輸電線路單相重合閘方案研究

輸電線路單相重合閘方案研究

0帶串聯(lián)電抗器線路重合閘安全分析由于高壓線上的干擾距離較大，發(fā)生干擾的可能性非常低。葉片誤差以單株瞬時性誤差為主，采用單向補償觸發(fā)技術有利于迅速恢復故障，降低單果重復電壓，確保整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。但現有單相重合閘技術存在盲目重合于永久性故障或未熄弧瞬時性故障產生二次沖擊的危險,同時超/特高壓輸電線路重合再跳閘不同步可能產生過電壓,給電力系統(tǒng)的重要設備的安全穩(wěn)定運行帶來威脅。帶并聯(lián)電抗器是現代超/特高壓電網的特色,研究能夠避免盲目重合的適用于帶并聯(lián)電抗器線路的單相重合閘技術尤為重要。本文在分析適用于帶并聯(lián)電抗器線路單相自適應重合閘技術現狀的基礎之上,給出了一種實用的單相重合閘方案。1帶串聯(lián)電抗器線路重合閘現有單相重合閘研究多數集中在不帶并聯(lián)電抗器線路,主要包括利用電弧特性和恢復電壓特性2類,難以直接有效應用于帶并聯(lián)電抗器線路單相自適應重合閘。研究實用可行的適用于帶并聯(lián)電抗器線路的單相自適應重合閘技術必須有效解決以下問題。1.1抗器線路明確性識別故障性質識別是自適應重合閘的核心,要求能夠在故障后至重合期間可靠地識別瞬時性故障和永久性故障,實現瞬時性故障重合而永久性故障時重合閘可靠閉鎖,有效地避免盲目重合于永久性故障的問題,從而消除重合于永久性故障所帶來的潛在危害。對于帶并聯(lián)電抗器線路單相重合閘的永久性故障識別的相關研究相對較少,按利用電氣量分為電壓量和電流量[10,11,12,13,14,15,16]2類。前者判別思路與不帶并聯(lián)電抗器線路相似,利用了斷開相端電壓的幅值特性、相位特征、拍頻特性來實現;對于并聯(lián)電抗器中性點安裝高補償度小電抗器的線路,由于斷開相恢復電壓幅值較小,甚至不到額定電壓5%,線路電壓互感器的測量精度難以滿足要求,導致該類判別方法在工程應用中存在一定的局限性。后者利用測量精度高的電流量為實現永久性故障判別提供了一種新的思路,分別有利用測量電流幅值比、工頻差動原理、電流拍頻特性、低頻分量含量等判別方法。一方面要求永久性故障可靠識別不盲目重合,另一方面要求瞬時性故障不被誤判為永久性故障而失去重合機會,而兩要求是相互制約的,如何權衡取舍是必須解決的關鍵問題。1.2瞬時性故障重合條件現有自動重合閘采用固定重合時間,對于熄弧快速的瞬時性故障,意味著要等待重合時刻到達才能重合,以致人為延長了停電時間;同時對于部分熄弧緩慢(如受雨雪等惡劣氣候條件影響)的瞬時性故障,在固定重合時刻到達可能仍未熄弧則導致重合不成功,以致喪失了瞬時性故障重合成功機會。因此,要求自適應重合閘可靠確認故障熄弧時刻,保證快速熄弧的瞬時性故障快速重合以減小停電時間,對于熄弧緩慢的瞬時性故障亦能自適應地待熄弧后重合,進而保證瞬時性故障最大機會地重合成功。故障熄弧時刻確認對于長距離超/特高壓輸電線路熄弧緩慢的瞬時性故障的成功重合具有重要價值,需要永久性故障和瞬時性故障判據本身具有熄弧時間確認功能。1.3自動重合閘動作的優(yōu)點限制過電壓以保證設備安全成為特高壓電網的首要問題,尤其是重合過電壓更是成為特高壓電網絕緣水平的決定性因素。由于自適應重合閘能夠有效避免傳統(tǒng)自動重合閘動作的盲目性,進一步提高瞬時性故障重合的成功率,有助于防止超/特高壓電網短時間內連續(xù)重合引起的操作過電壓;同時尋找最優(yōu)重合時刻,保證了重合閘過程中過電壓對設備損害很小;即使是部分非嚴重永久性故障誤判為瞬時性故障誤重合,按最優(yōu)重合時刻合閘亦可以將合閘過電壓限制在允許過電壓水平之內。只有確實有效地解決以上問題,才能更好地凸顯單相自適應重合閘的優(yōu)勢,進一步提高現有重合方案的實用性和可行性。2實際單孔自適應雙重觸發(fā)方案2.1多層觸發(fā)方案2.1.1故障并判別故障相別只有單相故障時才進行單相重合,對于相間故障則單相重合應該閉鎖,按現有三相重合閘方案動作。因此,故障后可靠確認單相故障并判別故障相別將有利于單相重合閘的正確動作?，F有線路保護的故障選相的原理及技術已經十分成熟,線路保護能夠可靠判別故障類型并對于單相故障能夠可靠確認故障相,并將對應的斷路器接點信息傳遞給重合閘模塊。由于當前線路保護難以獲取電抗器的電氣量信息,限制了利用電流量的重合閘功能的應用,但在未來數字化變電站中利用電抗器電氣量的重合閘能夠方便實現。2.1.2次短路沖擊及高溫防止過電壓是超/特高壓電網安全運行的重要因素,誤重合于嚴重的單相永久性故障則導致嚴重的二次短路沖擊及過電壓問題。實際上,對于部分非嚴重的永久性故障由于故障特征不明顯可能誤判為瞬時性故障而導致誤重合,但此時對電力系統(tǒng)的沖擊應在允許范圍之內?？傊?對于非嚴重的永久性故障,允許其誤判為瞬時性故障重合再次跳閘,但此時的短路電流沖擊和過電壓均在允許的范圍內。2.1.3損害拍頻判據超/特高壓電網輸送功率容量大,不允許將瞬時性故障判為永久性故障而失去成功重合機會。對于具有顯著拍頻特征的瞬時性故障,應采用可靠性高的拍頻判據;對于部分拍頻特征微弱的瞬時性故障則需要采用靈敏度高的判據,即不受拍頻特征影響的判別方法,如模型參數識別原理判別方法。2.2兩端電抗器等價感抗以圖1所示的兩端帶并聯(lián)電抗器線路為例進行分析。圖中,Xp1、Xp2分別為兩端并聯(lián)電抗器的等值感抗;Xn1、Xn2分別為兩端并聯(lián)電抗器中性點小電抗器等值感抗;iMLφ、iNLφ(φ=A,B,C)分別為兩端并聯(lián)電抗器的電流。2.2.1低頻分量要求以圖1所示線路為例,當線路發(fā)生單相瞬時性故障時,故障點熄弧瞬間故障相電感電容儲能基本釋放完全,之后健全相潛供電流對斷開相對地電容快速充電,隨后斷開相電容的儲能經并聯(lián)電抗器與線路電容構成的低頻振蕩回路緩慢釋放,導致恢復階段的電壓電流量除了工頻分量以外,還存在幅值較大的低頻自振分量及其他自振分量,以致斷開相并聯(lián)電抗器電流存在明顯拍頻現象。理論上,單相瞬時性故障時斷開相并聯(lián)電抗器電流量的低頻自由分量的幅值IL接近或大于工頻分量的幅值I1。以M側斷開相并聯(lián)電抗器電流iMLF(t)為例,即其中,IL、I1分別為低頻自由分量、工頻分量幅值;λL、λ1分別為低頻分量、工頻分量衰減因子;θL、θ1分別為低頻自由分量、工頻分量初相位;ωL、ω1分別為低頻自由分量、工頻分量角頻率。而單相永久性故障時,故障相兩側斷路器跳閘后,斷開相儲能通過故障點可靠放電,斷開相并聯(lián)電抗器電流量以工頻分量為主要形式,不存在低頻分量,此時對應的低頻電流分量幅值IL應接近0。以M側斷開相并聯(lián)電抗器電流iMLF(t)為例,即因此可以通過提取斷開相并聯(lián)電抗器電流的低頻分量實現單相故障性質識別。顯然,具有較大的低頻分量幅值的故障則必然是瞬時性故障,給出瞬時性故障識別判據:其中,系數Kk1取0.01~0.02,ILN為并聯(lián)電抗器的額定工作電流。2.2.2電容故障模型以線路瞬時性故障(熄弧后)模型為參考模型,建立參數識別網絡方程,將線路電容參數Cm、C0作為待求解參數,即其中,為線路電容參數的計算值;iMLφ、iNLφ(φ=A、B、C)為相并聯(lián)電抗器電流;Lp1、Lp2為兩端并聯(lián)電抗器電感;Ln1、Ln2為兩端中性點小電抗器電感。理論上,瞬時性故障時,實際故障模型與參考模型一致,電容參數識別結果與真實電容參數CmR、C0R保持一致,且不應隨時間變化;而永久性故障(未熄弧瞬時性故障)時,實際故障模型與參考模型不一致,電容參數識別結果與實際電容參數差異明顯。據此特點給出如下永久性故障判據:其中,CmR、C0R為線路相間電容、對地電容的真實值;KC1、KC2為裕度系數,可取0.10~0.20。只要式(5)在判別時間內持續(xù)滿足至少有一個電容參數的識別結果與真實值差異顯著,則判為永久性故障(未熄弧瞬時性故障),重合閘閉鎖;在判別周期內,只有當2個電容參數的計算值均與對應的真實值一致時,可靠判為瞬時性故障且已熄弧。2.3增加電流幅值啟動元件結合前面的分析,給出圖2所示的單相重合閘重合流程。為了避免在部分永久性故障情況下斷開相并聯(lián)電抗器電流幅值過小(如不帶中性點小電抗器線路系統(tǒng))以致電流互感器測量不可靠帶來的判別結果可信度低的問題,在單相跳閘后增加電流幅值啟動元件,如式(6)所示:其中,KE取0.01~0.02;ILφ為斷開相并聯(lián)電抗器電流幅值;ILN為并聯(lián)電抗器的額定工作電流。只有當啟動元件動作以后,才進入永久性故障判別。采用電流啟動元件能夠進一步提高永久性故障判別的可靠性,保證了在斷開相并聯(lián)電抗器電流幅值過小的永久性故障時不會誤重合。待單相跳閘斷開相斷路器斷開狀態(tài)確定后,考慮到故障點滅弧和周圍介質去游離的時間,取200ms固定延時后開始采樣計算,電流拍頻判據判為瞬時性故障則表明瞬時性故障且熄弧,經延時確認并收到對端允許重合信號后發(fā)合閘脈沖;如果電流拍頻判據判為永久性故障時,需要電容參數判據進一步確認,直至算法終止時刻到達,可靠判為永久性故障不重合。3瞬時性故障和中小型故障的識別方法仿真分析為了進一步驗證本文所提單相重合閘永久性故障判別方案的實用性和有效性,利用西安交通大學動模試驗室進行帶并聯(lián)電抗器330kV線路的各種單相故障仿真并利用大量仿真數據進行驗證。線路仿真系統(tǒng)如圖3所示,其中線路長度400km,線路正序阻抗Z1=20.34+j141.45Ω,線路零序阻抗Z0=109.28+j421.50Ω,并聯(lián)電抗器感抗Xp1=Xp2=1828.8Ω,中性點小電抗器感抗Xn1=Xn2=574.3Ω。線路TV變比為330kV/0.1kV,TA變比為1250A/1A;并聯(lián)電抗器TA變比為300A/1A。在線路M側電抗器側出口處、線路長度30%處、線路長度50%處、線路長度80%處、N側電抗器出口處共設計了K1、K2、K3、K4、K55個故障點,分別進行了大量的單相瞬時性、單相永久性故障仿真。故障錄波裝置的采樣頻率fs=1200Hz,即每周期24點。首先給出K2處發(fā)生單相故障時的動模仿真錄波波形,瞬時性故障和永久性故障時M側故障相端電壓及對應并聯(lián)電抗器電流分別如圖4、圖5所示。由圖4、圖5的故障錄波結果可知,單相瞬時性故障待故障熄弧后,斷開相端電壓及并聯(lián)電抗器電流均具有較大幅值且在熄弧后初始階段具有顯著拍頻特征;盡管隨著低頻自振分量的衰減,斷開相電氣量的拍頻特征逐漸減弱,但熄弧后具有顯著拍頻特征的時間已經足以實現瞬時性故障的判別。單相永久性故障待故障相跳閘后,二次電弧熄弧快速,很快進入穩(wěn)態(tài)階段,斷開相端電壓和對應并聯(lián)電抗器電流基本為工頻周期信號;斷開相端電壓幅值很小,甚至不到線路額定電壓的5%,但此時對應的斷開相并聯(lián)電抗器電流則具有較大幅值,甚至超過正常工作電流的20%。相對而言,利用斷開相并聯(lián)電抗器的電流判別較端電壓更為可靠。接下來利用部分仿真數據對本文所提的電流低頻分量幅值判據及線路電容參數識別判據的性能進行了驗證。圖6、圖7分別給出了瞬時性故障時所提拍頻特性判據和電容參數識別判據的計算結果;圖8、圖9分別給出了永久性故障時拍頻特性判據和電容參數識別判據的計算結果。由圖6(a)的計算結果可以看出,瞬時性故障熄弧后斷開相并聯(lián)電抗器電流的低頻自振分量具有較大的幅值,且低頻分量衰減緩慢,在熄弧至重合前較長時間內均具有較大幅值;盡管當低頻分量的幅值接近衰減完全時,此時拍頻特征不明顯以致基于拍頻特征的判別方法失效,但熄弧后較長時間內斷開相并聯(lián)電抗器電流所具備的顯著拍頻特征已經足以實現瞬時性故障的判別,且可以實現隨熄弧快慢的自適應調整重合時間。圖6(b)所示的永久性故障時拍頻特性判據的計算結果表明,低頻分量的幅值很小,在進入穩(wěn)態(tài)階段低頻分量幅值小于整定門檻,可靠判為永久性故障。由圖7(a)的計算結果可知,瞬時性故障待故障點熄弧后較長的時間內,由于熄弧后故障模型與識別模型一致,此時線路相間電容參數和對地電容參數的計算值均與對應的真實值接近,相對誤差在10%以內,能夠可靠判為瞬時性故障。圖7(b)所示永久性故障時線路電容參數計算結果與對應真實值差異顯著,甚至出現負值,表明實際故障模型與識別參考模型差異顯著,即可靠判為永久性故障。相對低頻分量幅值特性的判據,線路電容參數識別判據的適用時間更長,其性能基本不受低頻分量的影響。從上述仿真計算結果可以看出,低頻電流幅值判據對于具有顯著拍頻特征的瞬時性故障能夠靈敏可靠識別,一旦拍頻特征不明顯即存在誤判為永久性故障的可能性。線路電容參數識別的永久性故障判別方法不受拍頻特性的影響,較低頻電流分量幅值特性判據的性能更加優(yōu)良,