带并联电抗器特超高压输电线路行波差动保护实用方案

带并联电抗器特超高压输电线路行波差动保护实用方案

0行波差动保护提高耐压能力和可靠性是所有电气工人的共同目标。随着电力系统的迅速发展，大容量机组和特高压、超高压输电线路的出现和增多，对保护的动作速度提出了更高的要求。电流差动保护原理简单，灵敏度高，具有天然的选相能力，随着现代通讯技术的发展，已成为特/超高压输电线路的主保护。然而电流差动保护用于超高压长线或电缆线路时，分布电容电流的存在会影响其性能，目前，主要通过动作门槛值调整或电容电流补偿的方法来弥补，能在一定程度上改善差动保护的性能，但在故障暂态过程中电容电流的频率成分复杂，难以进行有效的补偿。采用行波差动保护是减小暂态不平衡差流，提高保护灵敏度的有效途径。行波保护基于输电线路故障时，由故障点向线路两端传播的行波特征来检测故障[4,5,6,7,8,9,10,11,12]，大致上可将其分为行波方向保护、行波距离保护和行波差动保护。行波方向保护和行波距离保护需要滤除故障前的负荷分量，并且需要利用故障行波的初始极性或者反射波的到达时间等暂态量特征来识别故障，所以对保护装置采样率要求高。行波差动保护是基于线路两端的方向性行波的差值来判断故障，而不像行波方向保护和行波距离保护那样仅仅利用故障行波的某些局部信息，因此对于任何时间段和频率段的故障行波信息，均能有效地识别故障范围，应用时对装置的采样率没有过高要求，易于在现有技术条件下实现。由于行波差动保护在理论上能够完全消除电容电流的影响，在具体实现上没有特别的要求。随着电流差动保护在输电线路上的广泛应用，行波差动保护的研究也越来越受到重视。特/超高压远距离输电线对地电容大，为吸收过剩的容性无功功率，限制系统过电压，同时对线路进行参数补偿，通常在输电长线的一侧、两侧或中间都可能带有并联电抗器。当线路上装设并联电抗器后，行波在电抗器上会发生反射和折射，即使线路内部无故障时，两侧方向性行波的差值也将产生不平衡电流，因此行波差动保护基本原理不能直接应用，必须采取措施消除并联电抗器的影响。本文在深入分析的基础上，对带并联电抗器的特高压输电长线给出了一种新的行波差流表达式，同时考虑到带电抗器线路在区外故障、线路空充时有较大的暂态不平衡差流，本文参照电流差动保护的方法，提出了一种既采用门槛值，又兼具轻微比例制动特性的行波差动保护实用方案，其对装置采样率和通讯速率没有过高的要求，能够在现有技术条件下实现。文末利用EMTP程序对西北电网兰州东—咸阳750kV带并联电抗器的试验线路进行了仿真，结果表明该保护方案灵敏度高，动作速度快，不受过渡电阻影响，具有较高的实用价值。1正交试验结果及分析图1所示单相无损线路M-N，长度为l，波阻抗为ZC，波速度为v。由分布参数线路的波动方程可知，线路两端电流均由2个波速相同，传输方向相反的行波组成。定义行波正方向为M指向N，则线路两端的(2倍)电流行波为式中：Mi+，Mi-分别为M侧的电流正行波和反行波；iN+，iN-分别为N侧的电流正行波和反行波。系统正常运行或区外故障时，如图1(a)所示，线路两端电流行波间满足式中τ=l/ν，为行波传输时间，是由线路参数确定的常数。如图1(b)区内故障时，由于增加了故障节点F，破坏了波的传播方程，式(2)左边不再为0。故可得到由正向行波构成的行波差动保护判据为式中Idz为行波差动保护的动作电流值。同理也可由反向行波构成判据，本文的分析均采用式(3)的正向行波判据。令iop(t)=iM+(t-τ)-iN+(t)，iop为行波差流，由式(3)可见，与传统的电流差动保护相比，行波差动保护只是在差流形成上有所区别，传统电流差动保护的有关实用技术完全可以应用于行波差动保护中。从传统电流差动保护电容电流补偿措施的角度出发，行波差动保护通过引入传输时间τ、波阻抗ZC以及两端的电压量，能完全补偿线路电容电流，理论上不必考虑电容电流引起的不平衡分量，因而Idz可显著降低。实际三相输电系统中，由于各相之间存在耦合，需要采用模变换的方法分解为3个独立的模量行波。本文采用将Clarke模变换分解成1,2,0分量，其转换矩阵为转换后各模分量相互独立，且有τ1=τ2，即1,2模分量的行波传输时间相等。而实际差动保护由于单相重合闸，需要分相差动。推导得到行波差动的a相差流表达式为同样可推得iop⋅b,iop⋅cㄢ设定门槛值Idz，可得三相的动作判据为式中K=a,b,c，定值Idz按区外故障及故障切除、线路空充时可能产生的最大不平衡差流值整定。2线路运行中ilm、ilk的递推特/超高压输电长线中为吸收高压电网过剩的无功功率，防止过电压，同时对线路进行参数补偿，通常需要装设并联电抗器。并联电抗器可能装设在线路两侧，也可能装设在线路中间或在线路两侧和中点均装设。行波传输到并联电抗器时，会发生反射和折射，式(5)的判据将会产生不平衡差流，抬高动作门槛值，影响行波差动保护的灵敏度，因此必须要采取措施消除并联电抗器的影响。图2中，设uM,uN,uK为线路M侧、N侧和中点的电压，线路电流及其正方向如图2所示，LM,LN,LK分别为两侧及中点并联电抗器的电感。先考虑线路中间没有并联电抗器的情况，即假设图2中的KL→∞，此时线路M′-N′仍为普通线路，故可得行波差流为式中：i+M′,i+N′为线路M′-N′两端的正向行波；iM+,iN+为按式(1)得到线路两侧的正向行波；iLM,iLN为线路两端并联电抗器的电流。线路中间装设并联电抗器时，如图2所示，可以将线路M′-N′看成是两段线路M′-K′和K-N′。各段线路两端之间行波的关系仍与普通线路相同。线路正常时有式中iLK为中间电抗器上的电流。联立求解式(7)，(8)，(10)，(11)得式(12)意味着对于中间有并联电抗器的线路，即使线路正常，式(6)定义的行波差流也不为零，而是中间电抗器上电流iLK的函数。因而此时行波差流表达式应为式中iLM,iLN可由线路两端电压求得。以iLN为例，有对于数字式保护装置，测量电压电流都是离散数据。设ST为装置的采样周期，将式(14)离散化后，得式中：t=kTS;k=1,2,...。同理可得用uM,uK表示的iLM,iLK的递推表达式如下：但K点电压uK未知，于是联立求解式(7)～(11)，并考虑式(17)，得到iLK的递推表达式为式(18)为瞬时值形式，实用时通常采用经过一定算法后得到的相量来构成判据。式(13)的相量形式为同理可得式(15)、(16)、(18)的相量形式。由于为递推算法，需要得到t=0时的初值ILN(0)、ILM(0)、ILK(0)。假设在装置刚投运时系统处于正常运行状态，电流电压都是纯正弦量，可得从而可求得式(19)的行波差流值。行波差动保护是基于无损线路的，实际线路存在电阻分量，因而正常运行或区外故障时会存在一定的不平衡差流。另外，对于带并联电抗器线路，由于式(15)～(17)采用差分代替微分，存在数值计算误差，也会产生不平衡差流。若通过提高差动保护的最小动作电流Idz来防止保护误动，势必会影响区内高阻故障时的灵敏度。为此，参照传统电流差动保护的方法，在门槛值Idz的基础上引入电流行波制动量。与式(19)对应，正向制动电流定义为于是可得到行波差动保护的动作判据为式中k为比例制动系数，按区外故障、线路空充时行波差流与制动电流的最大比值整定。后面的仿真计算表明，只需要很小的制动系数k，就可以有效地躲过区外故障、线路空充时的不平衡差流，因而能提高区内高阻故障的灵敏度。对于三相线路，同样可采用式(4)模变换解耦方法得到各相的行波差流和制动电流。以a相为例，Iop⋅a和Ire⋅a的计算式为同理可得Iop⋅b,Iop⋅c,Ire⋅b,Ire⋅c，从而构成三相的分相差动保护。3全波富氏算法的应用本文利用EMTP电磁暂态仿真程序，对图3所示西北电网兰州东-咸阳750kV试验线路进行仿真计算。线路全长497km，咸阳侧和兰州东侧各装有1台3×90Mvar和1台3×100Mvar的并联电抗器，线路中点装设2台3×100Mvar的并联电抗器，具体系统和线路参数见图3。由参数计算得波阻抗为ZC=250Ω，ZC0=550Ω，线路M-N上的行波传输时间为τ=1.7ms,τ0=2.5ms。M侧为本侧，N侧为对侧。由于目前2M速率光纤通道已经普遍应用，电流电压每周波采样24点，对侧传送的数据进行插值处理后再调用。在常规电流差动保护中，线路空充时不平衡差流最大，因此可先考察线路空充时行波差动保护的特性。将图3中的N侧三相断开，M侧合闸，所得的行波差流如图4所示(图中只画出了较严重的先合相a相波形，所得结论适用于其它两相)。从这些波形中可以看到，虽然在线路空充(或区外故障)时，理论上不会产生行波差流，但由于数值计算和线路参数模型(忽略线路电阻)误差等原因，实际应用时存在不平衡行波差流。瞬时值行波差流中的暂态不平衡量最大值达到2.13kA，远远大于稳态不平衡量，且主要由高次谐波组成，说明上述误差对高次谐波比较敏感。采取半波富氏或全波富氏算法后，行波差流大为降低(例如采用全波富氏算法后的最大值为0.16kA，只有瞬时值行波的7.5%)，所以在实际应用中采取适当的滤波措施是必要的，可以显著降低行波差动保护的动作门槛。虽然全波富氏算法的数据窗长度比半波富氏算法大1倍，但最大行波差流只有半波富氏算法的0.45(0.16/0.356)。差动保护在区内故障时不必等到算法数据窗满后才投入，由于采取全波富氏算法后，保护的动作门槛比半波富氏算法降低1倍，区内故障时并不会影响动作速度，故本文采用全波富氏算法。显然，在采用全波富氏算法后，行波差动保护对装置采样率的要求并不比常规差动保护高，完全可以在现有技术条件下实现。从图4(d)可看到，线路空充后行波差流与制动电流比值m很小，最大值只有0.033。若采用式(22)的比例制动特性，比例制动系数k可以取得很低，不会影响区内故障时的灵敏度。顺便指出，对于常规差动保护，在线路空充时只有一侧有电流，比例制动特性不能发挥作用，但是行波差动保护由于引入了电压量，故在线路空充时仍具有很强的制动作用。图5为区外F1处发生AG金属性故障时(经全波富氏算法的)行波差流和m值曲线。故障前行波差流很小，约0.012kA，比值m≈0.004。故障后的暂态过程中，行波差流的最大值约0.144kA,m最大值约为0.023。暂态过程结束后，稳态的行波差流和比值m分别约为0.065kA和0.009ㄢ对照图4和图5的计算结果，可以看到，正常运行时行波差流和比值m均最小，而线路空充时行波差流和比值m均最大。对于区外多相故障也进行的仿真计算，证明上面的结论仍然成立。因此，对于式(22)的具有比例制动特性的行波差动保护判据，最小动作差流Idz可以按躲过正常运行的不平衡差流整定，以有效地降低动作门槛，提高保护的灵敏度；比例制动系数k则应该按照躲过线路空充时的最大m值整定，考虑一定的裕度，建议取图6为线路F4点发生a相400Ω接地故障时(经全波富氏算法)的行波差流和m值曲线，故障前的行波差流和比值m值与图5相同。故障后行波差流和比值m的稳态值分别约为1.83kA和0.613。由图6知，故障后行波差流和比值m上升很快，且几乎是单调上升的。故障后2ms差流达到故障前差流17倍，此时对应的m值为0.12。由此可见，即使采用了全波富氏这样的长窗算法，行波差动保护在高阻故障时仍具有非常快的动作速度。表1列出了线路区内AG故障时不同故障点、不同过渡电阻条件下故障点电流、行波差流及m值的比较。可见行波差流Iop⋅a与故障点电流IFa非常接近，即判据的行波差流值能时时反映故障点电流值。此外，在末端高阻接地故障时，行波差流与制动电流之比m取得最小值mmin=0.613，远大于区外故障、线路空充时的m值。4理论和仿真计算对比针对带并联