输电线路自适应电流纵差保护方案设计
于波涛1，张 举1，任素英2
（ 1.华北电力大学 电力系，河北 保定 071003
2. 同煤集团, 山西 大同 037001 ）
摘 要：采用单一判据的电流纵差保护无法兼顾超高压线路对灵敏性、速动性和可靠性的要求。本文对现有判据进行综合分析、取长补短，结合自适应原理，设计了一个总体性能最优的保护方案，即用基于故障分量瞬时值的差动判据反映严重故障；用故障分量相量的差动判据反映轻微的故障；用全电流差动保护判据反映转移性和发展性故障；用零序电流差动保护判据反映轻微的高阻接地故障。ATP仿真结果表明，该方案具有良好的反时限特性，切除故障的速度加快，且可以反映高阻接地故障，是一种性能较好的超高压线路电流纵差保护方案。
关键词：自适应；电流差动保护；高压输电线路；动作判据
SCHEME OF ADAPTIVE CURRENT DIFFERENTIAL PROTECTION FOR TRANSMISSION LINE
YU Bo-tao1，ZHANG Ju1, REN Su-ying2
(1. North China Electric Power University, Baoding 071003, China
2. Datong Mining Group ,Datong 037001,China)
Abstract: Single differential criterion can't satisfy the special requirements of UHV transmission line for the sensitivity, speed and reliability of protection. In this paper, an integrated scheme that can get the optimal general scheme is provided based on several different criterions and adaptive theory .The criteria based on fault component instantaneous value is chosen to protect the serious fault, the criteria based on fault component phasor to protect the slight faults, the criteria of whole-current differential protection is used to protect the converted faults and developed fault, and the criteria of zero-sequence current differential protection to protect high impedance-to-ground fault. The result of simulation based on ATP show that the scheme has the inverse time-lag character and high speed of cutting fault, so the scheme make obvious advantages.
Keywords: Self adaptation Current differential protection UHV transmission line Operating criterion
1 引言
在超高压线路的各种保护原理中，电流差动保护作为纵联保护的一种，能够完成全线快速切除故障的任务，且该保护具有灵敏度高、简单可靠、选择性好等优点，一直是继电保护科研人员研究的重点。
在已提出的电流纵差保护的动作判据和算法中，基于工频正弦量的向量差动动作判据获得了较多应用。但由于负荷电流的影响，降低了保护的灵敏度，高阻故障时有可能导致保护拒动。为解决这一问题，不少文献提出了自己的见解，其中有基于故障分量瞬时值的差动判据[1 2]、基于故障分量相量的差动判据[3]、零序电流差动判据[4]等。这些判据各有优缺点，如：对于基于故障分量的差动判据，提取故障分量时，突变量电流存在时间较短，只能短时开放，因此，投入时间是故障后的第一周期，对发生转换性故障，很难检测出来；而零序电流差动判据不反应相间故障，且在线路非全相运行，又发生区内故障时，保护可能拒动。因此，依靠单一判据无法解决这些问题。
能根据电力系统的运行工况或故障状态而实时改变保护的功能、特性或定值的保护，称为自适应保护。因而，使保护能完全适应系统条件或保护对象的变化是自适应保护思想的基本出发点。本文根据自适应保护的基本原理，针对传统保护存在的问题，对现有的差动保护判据进行综合分析，设计出一个总体性能最优的综合保护方案。
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2各判据的特性分析
2.1全电流差动保护判据
国内的数字全电流差动保护的动作判据主要为：
|Im+In|>Izd (1)
|Im+In|>K|Im-In|+I0 (2)
式中Im、In为线路两侧工频电流向量，以母线指向线路为正方向；Izd为定值，k为制动系数。式(1)为辅助跳闸判据,主要用于防止线路空投或空载情况下的误起动(此时式(2)满足跳闸条件),式(2)为主判据,两式同时满足时,保护发跳闸令。
辅助判据式(1)中的定值Izd是按躲过线路分布电容电流整定的,当电压等级高、线路很长时,必然会降低区内故障时保护过渡电阻的能力。主判据式（2）中的定值I0是为躲过稳态情况下差动电流中的非零输出（或称噪声信号）而设置的门槛电流。
判据中所用的各侧电流向量，在系统正常时为负荷电流，在故障情况下为包括负荷电流在内的故障后稳态工频量。系统正常运行或发生外部故障时，两侧电流大小相等，相位相反（忽略电容电流），保护能可靠不动，负荷电流的存在不会产生不利影响。在发生内部不对称或经过渡电阻的对称故障时情形则大不相同。负荷电流为穿越性电流，它对两侧故障电流大小和相位关系的影响总是使其朝着不利于保护动作的方向发展，这表现为一般情况下不会降低保护的灵敏度，在经高阻故障伴有大负荷送出的情况下将会导致保护拒动。
论文输电线路自适应电流纵差保护方案设计
2.2利用故障分量相量的差动判据
系统故障后，利用每相电流的突变量分相构成差动保护，判据为：
|△Im+△In|>△Izd (3)
式中，△Im和△In分别为线路两侧的相电流突变量；△IZd为定值；k为制动系数。式(3)为辅助判据，式(4)为主判据，两式同时满足发跳闸令。
其中门槛电流△IZd的整定除要保证在非故障相突变量电流很小时差动继电器不误动外,还应躲过线路电容电流的故障分量,并留有一定裕度。
由于采用了故障分量电流，从原理上消除了负荷电流的影响，提高了保护灵敏度，允许过渡电阻能力明显增强。在各种情况下,故障分量差动判据都比相量差动判据有更好的灵敏性和选择性。
2.3零序电流差动保护判据
故障分量相量的差动保护可有效地反映重负荷下的高阻接地故障，但由于突变量电流存在时间短，在整个故障处理过程中只能短时开放，其余时间还得使用全电流差动保护。利用两端零序电流构成的零序电流差动保护，可作为保护高阻接地故障的一种后备保护。其判据为
式中：△Im0和△In0为线路两端的零序电流相量；k为制动系数；I0Zd为定值.两式构成相为“与”关系。
该判据主要是为了反映重负荷下的高阻接地故障。当区内发生特大电阻接地时，在分相差动保护拒动的情况下，可由零序差动保护动作经一个短延时切除三相。由于零序电流是故障分量，因此具有较高的灵敏度。
零序差动保护不反应相间故障，但相间短路时过渡电阻不会很大，分相差动保护能可靠动作。
2.4利用故障分量瞬时值的差动判据
上述判据在具体实现时，须经全周或半周傅氏算法估计出基波分量，由于基波的估计需要一定的窗口时间，若要消除直流分量的影响则时间还要加长，因此保护不可能有快的动作速度。为了获得较快的动作速度，文献[1]提出了基于故障分量瞬时值的差动判据，其表达式为：
式中，t0为故障开始时刻；tk为最近的采样时刻；Edz为大于零的值，它是为了保证保护可靠动作而设置的。
式(7)为主判据，式(8)为辅助判据, 两式是通过逻辑或的关系而动作出口的，其中的任一式成立就判为区内故障。辅助动作判据是为了保证正常系统条件下保护动作的快速性、可靠性，同时克服单侧供电时保护的拒动，提高线路两侧等值系统容量差别较大时保护的灵敏度而增加的。式中为比例系数，一般可取2或3。
判据具有反时限的动作特性。由于其采用的是故障分量电流瞬时值的累加，因此内部故障越严重，故障分量电流越大，判为故障越快，从而弥补了相量差动由于要计算相量而无法对严重故障快速出口的不足。
判据充分考虑了故障过程中两端电流故障分量的采样值乘积符号与故障范围不相符的部分，如果是由于输电线路分布电容的影响或两端电流采样值不同步的影响等，则其往往分布在过零点附近，它们乘积的量值相对其它点来说较少，在整个累加过程中占有比例亦较少；如果是由于暂态过程或于扰的影响，则在所有的采样值中这样的点数毕竟有限，通过累加可减少其影响，不会产生错误的输出。
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3保护方案设计
此方案按照分时综合、多判据并行处理的模式构成。具体为：
基于故障分量瞬时值的差动判据，在保护启动后0~20ms内投入。由于判据受暂态分量影响少，也不受正常运行时系统振荡的影响，考虑到计算的方便性并减少系统频率及负荷变化的影响，电流故障分量的提取采用下式：
式中，△i(t)为电流故障分量的计算值，i(t)为测量电流，T为基波周期，取最近的采样时刻tk≥5ms。判据中的t0为故障开始的时刻，而不是保护启动的时刻，可根据保护中启动元件的动作时间倒推得到。
基于故障分量相量的差动判据，在保护启动后20ms~40ms内投入，判据中的故障分量的提取采用下式：
这里，tk取为故障后20ms，然后再由全周傅氏算法在保护启动后20ms进行计算，求出相量值。
全电流差动保护判据（常规相量差动判据）在保护启动后40ms投入，直到保护跳闸或返回。其相量值由保护启动后一个周期的采样值通过全周傅氏算法求出。由于故障分量不能长期利用，因此本方案将全电流差动保护判据作为整个方案的后备判据，其作用是在式(7)~(9)和式(3)~(4)判据退出后，切除区外转区内的转换性故障和保护未返回时出现的新故障。
零序电流差动保护判据和全电流差动保护判据同时投入。本方案采用的零序电流差动判据在延时100 ms动作，切除三相。该判据主要是为了反映重负荷下的高阻接地故障。延时100 ms动作也可以保证零序电流判据不受CT暂态的影响。
4 数字仿真验证
利用ATP电磁暂态程序分别对本方案中的各判据进行了仿真验证。仿真线路是一条500kV，300km双电源单回线路，系统中电源用集中参数表示，线路用分布参数表示（具体参数从略）。采样率为每20ms采样200个点。仿真结果得出以下结论：
（1）对于制动系数k=0.6、定值I0为50％负荷电流的全电流差动保护判据，在过渡电阻为300Ω时，允许运行的最大电源电势角为15°；在过渡电阻为150Ω时，允许运行的最大电源电势角为30°。表1为区内末端A相接地短路时的仿真结果。
（2）对于k=0.6的基于故障分量相量的差动判据和零序电流差动保护判据，在电源电势角为60°、过渡电阻为550Ω时，仍能可靠动作。表2、表3分别为区内末端A相接地短路时两判据的仿真结果。
（3）基于故障分量瞬时值的差动判据可以反映绝大多数内部故障，仅有部分接地电阻为350Ω的两相接地故障和单相接地故障无法反映。且对于接地电阻为150Ω以下的故障可以保证5ms出口，对于接地电阻为150Ω～300Ω的故障可以保证在10 ms左右出口。图1、图2示出接地电阻为300Ω时,区外故障和区内末端故障故障相采样值乘积结果。从图中可以清楚看出:区外故障时，两电流的乘积为负值；区内故障时，两电流的乘积为正值。10ms时间是保证非故障相正确判断。
（4）采用零序差动保护时，最好与独力的选相元件配合使用，以便满足分相跳闸和重合的需要。选相元件还需要进一步研究。
5 结论
在对现有的电流差动保护判据综合分析的基础上，结合自适应的原理，对各种判据取长补短，设计出一个总体性能最优的差动保护方案，并对该方案进行了仿真研究。仿真结果表明，该方案具有良好的反时限特性，切除故障的速度加快，且可以反映高阻接地故障，是一种性能较好的超高压线路电流纵差保护方案。
输电线路自适应电流纵差保护方案设计 :
参考文献
[1]袁荣湘，陈德树等 （YUAN Rong-xiang，CHEN De-shu,et al）. 基于故障分量的采样值电流差动保护研究 （Study based on sampling current differential protection principle）[J]. 继电器 （Relay），2000，28 (3)：9～11.
[2]李岩，尹项根等（LI Yan,YIN Xiang-gen）. T接短线路微机纵差保护原理研究（Research of microcomputer differential current protection principle for T structure short transmission line）[J]. 电力自动化设备（Electric Power Automation Equipment），1999，19(2)：21～23.
[3]李清波，刘沛（LI Qing-bo，LIU Pei）. 光纤纵差保护的应用及灵敏度的提高（Application of fiber differential protection and sensitivity improvement）[J]. 电力自动化设备（Electric Power Automation Equipment），2002 ，22(4)：21～24.
[4]张新国，杨维娜，杨明玉等 （ZHANG Xin-guo，YANG Wei-na，YANG Ming-yu et al）. 数字式微波零序电流差动保护判据的研究（Research on the criteria of the digital microware zero-sequence current differential protection）[J]. 继电器（Relay）, 1992,20(2):2~6.继电器
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