特高压线路中间带并联电抗器时的线路分相电流差动保护原理

特高压线路中间带并联电抗器时的线路分相电流差动保护原理

0特高压线路电流差动保护由于超高压和超高压线路的高压带分布非常频繁，因此在线路的特定位置引入联合电抗器，可以补偿线路的局部电阻力，从而减少线路的电阻力。一般,并联电抗器安装于线路一端或两端。从抑制过电压的角度来看,在条件允许的情况下,特高压长线路的并联电抗器也可能需要安装在线路中间。传统的分相电流差动保护在考虑并联电抗器补偿的条件下,一般采用集中等效参数的方法对线路的电容电流进行补偿,这极大地影响了特高压输电线路电流差动保护在外部故障时的安全性和内部故障时的可靠性。国内学者提出了基于贝瑞隆(Bergeron)模型的电流差动保护新原理,该原理适用于带或不带串补电容的线路,且不受电容电流的影响,具有很高的灵敏性和可靠性。本文提出了在线路中间接有并联电抗器的线路上应用贝瑞隆方程的新原理,这个方法从原理上完全消除了线路分布电容电流、并联电抗器对地电流等因素对分相电流差动保护的影响,具有很高的灵敏性和可靠性。1基于贝瑞龙模型的新原理1.1基于约束的转换矩阵输电线路的各相之间都是有耦合关系的,通过一定的转换矩阵可将相电压、电流及线路参数等转换为模分量。贝瑞隆模型是在每一模量上均成立的线路等值模型。设um,im和un,in分别为线路两端的电压、电流模分量,电流正方向定义为由母线流向线路。由贝瑞隆模型可得:传输矩阵T是由线路参数决定的二维矩阵。在实际应用中,只要将保护安装处的相量umφ,imφ(φ=a,b,c)通过转换矩阵S转换为模量umi,imi(i=0,1,2),这样就建立了线路上任一点电压电流与保护安装处电压电流之间的关系。考虑到计算的简便性,转换矩阵可取为Karenbauer变换矩阵,S=[1,1,1;1,-2,1;1,1,-2]。1.2参考点两侧电流差动保护当线路中间接有并联电抗器时,只有在并联电抗器安装点两侧的线路上才满足贝瑞隆方程式(1)。因此,对于线路中间带并联电抗器的线路,设并联电抗器安装处为计算参考点k。如图1所示,imk,ink分别为由两侧电压电流模分量计算得到的k点两端的计算模电流;uk为电抗器安装点的电压;isr为并联电抗器电流;各个电流正方向定义如图所示。判断参考点k是否满足基尔霍夫电流定律,即可实现线路的电流差动保护。被保护线路无故障时,贝瑞隆方程在m点与k点间的线路、n点与k点间的线路上都分别成立。对m侧保护来说,由式(1)可求出imk,isr,再转换为相量imkφ,isrφ。同理,n侧保护可以求出inkφ并通过通信通道传送给m侧保护。用半波傅里叶算法对电流imkφ,isrφ,inkφ进行滤波,最终可得m侧分相电流差动保护的动作量为:n侧分相电流差动保护与m侧相同。当被保护线路内部无故障时(包括稳态运行和区外故障),参考点两侧的线路都满足贝瑞隆模型,理论上总有,即各相动作量为0。下面分析区内故障时各相的动作量。2线路模量及分相电流差动保护式(2)的差动计算中需要计算电抗器电流isr,即需要计算k点的电压uk。以无损线为例,当线路故障发生在f点时,线路两端动作量分析见图2。对于线路m侧的分相电流差动保护,m点到k点间线路的贝瑞隆模型没有被破坏,由m侧电压、电流量按式(1)的计算可得真实的imk,isr(uk)。而n点到k点间线路的贝瑞隆模型已经被破坏,由n侧电压、电流量不能求得真实的电流ink,用iJnk表示n侧按照式(1)计算得到的流入k点的电流计算值。因此,线路m侧的差动保护在模量上的动作瞬时值为di(t)=imk(t)+iJnk(t)+isr(t)。同理,对线路n侧的分相电流差动保护,由于用n侧电压、电流量不能求得真实的电流ink,isr(uk),因此用iJnk,iJsr表示n侧对参考点电流、电抗器电流的计算值。所以n侧差动保护在模量上的动作瞬时值为di(t)=imk(t)+iJnk(t)+iJsr(t)。2.1m侧电流差动保护m侧电压、电流按照贝瑞隆方程式(1)可正确求得imk,isr。同文献中的分析,可得m侧电流差动保护在模量上的动作值与故障电流之间的关系为:利用各相动作量的相模关系,可得分相电流差动保护的各相动作量为:式中:F1=(cosωτk0+2cosωτkα)/3;F2=(coscosωτk0-cosωτkα)/3。2.2短路电流差动保护动作量的推导n侧电压、电流量按照贝瑞隆方程式(1)计算流入参考点的电流以及电抗器电流为iJnk,iJsr(uJk)。m点到k点间线路的贝瑞隆模型没有被破坏,因此imk的计算是正确的。所以,模量上的动作量瞬时值为di(t)=imk(t)+iJnk(t)+iJsr(t)。设真实的k点电压和并联电抗器电流分别为uk,isr,由行波差动保护的理论基础可得k点的实际电压uk与n端的计算电压un之间的关系为:并联电抗器的实际电流与计算电流分别为,于是由式(3)、式(5)可得n侧电流差动保护的动作量为:设,则由模相变换,可得各相动作量的关系式为:考虑完全换位的三相线路,τkα-τkβ,ρα=ρβ。a相故障时,短路电流为ifa,代入短路点电流的相模变换关系式,可得三相电流的差动动作量为:式(8)反映了a相接地故障时各相动作量与短路点电流间的关系,对该代数及积分式进行傅里叶变换,根据傅里叶变换的延时定理写成矢量形式:于是,a相故障时各相的动作量为:式中:H1=F1+G1μ0;H2=F2+G2μα。可见,H1,H2都是实数。针对其他故障类型,经过相似的推导可得到保护的动作量与故障点处短路电流关系的一般表达式如下:前文的分析推导是以故障点f在参考点右侧为例进行的,当其在参考点左侧时,推导过程完全类似,此时m端的动作量为式(11),n端的动作量为式(4)。由式(4)、式(11)可见,各相动作量与故障点处短路电流成正比,与过渡电阻无关,理论分析及仿真测试表明基于贝瑞隆模型的新原理受过渡电阻的影响小。3相电流差动模型由式(4)、式(11)可知,对于线路中间接有并联电抗器的输电线路,其电流差动保护的各相动作量具有与无并联电抗器时应用贝瑞隆模型的差动动作量有相同的形式。为了防止非故障相误动,三相电流差动的判据为:判据中有固定门槛Is、浮动门槛以及浮动门槛的制动系数K。其中浮动门槛取其余两相动作量的最大值,可靠保证了在不对称故障时非故障相被故障相可靠制动,同时故障相的灵敏度很高。浮动门槛制动系数K的选取必须有效防止非故障相无选择性的动作,所以制动系数应设置为,kl为可靠系数。4模拟测试4.1贝瑞隆差动保护方案当故障发生在并联电抗器安装点的某一侧时,线路两端的电流差动保护动作量与短路电流的关系分别取决于F1,F2,H1,H2,其值与线路参数、故障点和并联电抗器的安装点的距离有关。本文仿真验证模型为750kV双电源系统,如图3所示。图3仿真时使用的750kV输电系统Fig.3750kVtransmissionsystemusedforsimulation设并联电抗器安装于线路中点,并联补偿度KSR=90°。于是,在不同故障点发生故障时所对应的F1,F2,H1,H2大小如图4所示,其中横坐标表示故障点与m侧母线间的距离。由图4可见,F1与H1近似为1,F2与H2近似为0。而且,故障点和参考点之间的距离越近,F1与H1越接近于1,F2与H2越接近于0。即由式(4)、式(11)可知,故障相动作量近似为故障点电流,而非故障相动作量近似为0。由图4可见,制动系数应设置为。以本文参数为例,当取较大的kl=4,得K=0.102。因此,这种适用于线路中部接并联电抗器的贝瑞隆差动保护方案同样有很高的灵敏性。仿真时动作判据的固定门槛整定为IS=300A。4.2分相保护的仿真结果以下仿真测试时保护每周期采样40点,采用半波傅里叶算法滤波,故障发生在第40ms。因篇幅所限,图5、图6仅示出a相区内外短路时新的差动保护判据的仿真结果。内部故障发生在距离m侧母线300km处,外部故障发生在n侧反向出口处,过渡电阻为0。图中横坐标表示时间,纵坐标为动作电流及其门槛值。表1、表2分别给出了a相区内外故障时新差动保护m侧的仿真结果与带补偿传统分相电流差动保护仿真结果的对比情况。表中,dIφ示电流差动保护第φ相的动作量,ZcIφ表示新原理的分相电流差动保护第φ相的门槛值。所有电流值是以A为单位的一次电流。4.3贝瑞隆模型的新电流差动保护的灵敏度1)由图5、图6可见,线路两端的新电流差动保护可准确判断区内外故障,而且线路两端相对应的各相动作量相近,这与前文中推导的动作量表达式是相符的。2)对基于贝瑞隆模型的新电流差动保护来说,在内部故障时,故障相动作量与传统电流差动保护相近,而非故障相的动作量远小于带补偿的传统电流差动保护。因此新原理具有更高的灵敏度。3)当并联电抗器安装处或电抗器自身发生接地故障时,由式(4)、式(11)可知,新原理的电流差动保护仍能够可靠识别区内故障。5电流差动保护特高压长线路中间可能接入并联电抗器,从而更有效地补偿线路电容电流,抑制线路过电压。本文提出了特高压长线路中部带并联电抗器时的分相电流差动保护新方案。该原理不受电容电流的影响,解决了传统电流差动保护难以对电容电流进行准确补偿