特高压输电技术的安全与发展

特高压输电技术的安全与发展

0特高压输电系统的继电保护国内外的实践和研究经验表明，高压输电技术能够从长远来看输送能源，节约线路走廊，提高电网的安全性，具有显著的社会和经济效益。近年来,特高压输电技术正在快速发展之中,目前我国已建立了特高压交流输电和直流输电的试验基地,并且正在大力建设由晋西南站至荆门站全长654km的1000kV特高压交流输电试验示范工程。由于目前国内外尚未有成熟的、长时间的、大范围应用的经验,因此特高压输电对我国完全是一个崭新的课题,必须大力进行周密、严谨的研究工作,解决面临的可能出现的各种技术问题。特高压输电是联系整个电力系统的骨架,其安全可靠运行对于全系统的安全可靠运行起着决定性的作用,故对其继电保护的性能和可靠性要求极高。国内的电力系统继电保护技术在≤500kV的电力系统中,从制造到运行都积累了丰富的、成熟的经验,在750kV系统中也得到验证,这为1000kV特高压系统的继电保护装置的研制和运行打下了很好的基础。但由于特高压输电系统还有一些不同的特点,有必要弄清楚其与高压输电系统的异同,以便采取更加可靠的技术方案,确保特高压试验示范工程安全可靠的投运。电力系统动态模拟试验(以下简称为动模试验)是采用与原型系统具有相同的物理性质和标幺值参数的模拟元件、根据相似原理建立起的系统模型进行的试验,能够真实和动态地再现原型系统的各种运行工况和扰动过程,并且可以完成因各种局限性造成的仿真试验和真机试验无法进行的实验项目,是研究电力系统的重要工具。本文针对我国1000kV特高压变压器的结构和运行的特点,通过动模试验对其差动保护方案进行了研究。1变压器主磁阻1000kV特高压变压器采用中性点无励磁调压方式,由主变压器和调压变压器两个独立部分组成,主变压器与调压变压器通过外接引线进行连接。主变压器由3个独立的不带调压的单相自耦变压器组成,自耦变压器为单相四柱结构,两心柱套线圈,每柱50%容量,三相变压器采用YN、yn、d11的绕组接线方式。调压变压器内包括无励磁分接开关、调压绕组和补偿绕组,其中无励磁分接开关和调压绕组实现中性点无励磁调压功能,补偿绕组实现低压绕组电压补偿功能,消除调压过程中引起主变压器内部主磁场变化而导致的低压绕组电压出现波动情况,保持低压侧电压恒定。特高压变压器采用此结构,不仅方便变压器的运输,而且使得主铁心磁路相对简单,变压器本体绝缘结构简化,在运行中如果调压装置发生故障,更易检修和更换。特高压变压器的单相结构及TA配置如图1所示。1000kV特高压变压器原型及其动模试验模型的设计参数如表1所示。2低压差动配置设置特别高压压压装置2.1特殊情况下高压压压控制器的保护与常规高压变压器保护相比较,特高压变压器保护存在着下面一些特殊问题。1特高压线路的故障工况,一般在缺乏相应的客特高压线路的结构与参数与超高压系统不同,相应地故障暂态过程也有所差别,可能引起变压器保护误动作。在线路结构方面,特高压线路的主要特点是线路长而且分为两段,并在每段的两侧装设有高压并联电抗器,使得特高压线路的故障工况和过程有其特殊性。在线路参数方面,特高压线路单位长度的电感和电容参数与500kV线路相近,而电阻参数较小,因此特高压线路的衰减时间常数(τ=0.12s)远大于500kV线路的衰减时间常数(约τ=0.05s)。衰减缓慢的非周期分量对保护的影响较大,要采取有效的措施来减小其影响,一方面保护装置需要有较好的滤除衰减直流分量的算法,避免衰减直流分量带来的测量误差引起保护误动;另一方面,衰减时间常数较大的直流分量可能引起电流互感器TA暂态饱和,需要采用TPY型的电流互感器并且留有足够容量余量,同时保护装置要采用合理的TA饱和判据。2变压器配置情况特高压变压器与高压变压器的不同还在于增加了独立的调压变压器部分,且调压变压器的容量也很大,所以应特别注意调压变压器发生内部故障的保护问题。按照常规变压器保护的配置情况,特高压变压器配置的常规全电量差动保护和故障分量差动保护采用了变压器各侧出口的电流量来计算差动电流,同时也将调压绕组和补偿绕组包含在其保护范围之内,理论上可以反映调压变压器的内部故障。但由于相对于主绕组匝数而言,调压绕组和补偿绕组的匝数较少,且与主绕组不在同一个铁心上,所以当调压绕组和补偿绕组上发生小匝数的匝间故障时,通过匝数比和漏电抗关系折算到主绕组后的折算短路匝比较小,常规全电量差动保护和故障分量差动保护可能无法灵敏地动作。后文将通过动模试验对此问题进行研究。3励磁涌流相互连接当特高压变压器空载合闸时,由于其主绕组、调压绕组和补偿绕组相互连接,励磁涌流会流过所有绕组,流过各个绕组的涌流表现出不确定性,有可能引起差动保护误动。后文将通过变压器空载合闸试验,研究流过各个绕组的涌流波形特征及其差动保护的动作情况。4短路阻抗分析常见500kV高压变压器短路阻抗参数约为:UH-M=10%,UH-L=40%,UM-L=20%,而特高压变压器的短路阻抗为:UH-M=18%,UH-L=62%,UM-L=40%,相对而言,特高压变压器的短路阻抗设计的较大,目的在于限制变压器内部或出口处短路故障时短路电流大小,但同时也降低了变压器内部匝间故障时差动保护的灵敏度。2.2变压器内部差动保护特高压变压器的主变压器由3个独立的不带调压的单相自耦变压器组成,故其差动保护配置与常规高压变压器大致相同。特高压变压器的差动保护及相关TA配置如图1所示,需要配置的差动保护包括常规全电量差动保护(以下简称大差差动保护)、故障分量差动保护、零序差动保护、分侧差动保护。同时,由于低压侧三角形绕组内配置了套管TA,可以配置主绕组分相差动保护,以提高主绕组内部故障时的灵敏度。针对上述差动保护反映调压变压器的内部匝间故障灵敏度不足的问题,还需要配置调压绕组差动保护和补偿绕组差动保护来提高调压变压器内部故障的灵敏度。需要说明的是,图1中的TA按动模试验模型的接线方式配置,但在实际的特高压系统中,变压器的高、中压侧采用一个半开关接线方式,低压侧采用双母线分段接线方式。相应地,高、中、低压侧的TA应按断路器位置配置。3特高压线路模型华中科技大学动态模拟实验室参考我国特高压交流输电试验示范工程的设计参数研制了1000kV特高压动模试验系统,可以近似真实地模拟特高压输电系统的运行。特高压交流输电试验示范工程的输电线路分为两段,晋东南至南阳开关站段长度为363km、南阳开关站至荆门段长度为291km。动模试验系统采用了多组∏型等值模型单元来模拟特高压线路,模型在结构和参数上与实际特高压线路的设计参数近似相同。另外,特高压线路模型的两端和中间共设置了若干个故障点,每个故障点均可以模拟各种类型的故障。特高压变压器的动模试验模型以晋东南站的1000kV变压器为原型制造,在设计和制造时从某些内部结构、铁心材料、标幺值参数等方面考虑了与原型系统的相似性,能满足工程研究的要求。同时在变压器模型的主绕组、调压绕组和补偿绕组的不同位置设置了抽头,可真实模拟各绕组的内部匝间短路故障试验。变压器试验模型的电气参数如表1所示。特高压变压器动模试验接线如图2所示,低压侧连接了模拟并联电抗器组。4动态模型试验研究4.1主变压器间互联互通差动保护的原理理论上,大差差动保护能反映整个变压器的内部故障,但是因为反映部分故障的灵敏度不足,所以配置了分相差动保护以增加主绕组内部轻微匝间故障时的灵敏度,配置了故障分量差动保护以提高重负荷下轻微匝间故障时的灵敏度,配置了零序差动保护以提高单相接地故障时的灵敏度,而分侧差动保护可以躲开过励磁和励磁涌流工况的影响,灵敏反应相间短路故障。大量动模试验的数据分析表明,大差差动保护能灵敏反应主绕组的各种故障,因此下文只分析了大差差动保护的动作情况。在计算大差差动保护的差动电流时,高、中压侧采用了两相电流差的方式进行电流相位补偿,对于调压绕组差动保护和补偿绕组差动保护,采用流过绕组两侧的电流来计算差动电流。特高压变压器模型的主变压器的公共绕组原方发生C相3%轻微匝间短路时,采用全周傅氏算法计算大差差动保护的差动电流幅值(TA二次侧电流)Ir如图3所示。因为大差差动保护在计算差动电流时高、中压侧采用了两相电流差的相位补偿方式,所以C相故障时计算出的B、C相差动电流均较大,明显超过了差流门槛值(按照整定要求,文中所有差流门槛值均取0.3A),同时内部匝间故障时制动电流较小,所以大差差动保护能可靠动作。4.2差动保护差动电流幅值特高压变压器的调压绕组原方发生C相50%严重匝间故障时,计算大差差动保护和调压绕组差动保护差动电流的幅值(TA二次侧)Ir和Im分别如图4所示,大差差动保护的差流明显低于差流门槛值,而调压绕组差动保护的C相差流达到3A,可以快速正确动作。因此对于调压绕组的内部故障,大差差动保护的灵敏度明显不足,而调压绕组差动保护的灵敏度较高。4.3补偿不同导向的差动电流幅值比较特高压变压器的补偿绕组原方发生C相40%严重匝间短路时,计算大差差动保护和补偿绕组差动保护的差动电流幅值(TA二次侧)Ir和Ic分别如图5所示,大差差动保护的差流明显低于差流门槛值,而补偿绕组差动保护的C相差动电流幅值达到0.8A,明显超过了差流门槛值。显然,对于补偿绕组的内部故障,大差差动保护的灵敏度不够,而补偿绕组差动保护灵敏度较高。4.4变压器空投时差动保护的影响当特高压变压器空载合闸时,由于其主绕组、调压绕组和补偿绕组相互连接,励磁涌流会流过所有绕组,可能引起差动保护误动,下面通过变压器空载合闸试验对此进行分析。如图6所示,记录了一次变压器从中压侧空载合闸时,大差差动保护、调压绕组差动保护、补偿绕组差动保护的差流Id及其二次谐波含量Id2。由图6(a)和(b)可知,由于主绕组与调压绕组原方是串联关系,因此变压器空投时大差差动保护和调压绕组差动保护的差流均表现为较大的励磁涌流,但同时差流二次谐波含量均较高(>20%),因此差动保护可被有效制动。如图6(c)所示,变压器空投时通过调压绕组回路耦合到补偿绕组的涌流较小,且二次谐波含量也较高(A相二次谐波含量较低,但差流低于门槛值),补偿绕组差动保护也可被有效制动。值得注意的是,因为变压器空载合闸时励磁涌流的产生受变压器铁心的励磁特性和剩磁、系统侧电压和阻抗、合闸角等各方面因素的影响,所以特高压变压器空载合闸动模试验的条件不可能与现场实际情况完全相同,涌流的大小和二次谐波含量也会有所差别。实际上,就目前而言虽然二次谐波制动原理被现场广泛采用,但也并不是一种完全可靠的涌流制动方法,所以上述的空载合闸动模试验结果只能说明流过特高压变压器各绕组的涌流特征,同时说明二次谐波制动原理对调压绕组差动保护和补偿绕组差动保护有一定的涌流制动作用。5特高压变压器稳定性保护研究进展特高压交流输电系统因其传输容量巨大,事故对电网的安全威胁严重,继电保护能否正确动作对系统影响甚大,而且特高压输