基于PSCAD的距离保护作为变压器低压侧故障远后备保护的仿真分析
时间：2023-03-04 10:00:03 来源：千叶帆 本文已影响人
闫 石
(深圳市机场(集团)有限公司，广东 深圳 518128)
线路距离保护Ⅲ段在110 kV线路-变压器组接线中可按对侧变压器低压侧有灵敏度整定，以作为变压器低压侧短路故障的远后备保护[1]。为分析YNd11接线变压器Y侧线路距离保护对d侧小电阻接地系统短路故障的远后备保护能力，通过对称分量法进行推导计算，并以某用户110 kV/35 kV供电系统为例，应用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC搭建一次模型和二次模型对小电阻接地系统的不同类型短路故障进行仿真验证。
图1所示为某用户110 kV/35 kV供电系统，其系统参数如表1所示。110 kV/35 kV YNd11变压器的d侧为35 kV小电阻接地系统，Y侧为110 kV母线处安装有距离保护。
表1 110 kV/35 kV供电系统参数
图1 110 kV/35 kV供电系统接线
当35 kV母线故障时，通过对称分量法，可知距离保护的相间阻抗继电器的测量阻抗为
(1)
(2)
(3)
由于YNd11变压器两侧零序分量相互独立，不能从d侧传变到Y侧[2]，根据对称分量法可知，距离保护的接地阻抗继电器的测量阻抗为
(4)
(5)
(6)
1.1 三相短路故障
当图1中变压器d侧母线发生三相短路故障时，考虑金属性短路，根据对称分量法，由式(1)～(6)可得
ZMAB=ZMBC=ZMCA=ZMA=ZMB=ZMC=
(7)
式中：ZL为110 kV线路阻抗；
ZT为YNd11变压器阻抗。
由式(7)可见，变压器d侧母线三相短路故障时，Y侧距离保护的相间阻抗继电器、接地阻抗继电器均能正确测量到短路点到保护安装处的正序阻抗。测量阻抗如图2所示。
图2 YNd11变压器d侧三相短路故障时Y侧距离保护的测量阻抗
1.2 两相短路故障
当图1中变压器d侧母线发生B、C相短路故障时，考虑金属性短路，根据对称分量法，由式(1)～(6)可得
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
式中：Z1∑为系统对故障点的正序综合阻抗。
由式(8)～(13)可见，变压器d侧母线B、C相短路故障时，Y侧距离保护仅C相接地阻抗继电器能正确测量到短路点到保护安装处的正序阻抗，其余阻抗继电器均不能。测量阻抗如图3所示。
图3 YNd11变压器d侧B、C两相短路故障时Y侧距离保护的测量阻抗
1.3 单相接地短路故障
当图1中变压器d侧母线发生A相接地短路故障时，考虑金属性短路，根据对称分量法，由式(1)～(6)可得
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
式中：Z0∑为系统对故障点的零序综合阻抗。
由式(14)～(19)可见，变压器d侧母线单相接地短路故障时，Y侧距离保护的相间阻抗继电器、接地阻抗继电器均不能正确测量到短路点到保护安装处的正序阻抗。测量阻抗如图4所示(图中虚线表示受图幅影响，阻抗幅值无法完全体现)。
图4 YNd11变压器d侧A相接地短路故障时Y侧距离保护的测量阻抗
1.4 两相接地短路故障
当图1中变压器d侧母线发生B、C相接地短路故障时，考虑金属性短路，根据对称分量法，由式(1)～(6)可得
(20)
(21)
(22)
(23)
(24)
(25)
由式(20)～(25)可知，变压器d侧母线B、C相接地短路故障时，Y侧距离保护仅C相接地阻抗继电器能正确测量到短路点到保护安装处的正序阻抗，其余阻抗继电器均不能。测量阻抗如图5所示(图中虚线表示阻受图幅影响，阻抗幅值无法完全体现)。
图5 YNd11变压器d侧B、C两相接地短路故障时Y侧距离保护的测量阻抗
综上分析可知，由于YNd11变压器两侧零序分量不能传变，两侧电压、电流的相位存在30°相角差，正、负序分量相位转换不同[3]，变压器d侧发生不对称短路故障时，Y侧距离保护仅部分阻抗继电器能正确测量。对于两相接地短路故障、两相短路故障，仅故障相中落后相的接地阻抗继电器能正确测量。对于单相接地短路故障，所有阻抗继电器均不能正确测量。对于三相短路故障，由于仅有正序分量，且YNd11变压器两侧电压、电流对称，所有阻抗继电器均能正确测量。
PSCAD/EMTDC是一款被广泛应用的电力系统电磁暂态仿真软件，其仿真模型直观，元件模块库丰富，可实现交流电力系统电磁暂态研究、简单和复杂电力系统的故障建模及故障仿真[4]。通过PSCAD/EMTDC搭建一次、二次系统模型对前节的理论分析进行验证。
2.1 一次系统的建模
按图1所示供电系统进行建模。一次系统模型由三相电压源元件、三相双绕组变压器元件、架空输电线路元件、单相双绕组变压器元件、三相断路器元件、三相故障元件、故障定时控制逻辑元件、测量元件构成，如图6所示。
图6 110 kV/35 kV供电系统模型
架空输电线路元件采用Bergeron模型，能精确表示基频模型，满足继电保护仿真的要求。三相故障元件采用外部控制故障类型，通过与拨码盘元件的配合可方便设置故障时间和短路故障类型。
图7 Z接地变模型
2.2 二次系统的建模
二次系统由2个自定义组件构成，一是电流、电压量变换处理部分；
二是阻抗计算、保护判别、逻辑输出部分。
电流、电压量变换处理部分的自定义组件由快速傅里叶变换元件、相序滤波器元件构成，如图8所示。通过快速傅里叶变换元件对电流、电压量进行快速傅里叶变换后获得电流、电压量的基频幅值和相位。通过相序滤波器元件将电流、电压量的基频幅值、相位变换后获得正、负、零序分量的幅值和相位。
图8 电流、电压量变换处理部分
阻抗计算、保护判别、逻辑输出部分的自定义组件由线对地阻抗元件、线间阻抗元件、欧姆圆元件、跳闸多边形元件、多输入逻辑门元件构成，如图9所示。通过线对地阻抗元件、线间阻抗元件将变换处理获得的电流、电压量的基频幅值、相位及其正、负、零序分量的幅值和相位计算获得线对地测量阻抗、线间测量阻抗。应用欧姆圆元件可实现圆阻抗继电器。欧姆圆元件将测量阻抗与已设定的阻抗定值进行比较，若测量阻抗位于已设定的阻抗定值的区域内，则欧姆圆元件输出为1，保护动作；
反之，元件输出为0，保护不动作。多个欧姆圆元件的输出经多输入逻辑门元件向断路器发出跳闸信号。应用跳闸多边形元件则可实现四边形阻抗继电器。
图9 保护部分
通过XY坐标图可以直观地了解到测量阻抗是否位于设定的动作区域内。欧姆圆元件设定的动作区域是通过AM/FM/PM函数元件、信号发生器元件等表达圆的参数方程并体现在XY坐标图中，而跳闸多边形元件设定的动作区域是通过AM/FM/PM函数元件、信号发生器元件等表达直线的参数方程并体现在XY坐标图中。
3.1 距离保护对变压器低压侧故障反应的仿真
应用PSCAD/EMTDC对第1节的理论分析进行仿真验证,仿真结果如图10～13所示(图中左侧为相间阻抗继电器，右侧为接地阻抗继电器,x轴为电阻分量,y轴为电抗分量)，仿真结果与理论分析一致。
图10 YNd11变压器d侧三相短路故障时Y侧距离保护动作仿真
图11 YNd11变压器d侧B、C两相短路故障时Y侧距离保护动作仿真
图12 YNd11变压器d侧A相接地短路故障时Y侧距离保护的测量阻抗
3.2 距离保护整定的仿真
《DL/T584—2017 3～110 kV电网继电保护装置运行整定规程》对线路-变压器组接线的距离保护Ⅲ段整定要求为：躲过事故负荷阻抗，对变压器低压侧有不小于1.5的灵敏度。采用圆带上抛四边形的距离保护Ⅲ段可满足规范要求[6]。
仍以图1所示供电系统为例，其距离保护Ⅲ段整定值如表2所示。按表2参数设置进行仿真，仿真结果如图14～17所示(图中左侧为相间阻抗继电器，右侧为接地阻抗继电器，AB、BC、CD、DA为四边形的四条边，BC-X、BC-Y为BC的参数方程)。
图13 YNd11变压器d侧B、C两相接地短路故障时Y侧距离保护的测量阻抗
表2 整定值
图14 d侧三相短路故障时Y侧距离保护动作仿真
图15 d侧B、C两相短路故障时Y侧距离保护动作仿真
图16 d侧A相接地短路故障时Y侧距离保护的测量阻抗
从上述仿真结果可知，在满足躲事故负荷阻抗同时取较大的灵敏系数，变压器d侧发生B、C相短路故障时或B、C相接地短路故障时，BC、CA相间测量阻抗均能进入动作区内，相间距离保护也能动作。由于小电阻接地系统的零序阻抗很大，即使取较大的灵敏系数，变压器d侧发生单相接地短路故障时，接地距离保护、相间距离保护均无法动作。
图17 d侧B、C两相接地短路故障时Y侧距离保护的测量阻抗
1)理论分析与仿真验证表明：YNd11变压器d侧发生三相短路故障时，Y侧相间距离保护、接地距离保护均能正确测量；
d侧小电阻接地系统发生两相短路故障、两相接地短路故障时，Y侧仅故障相中落后相的接地距离保护能正确测量；
d侧小电阻接地系统发生单相接地短路故障时，Y侧相间距离保护、接地距离保护均不能正确测量。
2)距离保护Ⅲ段整定满足躲事故负荷阻抗同时尽可能取较大灵敏系数，YNd11变压器d侧小电阻接地系统发生两相短路故障、两相接地短路故障时，Y侧相间距离保护Ⅲ段也能动作。由于YNd11变压器d侧小电阻接地系统零序阻抗通常很大，发生单相接地短路故障时，Y侧距离保护无法动作。
3)由于距离保护Ⅲ段动作出口是三跳的，按对YNd11变压器d侧短路故障有灵敏度整定的Y侧距离保护Ⅲ段可作为远后备保护，在发生除小电阻接地系统单相接地短路故障以外的短路故障时，均能正确动作。
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