電流差動(dòng)保護(hù)的電流電容電流的影響

電流差動(dòng)保護(hù)的電流電容電流的影響

0電流差動(dòng)保護(hù)在各種電源保護(hù)中，電壓差的動(dòng)態(tài)保護(hù)原則簡(jiǎn)單、敏感、動(dòng)態(tài)速度快，能夠適應(yīng)復(fù)雜的運(yùn)行狀態(tài)（如系統(tǒng)振動(dòng)和非全相），具有自然選擇能力，因此受到電氣工人的影響[1.3]。近年來,隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,采用光纖通信的工程造價(jià)大幅下降,進(jìn)一步促進(jìn)了分相電流差動(dòng)保護(hù)在輸電線路中的推廣和應(yīng)用,使其成為輸電線路的主保護(hù)。輸電線路的相與相和相與地之間都含有分布電容,分布電容的存在使線路中各側(cè)測(cè)量電流不再滿足基爾霍夫電流定律,并使線路電流的大小和相位均發(fā)生畸變,從而直接影響了差動(dòng)保護(hù)的靈敏度和可靠性。為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究,目前,電流差動(dòng)保護(hù)主要通過動(dòng)作門檻值調(diào)整或電容電流補(bǔ)償?shù)姆椒▉韽浹a(bǔ)。文獻(xiàn)分析了電容電流對(duì)差動(dòng)保護(hù)的不利影響,提出了基于輸電線路π模型的穩(wěn)態(tài)半補(bǔ)償法和躲暫態(tài)的高低兩套定值方案;文獻(xiàn)中通過電壓電流測(cè)量值實(shí)時(shí)計(jì)算分布電容參數(shù)值,然后進(jìn)行穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償;文獻(xiàn)基于線路π型等效中電容的微分方程模型,提出了一種電容電流的時(shí)域補(bǔ)償方法,以補(bǔ)償穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電容電流;文獻(xiàn)在行波差動(dòng)保護(hù)的基礎(chǔ)上,提出了基于線路貝瑞隆模型的差動(dòng)保護(hù)判據(jù),從而避開了電容電流的補(bǔ)償。這些研究在理論或?qū)嶋H應(yīng)用中改善了差動(dòng)保護(hù)的性能,然而它們都是基于雙端輸電線路的。隨著電力負(fù)荷的增長(zhǎng)和國(guó)內(nèi)電網(wǎng)密度的增加,并由于客觀條件的限制,或從節(jié)省走廊和其它投資等方面考慮,T接線路越來越多地出現(xiàn)在高壓和超高壓電力網(wǎng)中,這些線路又常常聯(lián)系著大電廠和大系統(tǒng),故障發(fā)生后要求保護(hù)能夠快速動(dòng)作[9~12]。電流差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用于T接線路時(shí),其性能同樣受分布電容電流的影響,需要進(jìn)行電容電流補(bǔ)償。為此,針對(duì)T接輸電線路,本文基于其π型等效網(wǎng)絡(luò)提出多端電壓補(bǔ)償和單端電壓補(bǔ)償兩種方案,以分別適用于不同的通道條件。理論分析和EMTP仿真計(jì)算表明,采用本文的電容電流補(bǔ)償方法,能大大降低區(qū)外故障和線路空充時(shí)的不平衡電流,從而降低動(dòng)作門檻,大大提高保護(hù)的靈敏度和動(dòng)作速度。1電容電流補(bǔ)償電路圖1(a)所示輸電線路,電流正方向?yàn)槟妇€指向線路,目前常用的數(shù)字式電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為:式中:IM,IN分別為線路M側(cè)和N側(cè)電流相量;I0為電流門檻值;K為比例制動(dòng)系數(shù)(0<K<1)。式(1)為輔助判據(jù),式(2)為主判據(jù),兩式同時(shí)滿足時(shí)保護(hù)動(dòng)作于跳閘。定義差動(dòng)電流Iop=|IM+IN|,制動(dòng)電流Ire=|IM-IN|。當(dāng)輸電線路較長(zhǎng)或?yàn)殡娎|線路時(shí),分布電容電流較大,因而即使線路正常,判據(jù)也有較大的差動(dòng)電流Iop,使得電流門檻值抬高,從而影響保護(hù)的靈敏度?？紤]電容電流補(bǔ)償后的差動(dòng)電流可表示為式中:Icap為采用不同的方法計(jì)算得到的補(bǔ)償電容電流。輸電線路π形等效網(wǎng)絡(luò)如圖1(b)示,UM,UN,IM,IN分別為兩側(cè)電壓、電流,由線路雙口網(wǎng)絡(luò)方程知,等效串聯(lián)阻抗Zπ和兩端并聯(lián)導(dǎo)納YπM,YπN的表達(dá)式分別為:式中:l為線路長(zhǎng)度,Z1=r1+jωl1,Y1=jωc1分別為單位長(zhǎng)度線路阻抗和導(dǎo)納(忽略電導(dǎo));為線路波阻抗,為線路傳播系數(shù);當(dāng)架空線路長(zhǎng)度小于1000km,或電纜線路長(zhǎng)度小于300km時(shí),KZ,KY中正弦和正切雙曲函數(shù)的級(jí)數(shù)收斂很快,可取其前兩項(xiàng)近似為:令式中:kr,kx,kb分別為電阻,電抗和電納的正序修正系數(shù),且均為實(shí)數(shù)。聯(lián)立式(4),(5),(6)得當(dāng)線路長(zhǎng)度較短,例如架空線路短于400km,電纜線路短于50~100km時(shí),各修正系數(shù)可取為1。于是式(6)簡(jiǎn)化為同理可得與式(10)對(duì)應(yīng)的零序等值參數(shù)Zπ0,YπM0,YπN0。由圖1(b)計(jì)算得兩側(cè)的電容電流IcM,IcN,采用半補(bǔ)償法,即按兩端電壓計(jì)算得(假設(shè)線路正、負(fù)序參數(shù)一致)其中:UM0,UN0分別為兩側(cè)零序電壓。因此可得補(bǔ)償電容電流為若線路裝設(shè)并聯(lián)電抗器,則需補(bǔ)償?shù)碾娏鲬?yīng)為電容電流減去流過電抗器的電流。設(shè)線路M側(cè),N側(cè)及中間的電抗器補(bǔ)償度分別為βM,βN,βK,將中間的電抗器平均分配到線路兩側(cè),有β′M=βM+0.5βK,β′N=βN+0.5βK,于是應(yīng)補(bǔ)償?shù)碾娙蓦娏鳛閷⑹?12)或(13)代入式(3)中,可得判據(jù)補(bǔ)償后的差動(dòng)電流值。2線路ip的計(jì)算T接線路等值接線如圖2(a)所示,常用的三端線路電流差動(dòng)保護(hù)的判據(jù)為:式中:IM,IN,IP分別為線路M,N和P側(cè)電流相量。令I(lǐng)cap為補(bǔ)償電容電流,則考慮電容電流補(bǔ)償后的差動(dòng)電流為下面在T接線路π型等效網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上,分析多端電壓補(bǔ)償和單端電壓補(bǔ)償兩種電容電流補(bǔ)償方法。2.1等效正序電壓的分配及分配將T接線路的每段分支線分別采用一個(gè)π模型等效,可得其等效網(wǎng)絡(luò)如圖2(b)示。考慮到T接線路分支段一般不會(huì)超過400km,等效阻抗和導(dǎo)納采用式(10)。因而,各側(cè)等效電容CM,CN,CP分別為相應(yīng)線路段電容的一半,而分支點(diǎn)T處的電容TC為整條線路的一半;再將TC按照分支線長(zhǎng)度的反比分配到線路各側(cè),線路段越短,該側(cè)電壓與分支點(diǎn)電壓越相近,分配到的電容就越大。設(shè)全線路總的正序電容為C1,零序電容為C0,則分配后各側(cè)的正序電容為其中:dM,dN,dP分別為各分支線路MT,NT和PT段長(zhǎng)度占線路總長(zhǎng)度的比值。若線路帶并聯(lián)電抗器補(bǔ)償,設(shè)線路各側(cè)及分支點(diǎn)的電抗器補(bǔ)償度分別為βM,βN,βP,βT,同理將分支點(diǎn)的電抗器按分支線長(zhǎng)度的反比分配到各側(cè),分配后各側(cè)的補(bǔ)償度分別為于是得到各側(cè)等效正序電納為式中:ξ=M,N,P,對(duì)應(yīng)為線路各側(cè)。將其余兩側(cè)電壓、電流一同送到本側(cè),采用多端電壓補(bǔ)償,可計(jì)算得線路補(bǔ)償電容電流為其中:?=a,b,c;UM0,UN0,UP0分別為線路M,N和P側(cè)零序電壓;KC=c0/c1,為線路零序正序分布電容比。若輸電線為兩端線路,則dM=dN=0.5,dP=0,代入式(19)中有再將BP分配到線路兩側(cè),得兩側(cè)等效正序電納代入式(20)中有對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)上式與式(13)一致,即為兩端線路半補(bǔ)償法時(shí)的補(bǔ)償電容電流。2.2電容電流的計(jì)算T接線路中,若無足夠通道傳送電壓量,如未更新的低速率通道,或信道故障啟用備用通道(一般通道速率較低)時(shí),不能獲取其它側(cè)的電壓,僅能利用本側(cè)電壓估算電容電流,或本側(cè)TV斷線,需要靠其它側(cè)電壓來估算。仍以圖2(b)的π形等效網(wǎng)絡(luò)來分析,分支點(diǎn)電容TC和電抗器補(bǔ)償度βT不再分配到線路各側(cè)。于是線路各側(cè)等效正序電納為其中:ξ=M,N,P。分支點(diǎn)正序電納為為表述直觀,接下來的分析僅考慮線路電抗,忽略其電阻,設(shè)X1,X0分別為全線路總的正序和零序電抗。先以正序?yàn)槔?由圖2(b)得上式變形可得由于UcN1=-jIcN1/BN,代入式(23)中并化簡(jiǎn)得:同理得分支點(diǎn)正序電容電流為因此,由式(24)~(26)得,線路正序電容電流為式中:ρu1,ρM1,ρN1,ρP1均為實(shí)數(shù),表達(dá)式如下設(shè)KX=X0/X1,同理可推導(dǎo)得線路零序電容電流為式中:ρu0,ρM0,ρN0,ρP0亦為實(shí)數(shù),表達(dá)式分別為由此,可得依單端電壓補(bǔ)償?shù)碾娙蓦娏鳛橐朗?29)可僅利用本側(cè)電壓電流及其它兩側(cè)傳送來的電流計(jì)算得電容電流Icap。若本側(cè)TV斷線等情況下,同樣可利用其余兩側(cè)中的某側(cè)電壓來估算電容電流,限于篇幅,此處不再推導(dǎo)。3電容電流暫態(tài)誤差流仿真以分布參數(shù)線路建立仿真模型,計(jì)算各種情況下電容電流不補(bǔ)償、采用多端電壓補(bǔ)償和本側(cè)單端電壓補(bǔ)償時(shí)的差動(dòng)電流,并進(jìn)行對(duì)比。本文采用全波傅氏算法,數(shù)據(jù)每周波采樣20點(diǎn)。圖4為區(qū)外AG金屬性故障差動(dòng)電流曲線,其中(a)對(duì)應(yīng)為N側(cè)區(qū)外故障,(b)為P側(cè)區(qū)外故障。圖中的實(shí)線、劃線和虛線分別對(duì)應(yīng)不補(bǔ)償差流、單端電壓補(bǔ)償差流和多端電壓補(bǔ)償差流?？梢?故障前正常運(yùn)行時(shí),不補(bǔ)償?shù)牟盍鳛殡娍蛊餮a(bǔ)償后的穩(wěn)態(tài)電容電流,為294A;而經(jīng)單端電壓或多端電壓補(bǔ)償后,差流均大大降低,分別為6A和2A。由圖4(a)知,N側(cè)區(qū)外A相接地故障后不補(bǔ)償?shù)臅簯B(tài)最大差流為332A,經(jīng)過電容電流補(bǔ)償后,多端電壓補(bǔ)償和單端電壓補(bǔ)償?shù)臅簯B(tài)最大電流分別約為88A和93A。由圖4(b)可見,P側(cè)區(qū)外AG故障后的暫態(tài)最大差流為297A,經(jīng)單端電壓補(bǔ)償后的最大暫態(tài)差流為62A,多端電壓補(bǔ)償?shù)淖畲髸簯B(tài)電流為68A。通過仿真比較可見,N側(cè)或P側(cè)區(qū)外故障時(shí),故障相電壓下降,使得不補(bǔ)償時(shí)的故障后穩(wěn)態(tài)差流比故障前正常運(yùn)行時(shí)要小。區(qū)外故障前后穩(wěn)態(tài)時(shí),采用本側(cè)單端電壓補(bǔ)償和多端電壓補(bǔ)償后的差動(dòng)電流均很小,幾乎接近于零,表明兩種補(bǔ)償方法均能很好地消除穩(wěn)態(tài)電容電流。而故障暫態(tài)過程中,由于高次諧波及非周期分量等暫態(tài)成分的存在,二者補(bǔ)償后仍有一定的暫態(tài)差流,其中本側(cè)單端電壓補(bǔ)償后的最大差流比多端電壓補(bǔ)償時(shí)略大,這是因?yàn)閱味搜a(bǔ)償時(shí)不能獲取其它兩側(cè)的電壓,僅能利用本側(cè)電壓和線路參數(shù)來估算各側(cè)電容電流,因而存在一定的疊加誤差,但二者相差很小。因此,在通道受限或某側(cè)TV斷線時(shí),采用單端電壓補(bǔ)償仍可獲得很好的效果,大大降低不平衡差流。圖5為N、P側(cè)斷開,M側(cè)空載合閘時(shí)A相差動(dòng)電流曲線。合閘后暫態(tài)過程比較嚴(yán)重,圖5可見,不補(bǔ)償?shù)臅簯B(tài)差流值較大,最大為485A。由于空載合閘時(shí)電壓、電流中含有大量的諧波和非周期分量,采用單端或多端電壓進(jìn)行電容電流補(bǔ)償后,暫態(tài)差動(dòng)電流并未完全消除,但不平衡差流值已大大減小,暫態(tài)最大值分別為225A和217A。由T接線路差動(dòng)保護(hù)判據(jù)式(14)~(15)可知,空載合閘時(shí)比例制動(dòng)判據(jù)無法發(fā)揮作用,因此I0的整定必須躲過空載合閘時(shí)暫態(tài)不平衡差流的最大值。可見,若不進(jìn)行電容電流補(bǔ)償,必將使得I0值整定的較高,而采用本文的電容電流補(bǔ)償方法后,差動(dòng)保護(hù)不平衡差流大大減小,從而可以適當(dāng)降低保護(hù)門檻,提高保護(hù)的靈敏度和動(dòng)作速度。圖6為線路N側(cè)出口發(fā)生Rg=400?高阻AG故障時(shí)的差動(dòng)電流曲線。故障前的不平衡差流與圖4相同,故障后電容電流不補(bǔ)償時(shí)的差動(dòng)電流約為1090A,而采用單端電壓或多端電壓補(bǔ)償后的動(dòng)作電流分別約為1074A和1069A,與未補(bǔ)償時(shí)相差很小。由于補(bǔ)償后動(dòng)作門檻值I0的降低,保護(hù)在區(qū)內(nèi)高阻故障時(shí)能可靠靈敏動(dòng)作,且提高了保護(hù)的動(dòng)作速度。4電磁暫態(tài)仿真系統(tǒng)1)本文基于線路π型等效網(wǎng)絡(luò),推導(dǎo)了T接輸電線路的基于單端電壓補(bǔ)償和多端電壓補(bǔ)償兩種電容電流補(bǔ)償方法,可分別適用于不同的通道條件。2)理論推導(dǎo)和仿真驗(yàn)證表明,本文的補(bǔ)償方法可以大大減小區(qū)外故障和線路空充時(shí)的不平衡差動(dòng)電流,提高系統(tǒng)的安全性。3)電容電流補(bǔ)償措施可以降低保護(hù)的動(dòng)作門檻,從而提高區(qū)內(nèi)故障保護(hù)的靈敏度和動(dòng)作速度。分別為等效電路阻抗和導(dǎo)納的修正系數(shù)。利用EMTP電磁暫態(tài)仿真程序?qū)Ρ疚奶岢龅姆椒ㄟM(jìn)行了大量的仿真計(jì)算,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參考文獻(xiàn),如圖3所示。仿真系統(tǒng)的電壓等級(jí)為500kV,各側(cè)系統(tǒng)阻