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1、三相同时刻采样值启动元件柳焕章 李晓华 (华中电力集团公司 华中科技大学电力系) 摘要：电力系统的发展对保护的速度提出了更高的要求，加速启动元件的动作速度有利于提高保护装置的动作速度 通过对现有微机保护装置启动元件的分析，提出了基于三相同时刻的采样值的启动新算法。 EMTP 仿真和动模试验 表明：这种算法具有不受系统频率偏差和共模干扰的影响和能灵敏的反映各种故障类型的优点。 关键字：微机保护 启动元件 采样值i (t ) =aImsin( t + 9 )i (t ) =Isin( t + 9 -bmi (t ) =Isin( t + 9 +cm2兀3)(2)0 问题的提出随着电力系统的快速发展
2、，输电线路的电压 等级和输送容量逐步提高，由输电线路故障所造 成的损失也越来越大。快速切除输电线路故障是 保证电力系统暂态稳定的投资少、收效大的措 施。加速启动元件的动作速度，将有利于提高整 组保护装置的动作速度。启动元件要求对所有各种类型的故障都应 能快速、灵敏地反映。微机保护主要是采用电流 突变量AAI来反应故障，它存在缓慢发展性故 障灵敏度不足的缺点。通常采用故障后的稳态电 量(如： I2、I0 )作为辅助启动元件。如果在故障时启动元件不能动作，则将导致 保护拒动，从而引起上一级保护越级跳闸，不但 延长了切除故障时间影响系统稳定，而且扩大停 电范围。随着信息技术的发展和硬件水平的提 高，
3、新技术应用于继电保护提出快速保护和暂态 保护。这对启动元件的灵敏度和速度也提出了更 高的要求。以此有必要对保护的启动元件进行进 一步分析，使其与保护判据密切配合，更好地保 证电力系统的安全稳定运行。本文针对现有启动元件的不足，提出利用三 相电流采样值进行启动判别。EMTP仿真和动模 试验结果表明：这种启动方案具有启动灵敏度 高、不受频率偏差的影响的优点。1 现有启动元件的分析继电保护装置中一般都设有启动元件。启动 元件主要用作在正常时闭锁保护，即使测量元件 误动也可保证保护不误跳闸；在故障时启动整套 保护，解除出口闭锁。这要求启动元件对所有各 种类型的故障都应能快速、灵敏地反映。对于微机型继电
4、保护装置，一般是在启动元 件启动后才转入故障处理程序的。启动元件的动 作表示故障的开始，只有启动元件动作，保护才 能出口；保护延时也是由启动元件启动后开始计 时的；保护判据也可以在启动元件启动后才开始 测量，这样保护判据可以完全不受故障前系统运 行工况影响。微机保护装置一般采用相电流突变量构成 启动元件：AAI = Hi (k) - i (k - N) - li (k - N) - i (k - 2N)11aaaaa AAI = Hi (k) - i (k - N) - li (k - N) - i (k - 2N J (1)b . bbbb.AAI = li (k) - i (k - N)1
5、i (k - N) - i (k - 2N)11c cccc式中：N为工频每周采样点数；1 (k),i (k),i (k) 为三相电流采样值。abc系统发生故障时，电流的幅值与相位发生改 变， AAI 反映了相电流突变量，即相电流的故 障分量。为了防止因干扰信号引起启动元件误动 作，相电流差突变量启动元件是在连续多点满足 相电流差值大于整定值时才启动。相电流突变量启动元件的灵敏度与故障类 型、合闸角、过渡电阻大小以及等值两侧电源的 相角差有关。对于电源电压过零时发生的故障以 及在振荡过程中又发生的短路故障，保护的启动 时间还会加长。对于经高过渡电阻单相接地故 障， AAI 启动元件灵敏度不足。
6、通常采用稳态 量故障特征电量如I , I , I + I和Z来作为辅90200助启动元件。轻微故障时他们在故障发生后需要 经过较长的时间才能启动，不能满足超高压系统 快速性的要求。2 基于三相采样值启动方案的原理分析正常运行时，三相电流是对称的。设任意时刻的三相电流采样值为：其中 I 为相电流峰值。m这样对于任意时刻，均有：ia (t) + ic (t)sin/) + /加 sin/ + 申 + )叫 2* Im Sin(Wt +一予2_丄3 =-2ia(t)+ib(t)+ic(t) =0，三相对称无零序。abc对称的三相电流同时刻的三相采样值，等同 于一相电流的三个采样值，其采样间隔为亠电
7、角度。当然可以用三点采样值算法1计算其3有效 值，由三点采样值计算公式知：2i?(t) - i (t )* i (t)4 2I2 = b / . a = ib(t) - i (t)* i (t)I + i、23 bca1 ( a c )2ib即：ib2-ic（t）*ia=（子1m）2虽然（3）式基于三点采样值算法推得，实 际上将（2）式带入（3）式的左边，同样可以得 到：2兀i 2(t) i (t) * i (t) = I sin( t + q)2bc am3I sin(t +q+*I sin(t +Q)mm33=(I )2 = I 22 m 4 m由于 ia(t)+ib(t)+ic(t) =
8、0，三相电流具 有轮换对称性，可以推得： ia2(t)i(t)*i(t)=ib2(t)i(t)*i (t)(4) ab cbc a ( 4 )= ic2 (t) i (t) *ca3ib(t)= 4 Im即任意时刻三相采样值，其中一相采样值的 平方减去另两相采样值之积所得的差为一常数。 这个结论只假设了三相是对称的，与频率无关。 也可以将式改写为_ 1Q- ib （t J +b Q- i（t J +Q i （t=91 2 a b b c c a 2m 正常运行时，（5）式理论上是相电流有效值 平方成正比的常数，可以认为只有恒定分量，无 交变分量。在实际系统中，线路的换位不完全等 不对称因素，使
9、得三相电流不是绝对对称，实际三相电流可以表示为：a1+Isin(2+Isin(0i (t)=Isin(b1f （8）seift* t 山 QI+山 QI+QI hc/9o* a bbec a比起（4）式，f （t）采用三相同时刻采样值 启动综合计算结果，虽然消去了故障的零序电流 会降低灵敏度，但是有效地也抑制了共模干扰， 同时计算量小。在正常负荷波动不大和振荡周期 不太短的的情况下AAf （t）沁0。考虑了三相电 流实际存在不对称、电流互感器的特性差异以及 计算等引起的误差，设定一启动门槛值 f 。set1 f 的整定要求躲开负荷波动和振荡时最大的 set1不平衡输出。正常运行不等式（8）左边
10、为零，给出恰当 定值，三相同时刻采样值启动元件可靠不 动。 无故障全相振荡时，由于启动判据与频率 无关，只与振荡电流的包络线有关。只要振荡周 期不是太短也不启动。故障的暂态过程中，正、负和零序电流不再 恒定，使得式（8）产生交变分量。即使是完全 同时性三相短路，由于三相电流相角互差亠，3 受三相电流中衰减直流的影响，在其过渡过程中 必然存在不对称过程。另外故障后三相电流的幅 值不可能与故障前相同。因此三相同时刻采样 值 启 动 元 件 能可靠启动。考虑到突变量启动元件来反应故障存在缓 慢发展性故障灵敏度不足的缺点，采用三相同 时 刻 采 样 值 元 件 瞬 时 值 启 动 作为辅助启动 元件。
11、具体判别式如式（9）：f (t ) f 2set 2 f 的整定考虑躲开正常运行情况下的最 set2大负荷电流的幅值。这样对于发展性故障，稳态量故障特征电量 可能最大需要延时一个周波才能启动；而三 相 同时刻采样值启动元件只要电流的幅值一满 足启动条件，就能可靠启动。这对于防止故障继 续发展和快速切除十分必要。3 EMTP 仿真和动模试验3.1 EMTP 仿真本文利用 ATP 电磁暂态仿真程序，按照分 布参数建立了一条 340 公里长的 500kV 线路模 型，如图 1 所示。按照空载线路工频过电压系数 不超过 1.4的原则，考虑了大、中、小三种系统 阻抗，电源电势角差考虑了从090均匀分布
12、的四种。对接地故障考虑了从0Q300Q的10 种过渡电阻，故障方式考虑了单相接地、两相短 路、两相接地、三相短路四类共十种故障。从S 母线至D母线设了 1个外部故障点，在MS线 路始端、线路中点和线路末端设置了3个内部故 障点。对于每一种运行工况，一个短路点计算的 故障情况有400种。总共计算了5101种故障情 况。模型暂时没有考虑系统振荡的情况。图 1500KV 系统 ATP 仿真模型具体参数如下：系统阻抗一：Zm1=1.2675+j100.2350Q 巧0=0.5595+ j33.6050Q系统阻抗二：Z；=0.4225+ j33.4117QZm0=0.1865+ j11.2017Q系统阻
13、抗三：Z：=2.374+ j187.73Q爲=1047+ j62.939Q 线路分布参数：正序：R=0.027Q /Km Xl=0.2783Q /Km Yc=3.99p Q /Km零序：R0=0.195Q /Km Xl=0.6946Q /Km Yc=2.82p Q /Km注：以下图中ia,ib,ic分别为A、B、C三相电流； Df,Dia,Dib,Dic分别为三相采样值启动元件电流和A、 B、C三相电流突变量启动元件电流。仿真分析和计算表明：1）在正常情况下f （t）等于线路负荷电流， 为一恒定值；三相同时刻采样值启动 元件为接近零的小值。2）发生故障后三相对称条件被破坏，启 动元件反应了故障电流的大小。 故障（即 使三相对称性故障）的暂态过程中三相电 流同时存在正序和负序电流， 使得三
