宁夏大学物理电气信息学院电力系统继电保护课程设计.pdf

电力网特高压长线路的继电保护设计电力网特高压长线路的继电保护设计 学院 物理电气信息学院 班级 2010 级电气工程与自动化 2 班 指导老师 李世芳 小组成员 张路 12010245210 梁晓龙 12010245310 马金 12010245271 杨晓刚 12010245204 刘奕男 12010245269 完成日期 2013 年 12 月 19 日 摘要 随着我国社会经济的发展 电力需求日益增长 发展特高压输电 技术 实现电网技术质的飞跃 是保障电力和社会经济协调发展的要 措施 特高压输电线路正逐渐成为全国统一电网的骨干网架 IOO0k 特高压输电系统有大容量 长距离和低损耗的输电特点 与 500kV 输 电线路相比 导线的等效直径增大 阻抗下降 阻抗角增大 传输率 增大 相对相以及相对地之间的分布电容增大 特高压输电线路具有 电压高 线路长 输送功率大 阻抗小 分布电容大 线路充电电容 电流大等特点 使得电气特征发生了大幅度变化 给特高压系统继电 保护带来相当大的影响 本文探讨了特高压输电线路继电保护面临的 问题 论述了适用于特高压输电线路的继电保护技术 提出了继电保 护配置设计的原则 并在实际工程中提出配置设计的具体应用方案 关键词 特高压 分布电容 继电保护 一 课题背景及意义一 课题背景及意义 为了提高输电的经济性能 满足大容量 远距离输电的需求 电网 的电压等级不断提高 建立长距离 大容量 低损耗的输电系统已经 成为世界各国电网发展的必然 美国 前苏联 日本 意大利等国自 上世纪70年代就开始进行lOOOkV及以上电压等级的特高压输电技术 的研究 并建设了相应的实验室和短距离试验线路但是由于国际大环 境变化以及西方经济发展速度减缓等因素导致上述国家的电力需求 衰退 许多特高压输电工程纷纷停滞 已经建成的特高压输电线路只 能以低电压等级运行我国在经过近二十年的早期研究 论证分析和设 计筹备等的前期准备工作阶段 于 2005 年启动了特高压输变电试验 示范工程的建设工作 北起山西长治晋东南变电站 经河南南阳开关 站 南止湖北荆门变电站 连接华北和华中两大电网 线路全长 640 千 米 电压等级为交流 lOOOkV 这项工程于 2009 年 1 月建成投运 至今 已安全稳定运行三年多 在国家电网公司的长远规划中这仅仅是 始 晋东南 陕北 晋东南 北京 荆门 武汉以及淮南 宪湖 浙北 上海特 高压工程将会陆续展开 2011 年 9 月 国家发改委已经核准了院电东 送的特高压交流工程项目 这标志着特高压交流工程进入加快启动阶 段 按照规划 在 十二五 期间会形成 三纵三横 的特高压骨干 网架 跨区输送电容量将超过 2 亿千瓦 占全国总装机容量的 20 以 上 交流 lOOOkV 系统的输电线路 由于采用了八根分裂导线 线路的 单位电阻与单位电感的比值较小 单位长度的分布电容较超高压线路 有一定程度的增大 这样就会产生四个有别于常规电压等级的电气特 性 分布电容产生了较大的电容电流 短路过程中分布电容产生的高 频分量频率可能距离工频很近 短路过程中非周期分量衰减常数较大 故障尤其是高阻接地时故障分量可能比较小 基于这样的电气特性 必然会给电网中传统的继电保护装置带来若干问题 分相电流差动保 护 工频变化量方向保护 负序方向保护等等这些应用于超高压线路 的传统保护原理先进 性能优良 工作人员积累了丰富的运行经验 但是应用到 lOOOkV 特高压长线路上 这些保护原理会出现什么样的 问题 性能是否能够满足要求都需要详细论证并加以改进 因此 在 我国即将大范围开展特高压交直流输电的背景下 分析特高压输电线 路在暂态特性 进而研究性能更好的继电保护原理具有非常重要的现 实意义 为特高压长线路的保护提供更有力的武器 二 特高压长线路的特点和特性二 特高压长线路的特点和特性 特高压输电线路单位电阻小 漏电导小 分布电容大 z 3 为 了提高特高压输电线路的传输能力 减小其电压损耗和能量损耗 提 高输电线的自然功率 特高压线路多采用分裂导线 750kV 常用 4 6 根 1000kV 常用 8 12 根 加之特高压输电线路输电距离长 从而 导致分布电容较大 下表列出了不同电压等级下每百公里的分布电容 值 不同电压等级每百公里线路分布电容不同电压等级每百公里线路分布电容 电压等级 kV 2203305007501000 正序电容 F 0 861 1131 231 361 397 零序电容 F 0 610 770 840 930 93 下表列出了 220 1000kV 各电压等级下单位线路电抗与电阻的 比值 可知特高压输电线路的单位电感与单位电阻的比值明显增大 这又是特高压输电线路的一大特点 同时 由于特高压输电线路相间 距离大 对地绝缘好 其漏电导在分析中可以忽略 各电压等级输电线路单位电阻电抗比各电压等级输电线路单位电阻电抗比 电压等级 kV 2203305007501000 X R3 3 56 8410 132035 三 特高压线路保护三 特高压线路保护 1 1 输电线路常用保护 输电线路常用保护 3 1 13 1 1 纵联保护纵联保护 纵联保护是当线路发生故障时 使线路两侧之间发生纵向联系 交换各自的信息作为判据 从而有选择性的快速切除全线故障的一种 保护装置 它以线路两侧判别量的特定关系作为判据 即两侧均将判 别量借助通道传送到对侧 然后 两侧分别按照对侧与本侧判别量之 间的关系来判别区内故障或区外故障 目前纵联保护主要有 闭锁式 允许式纵联距离保护和纵联电流差动保护 前者在线路两侧通过通道 收发闭锁或允许信号来区分区内或区外故障 后者使用通道传输线路 两侧的工频电流信息来确定故障区域 3 1 23 1 2 纵联距离保护纵联距离保护 纵联距离保护优点很多 有丰富的运行经验 它是通过其方向判 别元件的动作情况比较线路两侧各自看到的故障方向 从而判断是线 路内部故障还是外部故障 如果以被保护线路内部故障时看到的故障 方向为正方向 则当被保护线路外部故障时 总有一侧看到的是反方 向 输电线路对于纵联距离保护的基本要求是 要有明确的方向性 能快速的反应各种对称与不对称故障 能够可靠的保护本线路全长 对电压二次回路断线或系统振荡采取闭锁措施 纵联距离保护的主要优点是可以兼做主保护和下一级线路的远 后备保护 保护范围基本固定 若不考虑过渡电阻影响 不受系统运 行方式变化影响 根据线路情况和保护目标可以采用各种不同的动作 特性等 但其缺点是受系统振荡影响很大 必须采用复杂的影响保护 动作可靠性的振荡闭锁措施 受过渡电阻影响保护范围可能缩短或伸 长 另外 方向性特性 动作特性通过原点 不能可靠反应保护安装处 的故障 受线路串补电容影响可能使动作范围大大缩短 电压回路断 线可能造成立即误动作 必须采用高速的电压回路断线闭锁措施等 此外 用于特高压输电线时必须按分布参数整定 使得保护定值不能 直接反应保护范围的长度 保护整定复杂 精度降低 线路保护 I 段的 动作范围要留有较大的裕度 按照纵联距离保护的以上特点 其可配 以远方跳闸信号 作为特高压输电线的独立后备保护 3 1 33 1 3 纵联电流差动保护纵联电流差动保护 纵联电流差动保护是比较被保护线路两侧工频电流相位的纵联 保护 当两侧故障电流相位相同时保护被闭锁 两侧电流相位相反时 保护动作跳闸 其特点是 l 能反应全相状态下的各种对称和不对称故障 装置比较简单 2 不反映系统振荡 在非全相运行状态下和单相重合闸过程中保 护能继续运行 3 不受电压回路断线的影响 4 对收发信机及通道要求较高 在运行中两侧保护需要联跳 5 当通道或收发信机停用时 整个保护要退出运行 因此需要配 备单独的后备保护 3 1 43 1 4 分相电流差动纵联保护分相电流差动纵联保护 分相电流差动纵联保护被誉为最具有绝对选择性的保护 从原理 上是最理想的保护方式 它的基本原理是基于基尔霍夫电流定律的 它不受系统振荡的影响 不受运行方式的影响 受过渡电阻的影响小 本身具有选相功能 但由于特高压线路分布电容电流的影响 将使线 路区外故障时两端电流的波形 幅值和相位都发生严重畸变 影响电 流差动的正常工作 因此欲采用分相电流差动保护原理时 应采取补 偿电容电流的措施 对于微机保护可采用补偿电容电流的算法 尤其 是补偿暂态电容电流的算法 在不采取电容电流补偿措施的情况下 分相电流差动保护只能用在 200km 以下的线路 3 1 53 1 5 工频变化量纵联保护工频变化量纵联保护 工频变化量方向纵联保护可以反应全相和非全相状态下的各种 故障 不受负荷电流 系统振荡等的影响且动作速度很快 己在我国 SO0kV 和 22OkV 输电线路上取得成功的运行经验 其主要缺点与所有 利用故障分量的保护一样 只能反应故障的初瞬间 不能反应故障的 全过程 其次 其灵敏度与系统运行方式有关 有一定程度的不确定性 但是作为方向元件 灵敏度总是能够保证的 3 1 63 1 6 工频故障分量距离保护工频故障分量距离保护 工频故障分量距离保护的特点是 阻抗继电器以电力系统故障 引起的故障分量电压 电流为测量信号 不反映故障前的负荷量和系 统振荡 动作性能基本上不受非故障状态的影响 无需加振荡闭锁 阻抗继电器仅反应故障分量中的工频稳态量 不反映其中的暂态分量 动作性能较为稳定 阻抗继电器的动作判据简单 因而实现方便 动 作速度较快 阻抗继电器具有明确的方向性 因而既可以作为距离 元件 又可以作为方向元件使用 阻抗继电器本身具有较好的选相 能力 3 1 73 1 7 负序方向纵联保护负序方向纵联保护 负序方向纵联保护具有悠久的历史和丰富的运行经验 负序分量 存在于故障的全过程 因此负序方向纵联保护可以可靠地反应不对称 故障的全过程 不受振荡的影响 叫 其灵敏度与系统运行方式和线 路换位情况有关 但其主要缺点是被认为 不能可靠反应三相短路 在集成电路式和非微机保护中 负序分量用模拟电路 负序过滤器 提 取 由于三相短路初始瞬间出现的不对称和负序过滤器电路有一定的 滤除高频分量的能力等原因 负序方向保护也可反应三相对称短路 对于如三相地线未拆除等固定的三相短路则靠后备距离保护反应 但 这个方法可能不适合于微机保护 因为微机保护中的数字负序过滤器 很难在三相短路初始瞬间数个毫秒的不对称期间内正确地滤出负序 分量 因而很难捕捉到三相短路初始瞬间的不对称短路 但如果给负 序功率方向元件配以正序故障分量方向元件或相电流相电压突变量 方向元件专门反应三相短路 可以构成一种完善的纵联保护 负序方 向纵联保护的另一缺点是在非全相状态下再故障时不能可靠动作 综上所述 负序功率方向 也可辅以零序功率方向 配以正序突变 量方向或相电流电压突变量方向的纵联保护在理论上和实践上都是 比较成熟的 应该成为特高压输电线主保护之一 3 1 83 1 8 相电压补偿式方向纵联保护相电压补偿式方向纵联保护 相电压补偿式方向纵联保护主要优点是可反应全相状态下各种 故障和非全相状态下除两相接地外的其他各种故障的全过程 在合理 整定条件下不受全相状态和非全相状态下系统振荡的影响 在反方向 的各种故障包括经各种过渡电阻故障的情况下有很强的方向性 也可 按照多相补偿的原理作为下一级线路的后备保护 其缺点是在单相接 地时允许过渡电阻的能力较差 其次是动作时间需要 23ms 左右 这种 保护原理可作为第二主保护 或作为非全相状态下的保护 专门用以 反应单相重合闸周期中的故障 此外 目前还出现了完全不受电容电 流影响的基于贝瑞隆模型的差动保护 包括分相电流差动和相位差动 的原理 2 2 特高压继电保护的基本要求 特高压继电保护的基本要求 特高压输电线继电保护 其基本要求是满足继电保护 四性 速 动性 灵敏性 选择性 可靠性 的要求 并使整个保护系统在整体上 和更高的水平上满足 四性 的要求 与一般高压和超高压线路相比 各种保护作用要有更高的独立性 更大的冗余度 保护配置应能保证 在任何运行状态 包括两套主保护都退出 下被保护线路上发生任何 故障时 都有一套无延时的快速保护 能从线路两端同时快速切除故 障 避免发生过电压 系统稳定破坏或设备损坏等事故 与一般高压 与超高压输电线不同 特高压输电线继电保护的任务 首先是保证不 产生危及设备和绝缘子的过电压 其次是保证系统稳定 因为特高压 输电线绝缘子短时间能承受过电压的裕度较小 在过电压使线路绝缘 子绝缘性能降低甚至击穿时 更换绝缘子停电造成的经济损失可能远 大于系统稳定破坏造成的损失 为了保证 过电压不超过允许值 特高 压输电线允许一端投入 另一端断开的时间远小于两端保护相继动作 切除故障的时间 因此 特高压输电线上发生任何故障时必须以最短 时间从两端同时切除故障 不能允许两端保护相继动作 即一端断路 器断开后另一端保护才能动作 切除故障 对于特高压输电线要求有两套不同原理的能快速切除各种故障的 主保护 另有一套能通过通道传送跳闸信号或允许跳闸信号的后备保 护 以保证在任何故障情况下两端切断的时间差约为 4Oms 一 50mS 准 确数字应通过过电压计算确定 其中考虑两端保护动作的时间差约 20mS 以及两端断路器断开时间之差约 20ms 两套主保护必须从电流 互感器 电压互感器交流输入 直流电源 保护屏到跳闸线圈完全独 立 否则 如果在线路故障期间同时发生电流互感器 电压互感器 直流电源 保护屏或跳闸线圈任何一个故障 将使线路一端完全失去 主保护 不能快速切除故障 只能依靠后备保护 而使两端切除故障的 时间差大于允许值而产生不允许的过电压 同时 在特高压线路上线 路末端发生故障时 相邻线路上的远后备保护往往不能满足灵敏度的 要求 可能使故障不能切除 因此特高压输电线不能依靠远后备 3 特高压输电线路保护的关键技术问题特高压输电线路保护的关键技术问题 1000kV 特高压输电线路保护研究开发的关键技术主要包括以下 几方面 1 为了增大输送功率和减少损耗 1000kV 特高压输电杆塔和线路具 有很大的空间结构尺寸 其分布电容是 500kv 线路的 3 倍左右 在系统 暂态过程中 分布电容和并联电抗器谐振导致较高比例的分次谐波含 量 对反映工频电气量的继电保护会产生负面影响 2 长线路的分布电容会产生较大的电容电流 纵联差动保护及有关 的方向保护要充分考虑到分布电容的影响 需要研究精确补偿电容电 流或与电容电流无关的差动保护原理 对于 1000kV 长线路传统的集 中参数模型的距离保护 尤其是距离 I 段保护其测量阻抗将受到电容 电流的严重影响 不能满足距离 I 段暂态超 越小于 5 的要求 3 采用并联电抗器导致短路电流中含有较大成分的非周期分量 线 路时间常数大 导致短路电流中的非周期分量衰减缓慢 4 特高压线路必然是系统的主干联络线路 可能会输送较大的功率 因此 所配置的线路保护必须考虑振荡的影响 即 1000kV 特高压保护 不因振荡而误动 而振荡中一旦发生故障 也必须能可靠 有选择性的 切除故障 5 将来较大的短路容量将使接地故障或高阻接地故障时 保护所测得 3U 变得更小 增大了零序方向保护拒动的几率 需要对零序电压进行 补偿 6 超长距离输电线路高阻接地的选相问题是另一技术难点问题 因 为发生单相接地故障时一端可能没有零 负序故障电流 7 1000kV 特高压线路较长 一般线路上会考虑装设串补电容 保护应 能适应串补电容的要求 在交直流混联系统中 需要研究特高压交直流 系统中故障的影响和保护的特殊问题 四 特高压输电线路继电保护面临问题四 特高压输电线路继电保护面临问题 1 1 受电容电流影响受电容电流影响 特高压输电线路因自然功率大 波阻抗小 单位长度电容大 其 电容电流将达到或超过 100 额定电流 这给差动保护整定带来极大 困难 因此在原理上要对电容电流采取补偿措施 同时 由于分布电 容影响 故障时波过程使距离继电器测量阻抗与故障距离不再呈现传 统的线性关系 而是呈双曲正切函数关系 不能直接使用常规的距离 保护 2 2 受电磁暂态过程影响受电磁暂态过程影响 特高压输电线路长 故障和操作过程中产生的高频分量幅值大 且为非整次谐波 更接近工频 这给滤除高频分量带来困难 高频分 量的存在不仅使稳态电气量测量结果出现偏差 而且对基于工频变化 量原理的暂态元件产生影响 因半波算法不能滤除偶次谐波 半波算 法受到高频分量影响将比全波算法更为严重 同时特高压输电线路采 用并联电抗器导致了短路电流中含有较大成分的非周期分量 并因时 间常数大使短路电流的非周期分量衰减缓慢 这将对电流互感器产生 较为严重的饱和现象 3 3 受过电压影响受过电压影响 特高压输电线路发生故障跳开后 由于非故障相线路电压或同塔 相邻线上静电感应电压很高 这将延长电弧熄灭时间 甚至可能出现 不消弧现象 这将直接影响到重合闸动作成功率 由于线路电容存在 从故障发生到故障切除过程中 两侧开关不同时开断 在一端电源作 用下 行波来回折反射导致健全相过电压产生 将严重危害系统安全 运行 考虑到绝缘费用 在线路故障后以及随后操作过程如何降低过 电压水平 是特高压系统过电压保护需要解决的问题 也是继电保护 需要解决的问题 五 特高压输电线路继电保护配置设计原则五 特高压输电线路继电保护配置设计原则 1 1 配置设计基本原则配置设计基本原则 特高压输电线路继电保护任务首先是保证不产生危及设备和绝 缘子的过电压 其次是保证特高压系统稳定 因此 特高压输电线路 继电保护配置的基本原则为 在满足继电保护的 四性 即速动性 灵敏性 选择性和可靠性 要求下 各种保护配置要有更高的独立性 更大的冗余度 达到快速切除故障 避免发生过电压 系统稳定破坏 或设备损坏等事故的目标 2 2 输电线路主保护输电线路主保护 输电线路主保护构成原理很多 但必须选择能够适应特高压输电 线路特殊要求的保护 特高压输电线路主保护要求采用两套不同原理 或制造厂的保护装置 复用光纤通道构成全线速动保护 特高压输电 线路第一套主保护可采用分相电流差动纵联保护和工频变化量方向 纵联保护原理 第二套主保护可采用负序方向纵联保护或相电压补偿 式方向纵联保护原理 两套主保护采用不同的通道 充分利用通信通 道以改善保护性能 3 线路后备保护线路后备保护 特高压输电线路后备保护作为主保护的补充 须保证在两套主保 护都退出情况下发生内部故障时 输电线路两端切除故障时间差在允 许范围内 后备保护要求配置完整的三段式相间距离和接地距离保护 距离保护的动作特性不应局限于如圆特性 四边形特性 椭圆特性等 几种常用特性 可充分利用微机保护优越性 使各距离保护段都具有 最优动作特性 提高保护承受过渡电阻的能力 减小系统振荡影响 4 4 自动重合闸自动重合闸 特高压输电线路自动重合闸方式有单相重合 三相重合和快速重 合 特高压输电线路自动重合闸方式主要取决于过电压水平 为了防 止操作过电压 在非全相状态下产生的过电压倍数不大于允许值时 可以采用单相重合闸 否则采用三相重合闸 当采用单相重合闸方式 时 线路两端重合顺序和时间间隔 以及若单相重合不成功切除其他 两相顺序和时间间隔 均要求限制在允许范围内 快速重合闸也要求 在通道配合下从两端同时进行 以避免一端投入另一端断开的时间 超过过电压允许的时间 自动重合闸应按断路器配置 自动重合闸与 各保护之间的配合应协调控制 单相重合闸的合闸时间尽可能根据熄 弧情况自适应调整 5 5 并联电抗器保护并联电抗器保护 特高压输电线路并联电抗器内部和引线的各种故障应有完善的 快速保护和自动控制装置 当线路故障时 在线路保护发出跳闸命令 的同时 启动并联电抗器的保护和自动装置 立即将并联电抗器 消 弧电抗器投入 以防止过电压和进行消弧 如果切除并联电抗器故障 时引起的过电压超过允许值 则要求通过输电线路保护同时跳开两侧 断路器 6 6 断路器失灵保护断路器失灵保护 失灵保护应采用多种启动原理 以保证在各种故障类型下的灵 敏启动 例如除故障相电流 电压外可能还需要负序 零序 阻抗等 启动量 失灵保护启动元件不需要带方向 在反方向故障时保护不会 动作 六 适用于特高压输电线路继电保护技术六 适用于特高压输电线路继电保护技术 1 基于贝瑞隆模型原理分相电流差动保护基于贝瑞隆模型原理分相电流差动保护 贝瑞隆模型是一种比较精确的输电线路模型 见下图 它反映了 输电线路内部无故障时 包括稳态运行和区外故障 两端电流电压之 间的关系 当线路内部故障时 相当于在内部增加一个节点 破坏了 原有的平衡关系 基于贝瑞隆模型原理的分相电流差动保护即是利用 这一差别区分线路内部和外部故障 构成新的差动保护原理 该保护 对故障的判断过程分别在两侧进行 即至按本侧实测量和计算量进行 比较 定值按大于外部故障时可能产生的最大不平衡动作量给定 两 侧分别按给定的定值判断是否有内部故障 基于贝瑞隆模型的保护判据与传统的判据相比 主要差别在于前 者是比较同侧量 后者是比较异侧量 因为线路分布电容电流的存在 使得异侧量比较受其影响 而使用同侧量比较就避免了电容电流的影 响 因此其最大优点是从原理上消除了外部故障时分布电容电流对差 动保护影响 2 带低次谐波带低次谐波 LR 数值运算型距离保护数值运算型距离保护 常规距离保护是采用故障电压和电流的基波分量计算阻抗来判 断事故地点 当基波附近含有大量的低次谐波时 导致计算阻抗失真 将造成保护不可靠动作 采用故障电压和电流的瞬时值直接求解系 统的积分方程式 能够高精度地导出故障点的电感 L 和电阻 R 值 见 下图 该方式即使波形有畸变也能正确计算 其畸变性能取决于方程 的积分值 采用 4800Hz 高速采样数据进行积分计算时结果相当逼真 采用 600Hz 高速采样数据进行积分计算时结果误差极小 从而可确保 测距精确 3 负序距离保护负序距离保护 负序距离保护是采用负序电流作为极化量 在系统发生不对称短 路故障时 根据负序电流和故障电压进行阻抗计算 不受长期电容电 流和负荷电流的影响 提高了保护的灵敏度 4 高速接地式重合闸保护高速接地式重合闸保护 高速接地式重合闸保护是在故障相开断后 采用高速接地开关 HSGS 将开断的故障相两端接地 对二次电弧强制消弧 待故障点的绝缘恢 复后立即打开 HSGS 进行重合 保护原理见图 5 交流过电压保护交流过电压保护 交流过电压保护原理是首先检出过电压最严重的特高压输电线 路开路端避雷器的消耗能量 在导致该避雷器热破坏前 高速断开无 负荷的特高压输电线路 以实现消除过电压和防止避雷器的损坏 避 雷器的消耗能量按 K itd 计算 其中 K 为与避雷器电压相当的固 定值 避雷器消耗能量的测量以热承受量曲线对应的反时限特性为基 础 在要求高速动作的大电流范围时 则按定时限特性 交流过电压 保护原理见图 当线路打开端检测到过电压后 向对端发送信号使对 端断路器跳闸 避雷器电流 时间特性见图 过电压处理时间受避雷 器承受能量限制 电压在 1 4pu 以上时 高速处理时间应短于 80ms 七 输电线路继电保护特殊问题七 输电线路继电保护特殊问题 1 1 电容电流补偿电容电流补偿 电容电流补偿输电线路的相与相和相与地之间都存在分布电容 为了提高特高压输电线路的传输能力 减小电压损耗和能量损耗 提 高输电线的自然功率 特高压线路一般采用 8 根或以上分裂导线 750kV 常用 4 6 根 1000kV 常用 8 12 根 其单位电阻减小 漏 电导减小 分布电容增大 加上特高压输电线路输电距离一般都很长 导致线路电容电流比 500kV 和 750kV 线路更大 根据 1000kV 线路参 数计算 按自然功率计算的每相额定负荷电流为 2500A 而每百公里 线路电容电流达 255A 即每百公里电容电流将达 10 负荷电流左右 特高压线路为了降低过电压一般都装设有并联电抗器 当线路投入并 联电抗器后 并联电抗器补偿了部分电容电流 使得保护感受到的电 容电流大大减小 以晋东南 南阳线路为例 不带并联电抗器时线路 电容电流达 926A 线路两端带并联高抗后 经补偿后正常运行时的 差流为 124A 可见并联电抗器能对电容电流进行有效补偿 有利于 提高差动保护的灵敏度 当补偿度较高时 能够满足稳态情况下差动 保护灵敏度的要求 当线路并联电抗器的补偿度较低 或线路不带并 联电抗器时 为提高经大过渡电阻故障时的灵敏度 需利用软件算法 对电容电流进行补偿 传统的稳态电容电流补偿公式如下 式中 UM UN UM0 UN0 为本侧 对侧的相电压和零序电压 XC1 XC0 为线路全长的正序和零序容抗 传统的电容电流稳态补偿 法忽略了暂态分量 因此稳态时补偿效果很好 但是在暂态过程中电 容电流比稳态时大很多 不能完全补偿 为防止暂态过程中保护误动 常见的做法是采用高低定值不同的两套辅助判据 高定值判据可切除 区内大部分故障 低定值判据带有几个周波的延时 用以提高保护反 应过渡电阻的能力 但这种做法是以牺牲保护的速动性为代价的 特 高压系统中 为了从根本上解决该问题 提出了基于时域的暂态电容 电流补偿算法 电容电流和电压之间存在以下关系 由上式可知通过电容的电流与电压频率成正比 在暂态状态下线路电 压有很多高频分量 它将会产生更大的高频电容电流 严重影响差动 保护的正确工作 既然不同频率的电容电压 电流之间都存在式 2 关系 考虑利用它来计算暂态电容电流 这就是基于时域电容电流补 偿的思想 下面分析不带并联电抗器和带并联电抗器两种情况下的时 域补偿算法 对于不带并联电抗器的输电线路 其 II 型等效电路如 图所示 图中各个电容的电流 可通过式 2 计算得到 求出各个电容的电流 后 即可求得线路各相的电容电流 以 A 相为例 线路两侧 A 相需 补偿的电容电流的计算公式如下 式中 Cpg 为线路对地电容 pp C 为相间电容 对于安装有并联电 抗器的线路 其等效电路图如下图所示 由于并联电抗器已经补偿了 部分电容电流 因此在做差动计算时 需补偿的电容电流为式 3 计算的电容电流减去并联电抗器电流 iL 并联电抗器上的电流和电压之间存在以下的关系 对于两侧均带高抗的线路 以 A 相为例 差动保护中两侧需补偿的 电容电流为 对于带并联电抗器的特高压线路 虽然并联电抗器补偿了大部分稳态 电容电流 但由于暂态过程中电容 电抗的相互作用 暂态分量非常 丰富 因此有必要采用时域暂态电容电流算法对其进行补偿 下图分别为空载合闸和区外故障及切除情况下未补偿 稳态补偿 和暂态时域补偿的差流幅值对比图 可以发现稳态时两种补偿法效果 均很好 差流很小 在暂态过程中尤其是故障切除时和空载合闸时稳 态补偿法补偿效果较差 时域补偿法效果较好 但也不能完全补偿暂 态电容电流 这主要是由于时域补偿中只采用一个II 型网络来求解 对暂态分量还不够精确 如果采用多个 II 型网络串联求解 结果将 更精确 但同时将加大计算难度 仿真研究发现 实用的差动算法采 用一个 II 型网络求解时精度已经完全足够 基于时域电容电流补偿 的差动算法可以对暂态电容电流实现有效补偿 使动作门槛大大降 低 而无需像稳态补偿判据那样必须通过高低定值不同的两套辅助判 据来提高反应过渡电阻能力 从而大大提高了区内故障 特别是高阻 接地故障的灵敏度和动作速度 结论 利用基于时域补偿的差动保护实用算法 给出时域补偿法 应用于特高压线路带高抗时相应的补偿方案 理论分析及仿真计算表明 时域补偿差动判据可以对暂态电容电 流实现有效补偿 使动作门槛大大降低 而无需像稳态补偿判据那样 必须通过高低定值不同的两套辅助判据来提高反应过渡电阻能力 从 而大大提高了区内故障 特别是高阻接地故障的灵敏度和动作速度 2 非周期分量非周期分量 暂不考虑线路分布电容和并联电抗器时 在线路短路初瞬间为了 维持电感中的电流不突变就产生了直流分量 区别于并联电抗器所产 生的直流分量 该分量为基本非周期分量 考虑并联电抗器的时候 其中流过的电流在短路瞬时也不可突变 这就产生了附加非周期分 量 假设电源 E Em sin t 那么以简单的模型来分析非周 期分量有 假设线路开始是空载的 则流过断路器的电流 i 表达式为 从 8 式可以看出 衰减直流分量的大小和短路稳态电流的初 相角有关 由于特高压系统中 L R 所以 90 所以如果 0 那么在故障后的瞬时将会出现最大的短路电流幅值 2Im 而此 时电源的相角为零 也就是说电压波形处于零点上 而由于 L R 此时断路器的电流将处于最大值上 取大方式下晋南线中点 AG 电压 0 故障时荆门 A 相电流如下图 对上述电流波形进行非周期分量提取后 其非周期分量波形如下 图 对于线路本身而言 随着电压等级的不断升高 时间常数是不断 增大的 下表列出了 220kV 到 1000kV 的线路时间常数 1000kV 采 用的是长治 南阳特高压输电线路的参数 各电压等级直流分量衰减常数各电压等级直流分量衰减常数 电压等级 电压等级 kv 2203305007501000 X R3 3 56 8410 132035 衰减时间常数衰减时间常数 ms 9 5 1121 831 8 41 463 7111 5 从上表可以看出 对于特高压系统而言 故障电流中非周期分量 的作用时间将要远大于常规电压等级 从前面的分析过程也可以看 到 故障电流中非周期分量的衰减时间常数 是由线路和系统两者阻 抗共同决定的 阻抗角越大 其衰减时间常数也就越大 对于特高系 统 其背后系统阻抗角和线路阻抗角都较一般系统更大 因此 其衰 减时间常数也较一般系统更大 衰减非周期分量的存在 将会直接影响保护的测量元件 因此是 构成继电保护暂态误差的重要因素 为此必须要为继电保护设计专门 滤波器以滤除特高压系统故障情况下的衰减非周期分量 设计非周期分量滤波器的要求 有效滤除具有特高压系统特征的非周期分量 不能因为滤波而过分延长保护算法的数据窗时间 在有效滤除非周期分量的同时 不能对影响继电保护的其它分量 如高频分量 进行过分放大 导致非基波电气量从其它方面影响保 护性能 3 特高压过电压问题特高压过电压问题 根据中国电力科学研究院 特高压交流试验示范工程设备开关跳 闸后系统电压偏高问题的研究 结论 一定负荷情况下 1000kV 开 关跳闸 或者主变 500kV 侧失电 导致长线路带低压无功补偿装置 上述两种工况均会导致特高压系统电压升高 极端情况下 重负荷时 线路受电侧近处发生不对称故障 包括单相接地 受电侧三相跳闸而 送电侧保护拒动 那么非故障相上就相当于三种工频过电压的条件叠 加 尤其在送电侧较弱的情况下非故障相的工频过电压就有可能