超導電纜空載合閘對距離保護方向性的影響

劉海東

(江蘇省電力公司 檢修分公司南通分部，江蘇 南通　226000)

超導電纜空載合閘對距離保護方向性的影響

劉海東

(江蘇省電力公司 檢修分公司南通分部，江蘇 南通226000)

摘要：將超導電纜引入電網，在有效減少電能傳輸損耗的同時，對常規輸電線路的距離保護會產生一定的影響。從距離保護的方向性出發，分別對姆歐繼電器和工頻變化量阻抗繼電器在反方向超導電纜空載合閘時的動作特性進行了理論分析，指出超導電纜特殊的電氣參數會改變保護測量阻抗的性質，極有可能引起保護誤動。采用PSCAD/EMTDC與MATLAB接口聯合建立含有微機距離保護的系統模型，仿真結果驗證了保護誤動的可能性。最后，分別針對兩種保護誤動情況提出了相應的解決方案。

關鍵詞：超導電纜；距離保護；方向性；PSCAD/EMTDC；MATLAB接口

高溫超導電纜可降低電能傳輸損耗，且對于線路增容和減少占地等具有實際意義，并初步應用于輸電工程中[1-3]。鑒于超導電纜的電氣參數有別于常規線路，在電網中投入運行時會使其他線路距離保護安裝處的測量阻抗發生改變，因而對距離保護的方向性提出了更高的要求。

在常規輸電線路的距離保護中，姆歐繼電器一般以正序電壓為極化電壓，能保證反向線路故障時故障相不發生誤動；而工頻變化量阻抗繼電器通過反應工頻故障分量而工作，反向線路故障時故障相不會誤動[4-6]。這兩種阻抗繼電器都具有良好的方向性，在常規高壓及超高壓的復雜電力系統中得到了廣泛應用[7]。

本文針對超導電纜的應用對距離保護方向性的影響，具體研究了在反方向超導電纜空載合閘時，姆歐繼電器及工頻變化量阻抗繼電器由于測量阻抗的改變而發生誤動的可能性，并提出相應的解決方案，對提高距離保護的安全性有著重要的意義。

1距離保護反向故障時的動作特性

1.1姆歐繼電器

為防止出口發生各種類型短路故障時保護不能準確動作，姆歐繼電器一般以正序電壓為參考電壓，應用方式有兩種：一種是令參考電壓為相應相或相間的正序電壓，另一種是令參考電壓為其負值。但在這兩種方式下，姆歐繼電器完全可以實現相同的動作特性，可任選一種方式進行分析。接地阻抗繼電器的動作方程為：

(1)

K——零序電流補償系數；

Zset——保護的整定阻抗；

相間阻抗繼電器的動作方程為：

圖1　反方向故障系統圖

結合圖1及M側姆歐繼電器的動作方程，當反方向發生不同類型短路故障時，可推導得出此繼電器的動作特性如圖2所示。

圖2　姆歐繼電器反向故障動作特性

圖2中，Zdx是在發生短路故障時為確定阻抗繼電器的動作區域而折算得出的等效阻抗，具體推導過程見參考文獻[8]的第三章：單相短路時，Zdx=(ZN0+ZN1)/(3+3K)；兩相短路時，Zdx=ZN1/2；兩相接地短路時，Zdx=ZN1×ZN0/(ZN1+2ZN0)。

由圖2(a)可見，在反方向線路發生對稱短路故障時，姆歐繼電器的動作特性為直徑是|Zset|的過原點的方向圓；而圖2 (b)表明在反方向線路發生不對稱短路故障時，姆歐繼電器的動作特性為直徑是|Zdx-Zset|的上拋圓。保護的測量阻抗通常位于阻抗平面的第三象限，這是由常規線路的電氣參數特性決定的。綜上，在反方向常規線路發生故障時，姆歐繼電器可確保不發生誤動。

1.2工頻變化量阻抗繼電器

工頻變化量阻抗繼電器僅作用于工頻故障分量，能反應各種類型的短路故障。其動作方程為：

(2)

對于接地阻抗繼電器有

(3)

對于相間阻抗繼電器有

(4)

圖3　反方向故障系統故障分量圖

圖4　工頻變化量繼電器反向故障動作特性

圖4中，Zdg的物理含義與圖2(b)的Zdx相同[8]：單相短路時，Zdg=(ZN0+2ZN1)/(3+3K)；其他類型短路時，Zdg=ZN1。

由圖4可見，在反方向常規線路發生故障時，工頻變化量阻抗繼電器的動作特性始終為半徑是|Zdg-Zset|的上拋圓，所以此繼電器也具備良好的方向性。

2反方向超導電纜空載合閘對距離保護的影響

2.1超導電纜與常規線路的差異

超導電纜由于其零電阻特性及特殊的電纜結構，電氣參數與常規線路差異較大。參照我國昆明普吉變電站高溫超導電力電纜系統并網運行的情況[9，10]，表1為35 kV下常規電力電纜(截面為220 mm2)與高溫超導電纜的電氣參數的比較如表1所示。

表1　35 kV下兩種電纜的電氣參數

由表1可看出，與常規電力電纜相比，高溫超導電纜單位長度的電阻要小很多；單位長度的電抗較大，這是由其相間距離大于常規電纜的相間距離決定的(電抗與三相間距離的對數近似成正比)；單位長度的電容遠大于常規電纜，這是由其導電線芯等效半徑決定的，而超導電纜結構中帶有冷卻通道，等效半徑比常規電纜大。

此外，高溫超導電纜的運行方式與常規電纜差異較大，冷卻系統故障、電纜內部故障、短路故障等均會導致超導電纜失超無法正常運行，需要為其設計特定的失超保護方案。常規的失超保護主要依靠檢測超導電纜的溫度、液氮壓力及液氮流量等非電氣量信號來進行判定，但由于非電氣量信號變化較為緩慢，普及變電站的高溫超導電纜檢測與保護系統綜合考慮了超導電纜運行過程中所檢測到的電氣量信號和非電氣量信號，采用的保護方案包括過電流速斷保護、溫升越域速斷保護、壓力差越域速斷保護及流量差越域速斷保護等14條基本保護判據[11]。

2.2距離保護誤動分析

結合超導電纜的電氣參數特點，考慮距離保護反向超導電纜空載合閘時的系統如圖5所示。

圖5　反向超導電纜空載合閘系統圖

超導電纜因其單位長度電容較大，不能將其忽略，故圖5(a)中保護反方向的超導電纜線路采用考慮分布電容的π型等值模型。而由于超導電纜單位長度電阻幾乎為零，可將超導電纜線路模型進一步簡化等效見圖5(b)。圖5中，XSL和XSC分別為超導電纜線路的等值感抗及等值容抗。

當斷路器SM閉合將超導電纜投入電力系統時，通過分析圖5(b)可將其歸入距離保護反向經阻容元件三相短路的情況(合閘同期)，從而兩種阻抗繼電器的動作特性與反向發生對稱故障時相同。為簡化分析，忽略系統電阻分量，則保護安裝處測量電流為：

(5)

保護安裝處的測量電壓為：

(6)

當XSLXN1+XSL，可知此時會發生電流反向。分析超導電纜的電氣參數得知，這兩種情況均很有可能發生，而且都會使測量阻抗的性質發生改變。其零電阻特性使得測量阻抗在第四象限向電抗軸靠近，如圖2(a)及圖4中的虛線軌跡1所示；其單位長度容抗值較大使得空載合閘時的測量阻抗落入阻抗平面的第二象限-Zm，如圖2(a)及圖4中的虛線軌跡2所示。從而保護的測量阻抗從第三象限的變為第二象限的-Zms，極有可能落入兩種阻抗繼電器的動作區域中，導致保護誤動。

3PSCAD與MATLAB聯合仿真驗證

3.1模型搭建

PSCAD/EMTDC是一種電磁暫態仿真軟件，在電力系統中得到了廣泛應用[12]。MATLAB是一種可擴展性強的數值分析軟件，具備強大的圖形處理能力。在搭建圖5(a)所示系統模型時，PSCAD自帶的保護模塊無法實現相對復雜的距離保護算法，可通過自定義元件模型功能來解決這個問題[13-14]：通過兩者的接口調用MATLAB中的M文件對PSCAD仿真計算得出的電路數據進行處理，在實現保護算法的同時將控制觸發信號返回到PSCAD模型中控制保護的動作，并將仿真結果通過MATLAB繪圖輸出。模型結構如圖6所示。

圖6　仿真結構圖

雖然利用PSCAD與MATLAB的接口聯合仿真會耗費更多的時間，但這種方式充分發揮了兩種軟件各自的優勢，可以清晰、準確地得出仿真結果。

考慮到兩種阻抗繼電器的應用場合，需構建較高電壓等級的系統模型。仿真系統設定為220 kV等級，目前國內外并網的超導電纜電壓等級都不高，而為了觀察較高電壓等級下超導電纜的運行特性，需要在結合不同電壓等級電纜電氣參數變化特點的基礎上，參照普及變電站35 kV并網超導電纜來構建模型中超導電纜的電氣參數[15]。受保護的常規線路采用220 kV等級輸電線路典型參數。具體線路的參數設定見表2。

表2　模型中線路的電氣參數

此外，設定N側背后系統的等效正序電阻為1.233 Ω，正序電抗為10.262 Ω，零序電阻為0.477 5 Ω，零序電抗為10.48 Ω。

3.2仿真結果

為驗證姆歐繼電器在反向超導電纜空載合閘時誤動的可能性，首先設定常規線路LR的長度為100 km，保護按常規線路的80%來整定，設定超導電纜LS的長度為160 km。

在t=0.5 s時M側背后的斷路器SM三相同期合閘，將超導電纜LS投入系統運行，觀察到保護安裝處的姆歐繼電器在39 ms后發生誤動。分別記錄此過程中A相阻抗繼電器和BC相間阻抗繼電器的測量阻抗軌跡如圖7所示。

圖7　姆歐繼電器測量阻抗軌跡圖

圖7中，整定圓為按照設定參數及理論分析計算得出的阻抗繼電器動作區域。觀察到保護的測量阻抗軌跡最終落入阻抗繼電器動作區域內，與圖2(a)中的-Zms相吻合，驗證了姆歐繼電器誤動的可能性。

同樣，設定常規線路LR的長度為100 km，保護仍按常規線路的80%來整定；將背后超導電纜LS的長度改為80 km。 在t=0.5 s時，斷路器SM三相同期合閘，將超導電纜LS投入系統，觀察到保護安裝處的工頻變化量阻抗繼電器在13 ms后發生誤動。分別記錄此過程中的A相阻抗繼電器和BC相間阻抗距離繼電器的測量阻抗軌跡如圖8所示。

圖8　工頻變化量阻抗繼電器測量阻抗軌跡圖

為判定誤動情況，在圖中作出按設定參數計算得出的工頻變化量阻抗繼電器動作區域。接地和相間阻抗繼電器的測量阻抗軌跡最終進入理論計算的動作區域中，與圖4中的-Zms相吻合，驗證了工頻變化量阻抗繼電器誤動的可能性。

4解決方案

對于姆歐繼電器，為區分保護區內動作與超導電纜空載合閘情況，可改用正序電壓的記憶值作為極化電壓，如圖9所示。

圖9　姆歐繼電器誤動解決方案

圖9中參數定義與圖2相同，在采用記憶值時阻抗繼電器的動作特性變為上拋圓1，隨著記憶效應的消失才變為方向圓2，此時才發生誤動。可設置兩個記憶時間不同的姆歐繼電器，這樣在正方向故障時兩個繼電器能同時動作，而反方向超導電纜空載合閘時記憶時間短的繼電器必然先誤動，可通過兩繼電器動作的先后邏輯來閉鎖反方向超導電纜空載合閘時發生的誤動。

對于工頻變化量阻抗繼電器，則可設置一個整定值約為ZN1的工頻變化量阻抗繼電器，使其與正常整定的工頻變化量阻抗繼電器相與，如圖10所示。

圖10　工頻變化量阻抗繼電器誤動解決方案

圖10中主要參數定義與圖4相同，Zdz為正向區內故障時圖1中M側背后系統的等效阻抗，Zset1為附加阻抗繼電器的整定阻抗(與ZN1相近)。通過設置，正方向故障時仍能夠保持原來的動作區域，反向超導電纜空載合閘時動作區域會變為位于第一象限的小圓，可有效防止此類誤動。

5結語

本文通過理論分析與仿真驗證，表明在反方向超導電纜三相同期空載合閘時，常規線路距離保護的姆歐繼電器及工頻變化量阻抗繼電器均有可能發生誤動，不能保證保護的方向性。但發生此類誤動是有條件的，可在一次系統參數設計時通過考慮誤動條件來避免；如未能避免則可采用本文提出的解決方案，理論上可有效防止此類誤動。在背后超導電纜三相不同期合閘時，這兩種繼電器的動作情況如何是進一步研究工作的重點。

參考文獻：

[1]MAGUIRE J F, SCHMIDT F, BRATT S, et al. Installation and testing results of long island transmission level HTS cable[J]. Applied Superconductivity, IEEE Transactions on, 2009, 19(3):1692-1697.

[2]任安林，席海霞，信贏. 超導電纜及其應用[J]. 國際電力，2005，9(3):59-62.

REN An-lin, XI Hai-xia, XIN Ying. Superconductior cables and Their applications[J]. International Electrical Power for China, 2005, 9(3) : 59-62.

[3]楊勇. 超導技術的發展及其在電力系統中的應用[J]. 電網技術，2001，25(9):48-60.

YANG Yong. Development of Superconducting Technique[J]. Power System Technology, 2001, 25(9) :48-60.

[4]許正亞. 輸電線路新型距離保護[M]. 中國水利水電出版社，2002.

[5]沈國榮. 工頻變化量距離繼電器的研究[C]. 煙臺：中國電機工程學會第四次全國繼電保護及安全自動裝置學術會議，1986．

[6]戴學安. 繼電保護原理的重大突破——綜論工頻變化量繼電器[J]. 電力系統自動化，1995, 19(1):41-47.

DAI Xue-an. A brief discussion on the protection relay based on power frequency variation principle[J]. Automation Of Electric Power Systems, 1995, 19(1):41-47.

[7]張保會，尹項根. 電力系統繼電保護[M].北京：中國電力出版社，2005.

[8]鄭玉平. 串補線路繼電保護的研究與同桿雙回線繼電保護及重合閘的研究[D]. 武漢：武漢大學， 2004.

[9]楊軍，張哲，等．高溫超導電纜在電力系統中的應用[J]．電網技術，2004，28(21):63-68．

YANG Jun，ZHANG Zhe, et al．Application of high temperature superconducting cable in power systems[J]. Power System Technology，2004，28(21):63-68．

[10]楊軍，張哲，尹項根，等．我國首套高溫超導電纜并網運行情況[J]．電網技術，2005，29(4):4-7．

YANG Jun，ZHANG Zhe，YIN Xiang-gen，et al．On-line operation situation of first high temperature superconducting cable system in China[J]．Power System Technology，2005，29(4):4-7.

[11]楊軍. 高溫超導電纜保護理論與技術研究[D]. 武漢：華中科技大學,2006.

[12]林良真，葉林. 電磁暫態分析軟件包PSCAD/EMTDC[J]. 電網技術,2000(1):65-66.

LIN Liang-zhen, YE Lin. An introduction to PSCAD/EMTDC[J]. Power System Technology， 2000(1):65-66.

[13]楊健維，麥瑞坤，何正友. PSCAD/EMTDC與Matlab接口研究[J]. 電力自動化設備, 2007(11):83-87.

YANG Jian-wei, MAI Rui-kun, HE Zheng-you. Interface between PSCAD/EMTDC and Matlab[J]. Electric Power Automation Equipment, 2007(11):83-87.

[14]劉永浩，蔡澤祥，李愛民. PSCAD/EMTDC自定義建模及在直流線路保護仿真中的應用[J]. 電力系統保護與控制, 2011(9):119-124.

LIU Yong-hao, CAI Ze-xiang, LI Ai-min. The user-defined model of PSCAD/EMTDC and its application in simulation of HVDC transmission line protection[J], Power System Protection and Control, 2011(9):119-124.

[15]楊軍，張哲，尹項根，等．高溫超導電纜分相電流差動保護的電容電流補償方案[J]. 電網技術，2008，32(14)：65-69.

YANG Jun，ZHANG Zhe，YIN Xiang-gen，et al．A capacitance current compensation method of phase-splitting differential current protection for high temperature superconducting power cable[J]．Power System Technology，2008，32(14)：65-69.

(本文編輯：嚴加)

Influence of No-load Superconducting Cable Switching-in on Distance Protection Directivity

LIU Hai-dong

(Nantong Maintenance Branch，Jiangsu Electric Power Company, Nantong 226000, China)

Abstract:The introduction of superconducting cables to power system, while can effectively reduce the loss of power transmission, could affect distance protection of conventional lines. Based on distance protection directivity, this paper makes theoretical analysis on action characteristics of Ohm impedance relay as well as that of industrial frequency variation impedance relay respectively when no-load superconducting cables are switching in from the opposite direction of regular lines′ protection. And it is pointed out that the special electrical parameters of superconducting cable could change the measured impedance of relays, therefore, the impedance relays on conventional lines could trip off incorrectly under such circumstance. A system model with computer distance protection is built up through the interface between PSCAD/EMTDC and MATLAB, and simulation results prove the probability of that malfunction. To avoid such maloperation, this paper finally puts forward the corresponding solutions.

Key words:superconducting cables; distance protection; directivity; PSCAD/EMTDC; MATLAB interface

DOI：10.11973/dlyny201601028

作者簡介：劉海東(1988)，男，碩士，主要研究方向為電力系統繼電保護。

中圖分類號：TM771

文獻標志碼：B

文章編號：2095-1256(2016)01-0133-06

收稿日期：2015-11-12