高壓線路全電流差動(dòng)保護(hù)的研究

高壓線路全電流差動(dòng)保護(hù)的研究

0電容電流補(bǔ)償?shù)木€路差動(dòng)保護(hù)新原理隨著光纖在能源系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，為了保護(hù)線路的差動(dòng)，有很多手段可以實(shí)現(xiàn)線路的差動(dòng)。由于差動(dòng)保護(hù)原理的諸多優(yōu)勢(shì),例如不受振蕩影響、不受轉(zhuǎn)換性故障影響等,使其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在超高壓、長(zhǎng)線路上,全電流差動(dòng)保護(hù)不可避免地受到電容電流的影響。為避免保護(hù)誤動(dòng),全電流差動(dòng)保護(hù)的定值要躲開(kāi)電容電流,這降低了保護(hù)的抗過(guò)渡電阻能力。為消除電容電流對(duì)差動(dòng)保護(hù)的負(fù)面影響,最直接的想法是在差電流中減去電容電流。從這個(gè)思路出發(fā),文獻(xiàn)研究了電容電流的各種補(bǔ)償方法,以消除差電流中電容電流的影響,從而降低保護(hù)定值,增強(qiáng)保護(hù)抗過(guò)渡電阻能力。但是,這些方法幾乎都需知道線路的電容參數(shù)和補(bǔ)償電抗器參數(shù),從而增加了保護(hù)的復(fù)雜性。另外,由于補(bǔ)償電抗器的投切由運(yùn)行方式?jīng)Q定,保護(hù)難以確切得知補(bǔ)償電抗器的運(yùn)行狀態(tài),這使得目前的電容電流補(bǔ)償方法帶有一定的盲目性?？梢?jiàn),研究與線路的電容參數(shù)和補(bǔ)償電抗器的投切無(wú)關(guān)的、不受電容電流影響的差動(dòng)保護(hù)判據(jù),具有很好的工程實(shí)用價(jià)值。本文試圖研究不需要電容電流補(bǔ)償?shù)木€路差動(dòng)保護(hù)新原理。線路上發(fā)生高阻接地故障時(shí),故障相差電流包括對(duì)地電容電流及流過(guò)接地電阻的電流,兩者相位相差90°。線路正常運(yùn)行或發(fā)生外部故障時(shí),差電流中僅包含電容性電流,沒(méi)有電阻性電流。如果僅使用差電流中的電阻性分量來(lái)構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)判據(jù),將可以消除電容電流的影響,提高保護(hù)的靈敏度。本文提出了基于電阻性差流分量的差動(dòng)保護(hù)新原理,分析了正常運(yùn)行、區(qū)外故障、區(qū)內(nèi)帶電阻接地故障時(shí)電阻性差電流的特點(diǎn),得出了計(jì)算電阻性差電流的方法,并使用EMTP數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。1基于電阻性差流的差動(dòng)保護(hù)原則1.1線路各差分電流對(duì)于被保護(hù)線路,正常運(yùn)行或發(fā)生區(qū)外故障時(shí),差電流全部由電容電流構(gòu)成,可以采用圖1所示的線路π型等值電路模型來(lái)表示。由圖1,線路上的差電流為:˙Ιcd=˙Ιm+˙Ιn=˙UmΖc+˙UnΖc式中:˙Um,˙Un為線路兩端的電壓相量;˙Ιm,˙Ιn為線路兩端的電流相量;Zc為全線路等值容抗的2倍。易知,˙Ιcd相對(duì)于(˙Um+˙Un)超前90°。令I(lǐng)cdR=Icdcosφ,其中,Ιcd=|˙Ιm+˙Ιn|,φ為˙Ιcd超前(˙Um+˙Un)的角度,即有φ=90°。顯然,在線路正常運(yùn)行及發(fā)生區(qū)外故障時(shí),IcdR=0。1.2故障相等效電路˙Uf=˙Uf0Rf+2Ζ1f+Ζ0f3Rf(1)式中:˙Uf0為f點(diǎn)故障前的電壓;Z1f為f點(diǎn)的系統(tǒng)正序輸入阻抗;Z0f為f點(diǎn)的系統(tǒng)零序輸入阻抗;Rf為f點(diǎn)的接地電阻。由式(1)可知,發(fā)生高阻接地故障時(shí),故障點(diǎn)電壓近似等于故障前的電壓,即˙Uf≈˙Uf0。線路上發(fā)生高阻接地故障時(shí),故障相差電流由流過(guò)電容的電流和流過(guò)接地電阻的電流組成。以單相高阻接地故障為例,故障相等效電路如圖2所示。由圖2可知,故障相差電流為:˙Ιcd=˙UmΖc+˙UnΖc+˙UfRf令˙Ιc=(˙Um+˙Un)/Ζc,˙ΙcdR=˙ΙRf=˙Uf/Rf,并設(shè)(˙Um+˙Un)與˙Uf同相位,則˙Ιcd,˙Ιc,˙ΙcdR之間的相位關(guān)系如圖3所示。由圖3可知,˙ΙcdR為˙Ιcd在˙Uf上的投影,且有:{ΙcdR=Ιcdcosφφ=arg(˙Ιcd˙Um+˙Un)(2)可見(jiàn),˙ΙcdR反映差電流中的電阻性分量。1.3差動(dòng)保護(hù)的安全性由上文分析可知,線路上發(fā)生高阻接地故障時(shí),˙ΙcdR可以反映差電流中的電阻性分量,而正常運(yùn)行及區(qū)外故障時(shí),IcdR=0?？梢?jiàn),如果使用˙ΙcdR作為動(dòng)作量構(gòu)成差動(dòng)保護(hù),將具有極高的安全性。據(jù)此,本文提出基于電阻性差流的差動(dòng)保護(hù)判據(jù)為:{ΙcdR>ΙsetΙzd<ΙhΙcdR>Ιset+k(Ιzd-Ιh)Ιzd≥Ιh(3)式中:Iset為電流門(mén)檻值:k為比例制動(dòng)因數(shù);Ιzd=|˙Ιm-˙Ιn|;ΙcdR=|˙Ιm+˙Ιn|cosφ;Ih為制動(dòng)電流拐點(diǎn)值;˙Ιm?˙Ιn為線路兩端電流,其正方向?yàn)橛赡妇€指向線路;φ=arg(˙Ιm+˙Ιn˙Uref);˙Uref為計(jì)算電阻性差流時(shí)的參考電壓,˙Uref=˙Um+˙Un。2分析了基于衰減流量差流的差動(dòng)保護(hù)性能2.1計(jì)算電阻性差流值如上文所述,線路上發(fā)生高阻接地故障時(shí),如果(˙Um+˙Un)和˙Uf同相位,則˙ΙcdR為流過(guò)接地電阻的實(shí)際電流。但在線路實(shí)際運(yùn)行中,(˙Um+˙Un)和˙Uf的相位總會(huì)有差異,使得IcdR的理論值和實(shí)際流過(guò)接地電阻的電流值會(huì)有差別。線路中點(diǎn)發(fā)生高阻接地故障時(shí),故障點(diǎn)電壓˙Uf=(˙Um+˙Un)/2,與參考電壓˙Uref相位相同,此時(shí)利用式(2)計(jì)算所得電阻性差流IcdR在數(shù)值上與流過(guò)接地電阻的電流值相等。線路上其他點(diǎn)發(fā)生高阻接地故障時(shí),故障點(diǎn)電壓˙Uf的相位介于˙Um和˙Un這2個(gè)相量之間。如果故障點(diǎn)更靠近m側(cè),則˙Uf的相位更接近于˙Um,反之,更接近于˙Un。高阻接地故障的電壓、電流相位關(guān)系如圖4所示(故障點(diǎn)f更靠近m側(cè))。由圖4可以看出,故障點(diǎn)偏離線路中點(diǎn)時(shí),˙ΙcdR與實(shí)際流過(guò)接地電阻的電流˙ΙRf有差別,IcdR=IRfcosβ,β為˙ΙRf超前˙ΙcdR的角度,顯然有IcdR<IRf。故障點(diǎn)更靠近n側(cè)時(shí),可以得到同樣的結(jié)論。線路兩端保護(hù)安裝處發(fā)生高阻接地故障時(shí),β最大,IcdR與IRf的差別最大。圖4中,δ為兩側(cè)母線電壓夾角,系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),δ一般不超過(guò)30°,所以有β≤δ/2≤15°。易知,線路上各點(diǎn)發(fā)生故障時(shí),均有IcdR≥IRfcos15°=0.966IRf?？梢?jiàn),線路上發(fā)生高阻接地故障時(shí),IcdR在數(shù)值上與實(shí)際流過(guò)接地電阻的電流值很接近。2.2l+c+b+b的相位裝有補(bǔ)償電抗器的線路上發(fā)生高阻接地故障時(shí),其故障相等效電路如圖5所示。由圖5可以看出,故障相差電流由流過(guò)電容的電流、流過(guò)電抗器的電流和流過(guò)接地電阻的電流組成,即有:˙Ιcd=˙ΙL+˙Ιc+˙ΙRf式中:˙ΙL=˙ΙLm+˙ΙLn;˙Ιc=˙Ιcm+˙Ιcn;˙ΙRf=˙Uf/Rf。由于線路一般采用欠補(bǔ)償方式,因此(˙ΙL+˙Ιc)的相位與˙Ιc的相位相同,并且當(dāng)線路某側(cè)電抗器退出運(yùn)行時(shí),上述關(guān)系也成立。設(shè)(˙Um+˙Un)與˙Uf同相位,則差電流˙Ιcd、電容性電流(˙ΙL+˙Ιc)、電阻性電流˙ΙRf之間的相位關(guān)系如圖6所示。由圖6可知,˙Ιcd由˙ΙRf和(˙ΙL+˙Ιc)合成,二者相位相差90°,與上文分析類(lèi)似,仍然可以采用式(2)計(jì)算差電流的電阻性分量?？梢?jiàn),由電阻性差流構(gòu)成的差動(dòng)保護(hù)判據(jù)不受補(bǔ)償電抗器投切與否的影響。2.3全電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)相結(jié)合從上文分析可知,基于電阻性差流的差動(dòng)保護(hù)判據(jù)消除了電容電流的影響,線路正常運(yùn)行或發(fā)生區(qū)外故障時(shí),電阻性差流的理論值為0,因此可以很靈敏地整定,以提高保護(hù)的抗過(guò)渡電阻能力。線路上發(fā)生金屬性故障或經(jīng)較小過(guò)渡電阻接地的故障時(shí),差電流中的電阻性差流變小,此時(shí),基于電阻性差流的差動(dòng)保護(hù)判據(jù)的性能不如全電流差動(dòng)判據(jù)。而發(fā)生此類(lèi)故障時(shí),即使按照躲過(guò)電容電流整定保護(hù)定值,全電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)仍有很好的性能,可以可靠地動(dòng)作。因此,理想的方案是將全電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)與基于電阻性差流的差動(dòng)保護(hù)判據(jù)相結(jié)合。組合方案對(duì)于金屬性故障及高阻接地故障,都會(huì)有很好的保護(hù)效果。圖7為2種判據(jù)相結(jié)合所構(gòu)成的差動(dòng)保護(hù)邏輯圖。全電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)和基于電阻性差流的差動(dòng)保護(hù)判據(jù)采用同一形式:{Ιcd>Ιset1Ιzd<ΙhΙcd>Ιset1+k1(Ιzd-Ιh)Ιzd≥Ιh式中:Iset1為全電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)的電流門(mén)檻值;k1為比例制動(dòng)因數(shù);Ιcd=|˙Ιm+˙Ιn|。整定Iset1時(shí),要躲開(kāi)發(fā)生外部故障時(shí)的暫態(tài)電容電流和線路正常運(yùn)行時(shí)的電容電流,而整定式(3)中的Iset時(shí),則僅需躲開(kāi)正常運(yùn)行及外部故障時(shí)的電阻性差流,該值在理論上為0,所以,Iset通常小于Iset1。發(fā)生高阻接地故障時(shí),由于基于電阻性差流的差動(dòng)保護(hù)判據(jù)的差電流門(mén)檻值可以取得比較小,因此其保護(hù)動(dòng)作范圍要比全電流差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作范圍大。為對(duì)比在高阻接地故障下2種保護(hù)判據(jù)的性能,將二者的動(dòng)作特性繪于圖8中。由圖8可以看出,基于電阻性差流的差動(dòng)保護(hù)判據(jù)的保護(hù)范圍要大于全電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)。圖中陰影區(qū)即為在高阻接地故障下,前者相比于后者所增加的動(dòng)作范圍。3全電流差分動(dòng)保護(hù)仿真使用EMTP仿真軟件建立了一個(gè)分布式參數(shù)線路模型,對(duì)新方法進(jìn)行驗(yàn)證。由于基于電阻性差流的差動(dòng)保護(hù)對(duì)于單相經(jīng)過(guò)渡電阻接地故障的靈敏度高,而對(duì)于單相或相間金屬性故障,其保護(hù)性能要差一些,而此時(shí)全電流差動(dòng)保護(hù)能夠可靠動(dòng)作。因此,本文只對(duì)單相接地故障進(jìn)行了仿真,并選取不同的接地電阻。EMTP仿真系統(tǒng)模型如圖9所示。系統(tǒng)電壓等級(jí)為500kV,線路長(zhǎng)度為400km,兩側(cè)電源電勢(shì)之間的相位差為30°。m端系統(tǒng)正序和零序阻抗分別為Zm1=0.2534+j63.8Ω,Zm0=0.1124+j21.4Ω;n端系統(tǒng)正序和零序阻抗分別為Zn1=2.82+j127.7Ω,Zn0=0.224+j39.96Ω。線路正序參數(shù)為r1=0.01958Ω/km,l1=0.8192mH/km,c1=0.0135μF/km;線路零序參數(shù)為r0=0.1828Ω/km,l0=2.74mH/km,c0=0.0092μF/km。在K1,K2,K3,K4各點(diǎn)模擬經(jīng)不同過(guò)渡電阻的單相接地故障,計(jì)算時(shí)采用全周期傅里葉濾波算法,采樣頻率為2000Hz。為保證可靠性,全電流差動(dòng)保護(hù)的電流門(mén)檻值一般按照躲開(kāi)2倍的電容電流進(jìn)行整定。仿真系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),電容電流約為0.4A,因此取Iset1=0.8A,k1=0.75,Ih=2A。仿真系統(tǒng)正常運(yùn)行及區(qū)外故障時(shí),差電流中的電阻性分量不超過(guò)0.15A,因此取Iset=0.4A,k=0.75,Ih=2A,這一整定值已足以保證安全性,它與Iset1共同決定圖7中的或門(mén)出口。對(duì)線路正常運(yùn)行、區(qū)外故障、區(qū)內(nèi)經(jīng)不同過(guò)渡電阻單相接地故障進(jìn)行了仿真,表1給出部分仿真結(jié)果,詳細(xì)仿真結(jié)果見(jiàn)附錄A。仿真結(jié)果顯示,系統(tǒng)正常運(yùn)行及發(fā)生外部故障時(shí),電阻性差流很小,不到0.1A,基于電阻性差流的差動(dòng)保護(hù)有很高的安全性。保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生高阻接地故障時(shí),若接地電阻大于等于300Ω,則全電流差動(dòng)保護(hù)已經(jīng)不能可靠動(dòng)作,而組合方案仍然可以可靠動(dòng)作。可見(jiàn),將基于電阻性差流的差動(dòng)保護(hù)判據(jù)和全電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)相結(jié)合,提高了保護(hù)的抗過(guò)渡電阻能