帶串補(bǔ)的同桿并架雙回線路零序故障分量對(duì)繼電保護(hù)的影響

薛明軍，王玉婷，陳福鋒，鄒磊，張祥，陳實(shí)

(1.國電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 210003； 2.南京國電南自自動(dòng)化有限公司，南京 211153)

帶串補(bǔ)的同桿并架雙回線路零序故障分量對(duì)繼電保護(hù)的影響

薛明軍1,2，王玉婷1,2，陳福鋒1,2，鄒磊1,2，張祥1,2，陳實(shí)1,2

(1.國電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 210003； 2.南京國電南自自動(dòng)化有限公司，南京 211153)

利用安裝串補(bǔ)電容的同桿并架雙回線路發(fā)生接地故障時(shí)的零序序網(wǎng)，分析在串補(bǔ)出口處發(fā)生高阻故障且MOV未導(dǎo)通時(shí)對(duì)兩側(cè)保護(hù)安裝處的零序功率方向元件及零序差動(dòng)保護(hù)的影響。分析結(jié)果表明：串補(bǔ)電容可能導(dǎo)致遠(yuǎn)離串補(bǔ)側(cè)保護(hù)的零序功率方向繼電器拒動(dòng)作，另外作為保護(hù)高阻接地故障的零序差動(dòng)保護(hù)也可能發(fā)生靈敏度降低甚至拒動(dòng)的情況。仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了該理論分析的正確性，并提出了主保護(hù)的配置原則。

串聯(lián)電容補(bǔ)償；同桿并架雙回線路；零序功率方向；零序差動(dòng)保護(hù)；高阻故障

0 引言

對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電線, 其輸電能力主要取決于線路的穩(wěn)定極限, 功角穩(wěn)定性使輸送功率、輸電距離受到限制, 必須采取補(bǔ)償措施。串聯(lián)電容器補(bǔ)償可使系統(tǒng)穩(wěn)定極限大幅度提高, 從而提高線路的輸電能力。串補(bǔ)電容的主要作用在于：通過控制潮流提高電力系統(tǒng)的輸送能力；改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性；改善電壓質(zhì)量及無功功率平衡；減少系統(tǒng)的線路損耗，提高線路傳輸容量。它還具有提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、優(yōu)化輸電線路潮流和降低系統(tǒng)損耗的作用。串聯(lián)電容補(bǔ)償是提高輸電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的有效手段。

串補(bǔ)裝置雖然給輸電線路的功率輸送帶來了很多優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也給輸電線路的繼電保護(hù)帶來了很多不利影響，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)帶串補(bǔ)的輸電線路也做了很多深入研究。如文獻(xiàn)[1-2]指出串補(bǔ)電容影響了線路保護(hù)的距離保護(hù)，造成傳統(tǒng)距離保護(hù)在串補(bǔ)線路中超越的問題，并提出了一種判斷串補(bǔ)線路故障時(shí)故障點(diǎn)相對(duì)于串聯(lián)補(bǔ)償電容位置的模型識(shí)別方法，可以解決傳統(tǒng)距離保護(hù)在串補(bǔ)線路中超越的問題，使得距離I段可以按全線阻抗整定，很大程度地提高了距離I段的靈敏度；文獻(xiàn)[3]分析了串補(bǔ)電容對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響，并提出了一種不受串補(bǔ)電容影響的基于貝瑞隆模型實(shí)現(xiàn)的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)原理，該原理在靈敏度和可靠性上都優(yōu)于傳統(tǒng)的分相電流差動(dòng)保護(hù)；文獻(xiàn)[4]對(duì)帶串補(bǔ)的特高壓線路采用負(fù)序方向的高頻保護(hù)作為主保護(hù)進(jìn)行了研究，并得出負(fù)序方向高頻保護(hù)可能在串補(bǔ)不對(duì)稱擊穿和負(fù)序LC諧振帶來的不正確動(dòng)作；文獻(xiàn)[5]分析了串補(bǔ)電容對(duì)工頻故障分量繼電保護(hù)的影響，并指出了故障分量繼電器可能拒動(dòng)、誤動(dòng)的條件。由此可見，串補(bǔ)電容對(duì)傳統(tǒng)線路保護(hù)的“四性”(選擇性、速動(dòng)性、靈敏性、可靠性)帶來了嚴(yán)峻考驗(yàn)，因此需要深入研究串補(bǔ)電容帶來的各方面影響，以此來制定相應(yīng)的對(duì)策。

目前，對(duì)串補(bǔ)的影響分析主要集中在單回線路上[5-7]，一般認(rèn)為帶串補(bǔ)的同桿并架雙回線路的零序方向元件的動(dòng)作行為與單回線路一致，即遠(yuǎn)離串補(bǔ)安裝側(cè)的零序方向元件不會(huì)誤判，而串補(bǔ)安裝側(cè)在電壓互感器(PT)安裝在線路和串補(bǔ)電容之間時(shí)，采用零序電壓補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ材芸煽颗袛?，而?shí)際帶串補(bǔ)線路的工程多為同桿并架雙回線路。因此，本文主要對(duì)帶串補(bǔ)的同桿并架雙回線路故障時(shí)的零序分量進(jìn)行深入分析，指出在串補(bǔ)出口處發(fā)生高阻接地且金屬氧化物限壓器(MOV)不導(dǎo)通的情況下，遠(yuǎn)離串補(bǔ)側(cè)保護(hù)安裝處的零序功率方向元件可能拒動(dòng)，并對(duì)比例制動(dòng)特性的零序差動(dòng)保護(hù)的靈敏度帶來了不利影響。

1 對(duì)零序功率方向元件的影響

一般來說，零序功率正方向判據(jù)如下：

帶串補(bǔ)的同桿并架雙回線路一次系統(tǒng)如圖1所示，當(dāng)在系統(tǒng)側(cè)Ⅱ線出口處K1點(diǎn)發(fā)生經(jīng)過渡電阻接地故障時(shí)，假設(shè)過渡電阻較大導(dǎo)致故障時(shí)串補(bǔ)MOV沒有導(dǎo)通。故障時(shí)的零序等效回路如圖2所示。

圖1 帶串補(bǔ)的同桿并架雙回線路接線

圖2 零序序網(wǎng)絡(luò)等效圖

為了簡(jiǎn)化分析，對(duì)于超高壓、特高壓線路，可以忽略線路和兩側(cè)等值阻抗的電阻部分，設(shè)定文中所有的阻抗均僅包含電抗部分。

1.2.1 遠(yuǎn)離串補(bǔ)側(cè)的零序方向元件分析

由于串補(bǔ)安裝在N側(cè)，所以M側(cè)的零序功率方向元件跟PT的安裝位置沒有關(guān)系，根據(jù)星三角變換可將圖2的零序故障回路等效為圖3所示的等效圖。

圖3 星三角變換等效圖

其中：

(1)

式中：ZL0為線路全長(zhǎng)的零序阻抗；Xc為串補(bǔ)電容容抗。

(2)

式中：ZM0為M側(cè)系統(tǒng)等值零序阻抗；ZN0為N側(cè)系統(tǒng)等值零序阻抗。將式(1)代入式(2)可得：

(3)

對(duì)于圖2，根據(jù)戴維南等效電路可得以下等式：

(4)

將式(3)代入式(4)可得出：

(5)

而M側(cè)保護(hù)安裝處的零序電壓為：

(6)

所以故障線Ⅱ線M側(cè)的保護(hù)安裝處的零序電壓和零序電流的關(guān)系為：

(7)

由于串補(bǔ)電容的補(bǔ)償度不可能為線路全長(zhǎng)，式(7)分子的方向性明確，而對(duì)于分母而言，由于b的方向具有不確定性，因此對(duì)b分如下2種情況來分析。

(1)若ZN0

(2)若ZN0>Xc/2，則b為正數(shù)，若要不發(fā)生零序方向元件誤判，ZL02Xc-Xcb需呈感性，則要滿足如下條件：

ZL0-2Xc-Xcb>0 。

(8)

將式(8)整理得到：

(9)

將b的表達(dá)式代入式(9)得到：

(10)

因此需要滿足：

(11)

綜上所述，當(dāng)N側(cè)的系統(tǒng)阻抗?jié)M足式(12)條件時(shí)，M側(cè)的零序功率方向元件不會(huì)發(fā)生誤判。

(12)

而式(13)條件滿足時(shí)，若在串補(bǔ)出口處發(fā)生高阻故障串補(bǔ)電容MOV未導(dǎo)通時(shí)，則遠(yuǎn)端M側(cè)的零序功率方向元件會(huì)誤判為反方向，從而導(dǎo)致M側(cè)帶方向的零序保護(hù)拒動(dòng)作。

(13)

1.2.2 串補(bǔ)安裝側(cè)的零序方向元件分析

分N側(cè)保護(hù)PT與串補(bǔ)電容安裝的位置來分析。

(1)PT位于串補(bǔ)電容與母線間。此時(shí)N側(cè)保護(hù)安裝處的零序電壓為：

(14)

所以故障線路N側(cè)保護(hù)安裝處的零序電壓和零序電流的相位關(guān)系為：

(15)

(2)PT位于串補(bǔ)電容與線路間。由于PT位于串補(bǔ)電容與線路間，此時(shí)零序功率方向元件會(huì)采用零序電流補(bǔ)償方法，N側(cè)補(bǔ)償后的零序電壓為式(14)所示，因此故障線路N側(cè)保護(hù)安裝處的零序電壓和零序電流的關(guān)系仍然為式(15)。

(16)

設(shè)

ZL0=aXc，

(17)

一般線路的零序阻抗為線路的3倍，且補(bǔ)償度不會(huì)為線路全長(zhǎng)，則有a>3，將式(17)代入式(16)，則有：

(18)

圖4 k值隨b值變化曲線1

由上述分析可得出以下2點(diǎn)結(jié)論。

(1)串補(bǔ)電容出口處發(fā)生單相經(jīng)高阻接地故障MOV未導(dǎo)通時(shí)，當(dāng)兩側(cè)系統(tǒng)阻抗與線路阻抗和補(bǔ)償度滿足式(13)時(shí)，則遠(yuǎn)離串補(bǔ)安裝側(cè)的零序功率方向元件會(huì)不正確動(dòng)作，若配置的主保護(hù)為縱聯(lián)距離保護(hù)則存在拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)不論P(yáng)T安裝在何處，近串補(bǔ)安裝側(cè)的零序功率方向元件能夠可靠動(dòng)作。

2 對(duì)零序差動(dòng)保護(hù)的影響

分相電流差動(dòng)保護(hù)具有“天然”的選擇性、選相能力和良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥m應(yīng)能力，能很好地解決同桿并架雙回線串補(bǔ)線路帶來的特殊問題，因此，分相電流差動(dòng)保護(hù)成為串補(bǔ)線路保護(hù)的首選。

我們知道，單回帶串補(bǔ)線路電流反向時(shí)會(huì)對(duì)零序差動(dòng)保護(hù)帶來一定的影響，目前普遍的做法是采用降制動(dòng)系數(shù)的方式來提高零序差動(dòng)保護(hù)的靈敏度，因此，本文進(jìn)一步深入分析雙回帶串補(bǔ)線路發(fā)生高阻故障，MOV未導(dǎo)通情況下對(duì)零差保護(hù)的影響。

零序電流差動(dòng)保護(hù)的判據(jù)如下：

式中：Iop.0=|Im0+In0|；Ire.0=|Im0+In0|；Imk為零序差動(dòng)動(dòng)作定值；k為零序差動(dòng)比率制動(dòng)系數(shù)。

當(dāng)故障中出現(xiàn)MOV未導(dǎo)通導(dǎo)致電流反向情況時(shí)，可能導(dǎo)致計(jì)算的k變小，嚴(yán)重時(shí)小于目前設(shè)置的內(nèi)部門檻0.80，進(jìn)而導(dǎo)致零序差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)，因此后續(xù)重點(diǎn)分析k在何種故障情況下可能出現(xiàn)最小值，利用圖2、圖3的戴維南定律可以推導(dǎo)出故障后故障線路兩側(cè)的故障零序電流的比例關(guān)系：

(19)

則零序差動(dòng)保護(hù)的比例系數(shù)：

(20)

將式(17)代入式(20)，則有：

由于上述表達(dá)式有2個(gè)變量，分別為a和b,當(dāng)線路補(bǔ)償參數(shù)固定，即a為常數(shù)時(shí)，則有：

(21)

根據(jù)式(21)，k值隨b值變化的曲線如圖5所示。

由于b取值的范圍為(-∞，-a)和(0，+∞)，

可見當(dāng)b=-a時(shí)，即當(dāng)滿足ZN0=0，ZM0=0時(shí)，k會(huì)出現(xiàn)極小值點(diǎn)：

圖5 k值隨b值變化曲線2

由上述分析可得出以下結(jié)論。

(1)串補(bǔ)電容出口處發(fā)生單相經(jīng)高阻接地故障MOV未導(dǎo)通時(shí)，線路兩側(cè)系統(tǒng)阻抗越小，比率制動(dòng)系數(shù)越可能出現(xiàn)最小值，對(duì)零序差動(dòng)保護(hù)的靈敏度影響最大。

(2)最小的零序差動(dòng)比率制動(dòng)系數(shù)與串補(bǔ)電容和本線路零序與正序阻抗的比值有關(guān)，不同線路、不同補(bǔ)償度可能出現(xiàn)的最小比率制動(dòng)系數(shù)不一定相同，補(bǔ)償度越高對(duì)零序差動(dòng)保護(hù)的靈敏度影響越大。根據(jù)計(jì)算，假設(shè)線路正序阻抗為零序阻抗的1/3的線路，當(dāng)補(bǔ)償度為33.3%時(shí)其可能出現(xiàn)的最小零序差動(dòng)比率制動(dòng)系數(shù)為0.80，當(dāng)補(bǔ)償度為40.0%時(shí)的最小零序補(bǔ)償差動(dòng)比率制動(dòng)系數(shù)為0.76，超高壓線路保護(hù)裝置的零序差動(dòng)比率制動(dòng)系數(shù)一般取為0.80，由此可見補(bǔ)償度大于33.3%時(shí)零序差動(dòng)保護(hù)就有可能出現(xiàn)拒動(dòng)作。

3 仿真分析

3.1仿真參數(shù)

為了驗(yàn)證上述分析結(jié)論，本文利用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器(RTDS)搭建帶串補(bǔ)的同桿并架雙回輸電模型，如圖6所示。

圖6 帶串補(bǔ)雙回輸電線路模型

圖6仿真系統(tǒng)參數(shù)如下：電壓等級(jí)，500 kV；線路MN長(zhǎng)度，269 km；線路正序電阻，0.024 Ω/km；正序電抗，0.270 Ω/km；正序電容，0.013 1 μF/km；線路零序電阻，0.072 Ω/km；零序電抗，0.810 Ω/km；零序電容，0.008 1 μF/km。

以下仿真分析單相經(jīng)高過渡電阻故障，MOV未導(dǎo)通的情況下，串補(bǔ)電容對(duì)零序方向元件和零序差動(dòng)保護(hù)的影響。

3.2仿真計(jì)算結(jié)果

3.2.1 零序方向元件的仿真結(jié)果

模擬補(bǔ)償度為40%的情況下在串補(bǔ)出口處經(jīng)300 Ω的高阻接地故障，且故障期間MOV沒有被擊穿，通過調(diào)節(jié)串補(bǔ)安裝側(cè)的系統(tǒng)阻抗來查看遠(yuǎn)端M側(cè)保護(hù)安裝處的零序功率方向元件的動(dòng)作行為，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 串補(bǔ)線路系統(tǒng)阻抗和補(bǔ)償度對(duì)零序方向元件的影響

從表1的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)系統(tǒng)阻抗與線路阻抗和補(bǔ)償度關(guān)系滿足式(13)時(shí)，串補(bǔ)安裝側(cè)的對(duì)側(cè)的零序功率方向會(huì)誤判為反方向，而經(jīng)過補(bǔ)償?shù)拇a(bǔ)安裝側(cè)的零序功率方向均可靠動(dòng)作。

3.2.2 零序差動(dòng)的仿真結(jié)果

模擬在串補(bǔ)出口處發(fā)生經(jīng)300 Ω的高阻接地故障，且故障期間MOV沒有被擊穿，通過調(diào)節(jié)串補(bǔ)的補(bǔ)償度來查看零序差動(dòng)的制動(dòng)系數(shù)，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 串補(bǔ)線路系統(tǒng)阻抗和補(bǔ)償度對(duì)零序差動(dòng)保護(hù)的影響

從表2的仿真結(jié)果可以看出，隨著補(bǔ)償度增大，零序差動(dòng)的制動(dòng)系數(shù)會(huì)逐漸減小，甚至可能低于常規(guī)線路保護(hù)的零序差動(dòng)制動(dòng)系數(shù)的門檻。

4 結(jié)束語

本文分析了帶串補(bǔ)的同桿并架雙回線路發(fā)生高阻故障且MOV未導(dǎo)通對(duì)零序功率方向元件和零序差動(dòng)保護(hù)的影響，分析得出如果主保護(hù)配置為縱聯(lián)距離保護(hù)，則區(qū)內(nèi)高阻故障可能會(huì)拒動(dòng)作，而主保護(hù)配置為縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，則零序差動(dòng)的靈敏度可能存在不足而不能快速切除故障的問題。

為改善繼電保護(hù)在用于同桿并架雙回串補(bǔ)線路的“四性”要求，提出了以下建議：帶串補(bǔ)的同桿并架雙回線路主保護(hù)盡量配置差動(dòng)保護(hù)，且縱聯(lián)零序差動(dòng)保護(hù)需要通過合理降低電流差動(dòng)保護(hù)的比率制動(dòng)系數(shù)等方法來提高靈敏度。

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(本文責(zé)編：白銀雷)

2017-07-08；

:2017-08-08

TM 773

：A

：1674-1951(2017)09-0006-04

薛明軍(1983—)，男，湖北荊州人，工程師，工學(xué)碩士，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)控制技術(shù)方面的研究及開發(fā)工作(E-mail:mingjun-xue@sac-china. com)。