洪巧章

(南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510530)

0 引 言

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated line，GIL)是一種采用SF6氣體或SF6和N2混合氣體絕緣、金屬外殼與導(dǎo)體同軸布置的高電壓大電流電力傳輸設(shè)備。由于GIL輸電具有輸電容量大、受環(huán)境影響小、安全可靠性高等優(yōu)良性能，成為復(fù)雜地形高壓大容量輸電的首選方案[1-5]。

考慮到GIL的成本較高，所以僅在復(fù)雜地形處采用GIL線路，其余部分采用均勻架空線路的混合送電方案在現(xiàn)階段具有更高的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和實(shí)用價(jià)值。

將GIL段引入架空線路后，線路阻抗特性會(huì)發(fā)生變化，對(duì)于距離保護(hù)，其保護(hù)范圍也會(huì)發(fā)生變化[6-8]。為了使原有架空線路保護(hù)裝置能夠可靠保護(hù)混合線路，下面在理論分析的基礎(chǔ)上，修改距離保護(hù)定值計(jì)算方法，維持保護(hù)裝置保護(hù)范圍不變，并在PSCAD仿真中對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 GIL-架空混合線路建模仿真

首先，針對(duì)GIL輸電線路的建模方法進(jìn)行研究，在建立準(zhǔn)確描述GIL幾何及電氣特性的等效模型后，進(jìn)一步對(duì)GIL-架空混合線路的故障特性進(jìn)行仿真與分析。這里以500 kV輸電線路為例進(jìn)行分析研究。

1.1 GIL線路建模

GIL的幾何結(jié)構(gòu)如圖 1所示，由內(nèi)到外分別為芯線、絕緣氣體以及外殼。其中，芯線為高電導(dǎo)率的鋁合金材質(zhì)，考慮集膚效應(yīng)，芯線按中空設(shè)計(jì)；外殼為鋁合金材質(zhì)，與芯線同軸布置，芯線與外殼間填充SF6氣體。各層的厚度隨其電壓等級(jí)的提升而增大。

圖1 GIL結(jié)構(gòu)

500 kV GIL通用的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表 1。

表 1 GIL通用結(jié)構(gòu)參數(shù)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)芯線的電磁屏蔽和保障故障時(shí)人身和設(shè)備的安全，GIL的金屬外殼會(huì)進(jìn)行接地處理。在GIL的沿線裝設(shè)接地銅排，每隔一段距離用接引線將三相GIL外殼接到接地銅排上，然后接地銅排的兩端分別接地。典型GIL外殼接地方式如圖2所示。

圖2 GIL外殼接地方式

GIL段采用PSCAD仿真軟件中的Cable模塊進(jìn)行模擬，設(shè)置為C1丨I1丨C1類型，與GIL對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)即為：金屬芯線丨氣體絕緣層丨金屬外殼，同時(shí)該模型的芯線可設(shè)置為中空的形式，與GIL的芯線保持一致。各層通過電氣參數(shù)來體現(xiàn)其電氣特性，其模型截面如圖 3所示。

圖3 PSCAD中GIL線路參數(shù)設(shè)置

1.2 GIL-架空混合線路建模

架空線采用PSCAD中的Transmission Lines模塊，該模型可詳細(xì)模擬架空輸電線路的桿塔、導(dǎo)線和底線的參數(shù)。采用頻率模型搭建GIL-架空混合線路中架空線路段的模型，架空線的幾何參數(shù)根據(jù)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

2 GIL-架空混合線路故障仿真

GIL段對(duì)線路阻抗的影響與GIL段占整條線路的比例有關(guān)，GIL比例越大，混合線路的阻抗特性與原架空線路的參數(shù)差距就越大，對(duì)繼電保護(hù)功能的影響也就越大，需要結(jié)合工程參數(shù)具體分析。下面以某實(shí)際工程參數(shù)為例進(jìn)行分析。

雙回線GIL-架空混合線路如圖 4所示，GIL段離終端站1的母線15 km，終端站2母線的9.5 km，長(zhǎng)6 km，分析安裝在終端站1處的距離保護(hù)，將故障點(diǎn)設(shè)置在距離終端2母線4.5 km處(線路全長(zhǎng)的85%處)。

圖4 雙回線GIL-架空混合線路

2.1 阻抗測(cè)量

距離保護(hù)測(cè)量保護(hù)安裝點(diǎn)至故障點(diǎn)之間的阻抗，并根據(jù)阻抗的大小判斷保護(hù)是否動(dòng)作，包括相間距離元件和接地距離元件。在不同故障類型條件下，距離元件的測(cè)量阻抗值與故障距離成正比，從而實(shí)現(xiàn)具有一定保護(hù)長(zhǎng)度范圍的線路保護(hù)。

對(duì)于三相短路、兩相(如A、B兩相)短路和兩相(如A、B兩相)接地短路，故障點(diǎn)至保護(hù)安裝點(diǎn)的測(cè)量阻抗均按照式(1)計(jì)算。

(1)

式中：Zm為測(cè)量阻抗；Vmab為保護(hù)安裝處AB相間測(cè)量電壓；Imab為保護(hù)安裝處AB相測(cè)量電流差；ZL1為單位長(zhǎng)度正序阻抗；m為保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)的線路長(zhǎng)度。

對(duì)于單相接地短路(如A相)，故障點(diǎn)至保護(hù)安裝點(diǎn)的測(cè)量阻抗按照式(2)計(jì)算。

(2)

式中：Vma為保護(hù)安裝處A相測(cè)量電壓；Ima為保護(hù)安裝處A相測(cè)量電流；Ima0為保護(hù)安裝處零序測(cè)量電流；k為零序電流補(bǔ)償系數(shù)，k=(Z0-Z1)/3Z1。

故障類型不同時(shí)，保護(hù)安裝處的測(cè)量阻抗計(jì)算公式有所不同。保護(hù)裝置首先需要判斷故障相別，然后根據(jù)相應(yīng)故障相的測(cè)量阻抗計(jì)算公式計(jì)算出測(cè)量阻抗。

分別就均勻架空線路以及GIL-架空混合線路進(jìn)行PSCAD仿真，對(duì)于距離保護(hù)I段范圍臨界處(離終端站2電源母線4.5 km)，模擬4種不同類型的故障，分別得到保護(hù)測(cè)量處的故障電壓電流并計(jì)算得到測(cè)量阻抗值，如表 2所示。

表2 故障阻抗測(cè)量 單位：Ω

通過搭建的阻抗測(cè)量模型計(jì)算結(jié)果顯示，相比于原有均勻架空線路，GIL-架空混合線路的阻抗更小，如采用原有保護(hù)定值，會(huì)造成保護(hù)范圍擴(kuò)大。

2.2 動(dòng)作特性

常見的阻抗繼電器動(dòng)作特性包括阻抗圓動(dòng)作特性和多邊形阻抗動(dòng)作特性。在500 kV電壓等級(jí)中，輸電線路的負(fù)荷電流往往很大，采用躲避故障負(fù)荷能力較強(qiáng)的多邊形阻抗繼電器更為適合。阻抗繼電器多邊形動(dòng)作特性如圖5所示。

圖5中多邊形為阻抗繼電器的動(dòng)作特性邊界，如果測(cè)量阻抗落在多邊形內(nèi)部則保護(hù)動(dòng)作，落在外部則不動(dòng)作。為防止阻抗偏移造成保護(hù)拒動(dòng)，多邊形阻抗繼電器在第二、第四象限需進(jìn)行修正。

圖5中：Xs和Rs通過阻抗整定值和設(shè)定的角度求得；α4的設(shè)置是為了防止區(qū)外經(jīng)過渡電阻短路時(shí)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)超越造成誤動(dòng)；ZLmin為系統(tǒng)最小負(fù)荷阻抗；φL為負(fù)荷阻抗角；Zop為負(fù)荷阻抗角時(shí)多邊形阻抗繼電器的阻抗整定值，它比ZLmin小，以防止系統(tǒng)在最小負(fù)荷阻抗情況下保護(hù)誤動(dòng)；Zset為線路阻抗的整定值；φd為線路的阻抗角，距離I段的線路阻抗整定值應(yīng)能保護(hù)線路全長(zhǎng)的80%～85%，動(dòng)作出口不設(shè)時(shí)延，時(shí)限為保護(hù)固有時(shí)限；距離Ⅱ段與下一段線路的距離Ⅰ段配合以保護(hù)本段線路全長(zhǎng)，動(dòng)作時(shí)限與相鄰線路距離Ⅰ段配合；距離Ⅲ段按照躲開正常運(yùn)行時(shí)的最小負(fù)荷阻抗來整定，動(dòng)作時(shí)限與下一段線路的距離Ⅲ段配合。

圖5 多邊形阻抗繼電器動(dòng)作特性

2.3 定值校驗(yàn)

根據(jù)均勻架空線正序參數(shù)和線路長(zhǎng)度可以計(jì)算出距離保護(hù)I段和II段的均勻架空線路阻抗整定值。最小負(fù)荷阻抗ZLmin按20°～30°核算，線路保護(hù)定值如表 3所示。

表 3 均勻架空線距離保護(hù)定值 單位：Ω

通過表 3定值及表 2阻抗測(cè)量值，可以計(jì)算圖 5的特性邊界條件，均勻架空線路及GIL-架空混合線路的動(dòng)作判別邊界條件分別見表 4和表 5。

表 4 均勻架空線路距離保護(hù)判定邊界條件 單位：Ω

表 5 GIL-架空混合線路距離保護(hù)判定邊界條件 單位：Ω

離終端站2母線4.5 km處，對(duì)于安裝于終端站1的距離保護(hù)，約為線路全長(zhǎng)的85%。從表 4可以看出，若此處發(fā)現(xiàn)各類短路故障，距離保護(hù)Ⅰ段不動(dòng)作、距離保護(hù)Ⅱ段動(dòng)作。這是由于在設(shè)計(jì)保護(hù)定值時(shí)，將Ⅰ段距離保護(hù)的保護(hù)范圍按85%整定，此處在保護(hù)范圍外，因此距離Ⅰ段不動(dòng)作、距離Ⅱ段動(dòng)作。

GIL-架空混合線路通過表 5可以看到，距離Ⅰ段動(dòng)作，說明距離Ⅰ段保護(hù)范圍擴(kuò)大。如果GIL短路比重較大，Ⅰ段保護(hù)范圍甚至可以超過線路全長(zhǎng)，距離保護(hù)喪失選擇性。因此，對(duì)于GIL-架空混合線路，距離Ⅰ段保護(hù)定值需重新設(shè)計(jì)。

2.4 GIL-架空混合線路Ⅰ段定值設(shè)計(jì)

計(jì)及GIL段的混合架空線路距離I段定值計(jì)算如式(3)或式(4)。

(3)

ZsetI=Zo·lo1+ZGIL·(0.85l-lo1)

(4)

式中：ZsetI為Ⅰ段阻抗整定值；Zo為架空線單位長(zhǎng)度正序阻抗；ZGIL為GIL線路單位長(zhǎng)度正序阻抗；l為線路全長(zhǎng)；lo1為第一段架空長(zhǎng)度；lo2為第二段架空長(zhǎng)度；lGIL為GIL線路長(zhǎng)度。

式(3)用于85%線路中已包含全部GIL線路的工況，式(4)用于85%線路外仍設(shè)置有GIL線路的工況。所仿真案例可利用式(3)計(jì)算得到進(jìn)行GIL改造后的距離保護(hù)定值，如表6所示。

表6 適用于GIL-架空混合線路的距離Ⅰ段定值 單位：Ω

通過PSCAD仿真，采用修正的距離保護(hù)Ⅰ段定值，尋找各類保護(hù)動(dòng)作的臨界距離，可以得到表7。通過表7不難發(fā)現(xiàn)，修正的距離保護(hù)定值能滿足距離Ⅰ段保護(hù)本線路全長(zhǎng)85%的基本需求。

表7 GIL-架空混合線路距離保護(hù)判定邊界條件 單位：Ω

2.5 仿真結(jié)果分析

可以將第3.3節(jié)、第3.4節(jié)的分析用阻抗繼電器動(dòng)作特性圖進(jìn)行總結(jié)，采用原距離保護(hù)定值的均勻架空線路、GIL-架空混合線路的繼電器動(dòng)作特性如圖 6、圖7所示。采用改進(jìn)距離保護(hù)定值的GIL-架空混合線路的繼電器動(dòng)作特性如圖8所示。

圖6 采用原定值的均勻架空線路繼電器動(dòng)作特性

圖7 采用原定值的GIL-架空混合線路繼電器動(dòng)作特性

圖8 采用改進(jìn)定值的GIL-架空混合線路繼電器動(dòng)作特性

可以看到，將GIL段引入到架空線路后，無論是單相、兩相、兩相接地還是三相故障的測(cè)量阻抗均發(fā)生不同程度的減小，從距離保護(hù)Ⅱ段動(dòng)作區(qū)移動(dòng)到距離保護(hù)Ⅰ段動(dòng)作區(qū)。改進(jìn)定值保護(hù)算法后，距離保護(hù)Ⅰ、Ⅱ段定值區(qū)域發(fā)生不同程度的縮小，故障測(cè)量阻抗重新移動(dòng)回距離保護(hù)Ⅱ段動(dòng)作區(qū)。驗(yàn)證了該保護(hù)整定方法的有效性。

3 結(jié) 語

將GIL段引入架空線路后，線路阻抗特性會(huì)發(fā)生變化，對(duì)于阻抗參數(shù)敏感的距離保護(hù)，其保護(hù)范圍也會(huì)發(fā)生變化。為了使原有架空線路保護(hù)裝置能夠可靠保護(hù)混合線路，在理論分析的基礎(chǔ)上，通過修改距離保護(hù)定值來維持保護(hù)裝置保護(hù)范圍，使得原架空線路保護(hù)裝置在GIL-架空混合線路工況仍然適用。所提計(jì)算方法在PSCAD仿真模型中得到了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，定值修正方法準(zhǔn)確可靠，能滿足工程實(shí)施要求。