高压线路全电流差动保护的研究

高压线路全电流差动保护的研究

0电容电流补偿的线路差动保护新原理随着光纤在能源系统中的广泛应用，为了保护线路的差动，有很多手段可以实现线路的差动。由于差动保护原理的诸多优势,例如不受振荡影响、不受转换性故障影响等,使其在电力系统中的应用越来越广泛。在超高压、长线路上,全电流差动保护不可避免地受到电容电流的影响。为避免保护误动,全电流差动保护的定值要躲开电容电流,这降低了保护的抗过渡电阻能力。为消除电容电流对差动保护的负面影响,最直接的想法是在差电流中减去电容电流。从这个思路出发,文献研究了电容电流的各种补偿方法,以消除差电流中电容电流的影响,从而降低保护定值,增强保护抗过渡电阻能力。但是,这些方法几乎都需知道线路的电容参数和补偿电抗器参数,从而增加了保护的复杂性。另外,由于补偿电抗器的投切由运行方式决定,保护难以确切得知补偿电抗器的运行状态,这使得目前的电容电流补偿方法带有一定的盲目性。可见,研究与线路的电容参数和补偿电抗器的投切无关的、不受电容电流影响的差动保护判据,具有很好的工程实用价值。本文试图研究不需要电容电流补偿的线路差动保护新原理。线路上发生高阻接地故障时,故障相差电流包括对地电容电流及流过接地电阻的电流,两者相位相差90°。线路正常运行或发生外部故障时,差电流中仅包含电容性电流,没有电阻性电流。如果仅使用差电流中的电阻性分量来构成差动保护判据,将可以消除电容电流的影响,提高保护的灵敏度。本文提出了基于电阻性差流分量的差动保护新原理,分析了正常运行、区外故障、区内带电阻接地故障时电阻性差电流的特点,得出了计算电阻性差电流的方法,并使用EMTP数据进行了验证。1基于电阻性差流的差动保护原则1.1线路各差分电流对于被保护线路,正常运行或发生区外故障时,差电流全部由电容电流构成,可以采用图1所示的线路π型等值电路模型来表示。由图1,线路上的差电流为:˙Ιcd=˙Ιm+˙Ιn=˙UmΖc+˙UnΖc式中:˙Um,˙Un为线路两端的电压相量;˙Ιm,˙Ιn为线路两端的电流相量;Zc为全线路等值容抗的2倍。易知,˙Ιcd相对于(˙Um+˙Un)超前90°。令IcdR=Icdcosφ,其中,Ιcd=|˙Ιm+˙Ιn|,φ为˙Ιcd超前(˙Um+˙Un)的角度,即有φ=90°。显然,在线路正常运行及发生区外故障时,IcdR=0。1.2故障相等效电路˙Uf=˙Uf0Rf+2Ζ1f+Ζ0f3Rf(1)式中:˙Uf0为f点故障前的电压;Z1f为f点的系统正序输入阻抗;Z0f为f点的系统零序输入阻抗;Rf为f点的接地电阻。由式(1)可知,发生高阻接地故障时,故障点电压近似等于故障前的电压,即˙Uf≈˙Uf0。线路上发生高阻接地故障时,故障相差电流由流过电容的电流和流过接地电阻的电流组成。以单相高阻接地故障为例,故障相等效电路如图2所示。由图2可知,故障相差电流为:˙Ιcd=˙UmΖc+˙UnΖc+˙UfRf令˙Ιc=(˙Um+˙Un)/Ζc,˙ΙcdR=˙ΙRf=˙Uf/Rf,并设(˙Um+˙Un)与˙Uf同相位,则˙Ιcd,˙Ιc,˙ΙcdR之间的相位关系如图3所示。由图3可知,˙ΙcdR为˙Ιcd在˙Uf上的投影,且有:{ΙcdR=Ιcdcosφφ=arg(˙Ιcd˙Um+˙Un)(2)可见,˙ΙcdR反映差电流中的电阻性分量。1.3差动保护的安全性由上文分析可知,线路上发生高阻接地故障时,˙ΙcdR可以反映差电流中的电阻性分量,而正常运行及区外故障时,IcdR=0。可见,如果使用˙ΙcdR作为动作量构成差动保护,将具有极高的安全性。据此,本文提出基于电阻性差流的差动保护判据为:{ΙcdR>ΙsetΙzd<ΙhΙcdR>Ιset+k(Ιzd-Ιh)Ιzd≥Ιh(3)式中:Iset为电流门槛值:k为比例制动因数;Ιzd=|˙Ιm-˙Ιn|;ΙcdR=|˙Ιm+˙Ιn|cosφ;Ih为制动电流拐点值;˙Ιm‚˙Ιn为线路两端电流,其正方向为由母线指向线路;φ=arg(˙Ιm+˙Ιn˙Uref);˙Uref为计算电阻性差流时的参考电压,˙Uref=˙Um+˙Un。2分析了基于衰减流量差流的差动保护性能2.1计算电阻性差流值如上文所述,线路上发生高阻接地故障时,如果(˙Um+˙Un)和˙Uf同相位,则˙ΙcdR为流过接地电阻的实际电流。但在线路实际运行中,(˙Um+˙Un)和˙Uf的相位总会有差异,使得IcdR的理论值和实际流过接地电阻的电流值会有差别。线路中点发生高阻接地故障时,故障点电压˙Uf=(˙Um+˙Un)/2,与参考电压˙Uref相位相同,此时利用式(2)计算所得电阻性差流IcdR在数值上与流过接地电阻的电流值相等。线路上其他点发生高阻接地故障时,故障点电压˙Uf的相位介于˙Um和˙Un这2个相量之间。如果故障点更靠近m侧,则˙Uf的相位更接近于˙Um,反之,更接近于˙Un。高阻接地故障的电压、电流相位关系如图4所示(故障点f更靠近m侧)。由图4可以看出,故障点偏离线路中点时,˙ΙcdR与实际流过接地电阻的电流˙ΙRf有差别,IcdR=IRfcosβ,β为˙ΙRf超前˙ΙcdR的角度,显然有IcdR<IRf。故障点更靠近n侧时,可以得到同样的结论。线路两端保护安装处发生高阻接地故障时,β最大,IcdR与IRf的差别最大。图4中,δ为两侧母线电压夹角,系统正常运行时,δ一般不超过30°,所以有β≤δ/2≤15°。易知,线路上各点发生故障时,均有IcdR≥IRfcos15°=0.966IRf。可见,线路上发生高阻接地故障时,IcdR在数值上与实际流过接地电阻的电流值很接近。2.2l+c+b+b的相位装有补偿电抗器的线路上发生高阻接地故障时,其故障相等效电路如图5所示。由图5可以看出,故障相差电流由流过电容的电流、流过电抗器的电流和流过接地电阻的电流组成,即有:˙Ιcd=˙ΙL+˙Ιc+˙ΙRf式中:˙ΙL=˙ΙLm+˙ΙLn;˙Ιc=˙Ιcm+˙Ιcn;˙ΙRf=˙Uf/Rf。由于线路一般采用欠补偿方式,因此(˙ΙL+˙Ιc)的相位与˙Ιc的相位相同,并且当线路某侧电抗器退出运行时,上述关系也成立。设(˙Um+˙Un)与˙Uf同相位,则差电流˙Ιcd、电容性电流(˙ΙL+˙Ιc)、电阻性电流˙ΙRf之间的相位关系如图6所示。由图6可知,˙Ιcd由˙ΙRf和(˙ΙL+˙Ιc)合成,二者相位相差90°,与上文分析类似,仍然可以采用式(2)计算差电流的电阻性分量。可见,由电阻性差流构成的差动保护判据不受补偿电抗器投切与否的影响。2.3全电流差动保护判据相结合从上文分析可知,基于电阻性差流的差动保护判据消除了电容电流的影响,线路正常运行或发生区外故障时,电阻性差流的理论值为0,因此可以很灵敏地整定,以提高保护的抗过渡电阻能力。线路上发生金属性故障或经较小过渡电阻接地的故障时,差电流中的电阻性差流变小,此时,基于电阻性差流的差动保护判据的性能不如全电流差动判据。而发生此类故障时,即使按照躲过电容电流整定保护定值,全电流差动保护判据仍有很好的性能,可以可靠地动作。因此,理想的方案是将全电流差动保护判据与基于电阻性差流的差动保护判据相结合。组合方案对于金属性故障及高阻接地故障,都会有很好的保护效果。图7为2种判据相结合所构成的差动保护逻辑图。全电流差动保护判据和基于电阻性差流的差动保护判据采用同一形式:{Ιcd>Ιset1Ιzd<ΙhΙcd>Ιset1+k1(Ιzd-Ιh)Ιzd≥Ιh式中:Iset1为全电流差动保护判据的电流门槛值;k1为比例制动因数;Ιcd=|˙Ιm+˙Ιn|。整定Iset1时,要躲开发生外部故障时的暂态电容电流和线路正常运行时的电容电流,而整定式(3)中的Iset时,则仅需躲开正常运行及外部故障时的电阻性差流,该值在理论上为0,所以,Iset通常小于Iset1。发生高阻接地故障时,由于基于电阻性差流的差动保护判据的差电流门槛值可以取得比较小,因此其保护动作范围要比全电流差动保护的动作范围大。为对比在高阻接地故障下2种保护判据的性能,将二者的动作特性绘于图8中。由图8可以看出,基于电阻性差流的差动保护判据的保护范围要大于全电流差动保护判据。图中阴影区即为在高阻接地故障下,前者相比于后者所增加的动作范围。3全电流差分动保护仿真使用EMTP仿真软件建立了一个分布式参数线路模型,对新方法进行验证。由于基于电阻性差流的差动保护对于单相经过渡电阻接地故障的灵敏度高,而对于单相或相间金属性故障,其保护性能要差一些,而此时全电流差动保护能够可靠动作。因此,本文只对单相接地故障进行了仿真,并选取不同的接地电阻。EMTP仿真系统模型如图9所示。系统电压等级为500kV,线路长度为400km,两侧电源电势之间的相位差为30°。m端系统正序和零序阻抗分别为Zm1=0.2534+j63.8Ω,Zm0=0.1124+j21.4Ω;n端系统正序和零序阻抗分别为Zn1=2.82+j127.7Ω,Zn0=0.224+j39.96Ω。线路正序参数为r1=0.01958Ω/km,l1=0.8192mH/km,c1=0.0135μF/km;线路零序参数为r0=0.1828Ω/km,l0=2.74mH/km,c0=0.0092μF/km。在K1,K2,K3,K4各点模拟经不同过渡电阻的单相接地故障,计算时采用全周期傅里叶滤波算法,采样频率为2000Hz。为保证可靠性,全电流差动保护的电流门槛值一般按照躲开2倍的电容电流进行整定。仿真系统正常运行时,电容电流约为0.4A,因此取Iset1=0.8A,k1=0.75,Ih=2A。仿真系统正常运行及区外故障时,差电流中的电阻性分量不超过0.15A,因此取Iset=0.4A,k=0.75,Ih=2A,这一整定值已足以保证安全性,它与Iset1共同决定图7中的或门出口。对线路正常运行、区外故障、区内经不同过渡电阻单相接地故障进行了仿真,表1给出部分仿真结果,详细仿真结果见附录A。仿真结果显示,系统正常运行及发生外部故障时,电阻性差流很小,不到0.1A,基于电阻性差流的差动保护有很高的安全性。保护区内发生高阻接地故障时,若接地电阻大于等于300Ω,则全电流差动保护已经不能可靠动作,而组合方案仍然可以可靠动作。可见,将基于电阻性差流的差动保护判据和全电流差动保护判据相结合,提高了保护的抗过渡电阻能