適用于GIL-架空混合線路距離保護的整定方法

洪巧章

(南方電網能源發展研究院有限責任公司，廣東 廣州 510530)

0 引 言

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated line，GIL)是一種采用SF6氣體或SF6和N2混合氣體絕緣、金屬外殼與導體同軸布置的高電壓大電流電力傳輸設備。由于GIL輸電具有輸電容量大、受環境影響小、安全可靠性高等優良性能，成為復雜地形高壓大容量輸電的首選方案[1-5]。

考慮到GIL的成本較高，所以僅在復雜地形處采用GIL線路，其余部分采用均勻架空線路的混合送電方案在現階段具有更高的經濟指標和實用價值。

將GIL段引入架空線路后，線路阻抗特性會發生變化，對于距離保護，其保護范圍也會發生變化[6-8]。為了使原有架空線路保護裝置能夠可靠保護混合線路，下面在理論分析的基礎上，修改距離保護定值計算方法，維持保護裝置保護范圍不變，并在PSCAD仿真中對該方法進行了驗證。

1 GIL-架空混合線路建模仿真

首先，針對GIL輸電線路的建模方法進行研究，在建立準確描述GIL幾何及電氣特性的等效模型后，進一步對GIL-架空混合線路的故障特性進行仿真與分析。這里以500 kV輸電線路為例進行分析研究。

1.1 GIL線路建模

GIL的幾何結構如圖 1所示，由內到外分別為芯線、絕緣氣體以及外殼。其中，芯線為高電導率的鋁合金材質，考慮集膚效應，芯線按中空設計；外殼為鋁合金材質，與芯線同軸布置，芯線與外殼間填充SF6氣體。各層的厚度隨其電壓等級的提升而增大。

圖1 GIL結構

500 kV GIL通用的結構參數見表 1。

表 1 GIL通用結構參數

為實現對芯線的電磁屏蔽和保障故障時人身和設備的安全，GIL的金屬外殼會進行接地處理。在GIL的沿線裝設接地銅排，每隔一段距離用接引線將三相GIL外殼接到接地銅排上，然后接地銅排的兩端分別接地。典型GIL外殼接地方式如圖2所示。

圖2 GIL外殼接地方式

GIL段采用PSCAD仿真軟件中的Cable模塊進行模擬，設置為C1丨I1丨C1類型，與GIL對應的結構即為：金屬芯線丨氣體絕緣層丨金屬外殼，同時該模型的芯線可設置為中空的形式，與GIL的芯線保持一致。各層通過電氣參數來體現其電氣特性，其模型截面如圖 3所示。

圖3 PSCAD中GIL線路參數設置

1.2 GIL-架空混合線路建模

架空線采用PSCAD中的Transmission Lines模塊，該模型可詳細模擬架空輸電線路的桿塔、導線和底線的參數。采用頻率模型搭建GIL-架空混合線路中架空線路段的模型，架空線的幾何參數根據實際參數進行設定。

2 GIL-架空混合線路故障仿真

GIL段對線路阻抗的影響與GIL段占整條線路的比例有關，GIL比例越大，混合線路的阻抗特性與原架空線路的參數差距就越大，對繼電保護功能的影響也就越大，需要結合工程參數具體分析。下面以某實際工程參數為例進行分析。

雙回線GIL-架空混合線路如圖 4所示，GIL段離終端站1的母線15 km，終端站2母線的9.5 km，長6 km，分析安裝在終端站1處的距離保護，將故障點設置在距離終端2母線4.5 km處(線路全長的85%處)。

圖4 雙回線GIL-架空混合線路

2.1 阻抗測量

距離保護測量保護安裝點至故障點之間的阻抗，并根據阻抗的大小判斷保護是否動作，包括相間距離元件和接地距離元件。在不同故障類型條件下，距離元件的測量阻抗值與故障距離成正比，從而實現具有一定保護長度范圍的線路保護。

對于三相短路、兩相(如A、B兩相)短路和兩相(如A、B兩相)接地短路，故障點至保護安裝點的測量阻抗均按照式(1)計算。

(1)

式中：Zm為測量阻抗；Vmab為保護安裝處AB相間測量電壓；Imab為保護安裝處AB相測量電流差；ZL1為單位長度正序阻抗；m為保護安裝處到故障點的線路長度。

對于單相接地短路(如A相)，故障點至保護安裝點的測量阻抗按照式(2)計算。

(2)

式中：Vma為保護安裝處A相測量電壓；Ima為保護安裝處A相測量電流；Ima0為保護安裝處零序測量電流；k為零序電流補償系數，k=(Z0-Z1)/3Z1。

故障類型不同時，保護安裝處的測量阻抗計算公式有所不同。保護裝置首先需要判斷故障相別，然后根據相應故障相的測量阻抗計算公式計算出測量阻抗。

分別就均勻架空線路以及GIL-架空混合線路進行PSCAD仿真，對于距離保護I段范圍臨界處(離終端站2電源母線4.5 km)，模擬4種不同類型的故障，分別得到保護測量處的故障電壓電流并計算得到測量阻抗值，如表 2所示。

表2 故障阻抗測量 單位：Ω

通過搭建的阻抗測量模型計算結果顯示，相比于原有均勻架空線路，GIL-架空混合線路的阻抗更小，如采用原有保護定值，會造成保護范圍擴大。

2.2 動作特性

常見的阻抗繼電器動作特性包括阻抗圓動作特性和多邊形阻抗動作特性。在500 kV電壓等級中，輸電線路的負荷電流往往很大，采用躲避故障負荷能力較強的多邊形阻抗繼電器更為適合。阻抗繼電器多邊形動作特性如圖5所示。

圖5中多邊形為阻抗繼電器的動作特性邊界，如果測量阻抗落在多邊形內部則保護動作，落在外部則不動作。為防止阻抗偏移造成保護拒動，多邊形阻抗繼電器在第二、第四象限需進行修正。

圖5中：Xs和Rs通過阻抗整定值和設定的角度求得；α4的設置是為了防止區外經過渡電阻短路時出現穩態超越造成誤動；ZLmin為系統最小負荷阻抗；φL為負荷阻抗角；Zop為負荷阻抗角時多邊形阻抗繼電器的阻抗整定值，它比ZLmin小，以防止系統在最小負荷阻抗情況下保護誤動；Zset為線路阻抗的整定值；φd為線路的阻抗角，距離I段的線路阻抗整定值應能保護線路全長的80%～85%，動作出口不設時延，時限為保護固有時限；距離Ⅱ段與下一段線路的距離Ⅰ段配合以保護本段線路全長，動作時限與相鄰線路距離Ⅰ段配合；距離Ⅲ段按照躲開正常運行時的最小負荷阻抗來整定，動作時限與下一段線路的距離Ⅲ段配合。

圖5 多邊形阻抗繼電器動作特性

2.3 定值校驗

根據均勻架空線正序參數和線路長度可以計算出距離保護I段和II段的均勻架空線路阻抗整定值。最小負荷阻抗ZLmin按20°～30°核算，線路保護定值如表 3所示。

表 3 均勻架空線距離保護定值 單位：Ω

通過表 3定值及表 2阻抗測量值，可以計算圖 5的特性邊界條件，均勻架空線路及GIL-架空混合線路的動作判別邊界條件分別見表 4和表 5。

表 4 均勻架空線路距離保護判定邊界條件 單位：Ω

表 5 GIL-架空混合線路距離保護判定邊界條件 單位：Ω

離終端站2母線4.5 km處，對于安裝于終端站1的距離保護，約為線路全長的85%。從表 4可以看出，若此處發現各類短路故障，距離保護Ⅰ段不動作、距離保護Ⅱ段動作。這是由于在設計保護定值時，將Ⅰ段距離保護的保護范圍按85%整定，此處在保護范圍外，因此距離Ⅰ段不動作、距離Ⅱ段動作。

GIL-架空混合線路通過表 5可以看到，距離Ⅰ段動作，說明距離Ⅰ段保護范圍擴大。如果GIL短路比重較大，Ⅰ段保護范圍甚至可以超過線路全長，距離保護喪失選擇性。因此，對于GIL-架空混合線路，距離Ⅰ段保護定值需重新設計。

2.4 GIL-架空混合線路Ⅰ段定值設計

計及GIL段的混合架空線路距離I段定值計算如式(3)或式(4)。

(3)

ZsetI=Zo·lo1+ZGIL·(0.85l-lo1)

(4)

式中：ZsetI為Ⅰ段阻抗整定值；Zo為架空線單位長度正序阻抗；ZGIL為GIL線路單位長度正序阻抗；l為線路全長；lo1為第一段架空長度；lo2為第二段架空長度；lGIL為GIL線路長度。

式(3)用于85%線路中已包含全部GIL線路的工況，式(4)用于85%線路外仍設置有GIL線路的工況。所仿真案例可利用式(3)計算得到進行GIL改造后的距離保護定值，如表6所示。

表6 適用于GIL-架空混合線路的距離Ⅰ段定值 單位：Ω

通過PSCAD仿真，采用修正的距離保護Ⅰ段定值，尋找各類保護動作的臨界距離，可以得到表7。通過表7不難發現，修正的距離保護定值能滿足距離Ⅰ段保護本線路全長85%的基本需求。

表7 GIL-架空混合線路距離保護判定邊界條件 單位：Ω

2.5 仿真結果分析

可以將第3.3節、第3.4節的分析用阻抗繼電器動作特性圖進行總結，采用原距離保護定值的均勻架空線路、GIL-架空混合線路的繼電器動作特性如圖 6、圖7所示。采用改進距離保護定值的GIL-架空混合線路的繼電器動作特性如圖8所示。

圖6 采用原定值的均勻架空線路繼電器動作特性

圖7 采用原定值的GIL-架空混合線路繼電器動作特性

圖8 采用改進定值的GIL-架空混合線路繼電器動作特性

可以看到，將GIL段引入到架空線路后，無論是單相、兩相、兩相接地還是三相故障的測量阻抗均發生不同程度的減小，從距離保護Ⅱ段動作區移動到距離保護Ⅰ段動作區。改進定值保護算法后，距離保護Ⅰ、Ⅱ段定值區域發生不同程度的縮小，故障測量阻抗重新移動回距離保護Ⅱ段動作區。驗證了該保護整定方法的有效性。

3 結 語

將GIL段引入架空線路后，線路阻抗特性會發生變化，對于阻抗參數敏感的距離保護，其保護范圍也會發生變化。為了使原有架空線路保護裝置能夠可靠保護混合線路，在理論分析的基礎上，通過修改距離保護定值來維持保護裝置保護范圍，使得原架空線路保護裝置在GIL-架空混合線路工況仍然適用。所提計算方法在PSCAD仿真模型中得到了驗證。仿真結果表明，定值修正方法準確可靠，能滿足工程實施要求。