特高壓輸電技術(shù)的安全與發(fā)展

特高壓輸電技術(shù)的安全與發(fā)展

0特高壓輸電系統(tǒng)的繼電保護國內(nèi)外的實踐和研究經(jīng)驗表明，高壓輸電技術(shù)能夠從長遠來看輸送能源，節(jié)約線路走廊，提高電網(wǎng)的安全性，具有顯著的社會和經(jīng)濟效益。近年來,特高壓輸電技術(shù)正在快速發(fā)展之中,目前我國已建立了特高壓交流輸電和直流輸電的試驗基地,并且正在大力建設(shè)由晉西南站至荊門站全長654km的1000kV特高壓交流輸電試驗示范工程。由于目前國內(nèi)外尚未有成熟的、長時間的、大范圍應(yīng)用的經(jīng)驗,因此特高壓輸電對我國完全是一個嶄新的課題,必須大力進行周密、嚴謹?shù)难芯抗ぷ?解決面臨的可能出現(xiàn)的各種技術(shù)問題。特高壓輸電是聯(lián)系整個電力系統(tǒng)的骨架,其安全可靠運行對于全系統(tǒng)的安全可靠運行起著決定性的作用,故對其繼電保護的性能和可靠性要求極高。國內(nèi)的電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)在≤500kV的電力系統(tǒng)中,從制造到運行都積累了豐富的、成熟的經(jīng)驗,在750kV系統(tǒng)中也得到驗證,這為1000kV特高壓系統(tǒng)的繼電保護裝置的研制和運行打下了很好的基礎(chǔ)。但由于特高壓輸電系統(tǒng)還有一些不同的特點,有必要弄清楚其與高壓輸電系統(tǒng)的異同,以便采取更加可靠的技術(shù)方案,確保特高壓試驗示范工程安全可靠的投運。電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗(以下簡稱為動模試驗)是采用與原型系統(tǒng)具有相同的物理性質(zhì)和標幺值參數(shù)的模擬元件、根據(jù)相似原理建立起的系統(tǒng)模型進行的試驗,能夠真實和動態(tài)地再現(xiàn)原型系統(tǒng)的各種運行工況和擾動過程,并且可以完成因各種局限性造成的仿真試驗和真機試驗無法進行的實驗項目,是研究電力系統(tǒng)的重要工具。本文針對我國1000kV特高壓變壓器的結(jié)構(gòu)和運行的特點,通過動模試驗對其差動保護方案進行了研究。1變壓器主磁阻1000kV特高壓變壓器采用中性點無勵磁調(diào)壓方式,由主變壓器和調(diào)壓變壓器兩個獨立部分組成,主變壓器與調(diào)壓變壓器通過外接引線進行連接。主變壓器由3個獨立的不帶調(diào)壓的單相自耦變壓器組成,自耦變壓器為單相四柱結(jié)構(gòu),兩心柱套線圈,每柱50%容量,三相變壓器采用YN、yn、d11的繞組接線方式。調(diào)壓變壓器內(nèi)包括無勵磁分接開關(guān)、調(diào)壓繞組和補償繞組,其中無勵磁分接開關(guān)和調(diào)壓繞組實現(xiàn)中性點無勵磁調(diào)壓功能,補償繞組實現(xiàn)低壓繞組電壓補償功能,消除調(diào)壓過程中引起主變壓器內(nèi)部主磁場變化而導(dǎo)致的低壓繞組電壓出現(xiàn)波動情況,保持低壓側(cè)電壓恒定。特高壓變壓器采用此結(jié)構(gòu),不僅方便變壓器的運輸,而且使得主鐵心磁路相對簡單,變壓器本體絕緣結(jié)構(gòu)簡化,在運行中如果調(diào)壓裝置發(fā)生故障,更易檢修和更換。特高壓變壓器的單相結(jié)構(gòu)及TA配置如圖1所示。1000kV特高壓變壓器原型及其動模試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計參數(shù)如表1所示。2低壓差動配置設(shè)置特別高壓壓壓裝置2.1特殊情況下高壓壓壓控制器的保護與常規(guī)高壓變壓器保護相比較,特高壓變壓器保護存在著下面一些特殊問題。1特高壓線路的故障工況,一般在缺乏相應(yīng)的客特高壓線路的結(jié)構(gòu)與參數(shù)與超高壓系統(tǒng)不同,相應(yīng)地故障暫態(tài)過程也有所差別,可能引起變壓器保護誤動作。在線路結(jié)構(gòu)方面,特高壓線路的主要特點是線路長而且分為兩段,并在每段的兩側(cè)裝設(shè)有高壓并聯(lián)電抗器,使得特高壓線路的故障工況和過程有其特殊性。在線路參數(shù)方面,特高壓線路單位長度的電感和電容參數(shù)與500kV線路相近,而電阻參數(shù)較小,因此特高壓線路的衰減時間常數(shù)(τ=0.12s)遠大于500kV線路的衰減時間常數(shù)(約τ=0.05s)。衰減緩慢的非周期分量對保護的影響較大,要采取有效的措施來減小其影響,一方面保護裝置需要有較好的濾除衰減直流分量的算法,避免衰減直流分量帶來的測量誤差引起保護誤動;另一方面,衰減時間常數(shù)較大的直流分量可能引起電流互感器TA暫態(tài)飽和,需要采用TPY型的電流互感器并且留有足夠容量余量,同時保護裝置要采用合理的TA飽和判據(jù)。2變壓器配置情況特高壓變壓器與高壓變壓器的不同還在于增加了獨立的調(diào)壓變壓器部分,且調(diào)壓變壓器的容量也很大,所以應(yīng)特別注意調(diào)壓變壓器發(fā)生內(nèi)部故障的保護問題。按照常規(guī)變壓器保護的配置情況,特高壓變壓器配置的常規(guī)全電量差動保護和故障分量差動保護采用了變壓器各側(cè)出口的電流量來計算差動電流,同時也將調(diào)壓繞組和補償繞組包含在其保護范圍之內(nèi),理論上可以反映調(diào)壓變壓器的內(nèi)部故障。但由于相對于主繞組匝數(shù)而言,調(diào)壓繞組和補償繞組的匝數(shù)較少,且與主繞組不在同一個鐵心上,所以當(dāng)調(diào)壓繞組和補償繞組上發(fā)生小匝數(shù)的匝間故障時,通過匝數(shù)比和漏電抗關(guān)系折算到主繞組后的折算短路匝比較小,常規(guī)全電量差動保護和故障分量差動保護可能無法靈敏地動作。后文將通過動模試驗對此問題進行研究。3勵磁涌流相互連接當(dāng)特高壓變壓器空載合閘時,由于其主繞組、調(diào)壓繞組和補償繞組相互連接,勵磁涌流會流過所有繞組,流過各個繞組的涌流表現(xiàn)出不確定性,有可能引起差動保護誤動。后文將通過變壓器空載合閘試驗,研究流過各個繞組的涌流波形特征及其差動保護的動作情況。4短路阻抗分析常見500kV高壓變壓器短路阻抗參數(shù)約為:UH-M=10%,UH-L=40%,UM-L=20%,而特高壓變壓器的短路阻抗為:UH-M=18%,UH-L=62%,UM-L=40%,相對而言,特高壓變壓器的短路阻抗設(shè)計的較大,目的在于限制變壓器內(nèi)部或出口處短路故障時短路電流大小,但同時也降低了變壓器內(nèi)部匝間故障時差動保護的靈敏度。2.2變壓器內(nèi)部差動保護特高壓變壓器的主變壓器由3個獨立的不帶調(diào)壓的單相自耦變壓器組成,故其差動保護配置與常規(guī)高壓變壓器大致相同。特高壓變壓器的差動保護及相關(guān)TA配置如圖1所示,需要配置的差動保護包括常規(guī)全電量差動保護(以下簡稱大差差動保護)、故障分量差動保護、零序差動保護、分側(cè)差動保護。同時,由于低壓側(cè)三角形繞組內(nèi)配置了套管TA,可以配置主繞組分相差動保護,以提高主繞組內(nèi)部故障時的靈敏度。針對上述差動保護反映調(diào)壓變壓器的內(nèi)部匝間故障靈敏度不足的問題,還需要配置調(diào)壓繞組差動保護和補償繞組差動保護來提高調(diào)壓變壓器內(nèi)部故障的靈敏度。需要說明的是,圖1中的TA按動模試驗?zāi)Ｐ偷慕泳€方式配置,但在實際的特高壓系統(tǒng)中,變壓器的高、中壓側(cè)采用一個半開關(guān)接線方式,低壓側(cè)采用雙母線分段接線方式。相應(yīng)地,高、中、低壓側(cè)的TA應(yīng)按斷路器位置配置。3特高壓線路模型華中科技大學(xué)動態(tài)模擬實驗室參考我國特高壓交流輸電試驗示范工程的設(shè)計參數(shù)研制了1000kV特高壓動模試驗系統(tǒng),可以近似真實地模擬特高壓輸電系統(tǒng)的運行。特高壓交流輸電試驗示范工程的輸電線路分為兩段,晉東南至南陽開關(guān)站段長度為363km、南陽開關(guān)站至荊門段長度為291km。動模試驗系統(tǒng)采用了多組∏型等值模型單元來模擬特高壓線路,模型在結(jié)構(gòu)和參數(shù)上與實際特高壓線路的設(shè)計參數(shù)近似相同。另外,特高壓線路模型的兩端和中間共設(shè)置了若干個故障點,每個故障點均可以模擬各種類型的故障。特高壓變壓器的動模試驗?zāi)Ｐ鸵詴x東南站的1000kV變壓器為原型制造,在設(shè)計和制造時從某些內(nèi)部結(jié)構(gòu)、鐵心材料、標幺值參數(shù)等方面考慮了與原型系統(tǒng)的相似性,能滿足工程研究的要求。同時在變壓器模型的主繞組、調(diào)壓繞組和補償繞組的不同位置設(shè)置了抽頭,可真實模擬各繞組的內(nèi)部匝間短路故障試驗。變壓器試驗?zāi)Ｐ偷碾姎鈪?shù)如表1所示。特高壓變壓器動模試驗接線如圖2所示,低壓側(cè)連接了模擬并聯(lián)電抗器組。4動態(tài)模型試驗研究4.1主變壓器間互聯(lián)互通差動保護的原理理論上,大差差動保護能反映整個變壓器的內(nèi)部故障,但是因為反映部分故障的靈敏度不足,所以配置了分相差動保護以增加主繞組內(nèi)部輕微匝間故障時的靈敏度,配置了故障分量差動保護以提高重負荷下輕微匝間故障時的靈敏度,配置了零序差動保護以提高單相接地故障時的靈敏度,而分側(cè)差動保護可以躲開過勵磁和勵磁涌流工況的影響,靈敏反應(yīng)相間短路故障。大量動模試驗的數(shù)據(jù)分析表明,大差差動保護能靈敏反應(yīng)主繞組的各種故障,因此下文只分析了大差差動保護的動作情況。在計算大差差動保護的差動電流時,高、中壓側(cè)采用了兩相電流差的方式進行電流相位補償,對于調(diào)壓繞組差動保護和補償繞組差動保護,采用流過繞組兩側(cè)的電流來計算差動電流。特高壓變壓器模型的主變壓器的公共繞組原方發(fā)生C相3%輕微匝間短路時,采用全周傅氏算法計算大差差動保護的差動電流幅值(TA二次側(cè)電流)Ir如圖3所示。因為大差差動保護在計算差動電流時高、中壓側(cè)采用了兩相電流差的相位補償方式,所以C相故障時計算出的B、C相差動電流均較大,明顯超過了差流門檻值(按照整定要求,文中所有差流門檻值均取0.3A),同時內(nèi)部匝間故障時制動電流較小,所以大差差動保護能可靠動作。4.2差動保護差動電流幅值特高壓變壓器的調(diào)壓繞組原方發(fā)生C相50%嚴重匝間故障時,計算大差差動保護和調(diào)壓繞組差動保護差動電流的幅值(TA二次側(cè))Ir和Im分別如圖4所示,大差差動保護的差流明顯低于差流門檻值,而調(diào)壓繞組差動保護的C相差流達到3A,可以快速正確動作。因此對于調(diào)壓繞組的內(nèi)部故障,大差差動保護的靈敏度明顯不足,而調(diào)壓繞組差動保護的靈敏度較高。4.3補償不同導(dǎo)向的差動電流幅值比較特高壓變壓器的補償繞組原方發(fā)生C相40%嚴重匝間短路時,計算大差差動保護和補償繞組差動保護的差動電流幅值(TA二次側(cè))Ir和Ic分別如圖5所示,大差差動保護的差流明顯低于差流門檻值,而補償繞組差動保護的C相差動電流幅值達到0.8A,明顯超過了差流門檻值。顯然,對于補償繞組的內(nèi)部故障,大差差動保護的靈敏度不夠,而補償繞組差動保護靈敏度較高。4.4變壓器空投時差動保護的影響當(dāng)特高壓變壓器空載合閘時,由于其主繞組、調(diào)壓繞組和補償繞組相互連接,勵磁涌流會流過所有繞組,可能引起差動保護誤動,下面通過變壓器空載合閘試驗對此進行分析。如圖6所示,記錄了一次變壓器從中壓側(cè)空載合閘時,大差差動保護、調(diào)壓繞組差動保護、補償繞組差動保護的差流Id及其二次諧波含量Id2。由圖6(a)和(b)可知,由于主繞組與調(diào)壓繞組原方是串聯(lián)關(guān)系,因此變壓器空投時大差差動保護和調(diào)壓繞組差動保護的差流均表現(xiàn)為較大的勵磁涌流,但同時差流二次諧波含量均較高(>20%),因此差動保護可被有效制動。如圖6(c)所示,變壓器空投時通過調(diào)壓繞組回路耦合到補償繞組的涌流較小,且二次諧波含量也較高(A相二次諧波含量較低,但差流低于門檻值),補償繞組差動保護也可被有效制動。值得注意的是,因為變壓器空載合閘時勵磁涌流的產(chǎn)生受變壓器鐵心的勵磁特性和剩磁、系統(tǒng)側(cè)電壓和阻抗、合閘角等各方面因素的影響,所以特高壓變壓器空載合閘動模試驗的條件不可能與現(xiàn)場實際情況完全相同,涌流的大小和二次諧波含量也會有所差別。實際上,就目前而言雖然二次諧波制動原理被現(xiàn)場廣泛采用,但也并不是一種完全可靠的涌流制動方法,所以上述的空載合閘動模試驗結(jié)果只能說明流過特高壓變壓器各繞組的涌流特征,同時說明二次諧波制動原理對調(diào)壓繞組差動保護和補償繞組差動保護有一定的涌流制動作用。5特高壓變壓器穩(wěn)定性保護研究進展特高壓交流輸電系統(tǒng)因其傳輸容量巨大,事故對電網(wǎng)的安全威脅嚴重,繼電保護能否正確動作對系統(tǒng)影響甚大,而且特高壓輸