过渡电阻对双侧电源供电系统保护的影响

引言

距离保护是通过比较测量阻抗与整定阻抗的大小关系来进行保护动作,从而快速切除故障。当供电网络的电压超过35kV时,为该供电网络配备距离保护装置是比较好的选择之一,其原因是距离保护装置的综合性能在35kV以上的供电网络中会比其他保护装置更加优越和完善。

供电网络故障情况下通过计算得到的测量阻抗反映的是故障处到保护装置处的距离,当故障处的过渡电阻不能忽略或较大时,就会对测量阻抗值的大小有一定的影响,从而影响保护模块对保护动作的判断,即会对距离保护的保护范围产生一定的影响。

1过渡电阻与双端供电网络测量阻抗的关系

双侧电源供电系统仿真模型如图1所示,其参数为:左侧电源E1=110kV,右侧电源E2=115.5kV,线路L1=L2=120k0。单位长度线路的正序电抗为0.mQ/k0。在PSCAD中对距离保护I段和Ⅱ段采用带有方向性的方向阻抗继电器:距离保护Ⅲ段采用偏移特性阻抗继电器,偏移率取0.1。

在图1中,母线B、C这段线路的中点处发生短路故障,此时过渡电阻为Rg。其中电源E1提供的短路电流为Ik1,电源E2提供的短路电流为Ik2。短路电流Ik=Ik1+Ik2。

则A、B母线处的电压为:

距离保护1和3的测量阻抗为:

其中

对a的取值分析如下:当a<0时,Z01及Z03的电抗值部分减小:当a>0时,Z01及Z03的电抗值部分增大。当过渡电阻达到一定值时,会影响保护的正常动作。

2仿真验证

2.1阻抗圆动作特性下仿真验证

(1)在PSCAD中将故障过渡电阻Rg设定为0.01Q,在线路L2的中点处模拟a、b、c三相故障情况,得到的线对地阻抗与三段距离保护各段保护阻抗圆之间的关系如图2所示,相间阻抗与三段距离保护各段保护阻抗圆之间的关系如图3所示。

方向阻抗继电器的非动作区在圆外,其余为动作区。由方向阻抗继电器的动作特性可知,测量阻抗位于动作区时保护动作,测量阻抗偏离动作区时保护不发生动作。图2中各相的相对地阻抗、图3中相间阻抗的测量值均位于距离保护I、Ⅱ、I段的阻抗圆内,即当在线路L2中点处发生三相故障且过渡电阻为0.01Q时,保护3的各段均能正确动作。

(2)在PSCAD中将故障过渡电阻Rg设定为18Q,同样在线路L2的中点处模拟a、b、c三相故障情况,得到的线对地阻抗与三段距离保护各段保护阻抗圆之间的关系如图4所示,相间阻抗与三段距离保护各段保护阻抗圆之间的关系如图5所示。

图4中各相的相对地阻抗已经处于保护3距离保护Ⅰ段的非动作区,但仍处在保护Ⅱ、Ⅲ段的动作区内;图5中相间阻抗的测量值也都已经发生偏移,处在保护3距离保护Ⅰ段的非动作区,但仍处于保护Ⅱ、Ⅲ段的动作区内。即当在线路L2中点处发生三相故障且过渡电阻为18Q时,保护3的1段不能够正确动作。

在距离保护1段的保护范围内,当设定的过渡电阻达到18Q时,距离保护1段不能正确切除保护范围内发生的故障。一般来说,110kV双侧电源供电系统的最大过渡电阻为30~40Q[2],此时过渡电阻为18Q,保护不能正确动作,显然抗过渡电阻能力较差。

2.2阻抗四边形动作特性下仿真验证

在PsCAD中用四边形动作特性来代替阻抗圆动作特性,仿真结果如图6、图7所示。

由图6和图7可知,当用四边形动作特性来代替阻抗圆动作特性且Rg=18Q时,相对地阻抗与相间阻抗均在保护动作的范围内。

2.3改进多边形动作特性下仿真验证

在PsCAD中将故障过渡电阻Rg设定为28Q,同样在线路L2的中点处模拟a、b、c三相故障情况,得到的线对地阻抗与三段距离保护各段保护阻抗圆之间的关系如图8所示,相间阻抗与三段距离保护各段保护阻抗圆之间的关系如图9所示。

当过渡电阻设定值达到28Q时,由图8可知,各相的相对地阻抗已经处于阻抗圆动作特性和阻抗四边形动作特性的非动作区:由图9可知,相间阻抗的测量值也都发生了偏移,处在阻抗圆动作特性和阻抗四边形动作特性的非动作区。此时阻抗圆和阻抗四边形两种特性下保护均不能正确动作。

图中的多边形动作特性是在四边形动作特性基础上做出改进得到的:将四边形的三条边保持不变可使整定阻抗值保持不变,确保第四条边的斜率保持不变,并使其在x轴上独立移动,以此来适应不同的过渡电阻值。当过渡电阻为28Q时,图8中相对地阻抗值在改进多边形动作区之内,图9中相间阻抗值也在改进多边形动作区之内,即此时改进多边形动作特性仍能正确切除故障。

3结论

仿真结果表明,在本文搭建的电压等级为llokv的双侧电源供电系统中,若在距离保护I段的保护动作范围内发生故障,当过渡电阻增加到18Ω时,保护测量阻抗偏离阻抗1段动作区域,即保护范围减小,阻抗圆保护特性抗过渡电阻能力较差。通过仿真验证可知,采用阻抗四边形动作特性来代替阻抗圆动作特性,过渡电阻小于28Ω时,保护都处在四边形保护动作特性的动作区域内,保护的抗过渡电阻能力得到一定的提升。通过仿真验证可知,改进多边形动作特性的抗过渡电阻能力较四边形动作特性的抗过渡电阻能力进一步提升,并能够适应不同的过渡电阻值。