秦瑞敏, 夏經(jīng)德,羅金玉,錢慧芳,袁玉寶,劉歡慶

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著大規(guī)模聯(lián)合電力系統(tǒng)的建立,越來越多的多端線路出現(xiàn)在電網(wǎng)中,傳統(tǒng)距離保護(hù)和零序保護(hù)難以滿足選擇性和速動(dòng)性的要求．因此,研究多端線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的意義[1-3]．

目前,T型或多端輸電線路主要以電流差動(dòng)保護(hù)作為主保護(hù)[4-6],因?yàn)槠涮厥庑?當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時(shí),易受電流互感器飽和的影響,有可能使保護(hù)誤動(dòng)[7-8]．文獻(xiàn)[9]提出了基于相對(duì)磁鏈積累方差曲線的電流互感器相位偏移式飽和的識(shí)別方法;文獻(xiàn)[10]提出了基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的電流互感器飽和識(shí)別判據(jù)．一般而言,抗CT飽和措施的引入,會(huì)引起差動(dòng)保護(hù)速度降低,靈敏度下降．目前國(guó)內(nèi)外識(shí)別電流互感器飽和的方法有時(shí)差法、諧波制動(dòng)法、小波檢測(cè)法、差分法等,但上述各種方法都有一定的缺點(diǎn)[11-13]．序分量[14-16]的保護(hù)算法具有不受負(fù)荷電流影響、靈敏度高的特點(diǎn),并且基于序分量的相關(guān)算法保護(hù)能夠有效避免三相線路模型中相間耦合[17-18]的影響．

針對(duì)差動(dòng)保護(hù)在T型線路或多端線路中存在的上述問題,給出了一種基于縱向阻抗[19-20]改進(jìn)的多端線路電流差動(dòng)保護(hù)改進(jìn)算法．該算法利用對(duì)稱分量法,并根據(jù)T型線路正序故障附加網(wǎng)絡(luò)中的電流故障分量與各測(cè)量端電流故障分量的關(guān)系,選取各端序電流故障分量和作為動(dòng)作量,三端中任意兩端的最大電壓故障分量之差與其對(duì)應(yīng)的線路串聯(lián)正序阻抗比值為制動(dòng)量,該算法具有區(qū)外故障時(shí)較高的可靠性以及區(qū)內(nèi)故障時(shí)一定的靈敏度．經(jīng)過對(duì)多端線路的等效,該算法可以合理的從T型線路擴(kuò)展到多端線路．EMTP仿真結(jié)果表明,該改進(jìn)算法在原理上不受過渡電阻的影響,并且具有較好的抵御電流互感器飽和的能力,適用于多端輸電線路保護(hù),具有一定的工程實(shí)用價(jià)值．

1 T型線路差動(dòng)保護(hù)的改進(jìn)算法

當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時(shí),分為三相不對(duì)稱故障和對(duì)稱故障．在三相對(duì)稱的情況下,不存在負(fù)序或零序網(wǎng)絡(luò);在非接地不對(duì)稱故障下,不存在零序網(wǎng)絡(luò)．運(yùn)用疊加原理和對(duì)稱分量法,將故障后的T型輸電線路分解成故障前網(wǎng)絡(luò)和故障后附加正序、負(fù)序、零序網(wǎng)絡(luò)．綜上所述,本文采用各種故障狀態(tài)下都存在的附加正序網(wǎng)絡(luò)作為下文研究的基本網(wǎng)絡(luò)．T型線路的區(qū)外、區(qū)內(nèi)的附加正序網(wǎng)絡(luò)如圖1所示．

(a) 外部故障 (b) 內(nèi)部故障圖 1 m端區(qū)外、區(qū)內(nèi)故障附加正序網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 External or internal fault model of additional positive sequence network diagram

根據(jù)文獻(xiàn)[19]中縱向阻抗的引入,在雙端線路故障時(shí),其算法的動(dòng)作量為兩端正序電流故障分量和,制動(dòng)量為兩端正序電壓故障分量差與其對(duì)應(yīng)序阻抗的比值,區(qū)內(nèi)故障時(shí)具有較高的靈敏度，區(qū)外故障時(shí)具有較高的可靠性,下文根據(jù)此算法可推導(dǎo)出該理論在T型及多端線路中的判據(jù)．

1.1 區(qū)外故障

如圖1(a)所示,假設(shè)當(dāng)T型線路m端發(fā)生區(qū)外故障時(shí),理想狀態(tài)下T型線路三端正序電流故障分量的和為

(1)

(a) 線路m,n端的電壓故障分量差為

(2)

以故障點(diǎn)的電壓故障分量作為參考,按照故障電壓分布原則,從m端到n端的電壓故障分量隨著故障點(diǎn)的遠(yuǎn)離而逐漸減小,呈現(xiàn)一個(gè)單調(diào)遞減的趨勢(shì),該差值為一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)果．由式(1)和式(2)得

(3)

(b) 由式(2)所示,線路m,p兩端電壓的相量差就是線路m-p段的電壓降,同樣根據(jù)式(3)的推導(dǎo)過程得

(4)

(c) 線路n,p端的電壓故障分量差為

(5)

以故障點(diǎn)電壓作為參考電壓,根據(jù)電壓分配原則,n,p兩端的正序電壓故障分量差值為一個(gè)不穩(wěn)定的結(jié)果,容易使保護(hù)誤動(dòng)．

1.2 區(qū)內(nèi)故障

如圖2(b)故障分量網(wǎng)絡(luò)圖所示,假設(shè)m-T段線路發(fā)生故障,線路m，n兩端的電壓故障分量差的關(guān)系式表示為

(6)

再由式(6)轉(zhuǎn)化得區(qū)內(nèi)m-T段線路發(fā)生故障時(shí)的判據(jù)為

(7)

(8)

同理,當(dāng)故障發(fā)生在n-T或p-T段內(nèi)時(shí),同上述m-T段線路發(fā)生故障時(shí)分析方法相同,都可推出式(8)形式差動(dòng)保護(hù)的判據(jù),在此并不進(jìn)行依次推導(dǎo)．

結(jié)合1.1和1.2節(jié)的內(nèi)容,該改進(jìn)算法在T型線路區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障時(shí)的判別式為

(9)

基于單相線路模型的相關(guān)算法分析可以不考慮相間耦合,但基于三相線路故障模型保護(hù)的分析中,相間耦合的影響是不可避免的．利用相關(guān)序分量有效避免了相間耦合對(duì)保護(hù)算法的影響,因此該算法同樣也適用于三相線路模型中．

2 多端線路差動(dòng)保護(hù)算法的改進(jìn)

圖 2 多端輸電網(wǎng)絡(luò)故障示意圖Fig.2 Diagram of multi-terminal transmission network

相比雙端、T型線路,多端輸電線路只是在線路端數(shù)上有所增加,其中T型線路是N=3時(shí)總線式線路的特殊情況．

(1) 如圖2所示,當(dāng)線路中①點(diǎn)區(qū)外故障時(shí),以電壓故障分量幅值最大的一端到離故障點(diǎn)最近節(jié)點(diǎn)這段線路作為轉(zhuǎn)化后T型線路的一條線路,此時(shí)即m1-T1段線路;把離故障點(diǎn)最近節(jié)點(diǎn)與另外一段線路等效成轉(zhuǎn)化后T型線路的第二條線路,此時(shí)即m2-T1段線路;故障點(diǎn)最近節(jié)點(diǎn)與其余一側(cè)所有線路等效成轉(zhuǎn)化后T型線路的第三條線路．

經(jīng)過以上分析,此差動(dòng)保護(hù)的改進(jìn)算法完全可以從T型線路推廣到多端總線式線路中,其中動(dòng)作量為各端正序電流故障分量的相量和,動(dòng)作量為各端中任意兩端之間的最大正序電壓差與其對(duì)應(yīng)的串聯(lián)正序阻抗的比值．因此多端干線式線路差動(dòng)保護(hù)的改進(jìn)算法表示為

(10)

根據(jù)上述內(nèi)容,提出如下形式的改進(jìn)電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判據(jù):

Ir-Ires>Iset.

(11)

3 電流互感器飽和性能分析

由于T型或多端線路發(fā)生區(qū)外故障時(shí),靠近故障側(cè)的短路電流急劇增大,導(dǎo)致近故障側(cè)的電流互感器發(fā)生飽和．隨著飽和程度的增加,不平衡電流也將相應(yīng)增加,將會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)狀態(tài)分辨余量減小,甚至誤動(dòng)．

假設(shè)圖1(a)m端區(qū)外故障,使m端電流互感器發(fā)生暫態(tài)飽和．在時(shí)域內(nèi)對(duì)m側(cè)電流的影響是將電流的頂部消去一部分,該影響可以近似等效為電流互感器暫態(tài)飽和的形式．為了定性分析TA飽和對(duì)工頻電流的影響,針對(duì)電流在過零點(diǎn)后并不是立即進(jìn)入飽和,而是需要達(dá)到一定數(shù)值或者角度才反映出飽和的特性,可將電流過零點(diǎn)到飽和點(diǎn)的相角之差定義為導(dǎo)通角θ,其電流互感器暫態(tài)飽和后的電流波形如圖3所示．

圖 3 電流互感器暫態(tài)飽和后的電流波形Fig.3 The transient saturation current of TA

根據(jù)圖3電流波形,可得到電流互感器發(fā)生暫態(tài)飽和后的工頻電流分量為

(12)

因?yàn)槠浠ㄓ嘞曳至繛榱?所以其基波分量為

(13)

當(dāng)電流互感器暫態(tài)飽和度達(dá)到180°時(shí),此時(shí)電流互感器飽和最嚴(yán)重,定性反映為電流因飽和衰減為原來的一半,在此基礎(chǔ)上分析單端電流互感器飽和對(duì)該差動(dòng)保護(hù)改進(jìn)算法的影響．假設(shè)各端線路的正序阻抗為Z,到T節(jié)點(diǎn)的線路長(zhǎng)度相同,系統(tǒng)阻抗不帶入計(jì)算,則電流互感器暫態(tài)飽和前m端電流故障分量為

(14)

當(dāng)電流互感器暫態(tài)飽和角為180°時(shí),此時(shí)動(dòng)作量和制動(dòng)量分別為

(15)

(16)

當(dāng)電流互感器發(fā)生最嚴(yán)重飽和的情況下,改進(jìn)算法中Ir/Ires=1.5,說明該算法至少有1.5倍以上的裕度．因此,通過電流互感器暫態(tài)飽和分析可知,該改進(jìn)算法在T型線路中具有較強(qiáng)的抗電流互感器暫態(tài)飽和能力,在電流互感器暫態(tài)飽和程度的不斷增加其差動(dòng)電流的幅值也不斷增加,但是無論電流互感器暫態(tài)飽和程度如何,區(qū)外故障時(shí)差動(dòng)電流的幅值仍然小于Ires的值,避免保護(hù)因電流互感器飽和而誤動(dòng)．

4 仿真分析

4.1 仿真系統(tǒng)及其參數(shù)

通過ATP-EMTP建立如圖4所示電壓等級(jí)為110 kV的6端輸電線路模型．模型中電源均采用集中參數(shù)模型表示,線路均采用分布參數(shù)模型表示．圖4中故障位置k1，k2，k3為出口區(qū)外故障點(diǎn),k4和k5為出口區(qū)內(nèi)故障點(diǎn),k6為T3-m4中點(diǎn)處故障點(diǎn)．

圖 4 仿真模型圖Fig.4 Simulation model diagram

(a) 系統(tǒng)參數(shù)，Ω：

(b) 線路參數(shù):

正序參數(shù):r1=0.035 Ω/km,l1=0.423 4 mH/km,c1=0.002 7 μF/km;

零序參數(shù):r0=0.309 Ω/km,l0=1.142 6 mH/km,c0=0.001 9 μF/km．

4.2 仿真數(shù)據(jù)及分析

仿真故障類型有單相接地、兩相短路、兩相短路接地、三相短路和電流互感器飽和,仿真結(jié)果為表1～3所示,表4為圖1(a)所示模型通過模擬相關(guān)電流值,使電流互感器達(dá)到不同飽和度得到的結(jié)果.

(1) 表1～3可以看出,在區(qū)內(nèi)故障時(shí),各端電流故障分量的和明顯大于任意兩端之間最大的電壓故障分量差與該兩端線路的串聯(lián)正序阻抗比值;對(duì)于區(qū)外故障時(shí),保護(hù)的動(dòng)作量很小,制動(dòng)量明顯大于動(dòng)作量,具有較高的可靠性,并且該算法不受過渡電阻的影響．

(2) 由表4可以看出,當(dāng)發(fā)生區(qū)外金屬性故障時(shí),m側(cè)電流互感器發(fā)生飽和,隨著飽和度的增加動(dòng)作量由72 A逐漸增大到1 319 A,但不會(huì)造成保護(hù)的誤動(dòng),仍有1.46倍的裕度,因此該保護(hù)具有較強(qiáng)的抗電流互感器暫態(tài)飽和能力．

表 1 線路單相接地的仿真數(shù)據(jù)

表 2 線路相間短路以及短路接地的仿真數(shù)據(jù)

表 3 線路三相短路的仿真數(shù)據(jù)

表 4 線路a相單相接地故障時(shí)m端TA飽和的仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

本文基于縱向阻抗得出了一種多端線路差動(dòng)保護(hù)的改進(jìn)算法.理論分析和ATP仿真結(jié)果表明,改進(jìn)后的判據(jù)對(duì)區(qū)內(nèi)故障時(shí),動(dòng)作量為各端遠(yuǎn)大于制動(dòng)量,具有較高的靈敏性;區(qū)外故障時(shí),制動(dòng)量明顯大于動(dòng)作量具有比較高的可靠性．該算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于整定、動(dòng)作靈敏,抗過渡電阻能力強(qiáng)，能夠有效抵御電流互感器飽和的能力,具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值．

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