防晃电技术

第43卷第17期电力系统保护与控制Vol.43No.172015年9月1日PowerSystemProtectionandControlSep.1,2015抗晃电的快速保护方案研究杨建翔1，王英莉2(1.西安科技大学,陕西西安710054；2.国网陕西省电力公司检修公司,陕西西安710065)摘要：晃电严重影响化工、冶金等工矿企业的生产安全。现有的治理晃电措施主要从用电设备着手，理想的办法是从晃电本身着手，快速切除故障或者投入备用电源，把晃电过程时间降到对用电设备影响最小。从快速切除故障方面来降低晃电的影响，分析故障前后电流采样值的大小和变化率，从而制定出以电流采样值的变化率和绝对值共同识别故障的快速保护方案。为了提高故障识别的准确性，在判断之前消除正常运行时直流分量的影响。经仿真验证，该快速保护方案能够对系统中任何类型的故障都能够快速、准确地识别出故障，在故障后5ms使继电保护出口动作。关键词：晃电；电流变化率；故障识别；直流分量；快速保护RapidprotectionschemeduringvoltagesagYANGJianxiang1,WANGYingli2(1.Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;2.MaintenanceCompanyofStateGridShaanxiElectricPowerCompany,Xi’an710065,China)Abstract:Voltagesagseriouslyimpactsthesafetyofindustrialenterprisesuchaschemicalindustry,metallurgy,etc.Existinggovernanceforvoltagesagmainlyadoptselectricalequipmentmeasures,theidealwayistoresearchvoltagesagitself.Theimpactofvoltagesagonelectricalequipmentcanbedecreasedtominimumbyrapidlyremovingfaultsorputtingintostandbypower.Reducingtheinfluenceofvoltagesagbyusingrapidremovaloffault,thispaperdevelopsarapidprotectionprogramforidentifyingthefaultbyjointlyusingchangerateandabsolutevalueofcurrentsamplingvaluebeforeandafterfault.Inordertoimprovetheaccuracyoffaultidentification,theDCcomponentofthenormaloperationshouldbeeliminatedbeforedetermination.Simulationshowsthefastprotectionschemeisabletoquicklyandaccuratelydetermineanytypeoffaultinpowersystemandmakesrelayoperateafterfaultoccurred5ms.Keywords:voltagesag;changerateofcurrent;faultidentification;DCcomponent;rapidprotection中图分类号：TM771文献标识码：A文章编号：1674-3415(2015)17-0087-060引言晃电是指电网因雷击、短路、发电厂故障及其它外部、内部原因造成电网短时间电压大幅度波动、甚至短时断电数秒的现象[1]。这种现象会在许多方面有严重的影响[2]。煤化工、石化、冶金、制药和化工等企业，因其生产工艺的控制精度要求较高，对晃电尤其敏感，因此保证供电的连续性是非常重要的[3]；另一方面晃电发生的电压等级不同其影响范围也会不同。晃电产生如此重要的影响主要由于以下几个方面的原因：(1)晃电故障的持续时间较长，一般可以达到70~110ms；(2)敏感设备对电压凹陷的承受能力为20ms；(3)故障切除太慢是晃电事故的主要原因之一，当故障不及时切除时控制类设备的无压释放和对电动机的大电流冲击会造成企业停产损失；(4)继电保护出口和断路器分闸时间过长是故障切除时间过长的主要因素。为了减少晃电对企业的影响，主要从以下方面治理晃电：快速隔离故障、快速切换电源或者使用不间断供电技术[4-8]；使用抗晃电交流接触器、直流接触器、抗晃电模块和在低电压保护增加延时等延缓控制类设备释放[8]；当接触器断开电动机失电之后电压恢复正常时将电动机分期分批启动，当使用微机保护综合控制装置时，可以通过计算分析甩掉一部分非重要负荷。以上三个办法分别对应系统对晃电的三道防线。晃电产生的原因一方面是由于系统电压波动引-88-电力系统保护与控制起；另一方面是由系统内部故障导致的电压降低。对于由故障引起的晃电而言，如果系统在20ms内隔离故障区域并且恢复非故障区域电压80%以上才能实现系统的连续供电，因此，理想的办法是使电动机或敏感设备的接触器释放之前将故障切除或者切换至其它电源。目前，故障切除时间包括：继电保护出口的时间为20~30ms；断路器的动作时间为60~150ms[11]；燃弧时间10~20ms。显然目前的故障切除时间不能满足连续供电20ms内切除故障的要求。一种新型电子式断路器采用过零点开断技术和直动式快速涡流驱动机构可以在15ms之内动作切除故障并息弧，要实现20ms切除故障的快速保护就必须在5ms之内识别故障并动作。因此需要找到一种快速保护方案使其能够快速地识别故障，在5ms之内继电保护出口动作。发生故障时，伴随有电流的增大。因此经过对各种故障特征的分析，本文提出一种能较快判别故障的新方法。通过快速识别故障从而实现快速保护，最大程度降低晃电对企业的影响。1故障判别当晃电由短路故障引起时，对应相的电流都会瞬间增大。以单相电路为例，当发生接地短路时，故障前后的故障电流波形如图1所示。0.400.450.500.550.60-2000-10000100020003000仿真时间/s电流/A图1故障前后电流波形图Fig.1Currentwaveformbeforeandafterfault由图1可以看出故障前后电流的幅值变化较为明显。假设电流波形为正弦波，其表达式为m0sin()iIt(1)对电流求导可以得到电流变化率的表达式：m0cos()KIt(2)故障时电流波形及其变化率的表达式为FFm0sin()iIt(3)FFm0cos()KIt(4)图1中，故障电流的幅值远大于正常运行时的电流值，即mFmII。同一角度下，必然有mFmKK。电流变化率的改变用图形表示如图2。图2同一坐标系中电流变化比较Fig.2Comparisonofthecurrentchangesinthesamecoordinatesystem图中：2di、2dK分别为电流整定值与电流变化率整定值；1i、2i和Ki为两种运行方式和故障时的电流波形。由图2可以看出故障发生后，同样大小的电流采样值时刻，故障后的电流采样值变化率与故障前的电流变化率相比明显变大。因此，当故障电流采样值绝对值大于整定值时，可以根据电流的变化率判别系统中是否有故障发生。即当满足下式时，判断系统中有故障发生：ddiiKK(5)另外，正常运行时由于各相负载不平衡、谐波或者其他因素导致电力系统并不是处于完全对称的运行状态，因此负荷电流中含有一定的直流分量。考虑到该直流分量的影响，故障电流采样值绝对值在与定值比较过程中需要排除直流分量的影响。1.1电流采样值和电流变化率的定值选取以三段式电流保护中瞬时电流速断保护为例分析电流采样定值的选取，见图3。图3中，瞬时电流速断保护的整定值按照躲过最大运行方式下线路出口处发生的三相短路时的短路电流来整定。reld.1relK.AB.maxS.minABKEIKIZZ(6)式中：E为单端供电系统中电源的相电动势；S.minZ为系统最大运行方式下的系统阻抗；ABZ为AB线路的线路阻抗；relK为电瞬时电流速断保护的可靠系数，一般取值为1.1~1.2。以上为电流定值的计算，在电流整定值附近需杨建翔，等抗晃电的快速保护方案研究-89-图3电流Ⅰ段保护的动作特性分析Fig.3ProtectionoperationcharacteristicanalysisofcurrentI要计算电流变化率的整定值。考虑到电流有效值和峰值之间的关系：d.1md.12II(7)由图4可以看出，1/4周期内的电流变化率在过零点最大(1K)，接近峰值时电流变化率(26~KK)逐渐减小，峰值时电流变化率(7K)最小。电流下降周期内，电流变化率的绝对值变化规律与前1/4周期的变化规律完全相同；负半周期内电流变化率的变化规律是由过零点时的绝对值最大逐渐降低，经过峰值的最小变化率又逐渐增大。将电流信号和电流变化率绝对值处理之后整个周期内电流变化率的变化规律都与前1/4周期的变化规律相同。图41/4周期内电流变化率趋势Fig.4Currentratetrendsin1/4cycle另外，由于在零点和峰值处电流变化率并不是单调、连续变化。可以取电流整定值峰值的一半时电流采样值的绝对值作为定值整定值，依此得到采样值绝对值的定值为d.1md.1act222III(8)该电流采样值附近的电流变化率单调变化，对应的电流相位角为nπ±30º；取该电流采样值时电流变化率作为电流变化率的整定值，对应的电流采样值变化率整定值为dd.1d.122cos3050π6KIfI(9)由式(8)、式(9)可知，采样值绝对值和采样值变化率绝对值的定值都是按通常瞬时电流速断保护整定值的常数倍，只需按通常电流保护定值整定，由快速保护软件自动计算出对应的电流采样值绝对值和采样值变化率的绝对值，所以，定值的整定配合按通常的电流保护整定原则即可。1.2电流变化率计算要使正半周期和负半周期内的电流变化率具有相同的变化规律，在对采样点计算之前需要对采集到的电流序列进行取绝对值处理。以保障故障无论发生在正半周期还是负半周期都可以快速地判断，从而缩短继电保护动作时间。图5是对电流信号采样和绝对值处理示意图。图5电流信号处理过程Fig.5Currentsignalprocessing-90-电力系统保护与控制在图5中可以看出，对电流()ti进行采样得到电流采样序列(1)(2)(3)(){,,,,}Niiii(其中N为一个周期内的采样点数)，保护以t为采样时间对电流信号进行采样。经过绝对值处理之后，电流序列的数值均为正值。对处理之后的采样点按式(10)的差分运算可以得到电流的变化率：()(1)(1)kkkiiKkNt(10)干扰时电流变化率的瞬间增大可以满足继电保护的电流变化率判据，因此在使用电流变化率作为保护判据时需要排除干扰对其的影响。干扰对电流变化率的影响主要表现在两个方面：(1)变化率突然变大，不是渐进变化；(2)某几个间断采样点时满足判据，而不是连续采样点持续满足判据；(3)采样率变化率的符号一致性，干扰时有正有负，故障时符号一致。在使用电流变化率作为保护判据时需要有连续、多个采样点电流变化率连续大于正常状态下的变化率且符号保持一致性时判定为系统内部故障发生。为了防止干扰时保护误动作，需要在电流采样值绝对值大于整定值之后的固定时间段内，对电流变化率进行持续判别。当电流变化率持续大于整定值且变化率按照时间序列渐进变化、符号一致时判定为故障。d0kkKKK(11)d0kkKKK(12)式(11)和式(12)中k为固定区间内的采样次数。当电流变化率满足式(1