輸電網(wǎng)分布電容對(duì)負(fù)序方向元件的影響及對(duì)策研究

，， (國(guó)網(wǎng)天津城西供電分公司，天津 300113)

0 引 言

根據(jù)電壓等級(jí)的不同，電網(wǎng)一般分為配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)?，F(xiàn)階段研究表明，無(wú)論是輸電網(wǎng)還是配電網(wǎng)，相與相、相與地之間都存在分布電容。由于配電網(wǎng)電壓等級(jí)較低，分布電容較小，因此配電網(wǎng)中一般不考慮分布電容的影響。但隨著電壓等級(jí)的升高，分布電容越來(lái)越大，分布電容就不能忽略[1]。

經(jīng)典繼電保護(hù)原理一般基于工頻量，特別是正序工頻量。但隨著電力網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，基于正序量保護(hù)存在靈敏度不足問(wèn)題。因此基于其他序分量的保護(hù)得到了大量的應(yīng)用[2]。

為了增強(qiáng)特高壓輸電能力，一般在線路上接入串補(bǔ)裝置，因此相關(guān)學(xué)者研究了串補(bǔ)裝置對(duì)相應(yīng)保護(hù)的影響[3-5]。事實(shí)上，特高壓本身較大的分布電容，同樣會(huì)對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)生影響[6]。文獻(xiàn)[7]從線路兩側(cè)負(fù)序電流相位的角度研究了特高壓分布電容對(duì)負(fù)序方向保護(hù)的影響，并提出了一種基于精準(zhǔn)貝瑞龍模型的解決措施。文獻(xiàn)[8]基于仿真驗(yàn)證的手段分析了特高壓分布電容對(duì)負(fù)序方向元件的影響，但并未提出應(yīng)對(duì)措施。

下面從負(fù)序方向保護(hù)的工作原理出發(fā)，詳細(xì)分析了分布電容對(duì)負(fù)序方向元件的影響。分析表明，在考慮分布電容的輸電網(wǎng)中，隨著電壓等級(jí)的提高，分布電容對(duì)負(fù)序方向元件的影響就會(huì)降低。針對(duì)分布電容可能導(dǎo)致負(fù)序保護(hù)誤動(dòng)的工況，提出了一種基于正序電流幅值變化趨勢(shì)的解決措施。仿真結(jié)果驗(yàn)證了分析結(jié)論的正確性。

1 分布電容對(duì)負(fù)序方向元件的影響機(jī)理研究

1.1 負(fù)序方向元件工作原理

圖1是典型的輸電網(wǎng)雙端電源系統(tǒng)示意圖，其中：EM、EN表示兩端系統(tǒng)電動(dòng)勢(shì)；ZM2、ZN2分別表示兩側(cè)系統(tǒng)的負(fù)序阻抗；L表示輸電線路；im2、in2、um2、un2分別表示流過(guò)M、N兩側(cè)保護(hù)安裝處的負(fù)序電流和電壓；k表示內(nèi)部故障；k1表示外部故障。

圖1 典型雙側(cè)電源系統(tǒng)圖

當(dāng)k點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，M側(cè)負(fù)序電壓和電流存在如下關(guān)系：

(1)

當(dāng)k1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，M側(cè)負(fù)序電壓和電流存在如下關(guān)系：

(2)

式中，ZL2表示線路L的負(fù)序阻抗。

由式(1)、式(2)可以得出M側(cè)在區(qū)內(nèi)、外部故障時(shí)電壓和電流的相量關(guān)系圖，如圖2所示。圖2中，φK表示線路阻抗角，一般約為80°[1]，因此在一般分析中，認(rèn)為電抗值遠(yuǎn)大于電阻值，即φK≈90°。

由圖2可以看出，內(nèi)部故障時(shí)，保護(hù)安裝處的負(fù)序電壓滯后負(fù)序電流約90°；而外部故障時(shí)，負(fù)序電壓超前負(fù)序電流約90°?？紤]測(cè)量誤差、過(guò)渡電阻等因素影響時(shí)的負(fù)序方向元件的判別式為

(3)

下面將重點(diǎn)分析考慮分布電容時(shí)對(duì)負(fù)序方向保護(hù)的影響。

1.2 分布電容對(duì)負(fù)序方向元件的影響機(jī)理

在輸電網(wǎng)中，分布電容較大，一般不能忽略，為此將圖1中線路L進(jìn)行T型等值，同時(shí)假定線路發(fā)生了外部故障，圖3給出了在此工況下等效負(fù)序網(wǎng)絡(luò)圖，圖中：k1表示故障點(diǎn)；C表示分布電容；ic2表示流過(guò)分布電容的負(fù)序電流；Uk2表示故障點(diǎn)處負(fù)序電壓源。

由圖3可知，對(duì)于M側(cè)負(fù)序方向元件存在

(4)

顯然此時(shí)M側(cè)負(fù)序方向元件根據(jù)式(3)，判為正方向，但對(duì)于N側(cè)，存在

圖3 負(fù)序網(wǎng)絡(luò)圖

(5)

為了便于分析，假定全系統(tǒng)中電抗分量遠(yuǎn)大于電阻分量，并令1/ωc=Xc，則式(5)進(jìn)一步化簡(jiǎn)為

(6)

隨著電壓等級(jí)的升高，分布電容容抗值XC不斷下降，此時(shí)情形1)更容易滿足；但隨著電壓等級(jí)的下降，容抗值XC增大，則情形2)更容易滿足。因此在輸電網(wǎng)中，電壓等級(jí)越低，分布電容對(duì)負(fù)序方向元件的影響就越大。為此需要尋求一種防止負(fù)序方向元件誤動(dòng)的措施。

2 基于正序電流幅值變化趨勢(shì)的預(yù)防措施

以圖3為例，當(dāng)發(fā)生外部故障(k1)時(shí)，線路兩側(cè)正序電流之和為流過(guò)分布電容的正序電流，即Im1+In1=Ic1(下標(biāo)1表示正序分量)。但是，由于外部故障造成線路全線電壓下降，因此Ic1一般將變小。而發(fā)生內(nèi)部故障(k)時(shí)，顯然存在Im1+In1=Ic1+Ik1，Ik1表示流過(guò)故障k點(diǎn)的正序電流，此時(shí)雖然Ic1降低，但由于短路電流的急劇增大，所以Im1+In1的幅值也增大。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，Im1+In1幅值幾乎不變，為電容電流。因此可以利用線路兩側(cè)保護(hù)安裝處正序電流幅值之和的變化趨勢(shì)來(lái)識(shí)別區(qū)內(nèi)、外部故障：當(dāng)Im1+In1下降時(shí)，即使兩側(cè)負(fù)序方向元件都判為正方向，保護(hù)也不能動(dòng)作；反之，保護(hù)可靠動(dòng)作。

圖4給出了不同工況下保護(hù)安裝處兩側(cè)正序電流幅值之和的變化趨勢(shì)。由圖4可以看出，保護(hù)安裝處兩側(cè)正序電流幅值之和正常運(yùn)行時(shí)不變，內(nèi)部故障時(shí)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而外部故障時(shí)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此可以利用此特征來(lái)進(jìn)一步區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障，確保負(fù)序方向保護(hù)不誤動(dòng)：當(dāng)負(fù)序方向元件感受到的方向即使都為正方向時(shí)，如果兩側(cè)正序電流幅值之和呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，要將負(fù)序方向元件退出運(yùn)行。

圖4 不同工況時(shí)正序電流幅值變化趨勢(shì)

圖5給出了在輸電網(wǎng)下負(fù)序方向保護(hù)動(dòng)作邏輯框圖，其中P2+表示保護(hù)安裝處兩側(cè)感受到的負(fù)序方向都為正方向，I1↑表示兩側(cè)正序電流之和呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。如果正序電流幅值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，則不滿足負(fù)序保護(hù)動(dòng)作邏輯，保護(hù)能可靠不動(dòng)作。

圖5 輸電網(wǎng)負(fù)序方向元件動(dòng)作邏輯

3 仿真驗(yàn)證

基于PSCAD/EMTDC搭建了圖1所示的仿真模型，其中模型參數(shù)如表1所示。

3.1 外部故障時(shí)負(fù)序方向元件仿真結(jié)果

表1 線路參數(shù)列表 單位：Ω

注：線路長(zhǎng)度200 km，電壓等級(jí)220 kV。

圖6給出了圖1中k1點(diǎn)發(fā)生AB接地故障時(shí)保護(hù)安裝處兩側(cè)負(fù)序方向元件的判別結(jié)果。通過(guò)圖6可以看出，此時(shí)線路兩側(cè)電壓與電流的相位關(guān)系滿足內(nèi)部故障的判別條件，保護(hù)會(huì)動(dòng)作，造成保護(hù)誤動(dòng)。因此需要新的解決措施來(lái)防止保護(hù)的誤動(dòng)作。

圖6 外部故障時(shí)仿真結(jié)果

3.2 預(yù)防措施的仿真驗(yàn)證

圖7給出了在與圖6相同故障形式時(shí)保護(hù)安裝處兩側(cè)正序電流幅值之和的變化趨勢(shì)。通過(guò)圖7可以看出，此時(shí)正序電流幅值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，如圖中虛線框所示，隨后才恢復(fù)正常。因此利用圖5新的動(dòng)作邏輯，可以確保負(fù)序方向保護(hù)不誤動(dòng)。

圖7 正序電流幅值變化曲線

4 結(jié) 論

詳細(xì)分析了分布電容對(duì)負(fù)序方向保護(hù)的影響，其主要結(jié)論如下：

1)在考慮分布電容影響的輸電網(wǎng)中，隨著電壓等級(jí)的降低，分布電容對(duì)負(fù)序方向元件影響增大。

2)區(qū)外故障時(shí)，保護(hù)安裝處兩側(cè)正序電流幅值之和呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而區(qū)內(nèi)故障時(shí)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，正常運(yùn)行時(shí)保持不變。

利用此特征構(gòu)成輸電網(wǎng)負(fù)序方向保護(hù)的動(dòng)作邏輯，可以有效防止區(qū)外故障時(shí)保護(hù)誤動(dòng)的發(fā)生。

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