地市级电网零序电流保护的整定计算分析摘要:本文基于笔者多年从事继电保护相关的研究工作,以地市级电网零序电流保护的整定计算为研究对象,论文首先分析了零序电流保护的整定计算原则,进而探讨了线路互感对零序电流保护整定计算的影响,最后分析了零序电流保护的不足。
关键词:地市级电网零序电流保护整定计算继电保护整定计算是一项与工程实际紧密结合的工作,目前国内地区电网继电保护整定计算一般都遵循国家电力部颁发的《110 kV 电网继电保护装置运行整定规程》及《220～500 kV电网继电保护装置运行整定规程》。
地市级电网配备的后备保护类型主要包括零序电流保护、接地距离保护、相间距离保护及阶段电流保护这几种。
在中性点直接接地的系统中,统计数字表明,接地故障占总故障次数的90％以上,因此接地短路的保护是高压电网中重要的保护之一。
在接地距离保护没有得到普遍应用时,对接地故障,零序电流保护有着其不可替代的作用。
由于零序电流保护的结构与工作原理简单,在系统零序网络基本不变的条件下,其保护范围较稳定,受过渡电阻的影响较小,因此广泛应用于各种电压等级的中性点直接接地系统中。
随着微机保护的普及,地区电网中也实现了部分线路保护微机化,接地距离保护的应用也已经比较普遍。
由于距离保护有着能适应复杂的运行方式、保护范围相对固定的优点,因此,距离保护作为后备保护在电网中发挥着越来越重要的作用。
然而,由于地区电网的结构复杂,各地区电网的结构和保护装置配置又不同,因而使得继电保护整定计算工作具有多样性和特殊性,并且其中还包含各地区继电保护整定计算工作人员的经验性因素,因此,使得地区电网继电保护整定计算风格各异。
正是由于地区电网的整定计算工作的这种特殊性,使得地区电网继电保护整定计算软件难以实现智能化。
并且有些具体实际问题在整定规程中也并未提到,继电保护工作人员在整定计算的时候也没有切实的章程可循,因此,有必要对这样的一些问题进行研究,探讨出合适的解决方案。
针对上述情况,本文主要对地区电网后备保护的配置进行了介绍,详述了零序电流保护的计算方法和实际应用情况。
1 零序电流保护的整定计算原则零序电流保护通常采用带方向的三段式或四段式结构,下面分别进行介绍。
1.1 零序电流保护Ⅰ段1.1.1 零序电流保护Ⅰ段的使用方式零序电流保护Ⅰ段的使用有两种方式。
(1)当非全相运行的最大零序电流大于区外故障零序电流的 1.3倍的情况下,按躲过两相运行或断路器三相不同期合闸时出现的最大零序电流的三倍来整定,并称此为不灵敏Ⅰ段;而定值较低者,按躲过区外故障产生的最大零序电流的三倍整定,称为灵敏Ⅰ段。
不灵敏Ⅰ段无论在线路第一次故障或重合于永久性故障的情况下,均应瞬时动作切除故障。
而灵敏Ⅰ段在第一次故障时瞬时动作,在单相重合闸退出运行,三相重合闸时动作应带短的延时,以防止两相运行或三相重合的过程中,因出现由非全相运行引起的零序电流而误动作。
(2)对于某些短线路,如果非全相运行零序电流小于区外故障的最大零序电流,可只设一个Ⅰ段,其动作电流按躲过区外故障最大零序电流的三倍整定。
重合闸前、重合闸后和两相运行的过程中均瞬时动作。
1.1.2 动作电流的计算公式(1)按躲过非全相运行的三倍零序电流整定,计算公式如下:式中,为可靠系数,当重合过程线路两侧电势角以稳定计算求出的最大摆角为依据时,取等于或大于1.2;当最大摆角按180°计算时,取等于或大于1.1。
为非全相运行(指两相运行或断路器三相不同期合闸)时的最大零序电流。
的选择应比较多种运行方式并取其最大者。
计算时考虑的运行方式有:正常运行方式和在正常运行方式下线路两端相邻线路轮流检修一回线的各种正常检修方式。
(2)按躲过区外接地短路的最大零序电流整定。
式中,为可靠系数,取大于或等于1.3;为区外接地短路故障时,通过保护的最大零序电流。
1.2 零序电流保护Ⅱ段1.2.1 零序电流保护Ⅱ段的使用及设置线路零序电流保护Ⅱ段的装设(指设一个Ⅱ段或两个Ⅱ段)及其在重合闸动作过程中的工作状况(指继续使用或退出运行)与本线路的重合闸方式有关。
零序电流Ⅱ段的定值(动作时限与动作电流的选择),不但与本线路选用的重合闸方式有关,而且还和相邻线路选用的重合闸方式有关。
整定的原则是除了对本线末端接地故障要求有足够的灵敏系数且动作时限满足规定的要求外,还应在本线路重合闸过程中不误动作。
一般情况下,只需装设一个零序Ⅱ段,但当本线路(一般是较短的线路)装有单相重合闸,且非全相运行的最大零序电流小于区外故障的最大零序电流时,则应装设两个Ⅱ段保护:灵敏Ⅱ段和不灵敏Ⅱ段。
其中不灵敏Ⅱ段按躲开非全相运行的最大零序电流整定,并且在单相重合闸的过程中要退出运行。
1.2.2 动作电流的计算公式(1)按躲过非全相运行的三倍零序电流整定,计算公式如上式(1)。
(2)按与相邻线路零序电流保护Ⅰ段配合进行整定：式中,为可靠系数,取大于或等于1.1;为相邻线路零序电流Ⅰ段的动作电流,当相邻线路有两个Ⅰ段时,取不灵敏Ⅰ段的动作电流;为分支系数,它等于相邻线路零序电流Ⅰ段保护范围末端或线路末端接地短路时,流过被保护线路与故障线路的零序电流之比,并取在各种常见运行方式下计算出分支系数的最大值(计算时,线路末端电源及中性接地点应切换为最小方式)。
(3)按照与相邻纵联保护(如双套高频保护)配合进行整定：式中,为可靠系数,其值取等于或大于1.3;为相邻线路末端故障(线路对侧开关可以在闭合状态)流过本保护的最大零序电流。
该值需在各种常见方式下进行计算,比较并取其最大值。
当有多条相邻线路时,应逐个按式(3)或(4)计算,并取其最大值。
如果灵敏系数达不到要求,则与相邻线路零序电流保护的Ⅱ段配合。
(4)如相邻支路为Yn/Yn/d接线的三绕组变压器,应按躲过变压器另一个中性点接地侧的母线接地故障来整定,公式为：式中,为可靠系数,其值取大于或等于 1.3;为相邻变压器另一个中性点接地侧的母线发生接地故障时,流过本保护的最大零序电流。
计算时按各种常见方式进行计算,比较并取其最大值。
(5)按与相邻线路零序电流保护Ⅱ段配合进行整定：式中,为可靠系数,取大于或等于 1.1;为相邻线路零序电流Ⅱ段的动作电流;为分支系数,计算时故障点选择在相邻线的末端,并应取各种常见运行方式下计算得到的最大值。
1.2.3 灵敏系数的计算式中,为在被保护线路末端接地短路时,流过保护的最小零序电流。
计算时运行方式应选择为保护背后的电源及变压器接地的中性点切换为最小方式,相邻支路轮换检修一回线的各种常见运行方式进行单相接地和两相短路接地的计算,从中选出最小值。
1.2.4 动作时限的整定当动作电流按式(5)计算时式中,为相邻线路零序电流保护Ⅱ段的最大动作时限。
当动作电流按其他公式计算时1.3 零序电流保护ⅡⅠ段1.3.1 零序电流保护ⅡⅠ段的使用方式零序电流保护ⅡⅠ段的主要作用是为了保证本线路末端接地短路故障有足够的灵敏系数,通常在零序电流保护Ⅱ段灵敏系数不易满足的情况下设置。
对于零序Ⅱ、ⅡⅠ段保护的配置情况,目前我国各电网实际应用的有以下几种方案。
(1)零序Ⅱ段保护只与相邻线路的瞬动保护段配合,设置零序ⅡⅠ段保护与相邻线零序Ⅱ段保护配合,不满足灵敏系数要求时,再与相邻线的零序ⅡⅠ段保护配合并要求有足够的灵敏系数。
(2)零序Ⅱ段保护与相邻线瞬动保护段配合,如能满足灵敏系数要求则不设置零序ⅡⅠ段保护,否则设置零序ⅡⅠ段保护,其整定要求同上。
有时为了缩短零序ⅡⅠ段保护的动作时限,可以只和0.5秒的零序Ⅱ段保护配合,灵敏系数不够就按保证本线路末端接地短路时有足够灵敏系数计算。
1.3.2 动作电流的计算公式(1)按与相邻线的零序电流Ⅱ段或ⅡⅠ段配合整定：式中,、与式(5)同,为相邻线路零序电流Ⅱ段的动作电流。
与相邻线的零序电流ⅡⅠ段配合时:式中,为相邻线路零序电流ⅡⅠ段的动作电流。
(2)按保证本线路末端接地故障时有足够灵敏系数整定:式中,为本线末端发生接地短路时,流过保护的最小零序电流,其算法与式同,为本线末端发生接地短路时,要求保护装置应具有的灵敏系数。
(3)动作时限的整定。
当动作电流按式(10)计算时：式中,为相邻线路零序电流保护Ⅱ段的最大动作时限。
当动作电流按式(11)计算时：1.4 零序电流保护ⅠV段1.4.1 零序电流保护ⅠV段的使用零序电流保护ⅠV段主要作为本线路和相邻元件接地短路的后备保护。
当本线路零序Ⅰ、Ⅱ(ⅡⅠ)段拒动时,或相邻线路、母线、变压器等元件的保护或开关拒动时,或在线路上精高过渡电阻接地时,由于其他保护不能动作,则最终要靠零序ⅠV段来切除故障。
其定值通常先考虑相邻线路零序ⅡⅠ段配合,若灵敏系数不够则与相邻线路零序ⅠV段配合。
1.4.2 动作电流的计算公式(1)按与相邻线路零序电流ⅡⅠ段或ⅠV段配合整定:与相邻线的零序电流ⅠV段配合时式中,、与式(5)同,为相邻线路零序电流ⅡⅠ段的动作电流;为相邻线路零序电流ⅠV段的动作电流。
2 线路互感对零序电流保护整定计算的影响由于平行线路间的零序互感对零序电流的大小、分布及相位均会产生影响,当具有零序互感的线路发生接地故障时,线路的零序电抗会发生很大变化,对其零序电流会产生很大影响,因此在整定计算时必须予以考虑,防止零序电流保护整定值出错,引起保护误动。
2.1 零序互感对线路零序电抗的影响在平行线路中发生接地故障时,零序互感的存在将使每一回线的零序电抗发生很大的变化。
如图1(a)所示的双回平行线,当末端f点发生接地故障时,通过双回线的零序电流和方向相同。
由于相同方向的零序电流在空间产生的磁场是助增的,因此将会使每回线的零序电抗增加。
在图1(b)中,双回平行线的一回线停电检修且两端接地,此时若运行的线路Ⅰ末端f发生接地短路,故障线路的零序电流将通过互感在两端接地的停电线路Ⅱ中感应一个方向与相反的环流。
此时和在空间产生的磁通互相削弱,因而使线路呈现出的零序电抗减少,零序故障电流(通过运行线路的故障电流)增大。
2.2 线路互感对零序电流保护整定的影响当相邻平行线发生接地短路故障时,有时故障点离本线路保护安装处越远,流过保护的电流反而越大,下面具体的介绍这种情况。
图2(a)中,当线路Ⅱ发生接地短路时,靠近故障点的断路器先跳开,此时非故障线路的零序电流与故障线路的零序电流存在如下关系:式中,和分别为线路的零序自阻抗和互阻抗;和分别为线路两侧电源的零序阻抗;a为短路点到尚未跳闸一侧母线的距离与线路长度之比。
当短路点沿线路Ⅱ变化时,、的变化曲线如图2(b)、(c)所示。
图中,短路点距电源Q愈远,a在0～1的范围内愈大,愈小,但的变化则可能有两种情况:一种是的数值也逐渐减小,如图(b)中的曲线所示;另一种是当的数值较大时,随a的增加在式(17)中,增加的影响大于减小的影响,从而造成反而增大,如图(c)中的曲线所示。