特高压输电线路过电压及保护与控制系统的研究

特高压输电线路过电压及保护

与控制系统的研究

天津大学博士研究生学位论文

研究生： 导师：2023/2/42课题研究背景我国电网相对薄弱，为保障系统稳定运行必须加强骨干网架建设，而经济有效的途径即建设特高压输电线。西北750kV官亭至兰州东输变电示范工程标志着我国电网电压等级由目前最高的500kV即将升级为750kV，实现历史性跨越。2023/2/43特高压输电线绝缘子承受过电压的裕度较小，过电压倍数较高，因而采取各种措施降低过电压倍数，是特高压输电线设计和运行中需要考虑的重要问题。特高压输电线所允许的电压升高的数值与所加电压的持续时间直接相关，因此特高压输电线继电保护与相关自动装置的动作必须考虑限制过电压。2023/2/44论文研究主线特高压输电线继电保护的重要任务之一是保证不产生危及设备和绝缘子的过电压。本文围绕特高压输电线过电压这条主线，全面研究了特高压输电线路保护和自动装置综合控制系统。

2023/2/45论文主要内容电力系统过电压√

特高压输电线路继电保护的跳闸要求特高压输电线路的重合闸输电线路单相自适应重合闸特高压输电线路的并联电抗器特高压输电线路保护与综合控制短窗滤波算法的研究2023/2/46电力系统

过电压

内部过电压

稳态过电压

操作过电压工频电压升高谐振过电压切除空载线路过电压合闸空载线路过电压•••••••••••••••••

大气过电压2023/2/47空载长线的工频电压升高2023/2/48不对称短路引起工频电压升高2023/2/49谐振过电压验证单相重合闸时单相断开情况下故障相是否会产生谐振现象。特高压输电系统内部电容、电感参数配合不当时就会产生危险的谐振过电压。2023/2/410工频过电压的影响工频电压升高的大小将直接影响跳、合闸过电压的幅值；工频电压升高的大小影响被保护设备的工作条件和保护效果；工频电压升高持续时间长短对设备绝缘及其运行性能有重大影响。2023/2/411切除空载线路过电压跳闸时断路器触头间恢复电压的上升速度可能超过介质恢复强度的上升速度，造成电弧重燃现象，从而引起电磁振荡，出现过电压。

2023/2/412合闸空载线路过电压特高压长线分布参数特性使合闸过程是工频稳态分量与多个谐波分量的叠加。

2023/2/413操作过电压的影响对于特高压输电系统，如果按高倍操作过电压考虑，势必导致设备绝缘费用的增加，使设备绝缘结构复杂、体积庞大，影响设备的造价、工程的投资等经济指标。在750kV及特高压系统中必须采取措施将操作过电压强迫限制在一定水平之下。2023/2/414内部过电压综述内部过电压的产生原因、发展过程、影响因素多样，机理各异。断路器的操作往往造成操作过电压，故操作过电压与继电保护的动作紧密相关。继电保护与相关自动装置的动作特性及其配合对工频过电压、操作过电压影响很大。2023/2/415论文主要内容电力系统过电压特高压输电线路继电保护的跳闸要求√

特高压输电线路的重合闸输电线路单相自适应重合闸特高压输电线路的并联电抗器特高压输电线路保护与综合控制短窗滤波算法的研究2023/2/416系统容量对切合输电线路的影响估计最严重的工频电压升高时，应以可能出现的电源容量最小的运行方式为依据。2023/2/417合闸跳闸2023/2/418对继电保护的要求通过研究750kV及特高压输电线过电压、保护与自动装置的动作配合关系，不仅保护了一次设备，还应避免产生危及设备和绝缘子的过电压，从而保证750kV及特高压输电线路的安全可靠运行。实现继电保护与控制等技术的一体化。2023/2/419特高压线路继电保护的跳闸操作1.74倍1.51倍健全相电压2023/2/420对继电保护的跳闸操作的要求俄罗斯规定750kV输电线允许的过电压为：1.3倍允许0.1s；1.4倍允许0.05s。特高压线路所能承受的稳态过电压倍数决定了线路单端断开的允许历时长短。750kV及特高压线路两端断路器切除故障的时间差应该尽量短，一般要小于0.04～0.05s，避免过电压造成绝缘损坏。2023/2/421论文主要内容电力系统过电压特高压输电线路继电保护的跳闸要求特高压输电线路的重合闸√

输电线路单相自适应重合闸特高压输电线路的并联电抗器特高压输电线路保护与综合控制短窗滤波算法的研究2023/2/422特高压输电线路三相重合闸合闸过电压重合过电压已经成为选择超高压、特高压电网绝缘水平的决定性因素。

2023/2/423线路先重合一侧在t1时刻重合，后重合一侧在t2时刻重合。2023/2/424自由分量呈衰减趋势，根据典型EHV/UHV参数，可计算得到其衰减时间常数为：线路电压等级（kV）50076511001500自振基频ω1/

ω3.3483.3783.3623.349T（ms）1481753874132023/2/425三相重合闸时间要求为避免后重合一侧危险的重合过电压，后重合一侧的重合时间应该计及对侧重合过电压的衰减时间。考虑到三相重合闸不同期动作等因素的影响，750kV输电线路两端的三相重合时间差应大于0.2～0.3s。750kV及特高压输电线路两端的单相重合时间差相比于三相重合闸可稍短一些。2023/2/426单相故障采用三相重合闸时的特殊问题不论三相重合成功与否，对于单相故障、三跳三合的操作方式都产生了不能允许的严重过电压。2023/2/427特高压线路单相重合闸的应用问题一般中性点小电抗的取值按对相间电容近似全补偿设计，隔断了相间联系。即抑制了潜供电流，限制故障断开相恢复电压，避免出现谐振。

2023/2/428特高压线路单相重合闸的应用前提由于小电抗器的生产分级标准化以及输电线路换位不完全的影响，小电抗对相间电容的补偿不可能精确调谐。针对并联电抗器不同的补偿特性，提出了中性点小电抗的正确取值范围，从而确保单相自动重合闸的成功应用具有重大意义。

2023/2/429特高压输电线路单相重合闸瞬时性故障断开相恢复电压主要由两个不同频率的信号合成，其幅值随时间变化。2023/2/430单相重合闸新方案恢复电压的变化呈拍频特性。在一定情况下，拍频电压的峰值可能很高。

重合闸装置可实时监测断开相电压，确定合闸时间。避免在拍频电压包络线的最大值时合闸.2023/2/431论文主要内容电力系统过电压特高压输电线路继电保护的跳闸要求特高压输电线路的重合闸输电线路单相自适应重合闸√

特高压输电线路的并联电抗器特高压输电线路保护与综合控制短窗滤波算法的研究2023/2/432单相故障断开相的恢复电压特性瞬时性故障永久性故障电压判据2023/2/433电压判据的缺陷，电压判据误判（1）（2）补偿电压判据误判2023/2/434相位判据采用补偿方法不能从本质上解决重负载长线路故障性质的判定，故提出相位判别：

电压判据&&相位判据综合判据。2023/2/435带并联电抗器补偿的输电线单相自适应重合闸的研究恢复电压不仅包括工频分量，还包括电容电感元件之间形成的自由振荡频率分量。

2023/2/436基于恢复电压拍频特性的新判据：2023/2/437论文主要内容电力系统过电压特高压输电线路继电保护的跳闸要求特高压输电线路的重合闸输电线路单相自适应重合闸特高压输电线路的并联电抗器√

特高压输电线路保护与综合控制短窗滤波算法的研究2023/2/438空载输电线路过电压并联电抗器是特高压输电线路上的关键设备。它可限制系统操作过电压、改善电压分布、抑制潜供电流等。2023/2/439单电源与长线相连的过电压2023/2/440双端电源、线路两端接电抗器2023/2/441并联电抗器匝间短路保护的研究轻微匝间故障时序电流变化很小，因此基于序电流的过流保护对匝间故障没有足够的灵敏度。

2023/2/442负序与零序电流之间的关系为：

匝间故障时的负序电流远大于零序电流，提出了基于负序功率方向的新的匝间保护原理。

2023/2/443负序功率方向原理的匝间保护定义负序电压取自电抗器引出端线路上的负序电压；负序电流取自电抗器的高压侧，正方向为线路流向电抗器。

（1）电抗器匝间故障2023/2/444（2）电抗器内部接地故障（3）电抗器外部接地故障2023/2/445（4）线路非全相运行时（5）负序功率方向保护2023/2/446论文主要内容电力系统过电压特高压输电线路继电保护的跳闸要求特高压输电线路的重合闸输电线路单相自适应重合闸特高压输电线路的并联电抗器特高压输电线路保护与综合控制√

短窗滤波算法的研究2023/2/447特高压线路并联电抗器运行方式的探讨

对于双端电源供电的空载线路，线路中点电压最高。2023/2/448线路传送自然功率时：

线路电压降与传输功率的关系：60％70％80％90％0.6840.6320.5790.5272023/2/449并联电抗器在特高压输电线上的运行方式影响到最大负荷情况下线路的正常工作与限制内过电压的问题。在特高压线路建设并运行的起始阶段，电源容量与传送功率都较小，电抗器可不切除的长期运行；随着特高压系统的不断扩大，线路传输功率增大，就需要把电抗器切除。并联电抗器运行方式2023/2/450保护与并联电抗器的动作配合利用并联电抗器与保护的配合关系，达到保证系统功率传送和抑制过电压的目的。切除故障线路抑制潜供电流抑制合闸过电压2023/2/451线路有并联电抗器时，断路器跳闸操作而不会产生电弧重燃造成的过电压，改善断路器的工作状态。切除故障线路2023/2/452抑制合闸过电压线路接入并联电抗器降低了单端电源供电状态下的工频电压升高，从而也有效抑制了合闸过电压。2023/2/453特高压输电线路保护与自动装置综合控制方案的提出继电保护、重合闸、并联电抗器2023/2/454在重合闸的间歇阶段，投入并联电抗器中性点小电抗可以有效抑制潜供电流。继电保护检测出故障并跳线路断路器之前，投入并联电抗器；并联电抗器可以有效抑制重合过电压，重合并确认无故障后，再切除并联电抗器，恢复输电线路的正常运行。2023/2/455论文主要内容电力系统过电压特高压输电线路继电保护的跳闸要求特高压输电线路的重合闸输电线路单相自适应重合闸特高压输电线路的并联电抗器特高压输电线路保护与综合控制短窗滤波算法的研究√2023/2/456傅立叶滤波算法的性能分析基于傅立叶级数的保护算法，需一个工频周期长度的数据窗计算，并提取出以为基频的整倍频的信号。而傅立叶变换是将任意长数据窗的数据都视为一个主值区间的数据进行处理。对于特高压输电系统，保护要求快速准确切除故障，因此微机保护算法不仅要考虑算法本身的滤波性能，也要考虑算法的时间响应。2023/2/457半波傅立叶算法的实虚部频率特性衰减直流分量对半波傅立叶算法的影响主要体现在基波分量的虚部上，因此半波傅立叶算法的实部计算是相对准确的。2023/2/458狭窄带通滤波算法狭窄带通滤波算法是利用Z平面零极点设置法设计出来的一种递推式滤波算法。2023/2/459当y(1)和y(2)接近对应稳态输出时刻的初值，狭窄带通滤波的暂态时延接近于0。输入信号x(t)y(1)=y(2)=0y(1)=x(1)y(2)=x(2)2023/2/460半波傅立叶算法的实部计算结果对应输入信号的初始值，正好满足狭窄带通滤波算法的输入初值，使得其暂态时延最小。2023/2/461改进狭窄带通算法的提出在第(N/2)和(N/2+1)点由半波傅氏算法求实部Xr(N/2)和Xr(N/2+1)，得输入初值；令y(1)=Xr(N/2)和y(2)=Xr(N/2+1)；计算狭窄带通滤波算法的滤波输出y(i),{y(1),y(2)…