特高壓分布電容對電流差動保護的影響分析及對策

宋璇坤 ，申洪明 ，，黃少鋒 ，韓 柳 ，肖智宏

（1.國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206）

0 引言

全球能源互聯(lián)網(wǎng)主要由特高壓技術(shù)、清潔能源、智能電網(wǎng)三部分組成［1］，其中特高壓電網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的傳輸通道，因此受到了廣泛關(guān)注。特高壓技術(shù)雖然在實現(xiàn)遠距離、大容量輸電方面具有較大優(yōu)勢，但是也給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了一定影響。

繼電保護作為電力系統(tǒng)的第一道防線，對維持系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要作用。在特高壓輸電網(wǎng)中，保護一旦誤動，有可能造成大規(guī)模停電事故，造成不必要的經(jīng)濟損失。

特高壓長線路中過大的分布電容有可能造成區(qū)外故障、區(qū)外故障切除或者線路空載時差動保護誤動［2-4］；為了提高特高壓輸電線路的傳輸能力，往往在線路中接入大串補度的電容，但大串補度電容可能引起內(nèi)部故障時差動保護靈敏度不足導(dǎo)致拒動的發(fā)生［5-7］；為了補償過大的電容電流，可以采用并聯(lián)電抗器方法?，F(xiàn)階段，采用并聯(lián)電抗器補償電容電流的方法已取得了較好的效果，但當(dāng)線路采用并聯(lián)可控高抗時，由于電抗器輸出電流不斷調(diào)整，從而影響了電流差動保護的正確動作，可能造成保護誤動［8］。為此，本文將重點圍繞特高壓分布電容對電流差動保護的影響展開分析。

本文在介紹傳統(tǒng)解決措施的基礎(chǔ)上，提出了一種基于動作電流相角信息的解決措施。分析表明，線路內(nèi)部發(fā)生單相接地故障時，動作電流的相角較于正常運行和外部故障時會順時針轉(zhuǎn)過一定的角度；而發(fā)生相間故障時，不同故障相的動作電流相角雖然轉(zhuǎn)動方向不一致，但也會轉(zhuǎn)過較大的角度。進而將相角信息與傳統(tǒng)的動作邏輯相配合，可以很好地解決特高壓分布電容對電流差動保護的影響。

本文介紹了分布電容對電流差動保護影響的機理；闡述了利用動作電流相角信息解決分布電容引起電流差動保護誤動的措施，并給出了新的綜合電流差動保護動作邏輯；基于PSCAD/EMTDC搭建仿真模型，仿真結(jié)果驗證了所提方法的有效性。

1 分布電容對電流差動保護的影響機理

圖1給出了典型的雙電源系統(tǒng)圖，圖中線路采用π型等值模型。圖中，C為分布電容；iM、iN分別為線路M、N兩側(cè)保護安裝處流過的電流；iC為流過電容的電流；iF為流過故障點的故障電流；Rg為過渡電阻。

圖1 典型的雙電源系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic diagram of typical system with dual power sources

基于全電流的電流差動保護的動作判據(jù)為：

其中，IM、IN為 iM、iN的相量形式；K 為制動系數(shù)，一般取為0.5；Iop為動作門檻值。通過式（1）可以看出，電流差動保護判據(jù)雖然僅對動作電流和制動電流的幅值進行了比較，但動作電流和制動電流同時也包含了相角信息。

在一般電壓等級的電網(wǎng)中，分布電容C較小，容抗1/（ωC）較大，導(dǎo)致電容電流iC較小。因此當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，動作量（全線路電容電流）幅值較小，保護能可靠不動作。但在特高壓電網(wǎng)中，分布電容C很大，導(dǎo)致了容抗1/（ωC）很小，所以電容電流iC較大，此時動作量幅值增大，特高壓長線路在發(fā)生區(qū)外故障、區(qū)外故障切除或者線路空載時很可能超過保護動作門檻值，進而導(dǎo)致保護誤動。圖2給出了在不同分布電容下動作電流（全線電容電流）的幅值曲線，通過圖2可以看出，隨著分布電容C的增大，動作電流的幅值也顯著增大。

圖2 不同分布電容下的電容電流曲線Fig.2 Curve of capacitance current under different capacitances

解決特高壓分布電容引起的電流差動保護誤動的措施一般分為3類：

a.提高動作門檻值或制動系數(shù)，但會降低發(fā)生內(nèi)部故障時保護的靈敏度；

b.通過計算補償分布電容引起的電流［9］，這是目前工程中較為常用的方法之一，但需要逐級計算線路電容電流的大小，進而進行補償，計算過程較為繁瑣；

c.采用不受分布電容影響的新縱聯(lián)保護原理［10-11］，該措施采用了完全不同于傳統(tǒng)電流差動保護的原理，因此在工程方面的應(yīng)用受到了限制。

下文給出一種基于動作電流相角信息的解決特高壓分布電容對差動保護影響的措施。

2 基于動作電流相角信息的解決措施

2.1 發(fā)生單相接地故障時動作電流相角特征

發(fā)生線路內(nèi)部故障時，記流過故障點的電流的相量形式為IF。由于橫向故障中，單相接地故障的概率最高，下文先以單相接地故障為例分析各電流相角特征，其序網(wǎng)圖如圖3所示。

圖3 單相接地故障序網(wǎng)圖Fig.3 Sequence diagram of single-phase grounding fault

由圖1可以得出電容電流為：

由圖3可知：

其中，I1、I2、I0分別為故障點處的正、負、零序電流；U為故障點未發(fā)生故障時的電壓；Z1∑、Z2∑、Z0∑分別為正序、負序、零序綜合電阻。

流過故障點處的電流為：

由式（2）—（4）可以得到圖4，圖4以電壓U的相位為參考相位，圖中IC、IF分別為iC、iF的相量形式。由圖4可以看出，由于短路電流iF呈現(xiàn)感性性質(zhì)（滯后于參考電壓），所以動作電流iC+iF的相角相較于電流iC而言，順時針轉(zhuǎn)過角度ΔP；隨著過渡電阻的增大，U的幅值也隨之變大，造成了電容電流iC變大，同時由式（3）可知，電流iF滯后電壓的角度φ變小，如圖4中 φ 與 φ′所示。此時動作電流 i′C+i′F相較于電容電流 i′C順時針轉(zhuǎn)過了角度 ΔP′。顯然 ΔP′＜ΔP。但當(dāng)線路正常運行或者發(fā)生外部故障時，由于動作電流并不反映短路電流iF，只反映了電容電流iC，因此電容電流i′C的相角變化不大。

圖4 單相接地故障時的相量圖Fig.4 Phasor diagram of single-phase grounding fault

通過上文的分析可以得出發(fā)生單相接地故障時動作電流的相角特征如下。

a.線路正常運行或者發(fā)生外部故障時，動作電流只反映電容電流，因此其動作電流的相角變化不大。

b.線路發(fā)生內(nèi)部故障時，動作電流包含了電容電流和短路電流，此時動作電流的相角較于正常運行和發(fā)生外部故障時要順時針轉(zhuǎn)過一定的角度。同時由于特高壓線路短路時的短路電流一般要遠大于電容電流，因此動作電流iC+iF順時針轉(zhuǎn)過的角度絕對值較大。

2.2 發(fā)生相間故障時的動作電流相角特征

圖5給出了BC相在F點發(fā)生相間故障時的簡單示意圖。由于發(fā)生相間故障時弧光電阻較小，因此可以不考慮過渡電阻。

圖5 相間故障示意圖Fig.5 Schematic diagram of phase-to-phase fault

線路發(fā)生相間故障時，其序網(wǎng)圖在短路點處并聯(lián)連接，且不存在零序支路，其正、負序電流表達式為：

由（5）可得 IFB、IFC的表達式為：

由式（5）、（6）可得出發(fā)生相間故障時動作電流相量圖，如圖6所示，圖6 中 IA（C）、IB（C）、IC（C）分別為A、B、C相的電容電流。由圖6可以看出，在發(fā)生相間故障時，不同故障相的動作電流轉(zhuǎn)動方向不一致：超前相（B 相）動作電流 IB（C）+IFB較正常動作電流 IB（C）逆時針轉(zhuǎn)過 ΔPB角度，滯后相（C 相）動作電流 IC（C）+IFC較正常動作電流 IC（C）轉(zhuǎn)過ΔPC角度，但旋轉(zhuǎn)的方向取決于IFC的初始位置。

圖6 相間故障相量圖Fig.6 Phasor diagram of phase-to-phase fault

2.3 發(fā)生對稱性故障時的動作電流相角特征

當(dāng)線路發(fā)生對稱性故障時，由于三相仍然對稱，不需要采用序分量法對短路電流進行計算，只需按單相進行計算。圖7給出了在此類故障下動作電流IC+IF的相量圖。通過圖7可以看出，此時動作電流較正常動作電流iC順時針轉(zhuǎn)過角度ΔP。

圖7 對稱性故障相量圖Fig.7 Schematic diagram of symmetrical fault

其他故障形式分析過程與此類似，在此不再贅述，只給出一般性結(jié)論：當(dāng)線路發(fā)生BC兩相內(nèi)部接地故障時，無論是超前相還是滯后相，動作電流都轉(zhuǎn)過很大角度：一般地，超前相的相角逆時針轉(zhuǎn)動，而滯后相的相角順時針轉(zhuǎn)動。

通過上文的分析可以看出，無論是接地故障還是相間故障，總存在故障相的動作電流在發(fā)生內(nèi)部故障時會轉(zhuǎn)過較大角度，而正常運行或者發(fā)生外部故障時，三相動作電流的相角幾乎不發(fā)生改變。因此可以通過動作電流是否轉(zhuǎn)過較大的角度值來決定電流差動保護是否動作，其動作流程圖如圖8所示。

圖8中，ΔP為動作電流IM+IN相角的變化值；δ為設(shè)置的轉(zhuǎn)過角度門檻值?？紤]需要躲過線路外部故障產(chǎn)生的不平衡角度值以及測量裝置等造成的誤差，可以取 δ=50°。

3 仿真驗證

基于PSCAD/EMTDC搭建了如圖1所示的仿真模型，其中交流側(cè)電壓為1 000 kV，線路長度為500 km，線路參數(shù)如表1所示，表中 R1、X1、XC1分別為正序電阻、電抗、容抗，R0、X0、XC0分別為零序電阻、電抗、容抗。以A相接地故障為例，故障時刻為0.5s。

圖8 本文所提動作邏輯的流程圖Fig.8 Flowchart of proposed logic

表1 1000 kV線路參數(shù)Table 1 Parameters of 1000 kV power transmission line

3.1 單相內(nèi)部接地故障仿真分析

圖9給出了線路發(fā)生單相內(nèi)部金屬性接地故障時動作電流相角的變化曲線以及相量圖，圖中，P、P′分別為故障前、后的相角。通過圖9（a）可以看出，此時動作電流相角由正常運行時的3°變?yōu)?160°，在坐標(biāo)平面內(nèi)，相當(dāng)于動作電流從第Ⅰ象限順時針轉(zhuǎn)到了第Ⅲ象限，轉(zhuǎn)過的角度為-163°。根據(jù)圖8的動作邏輯可以看出，電流差動保護能正確動作。

圖9 內(nèi)部故障時的仿真結(jié)果Fig.9 Simulative results under internal fault

3.2 外部故障仿真分析

圖10給出了發(fā)生外部故障時動作電流相角變化曲線，通過圖10可以看出，此時相角變化非常有限，幾乎不變，與內(nèi)部故障時差異很大。

3.3 兩相接地故障仿真分析

圖11給出了發(fā)生BC相經(jīng)過10 Ω過渡電阻接地故障時故障相動作電流相角變化情況，其中PB為B相動作電流相角，PC為C相動作電流相角。通過圖11可以看出，超前相B相動作電流逆時針轉(zhuǎn)過126°，而滯后相C相動作電流順時針轉(zhuǎn)過150°，其轉(zhuǎn)過的角度值遠大于整定值50°，保護能可靠動作。

圖10 外部故障時的仿真結(jié)果Fig.10 Simulative results under external fault

圖11 兩相接地故障時的仿真結(jié)果Fig.11 Simulative results under dual-phase grounding fault

表2給出了不同故障類型下動作電流相角的變化結(jié)果。表中，i表示內(nèi)部故障，o表示外部故障，F(xiàn)iA（0）表示A相發(fā)生內(nèi)部接地故障，過渡電阻為0；FoA（10）表示發(fā)生線路外部故障，過渡電阻為 10 Ω；FiBCG（15）表示BC兩相經(jīng)15 Ω過渡電阻發(fā)生內(nèi)部接地故障，第2列其他參數(shù)含義類推；X/Y形式的數(shù)據(jù)中，X對應(yīng)B相數(shù)值，Y對應(yīng)C相數(shù)值。

表2 不同故障形式下的仿真結(jié)果Table 2 Simulative results under different faults

由表2可以看出，發(fā)生內(nèi)部故障時動作電流轉(zhuǎn)過較大角度，并且對同一故障形式而言，隨著過渡電阻的增大，轉(zhuǎn)過的角度越小，如表2中編號1—3的數(shù)據(jù)所示；而發(fā)生外部故障時轉(zhuǎn)過的角度很小，幾乎不變，如表中編號5、6的數(shù)據(jù)所示。因此本文所提的電流差動保護邏輯可以很好地解決分布電容帶來的問題。

4 結(jié)論

特高壓電網(wǎng)分布電容會對電流差動保護產(chǎn)生影響，本文利用動作電流相角的變化特征與傳統(tǒng)的保護判據(jù)構(gòu)成動作邏輯。本文動作邏輯需要同時滿足2個動作條件：動作電流相角轉(zhuǎn)過一定角度值，同時動作電流大于整定值。本文保護判據(jù)只需增加動作電流的相角信息，并不需要添加其他硬件或者接線，因此具有一定的工程應(yīng)用價值。

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