单相接地故障时电压选相元件的研究

钱国明;陈福锋;王帆;薛明军

【摘 要】通过对单相接地故障各电气量的分析,指出了在大电流接地系统中,尤其是在线路出口(保护安装处)发生单相接地故障时,若低电压选相元件电压定值选择不合适容易导致误选相.提出在各相(故障相和非故障相)电压接近时,采用零序电压补偿的低压选相方案,三相电压均采用零序补偿,补偿后的故障相电压幅值降低,非故障相电压升高.低电压选相元件以补偿后的三相电压进行选相,具有很好的灵敏度.EMTP数字仿真验证了其正确性和实用性.%After analyzing the electrical quantities of the single phase grounding faults, it is clear that in the grounded neutral system, especially when the single phase grounding fault occurs at the beginning of the transmission line (or at the relay location), if the settings of the low-voltage selector is improper, it will lead to incorrect phase selection.When the voltage of each phase (the fault phase and the healthy phase) is close to each other, the Iow-voltage selection based on zero-sequence voltage compensation should be adopted.The three-phase voltages all use zero sequence compensation.After the compensation, the amplitude of the fault phase voltage becomes lower, while the amplitude of healthy phase becomes higher.Then the low-voltage selector can select the fault phase based on the three-phase voltages after the zero sequence compensation, which has very good sensitivity.EMTP simulations proved its validity and utility.

【期刊名称】《电力系统保护与控制》

【年(卷),期】2011(039)007 【总页数】5页(P100-104)

【关键词】输电线路;单相接地;选相元件;低电压;零序电压补偿 【作 者】钱国明;陈福锋;王帆;薛明军

【作者单位】国电南京自动化股份有限公司,江苏,南京,210003;国电南京自动化股份有限公司,江苏,南京,210003;国电南京自动化股份有限公司,江苏,南京,210003;国电南京自动化股份有限公司,江苏,南京,210003 【正文语种】中 文 【中图分类】TM773 0 引言

我国（超）高压输电系统中，为了提高系统稳定性，广泛采用单相重合闸。由于选相跳闸的需要，选相元件成为（超）高压输电线路保护装置中的重要元件。在传统常规保护装置中，选相元件的作用是单相接地故障时准确选出故障相实现单相重合闸功能，在两相和三相故障时实现三相跳闸。线路故障时，故障相电流升高，电压降低，根据此特征形成了低电压选相、阻抗选相和分区选相等稳态选相元件，同时有工频相电流差突变量选相[1-12]。目前主要采用工频相电流差突变量选相和序分量相结合的选相元件。在保护启动后第一次利用工频相电流差突变量选相，振荡闭锁期间由于突变量提取困难而采用序分量选相。

对于强电源侧来说，各类选相原理基本都能正确选相；而对于弱电源侧或者无电源侧来说，选相始终是不容易解决的问题。例如，单端供电的馈供线路上发生故障，

受电侧保护感受的相电流突变量可能很小，这种情况下相电流突变量选相元件往往无法正确选相。对于序分量选相元件来说，也因为馈供线上故障受电侧无负序电流流过而拒选。低电压选相元件在弱电源侧发生故障时一般都有较高的灵敏度。 1 低电压选相简介

电力系统输电线路发生接地故障往往伴随着电流增大和电压降低。低电压选相就是利用这个故障特征。一般认为故障时故障相电压总是比非故障相要低，因此发生故障时后保护装置比较各相电压的幅值就能选出故障相别来。然而实际上发生单相接地故障的时候由于各序阻抗不同的原因，非故障相电压也是受影响的，极端情况下非故障相电压可能降低很多。因此低电压选相元件的低电压定值设置就显得尤为重要，设的太低容易将非故障相误选为故障相，设太高可能造成选相灵敏度不足。一般低电压选相元件门槛的设置的原则[1]是： （1）低于系统运行的最低电压；

（2）低于本保护区内单相故障时非故障相的最低电压； （3）低于非全相运行过程中的最低电压；

（4）按线路末端单相和两相金属性接地故障时的灵敏度不小于1.5整定。 本文针对整定原则的第（2）项，对保护安装处发生单相接地故障时故障相和非故障相的电压进行分析，并提出改进的低电压选相元件。 2 单相接地故障时各相电压的分析[2]

单相接地故障时，由于正序、负序和零序三个序网的电流分配系数不相同，特别是零序电流分配系数C0和正序电流分配系数C1可能相差比较大，从而造成健全相电流变化比较大，电压也有所改变；下面针对健全相电压进行了详细的分析，本文以下均以取A相单相接地故障为例。

假设线路空载，如图1中f点发生A相接地时，故障点处的电流序分量为

其中：为故障点A相的正常电压；Z1为从故障点处看进网络的正序等值阻抗；负序网的等值阻抗也近似为Z1，Z0为零序网的等值阻抗；Rf为接地过渡电阻。 图1 双端输电系统示意图Fig.1 Double-end transmission line model 故障点处的电压序分量为

故障点两个健全相的电压为

由故障分析可知，金属性接地故障情况下当Z0=0时健全相电压变化最大。因此，此处令Z0=0，仅分析健全相电压随过渡电阻变化的情况。为了便于定量的分析，忽略阻抗中的电阻分量，近似地取 Z1=j ⋅X1，令 y1 =3 Rf/X1。 令健全相电压的标么值分别为UB和UC，基准值为正常电压。可得

对某系统仿真得健全相电压随y1变化的大致情况如图2所示，可见过渡电阻的大小对于健全相电压有较大影响，当 Rf=1.5X1时B相电压达到其最小值，约为正常电压的65%左右；可见单相接地故障时健全相电压变化也是很大，当然这并不只是在零序阻抗很小时才特有的，只是零序阻抗小系统中这个情况更为明显。另外，此情况下C相电压是升高的，因此仅需要分析B相的情况。 3 零序电压补偿的低电压选相元件 3.1 经过补偿的健全相电压

我们再看一下故障点的相电压引入零序电压补偿后的情况。

图2 A相接地故障时两健全相电压幅值图Fig.2 Voltage amplitude of two healthy lines when phase-A grounded fault happens

同理可得：

令经过零序电压补偿的健全相电压的标么值分别为UB0和UC0，基准值为正常电压。可得

在Z0=0这种极端情况下，与不引入零序电压显然是相同的，而实际上零序阻抗是不可能为零的，此时经过补偿的健全相电压和不经补偿的零序电压区别较大，图3为对某系统所作仿真结果的一个简单示意，其中实线为未经补偿的健全相（B相）电压，而虚线为经过补偿的健全相电压。可以看出经过补偿的健全相电压明显高于不经补偿的。

在相电压补偿零序电压后，除了极限情况（此时零序电压也为零）外，滞后相的补偿后电压的幅值有所提高，而超前相补偿后电压变化不大。

图3 A相接地故障时补偿前后B相电压幅值图Fig.3 Voltage diagram of phase B when phase A grounded fault happens

通过以上分析，在大电流接地系统中发生单相接地故障时，故障相滞后相的电压可能降到很低，特别是在线路出口（保护安装处）发生故障时，由于变压器的中性点接地，此时系统侧等值的零序阻抗比较小，保护安装处某一健全相的电压可能降得很低，增加零序电压补偿后，健全相电压有所提高。 3.2 经过补偿的故障相电压

由故障分析理论可知对于图1所示f点发生单相（A相）接地故障情况下，故障相（A相）电压为

经过零序电压补偿的A相电压为

可以证明在过渡电阻较大的情况下，式（11）所计算的电压即经过补偿的故障相

电压是明显低于该相的实际测量电压。系统若发生金属性故障或者经小过渡电阻故障，故障相电压很低，此时能佷明确地判别故障相，也就不需采用补偿。因此在高阻情况下补偿电压的特征才是我们所关心的，而此时故障相经补偿后电压降低，非故障相经补偿电压升高，佷容易就能选出正确的故障相别。 3.3 改进的低电压选相流程

图4 改进的低压选相逻辑Fig.4 Improved low-voltage phase selector logic 本文所提低电压选相方案可以考虑仅在弱电源或者无电源侧投入，因为强电源侧正常选相元件均已能可靠选中故障相。而弱电源侧的判别可以通过保护控制字或者根据故障情况自适应判定。如图 4所示为以A相回路为例的改进的选相流程。在发生类似于金属性故障的情况下，若低电压选相本身已经具有足够的灵敏度，我们建议无需采用健全相电压补偿。只有在某相电压处于低电压定值附近时才需要采用补偿。如前所述，健全相电压最低也不会低于65%Un，因此建议在某相电压低于60%Un时不需要采用零序电压补偿，可以基本认定该相即为故障相。为保证经过渡电阻接地时选相元件能有足够的灵敏度，建议低电压选相的门槛（Umk）可以设定在80%Un附近。健全相电压经过零序补偿将超过Umk，而故障相电压经过补偿将降低，据此能够很好地区分故障相和健全相，达到正确选相的目的。 4 数字仿真验证

为验证本文提出的新型选相元件的正确性和有效性，文章用EMTP电磁暂态仿真程序仿真了如图5所示的单端输电线路区内外故障，并用Matlab编程对原理进行了计算验证。仿真系统电压等级为220 kV，m侧为电源侧，n侧为变电站侧，线路长60 km。文中仿真仅针对弱电源侧，即n侧给出。

图5 单电源输电线路模型Fig.5 Transmission line model with single source m端背后的系统参数：

正序：Zm1=j56.262 Ω，零序：Zm0=j37.480 Ω

n侧的等值参数：

正序：Zp1=j345.149 Ω，零序：Zp0=j6.321 Ω 线路参数（mn和np两级线路单位长度参数相同）：

正序参数：r1=0.027 Ω/km，ωl1=0.3032 Ω/km，ωc1=4.27×10-6 S/km 零序参数：r0=0.196 Ω/km，ωl0=0.6945 Ω/km，ωc0=2.88×10-6 S/km 文章对图5所示系统进行了细致的仿真，此处仅以A相故障为例列出仿真结果以供参考，如表1所示。

表1 单相接地故障仿真结果Tab.1 Simulation results of single phase earth faultA相/V B相/V C相/V故障类型接地电阻/Ω Ua U'a Ub U'b U c U'c选相结果0 0.23 ⁄ 55.7 ⁄ 58.4 ⁄ A AG 200 40.3 37.6 49.4 51.1 62.3 61.3 A 0 59.2 ⁄ 0.16 ⁄ 56.5 ⁄ B BG 200 62.1 62.9 41.1 38.3 50.3 52.2 B 0 55.3 ⁄ 59.9 ⁄ 0.21 ⁄ C CG 200 49.9 52.1 61.3 62.4 40.7 38.5 C

从表1的仿真结果可以看出，在金属性接地故障时以图4所示选相流程不用补偿就能快速选出正确的故障相别。对于高阻接地故障，故障相电压较高，和非故障相电压之间区别不是特别大，根据图4所示流程采用零序电压补偿，仍然可以正确选出故障相。可以看出本文所提方案在高阻接地故障时是有必要和有效的。 5 结语

在高压线路保护中，常用电压元件作为一种辅助选相元件来进行选相，特别是在弱电源侧，由于此时使用电流选相元件往往灵敏度不够。其他选相元件如零序电压元件（可以分为两个判据，当零序电压小于某个值时；当零序电压大于某个值时）启动后才采用相电压选相，为了提高故障相的灵敏度，同时提高健全相的安全性，相电压元件必须增加零序电压的补偿。 参考文献

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