劉亞?wèn)| ,孫集偉 ,楊國(guó)生 ,周澤昕 ,郭艷鳳 ,牛艷利
(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院,北京 100192;2.華北電力調(diào)度控制中心,北京 100053;3.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司,北京 100031)
輸電線(xiàn)路可能發(fā)生的故障通常分為橫向(短路)和縱向(斷路)2類(lèi),鑒于橫向故障的發(fā)生次數(shù)和對(duì)系統(tǒng)的危害均遠(yuǎn)大于縱向故障[1],目前線(xiàn)路的零序保護(hù)原理及定值一般主要考慮橫向故障,較少考慮發(fā)生概率較小的縱向故障[2-4]。出于簡(jiǎn)化計(jì)算的考慮,作為線(xiàn)路接地故障后備保護(hù)的零序電流最后一段保護(hù)基本都按相同動(dòng)作值、相同時(shí)限且不帶方向整定。但目前在實(shí)際運(yùn)行中,可能存在這樣的情況:當(dāng)某重載運(yùn)行線(xiàn)路中的一回線(xiàn)發(fā)生單相斷線(xiàn)故障后,不僅故障線(xiàn)路中存在較大的零序電流,在同一系統(tǒng)內(nèi)的其他線(xiàn)路中也會(huì)出現(xiàn)零序電流,尤其是在與故障線(xiàn)路同塔并架的雙回線(xiàn)路中的非故障線(xiàn)路上,有可能流過(guò)較大的零序電流。顯而易見(jiàn),當(dāng)非故障線(xiàn)路的零序電流達(dá)到或超過(guò)零序保護(hù)末段定值時(shí),不僅故障線(xiàn)路會(huì)跳閘,非故障線(xiàn)路也會(huì)同時(shí)跳閘,造成雙回線(xiàn)路斷開(kāi),損失大量功率,還有可能加劇事故的擴(kuò)大。
由于電網(wǎng)日趨復(fù)雜,線(xiàn)路傳輸容量增大,多回并列線(xiàn)路和重載運(yùn)行線(xiàn)路增多。系統(tǒng)地分析多回并列線(xiàn)路和重載線(xiàn)路發(fā)生斷線(xiàn)故障后的故障特性,研究其對(duì)零序過(guò)流保護(hù)的影響,提出考慮斷線(xiàn)故障的零序過(guò)流保護(hù)方案,對(duì)提高繼電保護(hù)的運(yùn)行可靠性、防止斷線(xiàn)事故擴(kuò)大有積極的意義。
依據(jù)經(jīng)典的故障分析方法,對(duì)線(xiàn)路發(fā)生縱向故障的情況進(jìn)行分析[1,5-8]。假設(shè) A 相出口 q、k 間發(fā)生單相斷線(xiàn)故障,此時(shí)的斷線(xiàn)故障系統(tǒng)如圖1所示。圖中,ES、ER分別為 M、N 側(cè)系統(tǒng)電勢(shì);M、N 為故障線(xiàn)路 M 側(cè)、N 側(cè)母線(xiàn);IqkA、IqkB、IqkC分別為斷線(xiàn)后的 A、B、C相電流。
圖1 斷線(xiàn)故障系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of power system with open-circuit fault
對(duì)于斷相線(xiàn)路,有邊界條件:
其中,Iqk1、Iqk2、Iqk0分別為 A 相的正、負(fù)、零序電流;Uqk1、Uqk2、Uqk0分別為 q-k 斷口的正、負(fù)、零序電壓。
則可得到斷線(xiàn)故障序網(wǎng)圖如圖2所示。圖中,ESA、ERA分別為 M、N 側(cè)系統(tǒng) A 相電勢(shì);XSi、XRi分別為M側(cè)、N側(cè)系統(tǒng)電抗;XLi為線(xiàn)路電抗;∑jXi=jXLi+jXRi+jXSi;i取 1、2、0 時(shí)分別表示正、負(fù)、零序。
圖2 斷線(xiàn)故障序網(wǎng)圖Fig.2 Sequence networks of open-circuit fault
根據(jù)圖2可得到各序電流之間的關(guān)系見(jiàn)式(2)。
由圖2及式(2)均可看出,線(xiàn)路發(fā)生斷線(xiàn)故障后,該線(xiàn)路的零序電流與負(fù)序電流同相位,均與正序電流的相位相差180°。
考慮到斷線(xiàn)前A相負(fù)荷電流為:
且∑jX1=∑jX2,則式(2)可改寫(xiě)為:
由式(4)可知,發(fā)生斷線(xiàn)故障后零序電流的方向與負(fù)荷電流IFH的方向相反,大小與IFH的大小成正比。此外,受系統(tǒng)正序和零序阻抗的影響,系統(tǒng)零序阻抗增大、零序電流減小,系統(tǒng)正序阻抗增大、零序電流增大。
以雙回線(xiàn)路為例分析多回并列線(xiàn)路的斷線(xiàn)故障[9-13]。假設(shè)雙回線(xiàn)路的母線(xiàn)M、N兩側(cè)系統(tǒng)中性點(diǎn)均接地,雙回線(xiàn)路的一回線(xiàn)發(fā)生單相斷線(xiàn)故障,此時(shí)的零序網(wǎng)絡(luò)如圖 3 所示。圖中,jXS′0、jXR′0分別為雙回線(xiàn)路M、N側(cè)系統(tǒng)的零序電抗;斷線(xiàn)處的零序電勢(shì)Uqk0在回路中產(chǎn)生零序電流,Iqk0為斷相線(xiàn)路的零序電流,IS0為M側(cè)系統(tǒng)零序電流,I20為并列線(xiàn)路零序電流。為簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè)雙回線(xiàn)的參數(shù)相同。
圖3 斷線(xiàn)故障雙回線(xiàn)零序網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Zero-sequence network of dual-circuittransmission line with open-circuit fault
Iqk0、IS0和 I20之間的關(guān)系如式(5)所示。
故障線(xiàn)路兩側(cè)母線(xiàn)的零序電壓是零序電流在兩側(cè)系統(tǒng)零序阻抗上產(chǎn)生的壓降,如式(6)所示,斷線(xiàn)點(diǎn)兩側(cè)和故障線(xiàn)路兩側(cè)母線(xiàn)的電壓均為反相位。
雙回線(xiàn)路的零序電壓和電流的分布如圖4所示。圖中,jXM0、jXN0分別為故障線(xiàn)路斷線(xiàn)點(diǎn)M、N側(cè)的零序電抗。
圖4 雙回線(xiàn)斷線(xiàn)故障零序電壓分布圖Fig.4 Zero-sequence voltage distribution of dual-circuit transmission line with open-circuit fault
圖4所示的零序電壓分布使得雙回線(xiàn)路內(nèi)出現(xiàn)零序環(huán)流。故障線(xiàn)路中零序電流大小與斷線(xiàn)前負(fù)荷電流大小之比為∑X1/(∑X1+2∑X0);非故障線(xiàn)路與系統(tǒng)回路共同分流故障線(xiàn)的零序電流。
上文都是在未考慮并列線(xiàn)路互感情況下的簡(jiǎn)單分析,實(shí)際并列線(xiàn)路(特別是同塔并架雙回線(xiàn)路)是存在互感的,實(shí)際電網(wǎng)中有的同塔并架雙回線(xiàn)路的零序互感抗與零序電抗的比值高達(dá)0.6,因此需要考慮零序互感的影響。不考慮和考慮零序互感情況下的非故障線(xiàn)路的零序電流分別如式(7)和(8)所示。對(duì)比可知,由于雙回線(xiàn)路間零序互感的影響,斷線(xiàn)后流過(guò)雙回線(xiàn)路的零序電流會(huì)增大。
不考慮零序互感情況:
考慮零序互感情況:
其中,XM為雙回線(xiàn)路間零序互感抗。
由式(5)、(6)、(8)可知,對(duì)于故障線(xiàn)路兩側(cè),零序電壓超前電流的功率方向?yàn)椋?/p>
因?yàn)榫€(xiàn)路零序電抗XL0大于雙回線(xiàn)路間零序互感抗XM,所以故障線(xiàn)路M、N兩側(cè)的零序功率方向均為-90°,在零序功率方向動(dòng)作區(qū)內(nèi)。同理,對(duì)于故障線(xiàn)路的上、下級(jí)線(xiàn)路同側(cè)的零序功率方向也處于動(dòng)作區(qū)內(nèi)。
而非故障線(xiàn)路的零序電流方向與故障線(xiàn)路相反,則其電壓超前電流的功率方向如式(10)所示。
由于線(xiàn)路零序電抗XL0大于雙回線(xiàn)間零序互感抗XM,雙回線(xiàn)路的非故障線(xiàn)路M、N側(cè)的功率方向均為90°,在零序功率方向動(dòng)作區(qū)外。
利用PSCAD搭建雙回輸電線(xiàn)路仿真模型如圖5所示。發(fā)生斷線(xiàn)故障前負(fù)荷電流與斷路器B2處規(guī)定的電流正方向(箭頭方向)相同,考慮兩側(cè)系統(tǒng)中性點(diǎn)接地與不接地2種方式和線(xiàn)路L1的不同負(fù)載,在斷路器B2處設(shè)置A相斷線(xiàn)故障。
圖5 雙回線(xiàn)輸電仿真系統(tǒng)Fig.5 Dual-circuit transmission system for simulation
考察故障線(xiàn)路附近零序電流與零序功率方向分布情況。各斷路器處零序電流與零序功率方向如表1、2所示。表中,3I0B1—3I0B6為各斷路器處3倍零序電流,零序電流的正負(fù)表示了零序電流的方向,與保護(hù)安裝處規(guī)定的正方向相同為正,否則為負(fù),同一條線(xiàn)路兩端的零序電流受對(duì)地電容的影響而略有差別;線(xiàn)路重載程度為線(xiàn)路傳輸功率與自然功率的比值;零序功率方向在 -100°±90°范圍內(nèi)為正,否則為負(fù)[2]。
表1 兩側(cè)變壓器中性點(diǎn)均接地時(shí)的零序電流分布Table 1 Zero-sequence current distribution when neutralpoints of transformers at both sides are grounded
表2 兩側(cè)變壓器中性點(diǎn)均不接地時(shí)的零序電流分布Table 2 Zero-sequence current distribution when neutralpoints of transformers at both sides are not grounded
如仿真結(jié)果數(shù)據(jù)所示,發(fā)生斷線(xiàn)故障后雙回線(xiàn)路兩側(cè)變壓器中性點(diǎn)接地時(shí)的故障線(xiàn)路和上下級(jí)線(xiàn)路,以及雙回線(xiàn)路兩側(cè)變壓器中性點(diǎn)不接地時(shí)的雙回線(xiàn)路的零序電流幅值都超過(guò)了規(guī)程[14]建議的零序過(guò)流保護(hù)末段定值300 A。結(jié)合第1節(jié)的理論推導(dǎo)和仿真,對(duì)斷線(xiàn)故障特征總結(jié)如下。
a.零序電流分布。斷線(xiàn)故障發(fā)生后,故障線(xiàn)、與故障線(xiàn)路并列線(xiàn)路以及上下級(jí)線(xiàn)路中均產(chǎn)生零序電流,零序電流分布與線(xiàn)路兩側(cè)系統(tǒng)中性點(diǎn)接地情況有關(guān):如果線(xiàn)路兩側(cè)系統(tǒng)均為接地系統(tǒng)就會(huì)對(duì)零序電流分流,使得并列線(xiàn)路零序電流幅值減小;如果兩側(cè)系統(tǒng)都不接地,則并列線(xiàn)路與故障線(xiàn)路中的零序電流大小幾乎相同,只受線(xiàn)路對(duì)地電容電流的影響。
b.零序電流幅值:對(duì)于縱向故障,零序電流源位于故障線(xiàn)路上,該回線(xiàn)路零序電流最大,零序電流大小受斷線(xiàn)前負(fù)荷電流大小影響,與負(fù)荷電流大小成正比關(guān)系,如圖6所示。而流過(guò)并列線(xiàn)路以及兩側(cè)系統(tǒng)的零序電流大小則與并列線(xiàn)路的阻抗、兩側(cè)系統(tǒng)的接地情況及零序阻抗的分布和大小有關(guān)。因此重載運(yùn)行的線(xiàn)路發(fā)生單相斷線(xiàn)故障時(shí),不僅故障線(xiàn)路的零序電流保護(hù)可能會(huì)動(dòng)作,與故障線(xiàn)路并列的線(xiàn)路以及兩側(cè)的接地系統(tǒng)的零序電流均有超過(guò)零序過(guò)流保護(hù)末段定值的可能。
圖6 斷線(xiàn)后零序電流與斷線(xiàn)前線(xiàn)路負(fù)荷的關(guān)系Fig.6 Relation between zero-sequence current after open-circuit fault and line load before open-circuit fault
c.零序電流方向:斷線(xiàn)后故障線(xiàn)路零序電流方向與故障前負(fù)荷電流方向相反,可通過(guò)并列線(xiàn)路、線(xiàn)路兩側(cè)的接地系統(tǒng)形成零序環(huán)流。
d.零序功率方向:雙回線(xiàn)路一回單相斷線(xiàn)后,故障線(xiàn)路及上下級(jí)線(xiàn)路同向的零序功率方向?yàn)檎?,而并列非故障線(xiàn)路零序功率方向?yàn)榉聪颉?/p>
e.零序互感的影響:零序互感對(duì)同走廊健全線(xiàn)路(尤其是同塔并架線(xiàn)路)的零序電流有一定的影響,在線(xiàn)路兩側(cè)系統(tǒng)零序阻抗一定的前提下,零序互感越大,健全線(xiàn)路的零序電流越大,這種情況下發(fā)生斷線(xiàn)故障,零序電流更容易達(dá)到零序過(guò)流保護(hù)末段定值。如圖7所示,隨著雙回線(xiàn)間的零序互感的增加,斷線(xiàn)后雙回線(xiàn)路中的零序電流增大,流向系統(tǒng)的零序電流減小。
圖7 雙回線(xiàn)斷線(xiàn)后零序電流與零序互感的關(guān)系Fig.7 Relation between zero-sequence mutual inductance and zero-sequence current after open-circuit fault of dualcircuit transmission system
文獻(xiàn)[14]中規(guī)定零序電流保護(hù)最末一段的動(dòng)作電流定值一般應(yīng)不大于300 A(例如零序電流Ⅳ段和反時(shí)限零序電流啟動(dòng)值)。文獻(xiàn)[15]中也規(guī)定零序電流保護(hù)的啟動(dòng)值一般應(yīng)不大于300 A,定時(shí)限動(dòng)作時(shí)間不小于3.5 s。在實(shí)際工作中,為簡(jiǎn)化計(jì)算,同一系統(tǒng)中按雙重化原則配置保護(hù)的同電壓等級(jí)線(xiàn)路零序電流定時(shí)限最后一段通常取相同定值,且不經(jīng)零序功率方向元件控制。
下面考慮4種斷線(xiàn)情況對(duì)零序過(guò)流保護(hù)的影響。
a.對(duì)于采用單相重合閘的500 kV線(xiàn)路,重合閘時(shí)間大多整定為1 s左右,小于線(xiàn)路零序電流定時(shí)限保護(hù)最后一段的動(dòng)作時(shí)間,不會(huì)對(duì)相鄰線(xiàn)路保護(hù)造成影響。
b.由于線(xiàn)路斷路器單相偷跳或單相偷合而造成的縱向故障,通常由“開(kāi)關(guān)位置不對(duì)應(yīng)”保護(hù)(即“非全相保護(hù)”)解決,該保護(hù)利用斷路器輔助接點(diǎn)的不對(duì)應(yīng)狀態(tài)作為判據(jù),動(dòng)作時(shí)限也小于線(xiàn)路零序電流定時(shí)限保護(hù)最后一段的動(dòng)作時(shí)間。
上述2種較為常見(jiàn)的線(xiàn)路縱向故障,都與線(xiàn)路斷路器相關(guān),保護(hù)的判據(jù)較容易獲取,對(duì)于一次系統(tǒng)斷線(xiàn)或二次系統(tǒng)斷線(xiàn)也能較明確地加以區(qū)分,均采用在時(shí)間定值上“躲開(kāi)”的方式防止并列非故障線(xiàn)路零序電流定時(shí)限最后一段誤動(dòng)。
c.當(dāng)斷相故障發(fā)生在線(xiàn)路上時(shí),較為常見(jiàn)的是斷線(xiàn)處的導(dǎo)線(xiàn)接地,此時(shí)由于伴隨有接地故障發(fā)生,線(xiàn)路縱聯(lián)保護(hù)、后備接地距離保護(hù)或零序保護(hù)大多能夠切除故障,因此一般不會(huì)對(duì)相鄰線(xiàn)路產(chǎn)生影響。
d.值得注意的是輸電導(dǎo)線(xiàn)上發(fā)生與斷路器無(wú)關(guān)的純縱向故障。此種故障可能發(fā)生在線(xiàn)路耐張塔、轉(zhuǎn)角塔的引流線(xiàn)處,或是在緊湊型線(xiàn)路的兩間隔棒之間,除此之外,線(xiàn)路隔離開(kāi)關(guān)自行斷開(kāi)(脫落)、站內(nèi)出線(xiàn)設(shè)備引線(xiàn)脫落等在特殊情況下也有可能造成純縱向故障。當(dāng)然,根據(jù)長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),線(xiàn)路發(fā)生純縱向故障是非常罕見(jiàn)的,但是,由前文所做的分析可知,一旦重載線(xiàn)路發(fā)生了斷線(xiàn)且不接地的故障,除本線(xiàn)路中必然會(huì)有零序電流外,有零序通路的上下級(jí)線(xiàn)路、多回線(xiàn)路的并列線(xiàn)路必然也會(huì)由此產(chǎn)生零序電流。鑒于前文所提到的整定原則,以及同一電壓等級(jí)線(xiàn)路零序電流定時(shí)限最后一段通常取相同值的整定慣例,可能存在重載線(xiàn)路發(fā)生縱向故障時(shí)出現(xiàn)同一斷面多條線(xiàn)路零序后備保護(hù)同時(shí)動(dòng)作的情況,如果因此發(fā)生大功率轉(zhuǎn)移,后果不堪設(shè)想。
解決斷線(xiàn)情況下非故障線(xiàn)路零序過(guò)流保護(hù)誤動(dòng)的問(wèn)題并不復(fù)雜,只要能夠保證斷相線(xiàn)路先于其他健全線(xiàn)路的零序過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)三相,便可避免正常線(xiàn)路零序過(guò)流保護(hù)誤動(dòng)問(wèn)題。
利用線(xiàn)路分相縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)互傳線(xiàn)路兩側(cè)全電流,可以較為準(zhǔn)確地判斷被保護(hù)線(xiàn)路是否發(fā)生斷相故障。判斷重載情況下發(fā)生斷線(xiàn)故障的新型零序過(guò)流保護(hù)方案的邏輯如圖8所示。
圖8 零序過(guò)流保護(hù)新方案邏輯圖Fig.8 Logic diagram of improved zero-sequence protection scheme
a.線(xiàn)路重載,重載判據(jù)如式(11)所示。
其中,IL為負(fù)荷電流;ILset為重載電流定值。若潮流較小,則斷線(xiàn)時(shí)零序電流必然較小,零序過(guò)流后備保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。
b.線(xiàn)路零序電流過(guò)流,判據(jù)如式(12)所示。
其中,3I0為零序電流;3I0set為零序過(guò)流定值,可采用零序過(guò)流保護(hù)末段定值。
c.線(xiàn)路電壓無(wú)變化,判據(jù)如式(13)所示。
其中,ΔU為電壓變化量;Ue為額定電壓。
d.同相線(xiàn)路兩側(cè)同時(shí)無(wú)流,判據(jù)如式(14)所示。
其中,IMφ、INφ分別為同相線(xiàn)路 M、N 側(cè)電流;Ie為線(xiàn)路額定電流。
如果條件a、b、c、d同時(shí)滿(mǎn)足,則表明線(xiàn)路發(fā)生斷線(xiàn)故障且零序過(guò)流,具備保護(hù)動(dòng)作的條件,動(dòng)作時(shí)限Tset/0按躲過(guò)重合閘時(shí)間、斷路器三相不一致保護(hù)動(dòng)作時(shí)間中較大者整定,而且需要小于零序過(guò)流保護(hù)最末一段的時(shí)間定值。
上述判據(jù)最根本的出發(fā)點(diǎn)在于考慮線(xiàn)路兩側(cè)不會(huì)在同一時(shí)刻發(fā)生電流互感器二次斷線(xiàn),因此將重載線(xiàn)路兩側(cè)同相電流互感器同時(shí)無(wú)流作為線(xiàn)路一次無(wú)流的重要判據(jù)。對(duì)于“串供”形式的上下級(jí)線(xiàn)路,雖然由于無(wú)法區(qū)分是哪一級(jí)線(xiàn)路發(fā)生故障而導(dǎo)致故障線(xiàn)路的上一級(jí)或下一級(jí)線(xiàn)路陪跳,但受事故影響的范圍并沒(méi)有因此而擴(kuò)大。
在某超高壓線(xiàn)路保護(hù)裝置中實(shí)現(xiàn)該保護(hù)方案,RTDS仿真結(jié)果表明其在非斷線(xiàn)故障情況下可靠不誤動(dòng),在本線(xiàn)路發(fā)生純斷線(xiàn)故障且零序過(guò)流時(shí),先于相鄰線(xiàn)路零序過(guò)流保護(hù)末段動(dòng)作跳開(kāi)三相,避免其發(fā)生誤動(dòng),驗(yàn)證了仿真結(jié)果和新方案的有效性。
本文通過(guò)理論計(jì)算和仿真分析了斷線(xiàn)故障的零序電流分布特征、零序功率方向特性,得到如下結(jié)論。
a.零序電流分布特征:發(fā)生斷線(xiàn)故障后故障線(xiàn)路、中性點(diǎn)接地的上下級(jí)線(xiàn)路、雙回線(xiàn)路的并列線(xiàn)路均有零序電流。
b.零序電流幅值特征:發(fā)生斷線(xiàn)故障后的零序電流大小受斷線(xiàn)前負(fù)荷電流大小影響,與斷線(xiàn)前負(fù)荷電流成正比關(guān)系,重載線(xiàn)路斷線(xiàn)后零序電流幅值更大;中性點(diǎn)接地的上下級(jí)線(xiàn)路會(huì)對(duì)并列線(xiàn)路的零序分流,使其零序電流幅值減小。
c.零序電流方向特征:斷線(xiàn)后故障線(xiàn)路零序電流方向與故障前負(fù)荷電流方向相反,在雙回線(xiàn)路中會(huì)出現(xiàn)零序環(huán)流。
d.零序功率方向特征:發(fā)生接地系統(tǒng)單相斷線(xiàn)后故障線(xiàn)路、上下級(jí)線(xiàn)路的零序功率方向均為正;而并列非故障線(xiàn)路的零序功率方向?yàn)樨?fù)。
e.零序互感的影響特征:隨著雙回線(xiàn)路間的零序互感的增加,斷線(xiàn)后雙回線(xiàn)內(nèi)的零序電流增大,流向系統(tǒng)的零序電流減小。
因此,在線(xiàn)路重載情況下發(fā)生斷線(xiàn)故障可能會(huì)引起中性點(diǎn)接地的上下級(jí)線(xiàn)路、并列線(xiàn)路的零序過(guò)流保護(hù)誤動(dòng)。為避免這種情況,利用線(xiàn)路分相縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)互傳線(xiàn)路兩側(cè)全電流,判斷被保護(hù)線(xiàn)路是否發(fā)生斷相故障,提出了適應(yīng)線(xiàn)路斷線(xiàn)故障的新型零序過(guò)流保護(hù)方案,并通過(guò)實(shí)際保護(hù)裝置的RTDS仿真結(jié)果驗(yàn)證了新方案的有效性。
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