750kv線路繼電保護(hù)方案研究

750kv線路繼電保護(hù)方案研究

0模型材料的應(yīng)用隨著西北電網(wǎng)的發(fā)展，330kv電壓等級的供電網(wǎng)絡(luò)無法滿足需求。建設(shè)高電壓等級電網(wǎng)的供電網(wǎng)絡(luò)非常重要。750kV超高壓輸電線路的建設(shè)是我國西北現(xiàn)有330kV輸電線路向高一級電壓輸電等級的自然發(fā)展,同時,這一級電壓等級的輸電技術(shù)在國外已比較成熟。它的建成不僅對優(yōu)化運行水電資源主要分布在西部、而火電資源主要分布在東部的西北電網(wǎng)具有重要意義,而且對實現(xiàn)全國統(tǒng)一大電網(wǎng)的西電東送也具有重要意義。文獻(xiàn)指出國外研究中的遠(yuǎn)距離特高壓電網(wǎng)的電壓等級已達(dá)到1150kV。盡管1150kV特高壓輸電目前還沒有達(dá)到可推廣使用的程度,但與此電壓等級相應(yīng)的輸電系統(tǒng)的大型電力變壓器和輸電系統(tǒng)的繼電保護(hù)及電力系統(tǒng)自動裝置的研究已有報道。到目前為止,世界上已有美國、前獨聯(lián)體國家、加拿大、巴西、委內(nèi)瑞亞等十幾個國家建設(shè)了750kV輸電系統(tǒng),750kV線路總長已超過了27000km,且各種輸變電線路的繼電保護(hù)設(shè)備均有較成熟的運行經(jīng)驗,多年來未出現(xiàn)重大的設(shè)備事故以及繼電保護(hù)誤動或拒動事故。750kV是我國新的電壓等級,加之我國西北地區(qū)特有的高海拔、惡劣氣候等問題,與330kV和500kV等高壓線路相比,由于其自然功率大、波阻抗小,超高壓長距離線路的分布電容電流將達(dá)到很高的水平。超高壓電網(wǎng)線路參數(shù)(包括電阻、電感、電容和漏電導(dǎo))的分布性以及電網(wǎng)中安裝的串聯(lián)補(bǔ)償電容和并聯(lián)電抗器的影響,使故障暫態(tài)過程中的電氣量中含有大量的諧波分量。同時,電網(wǎng)中電感與電阻的比值大,時間常數(shù)大,非周期分量和諧波分量衰減緩慢,這將對快速保護(hù)產(chǎn)生一定的影響。分相電流差動保護(hù)目前廣泛應(yīng)用于500kV等高壓輸電線路,其運行經(jīng)驗表明,該保護(hù)能較好地滿足快速有選擇切除故障的要求,但在750kV超高壓長距離輸電的情況下,電容電流顯著增大,差動保護(hù)能否正常工作需要作進(jìn)一步研究[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]。本文將結(jié)合西北750kV超高壓輸電線路的具體參數(shù),建立750kV超高壓線路的EMTP模型,針對750kV超高壓線路的特殊問題,在系統(tǒng)不同的運行方式下對各種故障進(jìn)行仿真計算,探討普通相量差動、故障分量差動和零序差動保護(hù)在采取各種補(bǔ)償措施后的動作特性及效果,并對750kV和500kV線路差動保護(hù)的動作特性進(jìn)行比較和分析。175電源模型的建立750kV西北超高壓輸電線路EMTP模型的系統(tǒng)接線圖見圖1。圖中:R、L和C分別為線路的電阻、電感和電容(分布參數(shù));圖1(a)中的EM和EN分別為蘭州東和平?jīng)鰝?cè)電源的等值電勢,ZMS和ZNS分別為蘭州東和平?jīng)鰝?cè)電源的等值阻抗;圖1(c)中的EM、EN和EY分別為滿坪、蘭州東和平?jīng)鰝?cè)電源的等值電勢,ZMS、ZNS和ZYS分別為滿坪、蘭州東和平?jīng)鰝?cè)電源的等值阻抗。對于滿蘭線,為反映330kV系統(tǒng)對750kV系統(tǒng)的影響,建立的是一個如圖1(c)所示的3電源模型;對于蘭平線,由于平?jīng)鰝?cè)為開關(guān)站,因此可用一個2電源模型模擬,同時為討論并聯(lián)電抗器對保護(hù)的影響,對蘭平線建立了一個如圖1(b)所示的有電抗補(bǔ)償?shù)哪Ｐ秃腿鐖D1(a)所示的無電抗補(bǔ)償?shù)哪Ｐ?。EMTP仿真計算產(chǎn)生每工頻周波100點的數(shù)據(jù),模型暫時沒有考慮故障轉(zhuǎn)移的情況。西北電網(wǎng)2006年750kV滿坪—蘭平系統(tǒng)阻抗和蘭州—關(guān)中系統(tǒng)阻抗分別如表1和2所示。275模擬分析0kv線路的電壓差動保護(hù)2.13相量差動保護(hù)差動電流判據(jù)靈敏度高,能適應(yīng)電力系統(tǒng)的振蕩、非全相等各種復(fù)雜的運行方式,電流差動保護(hù)的動作速度快,可適應(yīng)任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜電力網(wǎng)絡(luò),因而成為超高壓線路中首選的主保護(hù)?，F(xiàn)在常用的差動動作判據(jù)有相量差動判據(jù)、零序差動判據(jù)、突變量差動判據(jù),這些差動動作判據(jù)克服了國外判據(jù)在內(nèi)、外部故障時具有相同制動作用的不足,具有概念明確、形式直觀、動作特性分析方便等優(yōu)點,在一般情況下能夠滿足靈敏度和穩(wěn)定性的要求。相量差動保護(hù)的原理如下:式中:為線路兩端的電流;K為制動系數(shù);Izd為相量差動保護(hù)制動電流的門檻。零序差動保護(hù)的原理如下:式中:IM0、IN0為線路兩端的零序電流;I0zd為零序制動電流的門檻。故障分量差動保護(hù)的原理如下:式中:為線路兩端的故障分量;?Izd為故障分量差動保護(hù)制動電流的門檻;一般來說,0<K<1。M?I和N?I根據(jù)上文建立的EMTP模型和仿真計算方法,本文計算得到了750kV線路內(nèi)、外部故障時的相關(guān)數(shù)據(jù),在不補(bǔ)償電容電流和補(bǔ)償電容電流2種情況下,分別計算了相量差動保護(hù)判據(jù)和故障分量差動保護(hù)判據(jù)的臨界動作整定值,下文以750kV蘭平線為例說明750kV線路差動保護(hù)的特性。需要指出,電容電流補(bǔ)償方式采用半補(bǔ)償方式。2.2相量和輔助判據(jù)整定值在750kV系統(tǒng)中,線路分布電容的影響使得在正常運行情況下的線路兩端的不平衡電流(差流)很大,750kV蘭平線不帶電抗補(bǔ)償時的不平衡電流高達(dá)800A,且兩端電流的相角有較大偏移。線路帶電抗補(bǔ)償后,其不平衡電流和相角偏移都有一定程度地減小,這些會影響相量差動保護(hù)的動作性能。(1)750kV線路相量差動判據(jù)的正確動作率。在各種電勢角下,對750kV蘭平線發(fā)生的內(nèi)、外故障進(jìn)行EMTP仿真,考察式(1)(2)的誤動率。無電容電流補(bǔ)償、線路帶電抗補(bǔ)償(無電容電流補(bǔ)償)和帶電容電流補(bǔ)償3種情況下,在保證內(nèi)部故障不拒動的前提下,考慮不同短路點、短路類型及不同接地電阻等多種情況,夏大方式下蘭平線內(nèi)部故障時非故障相各判據(jù)的誤動率以及外部故障時各判據(jù)的誤動率見表3。表中的誤動率是指在不同的電勢角下各種故障組合中保護(hù)誤動所占的比例。為便于敘述,下文稱式(1)為輔助判據(jù),式(2)為主判據(jù)。對EMTP仿真計算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行2階RC低通無源濾波,得到了每工頻周波100點的采樣值。從故障時刻起的數(shù)據(jù)窗開始計算,以后逐點向后推移數(shù)據(jù)窗直到故障后的第4個周期,將這段時間內(nèi)的相量作為保護(hù)判據(jù)用的相量?；谌ǜ凳纤惴▽ι鲜?00點采樣值進(jìn)行計算,研究具體的保護(hù)判據(jù)時,對每個故障都隨數(shù)據(jù)窗推移得到一組相量,并將這組相量逐一代入到主判據(jù)和輔助判據(jù)中,如果判據(jù)動作,則可根據(jù)最早動作的數(shù)據(jù)窗獲得其動作時間;如果由7個周波的數(shù)據(jù)窗獲得的整組相量都不動作,則認(rèn)為保護(hù)沒有動作。由表3可以看出:在無電容電流補(bǔ)償和線路帶電抗器補(bǔ)償?shù)那闆r下,線路內(nèi)部故障時非故障相和外部故障時故障相的主判據(jù)均有很高的誤動率;而在保護(hù)帶電容電流補(bǔ)償后,內(nèi)部故障時非故障相主判據(jù)的誤動率大大降低,外部故障時故障相的主判據(jù)的誤動率降低到0。因此,電容電流補(bǔ)償是降低相量電流差動判據(jù)誤動率的有效措施。上文討論了電勢角不同時,主判據(jù)和輔助判據(jù)在多種故障情況下的誤動率。至于在多種故障組合情況下,要使保護(hù)在區(qū)內(nèi)故障時可靠動作,區(qū)外故障時可靠不誤動,主判據(jù)和輔助判據(jù)中的K和Izd有無整定值或整定值取值范圍是多少,下文將作進(jìn)一步研究。(2)750kV線路相量差動判據(jù)整定值的范圍。在750kV超高壓輸電線路中,分布電容電流等因素的存在影響了電流差動保護(hù)的動作特性。本文對30240種故障情況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和處理,匯總結(jié)果如表4所示。由表4可以看出:(1)保護(hù)未采用電容電流補(bǔ)償(線路無電抗補(bǔ)償)時,通過仿真得到的區(qū)外故障最大差流為1426A,此電流值為在區(qū)外發(fā)生文中第1節(jié)各種相間及接地短路故障時相差流的最大值,而區(qū)內(nèi)故障的最小差流為1533A,此電流值為在區(qū)內(nèi)發(fā)生文中第1節(jié)所述各種相間及接地短路時相差流的最小值,下文同),為了保證區(qū)外故障不誤動且區(qū)內(nèi)故障有一定的動作靈敏度,由于兩者之間的范圍很小,整定值無從選取。(2)保護(hù)未采用電容電流補(bǔ)償(線路帶電抗補(bǔ)償)時,區(qū)外故障時的最大差流為1346A,而區(qū)內(nèi)故障時的最小差流為1430A,兩者之間的范圍也很小,可調(diào)裕度很小,因此不好選取整定電流的范圍。(3)保護(hù)采用電容電流補(bǔ)償(線路無電抗補(bǔ)償)時,區(qū)外故障時的最大差流為971A,區(qū)內(nèi)故障時的最小差流為1471A,性能得到了明顯改善,可以滿足保護(hù)的要求。(4)保護(hù)采用電容電流補(bǔ)償(線路帶有電抗補(bǔ)償)時,區(qū)外故障時的最大差流為878A,而區(qū)內(nèi)故障時的最小差流為1359A,同樣也可以滿足要求。不難得出結(jié)論:要使750kV線路相量差動判據(jù)的整定值有取值范圍,必須采取電容電流補(bǔ)償?shù)拇胧Ｓ杀?還可以看出:(1)對于單側(cè)電源線路空合于故障的情況,如果不帶電容電流補(bǔ)償,其故障相電流的最小差流為1973A,而非故障相的最大差流為2024A。為使保護(hù)正確動作,整定電流要求大于2024A且小于1973A,兩者之間沒有公共的范圍,無法進(jìn)行整定。經(jīng)過電容電流補(bǔ)償之后,其故障相電流的最小差流為1651A,非故障相的最大差流為1109A,兩者之間的可調(diào)范圍很大,與上述帶電容補(bǔ)償差動保護(hù)判據(jù)所得的整定范圍也有公共的交集,所以經(jīng)過電容補(bǔ)償后可以得到適當(dāng)?shù)恼娏鱽頋M足線路保護(hù)的要求。當(dāng)保護(hù)既有電容電流補(bǔ)償措施,線路又帶有電抗補(bǔ)償時,其故障相電流的最小差流為1676A,非故障相的最大差流為734A,兩者都有所下降,不過非故障相的最大差流下降明顯些,從而使兩者之間的范圍增大,使保護(hù)的靈敏度增加。(2)對于單側(cè)電源線路空載合閘的情況,不帶電容電流補(bǔ)償(線路不帶電抗補(bǔ)償)時,三相中相電流最大值為2550A,在線路帶電抗補(bǔ)償之后,三相中相電流最大值為1494A,比原來未帶電抗補(bǔ)償?shù)那闆r要小得多,這是因為電抗抵消掉了很大一部分的電容電流,減小了分布電容的影響。當(dāng)帶電容電流補(bǔ)償(線路不帶電抗補(bǔ)償)之后,三相中相電流最大值為791A,帶電抗補(bǔ)償之后的相電流最大值為458A,比各自未帶電容補(bǔ)償?shù)那闆r要低得多。(3)對于雙端電源線路區(qū)內(nèi)故障的情況,在不帶電容電流補(bǔ)償?shù)那闆r下,當(dāng)電勢角較大且高阻抗接地時最容易出現(xiàn)拒動,這主要是因為高阻抗接地使故障電流較小,而大電勢角則使得負(fù)荷電流很大,所以制動系數(shù)的選取不容易滿足要求。對于相量差動判據(jù),采取電容補(bǔ)償或電抗補(bǔ)償可以改善其性能,但效果不明顯。2.3帶電容電流補(bǔ)償時故障分量的確定(1)750kV線路故障分量電流判據(jù)的正確動作率。750kV線路故障分量電流差動判據(jù)的正確動作率分析、差動保護(hù)靈敏度的相關(guān)理論和仿真結(jié)果均表明相量差動保護(hù)判據(jù)用于750kV線路保護(hù)時存在問題。通過對各種電勢角下750kV蘭平線發(fā)生內(nèi)、外部故障進(jìn)行EMTP仿真,考察了式(5)(6)的誤動率。無電容電流補(bǔ)償、線路帶電抗補(bǔ)償和保護(hù)帶電容電流補(bǔ)償3種情況下,在保證內(nèi)部故障不拒動的前提下,短路點、短路類型、接地電阻不同時,夏大方式運行的蘭平線內(nèi)部故障時非故障相各判據(jù)的誤動率和外部故障時各判據(jù)的誤動率見表5。為便于敘述,下文稱式(5)為輔助判據(jù),式(6)為主判據(jù)。由表5可以看出,在無電容電流補(bǔ)償(線路帶或不帶電抗器補(bǔ)償)的情況下,內(nèi)部故障時非故障相主判據(jù)的誤動率較高,而對于外部故障,其判據(jù)的誤動率為0;當(dāng)保護(hù)帶電容電流補(bǔ)償后,內(nèi)部故障時非故障相的誤動率和外部故障時故障相的誤動率都為0。因此,電容電流補(bǔ)償也是降低故障分量電流差動判據(jù)誤動率的有效措施。(2)750kV線路故障分量電流差動判據(jù)整定值的范圍。同電流相量差動判據(jù)一樣,750kV超高壓輸電線路中分布電容電流等因素的存在影響了故障分量電流差動判據(jù)的動作特性。30240種故障情況下的數(shù)據(jù)分析和處理結(jié)果見表4。由表4可以看出:(1)不采用電抗補(bǔ)償且不采用電容電流補(bǔ)償時,通過仿真得到的區(qū)外故障時的最大差流為1727.6A,區(qū)內(nèi)故障時的最小差流為1633A,兩者之間發(fā)生沖突,因此對線路保護(hù)來說,整定電流的范圍無從選取,不帶電容補(bǔ)償?shù)墓收戏至坎顒颖Ｗo(hù)無法滿足要求。(2)帶電抗補(bǔ)償而不帶電容補(bǔ)償時,區(qū)外故障的最大差流為1591.67A,區(qū)內(nèi)故障的最小差流為1633A,兩者之間的范圍幾乎為0,因此無法選取整定電流。(3)線路不帶電抗補(bǔ)償而保護(hù)帶電容電流補(bǔ)償時,區(qū)外故障的最大差流為973A,區(qū)內(nèi)故障的最小差流為1792A,可以滿足保護(hù)的要求。(4)線路帶電抗補(bǔ)償而保護(hù)帶電容電流補(bǔ)償時,區(qū)外故障的最大差流為876.8A,區(qū)內(nèi)故障的最小差流為1557A,其整定裕度得到很大地改善,同樣也可以滿足保護(hù)的要求。(5)單側(cè)電源空合于故障和空載合閘時,故障分量差動保護(hù)判據(jù)中的?IM=IM且?IN=IN,此時的判據(jù)和相量差動判據(jù)等效。在不帶電容電流補(bǔ)償?shù)那闆r下,空載合閘時不誤動的定值必須大于2250A,而內(nèi)部故障時故障相的定值又必須小于1592A,二者發(fā)生沖突,其主要原因是分布電容電流的影響。補(bǔ)償后電流定值有較大的整定裕度,其允許范圍為[876A,1557A],靈敏度得到了較大改善。綜上所述并結(jié)合表4中的數(shù)據(jù),對用于750kV線路故障分量的差動保護(hù)進(jìn)行總結(jié):在不帶電容電流補(bǔ)償?shù)母鞣N情況下,故障分量差動判據(jù)動作電流和制動系數(shù)沒有整定范圍,無法滿足750kV線路主保護(hù)的要求;當(dāng)電容電流補(bǔ)償后,故障分量差動性能得到明顯改善,其判據(jù)的K和電流定值的范圍分別取為[0,1.0]和[1109A,1792A]。顯然,整定裕度很大,電容電流補(bǔ)償可作為750kV線路電流差動保護(hù)的首選。2.47故障分量差動保護(hù)判據(jù)的選擇比較表3、4和5可以看出:(1)750kV線路普通相量差動判據(jù)誤動率明顯大于故障分量差動判據(jù)誤動率;(2)在不帶電容電流補(bǔ)償?shù)母鞣N情況下,普通相量差動和故障分量差動判據(jù)都沒有整定值范圍,因此無法作750kV線路的主保護(hù);(3)當(dāng)電容電流補(bǔ)償后,各種保護(hù)判據(jù)的性能都得到了明顯改善,普通相量差動保護(hù)判據(jù)中K和電流定值的范圍分別取為[0,0.3841]和[1109A,1471A],故障分量差動保護(hù)判據(jù)K和電流定值的范圍分別取為[0,1.0]和[876A,1557A],顯然,故障分量差動保護(hù)判據(jù)的整定值容易選取,普通相量差動的整定裕度小。(4)故障分量差動保護(hù)判據(jù)比普通相量差動保護(hù)有更好的選擇性,是一種性能優(yōu)越的保護(hù)判據(jù)。根據(jù)大量的數(shù)字仿真計算結(jié)果還可得出如下結(jié)論:(1)電流差動保護(hù)原理完全適用于西北電網(wǎng)750kV超高壓長線路。(2)普通相量電流差動保護(hù)的性能受電容電流、兩端電源電勢相位差和接地電阻的影響明顯,無法作為750kV線路的主保護(hù)。對于加入電抗補(bǔ)償?shù)木€路,電抗雖補(bǔ)償了一部分電容電流,但效果不夠明顯;加入電容電流補(bǔ)償后,電容電流的影響明顯削弱。所以,電流差動保護(hù)用于750kV超高壓長線時,電容電流補(bǔ)償是必不可少的條件,它可有效防止區(qū)外保護(hù)誤動,提高主保護(hù)的可靠性。在各種電容電流補(bǔ)償方案中,電容電流半補(bǔ)償方案是一種可行的方案。(3)故障分量差動保護(hù)大大削弱了兩端電勢幅值和相位的影響,但電容電流的影響仍很明顯,特別當(dāng)空載合閘時,保護(hù)可能誤動;加入電容補(bǔ)償后,削弱了電容電流的影響,故障分量差動判據(jù)比相量差動判據(jù)有更好的靈敏度和選擇性,帶電容補(bǔ)償?shù)墓收戏至坎顒颖Ｗo(hù)的靈敏度和選擇性均有所提高,且定值整定裕度大,可作為750kV線路主保護(hù)方案的首選。(4)使用故障分量差動保護(hù)有很大的優(yōu)越性,但工頻變化量只在故障初期短時存在,如果由于種種原因使保護(hù)裝置未能在故障初瞬間動作,就不能再反應(yīng)。因此,西北750kV超高壓長線路保護(hù)最好采用帶電容電流補(bǔ)償?shù)钠胀ㄏ嗔坎顒颖Ｗo(hù)和故障分量差動保護(hù)相結(jié)合的差動保護(hù),并以零序差動保護(hù)作輔助保護(hù),以保證保護(hù)裝置能反映故障的全過程且有較高的靈敏度。2.57零序電流過電流保護(hù)的誤差故障分量差動保護(hù)可有效反映重負(fù)荷下的高阻接地故障,但由于突變量存在的時間短,在整個故障處理過程中只能短時開放,其余時間還需使用全電流差動保護(hù),零序電流差動保護(hù)可作為高阻接地故障的一種后備保護(hù)。仿真結(jié)果表明:在正常工作狀態(tài)下,由于超高壓系統(tǒng)的負(fù)荷基本平衡,零序電流很小,零序差動保護(hù)不會誤動。為保證內(nèi)部故障非故障相不誤動而故障相可靠動作,當(dāng)無電容電流補(bǔ)償時,I0zd和K的取值分別為1140A和1.0;有電容電流補(bǔ)償時,I0zd和K的取值分別為340A和1.0;保護(hù)判據(jù)都能夠正確閉鎖外部故障。當(dāng)空載合閘時,雖然有大量諧波存在,但零序電流基本為0,保護(hù)不會誤動。無電容電流補(bǔ)償和有電容電流補(bǔ)償情況下,蘭平線的零序電流見圖2。由圖2可以看出,此時的零序電流數(shù)值分別970和750A,保護(hù)會出現(xiàn)誤動,因而應(yīng)采取相應(yīng)的措施。由圖2還可以看出:當(dāng)本線路非全相運行或本線路非全相運行而又發(fā)生區(qū)外故障時,由于流過線路兩側(cè)的零序電流為穿越性電流,零序電流差動保護(hù)不誤動;當(dāng)本線路非全相運行而又發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時,零序電流差動保護(hù)可以正確動作,但零序負(fù)荷電流的制動作用會使零序電流差動保護(hù)的靈敏度下降。2.67帶電容補(bǔ)償?shù)钠胀ㄏ嗔坎顒釉O(shè)備的仿真線路的電感、線與線之間以及線與地之間的分布電容等分布參數(shù)的存在會使短路暫態(tài)過程中出現(xiàn)隨時間衰減的非周期自由分量和無窮多個不同頻率的隨時間衰減的周期性自由分量。在并聯(lián)電抗器時還要產(chǎn)生一個衰減很慢的非周期自由分量。大量的仿真計算表明,上述因素的存在對750kV系統(tǒng)的影響比500kV系統(tǒng)更嚴(yán)重。在無電抗的情況下