專利名稱：一種電力系統高壓輸電線路零序方向元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電力系統繼電保護元件，特別涉及一種電力系統高壓輸電線路零序方向元件。
背景技術：
在電力系統中零序方向保護，具有不受運行方式和系統振蕩影響，靈敏度高的優點，在高壓、超高壓傳輸線路保護中得到了廣泛的應用。但是由于高壓，超高壓輸電線路一般較長，線路阻抗遠大于系統阻抗。在線路內、外遠端或經過過渡電阻短路時，可能出現零序電流存在，而零序電壓很小甚至為零的情況，方向元件會出現電壓靈敏度不足的困難，無法區分是正常狀態還是短路故障，從而造成方向保護的誤動作，現有的零序方向保護無法解決此問題。

發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種可以解決電壓靈敏度不足的大電源問題，保證方向判別準確性的電力系統高壓輸電線路零序方向元件。
為達到上述目的，本發明采用的技術方案是首先根據A，B，C三相電壓和電流的采樣值，將三相電壓和電流值轉化為相量值獲得零序電壓和電流；將零序電壓幅值與門檻值比較，門檻值為2～3V，從而選用不同判據進行方向判別若|0|＜|0dz|不成立，式中|0|為零序電壓幅值，|0dz|為門檻值，采用 判斷故障方向，如 處于(-190°，-30°)，則方向元件動作，反之閉鎖方向元件；若|0|＜|0dz|成立，如選相元件判斷為φ相接地故障，則采用單相替代方案 判斷故障方向，如 處于(-230°，-50°)，則方向元件動作，反之閉鎖方向元件；如選相元件判斷為φφ兩相接地故障，則采用兩相替代方案判斷故障方向，若判斷為正向則動作，反之閉鎖方向元件。
本發明通過提高零序電壓定值，保證了定值以上時，方向判別的準確性，而在零序電壓很小甚至為零時，根據故障類型，采用保護安裝處的記憶電壓代替其零序電壓，通過調整相應的最大靈敏角，使其具有明確的方向性。


圖1是本發明的邏輯框圖；圖2是雙端電源線路遠端經過渡電阻單相短路系統圖，其中M，N分別為兩電源，對于M側安裝的保護1，為線路遠端單相接地故障；圖3是雙端電源單相短路故障復合序網圖，從上至下分別為零序網、負序網和正序網；圖4是雙端電源單相短路故障復合序網等效圖，零序網未動，而正序網和負序網經戴維寧等效為一個電源和一個等效電阻；圖5是本發明以相電壓代替后零序方向元件動作特性圖，其中圖中陰影部分為動作區和不動作區的分界線，其左下方為動作區。動作區為(-230°，-50°)，(-50°，130°)為不動作區；圖6是團桂線故障系統接線圖，其中短路點在團山變背側的110kV線路上，為C相接地故障。
圖7是桂花變采用本發明前后波形對比圖，其中橫坐標為采樣點數(本仿真使用的是1ms采樣，即每一采樣間隔為1ms)，縱坐標為相角，單位為度(采用本發明前縱坐標的角度為 采用本發明后縱坐標的角度為 圖8是團山變采用本發明前后波形對比圖，其中橫坐標為采樣點數(本仿真使用的是1ms采樣，即每一采樣間隔為1ms)，縱坐標為相角，單位為度(采用本發明前縱坐標的角度為 采用本發明后縱坐標的角度為 圖9是金堂變采用本發明前后波形對比圖，其中橫坐標為采樣點數(本仿真使用的是1ms采樣，即每一采樣間隔為1ms)，縱坐標為相角，單位為度(采用本發明前縱坐標的角度為 采用本發明后縱坐標的角度為
圖10是潭東變采用本發明前后波形對比圖，其中橫坐標為采樣點數(本仿真使用的是1ms采樣，即每一采樣間隔為1ms)，縱坐標為相角，單位為度(采用本發明前縱坐標的角度為 采用本發明后縱坐標的角度為具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
本發明根據A，B，C三相電壓和電流的采樣值，將三相電壓和電流的采樣值轉化為相量值后，獲得零序電壓和電流；然后將零序電壓幅值與門檻值進行比較，門檻值為2～3V，從而選用不同判據進行方向判別。參見圖1，其為本發明的邏輯框圖。圖中“&”代表“與”，“+”代表“或”，只有在滿足邏輯框圖所示邏輯條件時判斷為正向故障，發出跳閘指令，反之閉鎖方向元件。其具體判斷方式文字表述如下a)若|0|＜|0dz|不成立，式中|0|為零序電壓幅值，|0dz|為門檻值，說明零序電壓滿足靈敏度要求；采用 判斷故障方向，如 處于(-190°，-30°)則方向元件動作，反之閉鎖方向元件；b)若|0|＜|0dz|成立，則說明零序電壓不滿足靈敏度要求；若選相元件判斷為φ相接地故障，采用單相替代方案 判斷故障方向，如 處于(-230°，-50°)則方向元件動作，反之閉鎖方向元件；若選相元件判斷為φφ相接地故障，采用兩相替代方案判斷故障方向，如判斷為正向則動作，反之閉鎖方向元件。
電力系統線路大多是單相故障，而且零序電壓靈敏度不足主要發生在單相高阻接地情況。下面以單相接地故障為例，給出解決方案，兩相接地與此類似。
參見圖2，為一雙端電源系統，其中M、N為兩個電源，1和2分別為線路兩端母線處安裝的保護裝置。對于M側母線上安裝的保護裝置1而言，線路在遠端經過渡電阻Rg發生接地短路故障。對于故障處，根據其電壓和電流應滿足的邊界條件，其復合序網應為正序、負序和零序網的串聯。
如圖3所示，圖中從上至下分別為零序網、負序網和正序網。其中ZSM0，ZSM1，ZSM2，ZSN0，ZSN1，ZSN2分別為M端和N端的零序、正序和負序系統阻抗；Zl10、Zl12和Zl11分別為線路M端母線到短路點的零序，負序和正序線路阻抗，而Zl20、Zl22和Zl21分別為線路N端母線到短路點的零序、負序和正序線路阻抗；EM和EN分別為M端和N端電源的電動勢；Rg為過渡電阻。將正序網和負序網串聯部分根據戴維寧等效定理可以等效為一個電源和一個等效阻抗的串聯，而零序網不動。圖4所示為其等效復合序網(圖中零序網部分，系統阻抗ZSM、ZSN和線路阻抗Zl1、Zl2均為零序阻抗，為標注簡略，省去了下標0)。其中Z1為正序網等效阻抗，Z2為負序網等效阻抗，A為等效后的電源電動勢，應為故障點處故障前A相電壓。考慮理想狀況，在故障前線路處于空載狀態，即流經線路的電流為零，則故障點處A相電壓和母線處A相電壓相等。所以，復合序網的等效電動勢為-A(A為母線處故障前A相電壓)。
1)先考慮簡單情況，假設過渡電阻Rg＝0在保護安裝處，滿足arg(U·0/I·0)=arg(-Zsm)arg[(-U·A)/I·0]=arg-[Zsm+ZL1+k(ZΣ1+ZΣ2)]]]>其中k為線路分支系數。
因為系統阻抗Zsm，Zsn與線路阻抗ZL1阻抗角近似相等，所以正序網和負序網的等效阻抗也可近似為線路阻抗角ZL，從而有arg(U·0/I·0)=arg[(-U·A)/I·0]]]>因此，可以用-A代替0，克服了0很低的不足，可正確地判斷故障方向。
2)過渡電阻Rg≠0時，也就是考慮過渡電阻影響時同樣考慮到系統阻抗Zsm，Zsn與線路阻抗ZL1阻抗角近似相等，可得arg[(-U·A)/I·0]=arg[-(ZL+kRg)]arg(U·0/I·0)=arg(-ZL)]]>
因為Rg∈(0，+∞)，所以arg[ZL+kRg]∈(0，argZL)所以可以取-180°+0.5argZL作為最大靈敏角，一般線路阻抗角為80°，則最大靈敏角為-140°。
圖5所示為該方向元件的動作特性圖，圖中陰影部分為動作區和不動作區的分界線，其左下方的半個平面為動作區，另半個平面為不動作區。圖中ZL為線路阻抗角，虛線所示為線路阻抗角的一半，即0.5ZL，虛線處于動作區部分為最大靈敏角，為-180°+0.5argZL。最大靈敏角±90°區域為動作區，則動作區為(-230°，-50°)，不動作區為(-50°，130°)。
即 時，該元件處于動作區，動作；否則閉鎖該方向元件。
對于故障前電壓，有A+B+C＝0，即-A＝B+C這樣無論過渡電阻多大，都可以用 或者 代替 只要將保護的最大靈敏角由-argZL調整為-0.5argZL，可以保證零序方向元件正確動作。從而解決了零序電壓很低甚至為零的靈敏度不足問題。
以上討論的是理想空載狀況，對于非空載狀態，線路沿線路的電壓降落一般為10％，另外電壓的角度偏移也不大，考慮到方向保護本身存在著一定的裕度角，空載狀態的討論結果對于非空載狀態同樣適用，這在實際現場中得到了驗證。
本發明在零序電壓低于門檻值時用保護安裝處故障相電壓替代零序電壓；而在故障相電壓很低時，零序電壓一般較大，仍采用 即可，仍能正確判斷故障方向。
下面給出了本發明對部分現場錄波數據的仿真結果錄波數據分別來自湖南團桂線事故和潭金線事故，現有保護裝置中的零序方向保護無法解決零序電壓靈敏度不足的困難，在零序電壓很低時，出現誤動作。為了驗證本發明的有效性，使用故障實測數據進行了仿真。
仿真結果一湖南團桂線事故
2004年4月湖南220kV團桂線下一級110kV線路發生CN接地故障。圖6所示為該系統的主接線圖。其中S為系統電源，桂花變和團山變之間為10km的220kV線路。110kV線路上的CN接地故障點處于團山變電站背側，團山變電站應判斷為反向故障，桂花變電站則應判斷為正向故障，保護不動作。但是由于團山變零序電壓很低，3U0≈2V，誤判為正向故障。圖7和圖8分別為桂花變和團山變采用此解決方法前后的相角波形。可見，對于桂花變，采用本發明前后相角均處于動作區，可以準確的判斷為正相故障。對于團山變，采用本發明前，在動作區和非動作區波動很大，相角波動進入(170°，330°)，即(-190°，-30°)動作區，將反向故障誤判斷為正向故障，出現誤動作。而采用本發明后，相角始終處于非動作區，可靠的判斷故障為反向故障，從而可靠不動作。
仿真結果二潭金線事故2004年8月發生的潭金線發生下一級線路BN接地故障，故障點處于潭東變電站區外，屬B相反向故障，而金堂變電站應為正向區外故障，但是由于零序電壓很低，造成潭東變電站誤判故障為正向故障，保護誤動作。
圖9和圖10分別為金堂變電站和潭東變電站采用此解決方法前后的相角波形。可見，金堂變電站采用解決方案前后相角均處于動作區，可準確判斷故障方向為正向故障。而潭東變電站采用解決方案前， 始終處于(-190°，-30°)動作區，誤判斷為正向；而采用本發明后，方向處于(-50°，130°)非動作區，判斷為反向故障，可靠的不動作。
總之，本發明所述方向元件在零序電壓很低甚至為零時，可以準確的判斷故障方向，防止誤動作。而現有的方向保護，只是采用補償的方法，在原理上就根本無法解決零序電壓靈敏度不足問題。
權利要求
1.一種電力系統高壓輸電線路零序方向元件，其特征在于1)首先根據A，B，C三相電壓和電流的采樣值，將三相電壓和電流值轉化為相量值獲得零序電壓和電流；2)將零序電壓幅值與門檻值比較，門檻值為2～3V，從而選用不同判據進行方向判別a)若|0|＜|0dz|不成立，式中|0|為零序電壓幅值，|0dz|為門檻值，采用Arg2U·0/3I·0]]>判斷故障方向，如Arg2U·0/3I·0]]>處于(-190°，-30°)，則方向元件動作，反之閉鎖方向元件；b)若|0|＜|0dz|成立如選相元件判斷為φ相接地故障，則采用單相替代方案Arg(-U·φ)/I·0]]>判斷故障方向，如Arg(-U·φ)/I·0]]>處于(-230°，-50°)，則方向元件動作，反之閉鎖方向元件；如選相元件判斷為φφ兩相接地故障，則采用兩相替代方案判斷故障方向，若判斷為正向則動作，反之閉鎖方向元件。
全文摘要
一種電力系統高壓輸電線路零序方向元件，根據A，B，C三相電壓和電流的采樣值，將其轉化為相量值獲得零序電壓和電流；將零序電壓幅值與門檻值比較，若|
文檔編號H02H7/26GK1770582SQ200510096139
公開日2006年5月10日 申請日期2005年10月13日 優先權日2005年10月13日
發明者索南加樂, 孟祥來 申請人:西安交通大學