淺析吉牛水電站距離保護(hù)行為

姚 福 明， 李 政

(國(guó)電大渡河水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

革什扎河流域總裝機(jī)容量為42.3萬kW，其中吉牛水電站為24萬kW。吉牛水電站220 kV線路與丹巴500 kV變電站相連，其線路距離保護(hù)是確保電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要方面。暫態(tài)穩(wěn)定分析的重要內(nèi)容是評(píng)估暫態(tài)期間保護(hù)系統(tǒng)的行為。暫態(tài)穩(wěn)定關(guān)心的是電力系統(tǒng)遭受嚴(yán)重干擾下保持同步的能力，因而保護(hù)系統(tǒng)的滿意行為對(duì)保證系統(tǒng)穩(wěn)定性是至關(guān)重要的[1]。保護(hù)繼電器必須能夠區(qū)分穩(wěn)定的系統(tǒng)搖擺和失步情況。當(dāng)繼電器啟動(dòng)斷路器操作切出故障元件時(shí)，確保在穩(wěn)定的功率搖擺期間沒有引起進(jìn)一步的繼電器動(dòng)作，從而使非故障元件不必要的開斷是很重要的。非故障元件的跳開將進(jìn)一步惡化系統(tǒng)并可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

距離保護(hù)對(duì)所測(cè)量的電壓和所測(cè)量的電流之比起反應(yīng)。當(dāng)表示網(wǎng)絡(luò)有效阻抗的上述比率小于繼電保護(hù)設(shè)定值時(shí)繼電器動(dòng)作。雖然直接距離保護(hù)能對(duì)許多情況提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，然而，當(dāng)線路兩端的同時(shí)高速跳閘對(duì)維持系統(tǒng)穩(wěn)定十分重要時(shí)，其不能令人滿意。縱差保護(hù)方案則適合于此類應(yīng)用。

1 吉牛水電站距離保護(hù)方案

縱差距離保護(hù)方案需要使用它們所保護(hù)的線路兩端的通信通道。裝在每一端的繼電器要確定故障是保護(hù)線路的內(nèi)部還是外部，該信息要通過通信通道在線路兩端間傳送。對(duì)于內(nèi)部故障，受保護(hù)線路兩端的斷路器均跳閘;而對(duì)于外部故障則需閉鎖跳閘。圖1為吉牛水電站距離保護(hù)方案運(yùn)行原理圖。

圖1 吉牛水電站距離保護(hù)方案原理圖

圖1中區(qū)域1的相間和接地方向距離保護(hù)覆蓋線路阻抗的80%。繼電器的動(dòng)作導(dǎo)致當(dāng)?shù)財(cái)嗦菲魈l。繼電器無需遠(yuǎn)端的信息即可瞬時(shí)動(dòng)作。

區(qū)域2的相間和接地方向保護(hù)覆蓋被保護(hù)線路阻抗的120%。保證檢測(cè)到所有區(qū)內(nèi)的故障，在經(jīng)約25 ms的延遲后，如果沒有閉鎖信號(hào)從遠(yuǎn)端發(fā)來即跳開當(dāng)?shù)財(cái)嗦菲鳌Ｔ撗訒r(shí)是等待從另一端送來閉鎖信號(hào)的時(shí)間。如果在0.4 s時(shí)未切除故障，區(qū)域2即跳開當(dāng)?shù)財(cái)嗦菲鳎还苁欠袷盏竭h(yuǎn)端的閉鎖信號(hào)。

圖2為吉牛水電站典型區(qū)域1和區(qū)域2的繼電器特性。如果吉牛水電站站內(nèi)的繼電器所測(cè)量到的視在阻抗在區(qū)域1特性圓內(nèi)，在吉牛水電站內(nèi)的斷路器就會(huì)立即跳閘。

如果兩端的繼電器測(cè)量到的視在阻抗都在區(qū)域2的特性圓內(nèi)，兩側(cè)的斷路器將以高速跳閘。

如果視在阻抗僅在電站繼電器的區(qū)域2的特性圓內(nèi)，則電站的斷路器在0.4 s的時(shí)延后跳閘，條件是該阻抗在區(qū)域2內(nèi)保持0.4 s[2]。

圖2 吉牛水電站A繼電器保護(hù)特性圖

2 搖擺過程中的距離保護(hù)行為

繼電器的行為取決于兩端所測(cè)量的阻抗。在機(jī)電振蕩時(shí)，由距離繼電器所測(cè)量到的阻抗可能在繼電器特性圓之內(nèi)。視在阻抗的實(shí)際軌跡取決于發(fā)電機(jī)內(nèi)電壓，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和調(diào)速器動(dòng)作的變化也取決于系統(tǒng)中受互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)影響的所有電機(jī)之間的相互作用。由文獻(xiàn)[3]知，在兩機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)線路兩端的電壓幅值相等時(shí)，阻抗的軌跡呈現(xiàn)一條直線，它與整個(gè)系統(tǒng)阻抗垂直平分線。從兩端內(nèi)節(jié)點(diǎn)到阻抗軌跡上任何一點(diǎn)的接線所形成的角等于相應(yīng)的功角δ，當(dāng)δ=0時(shí)，電流為零，阻抗為無窮大。當(dāng)δ=180°時(shí)，電氣中心的電壓為零。因此，繼電器實(shí)際上看到的是電氣中心處的三相故障。此時(shí)，電氣中心和阻抗中心重合在一起。吉牛水電站通過一個(gè)強(qiáng)輸電系統(tǒng)與主系統(tǒng)相連，電氣中心可能在升壓變壓器內(nèi)或者可能就在發(fā)電機(jī)本身內(nèi)。在系統(tǒng)擾動(dòng)后，角度、電壓和電流都在不斷變化。起初轉(zhuǎn)子角變化很快，在穩(wěn)定情況下當(dāng)其達(dá)到峰值后變化緩慢；然后角度下降，振蕩也變化更小直至達(dá)到平衡點(diǎn)。如果系統(tǒng)不穩(wěn)定，角度逐漸增加直至其達(dá)到180°，即滑過一個(gè)磁極。除非系統(tǒng)被繼電保護(hù)系統(tǒng)解列，否則接下來會(huì)更快速地連續(xù)滑過磁極。在滑動(dòng)期間，電氣中心附近點(diǎn)的電壓和視在阻抗很快地振蕩[4]。

在功率搖擺的情況下，用逐步穩(wěn)定仿真計(jì)算求出繼電器的阻抗，并與繼電器的動(dòng)作特性相比較，所計(jì)算出的視在阻抗的軌跡以及繼電器特性如圖3所示。

一個(gè)定時(shí)的第二區(qū)域與高頻閉鎖線路兩端之間通信的保護(hù)行為并不取決于線路兩端的繼電器。如果兩端的阻抗軌跡在第二區(qū)域特性內(nèi)足夠長(zhǎng)以使定時(shí)器動(dòng)作或進(jìn)入了第一區(qū)域特性內(nèi)，則跳閘動(dòng)作。

圖3 阻抗的軌跡及繼電器特性示意圖

3 防止在暫態(tài)情況下的跳閘

縱差高頻保護(hù)要求在穩(wěn)定搖擺過程中防止跳閘，同時(shí)允許在不穩(wěn)定暫態(tài)下跳閘。在搖擺過程中，發(fā)電機(jī)的電流和電壓有較大地周期性變化，其頻率是其磁極滑差率的函數(shù)，這可能導(dǎo)致繞組應(yīng)力和脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它們可以激發(fā)有危害作用的機(jī)械振動(dòng)。經(jīng)驗(yàn)表明：對(duì)于線路較短，線路阻抗小于發(fā)電機(jī)總阻抗時(shí)，較小的跳閘特性是令人滿意的[5]。文獻(xiàn)[6]利用具有線性特性的“歐姆”元件來控制搖擺時(shí)的跳閘角度范圍；文獻(xiàn)[7]利用算法實(shí)現(xiàn)“凸透鏡”和“花生狀”特性用于線路保護(hù)，具有優(yōu)良的響應(yīng)特性。在吉牛水電站高頻保護(hù)中，使用失步繼電器的工作原理防止電壓下降太快而快速跳閘。失步繼電器對(duì)于穩(wěn)定搖擺不動(dòng)作，它們必須檢測(cè)到所有不穩(wěn)定搖擺，而且其設(shè)定值在正常負(fù)荷下不啟動(dòng)。失步閉鎖在線路保護(hù)動(dòng)作之前檢測(cè)其條件。為了確保在故障情況下線路保護(hù)不被閉鎖，失步閉鎖的設(shè)定值使正常負(fù)荷情況不在閉鎖區(qū)域內(nèi)。

4 故障切除時(shí)間

為了充分測(cè)試距離保護(hù)行為的快速性，需要對(duì)故障切除時(shí)間做定性的分析。故障元件的切除需要繼電保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)所發(fā)生的故障并啟動(dòng)斷路器，它將使故障元件從系統(tǒng)中分離出去。因此，總的故障切除時(shí)間的構(gòu)成是繼電器動(dòng)作時(shí)間和斷路器開斷時(shí)間。繼電器動(dòng)作時(shí)間是從短路電流初始時(shí)間把跳閘信號(hào)送到斷路器的時(shí)間。斷路器開斷時(shí)間是從跳閘信號(hào)啟動(dòng)到斷路器電流斷開的時(shí)間。圖4給出了正常切除故障的時(shí)間。母線A、母線B同為3周波的斷路器。系統(tǒng)通信媒介為光纖。考慮在母線A的繼電器的區(qū)域1內(nèi)和母線B的繼電器的區(qū)域2內(nèi)(但在區(qū)域1外)的故障。圖4所示的典型繼電器時(shí)間如表1所示。從母線A切除故障的時(shí)間是91 ms，而從母線B切除故障的時(shí)間是114 ms。

圖4 斷路器接線示意圖

表1 正常切除故障的典型故障切除時(shí)間表

5 結(jié) 語(yǔ)

距離保護(hù)通過監(jiān)視系統(tǒng)的適當(dāng)參量來檢測(cè)不正常的存在，從而決定應(yīng)跳開哪一個(gè)斷路器以及向這些斷路器的跳閘回路加電。優(yōu)良的縱差高頻保護(hù)方案不但能夠滿足對(duì)被保護(hù)線路全線任何地點(diǎn)的任何故障均能瞬時(shí)有選擇性地切除，而且能

夠保證機(jī)組在穩(wěn)定搖擺過程中防止跳閘，同時(shí)允許在不穩(wěn)定暫態(tài)下跳閘，甚至能夠提高保護(hù)裝置的自適應(yīng)性[8]。保護(hù)裝置的可靠性、快速性取決于通信的可靠性與通信時(shí)間，隨著通信技術(shù)的發(fā)展、微機(jī)保護(hù)的成熟和保護(hù)算法的完善，大規(guī)模電網(wǎng)智能型距離保護(hù)是可以實(shí)現(xiàn)的。

參考文獻(xiàn)：

[1] Westinghouse Electric Corporation，Applied Protective Relaying，a new “Silent Sentinels” publication，Newark，1976.

[2] J.H.Neher，A Comprehensive Method of Determining the Performance of distance Relays[J]. IEEE Trans on Power Systems，1989，56(2)：833-844.

[3] IEEE Working Group Report，Out of Step Relaying for Generators[J]. IEEE Trans on Power Systems，2004，96(3):1556-1564.

[4] H.M. Rustebakke，Electric Utility Systems and Practices，John Wiley & Sons，1983.

[5] Edith Clarke, Impedances Seen by Relays during Power Swings with and without Faults[J]. IEEE Trans on Power Systems，2003，64(3):372-384.

[6] C.R.Mason，A New Loss-of-Excitation Relay for Synchronous Generators[J]. IEEE Trans on Power Systems，1995，68(2):1240-1245.

[7] C.R. Mason，Relay Operation during System Oscillations[J]. IEEE Trans on Power Systems，2000，6(3):1513-1514.

[8] 陳 皓.微機(jī)保護(hù)原理及算法仿真[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介:姚福明(1970-)，男，重慶長(zhǎng)壽人，部長(zhǎng)，高級(jí)工程師，碩士，從事水電工程建設(shè)技術(shù)與管理工作；

李 政(1975-，男，重慶忠縣人，副處長(zhǎng)，工程師，碩士，從事電力生產(chǎn)技術(shù)工作.