专利名称：一种电力系统高压输电线路零序方向元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电力系统继电保护元件，特别涉及一种电力系统高压输电线路零序方向元件。
背景技术：
在电力系统中零序方向保护，具有不受运行方式和系统振荡影响，灵敏度高的优点，在高压、超高压传输线路保护中得到了广泛的应用。但是由于高压，超高压输电线路一般较长，线路阻抗远大于系统阻抗。在线路内、外远端或经过过渡电阻短路时，可能出现零序电流存在，而零序电压很小甚至为零的情况，方向元件会出现电压灵敏度不足的困难，无法区分是正常状态还是短路故障，从而造成方向保护的误动作，现有的零序方向保护无法解决此问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种可以解决电压灵敏度不足的大电源问题，保证方向判别准确性的电力系统高压输电线路零序方向元件。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是首先根据A，B，C三相电压和电流的采样值，将三相电压和电流值转化为相量值获得零序电压和电流；将零序电压幅值与门槛值比较，门槛值为2～3V，从而选用不同判据进行方向判别若|0|＜|0dz|不成立，式中|0|为零序电压幅值，|0dz|为门槛值，采用 判断故障方向，如 处于(-190°，-30°)，则方向元件动作，反之闭锁方向元件；若|0|＜|0dz|成立，如选相元件判断为φ相接地故障，则采用单相替代方案 判断故障方向，如 处于(-230°，-50°)，则方向元件动作，反之闭锁方向元件；如选相元件判断为φφ两相接地故障，则采用两相替代方案判断故障方向，若判断为正向则动作，反之闭锁方向元件。
本发明通过提高零序电压定值，保证了定值以上时，方向判别的准确性，而在零序电压很小甚至为零时，根据故障类型，采用保护安装处的记忆电压代替其零序电压，通过调整相应的最大灵敏角，使其具有明确的方向性。
图1是本发明的逻辑框图；图2是双端电源线路远端经过渡电阻单相短路系统图，其中M，N分别为两电源，对于M侧安装的保护1，为线路远端单相接地故障；图3是双端电源单相短路故障复合序网图，从上至下分别为零序网、负序网和正序网；图4是双端电源单相短路故障复合序网等效图，零序网未动，而正序网和负序网经戴维宁等效为一个电源和一个等效电阻；图5是本发明以相电压代替后零序方向元件动作特性图，其中图中阴影部分为动作区和不动作区的分界线，其左下方为动作区。动作区为(-230°，-50°)，(-50°，130°)为不动作区；图6是团桂线故障系统接线图，其中短路点在团山变背侧的110kV线路上，为C相接地故障。
图7是桂花变采用本发明前后波形对比图，其中横坐标为采样点数(本仿真使用的是1ms采样，即每一采样间隔为1ms)，纵坐标为相角，单位为度(采用本发明前纵坐标的角度为 采用本发明后纵坐标的角度为 图8是团山变采用本发明前后波形对比图，其中横坐标为采样点数(本仿真使用的是1ms采样，即每一采样间隔为1ms)，纵坐标为相角，单位为度(采用本发明前纵坐标的角度为 采用本发明后纵坐标的角度为 图9是金堂变采用本发明前后波形对比图，其中横坐标为采样点数(本仿真使用的是1ms采样，即每一采样间隔为1ms)，纵坐标为相角，单位为度(采用本发明前纵坐标的角度为 采用本发明后纵坐标的角度为
图10是潭东变采用本发明前后波形对比图，其中横坐标为采样点数(本仿真使用的是1ms采样，即每一采样间隔为1ms)，纵坐标为相角，单位为度(采用本发明前纵坐标的角度为 采用本发明后纵坐标的角度为具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明根据A，B，C三相电压和电流的采样值，将三相电压和电流的采样值转化为相量值后，获得零序电压和电流；然后将零序电压幅值与门槛值进行比较，门槛值为2～3V，从而选用不同判据进行方向判别。参见图1，其为本发明的逻辑框图。图中“&”代表“与”，“+”代表“或”，只有在满足逻辑框图所示逻辑条件时判断为正向故障，发出跳闸指令，反之闭锁方向元件。其具体判断方式文字表述如下a)若|0|＜|0dz|不成立，式中|0|为零序电压幅值，|0dz|为门槛值，说明零序电压满足灵敏度要求；采用 判断故障方向，如 处于(-190°，-30°)则方向元件动作，反之闭锁方向元件；b)若|0|＜|0dz|成立，则说明零序电压不满足灵敏度要求；若选相元件判断为φ相接地故障，采用单相替代方案 判断故障方向，如 处于(-230°，-50°)则方向元件动作，反之闭锁方向元件；若选相元件判断为φφ相接地故障，采用两相替代方案判断故障方向，如判断为正向则动作，反之闭锁方向元件。
电力系统线路大多是单相故障，而且零序电压灵敏度不足主要发生在单相高阻接地情况。下面以单相接地故障为例，给出解决方案，两相接地与此类似。
参见图2，为一双端电源系统，其中M、N为两个电源，1和2分别为线路两端母线处安装的保护装置。对于M侧母线上安装的保护装置1而言，线路在远端经过渡电阻Rg发生接地短路故障。对于故障处，根据其电压和电流应满足的边界条件，其复合序网应为正序、负序和零序网的串联。
如图3所示，图中从上至下分别为零序网、负序网和正序网。其中ZSM0，ZSM1，ZSM2，ZSN0，ZSN1，ZSN2分别为M端和N端的零序、正序和负序系统阻抗；Zl10、Zl12和Zl11分别为线路M端母线到短路点的零序，负序和正序线路阻抗，而Zl20、Zl22和Zl21分别为线路N端母线到短路点的零序、负序和正序线路阻抗；EM和EN分别为M端和N端电源的电动势；Rg为过渡电阻。将正序网和负序网串联部分根据戴维宁等效定理可以等效为一个电源和一个等效阻抗的串联，而零序网不动。图4所示为其等效复合序网(图中零序网部分，系统阻抗ZSM、ZSN和线路阻抗Zl1、Zl2均为零序阻抗，为标注简略，省去了下标0)。其中Z1为正序网等效阻抗，Z2为负序网等效阻抗，A为等效后的电源电动势，应为故障点处故障前A相电压。考虑理想状况，在故障前线路处于空载状态，即流经线路的电流为零，则故障点处A相电压和母线处A相电压相等。所以，复合序网的等效电动势为-A(A为母线处故障前A相电压)。
1)先考虑简单情况，假设过渡电阻Rg＝0在保护安装处，满足arg(U·0/I·0)=arg(-Zsm)arg[(-U·A)/I·0]=arg-[Zsm+ZL1+k(ZΣ1+ZΣ2)]]]>其中k为线路分支系数。
因为系统阻抗Zsm，Zsn与线路阻抗ZL1阻抗角近似相等，所以正序网和负序网的等效阻抗也可近似为线路阻抗角ZL，从而有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，可正确地判断故障方向。
2)过渡电阻Rg≠0时，也就是考虑过渡电阻影响时同样考虑到系统阻抗Zsm，Zsn与线路阻抗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)]]>
因为Rg∈(0，+∞)，所以arg[ZL+kRg]∈(0，argZL)所以可以取-180°+0.5argZL作为最大灵敏角，一般线路阻抗角为80°，则最大灵敏角为-140°。
图5所示为该方向元件的动作特性图，图中阴影部分为动作区和不动作区的分界线，其左下方的半个平面为动作区，另半个平面为不动作区。图中ZL为线路阻抗角，虚线所示为线路阻抗角的一半，即0.5ZL，虚线处于动作区部分为最大灵敏角，为-180°+0.5argZL。最大灵敏角±90°区域为动作区，则动作区为(-230°，-50°)，不动作区为(-50°，130°)。
即 时，该元件处于动作区，动作；否则闭锁该方向元件。
对于故障前电压，有A+B+C＝0，即-A＝B+C这样无论过渡电阻多大，都可以用 或者 代替 只要将保护的最大灵敏角由-argZL调整为-0.5argZL，可以保证零序方向元件正确动作。从而解决了零序电压很低甚至为零的灵敏度不足问题。
以上讨论的是理想空载状况，对于非空载状态，线路沿线路的电压降落一般为10％，另外电压的角度偏移也不大，考虑到方向保护本身存在着一定的裕度角，空载状态的讨论结果对于非空载状态同样适用，这在实际现场中得到了验证。
本发明在零序电压低于门槛值时用保护安装处故障相电压替代零序电压；而在故障相电压很低时，零序电压一般较大，仍采用 即可，仍能正确判断故障方向。
下面给出了本发明对部分现场录波数据的仿真结果录波数据分别来自湖南团桂线事故和潭金线事故，现有保护装置中的零序方向保护无法解决零序电压灵敏度不足的困难，在零序电压很低时，出现误动作。为了验证本发明的有效性，使用故障实测数据进行了仿真。
仿真结果一湖南团桂线事故
2004年4月湖南220kV团桂线下一级110kV线路发生CN接地故障。图6所示为该系统的主接线图。其中S为系统电源，桂花变和团山变之间为10km的220kV线路。110kV线路上的CN接地故障点处于团山变电站背侧，团山变电站应判断为反向故障，桂花变电站则应判断为正向故障，保护不动作。但是由于团山变零序电压很低，3U0≈2V，误判为正向故障。图7和图8分别为桂花变和团山变采用此解决方法前后的相角波形。可见，对于桂花变，采用本发明前后相角均处于动作区，可以准确的判断为正相故障。对于团山变，采用本发明前，在动作区和非动作区波动很大，相角波动进入(170°，330°)，即(-190°，-30°)动作区，将反向故障误判断为正向故障，出现误动作。而采用本发明后，相角始终处于非动作区，可靠的判断故障为反向故障，从而可靠不动作。
仿真结果二潭金线事故2004年8月发生的潭金线发生下一级线路BN接地故障，故障点处于潭东变电站区外，属B相反向故障，而金堂变电站应为正向区外故障，但是由于零序电压很低，造成潭东变电站误判故障为正向故障，保护误动作。
图9和图10分别为金堂变电站和潭东变电站采用此解决方法前后的相角波形。可见，金堂变电站采用解决方案前后相角均处于动作区，可准确判断故障方向为正向故障。而潭东变电站采用解决方案前， 始终处于(-190°，-30°)动作区，误判断为正向；而采用本发明后，方向处于(-50°，130°)非动作区，判断为反向故障，可靠的不动作。
总之，本发明所述方向元件在零序电压很低甚至为零时，可以准确的判断故障方向，防止误动作。而现有的方向保护，只是采用补偿的方法，在原理上就根本无法解决零序电压灵敏度不足问题。
权利要求
1.一种电力系统高压输电线路零序方向元件，其特征在于1)首先根据A，B，C三相电压和电流的采样值，将三相电压和电流值转化为相量值获得零序电压和电流；2)将零序电压幅值与门槛值比较，门槛值为2～3V，从而选用不同判据进行方向判别a)若|0|＜|0dz|不成立，式中|0|为零序电压幅值，|0dz|为门槛值，采用Arg2U·0/3I·0]]>判断故障方向，如Arg2U·0/3I·0]]>处于(-190°，-30°)，则方向元件动作，反之闭锁方向元件；b)若|0|＜|0dz|成立如选相元件判断为φ相接地故障，则采用单相替代方案Arg(-U·φ)/I·0]]>判断故障方向，如Arg(-U·φ)/I·0]]>处于(-230°，-50°)，则方向元件动作，反之闭锁方向元件；如选相元件判断为φφ两相接地故障，则采用两相替代方案判断故障方向，若判断为正向则动作，反之闭锁方向元件。
全文摘要
一种电力系统高压输电线路零序方向元件，根据A，B，C三相电压和电流的采样值，将其转化为相量值获得零序电压和电流；将零序电压幅值与门槛值比较，若|
文档编号H02H7/26GK1770582SQ200510096139
公开日2006年5月10日 申请日期2005年10月13日 优先权日2005年10月13日
发明者索南加乐, 孟祥来 申请人:西安交通大学