继电保护技术 基于本地零序电压补偿的纵联零序方向保护分析 石恒初 (云南电力调度控制中心,昆明650011) [摘要] 纵联零序方向保护作为切除超高压电网线路接地故障的快速保护,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纵联零序方向保护安装处的零序电压可能会低于动作门槛值,从而造成纵联零序方向保 护因灵敏度不足而拒动。分析了基于本地零序电压补偿的纵联零序方向保护的动作特性,指出补偿度会影响 零序方向元件的判断,特别是双回线中一回线非全相运行时,零序电压过补偿会导致健全线的纵联零序方向 保护误动。最后通过理论推导和仿真算例证明了分析的正确性。 关键词 零序电压补偿纵联保护零序方向补偿度健全线 0引言 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, 纵联零序电流整定值3J。 ,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3 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: 18。 ̄arg( )≤180。 (1) 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 ]。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 零序反方向的动作方程为: _l62口<arg(箍)<O。 (2) 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。 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 E5-7 ̄提出的方法在实际应用中均取得了一定效果。文献 E83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 图1 零序方向元件动作区 当线路末端发生高阻接地故障或继电保护背后为大电 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 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3 az,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3 az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。 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 收稿日期:2014—12—31 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 作者简介:石恒初(1983一),硕士,高级工程师,从事电网继电保护运行管理及整定计算工作。 电工技术l 2015 l 5期I27 继电保护技术 的纵联零序方向保护动作方程为 M侧零序补偿电压反向前后与零序电流的相位关系如 8。≤arg(310/3Oo)≤180。 o>3 础 (3) 己,to>3Uodz 式中,3U 。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3 大于预设 门槛时,3U 。即取3Uo,否则,3U 。取对本地零序电压 3Uo补偿后的值。零序电压补偿公式为: 3U o一3Uo一3IoZ一一3Uo~31opZI』】 (4) 式中,Z一为零序补偿阻抗;P为补偿度(p>0);Z 为线 路的零序阻抗;Zc 一pZl 。 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p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 在母线零序电压 U 与故障点零序电压U 的连线上;N侧补偿电压 在 母线零序电压U 与故障点零序电压 的连线上。通过补 偿,U, > , > ,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。 (a)i方向横向故障 u 一: : 。… 。 。 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 >U枷, U 肿> ,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 m。逐渐减小,当超过K点(过补偿)后,U 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。 28f www.chinaet.net l中国电工网 图4(c)所示。U m。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 反向,同时考虑到线路N侧背 后零序网络开路的极端情况,Z衄 应小于线路的零序阻抗 Z。 ,即p<l。 (a】正方向纵向故障 / _ /千/ j U U神 U 神 0 / , 7 o o』 f, ∞ (b1零序电压分布 图3单回线正方向纵向故障 a)横向反方向故障 0 0 (b1零序电压分布【c】肘侧零序电流与零序补偿电压相位关系 图4单回线反方向横向故障 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。 (a)纵向反方向故障 (b1零序电压分布 图5单回线反方向纵向故障 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p<l,健全线线路两侧零 继电保护技术 护有以下动作特性。 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。 (1)对于单回线,线路正方向发生横向或纵向故障, a)横向故障 二 _ 【b】零序电压分布 图6相邻线路横向故障健全线零序电压分布 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, 瑚发生反向;同理,当N侧零序补偿电 压超过K点时,U, 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。 (a1纵向故障 U U 、 l, (b)零序电压分布 图7相邻线路纵向故障健全线零序电压分布 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 、u 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。 0/ ▲ 神 0 u’柚 (a) 神反向前 (b】U 柚反向后 (c)u 反向前 (d】 反向后 图8健全线零序电流与零序补偿电压相位 表1零序方向元件动作行为组合 综上所述,对于本地零序电压补偿的纵联零序方向保 当p>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o(F<l。 (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O<10 <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J0做进一步的定量分 析,研究p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。 M N (a)系统模型 (b)系统零序网络图 Z 、 线路两侧系统的零序阻抗; 、, 一II回线路两侧的零序电流: z 啪、2 旷-I、II回线的零序阻抗; 、E 一线路两侧母线的零序电压; 。/2一当I回线断线时作用于线路两侧断相口的零序电动势; , , 一流向线路两侧系统的零序电流 图9系统模型及零序网络示意图 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: (d- ̄o—j"mOZ (5) 一j Z (6) j +j 一0 (7) D 一z j (8) j + 一0 (9) 式(5)~(9)通过换算可得: J 一 (10) , 一 (11) 3 = 3 (12) 电工技术l 2015l 5期l29 继电保护技术 3 一 ZN ̄ZM2q II  ̄3 ̄ 十(13) O・3<O・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。 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: 3U'm一3 一3I 。 m一3ImzⅢ m 笮 ~l0) (14) 3U' ̄o一3 一3j Pz I1。一3j z=, 。(ZNO 一iD) z 十(15) 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P的大小有关。当P> 且lD> /--,FNO 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 Zve>ZNo,当 L MO >P> ZFNO 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 l0< LN O < 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 一 3n n)窘宣 的必要条件是』’ D> 且』0> 。如图10所 j垤)1_ NO ‘LM0一十_ NO 示,当P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。 l 误动区 —■ 二_—_二二 — 1 ’ 图10补偿度的取值与保护误动区( 。<ZMo) 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ZNc一120 85。Q,ZMo一150 85。Q, 7 一厶 _+-LNO 0.56。故障类型:0.05s时I回线A相断 线。P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1l所示。 从图l1的仿真结果可知,当p=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p一0.5<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p一 30l WWW.chinaet.net l中国电工网 tls tls (a)M侧零序方向元件(D=O 3 (b)N侧零序方向元件0=o.3) t『s tls c)M侧霉序方向元件0=0 5) (d)N侧零序方向元件 =O.5) t/s tls 【e)M侧零序方向元件(p=0.7) (ON侧零序方向元件0---o.7) 图11不同P对应的零序方向元件 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 [1]国家电力调度通信中心.国家电网公司继电保护培训教材 (上册)J-M].北京:中国电力出版社,2009 [2]江苏省电力公司.电力系统继电保护原理与实用技术EM]. 北京:中国电力出版社,2006 [3]郭润生,何彩红,郅建杰.相邻线路零序互感对线路零序纵联 方向保护的影响口].继电器,2004,32(9):71~73 [4]冯秋芳,刘千宽,夏红光,等.交流电压回路对零序方向保护 的影响[J].继电器,2004,32(19):64 ̄66 Es]m晓兵,赵曼勇,徐振宇.接地故障零序方向元件拒动改进方 案[J].电力系统自动化,2006,30(9):88 ̄90 (下转第52页) 电机技术 续表 软件包,有以下两种保护控制参数设置方式:一是通过装 置上的系统接口与PC相连,实现点对点串口通信以设置 保护控制参数;二是通过Profibus—DP实现基于现场总线 的采用寻址方式的通信以设置保护控制参数。由于初调时 SIMOCODE pro V并未设置地址参数,因此采用第一种点 对点串口通信方式。 2.3状态监测 工作需求:远方状态、电流监测、阀门状态上传至 PLS。 3.2验证内容 对控制回路上电,依次验证电动阀的以下功能:就地 控制方式:BU的IN1端子接收远方/就地状态信号, 通过循环发送数据Cyclic Send Date将远方模式状态Sta— tus—Remote Mode上传至PLS;电流监测模块IM对各相 模式下,操作开、关阀开关,双接触器可正常实现开、关 阀且指示灯指示正常;远方模式下,就地操作开、关阀开 关,双接触器不动作;在主回路中通入三相不平衡电流 L,验证当L>4O J 时监测状态窗口出现Unbalance报 输出电流进行实时监测,并通过Cyclic Send Date将L2电 流模拟量信号Current I—L2上传至PI S;SIMOCODE pro V配置可扩展的开关量模块DM,分别通过IN1、IN2、 IN3、IN4接收关阀限位(TC)、关阀位置(FC)、开阀位置 警;在主回路中通入过载电流I ,验证当 >115 J 时 监测状态窗口出现Pre-Alarm过载预报警,且对应脱扣继 电器延时跳闸,监测状态窗口出现Overload故障。 (FO)、开阀限位(TO)位置触点信号,并通过Cyclic Send Date上传至PLS。 3.3模拟验证过程 按照正确的位置模拟输入方式,对电动阀就地开、关 阀过程进行再次验证,就地开、关阀功能正确执行。模拟 验证过程如下。 2.4过载保护跳闸和三相不平衡报警 工作需求:对于过载保护,当电动阀电流J > ll5 J 时,延时切断故障电源;当三相不平衡电流L> 4O 时,进行三相不平衡报警。 (1)模拟输人关阀位置状态,关阀指示灯开始长亮, 就地执行开阀操作,开阀接触器吸合。 (2)模拟输入中间位置状态,关阀指示灯不亮,开阀 指示灯开始闪亮。 控制方式:除断路器选择性配备热、磁脱扣功能外, SIM( ̄)DE pro V通过电流监视和运行计算的方式对主回 路进行电流保护。SIMCF ̄DE pro V设置过载保护的脱扣 等级为1O,当I >115 时,SIM ̄Z)DE pro V预报警并 (3)模拟输入开阀位置状态,开阀指示灯由闪亮变为 按照脱扣等级所对应的脱口时间延时切断BU接触器控制触 点OUT1和OUT2,使42O和42C失电切断负载电流,同 时将Event-Overload跳闸信号通过Cyclic Send Date上传至 PLS;当L>40 时,SIM( ̄DDE pro V将Event-Unbal— 长亮,就地执行关阀操作,关阀接触器吸合。 (4)模拟输入中间状态,开阀指示灯不亮,关阀指示 灯开始闪亮。 (5)模拟输入关阀位置状态,关阀指示灯闪亮变长亮。 anee报警信号通过Cyclic end DatSe上传至PLS。 4结束语 西门子SIMOCODE pro V相较于传统控制模式,简 化了接线,控制更灵活、全面,具有良好的应用和发展前 景。在今后类似调试和运行工作中,先从SIMOCODE pro 2.5与PLS间的通信 工作需求:抽屉单元的电流、状态、故障及报警等信 号需上传至PLS,此外PLS需要向抽屉单元发送开、关阀 命令。 控制方式:SIM()CODE pro V采用Profibus通信协 议,将抽屉单元连接至Profibus通信母线,通过Cyclic v的报警、故障数据进行分析,可快速地锁定问题原因, 大大缩短问题的诊断和排除时间。 参考文献 Send Date发送电流、状态、故障及报警等信号,Cyclic Receive Date接收PLS开、关阀命令。 [1]顾军.AP1000核电厂系统与设备[M].北京:原子能出版社, 2010 3 SIMOCDDE pro V电动阀控制类型的功能验证 3.1控制参数设置 SIMOCODE pro V采用SIMOCODE ES Professional (上接第3O页) [2]陈作炳,李立峰.西门子SIM(X;ODE在水泥厂电机保护和控 制中的应用[J].电机与控制应用,2008(5):50 ̄53 (编辑 曼 宁) E7]索南加乐,孟祥来,陈勇,等.基于故障类型的零序方向元件 EJ].中国电机工程学报,2007,27(1):25 ̄30 [8]徐振宇,杜兆强,孟岩,等.零、负序方向元件的特殊问题研究 EJ].电力自动化设备,2008,28(5):21~25 I-6]张弛,李一泉,曾耿晖.基于负序分量补偿的纵联零序方向保 护判据与仿真研究EJ].电力系统保护与控制,2008,36(21): 18 ̄23,76 52l WWW.chinaet.net l中国电工网