专利名称：一种改进的零序电抗继电器保护装置和方法
技术领域：
本发明属于电力系统线路保护中的距离保护，尤其是提供了四边形特性距离保护中的一种零序电抗继电器保护装置和方法。
背景技术：
距离保护是高压输电线路中应用最为广泛的保护之一，其动作的可靠性对于高压输电线路后备保护的可靠性有着重大的影响。特别是近年来，随着电网结构中高压短线路的大量出现，使得能够反映大过渡电阻故障的接地距离保护原理得到了更加广泛的关注和研究。在距离保护中，需要同时考虑保护的耐受过渡电阻能力和静态超越动作问题，使得保护在区内经过渡电阻短路时，能够具有足够的耐受过渡电阻能力，同时在区外经过渡电阻短路时，也能够可靠不动作。对于送电侧的距离保护，采用零序电抗继电器，可以很好地解决耐受过渡电阻和静态超越动作问题之间的矛盾；对于受电侧的距离保护，采用零序电抗继电器，从原理上来讲，也可以较好地解决二者之间的矛盾，但存在“同相点”问题，使得采用零序电抗继电器的受电侧距离保护在过渡电阻增加到某值后的情况下会存在正向区外故障保护误动，正向区内故障保护拒动的情况。目前，针对“同相点”问题，尚没有很好的解决方法，多采用加大零序电抗特性下倾角的方法，甚至固定了受电侧零序电抗特性的下倾角度(使其失去了自适应特性)，这大大牺牲了传统零序电抗继电器的耐受过渡电阻能力。
发明内容
本发明目的是为了解决传统零序电抗器存在的“同相点”问题，即受电侧距离保护中的零序电抗继电器在过渡电阻增加到某值后的情况下会存在正向区外故障保护误动，正向区内故障保护拒动的情况，同时进一步解决了零序电抗继电器在应用中的耐受过渡电阻能力与“同相点”问题之间的矛盾，即在解决了由于“同相点”导致的保护区外故障误动的前提下，保证了保护具有足够的耐受过渡电阻能力，改进了传统零序电抗继电器的动作性能。本发明所述的零序电抗继电器保护装置，其特征在于，包括零序电抗继电器，辅助欧姆阻抗继电器和保护逻辑控制电路，其中所述零序电抗继电器和辅助欧姆阻抗继电器分别用于根据预定的动作方程作出执行或不执行保护动作的判断结果，所述保护逻辑控制电路根据二者的所述判断结果作出执行或不执行保护动作的最终判断结果。优选地，所述保护逻辑控制电路通过对所述判断结果进行逻辑与运算，作出执行或不执行保护动作的最终判断结果。优选地，所述零序电抗继电器的动作方程为180。<arg[UY/IJ〈360。其中I。为保护装置安装处的零序电流，Uy=U-Zy I，Uy为工作电压，U为保护装置安装处的保护测量电压，I为保护装置安装处的保护测量电流，Zy为保护整定阻抗。优选地，所述辅助欧姆阻抗继电器的动作方程为90。<arg[UY/Uj<360°其中U1为保护装置安装处的正序电压，Uy=U-Zy I，Uy为工作电压，U为保护装置安装处的保护测量电压，I为保护装置安装处的保护测量电流，Zy为保护整定阻抗。优选地，所述零序电抗继电器和辅助欧姆阻抗继电器动作方程的动作边界具有可靠安全裕度角度。进一步优选地，所述零序电抗继电器的动作方程为1·80。〈arg[UY/IJ〈360。一 5其中I。为保护装置安装处的零序电流，Uy=U-Zy I，Uy为工作电压，U为保护装置安装处的保护测量电压，I为保护装置安装处的保护测量电流，Zy为保护整定阻抗，8为零序电抗继电器的所述可靠安全裕度角度。进一步优选地，所述辅助欧姆阻抗继电器的动作方程为90。<arg[UY/Uj<360° — 3其中U1为保护装置安装处的正序电压，Uy=U-Zy I，Uy为工作电压，U为保护装置安装处的保护测量电压，I为保护装置安装处的保护测量电流，Zy为保护整定阻抗，^为辅助欧姆阻抗继电器的所述可靠安全裕度角度。本发明进而提供了零序电抗继电器执行的保护方法，其特征在于，通过零序电抗继电器根据预定的动作方程作出执行或不执行保护动作的判断结果；通过辅助欧姆阻抗继电器根据预定的动作方程作出执行或不执行保护动作的判断结果；根据二者的所述判断结果作出执行或不执行保护动作的最终判断结果。优选地，通过对所述判断结果进行逻辑与运算，作出执行或不执行保护动作的最终判断结果。优选地，在所述零序电抗继电器和辅助欧姆阻抗继电器动作方程的动作边界增加
可靠安全裕度角度。从而，本发明充分发挥姆欧阻抗继电器和零序电抗继电器的各自优点，在二者结合的基础上，达到在区内故障时，保护可以达到零序电抗继电器的耐受过渡电阻能力，在区外故障时，保护可以达到姆欧阻抗继电器的可靠不误动性能，解决了受电侧的“同相点”问题。
下面结合附图和
具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图1是本发明实施例的零序电抗继电器保护装置的整体结构示意图；图2是本发明实施例的零序电抗继电器自适应动作特性示意图；图3A — 3D是双电源系统单相经过渡电阻接地短路故障时电压相量图；图4A 4B是本发明实施例改进的零序电抗继电器保护装置的动作特性示意图
(3 古 0)。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例及实施例附图对本发明作进一步详细的说明。图1是本发明所提出的零序电抗继电器保护装置的整体结构示意图。所述零序电抗继电器保护装置包括零序电抗继电器I，辅助欧姆阻抗继电器2和保护逻辑控制电路3。其中，零序电抗继电器I的动作方程为180° <arg[UY/I0]<360°，其中Itl为保护装置安装处的零序电流，Uy=U-Zy I，Uy为工作电压，U为保护装置安装处的保护测量电压，I为保护装置安装处的保护测量电流，Zy为保护整定阻抗。辅助姆欧阻抗继电器2的动作方程为90° <arg[UY/Uj<360°，其中U1为保护装置安装处的正序电压，Uy=U-Zy I，Uy为工作电压，U为保护装置安装处的保护测量电压，I为保护装置安装处的保护测量电流，Zy为保护整定阻抗。针对每个采样点，零序电抗继电器I和辅助欧姆阻抗继电器2分别根据各自的动作方程作出执行或不执行保护动作的判断结果。保护逻辑控制电路3将辅助姆欧阻抗继电器的判断结果与零序电抗继电器的判断结果进行逻辑与运算，将运算结果作为作出执行或不执行保护动作的最终判断结果。另外，由于增设的辅助姆欧阻抗继电器对送电侧没有影响，因此在实际的保护应用中，可以不用去区分保护是应用在送电侧还是受电侧。下面分别介绍所述零序电抗继电器、辅助姆欧阻抗继电器及保护逻辑控制电路的工作原理。(I)零序电抗继电器该零序电抗继电器采用零序电流作为极化量，其动作方程为180。<arg[UY/IJ〈360。其中，I0为保护装置安装处的零序电流，Uy=U-Zy I，Uy为工作电压，U为保护装置安装处的保护测量电压，I为保护装置安装处的保护测量电流，Zy为保护整定阻抗。以零序电流Itl的相位近似替代故障电压Uf的相位。该零序电抗继电器的动作特性如附图2所示，Zy为保护范围所对应的整定阻抗，Zli为保护装置安装处到短路故障点处的线路正序阻抗，Zffl为保护测量阻抗，Zffl与Zu之间的差值为由于过渡电阻存在而产生的保护附加测量阻抗，0为零序电抗特性的自适应下倾角度，其值等于保护安装处的零序电流与保护测量电流之间的相位差，从图2可知，当发生正方向区内经过渡电阻接地短路故障时，保护的测量阻抗
落在动作区内，当发生正方向区外经过渡电阻接地短路故障时，如所示的矢量，保
护的测量阻抗落在非动作区内，该零序电抗继电器对过渡电阻具有自适应特性，因此具有较高的耐受过渡电阻能力，在此不再赘述。但对于受电侧距离保护，被保护线路上任一点发生单相故障时，随着接地电阻的增大，会出现一个临界电阻值，使得故障点的故障电压Uf的相位与受电侧等效电源En的相位相同。假设全系统等效电源和线路的零序阻抗与正序阻抗的比值相同，且阻抗角也相同，贝U在此临界电阻值情况下，受电侧的等效电源En、保护安装处电压Un、工作电压Uy和故障电压Uf的相位相同，将该临界电阻值情况下的系统相量状态称之为“同相点”。记该过渡电阻值为RSP。显然可以得到，对于受电侧距离保护，当过渡电阻Rf=Rsp时，不管故障点在区内还是区外，对于以零序电流作为极化量的零序电抗继电器，其处于动作边界上。而对于以正序电压作为极化量的传统姆欧阻抗继电器(其动作方程为90°〈&1^[队/^]〈270° )，其都可靠不动作，对于区内故障，当过渡电阻增大到某一个值Rtop,其距离继电器处于动作边界上，即 argtUY/Uj = 270°，且 RYQP〈RSP。则可知对于零序电抗继电器，其耐受过渡电阻能力较强，但应用于受电侧时，其在区外故障时，存在保护误动情况，也就是所谓的“同相点”问题，需配合下文中的辅助姆欧阻抗继电器来改进其动作性能。(2)辅助姆欧阻抗继电器该辅助姆欧阻抗继电器的动作方程如下90。<arg[UY/Uj<360其中，U1为保护装置安装处的正序电压，Uy=U-Zy I，Uy为工作电压，U为保护装置安装处的保护测量电压，I为保护装置安装处的保护测量电流，Zy为保护整定阻抗。图3A — 3B给出了双侧电源系统线路单相经小过渡电阻(0〈Rf〈Rsp)接地短路故障情况下的相量图，其中图3A是小电阻接地情况下的送电侧区外故障，受电侧区内故障；图3B是小电阻接地情况下的送电侧区内故障 ，受电侧区外故障。图中Em为送电侧等效电源，EnS受电侧的等效电源，unci为送电侧保护安装处故障前电压，Un1ci1为受电侧保护安装处故障前电压，Um为送电侧保护安装处故障后电压，Un为受电侧保护安装处故障后电压，Uy M为送电侧保护故障后工作电压，Uy n为受电侧保护故障后工作电压，Uf为故障点故障电压，Uf1o1为故障点的故障前电压，If为故障点故障电流，IF—_为直接接地短路故障时的故障电流。通过分析可以得到，对于受电侧距离保护，当采用以零序电流作为极化量的零序电抗继电器时，对于正方向区外故障，存在0° <arg[UY/I0]<90°，对于正方向区内故障，存在180° <arg[UY/IJ<360° ;当采用以正序电压作为极化量的姆欧阻抗继电器时，对于正方向区外故障，存在270° <arg[UY/Uj<360°，对于正方向区内故障，当0〈RF〈RYQP时，存在90 ° <arg[UY/U1]〈270。，当 RYQP〈RF〈RSP 时，存在 270。<arg[UY/U1] <360°。图3C — 3D给出了双侧电源系统线路单相经大过渡电阻(Rsp〈Rf)接地短路故障情况下的相量图，其中图3C是高阻接地情况下送电侧区外故障，受电侧区内故障，图3D是高阻接地情况下的送电侧区内故障，受电侧区外故障。通过分析可以得到，对于受电侧距离保护，当采用以零序电流作为极化量的零序电抗继电器时，对于正方向区外故障，存在270°〈arg[UY/IJ〈360°，对于正方向区内故障，存在0° <arg[UY/I0]<90° ;当采用以正序电压作为极化量的姆欧阻抗继电器时，不管是正方向区外故障还是正方向区内故障，存在0°〈argtUY/UjOO。。则可知该辅助继电器可以满足动作要求当该继电器应用于受电侧距离保护时，不管区内故障还是区外故障，当o〈rf〈rsp，该继电器可靠动作；当rsp〈rf时，该继电器可靠不动作。(3)保护逻辑控制电路保护逻辑控制电路对所述零序电抗继电器和辅助欧姆阻抗继电器的判断结果进行逻辑与运算，作出执行或不执行保护动作的最终判断结果。对于受电侧距离保护，在发生区内故障时，若o〈rf〈rsp，则零序电抗继电器动作，辅助姆欧阻抗继电器动作，保护逻辑控制电路的最终判断结果使本发明改进的零序电抗继电器保护装置动作；若RSP〈RF，则零序电抗继电器不动作，辅助姆欧阻抗继电器不动作，保护逻辑控制电路的最终判断结果使本发明改进的零序电抗继电器保护装置不动作。在发生区外故障时，若o〈RF〈RSP，则零序电抗继电器不动作，辅助姆欧阻抗继电器动作，保护逻辑控制电路的最终判断结果使本发明改进的零序电抗继电器保护装置不动作^rsp〈rf，则零序电抗继电器动作，辅助姆欧阻抗继电器不动作，保护逻辑控制电路的最终判断结果使本发明改进的零序电抗继电器保护装置不动作。该保护方案既保证了足够的耐受过渡电阻能力(保护在过渡电阻o〈RF〈RSP时都能可靠动作)，又保证了在区外故障是保护能够可靠不误动，解决了受电侧的“同相点”问题。在实际应用中，为了保证在动作边界上有一定的可靠性，在所述零序电抗继电器和辅助欧姆阻抗继电器动作方程的动作边界增加可靠安全裕度角度P和S。从而，所述零序电抗继电器的动作方程为180。<arg[UY/IJ〈360。一 5其中，I0为保护装置安装处的零序电流，Uy=U-Zy I，Uy为工作电压，U为保护装置安装处的保护测量电压，I为保护装置安装处的保护测量电流，Zy为保护整定阻抗，8为零序电抗继电器的所述可靠安全裕度角度。所述辅助欧姆阻抗继电器的动作方程为90。<arg[UY/Uj<360° — 3其中U1为保护装置安装处的正序电压，Uy = U-Zy I，Uy为工作电压，U为保护装置安装处的保护测量电压，I为保护装置安装处的保护测量电流，Zy为保护整定阻抗，^为辅助欧姆阻抗继电器的所述可靠安全裕度角度。本发明改进后的零序电抗继电器保护装置的动作特性如图4A - 4B所示。其中图4A表示送电侧的动作特性示意图，图4B表示受电侧的动作特性示意图。图4A中，Zy为送电侧保护的整定阻抗，Zms为送电侧电源的等效电源阻抗，P为送电侧的辅助欧姆阻抗继电器的可靠安全裕度角度。图4B中，Zy为受电侧保护的整定阻抗，Zms为受电侧电源的等效电源阻抗为受电侧的辅助欧姆阻抗继电器的可靠安全裕度角度。下面的表I和表2给出了该零序电抗继电器保护方案在超高压线路上的应用实例结果，其中表I给出了各种功角情况下在区内不同故障点单相经 过渡电阻接地短路故障时，受电侧各类保护特性的耐受过渡电阻能力，通过表I可以得到，传统零序电抗继电器的耐受过渡电阻能力远大于传统姆欧阻抗继电器，改进零序电抗继电器的耐受过渡电阻能力与零序电抗继电器相差不大，保留了传统零序电抗继电器耐受过渡电阻能力强的特性。表2给出了各种功角情况下在区外不同故障点单相经过渡电阻接地短路故障时，受电侧各类保护特性的动作情况。通过表2可以发现，传统零序电抗继电器非常容易出现“同相点”问题，导致保护误动，改进零序电抗继电器在区外故障时，可以可靠保证保护不动作，解决了传统零序电抗继电器的同相点问题，提高了零序电抗继电器的动作性能。表I受电侧保护区内故障耐受过渡电阻能力
权利要求
1.一种零序电抗继电器保护装置，其特征在于，包括零序电抗继电器，辅助欧姆阻抗继电器和保护逻辑控制电路，其中所述零序电抗继电器和辅助欧姆阻抗继电器分别用于根据预定的动作方程作出执行或不执行保护动作的判断结果，所述保护逻辑控制电路根据二者的所述判断结果作出执行或不执行保护动作的最终判断结果。
2.根据权利要求1所述的零序电抗继电器保护装置，其特征在于，所述保护逻辑控制电路通过对所述判断结果进行逻辑与运算，作出执行或不执行保护动作的最终判断结果。
3.根据权利要求1所述的零序电抗继电器保护装置，其特征在于，所述零序电抗继电器的动作方程为180° <arg[UY/I0]<360°其中Itl为保护装置安装处的零序电流，Uy=U-Zy · I，Uy为工作电压，U为保护装置安装处的保护测量电压，I为保护装置安装处的保护测量电流，Zy为保护整定阻抗。
4.根据权利要求1所述的零序电抗继电器保护装置，其特征在于，所述辅助欧姆阻抗继电器的动作方程为90° <arg[UY/Uj<360°其中U1为保护装置安装处的正序电压，Uy=U-Zy · I，Uy为工作电压，U为保护装置安装处的保护测量电压，I为保护装置安装处的保护测量电流，Zy为保护整定阻抗。
5.根据权利要求1所述的零序电抗继电器保护装置，其特征在于，所述零序电抗继电器和辅助欧姆阻抗继电器动作方程的动作边界具有可靠安全裕度角度。
6.根据权利要求5所述的零序电抗继电器保护装置，其特征在于，所述零序电抗继电器的动作方程为180。<arg[UY/IQ]〈360° — δ其中Itl为保护装置安装处的零序电流，Uy=U-Zy · I，Uy为工作电压，U为保护装置安装处的保护测量电压，I为保护装置安装处的保护测量电流，Zy为保护整定阻抗，δ为零序电抗继电器的所述可靠安全裕度角度。
7.根据权利要求5所述的零序电抗继电器保护装置，其特征在于，所述辅助欧姆阻抗继电器的动作方程为90° <arg[UY/Uj<360° — β其中U1为保护装置安装处的正序电压，Uy=U-Zy · I，Uy为工作电压，U为保护装置安装处的保护测量电压，I为保护装置安装处的保护测量电流，ZY为保护整定阻抗，β为辅助欧姆阻抗继电器的所述可靠安全裕度角度。
8.一种零序电抗继电器执行的保护方法，其特征在于，通过零序电抗继电器根据预定的动作方程作出执行或不执行保护动作的判断结果；通过辅助欧姆阻抗继电器根据预定的动作方程作出执行或不执行保护动作的判断结果；根据二者的所述判断结果作出执行或不执行保护动作的最终判断结果。
9.根据权利要求8所述的零序电抗继电器执行的保护方法，其特征在于，通过对所述判断结果进行逻辑与运算，作出执行或不执行保护动作的最终判断结果。
10.根据权利要求8所述的零序电抗继电器执行的保护方法，其特征在于，在所述零序电抗继电器和辅助欧姆阻抗继电器动作方程的动作边界增加可靠安全裕度角度。
全文摘要
本发明提供了一种零序电抗继电器保护装置，包括零序电抗继电器，辅助欧姆阻抗继电器和保护逻辑控制电路，其中所述零序电抗继电器和辅助欧姆阻抗继电器分别用于根据预定的动作方程作出执行或不执行保护动作的判断结果，所述保护逻辑控制电路根据二者的所述判断结果作出执行或不执行保护动作的最终判断结果。本发明充分发挥姆欧阻抗继电器和零序电抗继电器的各自优点，在二者结合的基础上，达到在区内故障时，保护可以达到零序电抗继电器的耐受过渡电阻能力，在区外故障时，保护可以达到姆欧阻抗继电器的可靠不误动性能，解决了受电侧的“同相点”问题。
文档编号H02H7/26GK103036218SQ20121052355
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者郑玉平, 许磊, 吴通华 申请人:国电南瑞科技股份有限公司