流比相式保護(hù),將會(huì)發(fā)生拒動(dòng),而電流差動(dòng)式保護(hù)的靈敏度會(huì)下降,嚴(yán)重時(shí)也可能拒動(dòng)。除此之外,兩種原理的保護(hù)抗電流互感器(CT)飽和能力都有限,母線區(qū)外故障CT飽和時(shí)往往會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)。文獻(xiàn)提出了一種新型的分布式微機(jī)母線保護(hù)原理,該原理利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接分散到各回路上的保護(hù)單元,極大地提高了母線保護(hù)的可靠性,但在判據(jù)上還是沿用了電流差動(dòng)式原理。文獻(xiàn)則提出基于暫態(tài)行波的母線保護(hù)原理,通過比較母線內(nèi)、外部故障時(shí)行波的極性或者大小關(guān)系來判別母線的區(qū)內(nèi)外故障;文獻(xiàn)還提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的母線保護(hù)。然而這些基于暫態(tài)量或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的母線保護(hù)在可靠性上尚存在不足。綜上所述,進(jìn)一步探索和研究新的母線保護(hù)方案和原理勢在必行。當(dāng)母線外部發(fā)生故障時(shí),流經(jīng)母線的差動(dòng)電流全部反映為母線的接地電容電流,母線上的電壓相量與各支路電流相量之和的比值反映母線的容抗,其幅值很大,且相角接近-90°。內(nèi)部故障時(shí),該比值反映的是母線故障時(shí)的過渡電阻,其幅值相對(duì)較小,且相角接近0°。因此,根據(jù)故障時(shí)的母線電壓相量與各支路電流相量之和的比值,可以區(qū)分母線的內(nèi)部和外部故障,據(jù)此本文提出了基于綜合阻抗的母線保護(hù)新原理。該原理具有較強(qiáng)的抗CT飽和能力,其保護(hù)動(dòng)作的靈敏度和可靠性不受母線高阻接地以及多角形接線或3/2斷路器接線的母線內(nèi)部故障有汲出電流時(shí)的影響,而且原理簡單、易整定,EMTP仿真驗(yàn)證了新原理的有效性和可行性。1基于綜合阻力的斷開保護(hù)原則下面以圖1所示的單相單母線模型為例,來說明基于綜合阻抗的母線保護(hù)原理。1.1綜合阻抗故障狀態(tài)對(duì)于母線M,假設(shè)它有兩條進(jìn)線,兩條出線,電流以母線流向線路的方向?yàn)檎Ｕ＿\(yùn)行時(shí)如圖1所示。Z1、Z2、Z3、Z4分別為母線上各條支路的阻抗。若母線上F點(diǎn)發(fā)生故障,則其故障狀態(tài)如圖2所示。為母線上F點(diǎn)的電壓相量,分別為各條支路上的電流相量,為流經(jīng)過渡電阻Rg的電流。定義綜合阻抗為:其中:為母線電壓;為母線差流。若母線上有n條支路,則。下面分析母線上發(fā)生內(nèi)部、外部故障時(shí),綜合阻抗的特點(diǎn)。1.2入過渡電阻的電流由圖2可知,當(dāng)母線內(nèi)部發(fā)生故障時(shí),母線差流就等于流入過渡電阻Rg的電流,即根據(jù)式(1)可知,此時(shí)的綜合阻抗為:可見,母線內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)綜合阻抗Zcd為母線故障時(shí)的過渡電阻,其模值相對(duì)較小,且阻抗角接近0°。1.3綜合抗當(dāng)母線外部發(fā)生故障時(shí),流過母線的差流全部反映為母線的對(duì)地電容電流,如圖3所示。此時(shí),由于母線上的電壓相量為,可見,母線外部故障時(shí)綜合阻抗為:其中,Zc為母線對(duì)地電容的容抗。因此,母線外部發(fā)生故障時(shí),Zcd其模值與母線的容抗Zc模值相等,與內(nèi)部故障時(shí)的過渡電阻相比,它是一個(gè)很大的數(shù)值,且其阻抗角約為-90°。2基于綜合阻力的輻射保護(hù)紀(jì)念碑2.1電壓啟動(dòng)判據(jù)通過以上分析可知,當(dāng)母線外部發(fā)生故障時(shí),綜合阻抗的幅值|Zcd|在理論上等于|Zc|,其阻抗角約為-90°。當(dāng)母線發(fā)生內(nèi)部故障時(shí),故障相的綜合阻抗幅值|Zcd|大小等于母線的過渡電阻,遠(yuǎn)小于|Zc|,且其阻抗角約為0°。因此可以根據(jù)Zcd的大小及其相角來區(qū)分母線的內(nèi)部、外部故障。由于上述分析均是建立在母線電壓的大小能夠滿足計(jì)算綜合阻抗幅值和相角時(shí)的靈敏度要求的基礎(chǔ)之上。當(dāng)母線電壓很小時(shí),其方向性不明確,此時(shí)無法準(zhǔn)確計(jì)算綜合阻抗的相角。因此,需要設(shè)置一個(gè)電壓啟動(dòng)判據(jù)。據(jù)此提出了基于綜合阻抗的母線保護(hù)新原理,判據(jù)如下:差流啟動(dòng)判據(jù):電壓啟動(dòng)判據(jù):幅值判據(jù):相角判據(jù)IT為浮動(dòng)門檻,隨著變化量輸出增大而逐步自動(dòng)提高,取1.25倍可保證門檻電流始終略高于不平衡輸出,提高安全性,減少不必要的頻繁啟動(dòng),且具有較高的靈敏度。Iset為電流定值,只需要保證計(jì)算精度即可,不需要躲開正常運(yùn)行及外部故障時(shí)的最大不平衡電流,一般可以固定取為0.1A(二次值),已足以保證計(jì)算精度。電壓啟動(dòng)判據(jù)中,UN為母線額定電壓的大小,krel為可靠系數(shù),通常取為0.05。幅值判據(jù)中Zset為阻抗定值。由于母線高阻接地時(shí)的過渡電阻一般在50～100Ω,因此在整定時(shí)取:Zset=500Ω,已足以保證母線外部故障時(shí)不動(dòng)作,而母線內(nèi)部故障時(shí),仍會(huì)有較高的靈敏度。相位判據(jù)中θ為考慮各種誤差后的裕度角,可取θ=20°,已能保證足夠的靈敏度和可靠性。2.2判據(jù)輸出和動(dòng)作邏輯圖為了提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性,使得母線保護(hù)在各種故障情況下都能夠正確動(dòng)作,因此,將以上綜合阻抗幅值判據(jù)和相角判據(jù)通過或門控制輸出,只要滿足任意一個(gè)判據(jù),保護(hù)就會(huì)動(dòng)作于跳閘,其動(dòng)作邏輯圖如圖4所示。3性能分析3.1有較強(qiáng)的抗ct飽和能力對(duì)于采用比率制動(dòng)原理的母線保護(hù),若母線上有M條支路,則差流和制動(dòng)電流關(guān)系表示如下:其中k為比率制動(dòng)系數(shù),在整定時(shí)既要躲過外部故障時(shí)的最大不平衡電流,以滿足可靠性要求;又要保證母線內(nèi)部故障時(shí)保護(hù)的靈敏度,因此制動(dòng)系數(shù)k的取值較難把握。若取值較小,則當(dāng)母線發(fā)生外部故障且故障支路CT飽和時(shí),產(chǎn)生的差流極易使母線保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)?；谛略淼哪妇€保護(hù)判據(jù)則具有較強(qiáng)的抗CT飽和能力。當(dāng)母線外部故障CT飽和時(shí),若CT的飽和程度較輕,則此時(shí)產(chǎn)生的差流較小,計(jì)算得到的綜合阻抗依然較大,不滿足幅值判據(jù),隨著CR飽和程度的加深,Zcd才逐漸向動(dòng)作區(qū)靠攏。由于實(shí)際中母線發(fā)生高阻接地的幾率較小,因此,可根據(jù)現(xiàn)場的電壓等級(jí)及實(shí)際情況,來設(shè)置定值Zset,因此,當(dāng)Zset取值較低時(shí),使得新原理動(dòng)作判據(jù)具有更強(qiáng)的抗CT飽和能力。由于母線外部故障CT飽和時(shí)的差流在數(shù)值上等于飽和CT的二次電流缺損部分,這使得綜合阻抗的相角會(huì)由于差流波形存在較大缺損而偏離-90°,但是由于內(nèi)、外部故障時(shí)的綜合阻抗相角具有較大反差,裕度范圍可接近90°,使得此時(shí)的綜合阻抗相角也較難滿足相角判據(jù),因而,保護(hù)具有較強(qiáng)的抗CT飽和能力。當(dāng)母線發(fā)生內(nèi)部故障時(shí),各支路僅流過其自身線路電流,因此短路容量不會(huì)很大,CT可能由于鐵芯剩磁以及非周期分量等原因出現(xiàn)輕微飽和情況,嚴(yán)重飽和情況一般不會(huì)發(fā)生。而且,此時(shí)的母線差流為所有支路的電流之和,盡管某一CT飽和支路的二次電流波形有一定程度的缺損,但是對(duì)整個(gè)差流波形的影響不大,差流幅值變化也較小,綜合阻抗的幅值變化不大,能夠滿足幅值判據(jù)的動(dòng)作要求,大量的仿真結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。而由于差流波形變化不嚴(yán)重,此時(shí)的綜合阻抗的相位值也始終接近0°,能夠很好地滿足相位判據(jù),因此,此時(shí)保護(hù)動(dòng)作的可靠性絲毫不受影響。3.2限制接觸電流的影響圖5為3/2斷路器接線的母線示意圖。當(dāng)母線1內(nèi)部F1處發(fā)生故障,若此時(shí)有短路電流流出母線1,如圖5所示。這種情況會(huì)使比較母線連接元件電流相位原理的母線保護(hù)拒動(dòng),由于穿越性電流的影響,也會(huì)使具有制動(dòng)特性原理的母線差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)電流增大從而造成保護(hù)的動(dòng)作靈敏度降低。對(duì)于基于綜合阻抗的母線保護(hù)新原理而言,由于保護(hù)在計(jì)算的過程中只與母線的差電流有關(guān),而此時(shí)差電流不受穿越性電流的影響,因此內(nèi)部故障時(shí)保護(hù)的靈敏度不會(huì)受到任何影響。由此可見,對(duì)于多角形接線或3/2斷路器接線時(shí)的母線內(nèi)部故障有汲出電流的情況,基于新原理的母線保護(hù)性能根本不會(huì)受到影響,保護(hù)依然可準(zhǔn)確靈敏地區(qū)分母線的內(nèi)、外部故障。3.3采用綜合抗病機(jī)對(duì)于比率制動(dòng)原理的母線保護(hù)而言,當(dāng)母線內(nèi)部發(fā)生高阻接地故障時(shí),可能導(dǎo)致其具有較小的動(dòng)作電流。若此時(shí)母線上所連支路較多,則其制動(dòng)電流也會(huì)比較大,且支路數(shù)越多,制動(dòng)電流越大。因此,母線保護(hù)的動(dòng)作靈敏度會(huì)下降,嚴(yán)重時(shí)可能造成保護(hù)拒動(dòng)。而基于綜合阻抗的母線保護(hù)新原理在計(jì)算綜合阻抗時(shí)與制動(dòng)電流的大小無關(guān),且母線內(nèi)部經(jīng)高阻接地故障時(shí),即使差流較小,但計(jì)算出的綜合阻抗始終是過渡電阻。由于母線高阻接地時(shí)的過渡電阻一般在50～100Ω,因此,在整定時(shí)取:Zset=500Ω,已足以保證母線內(nèi)部故障時(shí)具有較高的靈敏度。并且此時(shí)綜合阻抗的相角也始終接近0°,故障特征非常明確,因此,母線內(nèi)部高阻接地時(shí),保護(hù)動(dòng)作的靈敏度和可靠性不會(huì)受到影響。4模擬測試4.1線路參數(shù)設(shè)置為驗(yàn)證本文算法,利用EMTP建立如圖6所示的500kV的仿真系統(tǒng)。S1端系統(tǒng)參數(shù):ZS1=1+j45.149Ω,ZS0=2+j23.321Ω;S2端系統(tǒng)參數(shù)與S1端系統(tǒng)參數(shù)相同。M1端系統(tǒng)參數(shù):ZM1=300+j500Ω;M2端系統(tǒng)參數(shù)與M1端系統(tǒng)參數(shù)相同。線路長度為100km,其參數(shù)為:R0=0.1957Ω/km,ωl0=0.6945Ω/km,ωc0=0.02003Ω/km;Rt=0.0270Ω/km,ωl1=0.3028Ω/km,ωc1,=0.01419Ω/km。母線電容C=15000pF。利用上述模型進(jìn)行仿真,采樣頻率為2kHz,仿真中采用20ms數(shù)據(jù)窗計(jì)算相量。4.2多相抗強(qiáng)度保護(hù)分別在母線上F1處以及線路上F2處仿真母線的內(nèi)部和外部故障,計(jì)算得出各種故障情況下的故障分量綜合阻抗。1)由圖7(a)可見,當(dāng)母線內(nèi)部發(fā)生經(jīng)過渡電阻短路接地故障時(shí),故障相的綜合阻抗幅值最小,與過渡電阻的大小相等,且其相角約為0°;非故障相的綜合阻抗幅值都很大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于故障相的綜合阻抗,且其阻抗角都接近-90°。動(dòng)作判據(jù)具有明確的選擇性,保護(hù)能夠靈敏可靠地動(dòng)作。2)由圖7(b)可知,當(dāng)母線外部發(fā)生經(jīng)過渡電阻電阻短路接地故障時(shí),三相的綜合阻抗幅值都很大,達(dá)到了上萬歐姆,且各相的阻抗角都接近-90°,與圖7(a)中的仿真結(jié)果相比具有明顯的差別,保護(hù)動(dòng)作靈敏度較高?？梢?使用綜合阻抗的幅值判據(jù)和相角判據(jù)可以容易地區(qū)分母線的內(nèi)部、外部故障。3)由上面的仿真結(jié)果可見,對(duì)于本文新原理判據(jù)中的綜合阻抗定值Zset很容易選取,利用綜合阻抗來構(gòu)成母線保護(hù)具有較高的可靠性和安全性。4.3ct飽和情況下的仿真利用EMTP中的Type98非線性電感元件搭建CT模型來模擬CT飽和,分別對(duì)母線外部故障和內(nèi)部故障CT飽和時(shí)的綜合阻抗進(jìn)行計(jì)算,仿真結(jié)果如圖8,9。1)圖8為母線外部接地故障伴有CT飽和時(shí)的仿真結(jié)果,可以看出,此時(shí)的母線由于CT飽和存在較大的差流,這使得故障相的綜合阻抗幅值有所下降,但其值仍然接近1000,不滿足幅值判據(jù)。同時(shí),由于差流波形存在缺損和畸變,使得綜合阻抗的相角發(fā)生變化,偏離了原來的-90°,但仍然不滿足相角判據(jù),因而保護(hù)不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。2)圖9為母線內(nèi)部故障伴有CT飽和發(fā)生時(shí)的仿真結(jié)果,可以看出雖然飽和支路的二次電流波形有一定程度的缺損,但是對(duì)整個(gè)差流波形的影響不大,差流幅值變化也較小,此時(shí)計(jì)算出的綜合阻抗幅值同過渡電阻的大小相差不大,滿足幅值判據(jù);同樣地,其相角也沒有發(fā)生較大偏移,依然接近0°,滿足相角判據(jù),因而保護(hù)能夠可靠、迅速動(dòng)作。53抗側(cè)電系統(tǒng)故障仿真為了充分驗(yàn)證本文算法的有效性,利用EMTP建立如圖5所示的500kV系統(tǒng)的3/2斷路器接線母線仿真模型。圖中F1、F2分別為母線內(nèi)、外部的兩個(gè)故障點(diǎn)。內(nèi)部故障時(shí)在故障點(diǎn)加一個(gè)較大的過渡電阻,并在中間支路中接小電阻,確保內(nèi)部故障時(shí)如圖中箭頭所示有短路電流流出母線。其中Zcda1、Zcdb1、Zcdc1為母線1的綜合阻抗;Zcda2、Zcdb2、Zcdc2為母線2的綜合阻抗。由以上仿真結(jié)果可見,母線內(nèi)部故障時(shí)故障相的綜合阻抗幅值很小,大小等于過渡電阻,其阻抗角接近0°;而非故障相以及母線外部發(fā)生故障時(shí)三相的綜合阻抗幅值都很大,可以達(dá)到上萬歐姆,其阻抗角都接近-90°,二者差別非常的明顯?？梢?使用綜合阻抗依然可以容易地區(qū)分3/2斷路器接線的母線內(nèi)部和外部故障,即使內(nèi)部故障時(shí)有電流流出母線,動(dòng)作靈敏度依然較高,保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)或拒動(dòng)。6保護(hù)判據(jù)的特性本文提出了基于綜合阻抗的母線保護(hù)新原理,分析了母線內(nèi)部和外部故障時(shí)綜合阻抗的