带并联电抗器的超特高压输电线路单相自适应重合闸故障性质识别判据

带并联电抗器的超特高压输电线路单相自适应重合闸故障性质识别判据

0高效运行监控故障性质充分考虑回报应炮是确保可靠性能源充足运行的重要措施之一。运行经验表明,超高压输电线路故障中70%以上是单相接地短路,而单相故障中约有80%为瞬时性故障。俄罗斯电力部门的统计数据表明,特高压输电线路上的单相接地故障率高达90%以上,且大多数绝缘闪络具有瞬时性的特点。为保证系统稳定和供电的连续性,超/特高压输电线路广泛采用单相自适应重合闸技术。但若重合于永久性故障,则不仅会使电力系统再次受到短路电流的冲击,还会使电气设备的工作条件恶化。因此单相自适应重合闸技术对于超/特高压输电系统至关重要。单相自适应重合闸的关键技术之一是对故障性质的识别,目前已有很多科研人员做了大量的研究工作[5,6,7,8,9,10,11,12,13]。在超/特高压长距离输电线路中,为限制工频过电压,补偿线路容性无功,抑制潜供电流,一般应装设并联电抗器。若装设中性点小电抗则可部分或全部补偿相间耦合电容,使断开相电容耦合电压幅值很小。由于并联电抗器的存在,瞬时性故障时断开相恢复电压中存在由于储能元件初始储能引起的自由分量,该自由分量幅值接近或高于其稳态基波分量幅值,频率低于且接近于工频,因此断开相恢复电压呈拍频性质;而永久性故障时断开相电压中仅含基波量。据此文献提出了识别故障性质的电压拍频判据,该判据原理清晰,判断结果无交叉模糊区,判断时间约为半个拍频周期。本文将提出一种新的拍频判据,该判据灵敏度高,且判断时间远小于半个拍频周期,这将更有利于捕捉最佳重合时刻。1自由分量的相量和幅值装设并联电抗器的输电系统如图1所示。图中系统和线路参数如下:m侧系统Xm1=49.34Ω,Xm0=41.34Ω;n侧系统Xn1=46.03Ω,Xn0=103.36Ω;线路参数r1=0.0195Ω/km,r0=0.1675Ω/km,l1=0.9134mH/km,l0=2.7190mH/km,c1=14.00nF/km,c0=8.34nF/km;电抗器参数XL=1680.56Ω,XN=434Ω。对于确定的超/特高压输电线路,自由分量频率ω0随并联补偿度k的变化而变化。对于两侧装设并联电抗器的输电线路其关系如下:式中:R、L、C分别为线路等效正序电阻、电感和电容。图1所示系统ω0与k的关系曲线如图2所示,由图2可知,自由分量频率随并联补偿度的增大而升高。电压等级为330～500kV、750～1150kV的输电线路并联补偿度一般为60%～80%和90%～100%。因此可推断330～500kV输电线路的自由分量频率一般低于45Hz,大量现场试验资料也表明其自由振荡的频率一般为30∼45Hz。为避免谐振,750～1150kV线路的并联补偿度一般低于100%,其自由分量频率一般应低于49Hz。由于潜供电流为容性电流,而二次电弧熄弧时刻通常为电弧电流过零点,因此可近似认为熄弧时刻断开相电压为最大值,即二次电弧熄灭后断开相电压中自由分量幅值较大。大量现场试验资料表明,瞬时性故障情况下超高压输电系统的恢复电压中自由分量的幅值一般接近或高于稳态基波分量的幅值,而稳态基波分量的幅值可由图3所示的等效电路近似求出。永久性故障时断开相电压中基本只含有基波分量,因此可通过检测恢复电压中是否存在自由分量来判断故障性质。图3中C0、Cm分别为线路的等效相对地电容和相间电容;uA、uB、uC分别为A、B、C相线路端电压;L0、Lm分别为并联电抗器的等效相对地电感和等效相间电感,其关系如下:式中LR、LN分别为并联电抗器和中性点小电抗的电感值。由于自由分量频率与基频比较接近,利用傅里叶变换较精确地分离基波与自由分量需要较长数据窗,使得不能快速判断故障性质。为此,本文提出了一种利用较短数据窗检测自由分量的方法。该方法本质是依据自由分量与基波分量频率的不同,在经过基波周期整数倍长的时间后基波分量相位不变,而自由分量的相位会有变化,采用相隔数个基波周波的两基波周波的数据相减即可将该时段中的基波分量基本消除,而自由分量的计算相当于是幅值相同、具有一定相位差的两自由分量相减。断开相恢复电压可表示为式中:U0和U1、T0和T1、θ0和θ1分别为自由分量与基波分量的幅值、周期和初相位。第n个基波周波与第1个基波周波的差值可用∆u(t)表示:式中δ为两相减的自由分量的相位差,可表示为式中f0和f1分别为自由分量与基波分量的频率。自由分量的相量图如图4所示。由相量图可得:因此理论上,对于任意频率的自由分量,利用二次电弧熄灭后两基波周波的断开相电压数据都可求出自由分量幅值,但考虑到采样率及计算精度,若保证该判据的灵敏度,δ应足够大。对于一定的δ值,所需经过的基波周波数n与自由分量频率的关系为式中Int表示取大于或等于括号内数值的最小整数。此判据的性能与电力系统频率和自由分量频率密切相关。其中电力系统频率在线计算已比较成熟,故在此假定系统频率计算误差为0,频率为50Hz。由于线路实际参数受运行情况及环境的影响会发生变化,因此不可避免地会造成所计算的自由分量频率可能偏离实际频率,这会影响本文所提出的拍频判据性能;实际系统的运行频率也会有波动。以下先讨论自由分量频率计算误差对该判据的影响,然后讨论系统频率波动的影响。设自由分量计算频率为f0j,其真实频率为f0,若计算误差在10%范围内则有设所设定的相位差为δ,则计算所得的周期数nj为此时计算的自由分量幅值为k值大小与所设定的相位差δ、自由分量频率及其计算误差有关。2自由分量幅值补偿算法若设自由分量频率计算误差在10%范围内,则不同的相位差定值δ下的k值与自由分量频率之间的关系曲线如图5所示。δ<20°与δ=20°时的曲线基本相同。由图5可知,当自由分量频率低于45Hz时,若频率计算误差在10%范围内,则当δ在10°∼60°范围内取值时k值最小值为0.55。特高压输电线路与超高压输电线路相比,其分布电容更大,且由于其电压等级更高,过电压与绝缘成为突出问题。为更有效地抑制过电压,特高压中长距离输电线路上一般会装设并联电抗器,且有时补偿度较大,因此在其单相重合闸期间断开相恢复电压中自由分量的频率可能很高,但一般不会超过49Hz。由图5可知,若设自由分量频率计算误差小于10%,则当所设定的相位差δ较大时,按该算法计算的自由分量幅值可能会很小,这是因为当频率计算存在正误差时,随着所设定相位差的增大,频率计算误差使得实际相位差可能接近360°。自由分量频率越高越容易出现这种情况。图6为计算频率为49Hz、频率计算误差为+10%时实际相位差与设定相位差的关系曲线。由图6可知,此时若取相位差角度δ小于50°,则可保证在频率计算误差为+10%时所计算的自由分量幅值具有较高数值,从而准确判断故障性质。由图5可知,当自由分量频率高于45Hz时,若计算频率具有-10%误差,则所计算的自由频率分量幅值会很小。如自由分量频率为49Hz时,自由分量幅值计算值仅为实际值的0.20倍左右,这是因为自由分量实际频率高于其计算值,致使在第nj个工频周期内实际相位差达不到设定值。为此本文提出了频率计算误差的补偿算法。该补偿算法是按1.1f0j和0.9f0j各计算一次自由分量幅值,然后取代数平均值作为自由分量幅值的计算值。考虑最不利情况,即计算频率本身已有+10%或-10%误差,则补偿后各自由分量频率下的k值如图5中曲线所示,可见,采用补偿算法所计算的自由分量幅值都大于其真实值的0.55倍。按与图6类似分析方法可知,采用补偿算法时δ取20°∼30°较为适宜。根据电能质量标准,电力系统正常频率偏差允许值为0.2Hz,当系统容量较小时偏差值可以放宽到0.5Hz。分析该判据的性能时按最不利情况考虑,即假定系统频率偏差为0.5Hz,图7与图8分别给出了系统频率偏差对该判据及其补偿算法性能的影响。图7中曲线11、12和13与曲线21、22和23分别为自由分量频率计算误差为+10%与-10%时系统频率为50Hz、50.5Hz和49.5Hz时比例系数k随自由分量频率的变化曲线。图8中曲线11、12和13与曲线21、22和23分别为自由分量频率计算误差为+10%与-10%时系统频率为50Hz、50.5Hz和49.5Hz时按补偿算法计算的比例系数k随自由分量频率的变化曲线。由图7可知,系统频率偏差对于自由分量频率低于45Hz时判据的性能影响不大,但当自由分量频率较高且计算误差为-10%时判据性能更差,自由分量幅值计算值仅为其真实值的0.0544倍。图8表明采用补偿算法后最不利情况下自由分量幅值计算值为其真实值的0.5倍,即该判据仍具有足够的灵敏度。因此若在自由分量频率较高时采用补偿算法则判据的性能基本不受系统频率偏移的影响。考虑到系统内噪声等各种不利因素及计算误差的影响,该判据可按式(13)计算其定值(单位为kV):式中UP为按图3近似计算得出的稳态分量幅值,由于瞬时性故障时自由分量幅值一般接近或高于其稳态分量幅值,因此可近似认为UP即为该情况下的自由分量幅值。当自由分量幅值计算值大于定值US时可确定故障为瞬时性故障,否则为永久性故障。由于超高压输电线路自由分量频率一般低于45Hz,因此将该判据应用于超高压输电线路及自由分量频率低于45Hz的特高压输电线路时可准确识别故障性质,且具有较高的灵敏度,无需采取补偿措施。对于自由分量频率高于45Hz的特高压输电线路采用补偿算法后该判据可灵敏识别故障性质。理论上,在相间电容被并联电抗器中性点小电抗完全补偿后,瞬时性故障情况下稳态基波分量幅值为零,相应的自由分量幅值也近似为零。事实上,中性点小电抗按一定阻抗生产并分级调整,此外输电线路换位通常不是完全的,其分布电容还随着系统运行而波动,因此实际运行中精确完全地补偿相间电容几乎不可能。仿真结果表明,其值略偏离谐振点(mH级)时自由分量幅值会较大。当按图3进行计算使中性点小电抗完全补偿相间电容时,仿真得出的自由分量幅值按非补偿算法的计算结果为22.7252kV,按补偿算法的计算结果为29.5714kV。而该情况下发生永久性单相故障时,断开相电压的不平衡分量使得按该算法计算所得的结果不会超过3kV。因此按式(13)进行整定可确保在线路相间电容几乎被完全补偿时仍能准确识别故障性质。3判断结果对比采用图1所示系统进行仿真,δ取20°,自由分量频率计算值为42.83Hz,仿真时采样率为1kHz。根据图3估算的稳态分量幅值为46.08kV。仿真表明该系统瞬时性故障时自由分量幅值约为44.11kV,因此取定值为14kV。表1给出了不同负荷电流时永久性故障情况下自由分量计算幅值U0j及相应的补偿算法计算结果U0jb。表中Rg=300Ω,L=200km,其中Rg为过渡电阻,L为故障距离,θ为两侧电源相位差。不同故障过渡电阻及不同故障距离时的永久性故障仿真结果与此类似,本文不再列出。表2给出了不同负荷电流时瞬时性故障情况下的自由分量计算幅值,表中L=200km。不同故障距离时瞬时性故障情况下的仿真结果与此类似。大量仿真数据表明,该算法的计算结果在瞬时性故障时比永久性故障时大1∼2个数量级。表中自由分量幅值计算值均大于其真实幅值,这是因为自由分量计算频率大于其真实数值,但这种计算误差并不影响判断结果的正确性。仿真结果表明该判据可准确判断出故障