【特高压交流输电线路及其纵联电流差动保护分析概述综述5100字】

特高压交流输电线路及其纵联电流差动保护分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u18531特高压交流输电线路及其纵联电流差动保护分析概述 1193631.1概述 126541.2输电线路参数及等效电路 2277571.1.1输电线路参数 2175141.1.2输电线路的等效电路 4304971.3纵联电流差动保护 5203241.3.1纵联电流差动保护的基本原理 5215251.3.2纵联电流差动保护的保护判据 5167751.3.3纵联电流差动保护在特高压线路保护中的应用 6232431.4输电线路纵联电流差动保护正确动作的影响因素 7116811.4.1电流互感器的误差 7202031.4.2负荷电流对纵联电流差动保护的影响 7319001.4.3过渡电阻对纵联电流差动保护的影响 9251011.4.4输电线路的分布电容电流 10155211.5小结 111.1概述特高压交流输电具有送电距离远、输送功率大、输电损耗低、走廊占地少等突出优势[3，32]。到目前为止，我国已投运了23项特高压交流输电工程，还有许多工程在建。在未来，特高压交流输电线路的互联将成为坚强电网的重要支撑力量，因此，保障这些线路安全的继电保护尤为重要。由于原理简单可靠、易于实现等诸多优点，纵联电流差动保护被视为输电线路的候选主保护之一。本章将对特高压输电线路以及纵联电流差动保护的基本特性进行论述，并分析影响电流差动保护正确动作的因素。1.2输电线路参数及等效电路1.1.1输电线路参数电力系统三相对称运行时，架空输电线路的等效电路是以导线的电阻、电抗（电感）和导线对地的电导、电纳（电容）组成的单相电路。这些参数是沿线路均匀分布的，一般以每单位长度的正序电阻、正序电抗、正序电导、正序电纳作为输电线路参数，如图1.1所示：图1.1单位长度的单相线路等效电路而在三相对称运行时，架空输电线路每相导线单位长度参数的可依据以下公式计算[4]：（1）电阻的计算导线单位长度的直流电阻可计算为（2-1）式中：为导线材料的电阻率；为导线的截面积。由于导线的扭绞增长了实际长度，以及导线内电流分布不均匀而不能充分利用导线截面积，所以导线的实际电阻要大于按式（2-1）计算出的电阻值。因此，在电力系统实际计算中，一般采用增大电阻率的方法来等效计入，例如，铝的电阻率增大为。（2）电抗的计算导线单位长度的正序电抗可计算为（2-2）式中：为导线的几何均距，三相导线水平排列时，等边三角形排列时（为导线间距）；为导线半径；为每相导线的分裂数。若一相导线为分裂导线的形式时，式（2-2）中的导线半径要用分裂导线的等效半径代替，其计算公式为（2-3）式中：为分裂导线的子导线半径；为一相分裂导线中第1根与第k根子导线的距离。（3）电纳的计算导线单位长度的正序电纳可计算为（2-4）（4）电导的计算架空线路的电导主要与线路电晕损耗以及绝缘材料的泄露电阻有关。线路的绝缘水平一般很高，且在设计时已采取了防止电晕产生的措施，故在电力系统计算中一般不考虑线路电导。表1.1给出了超高压和特高压交路输电线路的典型线路参数[33]表2-1超/特高压交流输电线路的典型参数此外，在输电线路发生不对称故障时，还需考虑在各序分量作用下的序阻抗。对于静止的线路，其负序阻抗与正序阻抗相同，而零序阻抗可以参考以下公式计算得出[34]。对于有良导体架空地线的单回线，有（2-5）对于三相电抗器，有（2-6）1.1.2输电线路的等效电路输电线路的等效电路分为分布参数等效电路和集中参数等效电路两种。基于三相线路对称且线路沿线参数均匀分布，单相输电线路的分布参数等效电路可看作是由图1.1所示的单位长度的线路等效电路串联而成。然而对分布参数等效电路进行电气计算比较复杂，所以为了简化计算，在工程实际中，继电保护的整定计算多应用输电线路的集中参数等效电路进行计算，其中T和Π型等效电路如图1.2所示：（a）T型等效电路（b）Π型等效电路图1.2单相输电线路的等效电路由于T型等效电路比Π型等效电路多了一个中间节点，使电网计算工作量有所增加，故在应用集中参数等效电路进行计算时常用Π型等效电路。需要指出的是，集中参数等效电路只能用于300km以内的输电线路电气计算，这样其所带来的计算误差在工程上才是允许的。1.3纵联电流差动保护1.3.1纵联电流差动保护的基本原理电流差动保护的原理是建立在基尔霍夫电流定律的基础之上，以图1.3所示电路为例说明纵联电流差动保护的基本原理：图1.3输电线路纵联电流差动保护原理在输电线路MN正常运行或线路区外（如k2点）发生故障时，从规定的电流参考方向看，线路两侧电流大小相等、方向相反，即；而在线路区部（如k1点）发生故障时，线路两侧电流方向都为正，且（两者之和为故障电流）。因此，可利用两种情况下两侧电流相量差值的巨大差异构成线路的电流差动保护。1.3.2纵联电流差动保护的保护判据在实际工程中，由于电流互感器的励磁特性有差异、线路电容等因素的影响，在线路正常运行或区外故障时，差动继电器（KD）中的电流并不为零，这个电流称为不平衡电流。因此，若要KD正确动作，动作电流应躲过不平衡电流，即（2-7）而式（2-7）的差动保护判据实现思路主要有两种：（1）一是躲过线路各种运行情况中的最大不平衡电流，即（2-8）这种方法可以有效防止区外故障时保护的误动，但一般保护整定值会较大，在区内故障时保护的灵敏度可能会不足。（2）二是采用带制动特性的差动保护，可根据故障电流的大小调整差动保护的动作门坎，制动电流的计算可按下式计算。（2-9）（2-10）（2-11）式（2-9）为比例制动，式（2-10）为绝对值制动，式（2-11）为标积制动。由于在双侧电源线路区内故障时，式（2-9）有更高的灵敏性，所以在实际工程中，数字式差动保护多采用比例制动，其动作特性如图1.4所示：图1.4带制动特性的差动继电器动作特性因此，带制动特性的差动继电器动作方程为（2-12）式中，K为制动系数，在0-1中取值；Iset为最小动作门限，用来躲开与制动电流无关的不平衡电流。利用动作门坎随着随保护制动量变化的特性，区内故障时保护的灵敏性得到提高，同时也提高了区外故障时保护不动作的可靠性，因而在电流差动保护中得到了广发的应用。1.3.3纵联电流差动保护在特高压线路保护中的应用特高压输电线路的继电保护不仅需要满足“四性”——“可靠性、选择性、灵敏性、速动性”的要求，还需进行多重化配置：（1）双重化的主保护：同一元件需要配置两套不同原理的主保护装置，互为备用，且两套保护的电源回路与保护跳闸回路完全独立，以提高继电保护的可靠性。（2）后备保护：作为主保护失效时的弥补、部分特别故障情况下的快速保护以及辅助保护。（3）自动重合闸：排除瞬时性故障，提高供电可靠性。根据电流差动保护的原理可知，电流差动保护装置仅需测量被保护线路的两侧的电流差值，理论上不受系统振荡、非全相运行、功率倒向等问题的影响，还具有天然的选相能力。且近年来，光纤通信技术快速发展，其有效地减小了线路两侧电气量信息的同步误差，电流差动保护成为了特高压输电线路的主保护之一。1.4输电线路纵联电流差动保护正确动作的影响因素1.4.1电流互感器的误差在前文的电流差动保护原理说明中，并未考虑电流互感器（TA）的误差。但实际情况中电流互感器传变会使电流量的幅值和相位产生误差，导致TA的二次侧电流相量和不为零。这是两侧电流互感器的励磁特性不相同，励磁电流不等造成的不平衡电流。在正常运行时，其值一般较小，可通过保护整定来躲过；但线路中流过大故障电流时，TA铁芯可能会发生饱和，使励磁阻抗下降，而产生很大的不平衡电流。为了保证差动保护的选择性，KD的启动电流必须躲开此时的最大不平衡电流，所以最大不平衡电流越小，保护的灵敏性越高。因此，一般要求输电线路两侧应使用同一批生产的相同型号、励磁特性一致、铁芯截面积大的电流互感器。此外，TA回路故障时，例如TA二次侧断线等，这些故障会使流过差动继电器的不平衡电流为负荷电流，不平衡电流极大，因此一般需要把TA回路的故障检测出来。在实际工程中，通常在保护中设置一个“启动元件”来避免TA回路故障时保护的误动[35]。1.4.2负荷电流对纵联电流差动保护的影响传统的纵联电流差动保护所比较的电气量为线路两侧的全电流（可看作故障状态下负荷电流和故障分量电流的叠加），在大部分区内故障中能满足保护的灵敏性要求。但当区内故障中存在大过渡电阻接地时，故障分量电流的大小可能会和负荷电流是同一个量级，而负荷电流为穿越性电流，它会产生较大制动电流，从而影响全电流差动保护的正确动作。图1.5负荷电流对纵联电流差动保护的影响示意图图1.5为线路重载情况下发生区内经大过渡电组接地短路故障的示意图，按照图示电流的参考方向，线路两侧的全电流分别为（2-13）式中，分别为M、N两侧的故障分量电流；为负荷电流。则有动作电流为短路点的故障分量电流（2-14）制动电流为（2-15）可以看出，在重载情况下发生区内大过渡电阻短路接地时，由于负荷电流较大，动作电流可能会小于制动电流而导致保护拒动。因此，只能降低制动系数K的值来保证保护拥有足够的灵敏性，但同时也可能会造成区外故障时制动电流较小而保护误动，这是全电流差动保护的主要缺点。为了消除负荷电流对电流差动保护的影响，提高保护的可靠性，可以利用电流的故障分量构成故障分量电流差动保护，保护判据如下：（2-16）只有同时满足两个条件，保护才会跳闸。在区内故障时，式（2-16）中的动作量和制动量都与负荷电流无关，保证了保护在大负荷电流下的动作灵敏性；在区外故障时，两侧故障分量电流和大小相等，方向相反，保护动作量接近零，保护可靠不动作；在系统正常运行时，没有故障分量，保护可靠不动作。而故障分量电流的提取一般采取如式（2-17）所示的方法（2-17）式中N为一个周期的采样次数，k为采样点，n为任意正整数，即从当前的采样值减去n个周期前的采样值而得到当前的故障分量电流。但在实际工程中，故障后系统部分参数会发生变化，这导致只有在故障后1-3个周期（20-60ms）的时间内故障分量电流才是准确可信的，超过这个时间所提取的故障分量将不再真实[36-37]。因此，故障分量电流差动保护只能作为快速保护，而不能作为后备保护。1.4.3过渡电阻对纵联电流差动保护的影响根据运行经验，电力系统中输电线路发生单相接地故障约占所有故障的60%以上，而短路接地时往往存在过渡电阻，当过渡电阻很大时，故障电流会很小，全电流和故障分量电流差动保护可能会由于动作电流过小而拒动。为了弥补这种缺陷，提高保护的耐受过渡电阻能力，常常采用零序电流构成差动保护，因为零序电流能很好地反映接地故障。零序电流差动保护被作为全电流差动保护的辅助保护，其主要的作用是切除单相高阻抗接地故障。图1.6零序电流差动保护示意图零序电流差动保护的动作判据为（2-18）式中，分别为线路两侧的零序电流。只有两个条件同时满足保护才会动作跳闸。在区内发生高阻接地故障时，会产生较大的零序动作电流，保护灵敏性高；在区外发生接地故障时线路两侧的零序电流大小相等、方向相反，以及正常运行时线路中无零序电流，保护可靠不动作。但是线路不同期合闸时会产生较大的暂态零序不平衡电流，可能会造成零序电流差动保护的误动，因此保护需要设置一个固定的延时以躲开该电流，导致保护的速动性较差。1.4.4输电线路的分布电容电流由输电线路的模型可知，线路具有分布电容，其产生的电容电流并不流出线路，因此会构成保护的动作电流。图1.7分布电容电流的影响正常运行和区外故障时，动作电流为（2-19）对于线路长度短、电压等级低的输电线路，电容电流不大，纵联电流差动保护可通过整定最大不平衡电流的门限值来躲过它。但对于高压长距离输电线路，充电电容电流将会很大，可能会造成电流差动保护的误动。根据运行经验，表1.2给出了不同电压等级交流输电线路的自然功率和分布电容电流的参数[33]。表1.2不同电压等级输电线路的自然功率和电容电流根据表1.2给出的数值可计算得300km的1000kV输电线路的稳态分布电容电流为927A。对于长距离的特高压输电线路，该电容电流的大小已经不容忽视，若用门限值来躲过它，将非常大地降低保护的灵敏性。因此，为确保纵联差动保护的正确动作，必须要重点考虑线路分布电容电流带来的影响，一种方法是减小电容电流，然后利用动作门限值来躲过它；另一种方法是利用电流和的相位差仍是180°来构成纵联电流差动保护。1.5小结本章主要对线路参数、线路模型、纵联电流差动保护原理及判据、电流差动保护正确动