一種新型選相元件的設(shè)計

一種新型選相元件的設(shè)計

0帶電壓回路的帶壓選相元件與縱向距離保護(hù)和縱向方向保護(hù)相比，縱向分工電流差動保護(hù)具有很多優(yōu)勢。例如，不受系統(tǒng)振動的影響，不受系統(tǒng)各種轉(zhuǎn)換故障的影響，同時雙回線和串補線的平行性，以及自身的選定相位能力等。但是,比例制動式分相電流差動保護(hù)在某些工況下會拒動,如超高壓長距離輸電線經(jīng)高過渡電阻發(fā)生接地故障,特別是對于重負(fù)荷線路來說,當(dāng)過渡電阻為100Ω或更低時保護(hù)可能就會拒動。此時通常采用縱聯(lián)零序或負(fù)序差動保護(hù)或工頻變化量差動保護(hù)來彌補相電流差動保護(hù)的缺陷。然而,工頻變化量差動保護(hù)一般投入時間比較短,隨著故障的發(fā)展,工頻變化量差動保護(hù)將退出運行。盡管零、負(fù)序差動保護(hù)具有良好的抗過渡電阻能力、不受線路電容電流的影響等優(yōu)點,但其不具備選相能力。目前對縱聯(lián)零、負(fù)序差動保護(hù)的處理辦法有2種:一種是將零、負(fù)序差動保護(hù)作為一種后備保護(hù)延時三跳出口,這樣,一旦發(fā)生內(nèi)部故障時縱聯(lián)分相電流差動保護(hù)拒動后,保護(hù)裝置將失去快速性和選相能力;另外一種方式是為零、負(fù)序差動保護(hù)配置選相元件,達(dá)到零、負(fù)序差動保護(hù)能夠進(jìn)行選相跳閘的目的?，F(xiàn)有的比較適合于零、負(fù)序差動保護(hù)的選相元件一般是帶電壓回路。但是,交流電壓的引入有如下缺點:①交流電壓回路斷線及多點接地故障時有發(fā)生;②易受系統(tǒng)振蕩影響;③受電容式電壓互感器暫態(tài)特性的影響等。因此,如果為零、負(fù)序差動保護(hù)配置帶電壓回路的選相元件,會不同程度地削弱電流差動保護(hù)不受電壓回路影響這一優(yōu)點。也有采用經(jīng)電容電流補償后的差動電流和制動電流構(gòu)成低比率制動系數(shù)的穩(wěn)態(tài)差動元件來進(jìn)行選相。本文提出一種僅利用線路兩側(cè)的三相電流構(gòu)成選相元件,即通過比較三相差流幅值的大小選出故障相。1復(fù)平面上的故障當(dāng)輸電線路發(fā)生區(qū)內(nèi)經(jīng)高阻接地故障時,如果忽略電容電流的影響,那么只有故障相才有差流,其他兩健全相的差流為0,這樣從三相差流大小關(guān)系中可以容易地選出故障相;如果計及電容電流的影響,在高阻接地故障時,可以忽略相間互感,將三相解耦成獨立的三相來分析三相差流的表達(dá)形式。以A相高阻接地故障為例,其三相等效電路如圖1所示。從圖1可以得出三相差流的表達(dá)形式為:式中:分別表示A,B,C三相差流;分別表示線路三相額定電壓;表示A相電容電流;表示流過過渡電阻電流;jωC表示容抗。由式(1)～式(3)可以得出三相差流在復(fù)平面上的關(guān)系,如圖2所示。由圖2可以看出,故障相差流由電容電流和流入過渡電阻的電流合成,故障相差流肯定要大于健全相差流。如果流入過渡電阻的電流接近或小于電容電流,則三相差流之間的大小關(guān)系將非常模糊,這一工況只可能在超高壓特長距離輸電線路兩端電抗器退出運行后發(fā)生高阻接地故障時出現(xiàn)。如距離為400km,500kV電壓等級的輸電線路在兩端去除電抗器后,正常運行的電容電流(差流)為800A左右,接地故障時流過400Ω過渡電阻的電流為720A左右,兩者合成的差流接近1200A,此時故障相與健全相差流之比小于1.5。但是,這種運行工況只在理論上存在,實際運行時由于受工頻過電壓的限制,超高壓長距離輸電線路(超過300km)兩端的電抗器不可能全部退出。因此,在實際運行的超高壓長距離輸電線路發(fā)生內(nèi)部故障時,故障相與健全相之間的差流關(guān)系非常明顯,兩者之比大于1.5。對于輸電線路發(fā)生區(qū)內(nèi)兩相(接地)故障時三相差流的關(guān)系分析方法與以上類似,在此不再贅述。經(jīng)過上述分析,可以得到如下結(jié)論:在實際運行的超高壓長距離輸電線路發(fā)生內(nèi)部故障時,故障相與健全相之間的差流關(guān)系非常明顯,兩者之比大于1.5。該結(jié)論也是本文所提出的差流選相元件的理論基礎(chǔ)。2差流入管元件的確定差流選相元件利用線路三相差流幅值的大小關(guān)系來確定故障相。首先將三相差流進(jìn)行排序,即式中:I87LPmax為最大相差流;I87LPmid為中間相差流;I87LPmin為最小相差流。找出三相差流的大小關(guān)系后,再比較最大相差流、中間相差流與最小相差流之間是否滿足下式:式中:k的取值范圍為1.5～2.0。如果式(5)滿足,則差流最大相為故障相;如果式(6)和式(7)同時滿足,則差流中間相也為故障相。由于短線路的分布電容電流很小,短線路的故障相差流與健全相差流的大小相差懸殊,兩者比值一般都在2以上(對超高壓輸電線路,此時考慮的過渡電阻值在400Ω及以下),因此上述差流選相元件的關(guān)系式很容易滿足,此時k的取值可以適當(dāng)放大。同時,也需要給定一個差流啟動門檻值,當(dāng)差流大于該門檻值時,才能進(jìn)行差流比較,從而確定故障相;否則不進(jìn)行選相計算。對于超高壓長距離輸電線路,故障相差流與健全相差流的大小關(guān)系受分布電容電流的影響較大,線路越長影響越明顯,但兩者的比值關(guān)系一般不會低于1.5(此時考慮的輸電線路長度為400km及以下,過渡電阻值在400Ω及以下)。3次系統(tǒng)仿真為了驗證所提出的選相元件的動作正確性,本文利用MATLAB/SIMULINK中的工具箱PowerSystemBlockset建立了仿真模型,該模型包括以下兩部分。第1部分為一次系統(tǒng)模型,如圖3所示。M,N兩側(cè)系統(tǒng)短路容量分別為3GVA和20GVA,N側(cè)等效負(fù)荷為600MW,500kV輸電線路參數(shù)(每100km)為X1=28Ω,φ1=86°,C1=1.35μF,X0=86Ω,μ0=78°,C0=0.92μF,線路全長400km,線路兩端都裝有容量為150Mvar的并聯(lián)電抗器,可根據(jù)要求進(jìn)行投切。第2部分為二次系統(tǒng)仿真模型,利用傅里葉濾波器計算兩側(cè)三相差電流相量的幅值。仿真時,設(shè)定仿真時間為2s,故障點位置分別設(shè)在線路的中點及兩端,故障發(fā)生在0.2s時刻,故障持續(xù)時間為100ms,在每一故障點分別對100Ω,200Ω,300Ω這3種過渡電阻情況下發(fā)生的接地故障進(jìn)行試驗,計算了三相差流幅值及其比值關(guān)系,同時也考慮了并聯(lián)電抗器的投切及線路兩端電源電勢角的變化對三相差流的影響。部分仿真結(jié)果如圖4所示,試驗條件為在線路中點處發(fā)生單相接地故障,接地電阻分別為100Ω,200Ω和300Ω,分別考慮了電抗器的投切,兩端電源電勢夾角為60°。從圖4所示的單相接地仿真結(jié)果可以看出,帶電抗器的超高壓長距離輸電線路的故障相差流與非故障相差流在高阻接地時的幅值比都超過了2,而不帶電抗器時只有在300Ω高阻接地時的差流幅值比小于2,但也不會低于1.5。對于相間及相間接地故障,按差流大小關(guān)系進(jìn)行選相,選相元件的靈敏度更高,受電容電流的影響較小。本文中不再示出試驗結(jié)果。上述仿真結(jié)果是在兩端電源電勢夾角為60°時計算得出的。當(dāng)兩端電源電勢夾角增大時,故障相差流將有所減弱,但故障相與非故障相的差流幅值比不會低于1.5,差流選相元件仍將動作正確。4rtds試驗結(jié)果將該選相元件應(yīng)用于自主開發(fā)的光纖縱聯(lián)分相電流差動微機保護(hù)裝置中給予實現(xiàn),以期達(dá)到實用化。為驗證其工作性能,進(jìn)行了RTDS數(shù)字仿真試驗,試驗?zāi)Ｐ蜑?00km,500kV的超高壓輸電線路,如圖5所示。該模型中線路參數(shù)為:正序阻抗Z1=(7.678+j112.36)Ω;零序阻抗Z0=(50.59+j328.65)Ω;零序補償系數(shù)Kr=1.86,Kx=0.64;并聯(lián)電抗器Xp=2017Ω,分布電容C1=5.4μF,C0=3.6μF;TA變比為1250A/1A;TV變比為500kV/0.1kV。進(jìn)行RTDS試驗時,2臺光纖縱差保護(hù)裝置安裝在NL1線路兩側(cè)。分別在NL1線路上K10,K11,K12處進(jìn)行了各種內(nèi)部故障試驗,在K3,K5處進(jìn)行了各種外部故障試驗,亦對系統(tǒng)振蕩期間及系統(tǒng)頻率發(fā)生偏移時(在48Hz～52Hz之間)發(fā)生的各種故障,以及各種轉(zhuǎn)換性故障進(jìn)行了試驗,接地過渡電阻分別取為100Ω,200Ω,300Ω和400Ω,相間過渡電阻取為25Ω。試驗結(jié)果令人滿意,均能正確選相。部分試驗結(jié)果列于表1。當(dāng)發(fā)生三相故障時,零、負(fù)序差動保護(hù)不會動作,同時選相元件不會給出選相結(jié)果。圖6和圖7分別示出了K10點經(jīng)300Ω過渡電阻發(fā)生A相接地故障時,N,L兩側(cè)零序差動保護(hù)動作錄波圖。此時,A相二次側(cè)差流為0.82A,制動電流為1.77A,顯然常規(guī)相電流差動保護(hù)將被制動,但零、負(fù)序差動保護(hù)可以動作,與差流選相元件配合可以達(dá)到選相速動跳閘的目的。RTDS試驗結(jié)果表明:差流選相元件具有很高的靈敏性和準(zhǔn)確性,具有不受交流電壓回路、電力系統(tǒng)振蕩、轉(zhuǎn)換性故障、相鄰線互感、串補電容等影響的特點。5差流選相元件本文針對縱聯(lián)零序和負(fù)序差動保護(hù)不能選相跳