帶串聯(lián)補(bǔ)償裝置的輸電線路距離保護(hù)新方案

崔 巖，許想奎，李楊春

(國(guó)網(wǎng)天津市電力公司檢修公司，天津 300230)

串聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)：串補(bǔ))利用呈容性的串補(bǔ)電容來(lái)減小部分呈感性的線路電抗，有效地減小了線路“電氣距離”，提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平和輸電容量，而且這種方法不需要新建輸電桿塔，也能有效地提高輸電的經(jīng)濟(jì)性，因此串補(bǔ)技術(shù)廣泛地應(yīng)用于超/特高壓輸電工程[1-14]。但串補(bǔ)設(shè)備接入輸電線路時(shí)，線路參數(shù)均勻分布的特性將被破壞，使得距離保護(hù)測(cè)量阻抗不能正確反映故障位置，給傳統(tǒng)距離保護(hù)的動(dòng)作行為帶來(lái)嚴(yán)重影響[15-21]。其中文獻(xiàn)[15]針對(duì)串補(bǔ)線路區(qū)外發(fā)生故障時(shí)距離保護(hù)容易誤動(dòng)的問(wèn)題，提出一種改進(jìn)方案，即在采用2個(gè)記憶時(shí)間不同的距離繼電器判別方向的基礎(chǔ)上，修改弱饋邏輯，經(jīng)仿真驗(yàn)證，該方案在一定程度上能夠克服距離保護(hù)超越誤動(dòng)的問(wèn)題，而且動(dòng)作速度快，因此可為實(shí)際工程的縱聯(lián)距離保護(hù)提供改造思路。文獻(xiàn)[16-17]通過(guò)在傳統(tǒng)距離保護(hù)中加入智能算法，能夠在一定程度上提高保護(hù)的動(dòng)作可靠性，但該方法過(guò)于依賴(lài)仿真，且運(yùn)算量大，不適合實(shí)際工程。文獻(xiàn)[18]重點(diǎn)分析了串補(bǔ)電容前發(fā)生故障時(shí)補(bǔ)償電壓與串補(bǔ)電容后發(fā)生故障時(shí)補(bǔ)償電壓的不同，由此建立一個(gè)新的保護(hù)判據(jù)，該判據(jù)不受串補(bǔ)設(shè)備安裝位置的影響。文獻(xiàn)[19-20]則利用參數(shù)識(shí)別的方法來(lái)確定串補(bǔ)線路保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)的距離，這種利用參數(shù)識(shí)別的方法不但可以克服串補(bǔ)線路距離保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)的問(wèn)題，而且在一定程度上也可以克消除MOV的非線性影響。文獻(xiàn)[21]利用串補(bǔ)線路故障時(shí)兩側(cè)電流暫態(tài)量的差異，提出一種基于雙端諧波幅值波動(dòng)差異的串補(bǔ)線路距離保護(hù)判據(jù)，但該文對(duì)于新判據(jù)的驗(yàn)證僅限于三相短路故障，對(duì)于其他故障是否適用仍有待研究。

文章在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，分析了不同位置發(fā)生故障時(shí)線路正序故障電壓分量的變化情況及串補(bǔ)電容對(duì)側(cè)母線處暫態(tài)電流的差異，提出一種基于正序故障電壓分量和直流分量—工頻分量百分比的串補(bǔ)線路距離保護(hù)新方案，該方案利用串補(bǔ)電容兩側(cè)正序故障電壓分量的大小來(lái)判斷串補(bǔ)電容背側(cè)區(qū)外故障和區(qū)內(nèi)故障，利用串補(bǔ)電容對(duì)側(cè)母線處電流的直流分量與工頻分量的百分比來(lái)判斷區(qū)內(nèi)故障和正向區(qū)外故障，可有效提高保護(hù)動(dòng)作可靠性。

1 串補(bǔ)設(shè)備對(duì)距離保護(hù)的影響

由于超/特高壓輸電線路較長(zhǎng)，串補(bǔ)設(shè)備安裝在線路中間時(shí)對(duì)傳統(tǒng)繼電保護(hù)的影響較小。因此，本文以圖1所示串補(bǔ)設(shè)備安裝在線路一側(cè)為例來(lái)分析串補(bǔ)設(shè)備對(duì)距離保護(hù)的影響。圖中Em、En、Ep為電源，保護(hù)1和保護(hù)2分別安裝在母線M和母線P處，串補(bǔ)電容為Xc，串補(bǔ)電容母線側(cè)電壓互感器為T(mén)V1，線路側(cè)電壓互感器為T(mén)V2。

圖1 串補(bǔ)安裝在線路一側(cè)的輸電系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of transmission system with series compensation installed on one side of the line

為了防止串補(bǔ)電容背側(cè)線路發(fā)生故障時(shí)保護(hù)出現(xiàn)超越誤動(dòng)現(xiàn)象，保護(hù)1的距離段應(yīng)按照式(1)來(lái)整定：

Zset=(0.8～0.85)(ZMQ-jXC)

(1)

圖2 保護(hù)1阻抗繼電器動(dòng)作特性Fig.2 Action characteristics of protection 1 impedance relay

通常情況下，線路的串補(bǔ)度為25%～75%。若假設(shè)XC=0.4ZMQ，則Zset=(0.48～0.51)ZMQ，由此可見(jiàn)串補(bǔ)設(shè)備使得保護(hù)距離大大減小。

(b)保護(hù)裝置2。若保護(hù)2使用母線側(cè)電壓互感器(TV1)，為了避免當(dāng)母線M上發(fā)生故障時(shí)保護(hù)誤動(dòng)，保護(hù)2的距離段也應(yīng)按照式(1)來(lái)整定，其阻抗繼電器動(dòng)作特性如圖3所示。

圖3中，實(shí)線圓表示以正序電壓作為極化電壓的阻抗繼電器動(dòng)作特性，虛線圓表示正方向發(fā)生三相短路故障時(shí)，記憶電壓消失后的阻抗繼電器動(dòng)作特性；ZQP大小與保護(hù)裝置1中的大小相等，ZN′P為保護(hù)裝置2背側(cè)系統(tǒng)正序等值阻抗。

圖3 保護(hù)2阻抗繼電器動(dòng)作特性Fig.3 Action characteristics of protection 2 impedance relay

由于圖1中串補(bǔ)設(shè)備兩側(cè)均有較大的輸電系統(tǒng)，所以一般情況下XC小于ZN′P，故而Q點(diǎn)落在圓內(nèi)，即當(dāng)Q點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)2能夠可靠動(dòng)作；但是當(dāng)XC大于ZN′P時(shí)，Q點(diǎn)就會(huì)落在圓外，即當(dāng)Q點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置2將會(huì)拒動(dòng)。

若保護(hù)2使用線路側(cè)電壓互感器(TV2)，則正方向發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)范圍不受串補(bǔ)設(shè)備的影響；保護(hù)范圍約為線路全長(zhǎng)的80%至85%，與不含串補(bǔ)的線路的距離Ⅰ段保護(hù)范圍相同。反方向發(fā)生故障時(shí)，其阻抗繼電器動(dòng)作特性如圖4所示。

圖4 反方向發(fā)生故障時(shí)保護(hù)2的阻抗繼電器動(dòng)作特性Fig.4 Action characteristics of the impedance relay of protection 2 when a fault occurs in the opposite direction

圖4中實(shí)線圓表示反方向三相短路故障時(shí)，極化電壓記憶作用消失后的動(dòng)作特性，虛線圓表示以正序電壓作為極化電壓時(shí)的方向阻抗繼電器動(dòng)作特性；ZQP的大小與保護(hù)1中ZQP大小相等，ZN′P為保護(hù)2背側(cè)系統(tǒng)的正序等值阻抗。由圖4可知，在保護(hù)2反方向發(fā)生三相短路故障時(shí)，以正序電壓作為極化電壓的方向阻抗繼電器在記憶作用消失后將會(huì)誤動(dòng)。

3 保護(hù)原理

3.1 串補(bǔ)側(cè)故障分析

以圖5來(lái)對(duì)保護(hù)原理進(jìn)行說(shuō)明。圖5中，Em、Xm分別為M側(cè)的電源和系統(tǒng)阻抗，En、Xn分別為N側(cè)的電源和系統(tǒng)阻抗；串補(bǔ)電容Xc安裝在母線M側(cè)，忽略串補(bǔ)電容到母線M之間的距離；TV1為接在母線M上的電壓互感器，TV2為接在串補(bǔ)出口處的電壓互感器，被保護(hù)線路全長(zhǎng)為L(zhǎng)0。

圖5 串補(bǔ)輸電系統(tǒng)示意Fig.5 Schematic diagram of series compensation transmission system

不同位置故障時(shí)正序故障電壓分量的分布如圖6所示。

圖6 不同位置故障時(shí)正序故障電壓分量的分布Fig.6 The distribution of positive sequence fault voltage components when faults at different locations

對(duì)于M側(cè)：①母線M背側(cè)區(qū)外(即F1點(diǎn))發(fā)生故障。此時(shí)故障點(diǎn)處正序故障電壓分量最大，隨著故障點(diǎn)右移，正序故障電壓分量逐漸降低，在串補(bǔ)電容Xc處，由于電容的升壓作用，正序故障電壓分量增大，從而使得TV1處所測(cè)的正序故障電壓分量ΔU1(1)小于TV2處的正序故障電壓分量ΔU2(1)；當(dāng)故障點(diǎn)繼續(xù)右移，正序故障電壓分量逐漸減小至0。故障電壓分量變化情況如圖6(b)所示。②區(qū)內(nèi)(即F3點(diǎn))發(fā)生故障。隨著故障點(diǎn)左移，正序故障電壓分量逐漸減小，在串補(bǔ)電容處出現(xiàn)ΔU1(1)大于ΔU2(1)的情況，如圖6(c)所示。③正向區(qū)外(即F6點(diǎn))故障。此時(shí)正序故障電壓分量變化情況與區(qū)內(nèi)故障時(shí)類(lèi)似，在串補(bǔ)電容處也會(huì)出現(xiàn)ΔU1(1)大于ΔU2(1)的情況，如圖6(d)所示。

通過(guò)上述分析，對(duì)于M側(cè)而言，通過(guò)比較ΔU1(1)與ΔU2(1)的大小即可判斷故障點(diǎn)是位于母線M背側(cè)區(qū)外還是在母線M正方向上。當(dāng)ΔU1(1)小于ΔU2(1)時(shí)，可判定故障故障點(diǎn)在母線M背側(cè)區(qū)外，此時(shí)閉鎖保護(hù)；當(dāng)ΔU1(1)大于ΔU2(1)時(shí)，可判定故障點(diǎn)在母線M正方向上。由于母線M正向故障包括正向區(qū)內(nèi)故障和正向區(qū)外故障，要判斷這兩種故障還要結(jié)合N側(cè)的故障判斷原則。

3.2 串補(bǔ)對(duì)側(cè)故障分析

對(duì)于N側(cè)，母線N處電壓的瞬時(shí)測(cè)量值為：

un=Unsin(wt+αn)

(2)

式中，Un為N側(cè)系統(tǒng)電壓的幅值，w為工頻角速度，αn為母線N處電壓的初相角。以三相短路故障為例，當(dāng)母線N正向區(qū)內(nèi)，即圖6中點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，N側(cè)相當(dāng)于一個(gè)RL一階電路，令線路單位長(zhǎng)度電阻為r，單位長(zhǎng)度電感為l，故障點(diǎn)到母線處的距離為L(zhǎng)，由此可得：

(3)

則可求得母線N側(cè)保護(hù)安裝處電流in為：

(4)

當(dāng)母線N背側(cè)區(qū)外，即圖6中的F6點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，故障電路為1個(gè)二階RLC電路，故障電流為穿越性電流，母線N處所測(cè)電流in與母線M處所測(cè)電流im相等，所以可得：

(5)

式中，Um為M側(cè)系統(tǒng)電壓的幅值，αm為母線M處電壓的初相角，C為串補(bǔ)設(shè)備的電容值。

則可求得電流in為：

(6)

式(6)中φ的含義與式(4)中相同，其他參數(shù)Im，A，φ1，τ2，wf，φ的含義如式(7)所示。

(7)

由式(7)可知，母線N背側(cè)區(qū)外故障時(shí)，母線N側(cè)保護(hù)安裝處測(cè)得的電流包含穩(wěn)態(tài)電流和衰減的低頻振蕩分量。

由上述分析可知，理想情況下，母線N正向區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，電流in中含有直流分量，即直流分量與工頻分量的百分比(定義為IR)不等于0；母線N背側(cè)區(qū)外發(fā)生故障時(shí)，電流in中不含直流分量，即直流分量與工頻分量的百分比(定義為IR)等于0，以IR是否等于0可以構(gòu)成區(qū)分母線N正向區(qū)內(nèi)故障和背側(cè)區(qū)外故障的條件?？紤]到仿真過(guò)程存在的誤差，將IR的整定留3%的裕度，即將IR的整定值設(shè)為IRset=3%。即當(dāng)直流分量占工頻分量的百分比大于3%時(shí)判定為母線N背側(cè)區(qū)外故障，當(dāng)直流分量占工頻分量的百分比小于3%時(shí)判定為母線N正向區(qū)內(nèi)故障。綜上所述，保護(hù)動(dòng)作判據(jù)可以歸納為：

(8)

3.3 保護(hù)流程

保護(hù)流程圖如圖7所示。

圖7 保護(hù)流程Fig.7 Protection flow chart

(1)測(cè)量出母線M處的電壓和串補(bǔ)出口處的正序電壓，分別得到這兩處的電壓的正序故障電壓分量為ΔU1(1)和ΔU2(1)。然后比較ΔU1(1)和ΔU2(1)的大小，若ΔU1(1)小于ΔU2(1)，則判定為區(qū)外故障，保護(hù)不動(dòng)作；若ΔU1(1)和ΔU2(1)，則進(jìn)行下一步。

(2)測(cè)量出母線N處的電流in，通過(guò)快速傅里葉分析計(jì)算出暫態(tài)電流中直流分量占工頻的百分比IR，若IR大于整定值，則保護(hù)動(dòng)作；若IR小于整定值，則保護(hù)不動(dòng)作。

4 仿真驗(yàn)證

利用PSCAD搭建如圖5所示500 kV線路模型。保護(hù)線路MN長(zhǎng)300 km，M端：Zm1=21.6 Ω，φm1=88.6°，初相角φs=0°N端：Zn1=25.95Ω，φn1=59.9°，Zn0=21.24 Ω，φn0=61.9°，初相角φs=30°。

線路采用貝瑞隆分布參數(shù)模型，其參數(shù)值為：r1=0.036 Ω/km，xL1=0.503 Ω/km，正序單位長(zhǎng)度電阻和電抗分別為：r1=0.036 Ω/km，xL1=0.503 Ω/km，線路正序容抗xC1=302.151×103Ω·km；；零序單位長(zhǎng)度電阻和電抗分別為：r0=0.38 Ω/km，xL0=1.328 Ω/km，線路零序容抗xC0=419.34×103Ω·km。分別設(shè)置F1—F6個(gè)故障點(diǎn)，即母線M背側(cè)區(qū)外(F1)、母線M正向20 km處(F2)、母線M正向100 km處(F3)、母線M正向200 km處(F4)、母線M正向240 km處(F5)及正向區(qū)外(F6)。串補(bǔ)電容即線路串補(bǔ)度為20%。不同位置發(fā)生不同類(lèi)型故障時(shí)ΔU1(1)、ΔU2(1)及IR見(jiàn)表1—表3。

表1 不同位置不同類(lèi)型故障時(shí)ΔU1(1)、ΔU2(1)及IR(一)Tab.1 ΔU1(1)、ΔU2(1)and IRvalues when different types of faults occur at different locations(Ⅰ)

表2 不同位置不同類(lèi)型故障時(shí)ΔU1(1)、ΔU2(1)及IR(二)Tab.2 ΔU1(1)、ΔU2(1) and IRvalues when different types of faults occur at different locations(Ⅱ)

表1—表3中，ABC表示三相短路故障，AB表示兩相短路故障，ABGR0表示兩相短路接地故障，AGR0表示單相短路接地故障，AGR25表示單相經(jīng)25 Ω過(guò)渡電阻接地故障，AGR300表示單相經(jīng)300 Ω過(guò)渡電阻接地故障。√表示保護(hù)動(dòng)作，×表示保護(hù)不動(dòng)作。

由表1可知，當(dāng)F1點(diǎn)發(fā)生金屬性故障或經(jīng)較小過(guò)渡電阻的接地故障時(shí)，ΔU1(1)均小于ΔU2(1)，保護(hù)可靠不動(dòng)作。

F2～F6點(diǎn)發(fā)生金屬性故障或經(jīng)較小過(guò)渡電阻的接地故障時(shí)，ΔU1(1)均大于ΔU2(1)，而此時(shí)IR均大于IRest，保護(hù)能夠可靠動(dòng)作。當(dāng)區(qū)外(即點(diǎn))發(fā)生金屬性故障或經(jīng)較小過(guò)渡電阻的接地故障時(shí)，IR均小于IRest，保護(hù)可靠不動(dòng)作。但是，該方案帶過(guò)渡電阻能力較弱，當(dāng)區(qū)內(nèi)發(fā)生經(jīng)高阻接地故障時(shí)，如表中F2～F5點(diǎn)處發(fā)生AGR300故障，保護(hù)可能發(fā)生拒動(dòng)。

表3 不同位置不同類(lèi)型故障時(shí)ΔU1(1)、ΔU2(1)及IR(三)Tab.3 ΔU1(1)、ΔU2(1) and IRvalues when different types of faults occur at different locations(Ⅲ)

5 結(jié)語(yǔ)

本文將串補(bǔ)電容作為輸電線路的異構(gòu)邊界，提出一種基于正序故障電壓分量和直流分量—工頻分量百分比的串補(bǔ)線路距離保護(hù)新方案，該方案利用正序故障電壓分量的大小判斷串補(bǔ)電容背側(cè)區(qū)外故障和區(qū)內(nèi)故障，利用串補(bǔ)電容對(duì)側(cè)母線處電流的直流分量與工頻分量的百分比來(lái)判斷區(qū)內(nèi)故障和正向區(qū)外故障。經(jīng)PSCAD仿真驗(yàn)證，該方案可有效提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性。但是仿真發(fā)現(xiàn)，該方案帶過(guò)渡電阻能力較弱，當(dāng)區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)的過(guò)渡電阻較大，約超過(guò)25Ω時(shí)，保護(hù)可能發(fā)生拒動(dòng)，今后的工作應(yīng)致力于提高新方案的帶過(guò)渡電阻能力。