輸電線路繼電保護裝置運行穩(wěn)定性研究

劉保平

(國網(wǎng)麗水供電公司)

0 引言

繼電保護裝置是電力系統(tǒng)中一種重要的安全保護裝置, 它能通過對電力系統(tǒng)的監(jiān)測和檢測, 檢測系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種異常情況, 并及時采取措施進行保護。輸電線路繼電保護裝置的運行穩(wěn)定性是指在實際應用中, 該裝置能否穩(wěn)定地發(fā)揮其應有的保護功能,以避免由于保護動作不當而導致的電力系統(tǒng)故障及事故發(fā)生。因此, 保障輸電線路繼電保護裝置運行穩(wěn)定性非常關(guān)鍵。包括, 定期檢測和維護: 對線路繼電保護裝置進行定期的檢測和維護, 及時發(fā)現(xiàn)并處理可能存在的故障。合理的操作管理: 建立完善的管理制度, 對繼電保護裝置進行規(guī)范的操作和管理, 防止誤操作。技術(shù)創(chuàng)新: 不斷引進和應用新的技術(shù)手段, 提高裝置的功能和性能, 確保其穩(wěn)定可靠地運行[1-2]。廠家質(zhì)量保證: 選用具有良好聲譽和質(zhì)量保證的廠家生產(chǎn)的設備, 確保設備的可靠性和穩(wěn)定性。定期檢測和維護: 對線路繼電保護裝置進行定期的檢測和維護, 及時發(fā)現(xiàn)并處理可能存在的故障。

通過以上措施的實施, 可以有效地保障輸電線路繼電保護裝置的運行穩(wěn)定性, 最大程度地避免電力系統(tǒng)中由于保護動作不當而引起的故障和事故, 保證輸電線路的安全穩(wěn)定運行。

目前, 基于行波的繼電保護裝置有以下幾種類型: (a) 基于電流和電壓行波參數(shù)測量的入射波傳播方向評估, 這些原則允許實現(xiàn)POTT (允許超越轉(zhuǎn)換跳閘) 型保護[3]; (b) 入射行波幅度測量[4]; (c) 測量不同時間點的純電流電磁波參數(shù), 這些時間點取決于受保護波的傳播行駛的時間; (d) 在不同的時間點, 僅在受保護電磁波的一個終端測量傳輸線參數(shù)(所謂的“行波距離保護”); (e) 基于在傳輸線端子上測量電流和電壓電磁波的差動電流計算[5];

繼電保護實現(xiàn)方法運用(a) 及(c), 運用的繼電保護裝置是最新的繼電保護裝置之一, 是目前最具發(fā)展前景的行波繼電保護裝置之一。這兩種方法的使用可以組成基于選擇性行波的繼電保護裝置, 該裝置工作原理依據(jù)開關(guān)動作切換而來。

因此, 在本文的研究領(lǐng)域中, 有必要對基于繼電保護裝置的 (a) 和 (c) 算法的運行穩(wěn)定性進行評估。

1 超高壓電網(wǎng)行波繼電保護裝置運行穩(wěn)定性分析

一個500 -750kV 的超高壓電力網(wǎng)絡及其參數(shù)是進行運算的基本依據(jù)。以實際電力系統(tǒng)(輸電線路,作為中央電力系統(tǒng)綜合調(diào)度控制的一部分) 為基礎,構(gòu)建了研究網(wǎng)絡方案。所研究的網(wǎng)絡方案如圖1所示。

網(wǎng)絡的供電由五個相鄰的電力系統(tǒng)(S1 - S5)進行, 它們以電感阻抗為代表。在模擬研究傳輸線行波的傳播過程時, 必須同時考慮傳輸線的分布參數(shù)和參數(shù)對電流頻率的依賴性(特別是零序電感和傳輸線電阻)。傳輸線參數(shù)對沿保護線行駛的波的傳播速度有影響。

這樣, 在“相對地”信道中, 電磁波諧波分量的傳播速度可以在0.62km/ms 的范圍內(nèi)。然而, 在“相間”信道中, 行進波的傳播的速度并不依賴于頻率, 相當于0.99km/ms。該模型沒有考慮變壓器和自耦變壓器繞組的分布阻抗和短路部位的非線性電弧電阻。

根據(jù)研究, 雷擊電流方程有如下形式:

式中,IM雷擊電流大小,δT閃電脈沖阻尼常數(shù),δF前緣阻尼常數(shù),k系數(shù), 由此,iM(t) =IM條件的實現(xiàn)成為可能。

在設備測試期間使用的標準雷擊脈沖, 持續(xù)時間為50μs, 前緣為1 -2μs, 這種脈沖形狀對超高壓輸電線路中85 -90%的直接雷擊過程有重要意義。傳輸線模型的參數(shù)定義為50 赫茲的頻率, 這種模型使用傳輸線模型的頻率參數(shù)定義, 與電磁波傳播速度相對應, 較為合理, 但也與過電壓幅值誤差有關(guān)。

2 基于不同時間點的電磁波參數(shù)測量的運行穩(wěn)定性

為了實現(xiàn)該裝置繼電保護作用, 該裝置基于在不同時間點的純電流電磁波參數(shù)測量, 這取決于沿受保護波的傳播的時間, 該裝置使用了對傳輸線相導體中電流高頻成分的分析, 對于設備靈敏度增加的信息承載信號被過濾和區(qū)分。

本文研究的算法分析了傳輸線相導體中電流導數(shù)的高頻分量的值。保護裝置計算所謂的“操作”信息量i′Δ和“限制”信息量i′RT。“操作”量等于在電磁波到達測量裝置時, 在被保護線路的終端(圖1,“L”和“R”裝置) 的電流導數(shù)高頻分量之和的絕對量:

式中,t是電磁波到達時間到達“L”和“R”設備之間的轉(zhuǎn)換?！癓”和“R”器件的“抑制”量按照下列公式分別計算:

式中,τ是沿受保護線路的電磁波傳播時間(也稱為“傳播時間延遲”), 使用下面的公式可以找到“限制”數(shù)量的最終值:

研究算法的條件可以用一種特定的方式寫出:

式中,k=1, 0, 5 為偏移系數(shù)。

這種算法的工作原理可以在傳輸線“3 號線”的實際保護裝置上演示。

外部單相短路(適用于傳輸線“3 號線”), 距離“1 號線”上的“L”器件100km 的傳輸線, 如圖2a所示; 內(nèi)部單相短路(適用于傳輸線“3 號線”), 距離“L”器件100km, 如圖2b 所示;

圖2 電流導數(shù)高頻分量的示波圖

目前, 當電磁波到達“L”和“R”器件(圖2上的點1 和點2) 時, 測量電流導數(shù)的大小以計算“運行”量。在等于τ的時間段內(nèi), 電磁波到達“L”器件后, 測量“R”器件中的電流導數(shù)(方程式(3) 中的diR/dt(t)), 此值用于公式(3) 計算“約束”量。同樣地, 這個數(shù)量也可以根據(jù)公式(4) 計算傳輸線的另一端的。利用“運行”和“限制”量之間的關(guān)系, 可以確定短路的位置, 例如在受保護的線路或鄰近的電力設施(變壓器, 輸電線路, 母線等)。

3 基于入射電磁波相關(guān)極性的運行穩(wěn)定性

為了實現(xiàn)一種基于電流、電壓入射電磁波相關(guān)極性分析的算法, 與早期研究的算法相比, 需要從電壓測量傳感器獲得信號, 這無疑降低了保護裝置的可靠性。該算法的工作原理是以判據(jù)為基礎的, 即電流和電壓的高頻分量在內(nèi)部短路時極性不同, 而在外部故障時極性相同。

圖3 顯示了研究算法的結(jié)構(gòu)-功能框圖(適用于A 相傳輸線的階段)。

圖3 該算法的結(jié)構(gòu)-功能框圖

設計用于電流和電壓導數(shù)極性定義的高頻分量的閾值元件。反轉(zhuǎn)塊“1”反轉(zhuǎn)這個脈沖類型的信號。交叉塊“XOR”的輸出是反向的; 如果輸入信號的極性相同, 則該塊的輸出等于邏輯“1”, 反之亦然。

該設備將電磁波固定到一個傳輸線終端, 其跳閘允許通過二進制“AND”塊進行保護操作。釋放延遲塊“dT”增加電磁波到達的持續(xù)時間, 以提高保護操作的穩(wěn)定性。一般而言, 保護跳閘所需的條件是傳輸線兩個保護子系統(tǒng)同時跳閘。因此, 上述裝置實現(xiàn)了縱聯(lián)保護裝置(允許過距傳輸跳閘) 的POTT方案。

在圖4 示波圖的基礎上, 分析了不同條件下電流和電壓極性入射電磁波的特點, 闡明了基于行波的繼電保護算法的功能。從圖4 的示波圖中可得到, 無論故障位置何處, 算法在內(nèi)部短路期間穩(wěn)定運行, 主要原因是關(guān)于短路位置的信息不是通過電流導數(shù)大小的分析接收的, 而是通過分析高頻電流和電壓分量極性得到的。因此, 該算法的原理可以用于后續(xù)新算法的研究。本文提出的算法在暫態(tài)過程中不會出現(xiàn)由于切換動作而產(chǎn)生的虛假響應。這些過程被算法解釋為外部短路。當此類設備從瞬變期間直接被閃電擊中; 為了偏離這種模式, 會使用一些額外的跳閘或阻塞標準。

圖4 繼電保護裝置在不同條件下的動作

4 結(jié)果分析

本文對現(xiàn)有的行波繼電保護裝置進行了簡要的分析研究。為了進一步評價操作穩(wěn)定性, 選擇了兩種算法。它們是基于對不同時間點的純電流電磁波參數(shù)的測量, 以及對電流和電壓入射電磁波的相關(guān)極性的分析。制定了行波繼電保護裝置運行穩(wěn)定性評估對架空傳輸線模型的精確要求。據(jù)估計, 最適合研究電磁波傳播過程的模型是具有分布參數(shù)的傳輸線的頻率相關(guān)模型, 這個模型可以在使用pSCAD 軟件時獲得。

結(jié)合所研究的行波繼電保護算法的工作原理, 對其進行了描述, 并建立了仿真模型。利用這些模型,我們評估了所研究的算法在切換受保護傳輸線內(nèi)部和外部短路以及直接雷擊時的運行穩(wěn)定性。

據(jù)估計, 在長距離(超過100 -200km) 的輸電線路附近發(fā)生故障時, 該算法是基于當前在不同時間點測量的電磁波參數(shù), 對于保護裝置遭遇直接雷擊時運行穩(wěn)定性良好。

5 結(jié)束語

在分析電流、電壓入射電磁波的相關(guān)極性的基礎上, 利用該算法可以實現(xiàn)設備在附近短路時的運行備份, 這種裝置的使用還可以實現(xiàn)阻斷直接雷擊時的非操作。針對這兩種裝置都不能提供故障相位識別, 本文采用附加的故障相位檢測算法, 例如, 基于行波分量的傳輸線相位導線幅值比較。這項研究的結(jié)果可以為架空超高壓輸電線路行駛波的傳播過程的研究建立一個仿真模型, 并根據(jù)所收到的仿真研究結(jié)果, 更新現(xiàn)有的基于行駛波的繼電保護裝置, 對未來創(chuàng)建新的算法提供了基礎。