李 斌, 郭子煊, 姚 斌, 王興國(guó)

(1. 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué)), 天津市300072; 2. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司, 北京市 100192)

0 引言

半波長(zhǎng)交流輸電技術(shù)是指輸電距離接近一個(gè)工頻半波,即3 000 km(50 Hz)或2 500 km(60 Hz)的超遠(yuǎn)距離三相交流輸電技術(shù)[1]。由于具有輸送容量大、輸送距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì),半波長(zhǎng)交流輸電技術(shù)近年來再次受到了研究人員的重視[2-11]。但是,由于半波長(zhǎng)輸電線路距離遠(yuǎn),電氣特征與現(xiàn)有特高壓線路存在較大差異,因此,傳統(tǒng)的繼電保護(hù)方法無法滿足半波長(zhǎng)輸電線路的要求,有必要對(duì)半波長(zhǎng)輸電線路保護(hù)進(jìn)行深入的研究。

電流差動(dòng)保護(hù)是目前主流的輸電線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。常規(guī)線路正常運(yùn)行時(shí)兩側(cè)電流之和為0(考慮電容電流補(bǔ)償)。半波長(zhǎng)輸電線路距離長(zhǎng)達(dá)3 000 km,穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)就存在很大的分布電容電流,其正常運(yùn)行時(shí)兩側(cè)電流之和為2倍負(fù)荷電流。故障時(shí)由于諧波的影響,暫態(tài)電容電流更大,目前常規(guī)電容電流補(bǔ)償方法的補(bǔ)償效果并不好。文獻(xiàn)[12]指出,常規(guī)電流差動(dòng)保護(hù)在半波長(zhǎng)輸電線路中的最快動(dòng)作時(shí)間為感受到故障后的40 ms,即常規(guī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用于半波長(zhǎng)輸電線路時(shí)存在速動(dòng)性問題。為此,有學(xué)者提出采用基于分布參數(shù)線路模型的電流差動(dòng)保護(hù)。文獻(xiàn)[13]分析了半波長(zhǎng)輸電線路差動(dòng)電流分布特征及差動(dòng)保護(hù)原理的適用性。文獻(xiàn)[14]將基于貝瑞隆模型的特高壓電流差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用于半波長(zhǎng)輸電線路。文獻(xiàn)[15]指出線路頻變參數(shù)對(duì)半波長(zhǎng)輸電線路行波差動(dòng)保護(hù)具有重要影響,使用行波差動(dòng)電流的工頻分量有助于可靠識(shí)別半波長(zhǎng)輸電線路的區(qū)內(nèi)外故障。文獻(xiàn)[12]分析論證了差動(dòng)參考點(diǎn)與故障點(diǎn)之間距離變化對(duì)基于分布參數(shù)模型的電流差動(dòng)保護(hù)的影響,提出了利用時(shí)差特征計(jì)算最優(yōu)差動(dòng)點(diǎn)的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[16]提出了基于多參考點(diǎn)的貝瑞隆電流差動(dòng)保護(hù)改進(jìn)算法,使差動(dòng)電流能客觀反映故障點(diǎn)電流,從而保證電流差動(dòng)保護(hù)的靈敏性和可靠性。

此外,文獻(xiàn)[17]分析了距離保護(hù)、方向縱聯(lián)保護(hù)在半波長(zhǎng)輸電線路中的適用性與動(dòng)作速度相對(duì)較慢的技術(shù)缺陷。文獻(xiàn)[18]提出了一種適用于半波長(zhǎng)輸電線路的假同步差動(dòng)快速保護(hù)方法。文獻(xiàn)[19]介紹了半波長(zhǎng)輸電線路保護(hù)裝置的具體軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。事實(shí)上,基于工頻故障分量和序分量的功率方向元件利用背側(cè)阻抗特征可以準(zhǔn)確識(shí)別線路正、反向的故障。方向縱聯(lián)保護(hù)也被期望應(yīng)用于半波長(zhǎng)輸電線路中。然而,在應(yīng)用于半波長(zhǎng)輸電線路正方向故障時(shí),線路兩端的方向元件要在各自保護(hù)啟動(dòng)整周期以后可靠利用工頻相位特征判別正向故障,但由于通信延時(shí)的問題嚴(yán)重影響了方向縱聯(lián)保護(hù)的動(dòng)作速度。在反方向故障時(shí),由于半波長(zhǎng)輸電線路波過程的折反射時(shí)間很長(zhǎng),使常規(guī)方向元件無法在保護(hù)啟動(dòng)后快速準(zhǔn)確判別反向故障。

針對(duì)這一現(xiàn)狀,本文分析研究了方向縱聯(lián)保護(hù)在半波長(zhǎng)輸電線路中應(yīng)用時(shí)存在的問題,在充分利用半波長(zhǎng)輸電線路波過程特征的基礎(chǔ)上,提出了一種適用于半波長(zhǎng)輸電線路的新型故障分量方向保護(hù)方法,并據(jù)此設(shè)計(jì)了半波長(zhǎng)輸電線路快速方向縱聯(lián)保護(hù)方案。理論分析和仿真驗(yàn)證表明所提方法在半波長(zhǎng)輸電線路上有良好的應(yīng)用效果。

1 常規(guī)方向元件應(yīng)用于半波長(zhǎng)輸電線路的缺陷

常規(guī)方向元件,包括工頻故障分量方向元件和序分量方向元件等,在應(yīng)用于半波長(zhǎng)輸電線路時(shí),會(huì)造成對(duì)故障的誤判。本文以工頻故障分量方向保護(hù)為例進(jìn)行分析說明。設(shè)反向故障的最大靈敏角為φsen,則保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)如下所示。

正向方向元件的判據(jù)為：

(1)

反向方向元件的判據(jù)為：

(2)

當(dāng)如附錄A圖A2所示的半波長(zhǎng)輸電線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)(以線路f2處故障為例,f2到線路m側(cè)距離為線路全長(zhǎng)的20%),線路m側(cè)保護(hù)安裝處的相間電流、電壓工頻故障分量如圖1 (b)所示。從圖1(b)中可以看出,故障初期,相間電流、電壓工頻故障分量沒有明確的幅值相位關(guān)系。

由此可知,半波長(zhǎng)輸電線路發(fā)生反向故障時(shí),保護(hù)安裝處的相間電流、電壓工頻故障分量的相位差與常規(guī)線路存在較大差異。如果仍在半波長(zhǎng)輸電線路上裝設(shè)具有附錄A圖A1所示動(dòng)作特性的方向縱聯(lián)保護(hù),那么在反向故障初期,相間電流、電壓工頻故障分量的相位差δ會(huì)落在保護(hù)反向動(dòng)作區(qū)的邊界上,從而嚴(yán)重影響方向縱聯(lián)保護(hù)對(duì)線路反向故障的判斷。

圖1 半波長(zhǎng)輸電線路故障后相間電流、電壓工頻故障分量Fig.1 Super-imposed fundamental frequency component of inter-phase current-difference and voltage-difference after fault of half-wavelength line

2 半波長(zhǎng)輸電線路反向故障初期的特殊現(xiàn)象

Z1=-(Zl+Zn)

(3)

由于常規(guī)線路的線路阻抗與系統(tǒng)阻抗的阻抗角近似相等,因此常規(guī)工頻故障分量方向保護(hù)采用附錄A圖A1綠色區(qū)域作為反向動(dòng)作區(qū)。相比于常規(guī)線路,半波長(zhǎng)輸電線路的波過程時(shí)間較長(zhǎng),其中正負(fù)序電磁波的一次折返時(shí)間約為20 ms,是常規(guī)特高壓長(zhǎng)輸電線路的數(shù)倍。仿真測(cè)試表明,半波長(zhǎng)輸電線路波過程持續(xù)時(shí)間通常在1 s以上。

半波長(zhǎng)輸電線路發(fā)生反向故障(故障點(diǎn)為f4)時(shí),m側(cè)保護(hù)感受到的故障特征如圖2(b)所示。由于半波長(zhǎng)輸電線路波過程時(shí)間較長(zhǎng),在故障初期(故障發(fā)生后20 ms)m側(cè)保護(hù)接收不到故障電壓、電流在線路n側(cè)的反射波,而故障電壓、電流波在故障點(diǎn)背側(cè)的變壓器處發(fā)生的反射過程在極短的時(shí)間內(nèi)完成,對(duì)m側(cè)保護(hù)的影響很小,因此m側(cè)保護(hù)測(cè)量到的電氣量表現(xiàn)出的是一條終端無反射線路的特征,即m側(cè)保護(hù)測(cè)量到的電壓、電流工頻故障分量相位相同,幅值比為線路波阻抗。只有在半波長(zhǎng)輸電線路波過程結(jié)束后,m側(cè)保護(hù)所感受到的阻抗Z1才能滿足式(3),具有與常規(guī)線路相同的特征。所以,在線路波過程持續(xù)過程中,Z1的阻抗角從Zc的阻抗角向Zn的阻抗角變化,即出現(xiàn)了第1節(jié)中所描述的δ逐漸從0°向-δn變化的現(xiàn)象。

圖2 m側(cè)保護(hù)感受到的不同輸電線路反向故障特征Fig.2 Anti-fault characteristics of different transmission lines experienced by m side protection

由以上分析可知,在故障電壓、電流波沒有完成第1次折返前,即半波長(zhǎng)輸電線路反向故障后20 ms內(nèi),線路m側(cè)保護(hù)測(cè)量到的電壓、電流工頻故障分量相位相同,幅值比為線路波阻抗。這種由半波長(zhǎng)輸電線路波過程決定的特殊現(xiàn)象是半波長(zhǎng)輸電線路區(qū)外故障的重要特征,可依此設(shè)計(jì)判據(jù)進(jìn)行故障識(shí)別。

3 適用于半波長(zhǎng)輸電線路的縱聯(lián)方向保護(hù)方案

3.1 反向識(shí)別系數(shù)Kaf

當(dāng)附錄A圖A2所示的半波長(zhǎng)輸電線路f1處故障時(shí),故障初期m側(cè)保護(hù)安裝處測(cè)得的相間電流、電壓差工頻故障分量應(yīng)滿足：

Δuφφ(k)-ZcΔiφφ(k)=0

(4)

式中：Δuφφ(k)為相間電壓的工頻故障分量采樣值;Δiφφ(k)為相間電流的工頻故障分量采樣值。

如果采樣值準(zhǔn)確且線路一側(cè)保護(hù)在啟動(dòng)初期計(jì)算得Δuφφ(k)-ZcΔiφφ(k)為0,則可以判斷線路發(fā)生反向故障。由于計(jì)算采用的是電壓、電流的相間差工頻故障分量的采樣值,因此無需濾波,保護(hù)可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成故障方向的判斷。

但是,考慮到采樣值可能由于電流互感器、電壓互感器誤差等因素而出現(xiàn)不準(zhǔn)確的情況,保護(hù)應(yīng)在一定時(shí)間窗內(nèi)計(jì)算Δuφφ(k)-ZcΔiφφ(k),以此消除單次計(jì)算所可能帶來的偶然誤差。故定義反向識(shí)別系數(shù)：

(5)

式中：N1為保護(hù)計(jì)算反向識(shí)別系數(shù)時(shí)所采用的采樣點(diǎn)點(diǎn)數(shù)。

在反向故障初期,保護(hù)安裝處所計(jì)算出的反向識(shí)別系數(shù)應(yīng)滿足：

Kaf=0

(6)

由于半波長(zhǎng)輸電線路的正序波阻抗接近純阻性,而線路兩側(cè)的系統(tǒng)阻抗Zs呈感性,即有

Zs≠Zc

(7)

又因?yàn)?/p>

ΔU=ZsΔI

(8)

式中：ΔU和ΔI分別為電壓、電流工頻故障分量。

則半波長(zhǎng)輸電線路發(fā)生內(nèi)部故障時(shí),有

ΔU-ZcΔI=(Zs-Zc)ΔI≠0

(9)

此時(shí),線路兩側(cè)保護(hù)安裝處所計(jì)算出的反向識(shí)別系數(shù)均不為0。經(jīng)仿真測(cè)試,半波長(zhǎng)輸電線路內(nèi)部故障時(shí)線路兩側(cè)所計(jì)算出的反向識(shí)別系數(shù)Kaf均大于0.2。由此保護(hù)對(duì)于線路一側(cè)發(fā)生反向故障所采用的判據(jù)為該側(cè)保護(hù)啟動(dòng)初期算得的反向識(shí)別系數(shù)應(yīng)滿足：

Kaf<0.20

(10)

由上述分析可知,當(dāng)計(jì)算反向識(shí)別系數(shù)所采用的數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)小于20 ms時(shí),數(shù)據(jù)窗越長(zhǎng),保護(hù)計(jì)算出的反向識(shí)別系數(shù)波動(dòng)越小。但是,數(shù)據(jù)窗越短,保護(hù)判定反向故障的速度越快。設(shè)保護(hù)裝置在1個(gè)周波內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)為N,為了兼顧保護(hù)的快速性與可靠性,本文中反向識(shí)別系數(shù)計(jì)算均采取5 ms數(shù)據(jù)窗,即N1=N/4。

3.2 判別正向故障的輔助判據(jù)

由第2節(jié)分析可知,式(10)只能判別反向故障且只在線路故障初期有效,故除計(jì)算反向識(shí)別系數(shù)Kaf之外,新方法還采用體現(xiàn)保護(hù)安裝處背側(cè)系統(tǒng)阻抗特征的工頻故障分量方向元件和負(fù)序方向元件作為判定線路正向故障的輔助判據(jù)。

但在設(shè)置輔助判據(jù)時(shí)需要注意：由于反向故障初期電壓、電流工頻故障分量的相角差接近0°,在判別正向故障時(shí),保護(hù)判據(jù)應(yīng)適當(dāng)減小正向動(dòng)作區(qū),以規(guī)避可能存在的誤判風(fēng)險(xiǎn),故在下文式(11)和式(12)中對(duì)保護(hù)動(dòng)作區(qū)做了適當(dāng)調(diào)整。

3.3 保護(hù)的快速動(dòng)作邏輯

由于線路長(zhǎng)度較長(zhǎng),導(dǎo)致半波長(zhǎng)輸電線路存在很長(zhǎng)的通道傳輸時(shí)延,常規(guī)的方向縱聯(lián)保護(hù)需經(jīng)過通道傳輸時(shí)延后再動(dòng)作。由于通信時(shí)延較長(zhǎng),因此保護(hù)動(dòng)作速度較慢。而本文所提出的方向縱聯(lián)保護(hù)方法通過計(jì)算反向識(shí)別系數(shù)能使線路一側(cè)保護(hù)在保護(hù)啟動(dòng)后5 ms時(shí)完成對(duì)反向故障的快速識(shí)別?；诖?本文為所提出的保護(hù)方法制定了特殊的快速動(dòng)作邏輯,能通過對(duì)反向故障的快速識(shí)別實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)故障的快速動(dòng)作,大大降低了線路通信時(shí)延對(duì)保護(hù)動(dòng)作速度的影響。

考慮半波長(zhǎng)輸電線路兩端的通信時(shí)延為20 ms,如附錄A圖A2所示的半波長(zhǎng)輸電線路f1處發(fā)生故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)序如圖3(a)所示,其中tq為啟動(dòng)時(shí)間。由圖3 (a)可知,對(duì)于f1處發(fā)生的故障,m側(cè)保護(hù)在故障發(fā)生后5 ms即可判斷出故障方向,m側(cè)保護(hù)可靠不動(dòng)作,并向?qū)?cè)發(fā)出區(qū)外故障標(biāo)志字。n側(cè)保護(hù)在故障發(fā)生后10 ms啟動(dòng),在啟動(dòng)后10 ms和15 ms分別收到對(duì)側(cè)保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)和區(qū)外故障標(biāo)志字,并在啟動(dòng)后20 ms判斷出正向故障。即n側(cè)保護(hù)在判別出正向故障前已收到來自m側(cè)的區(qū)外故障標(biāo)志字,故n側(cè)保護(hù)可靠不動(dòng)作。線路n側(cè)背側(cè)發(fā)生的故障同理。

圖3 新方法保護(hù)動(dòng)作時(shí)序Fig.3 Protection operation sequence of new method

如附錄A圖A2所示的半波長(zhǎng)輸電線路,f2處發(fā)生故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)序如圖3(b)所示。由圖3(b)可知,對(duì)于線路f2處發(fā)生的故障,m側(cè)保護(hù)在故障發(fā)生后2 ms啟動(dòng),同時(shí)向?qū)?cè)發(fā)出保護(hù)啟動(dòng)信號(hào),并在啟動(dòng)后20 ms判斷出正向故障。若m側(cè)保護(hù)于啟動(dòng)后15 ms收到n側(cè)所發(fā)出的區(qū)外故障標(biāo)志字(具體過程如圖3(a)所示),則可判斷故障點(diǎn)在n側(cè)背后。若保護(hù)啟動(dòng)后20 ms時(shí),m側(cè)仍未收到區(qū)外故障標(biāo)志字,則可判定故障點(diǎn)不在n側(cè)背后,而在線路內(nèi)部。為了保證判定的準(zhǔn)確性,可使保護(hù)延長(zhǎng)5 ms判定時(shí)間,于啟動(dòng)后25 ms(即故障發(fā)生后27 ms)動(dòng)作于跳閘。

對(duì)于線路n側(cè),保護(hù)在故障發(fā)生后 8 ms啟動(dòng),同時(shí)向?qū)?cè)發(fā)出保護(hù)啟動(dòng)信號(hào),并在啟動(dòng)后20 ms判斷出正向故障。若n側(cè)保護(hù)于啟動(dòng)后15 ms收到m側(cè)所發(fā)出的區(qū)外故障標(biāo)志字(具體過程如圖3(a)所示),則可判斷故障是m側(cè)的反向故障。若保護(hù)啟動(dòng)后20 ms時(shí),n側(cè)仍未收到區(qū)外故障標(biāo)志字,則可判定故障點(diǎn)不在m側(cè)背后,而在線路內(nèi)部。同樣,可使n側(cè)保護(hù)也延長(zhǎng)5 ms判定時(shí)間,于啟動(dòng)后25 ms(即故障發(fā)生后33 ms)動(dòng)作于跳閘。線路內(nèi)部其他各點(diǎn)故障時(shí)的保護(hù)動(dòng)作時(shí)序均與此同理。

由上述分析可知,半波長(zhǎng)輸電線路發(fā)生區(qū)外故障時(shí),通過計(jì)算反向識(shí)別系數(shù),線路兩側(cè)保護(hù)可靠不動(dòng)作;發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí),通過本文所采用的快速動(dòng)作邏輯,線路兩側(cè)保護(hù)均能在啟動(dòng)后25 ms動(dòng)作于跳閘,而無需經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)20 ms的通信延時(shí),顯著加快了保護(hù)的動(dòng)作速度。

綜上所述,保護(hù)的具體做法如下所示。

1)利用電流突變量確定保護(hù)啟動(dòng)時(shí)刻,并以啟動(dòng)時(shí)刻為故障前后的分界點(diǎn),計(jì)算電壓和電流的工頻故障分量和相間差工頻故障分量。

3)保護(hù)啟動(dòng)20 ms內(nèi)計(jì)算故障相的反向識(shí)別系數(shù)Kaf。當(dāng)Kaf滿足式(10)時(shí)判為反向故障,向線路對(duì)側(cè)發(fā)出區(qū)外故障標(biāo)志字。在保護(hù)啟動(dòng)20 ms之后,基于反向識(shí)別系數(shù)的保護(hù)退出。

4)保護(hù)啟動(dòng)20 ms至40 ms期間,比較故障相電壓工頻故障分量和電流工頻故障分量的相位,若滿足:

(11)

則判為正向故障,向線路對(duì)側(cè)發(fā)出正向開放信號(hào)。

(12)

則判為正向故障,向?qū)?cè)線路發(fā)出正向開放信號(hào)。

6)保護(hù)采用快速動(dòng)作邏輯動(dòng)作于跳閘。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 典型故障下的仿真結(jié)果

本文采用PSCAD/EMTDC搭建半波長(zhǎng)1 000 kV輸電線路仿真模型,仿真參數(shù)如附錄A表A1所示。

由于半波長(zhǎng)輸電線路傳輸自然功率時(shí),其沿線各點(diǎn)電壓均與首端電壓相等[8],不會(huì)出現(xiàn)中點(diǎn)過壓?jiǎn)栴},因此仿真在線路上傳輸?shù)挠泄β蕿?倍自然功率的條件下進(jìn)行,此時(shí)線路兩側(cè)電源擺開角為205.15°。考慮到如果兩側(cè)的系統(tǒng)阻抗很小,線路發(fā)生區(qū)外故障時(shí)的電壓相間差故障分量會(huì)很小,可能影響式(5)的計(jì)算結(jié)果。本文對(duì)新方法在半波長(zhǎng)輸電線路不同運(yùn)行方式下的性能都進(jìn)行了仿真。小運(yùn)行方式下,半波長(zhǎng)輸電線路選取的兩側(cè)系統(tǒng)阻抗為Zm=(1.972+j19.728)Ω,Zn=(1.840+j19.408)Ω;大運(yùn)行方式下,線路選取的系統(tǒng)阻抗為Zm=(0.987+j9.864)Ω,Zn=(0.921+j9.204)Ω。

由于半波長(zhǎng)輸電線路正常運(yùn)行時(shí),整條線路保持無功自平衡,因此,半波長(zhǎng)輸電線路模型中無需安裝無功補(bǔ)償裝置。由于半波長(zhǎng)輸電線路仿真振蕩時(shí)間較長(zhǎng),故故障發(fā)生時(shí)刻均選取為仿真開始后2 s,并將此時(shí)刻作為仿真時(shí)間軸的零點(diǎn)。在仿真模型中模擬半波長(zhǎng)輸電線路各種故障并進(jìn)行計(jì)算分析。

半波長(zhǎng)輸電線路m側(cè)左側(cè)靠近母線m處發(fā)生單相接地故障時(shí),m側(cè)保護(hù)測(cè)得的相間差電流、電壓工頻故障分量與計(jì)算出的反向識(shí)別系數(shù)由圖4(a)采用雙縱軸示出。此時(shí),保護(hù)所測(cè)得的電壓的相間差工頻故障分量與電流的相間差工頻故障分量和線路正序波阻抗乘積的波形幾乎完全重疊,與第2節(jié)分析吻合。在m側(cè)保護(hù)計(jì)算反向識(shí)別系數(shù)期間,即保護(hù)啟動(dòng)后0到20 ms時(shí),保護(hù)計(jì)算出的反向識(shí)別系數(shù)接近0,與3.1節(jié)分析基本吻合。在保護(hù)啟動(dòng)后5 ms時(shí),m側(cè)保護(hù)所計(jì)算出的反向識(shí)別系數(shù)約為0.011,遠(yuǎn)小于0.2。此時(shí),m側(cè)保護(hù)可依據(jù)式(10)快速判別出反向故障,并向?qū)?cè)發(fā)出區(qū)外故障標(biāo)志字,保證兩側(cè)保護(hù)可靠不動(dòng)作。

半波長(zhǎng)輸電線路m側(cè)左側(cè)靠近母線m處發(fā)生兩相短路時(shí),m側(cè)保護(hù)測(cè)得的相間電流、電壓工頻故障分量與計(jì)算出的反向識(shí)別系數(shù)由圖4(b)采用雙縱軸示出。與圖4(a)類似,m側(cè)保護(hù)所測(cè)得電壓的相間差工頻故障分量與電流的相間差工頻故障分量和線路正序波阻抗乘積的波形幾乎完全重疊。在保護(hù)啟動(dòng)后5 ms時(shí),m側(cè)保護(hù)所計(jì)算出的反向識(shí)別系數(shù)約為0.013,遠(yuǎn)小于0.2。此時(shí),m側(cè)保護(hù)可依據(jù)式(10)快速判別出反向故障,并向?qū)?cè)發(fā)出區(qū)外故障標(biāo)志字。由圖4可知,由于計(jì)算反向識(shí)別系數(shù)采用的是相間差電流、電壓工頻故障分量,故保護(hù)對(duì)于反向故障的判定不受故障類型的影響。

圖4 m側(cè)反向故障時(shí)的反向識(shí)別系數(shù)Fig.4 Waveform identification coefficients under anti-faults at m end of line

距半波長(zhǎng)輸電線路m側(cè)20%處發(fā)生單相接地故障時(shí),線路兩側(cè)保護(hù)計(jì)算出的反向識(shí)別系數(shù)如圖5(a)所示。由于半波長(zhǎng)輸電線路輸電距離較長(zhǎng),線路兩側(cè)保護(hù)感受故障所需的時(shí)間較長(zhǎng)。由圖5(a)可知,m側(cè)保護(hù)啟動(dòng)時(shí)刻約為故障后2 ms,n側(cè)保護(hù)啟動(dòng)時(shí)刻約為故障后8 ms。實(shí)際上,兩側(cè)保護(hù)對(duì)于反向識(shí)別系數(shù)的計(jì)算是分別從各自的啟動(dòng)時(shí)刻開始的。保護(hù)啟動(dòng)后,兩側(cè)保護(hù)所計(jì)算出的反向識(shí)別系數(shù)均遠(yuǎn)大于1,與3.1節(jié)分析基本吻合。因此,當(dāng)故障位于線路內(nèi)部時(shí),線路兩側(cè)保護(hù)計(jì)算出的反向識(shí)別系數(shù)均不滿足式(10),保護(hù)不會(huì)依據(jù)反向識(shí)別系數(shù)判定線路發(fā)生反向故障,也不會(huì)向?qū)?cè)發(fā)出區(qū)外故障標(biāo)志字。

距半波長(zhǎng)輸電線路m側(cè)20%處發(fā)生兩相短路故障時(shí),線路兩側(cè)保護(hù)計(jì)算出的反向識(shí)別系數(shù)如圖5(b)所示。由于故障位置相同,兩側(cè)保護(hù)的啟動(dòng)時(shí)間與圖5(a)相同。與圖5(a)類似,兩側(cè)保護(hù)所計(jì)算出的反向識(shí)別系數(shù)均遠(yuǎn)大于1,不滿足式(10)。同樣,保護(hù)也不會(huì)依據(jù)反向識(shí)別系數(shù)判定線路發(fā)生反向故障。

在這種情況下,保護(hù)將如3.3節(jié)所述,采用輔助判據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)正向故障的識(shí)別。由于保護(hù)將首先在啟動(dòng)后20 ms至40 ms內(nèi)采用工頻故障分量方向元件判定線路正向故障,隨后才投入負(fù)序方向元件,因此本文只給出線路內(nèi)部故障時(shí)工頻故障分量方向元件的故障判定結(jié)果。

圖5 線路20%處發(fā)生不同故障下的反向識(shí)別系數(shù)Fig.5 Waveform identification coefficients under different faults occurred at 20%-length point of line

距半波長(zhǎng)輸電線路m側(cè)20%處發(fā)生單相接地故障時(shí),m側(cè)和n側(cè)保護(hù)計(jì)算出的電壓電流工頻故障分量相位差如圖6(a)所示。由于此時(shí)進(jìn)行的故障方向判定與圖5(a)的反向識(shí)別系數(shù)計(jì)算相配合,線路兩側(cè)保護(hù)的啟動(dòng)時(shí)間與圖5(a)相同。由圖6(a)可知,保護(hù)啟動(dòng)后20 ms時(shí),兩側(cè)保護(hù)恰能利用全周期傅里葉算法得到準(zhǔn)確的電壓電流工頻故障分量相位差,此時(shí)線路兩側(cè)所計(jì)算出的電流、電壓工頻故障分量相位差均在90°左右,與理論分析基本吻合。故兩側(cè)保護(hù)均可在啟動(dòng)后20 ms時(shí)依據(jù)式(11)判別出正向故障。

距半波長(zhǎng)輸電線路m側(cè)20%處發(fā)生兩相短路故障時(shí),m側(cè)、n側(cè)保護(hù)計(jì)算出的電壓電流工頻故障分量相位差如圖6(b)所示,此時(shí)進(jìn)行的故障方向判定與圖5(b)的反向識(shí)別系數(shù)計(jì)算相配合。圖6(b)對(duì)于正向故障的判定與圖6(a)類似。

根據(jù)保護(hù)采用的快速動(dòng)作邏輯,一旦保護(hù)判斷出正向故障,且在判別出正向故障之前未收到對(duì)側(cè)線路所發(fā)出的區(qū)外故障標(biāo)志字,即可在延長(zhǎng)5 ms判定時(shí)間后動(dòng)作于跳閘。

小運(yùn)行方式下半波長(zhǎng)輸電線路沿線各點(diǎn)發(fā)生各類故障的仿真結(jié)果如附錄A表A2至表A5所示;大運(yùn)行方式下的仿真結(jié)果如附錄A表A6所示。仿真結(jié)果表明：對(duì)于半波長(zhǎng)輸電線路,本文所提出的方法能夠在保護(hù)啟動(dòng)后5 ms快速判別出反向故障,在保護(hù)啟動(dòng)后20 ms判別出正向故障,并實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)后25 ms全線快速動(dòng)作。仿真結(jié)果驗(yàn)證了新方法的正確性和可靠性。

圖6 線路20%處發(fā)生不同故障下的電流、電壓工頻故障分量相位差Fig.6 Phase shift of super-imposed fundamental frequency component of current-difference and voltage-difference deviation under different faults occurred at 20%-length point of line

本文方法和仿真過程針對(duì)的是半波長(zhǎng)輸電線路中可能發(fā)生的典型故障,半波長(zhǎng)輸電線路對(duì)轉(zhuǎn)換性故障的處理方法可以在本文工作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展研究。

4.2 一些復(fù)雜情況下保護(hù)的動(dòng)作特性

4.2.1輕載半波長(zhǎng)輸電線路中部故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作特性

由于半波長(zhǎng)輸電線路僅輸送有功功率且輸送功率小于自然功率時(shí),沿線電壓降低,中點(diǎn)電壓最低,最低電壓標(biāo)幺值為輸送功率與自然功率的比值,因此半波長(zhǎng)輸電線路發(fā)生空載中點(diǎn)故障時(shí),故障點(diǎn)電流為0。此時(shí)中點(diǎn)故障沒有任何可被接收的故障特征,會(huì)造成保護(hù)啟動(dòng)元件啟動(dòng)困難。同樣,半波長(zhǎng)輸電線路輕載時(shí),若線路中點(diǎn)附近發(fā)生故障,也會(huì)導(dǎo)致保護(hù)安裝處感受到的故障特征極其微弱,從而造成保護(hù)拒動(dòng)。

在以上分析的基礎(chǔ)上,對(duì)半波長(zhǎng)輸電線路空載及輕載情況下新方法的動(dòng)作特性進(jìn)行了仿真分析。由仿真可知,半波長(zhǎng)輸電線路空載時(shí),若故障點(diǎn)不在線路中點(diǎn)±45 km范圍內(nèi),則本文所提出的新方法能準(zhǔn)確判別故障并正確動(dòng)作,無法動(dòng)作的區(qū)域占半波長(zhǎng)輸電線路全長(zhǎng)的3%左右。由于線路輕載時(shí)發(fā)生中部故障的故障特征將比空載時(shí)明顯,故上述范圍在輕載時(shí)將進(jìn)一步縮小。若線路傳輸?shù)墓β蚀笥?0%自然功率,則新方法即可對(duì)半波長(zhǎng)輸電線路全線(包括線路中部)各點(diǎn)故障進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。

4.2.2避雷器對(duì)保護(hù)的影響

為了抑制半波長(zhǎng)輸電線路的沿線過電壓,需要沿線安裝金屬氧化物避雷器(metal oxide arrester,MOA)。避雷器的裝設(shè)會(huì)對(duì)新方法產(chǎn)生一定的影響。

半波長(zhǎng)輸電線路正常運(yùn)行時(shí),MOA不動(dòng)作,且泄漏電流很小。新方法不受線路中裝設(shè)避雷器的影響。

線路發(fā)生區(qū)外故障時(shí),如果此故障引起線路非故障相的MOA導(dǎo)通,則新方法此時(shí)無法區(qū)分線路本身的故障和MOA導(dǎo)通,有一定的誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。這種風(fēng)險(xiǎn)與常規(guī)方向元件面對(duì)類似情況時(shí)相同,需通過設(shè)置輔助判據(jù)進(jìn)行處理。在這種情況下,新方法也可采用與常規(guī)方向元件類似的輔助判據(jù)。

線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí),無論線路中的避雷器是否導(dǎo)通,新方法均可準(zhǔn)確判別故障并動(dòng)作。

5 結(jié)語

本文分析研究了方向縱聯(lián)保護(hù)在應(yīng)用于半波長(zhǎng)輸電線路時(shí)存在的問題,在充分利用半波長(zhǎng)輸電線路波過程特征的基礎(chǔ)上,提出了一種適用于半波長(zhǎng)輸電線路的新型故障分量方向保護(hù)方法。該方法利用半波長(zhǎng)輸電線路反向故障初期電壓的相間差工頻故障分量和電流的相間差工頻故障分量的特殊幅值相位關(guān)系,在線路兩端分別計(jì)算反向識(shí)別系數(shù),通過反向識(shí)別系數(shù)的大小來實(shí)現(xiàn)反向故障的識(shí)別。同時(shí),本文采用工頻故障分量方向元件和負(fù)序方向元件作為判定正向故障的輔助判據(jù),與新方法一起構(gòu)成了半波長(zhǎng)輸電線路快速方向縱聯(lián)保護(hù)方案,克服了傳統(tǒng)方向縱聯(lián)保護(hù)無法適用于半波長(zhǎng)輸電線路的問題。該方案采用基于反向識(shí)別系數(shù)的快速動(dòng)作邏輯,利用保護(hù)對(duì)反向故障的快速識(shí)別實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)故障的快速動(dòng)作。PSCAD/EMTDC仿真表明,該方法可以很好地判別正、反向故障,可以適用于半波長(zhǎng)輸電線路,具有很好的理論價(jià)值和工程價(jià)值。

本文所使用的線路模型是未經(jīng)干預(yù)的半波長(zhǎng)輸電模型。若要在半波長(zhǎng)輸電線路上加裝避雷器,則加裝避雷器后的線路的故障特征會(huì)不同于未經(jīng)干預(yù)的線路,且其故障特征與線路上的避雷器數(shù)量和位置有關(guān)。此時(shí),本文所提出的改進(jìn)算法是否仍能滿足半波長(zhǎng)輸電線路保護(hù)的要求還需根據(jù)線路的具體情況做進(jìn)一步驗(yàn)證。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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