姜憲國，王增平，張執(zhí)超

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206)

0 引 言

目前高壓線路多采用基于故障分量的方向元件［1～4］構(gòu)成縱聯(lián)保護(hù)，如相量差故障分量方向元件、正序故障分量方向元件［5，6］以及負(fù)、零序［6～8］方向元件等。由于利用了故障附加網(wǎng)中的信息，使該類元件對過渡電阻、負(fù)荷電流、系統(tǒng)振蕩等因素影響不敏感，動作靈敏，實(shí)現(xiàn)簡單。

但是當(dāng)線路處于環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中時，會出現(xiàn)外部某處故障線路兩端故障分量電壓相等或相近的情況。在線路分布電容的作用下，兩端將流過超前于各自電壓90°的電流。若線路較長，使兩側(cè)電流大于方向元件的電流門檻值，則兩端正方向元件會同時啟動而導(dǎo)致縱聯(lián)保護(hù)誤動。

針對以上問題，本文提出一種電容電流按比例補(bǔ)償方案。比較線路兩端電流幅值確定各自的補(bǔ)償比例，采用線路分布參數(shù)T 模型計(jì)算補(bǔ)償電流總量，從而得到線路兩端各自的補(bǔ)償量以及補(bǔ)償后的電流值。采用補(bǔ)償后的電流值構(gòu)造故障分量方向元件，能夠有效避免環(huán)網(wǎng)中故障分量方向縱聯(lián)保護(hù)誤動的問題。最后通過數(shù)字仿真驗(yàn)證該方案的有效性和可行性。

1 環(huán)網(wǎng)中分布電容對故障分量方向縱聯(lián)保護(hù)的影響

故障分量方向元件有多種類型，常見的有向量差故障分量方向元件、正序故障分量方向元件以及負(fù)、零序方向元件等。該類方向元件所利用信息是故障附加網(wǎng)中的信息，以正序故障分量元件為例，其正反向動作判據(jù)分別為

環(huán)網(wǎng)中發(fā)生故障時的正序故障附加網(wǎng) (故障點(diǎn)電源未畫出)如圖1 所示。以線路L1 為研究對象，假設(shè)環(huán)網(wǎng)中各元件阻抗角相等，由電路原理可知，在L1 外部故障時，總有一點(diǎn)會使線路L1 兩端正序故障分量電壓滿足。此時L1 上流過的穿越電流為零，進(jìn)而使和分別由兩端各自電壓和線路對地電容決定，均為超前于電壓90°的量。由式 (1)可知，此時正序故障分量元件的正方向判據(jù)成立。若線路L1較長，且M，N 兩端正序故障分量電壓較高，則兩端正方向元件會越過電流門檻而啟動，導(dǎo)致線路L1 的方向縱聯(lián)保護(hù)誤動。

圖1 環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的正序故障附加網(wǎng)Fig.1 Positive sequence additional fault network of a ring network system

2 電容電流補(bǔ)償方案

線路分布電容電流會對環(huán)網(wǎng)中的故障分量方向縱聯(lián)保護(hù)造成不利影響，若簡單地通過抬高電流門檻值來防止誤動則勢必要降低保護(hù)的靈敏度，增加保護(hù)拒動的可能性。對此，本文提出一種電容電流補(bǔ)償方案，解決分布電容產(chǎn)生的影響。

2.1 補(bǔ)償方案實(shí)現(xiàn)原理

對于圖1 所示環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)線路L1 兩端電壓相等時，兩端電流亦相等。除此之外，當(dāng)L1兩端電壓不相等時線路上會有穿越電流流過，若穿越電流較小，兩端保護(hù)同樣能滿足正方向判據(jù)，但此時兩端電流不再相等。由于線路兩端電流大小關(guān)系并不固定，補(bǔ)償電流差動量時所采用的半補(bǔ)償或全補(bǔ)償方式［9，10］無法適應(yīng)不同的電流分布情況，會出現(xiàn)過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償?shù)膯栴}。

考慮以上因素，本文采用按比例補(bǔ)償電容電流的方法，根據(jù)兩端電流幅值確定各自補(bǔ)償比例，并進(jìn)而求取補(bǔ)償量。補(bǔ)償模型為線路分布參數(shù)T 模型 (如圖1 中線路L1)，構(gòu)造線路兩端正序故障分量補(bǔ)償電流分別為

式 (5)、 (6)為正序故障分量電流的補(bǔ)償公式，可直接用于構(gòu)成正序故障分量方向元件。對于其他類型的方向元件，只需將正、負(fù)、零三序故障分量的補(bǔ)償后電流求出，然后根據(jù)方向元件需要的信息類型進(jìn)行選取和組合即可。

2.2 補(bǔ)償方案基本特性

式 (5)、 (6)的補(bǔ)償方案是為解決環(huán)網(wǎng)中線路外部故障兩端正方向元件同時動作而設(shè)置的，除此之外在非環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、僅一端正方向判據(jù)成立以及線路內(nèi)部故障等情況下補(bǔ)償會對保護(hù)產(chǎn)生不同的影響。此處仍以正序故障分量元件為例對該補(bǔ)償方案在各種情況下的特性進(jìn)行分析。

(1)環(huán)網(wǎng)中線路外部故障且兩端保護(hù)正方向判據(jù)均成立。此時的相位近似相等，其和為電容電流總量。由于采用了按比例補(bǔ)償?shù)姆绞?，使?(3)、 (4)的值近似等于M 端和N端流入線路電容中的電流。因此從而使兩側(cè)補(bǔ)償后的電流近似為零，能夠可靠低于門檻，防止保護(hù)誤動。

(2)環(huán)網(wǎng)或非環(huán)網(wǎng)中線路外部故障且一端保護(hù)正方向判據(jù)成立，對端保護(hù)反方向判據(jù)成立。此時判為正方向端的電流與線路電容電流的相位近似相等，而判為反方向端的電流與線路電容電流的相位近似相反。因此采用式 (5)、 (6)進(jìn)行補(bǔ)償后，正方向端的電流幅值將會下降，而反方向端的電流幅值將會上升，從而降低了正方向元件的靈敏度而增加了反方向元件的靈敏度，使縱聯(lián)保護(hù)在區(qū)外故障時的安全性得以提高。

(3)環(huán)網(wǎng)或非環(huán)網(wǎng)中線路內(nèi)部故障且兩端系統(tǒng)均為大電源。線路內(nèi)部故障時，M 端電流相位與式 (3)計(jì)算的補(bǔ)償電流相位近似相等，N 端同樣如此，因此采用式 (5)、 (6)進(jìn)行補(bǔ)償后，兩側(cè)電流會有所下降，使縱聯(lián)保護(hù)的靈敏度降低。但由于兩端系統(tǒng)阻抗較小，而線路對地容抗很大，電容補(bǔ)償電流相對故障電流很小，因此造成的影響基本可以忽略。

(4)環(huán)網(wǎng)或非環(huán)網(wǎng)中線路內(nèi)部故障且一端為弱饋系統(tǒng)。與兩端均為大電源的情況不同，此時由于弱饋側(cè)系統(tǒng)阻抗大，本身的故障電流小，與該值相比總補(bǔ)償電流不能忽略。然而由于采用了按比例補(bǔ)償?shù)姆绞?，弱饋?cè)補(bǔ)償電流僅占總補(bǔ)償電流的很小一部分，兩端電流在補(bǔ)償前后相差不大，補(bǔ)償產(chǎn)生的影響仍然可以忽略。

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)及仿真內(nèi)容設(shè)置

本文利用PSCAD/EMTDC 對圖2 所示500 kV電壓等級的環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真。P 側(cè)系統(tǒng)參數(shù)M 側(cè)系統(tǒng)參數(shù):N 側(cè)系統(tǒng)參數(shù):線 路的 長 度 分 別 為300 km，100 km，120 km，參 數(shù) 均 為 Z1=0.020 83 +j0.282 2 Ω/km，Z0= 0.114 8 +j0.719 0 Ω/km，Y1= j4.053 0 ×10－6S/km，Y0= j1.643 0 ×10－6S/km

圖2 環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)Fig.2 Ring network system

仿真內(nèi)容包括:a.區(qū)外K1 點(diǎn)三相故障;b.線路L3 斷開，區(qū)外K1 點(diǎn)三相故障;c.區(qū)內(nèi)中部K2 點(diǎn)三相故障;d.線路L3 斷開，區(qū)內(nèi)中部K2 點(diǎn)三相故障;在以上故障情況下，對線路L1兩端補(bǔ)償前后的正序故障分量電流進(jìn)行比較，故障發(fā)生時刻為0 s，仿真時長為0.06 s。

3.2 仿真結(jié)果與分析

(1)區(qū)外K1 點(diǎn)三相故障時線路L1 兩側(cè)電流仿真結(jié)果如圖3 所示，此時兩端保護(hù)的正方向判據(jù)均成立。由圖可見，在未經(jīng)補(bǔ)償前兩端電流幅值約為250 A 和130 A，若方向元件的電流門檻低于130 A，則兩側(cè)正方向元件會同時啟動而導(dǎo)致縱聯(lián)保護(hù)誤動;而按比例補(bǔ)償后兩端電流均接近于零，能夠可靠低于門檻，從而避免縱聯(lián)保護(hù)誤動。

圖3 K1 點(diǎn)三相故障Fig.3 Three-phase fault on K1

(2)圖4 為線路L3 斷開且K1 點(diǎn)發(fā)生故障的仿真結(jié)果。此時環(huán)網(wǎng)已經(jīng)解環(huán)，M 端保護(hù)的反方向判據(jù)成立，N 端保護(hù)的正方向判據(jù)成立。由圖可見，經(jīng)過電流補(bǔ)償后，M 端的電流幅值有所上升而N 端的電流幅值有所下降，從而使M 側(cè)的反方向元件靈敏度有所增加，而N 側(cè)的正方向元件靈敏度有所下降，因此補(bǔ)償后縱聯(lián)保護(hù)在區(qū)外故障時的安全性得到提升。

圖4 線路L3 斷開K1 點(diǎn)三相故障Fig.4 Three-phase fault on K1 with L3 disconnection

(3)區(qū)內(nèi)中部K2 點(diǎn)三相故障的仿真結(jié)果如圖5 所示。此時線路L1 兩端保護(hù)的正方向判據(jù)均成立，且由于兩側(cè)系統(tǒng)均為強(qiáng)電源，正序故障分量電流較大。由圖可見，經(jīng)過補(bǔ)償后兩端的電流幅值有所下降，但由于線路容抗很大，補(bǔ)償電流相對故障電流很小，因此補(bǔ)償產(chǎn)生的影響基本可以忽略，保護(hù)仍能靈敏動作。

圖5 K2 點(diǎn)三相故障Fig.5 Three-phase fault on K2

(4)圖5 為線路L3 斷開且K2 點(diǎn)發(fā)生故障的仿真結(jié)果。此時線路L1 兩端保護(hù)正方向判據(jù)均成立，M 端為強(qiáng)源，電流較大，N 端為弱饋系統(tǒng)，電流較小。由圖可見，經(jīng)過補(bǔ)償后兩端電流幅值有所下降，但由于采用了按比例補(bǔ)償?shù)姆绞?，?qiáng)源側(cè)補(bǔ)償?shù)碾娏鬏^多而弱饋側(cè)補(bǔ)償?shù)碾娏鬏^少，兩側(cè)電流在補(bǔ)償前后相差不大，使補(bǔ)償對保護(hù)造成的不利影響基本可以忽略。

圖6 線路L3 斷開K2 點(diǎn)三相故障Fig.6 Three-phase fault on K2 with L3 disconnection

4 結(jié) 論

本文提出一種故障分量方向元件的電容電流按比例補(bǔ)償方案，理論和仿真分析表明:

(1)對于環(huán)網(wǎng)中線路區(qū)外故障兩端正方向元件均啟動的情況，經(jīng)過補(bǔ)償能使兩側(cè)故障分量電流接近于零，可靠低于方向元件的門檻值，從而避免縱聯(lián)保護(hù)誤動;

(2)對于區(qū)外故障僅一端正方向元件啟動的情況，補(bǔ)償后正方向端的靈敏度會下降，而反方向端的靈敏度會上升，保護(hù)安全性得以提高;

(3)當(dāng)線路內(nèi)部發(fā)生故障時，無論兩端均為強(qiáng)源或一端為弱饋系統(tǒng)，兩側(cè)補(bǔ)償電流相對原電流均很小，補(bǔ)償產(chǎn)生的不利影響基本可以忽略。

［1］陳衛(wèi)，尹項(xiàng)根，陳德樹，等.基于補(bǔ)償電壓故障分量的縱聯(lián)方向保護(hù)原理與仿真研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2005，25 (21):95 －100.

［2］陳衛(wèi)，尹項(xiàng)根，陳德樹，等.基于補(bǔ)償電壓的突變量方向判別原理［J］.電力系統(tǒng)自動化，2002，26(14):49 －51，66.

［3］葛耀中.新型繼電保護(hù)和故障測距的原理與技術(shù)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2007.

［4］朱聲石.高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)原理與技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2005.

［5］許慶強(qiáng)，索南加樂，李瑞生，等.正序故障分量方向元件誤動的原因分析及其對策［J］.繼電器，2005，33 (9):12 －16.

［6］高峰，高厚磊，魏然.基于正序故障分量的方向元件性能分析［J］.繼電器，2004，32 (18):33 －37.

［7］徐振宇，杜兆強(qiáng)，孟巖，等.零、負(fù)序方向元件的特殊問題研究［J］.電力自動化設(shè)備，2008，28(5):21 －25.

［8］索南加樂，孟祥來，陳勇，等.基于故障類型的零序方向元件［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27(1):25 －30.

［9］索南加樂，劉凱，阿里木江.卡德爾，等.消除相間電容電流影響的故障分量綜合阻抗計(jì)算方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33 (11):67 －71.

［10］畢天姝，于艷莉，黃少鋒，等.超高壓線路差動保護(hù)電容電流的精確補(bǔ)償方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2005，29 (15):30 －34.