配电网是单电源辐射状的网络结构, 决定了配电网的馈线保护无需方向判别, 传统保护装置均是针对单向潮流设计的, 没有方向判别能力, 短路电流都是通过系统流向故障点的, 故通过流过故障电流的开关序列就可以轻易的判断出故障点所在的线路段。然而, 当DG接入系统后, 整个系统变成了多电源的区域, 此时多数开关都流过短路电流, 仅仅通过过电流的开关的序列就判别故障段是行不通的, 为了达到判别故障方向而在馈线上各开关处增设电压互感器构成功率方向是运行单位所不能接受的, 一来, 投资很大, 二来, 保护接线及实现方法变得很复杂。故研究新型的电流保护的任务是十分紧要的。
本章提出的利用正序电流相位变化判断故障方向的保护方法, 仅仅利用电流信号。结果表明, 对三相径向系统, 故障方向可以由故障前后正序电流向量的相角变化量来判定。不像其他故障方向判定算法需要运用电压量, 该方法采用故障前的电流相量, 用来判定故障方向。该算法可以应用在中继站中没有一个电压信号的系统中, 因此, 在这个母线上如果其他电压驱动的继电器不需要的话, 电压传感器的花费可以节约。当电压驱动的继电器在同一个母线上, 通讯方面的节省是显而易见的。
1 利用正序电流相位变化判断故障方向
1.1 三相短路时
图1中, 一个分布式发电场通过一条分成两段的馈线接入到系统中, 在A处有一个分布式电源通过线路连接在母线C处。在这个例子中, 在A处的电源提供功率给系统, 并且功率方向一直是从A流向到B的。在共同耦合B点, 这里的继电保护是需要方向性的。系统中上游和下游地区, 对应点F1和F2如示意图。在继电器的两边 (F1和F2) 发生故障, 则B处相应的的断路器断开。
故障前B处的电流为
其中, 是母线A处的电压, 是母线B处的电压, Z是从母线A到母线B的线路阻抗。
当F1故障是B处的电流为
其中, ZF1是母线C到短路点F1的线路阻抗。
当F2故障是B处的电流为
其中, ZF2是母线A到短路点F2的线路阻抗。
在正常运行的状态下, 由于线路一般只有几公里长, 负荷电流也不大, 两端母线的电压相角相差不大, 幅值差也不大。由于输电线路的阻抗角和长度关系不大, 也可以认为Z、ZF1和ZF2的阻抗角相等, 设为α, 0<α<90, 考虑电力系统实际情况, 线负效阻抗角约为70°～85°。
设则的相位取决于的相位差和线路阻抗角, 超前相角滞后一个阻抗相角α。由于故障时刻和的相位是接近的, 即θ不大。所以故障电流相量在同一时刻接近反向。如图所示, 超前于负荷电流, 滞后于负荷电流。
因此, 故障方向可以由故障电流相位相对于故障前电流相位的位置判定。从向量图可以看出, 故障前后电流向量角度的变化, 上游 (F1) 故障时, 故障电流相位落后故障前的负载电流, 相角∆ϕ1是正的, 下游 (F2) 故障时, 故障电流相位超前故障前的负载电流, 相角∆ϕ2是负的。
我们注意到, 当母线发生短路时, 进线和出线的电流不等了, 这时可以先判断是否发生母线短路, 然后再进行故障方向判断。
从先前的讨论, 可以得出结论认为, 当发生三相短路时, 单支路系统的故障方向可以由电流向量的相角变化获得, 简单的规则可以说明如下。
如果∆ϕ是正的, 故障是在上游, 如果∆ϕ是负的, 故障是在下游的观察点。其中∆ϕ故障前后向量的相角变化量, 范围为-π至π。
实际上, 随着负荷的不断变化, 即使没有发生短路故障, B出所测得的电流相角也是不断变化的, 但这时的相角变化是很小的。由于这种方法只是判断故障方向, 不能判断故障的具体位置, 只是防止非故障支路误动。在具体的数字保护实施中, 可以根据电流先判断发生故障, 然后再投入这种保护方案。也可以对相角的变化量给出一个整定值, 整定值大于正常负荷时相角的变化量, 这样, 当相角变化量大于整定值时, 就可以判断出发生故障, 进而判断发生在哪条支路。
1.2 两相短路时
当双电源的系统的联络线发生两相短路或两相接地短路故障时, 如图1所示, 假设在f1点发生BC两相金属性故障。根据对称分量原理, 特殊相为A相, 画出序网图, 如图3所示, 为故障前F 1除的电压, Z+f11为A到F1的正序阻抗, Z+f12为C到F1的正序阻抗, Z-f11为A到F1的负序阻抗, Z-f12为C到F1的负序阻抗, 在大多数的短路情况下, 系统的正负序阻抗大小相等, 所以, Z+f11=Z-f11, Z+f12=Z+f12。
可以求得母线B处的正序电流故障分量为 (3-4)
同理, 当F2处发生两相短路时, 母线B处的正序故障电流分量为
其中, Z+f21为A到F2的正序阻抗, Z+f22为C到F2的正序阻抗。
故障前B处的正序电流为
其中, 是母线A处的电压, 是母线B处的电压, Z是从母线A到母线B的线阻抗。
根据 (3-4) 、 (3-5) 和 (3-6) 三式可以画出向量图, 如图5所示。
因此, 故障方向可以由故障后电流正序分量的相位相对于故障前电流相位的位置判定。从向量图可以看出, 故障前后电流正序分量向量角度的变化, 上游 (F1) 故障时, 故障电流相位落后故障前的负载电流, 相角∆ϕ1是正的, 下游 (F2) 故障时, 故障电流相位超前故障前的负载电流, 相角∆ϕ2是负的。
从先前的讨论, 可以得出结论认为, 当发生两相短路时, 单支路系统的故障方向可以由电流向量的相角变化获得, 简单的规则可以说明如下。
如果∆ϕ是正的, 故障是在上游, 如果∆ϕ是负的, 故障是在下游的观察点。其中∆ϕ故障前后向量的相角变化量, 范围为-π至π。
1.3 两相接地短路故障时
根据第二章的知识, 当发生两相接地短路时, 故障分量正序电流为
由于在配电网中, 中性点一般时不接地的, 所以零序阻抗Z∑0非常大, 所以故障分量正序电流简化为
可见, 这与两相短路时的正序电流计算公式一样, 因此, 两相接地短路时故障方向的判断方法与两相短路时的方法一样。
1.4 单相接地短路故障时
根据第二章的知识, 当发生单相接地短路时, 故障分量正序电流为
由于零序阻抗Z∑0很大, 所以故障分量正序电流很小, 所以利用这种方法不能判断处故障方向。发生单相接地故障时, 中性点对地电压升高为相电压, 非故障相对地电压升高为线电压, 但三相之间的电压不变。按规程规定, 在此状态下, 电网仍可运行两小时, 对故障的实时性处理要求不高。
2 方法总结及判断故障线路的流程图
由以上分析可知, 对于各种故障, 可以统一判断规则, 利用数字保护原理, 不断的则两其电力相位变化, 当判断发生故障时, 投入此规则。
如果∆ϕ是正的, 故障是在上游, 如果∆ϕ是负的, 故障是在下游的观察点。其中∆ϕ故障前后向量的相角变化量, 范围为-π至π。
利用故障前后正序电流向量的相角变化量来判定故障方向的实现过程可用如流程图6来表示。
3 相位变化法评价
相位变化法的优点如下。
(1) 由于线路阻抗角一般为70°～85°所以当下游短路时, 相位变化可达-70°～-85°, 上游短路时, 可达95°～110°, 两种情况差别非常大, 灵敏度很高。
(2) 无死区, 由于线路阻抗角与线路长度关系不大, 所以故障点的位值对短路阻抗角影响不大, 所以故障点的位值对灵敏度影响不大。
相位变化法的缺点如下。
(1) 主要用正序电流的相位, 对相位非常敏感, 对数据的实时性, 同步性等要求非常高。
(2) 由于此方法运用故障前后正序电流相位的变化来判断, 所以当故障前线路位空载时, 此方法不再适用;而且此方法是在上电之后才能投入, 如果上电之前存在故障, 此方法也不再适用。
(3) 此方法必须知道故障前潮流的方向当潮流方向不确定时, 此方法不再适用。
4 结语
本章详细介绍了利用故障前后正序电流向量的相位变化量来判定故障的方法首先分析三相短路故障时此方法的可行性, 接着又分别对两相短路、两相短路接地分别进行了分析, 之后对各种故障情况的判断方法进行了总结, 并画出了利用故障前后正序电流向量的相位变化量来判定故障方向的流程图, 最后对相位变化法进行了优缺点评析。
摘要：原理上可以用电流差动保护或有电压的方向性保护, 但这种保护投资非常大, 已不适用于配电网中。因此, 如何在弃用电压量只用电流量完成对故障方向的判断是本文研究的重点。针对不同结构的配电网变电站, 本文提出两种方向保护方案。对于单进单出只有两条支路的变电站的情况, 利用正序电流的相位变化估计故障方向;对于一进多出多支路的变电站的情况, 发生三相短路时, 各支路短路前后电流变化量有明显的区别, 利用短路前后电流变化量可以判断出发生故障的支路。
关键词：相位变化,正序电流,电流向量变化
参考文献
[1] 张超, 计建仁, 夏翔, 等.分布式发电对配电网继电保护及自动化的影响[J].华东电力, 2006, 34 (9) :23～26.
[2] 肖静, 汤建红, 李颖慧, 等.浅论分布式发电技术及其对配电系统继电保护的影响[J].山东电力技术, 2007, 1:19～25.
[3] 王希舟, 陈鑫, 罗龙, 等.分布式发电与配电网保护协调性研究[J].继电器, 2006, 34 (3) :15～19.
[4] 庞建业, 夏晓宾, 房软.分布式发电对配电网继电保护的影[J].继电器, 2006, 35 (11) :5～8.
[5] 何桦, 卫志农, 郑玉平.多电源配电网的复故障定位网络模型[J].华中科技大学学报, 2001, 29 (9) :51～53.