[摘 要] 随着微机型继电保护装置的广泛应用,变电站的综合自动化水平也不断提高,本文初步对10Kv继电保护中的小电流接地系统故障检测进行了研究,并以小波分析方法为依据,发现故障支路和健全支路之间的明显区别,我们将结果应用于电力变压器的差动保护装置,具有很好的稳定性。
[关键词] 电力系统 继电保护 故障检测
随着电子技术、计算机技术、通信技术、计算机网络技术飞速发展,电网继电保护技术也完成了机电型继电保护阶段、晶体管型电保护阶段和集成电路型继电保护阶段和微机型继电保护阶段。近年来,电网继电保护技术正向着计算机化、网络化、智能化、多功能一体化方向发展。
一、微机继电保护原理分析
1、距离保护
由于距离保护只能在线路60% -70%长度的范围内瞬时切除故障,在其余的30%-40%长度的范围内要以一端带有第II段的时限来切除。而在距离保护中所用的主要继电器(如起动元件、方向阻抗元件等)都是实现闭锁方向保护所必需的,因此,在某些情况下,把两者结合起来,做成闭锁距离保护,实现快速切除保护范围内部的各种故障,而在外部故障时具有不同的时限特性,可作为变电所母线和下一条线路的后备,因此闭锁距离保护即兼有两种保护的优点,并且能简化整个保护的接线。
该保护设置了三段相间距离和三段接地距离,距离保护能独立选相,不需经重合闸的选相元件跳闸。其基本构成符合“四统一”的设计原则,此外还具有故障测距功能。为了满足不同系统的需要,本保护设置了控制字,可以选择距离保护I、n段是否经振荡闭锁。距离保护的阻抗采用解微分方程算法,配合有限冲击响应(FIR)的数字滤波器,算出感受的电抗分量X和电阻分量R值,再同整定值比较以确定是否在区内。为保证出口短路的明确方向性,采用电压记忆。在重合或手合到故障线时,阻抗动作特性在原多边形特性的基础上加上一个包括座标原点的小矩形特性,以保证PT在线路侧时也能可靠切除出口故障。
2、零序保护
CSL-100系列装置在全相运行时配置了四段零序方向保护,每段都可由控制字选择经方向或不经方向元件闭锁,零序I段在手合或重合闸时均带0.1s延时,以躲开断路器三相不同期。在非全相时设置了瞬时段和延时段两段零序保护,通常称为不灵敏I段和H段,其方向也可由控制字投退。
3、综合重合闸
CSL-100系列装置中CSL-101B型、CSL-102B型保护装置的综重插件和CSL-101A型断路器控制装置的综重插件无论软件还是硬件是完全相同的。由于目前高压线路保护都具有选相功能,因此综合重合闸装置内不再装设选相元件,重合闸装置只管合闸,不再承担保护跳闸选相任务。
二、小电流接地系统故障检测方法
小电流接地系统普遍存在于我国低压配电网,其接地方式主要有不接地、经消弧线圈接地和高阻接地等三种方式。系统单相接地故障发生比较频繁,为避免长时间运行导致两点或多点接地短路,必须尽快找到故障支路和故障点。一般采取以下几种方法:小电流接地选线;故障测距;户外故障点探测以及基于小波分解的接地选线方法。
1、小电流接地系统故障点探测方法
小电流接地系统发生单相接地故障时,接地点前向支路、非故障支路和接地点后向支路的零序电压、零序电流呈现不同的特点,使相应线路周围电场和磁场的分布发生变化,由此提出了利用五次谐波零序电场和磁场探测接地点的新方法。具有两条支路的中性点经电抗器L接地系统如图1所示。
仿真模型为典型的直线:型电杆的10kV配电线路,含五条支路,其中正常支路的参数I、故障支路H的参数、故障参数和系统参数如下:CⅠ=CⅡ=1.036μ;C’Ⅰ=C”Ⅱ=0.518μ;C=15.54μ;L=0.379H。脱谐度为8%,RF=44Ω,并可推得θ=450。导线截面均为120mm2,架空高度8.2m,相间距离2.35m,测量点高2m,故障点在A相。线路下电场强度和磁场强度的相位关系的结论与系统稳态分析下得到的与零序电压和容性零序电流的相位关系十分类似,证实了三相电压和电流的三相合成的电场和磁场与零序电压和零序电流合成产生的电场和磁场具有可替代性。
2、接地选线的小波分析方法
小电流接地系统发生单相接地故障时,存在一个比较明显的暂态过程,尤其是暂态接地电容电流,此过程包含丰富的故障特征,以往的分析往往忽略了这些特征,小波理论的出现,为故障选线提供了有利条件。本节建立了小电流接地系统的数学模型,仿真得到了故障发生前几个周波的暂态信号波形,通过对接地故障出现时刻信号的小波分解,得到了一种基于小波能量方法的接地选线选相判据。小电流接地系统模型为图2所示:
通过系列仿真结果可以分析出,接地故障发生时,虽然不影响系统的正常运行,但系统每条支路的负荷电流瞬时产生了波形的瞬时畸变。
对故障发生后第一周波信号进行傅立叶变换,图3为信号频谱,频谱在230Hz处有微小峰值,(接地瞬间信号的频谱与系统参数有关,本例中为230Hz)。利用小波变换提取该频率成分,可识别接地故障特征。Daubechies小波具有对非平稳信号的灵敏性,本方法采用的小波函数为Daubechies小波系的db13。
通过高次谐波零序电流和零序电压的幅值和相位关系可探测小电流接地系统单相接地的故障点,分析表明,导线的空间电场和磁场的高次谐波反映了上述幅值和相位的关系,是一种间接探测故障点的新方法。三整倍次谐波在系统正常运行为同相位,难以与故障时容性电流区分,不适合作为检测信号;系统中五次谐波含量较高,选择五次谐波作为检测信号是合适的。利用该方法研制的手持式户外故障探测器投资少、体积小,如何提高检测装置的灵敏度和抗干扰能力,是其推广应用的关键。通过建立小电流接地系统模型,仿真了故障系统的暂态电流电压信号波形,据小波多分辨分析原理,用db13小波在6尺度对信号进行小波分解,以该尺度小波能量为选线判据,能得到故障支路和健全支路之间的明显区别,具有很好的稳定性。方法直接从负荷电流提取特征,不但得到故障支路,而且能直接判断接地线路和接地相,实用性强。与以往选线方法不同,新方法不必叫当前支路电气量与其他支路比较,只与故障支路或健全支路本身电流特征有关,所以日益实现。
三、电力系统继电保护装置研究
1、差动保护装置硬件整体结构
硬件平台是软件的载体,可靠的保护依赖于可靠而稳定的硬件平台,保护装置作为电力系统的最后一道保护,其拒动或误动带来的后果是众所周知的,所以平台首要要求是可靠。可靠性要求硬件平台具有较强的抗电磁干扰能力。装置工作在具有较强电磁干扰的电力系统现场,必须具有对电磁辐射、静电、快速瞬变和耐压等电磁干扰具有3级以上的抵抗能力;一旦装置出现故障,必须具有可靠的闭锁措施;要具有防止人为误操作的手段;总之设备必须符合国家电网公司的反措要求。
CPU工作的快速性和计算的准确性。为了捕获故障发生时刻的突变信号,采样不能中断,所谓连续交流采样。对于电力变压器、发电机(组)差动、线路距离、线路差动等快速保护,发生故障时故障时,运算的频率一般要达到1000Hz左右,基本上要与采样同步,才能实现快速判断的要求。
2、差动保护装的置软件结构
装置软件包括1个主程序和2个中断服务程序。主程序功能,管理各种软件功能模块,包括数据处理模块、开入信号处理模块、开出驱动模块、保护功能模块、报文产生模块;实现各个模块之间的逻辑关系和执行顺序;与中断服务程序接口,处理中断服务程序产生的实时数据。定时采样中断服务程序,由定时器中断源触发,中断时间为20/24ms即1200Hz。功能:模拟量采样,实现滤波算法;开入采样,实现对开入信号滤波,产生开关量的SOE }SOE的分辨率为lms:实现外部GPS信号的绝对对时和装置内部SOE的相对时钟;串口通信中断服务程序,指与MMI的内部通信。串口中断实际上包括两种中断,即通信数据的接收中断和通信数据的发送中断,中断接收程序主要功能是,解释内部通信规约,对接收数据进行格式恢复和组合,解释并执行接收命令,如开出的遥控、定值的读出和写入,网络对时;中断发送程序主要功能是,解释内部通信规约,组织数据格式,发送数据。
四、结束语
本文提出了一种小电流接地选线的小波分析方法,仿真得到了故障发生前期的暂态信号波形,仿真结果表明,接地故障发生时,系统每条支路的负荷电流瞬时产生了波形的瞬时畸变,通过对接地故障出现时刻电流信号的小波分解,得到了一种基于小波能量方法的接地选线选相判据。该方法不将故障支路电流与系统其他支路电流进行比较,所以判据简单,实用性强。将新方法和算法应用于实际,是研究的最终目的,将算法应用于电力变压器差动保护装置与数字式变压器保护装置。文章研究了该保护装置的研制过程,并对硬件平台的设计、软件实现方法和算法的运用等方面做了简要论述。
参 考 文 献
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