输电线路单相重合闸方案研究

输电线路单相重合闸方案研究

0带串联电抗器线路重合闸安全分析由于高压线上的干扰距离较大，发生干扰的可能性非常低。叶片误差以单株瞬时性误差为主，采用单向补偿触发技术有利于迅速恢复故障，降低单果重复电压，确保整个系统的安全稳定运行。但现有单相重合闸技术存在盲目重合于永久性故障或未熄弧瞬时性故障产生二次冲击的危险,同时超/特高压输电线路重合再跳闸不同步可能产生过电压,给电力系统的重要设备的安全稳定运行带来威胁。带并联电抗器是现代超/特高压电网的特色,研究能够避免盲目重合的适用于带并联电抗器线路的单相重合闸技术尤为重要。本文在分析适用于带并联电抗器线路单相自适应重合闸技术现状的基础之上,给出了一种实用的单相重合闸方案。1带串联电抗器线路重合闸现有单相重合闸研究多数集中在不带并联电抗器线路,主要包括利用电弧特性和恢复电压特性2类,难以直接有效应用于带并联电抗器线路单相自适应重合闸。研究实用可行的适用于带并联电抗器线路的单相自适应重合闸技术必须有效解决以下问题。1.1抗器线路明确性识别故障性质识别是自适应重合闸的核心,要求能够在故障后至重合期间可靠地识别瞬时性故障和永久性故障,实现瞬时性故障重合而永久性故障时重合闸可靠闭锁,有效地避免盲目重合于永久性故障的问题,从而消除重合于永久性故障所带来的潜在危害。对于带并联电抗器线路单相重合闸的永久性故障识别的相关研究相对较少,按利用电气量分为电压量和电流量[10,11,12,13,14,15,16]2类。前者判别思路与不带并联电抗器线路相似,利用了断开相端电压的幅值特性、相位特征、拍频特性来实现;对于并联电抗器中性点安装高补偿度小电抗器的线路,由于断开相恢复电压幅值较小,甚至不到额定电压5%,线路电压互感器的测量精度难以满足要求,导致该类判别方法在工程应用中存在一定的局限性。后者利用测量精度高的电流量为实现永久性故障判别提供了一种新的思路,分别有利用测量电流幅值比、工频差动原理、电流拍频特性、低频分量含量等判别方法。一方面要求永久性故障可靠识别不盲目重合,另一方面要求瞬时性故障不被误判为永久性故障而失去重合机会,而两要求是相互制约的,如何权衡取舍是必须解决的关键问题。1.2瞬时性故障重合条件现有自动重合闸采用固定重合时间,对于熄弧快速的瞬时性故障,意味着要等待重合时刻到达才能重合,以致人为延长了停电时间;同时对于部分熄弧缓慢(如受雨雪等恶劣气候条件影响)的瞬时性故障,在固定重合时刻到达可能仍未熄弧则导致重合不成功,以致丧失了瞬时性故障重合成功机会。因此,要求自适应重合闸可靠确认故障熄弧时刻,保证快速熄弧的瞬时性故障快速重合以减小停电时间,对于熄弧缓慢的瞬时性故障亦能自适应地待熄弧后重合,进而保证瞬时性故障最大机会地重合成功。故障熄弧时刻确认对于长距离超/特高压输电线路熄弧缓慢的瞬时性故障的成功重合具有重要价值,需要永久性故障和瞬时性故障判据本身具有熄弧时间确认功能。1.3自动重合闸动作的优点限制过电压以保证设备安全成为特高压电网的首要问题,尤其是重合过电压更是成为特高压电网绝缘水平的决定性因素。由于自适应重合闸能够有效避免传统自动重合闸动作的盲目性,进一步提高瞬时性故障重合的成功率,有助于防止超/特高压电网短时间内连续重合引起的操作过电压;同时寻找最优重合时刻,保证了重合闸过程中过电压对设备损害很小;即使是部分非严重永久性故障误判为瞬时性故障误重合,按最优重合时刻合闸亦可以将合闸过电压限制在允许过电压水平之内。只有确实有效地解决以上问题,才能更好地凸显单相自适应重合闸的优势,进一步提高现有重合方案的实用性和可行性。2实际单孔自适应双重触发方案2.1多层触发方案2.1.1故障并判别故障相别只有单相故障时才进行单相重合,对于相间故障则单相重合应该闭锁,按现有三相重合闸方案动作。因此,故障后可靠确认单相故障并判别故障相别将有利于单相重合闸的正确动作。现有线路保护的故障选相的原理及技术已经十分成熟,线路保护能够可靠判别故障类型并对于单相故障能够可靠确认故障相,并将对应的断路器接点信息传递给重合闸模块。由于当前线路保护难以获取电抗器的电气量信息,限制了利用电流量的重合闸功能的应用,但在未来数字化变电站中利用电抗器电气量的重合闸能够方便实现。2.1.2次短路冲击及高温防止过电压是超/特高压电网安全运行的重要因素,误重合于严重的单相永久性故障则导致严重的二次短路冲击及过电压问题。实际上,对于部分非严重的永久性故障由于故障特征不明显可能误判为瞬时性故障而导致误重合,但此时对电力系统的冲击应在允许范围之内。总之,对于非严重的永久性故障,允许其误判为瞬时性故障重合再次跳闸,但此时的短路电流冲击和过电压均在允许的范围内。2.1.3损害拍频判据超/特高压电网输送功率容量大,不允许将瞬时性故障判为永久性故障而失去成功重合机会。对于具有显著拍频特征的瞬时性故障,应采用可靠性高的拍频判据;对于部分拍频特征微弱的瞬时性故障则需要采用灵敏度高的判据,即不受拍频特征影响的判别方法,如模型参数识别原理判别方法。2.2两端电抗器等价感抗以图1所示的两端带并联电抗器线路为例进行分析。图中,Xp1、Xp2分别为两端并联电抗器的等值感抗;Xn1、Xn2分别为两端并联电抗器中性点小电抗器等值感抗;iMLφ、iNLφ(φ=A,B,C)分别为两端并联电抗器的电流。2.2.1低频分量要求以图1所示线路为例,当线路发生单相瞬时性故障时,故障点熄弧瞬间故障相电感电容储能基本释放完全,之后健全相潜供电流对断开相对地电容快速充电,随后断开相电容的储能经并联电抗器与线路电容构成的低频振荡回路缓慢释放,导致恢复阶段的电压电流量除了工频分量以外,还存在幅值较大的低频自振分量及其他自振分量,以致断开相并联电抗器电流存在明显拍频现象。理论上,单相瞬时性故障时断开相并联电抗器电流量的低频自由分量的幅值IL接近或大于工频分量的幅值I1。以M侧断开相并联电抗器电流iMLF(t)为例,即其中,IL、I1分别为低频自由分量、工频分量幅值;λL、λ1分别为低频分量、工频分量衰减因子;θL、θ1分别为低频自由分量、工频分量初相位;ωL、ω1分别为低频自由分量、工频分量角频率。而单相永久性故障时,故障相两侧断路器跳闸后,断开相储能通过故障点可靠放电,断开相并联电抗器电流量以工频分量为主要形式,不存在低频分量,此时对应的低频电流分量幅值IL应接近0。以M侧断开相并联电抗器电流iMLF(t)为例,即因此可以通过提取断开相并联电抗器电流的低频分量实现单相故障性质识别。显然,具有较大的低频分量幅值的故障则必然是瞬时性故障,给出瞬时性故障识别判据:其中,系数Kk1取0.01~0.02,ILN为并联电抗器的额定工作电流。2.2.2电容故障模型以线路瞬时性故障(熄弧后)模型为参考模型,建立参数识别网络方程,将线路电容参数Cm、C0作为待求解参数,即其中,为线路电容参数的计算值;iMLφ、iNLφ(φ=A、B、C)为相并联电抗器电流;Lp1、Lp2为两端并联电抗器电感;Ln1、Ln2为两端中性点小电抗器电感。理论上,瞬时性故障时,实际故障模型与参考模型一致,电容参数识别结果与真实电容参数CmR、C0R保持一致,且不应随时间变化;而永久性故障(未熄弧瞬时性故障)时,实际故障模型与参考模型不一致,电容参数识别结果与实际电容参数差异明显。据此特点给出如下永久性故障判据:其中,CmR、C0R为线路相间电容、对地电容的真实值;KC1、KC2为裕度系数,可取0.10~0.20。只要式(5)在判别时间内持续满足至少有一个电容参数的识别结果与真实值差异显著,则判为永久性故障(未熄弧瞬时性故障),重合闸闭锁;在判别周期内,只有当2个电容参数的计算值均与对应的真实值一致时,可靠判为瞬时性故障且已熄弧。2.3增加电流幅值启动元件结合前面的分析,给出图2所示的单相重合闸重合流程。为了避免在部分永久性故障情况下断开相并联电抗器电流幅值过小(如不带中性点小电抗器线路系统)以致电流互感器测量不可靠带来的判别结果可信度低的问题,在单相跳闸后增加电流幅值启动元件,如式(6)所示:其中,KE取0.01~0.02;ILφ为断开相并联电抗器电流幅值;ILN为并联电抗器的额定工作电流。只有当启动元件动作以后,才进入永久性故障判别。采用电流启动元件能够进一步提高永久性故障判别的可靠性,保证了在断开相并联电抗器电流幅值过小的永久性故障时不会误重合。待单相跳闸断开相断路器断开状态确定后,考虑到故障点灭弧和周围介质去游离的时间,取200ms固定延时后开始采样计算,电流拍频判据判为瞬时性故障则表明瞬时性故障且熄弧,经延时确认并收到对端允许重合信号后发合闸脉冲;如果电流拍频判据判为永久性故障时,需要电容参数判据进一步确认,直至算法终止时刻到达,可靠判为永久性故障不重合。3瞬时性故障和中小型故障的识别方法仿真分析为了进一步验证本文所提单相重合闸永久性故障判别方案的实用性和有效性,利用西安交通大学动模试验室进行带并联电抗器330kV线路的各种单相故障仿真并利用大量仿真数据进行验证。线路仿真系统如图3所示,其中线路长度400km,线路正序阻抗Z1=20.34+j141.45Ω,线路零序阻抗Z0=109.28+j421.50Ω,并联电抗器感抗Xp1=Xp2=1828.8Ω,中性点小电抗器感抗Xn1=Xn2=574.3Ω。线路TV变比为330kV/0.1kV,TA变比为1250A/1A;并联电抗器TA变比为300A/1A。在线路M侧电抗器侧出口处、线路长度30%处、线路长度50%处、线路长度80%处、N侧电抗器出口处共设计了K1、K2、K3、K4、K55个故障点,分别进行了大量的单相瞬时性、单相永久性故障仿真。故障录波装置的采样频率fs=1200Hz,即每周期24点。首先给出K2处发生单相故障时的动模仿真录波波形,瞬时性故障和永久性故障时M侧故障相端电压及对应并联电抗器电流分别如图4、图5所示。由图4、图5的故障录波结果可知,单相瞬时性故障待故障熄弧后,断开相端电压及并联电抗器电流均具有较大幅值且在熄弧后初始阶段具有显著拍频特征;尽管随着低频自振分量的衰减,断开相电气量的拍频特征逐渐减弱,但熄弧后具有显著拍频特征的时间已经足以实现瞬时性故障的判别。单相永久性故障待故障相跳闸后,二次电弧熄弧快速,很快进入稳态阶段,断开相端电压和对应并联电抗器电流基本为工频周期信号;断开相端电压幅值很小,甚至不到线路额定电压的5%,但此时对应的断开相并联电抗器电流则具有较大幅值,甚至超过正常工作电流的20%。相对而言,利用断开相并联电抗器的电流判别较端电压更为可靠。接下来利用部分仿真数据对本文所提的电流低频分量幅值判据及线路电容参数识别判据的性能进行了验证。图6、图7分别给出了瞬时性故障时所提拍频特性判据和电容参数识别判据的计算结果;图8、图9分别给出了永久性故障时拍频特性判据和电容参数识别判据的计算结果。由图6(a)的计算结果可以看出,瞬时性故障熄弧后断开相并联电抗器电流的低频自振分量具有较大的幅值,且低频分量衰减缓慢,在熄弧至重合前较长时间内均具有较大幅值;尽管当低频分量的幅值接近衰减完全时,此时拍频特征不明显以致基于拍频特征的判别方法失效,但熄弧后较长时间内断开相并联电抗器电流所具备的显著拍频特征已经足以实现瞬时性故障的判别,且可以实现随熄弧快慢的自适应调整重合时间。图6(b)所示的永久性故障时拍频特性判据的计算结果表明,低频分量的幅值很小,在进入稳态阶段低频分量幅值小于整定门槛,可靠判为永久性故障。由图7(a)的计算结果可知,瞬时性故障待故障点熄弧后较长的时间内,由于熄弧后故障模型与识别模型一致,此时线路相间电容参数和对地电容参数的计算值均与对应的真实值接近,相对误差在10%以内,能够可靠判为瞬时性故障。图7(b)所示永久性故障时线路电容参数计算结果与对应真实值差异显著,甚至出现负值,表明实际故障模型与识别参考模型差异显著,即可靠判为永久性故障。相对低频分量幅值特性的判据,线路电容参数识别判据的适用时间更长,其性能基本不受低频分量的影响。从上述仿真计算结果可以看出,低频电流幅值判据对于具有显著拍频特征的瞬时性故障能够灵敏可靠识别,一旦拍频特征不明显即存在误判为永久性故障的可能性。线路电容参数识别的永久性故障判别方法不受拍频特性的影响,较低频电流分量幅值特性判据的性能更加优良,