特高壓輸電線路過電壓及保護與控制系統(tǒng)的研究

特高壓輸電線路過電壓及保護

與控制系統(tǒng)的研究

天津大學博士研究生學位論文

研究生： 導師：2023/2/42課題研究背景我國電網相對薄弱，為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行必須加強骨干網架建設，而經濟有效的途徑即建設特高壓輸電線。西北750kV官亭至蘭州東輸變電示范工程標志著我國電網電壓等級由目前最高的500kV即將升級為750kV，實現(xiàn)歷史性跨越。2023/2/43特高壓輸電線絕緣子承受過電壓的裕度較小，過電壓倍數較高，因而采取各種措施降低過電壓倍數，是特高壓輸電線設計和運行中需要考慮的重要問題。特高壓輸電線所允許的電壓升高的數值與所加電壓的持續(xù)時間直接相關，因此特高壓輸電線繼電保護與相關自動裝置的動作必須考慮限制過電壓。2023/2/44論文研究主線特高壓輸電線繼電保護的重要任務之一是保證不產生危及設備和絕緣子的過電壓。本文圍繞特高壓輸電線過電壓這條主線，全面研究了特高壓輸電線路保護和自動裝置綜合控制系統(tǒng)。

2023/2/45論文主要內容電力系統(tǒng)過電壓√

特高壓輸電線路繼電保護的跳閘要求特高壓輸電線路的重合閘輸電線路單相自適應重合閘特高壓輸電線路的并聯(lián)電抗器特高壓輸電線路保護與綜合控制短窗濾波算法的研究2023/2/46電力系統(tǒng)

過電壓

內部過電壓

穩(wěn)態(tài)過電壓

操作過電壓工頻電壓升高諧振過電壓切除空載線路過電壓合閘空載線路過電壓?????????????????

大氣過電壓2023/2/47空載長線的工頻電壓升高2023/2/48不對稱短路引起工頻電壓升高2023/2/49諧振過電壓驗證單相重合閘時單相斷開情況下故障相是否會產生諧振現(xiàn)象。特高壓輸電系統(tǒng)內部電容、電感參數配合不當時就會產生危險的諧振過電壓。2023/2/410工頻過電壓的影響工頻電壓升高的大小將直接影響跳、合閘過電壓的幅值；工頻電壓升高的大小影響被保護設備的工作條件和保護效果；工頻電壓升高持續(xù)時間長短對設備絕緣及其運行性能有重大影響。2023/2/411切除空載線路過電壓跳閘時斷路器觸頭間恢復電壓的上升速度可能超過介質恢復強度的上升速度，造成電弧重燃現(xiàn)象，從而引起電磁振蕩，出現(xiàn)過電壓。

2023/2/412合閘空載線路過電壓特高壓長線分布參數特性使合閘過程是工頻穩(wěn)態(tài)分量與多個諧波分量的疊加。

2023/2/413操作過電壓的影響對于特高壓輸電系統(tǒng)，如果按高倍操作過電壓考慮，勢必導致設備絕緣費用的增加，使設備絕緣結構復雜、體積龐大，影響設備的造價、工程的投資等經濟指標。在750kV及特高壓系統(tǒng)中必須采取措施將操作過電壓強迫限制在一定水平之下。2023/2/414內部過電壓綜述內部過電壓的產生原因、發(fā)展過程、影響因素多樣，機理各異。斷路器的操作往往造成操作過電壓，故操作過電壓與繼電保護的動作緊密相關。繼電保護與相關自動裝置的動作特性及其配合對工頻過電壓、操作過電壓影響很大。2023/2/415論文主要內容電力系統(tǒng)過電壓特高壓輸電線路繼電保護的跳閘要求√

特高壓輸電線路的重合閘輸電線路單相自適應重合閘特高壓輸電線路的并聯(lián)電抗器特高壓輸電線路保護與綜合控制短窗濾波算法的研究2023/2/416系統(tǒng)容量對切合輸電線路的影響估計最嚴重的工頻電壓升高時，應以可能出現(xiàn)的電源容量最小的運行方式為依據。2023/2/417合閘跳閘2023/2/418對繼電保護的要求通過研究750kV及特高壓輸電線過電壓、保護與自動裝置的動作配合關系，不僅保護了一次設備，還應避免產生危及設備和絕緣子的過電壓，從而保證750kV及特高壓輸電線路的安全可靠運行。實現(xiàn)繼電保護與控制等技術的一體化。2023/2/419特高壓線路繼電保護的跳閘操作1.74倍1.51倍健全相電壓2023/2/420對繼電保護的跳閘操作的要求俄羅斯規(guī)定750kV輸電線允許的過電壓為：1.3倍允許0.1s；1.4倍允許0.05s。特高壓線路所能承受的穩(wěn)態(tài)過電壓倍數決定了線路單端斷開的允許歷時長短。750kV及特高壓線路兩端斷路器切除故障的時間差應該盡量短，一般要小于0.04～0.05s，避免過電壓造成絕緣損壞。2023/2/421論文主要內容電力系統(tǒng)過電壓特高壓輸電線路繼電保護的跳閘要求特高壓輸電線路的重合閘√

輸電線路單相自適應重合閘特高壓輸電線路的并聯(lián)電抗器特高壓輸電線路保護與綜合控制短窗濾波算法的研究2023/2/422特高壓輸電線路三相重合閘合閘過電壓重合過電壓已經成為選擇超高壓、特高壓電網絕緣水平的決定性因素。

2023/2/423線路先重合一側在t1時刻重合，后重合一側在t2時刻重合。2023/2/424自由分量呈衰減趨勢，根據典型EHV/UHV參數，可計算得到其衰減時間常數為：線路電壓等級（kV）50076511001500自振基頻ω1/

ω3.3483.3783.3623.349T（ms）1481753874132023/2/425三相重合閘時間要求為避免后重合一側危險的重合過電壓，后重合一側的重合時間應該計及對側重合過電壓的衰減時間?？紤]到三相重合閘不同期動作等因素的影響，750kV輸電線路兩端的三相重合時間差應大于0.2～0.3s。750kV及特高壓輸電線路兩端的單相重合時間差相比于三相重合閘可稍短一些。2023/2/426單相故障采用三相重合閘時的特殊問題不論三相重合成功與否，對于單相故障、三跳三合的操作方式都產生了不能允許的嚴重過電壓。2023/2/427特高壓線路單相重合閘的應用問題一般中性點小電抗的取值按對相間電容近似全補償設計，隔斷了相間聯(lián)系。即抑制了潛供電流，限制故障斷開相恢復電壓，避免出現(xiàn)諧振。

2023/2/428特高壓線路單相重合閘的應用前提由于小電抗器的生產分級標準化以及輸電線路換位不完全的影響，小電抗對相間電容的補償不可能精確調諧。針對并聯(lián)電抗器不同的補償特性，提出了中性點小電抗的正確取值范圍，從而確保單相自動重合閘的成功應用具有重大意義。

2023/2/429特高壓輸電線路單相重合閘瞬時性故障斷開相恢復電壓主要由兩個不同頻率的信號合成，其幅值隨時間變化。2023/2/430單相重合閘新方案恢復電壓的變化呈拍頻特性。在一定情況下，拍頻電壓的峰值可能很高。

重合閘裝置可實時監(jiān)測斷開相電壓，確定合閘時間。避免在拍頻電壓包絡線的最大值時合閘.2023/2/431論文主要內容電力系統(tǒng)過電壓特高壓輸電線路繼電保護的跳閘要求特高壓輸電線路的重合閘輸電線路單相自適應重合閘√

特高壓輸電線路的并聯(lián)電抗器特高壓輸電線路保護與綜合控制短窗濾波算法的研究2023/2/432單相故障斷開相的恢復電壓特性瞬時性故障永久性故障電壓判據2023/2/433電壓判據的缺陷，電壓判據誤判（1）（2）補償電壓判據誤判2023/2/434相位判據采用補償方法不能從本質上解決重負載長線路故障性質的判定，故提出相位判別：

電壓判據&&相位判據綜合判據。2023/2/435帶并聯(lián)電抗器補償的輸電線單相自適應重合閘的研究恢復電壓不僅包括工頻分量，還包括電容電感元件之間形成的自由振蕩頻率分量。

2023/2/436基于恢復電壓拍頻特性的新判據：2023/2/437論文主要內容電力系統(tǒng)過電壓特高壓輸電線路繼電保護的跳閘要求特高壓輸電線路的重合閘輸電線路單相自適應重合閘特高壓輸電線路的并聯(lián)電抗器√

特高壓輸電線路保護與綜合控制短窗濾波算法的研究2023/2/438空載輸電線路過電壓并聯(lián)電抗器是特高壓輸電線路上的關鍵設備。它可限制系統(tǒng)操作過電壓、改善電壓分布、抑制潛供電流等。2023/2/439單電源與長線相連的過電壓2023/2/440雙端電源、線路兩端接電抗器2023/2/441并聯(lián)電抗器匝間短路保護的研究輕微匝間故障時序電流變化很小，因此基于序電流的過流保護對匝間故障沒有足夠的靈敏度。

2023/2/442負序與零序電流之間的關系為：

匝間故障時的負序電流遠大于零序電流，提出了基于負序功率方向的新的匝間保護原理。

2023/2/443負序功率方向原理的匝間保護定義負序電壓取自電抗器引出端線路上的負序電壓；負序電流取自電抗器的高壓側，正方向為線路流向電抗器。

（1）電抗器匝間故障2023/2/444（2）電抗器內部接地故障（3）電抗器外部接地故障2023/2/445（4）線路非全相運行時（5）負序功率方向保護2023/2/446論文主要內容電力系統(tǒng)過電壓特高壓輸電線路繼電保護的跳閘要求特高壓輸電線路的重合閘輸電線路單相自適應重合閘特高壓輸電線路的并聯(lián)電抗器特高壓輸電線路保護與綜合控制√

短窗濾波算法的研究2023/2/447特高壓線路并聯(lián)電抗器運行方式的探討

對于雙端電源供電的空載線路，線路中點電壓最高。2023/2/448線路傳送自然功率時：

線路電壓降與傳輸功率的關系：60％70％80％90％0.6840.6320.5790.5272023/2/449并聯(lián)電抗器在特高壓輸電線上的運行方式影響到最大負荷情況下線路的正常工作與限制內過電壓的問題。在特高壓線路建設并運行的起始階段，電源容量與傳送功率都較小，電抗器可不切除的長期運行；隨著特高壓系統(tǒng)的不斷擴大，線路傳輸功率增大，就需要把電抗器切除。并聯(lián)電抗器運行方式2023/2/450保護與并聯(lián)電抗器的動作配合利用并聯(lián)電抗器與保護的配合關系，達到保證系統(tǒng)功率傳送和抑制過電壓的目的。切除故障線路抑制潛供電流抑制合閘過電壓2023/2/451線路有并聯(lián)電抗器時，斷路器跳閘操作而不會產生電弧重燃造成的過電壓，改善斷路器的工作狀態(tài)。切除故障線路2023/2/452抑制合閘過電壓線路接入并聯(lián)電抗器降低了單端電源供電狀態(tài)下的工頻電壓升高，從而也有效抑制了合閘過電壓。2023/2/453特高壓輸電線路保護與自動裝置綜合控制方案的提出繼電保護、重合閘、并聯(lián)電抗器2023/2/454在重合閘的間歇階段，投入并聯(lián)電抗器中性點小電抗可以有效抑制潛供電流。繼電保護檢測出故障并跳線路斷路器之前，投入并聯(lián)電抗器；并聯(lián)電抗器可以有效抑制重合過電壓，重合并確認無故障后，再切除并聯(lián)電抗器，恢復輸電線路的正常運行。2023/2/455論文主要內容電力系統(tǒng)過電壓特高壓輸電線路繼電保護的跳閘要求特高壓輸電線路的重合閘輸電線路單相自適應重合閘特高壓輸電線路的并聯(lián)電抗器特高壓輸電線路保護與綜合控制短窗濾波算法的研究√2023/2/456傅立葉濾波算法的性能分析基于傅立葉級數的保護算法，需一個工頻周期長度的數據窗計算，并提取出以為基頻的整倍頻的信號。而傅立葉變換是將任意長數據窗的數據都視為一個主值區(qū)間的數據進行處理。對于特高壓輸電系統(tǒng)，保護要求快速準確切除故障，因此微機保護算法不僅要考慮算法本身的濾波性能，也要考慮算法的時間響應。2023/2/457半波傅立葉算法的實虛部頻率特性衰減直流分量對半波傅立葉算法的影響主要體現(xiàn)在基波分量的虛部上，因此半波傅立葉算法的實部計算是相對準確的。2023/2/458狹窄帶通濾波算法狹窄帶通濾波算法是利用Z平面零極點設置法設計出來的一種遞推式濾波算法。2023/2/459當y(1)和y(2)接近對應穩(wěn)態(tài)輸出時刻的初值，狹窄帶通濾波的暫態(tài)時延接近于0。輸入信號x(t)y(1)=y(2)=0y(1)=x(1)y(2)=x(2)2023/2/460半波傅立葉算法的實部計算結果對應輸入信號的初始值，正好滿足狹窄帶通濾波算法的輸入初值，使得其暫態(tài)時延最小。2023/2/461改進狹窄帶通算法的提出在第(N/2)和(N/2+1)點由半波傅氏算法求實部Xr(N/2)和Xr(N/2+1)，得輸入初值；令y(1)=Xr(N/2)和y(2)=Xr(N/2+1)；計算狹窄帶通濾波算法的濾波輸出y(i),{y(1),y(2)…