高壓線路全電流差動保護的研究

高壓線路全電流差動保護的研究

0電容電流補償的線路差動保護新原理隨著光纖在能源系統(tǒng)中的廣泛應用，為了保護線路的差動，有很多手段可以實現線路的差動。由于差動保護原理的諸多優(yōu)勢,例如不受振蕩影響、不受轉換性故障影響等,使其在電力系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。在超高壓、長線路上,全電流差動保護不可避免地受到電容電流的影響。為避免保護誤動,全電流差動保護的定值要躲開電容電流,這降低了保護的抗過渡電阻能力。為消除電容電流對差動保護的負面影響,最直接的想法是在差電流中減去電容電流。從這個思路出發(fā),文獻研究了電容電流的各種補償方法,以消除差電流中電容電流的影響,從而降低保護定值,增強保護抗過渡電阻能力。但是,這些方法幾乎都需知道線路的電容參數和補償電抗器參數,從而增加了保護的復雜性。另外,由于補償電抗器的投切由運行方式決定,保護難以確切得知補償電抗器的運行狀態(tài),這使得目前的電容電流補償方法帶有一定的盲目性?？梢?研究與線路的電容參數和補償電抗器的投切無關的、不受電容電流影響的差動保護判據,具有很好的工程實用價值。本文試圖研究不需要電容電流補償的線路差動保護新原理。線路上發(fā)生高阻接地故障時,故障相差電流包括對地電容電流及流過接地電阻的電流,兩者相位相差90°。線路正常運行或發(fā)生外部故障時,差電流中僅包含電容性電流,沒有電阻性電流。如果僅使用差電流中的電阻性分量來構成差動保護判據,將可以消除電容電流的影響,提高保護的靈敏度。本文提出了基于電阻性差流分量的差動保護新原理,分析了正常運行、區(qū)外故障、區(qū)內帶電阻接地故障時電阻性差電流的特點,得出了計算電阻性差電流的方法,并使用EMTP數據進行了驗證。1基于電阻性差流的差動保護原則1.1線路各差分電流對于被保護線路,正常運行或發(fā)生區(qū)外故障時,差電流全部由電容電流構成,可以采用圖1所示的線路π型等值電路模型來表示。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相對于(˙Um+˙Un)超前90°。令IcdR=Icdcosφ,其中,Ιcd=|˙Ιm+˙Ιn|,φ為˙Ιcd超前(˙Um+˙Un)的角度,即有φ=90°。顯然,在線路正常運行及發(fā)生區(qū)外故障時,IcdR=0。1.2故障相等效電路˙Uf=˙Uf0Rf+2Ζ1f+Ζ0f3Rf(1)式中:˙Uf0為f點故障前的電壓;Z1f為f點的系統(tǒng)正序輸入阻抗;Z0f為f點的系統(tǒng)零序輸入阻抗;Rf為f點的接地電阻。由式(1)可知,發(fā)生高阻接地故障時,故障點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,故障相差電流由流過電容的電流和流過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(˙Um+˙Un)與˙Uf同相位,則˙Ιcd,˙Ιc,˙ΙcdR之間的相位關系如圖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,˙ΙcdR反映差電流中的電阻性分量。1.3差動保護的安全性由上文分析可知,線路上發(fā)生高阻接地故障時,˙ΙcdR可以反映差電流中的電阻性分量,而正常運行及區(qū)外故障時,IcdR=0?？梢?如果使用˙ΙcdR作為動作量構成差動保護,將具有極高的安全性。據此,本文提出基于電阻性差流的差動保護判據為:{ΙcdR>ΙsetΙzd<ΙhΙcdR>Ιset+k(Ιzd-Ιh)Ιzd≥Ιh(3)式中:Iset為電流門檻值:k為比例制動因數;Ιzd=|˙Ιm-˙Ιn|;ΙcdR=|˙Ιm+˙Ιn|cosφ;Ih為制動電流拐點值;˙Ιm?˙Ιn為線路兩端電流,其正方向為由母線指向線路;φ=arg(˙Ιm+˙Ιn˙Uref);˙Uref為計算電阻性差流時的參考電壓,˙Uref=˙Um+˙Un。2分析了基于衰減流量差流的差動保護性能2.1計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,如果(˙Um+˙Un)和˙Uf同相位,則˙ΙcdR為流過接地電阻的實際電流。但在線路實際運行中,(˙Um+˙Un)和˙Uf的相位總會有差異,使得IcdR的理論值和實際流過接地電阻的電流值會有差別。線路中點發(fā)生高阻接地故障時,故障點電壓˙Uf=(˙Um+˙Un)/2,與參考電壓˙Uref相位相同,此時利用式(2)計算所得電阻性差流IcdR在數值上與流過接地電阻的電流值相等。線路上其他點發(fā)生高阻接地故障時,故障點電壓˙Uf的相位介于˙Um和˙Un這2個相量之間。如果故障點更靠近m側,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、電流相位關系如圖4所示(故障點f更靠近m側)。由圖4可以看出,故障點偏離線路中點時,˙ΙcdR與實際流過接地電阻的電流˙ΙRf有差別,IcdR=IRfcosβ,β為˙ΙRf超前˙ΙcdR的角度,顯然有IcdR<IRf。故障點更靠近n側時,可以得到同樣的結論。線路兩端保護安裝處發(fā)生高阻接地故障時,β最大,IcdR與IRf的差別最大。圖4中,δ為兩側母線電壓夾角,系統(tǒng)正常運行時,δ一般不超過30°,所以有β≤δ/2≤15°。易知,線路上各點發(fā)生故障時,均有IcdR≥IRfcos15°=0.966IRf?？梢?線路上發(fā)生高阻接地故障時,IcdR在數值上與實際流過接地電阻的電流值很接近。2.2l+c+b+b的相位裝有補償電抗器的線路上發(fā)生高阻接地故障時,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電容的電流、流過電抗器的電流和流過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償方式,因此(˙ΙL+˙Ιc)的相位與˙Ιc的相位相同,并且當線路某側電抗器退出運行時,上述關系也成立。設(˙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°,與上文分析類似,仍然可以采用式(2)計算差電流的電阻性分量?？梢?由電阻性差流構成的差動保護判據不受補償電抗器投切與否的影響。2.3全電流差動保護判據相結合從上文分析可知,基于電阻性差流的差動保護判據消除了電容電流的影響,線路正常運行或發(fā)生區(qū)外故障時,電阻性差流的理論值為0,因此可以很靈敏地整定,以提高保護的抗過渡電阻能力。線路上發(fā)生金屬性故障或經較小過渡電阻接地的故障時,差電流中的電阻性差流變小,此時,基于電阻性差流的差動保護判據的性能不如全電流差動判據。而發(fā)生此類故障時,即使按照躲過電容電流整定保護定值,全電流差動保護判據仍有很好的性能,可以可靠地動作。因此,理想的方案是將全電流差動保護判據與基于電阻性差流的差動保護判據相結合。組合方案對于金屬性故障及高阻接地故障,都會有很好的保護效果。圖7為2種判據相結合所構成的差動保護邏輯圖。全電流差動保護判據和基于電阻性差流的差動保護判據采用同一形式:{Ιcd>Ιset1Ιzd<ΙhΙcd>Ιset1+k1(Ιzd-Ιh)Ιzd≥Ιh式中:Iset1為全電流差動保護判據的電流門檻值;k1為比例制動因數;Ιcd=|˙Ιm+˙Ιn|。整定Iset1時,要躲開發(fā)生外部故障時的暫態(tài)電容電流和線路正常運行時的電容電流,而整定式(3)中的Iset時,則僅需躲開正常運行及外部故障時的電阻性差流,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,由于基于電阻性差流的差動保護判據的差電流門檻值可以取得比較小,因此其保護動作范圍要比全電流差動保護的動作范圍大。為對比在高阻接地故障下2種保護判據的性能,將二者的動作特性繪于圖8中。由圖8可以看出,基于電阻性差流的差動保護判據的保護范圍要大于全電流差動保護判據。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作范圍。3全電流差分動保護仿真使用EMTP仿真軟件建立了一個分布式參數線路模型,對新方法進行驗證。由于基于電阻性差流的差動保護對于單相經過渡電阻接地故障的靈敏度高,而對于單相或相間金屬性故障,其保護性能要差一些,而此時全電流差動保護能夠可靠動作。因此,本文只對單相接地故障進行了仿真,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)電壓等級為500kV,線路長度為400km,兩側電源電勢之間的相位差為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。線路正序參數為r1=0.01958Ω/km,l1=0.8192mH/km,c1=0.0135μF/km;線路零序參數為r0=0.1828Ω/km,l0=2.74mH/km,c0=0.0092μF/km。在K1,K2,K3,K4各點模擬經不同過渡電阻的單相接地故障,計算時采用全周期傅里葉濾波算法,采樣頻率為2000Hz。為保證可靠性,全電流差動保護的電流門檻值一般按照躲開2倍的電容電流進行整定。仿真系統(tǒng)正常運行時,電容電流約為0.4A,因此取Iset1=0.8A,k1=0.75,Ih=2A。仿真系統(tǒng)正常運行及區(qū)外故障時,差電流中的電阻性分量不超過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中的或門出口。對線路正常運行、區(qū)外故障、區(qū)內經不同過渡電阻單相接地故障進行了仿真,表1給出部分仿真結果,詳細仿真結果見附錄A。仿真結果顯示,系統(tǒng)正常運行及發(fā)生外部故障時,電阻性差流很小,不到0.1A,基于電阻性差流的差動保護有很高的安全性。保護區(qū)內發(fā)生高阻接地故障時,若接地電阻大于等于300Ω,則全電流差動保護已經不能可靠動作,而組合方案仍然可以可靠動作?？梢?將基于電阻性差流的差動保護判據和全電流差動保護判據相結合,提高了保護的抗過渡電阻能