輸電網分布電容對負序方向元件的影響及對策研究

，， (國網天津城西供電分公司，天津 300113)

0 引 言

根據電壓等級的不同，電網一般分為配電網和輸電網。現階段研究表明，無論是輸電網還是配電網，相與相、相與地之間都存在分布電容。由于配電網電壓等級較低，分布電容較小，因此配電網中一般不考慮分布電容的影響。但隨著電壓等級的升高，分布電容越來越大，分布電容就不能忽略[1]。

經典繼電保護原理一般基于工頻量，特別是正序工頻量。但隨著電力網絡的不斷發展，基于正序量保護存在靈敏度不足問題。因此基于其他序分量的保護得到了大量的應用[2]。

為了增強特高壓輸電能力，一般在線路上接入串補裝置，因此相關學者研究了串補裝置對相應保護的影響[3-5]。事實上，特高壓本身較大的分布電容，同樣會對繼電保護產生影響[6]。文獻[7]從線路兩側負序電流相位的角度研究了特高壓分布電容對負序方向保護的影響，并提出了一種基于精準貝瑞龍模型的解決措施。文獻[8]基于仿真驗證的手段分析了特高壓分布電容對負序方向元件的影響，但并未提出應對措施。

下面從負序方向保護的工作原理出發，詳細分析了分布電容對負序方向元件的影響。分析表明，在考慮分布電容的輸電網中，隨著電壓等級的提高，分布電容對負序方向元件的影響就會降低。針對分布電容可能導致負序保護誤動的工況，提出了一種基于正序電流幅值變化趨勢的解決措施。仿真結果驗證了分析結論的正確性。

1 分布電容對負序方向元件的影響機理研究

1.1 負序方向元件工作原理

圖1是典型的輸電網雙端電源系統示意圖，其中：EM、EN表示兩端系統電動勢；ZM2、ZN2分別表示兩側系統的負序阻抗；L表示輸電線路；im2、in2、um2、un2分別表示流過M、N兩側保護安裝處的負序電流和電壓；k表示內部故障；k1表示外部故障。

圖1 典型雙側電源系統圖

當k點發生故障時，M側負序電壓和電流存在如下關系：

(1)

當k1點發生故障時，M側負序電壓和電流存在如下關系：

(2)

式中，ZL2表示線路L的負序阻抗。

由式(1)、式(2)可以得出M側在區內、外部故障時電壓和電流的相量關系圖，如圖2所示。圖2中，φK表示線路阻抗角，一般約為80°[1]，因此在一般分析中，認為電抗值遠大于電阻值，即φK≈90°。

由圖2可以看出，內部故障時，保護安裝處的負序電壓滯后負序電流約90°；而外部故障時，負序電壓超前負序電流約90°。考慮測量誤差、過渡電阻等因素影響時的負序方向元件的判別式為

(3)

下面將重點分析考慮分布電容時對負序方向保護的影響。

1.2 分布電容對負序方向元件的影響機理

在輸電網中，分布電容較大，一般不能忽略，為此將圖1中線路L進行T型等值，同時假定線路發生了外部故障，圖3給出了在此工況下等效負序網絡圖，圖中：k1表示故障點；C表示分布電容；ic2表示流過分布電容的負序電流；Uk2表示故障點處負序電壓源。

由圖3可知，對于M側負序方向元件存在

(4)

顯然此時M側負序方向元件根據式(3)，判為正方向，但對于N側，存在

圖3 負序網絡圖

(5)

為了便于分析，假定全系統中電抗分量遠大于電阻分量，并令1/ωc=Xc，則式(5)進一步化簡為

(6)

隨著電壓等級的升高，分布電容容抗值XC不斷下降，此時情形1)更容易滿足；但隨著電壓等級的下降，容抗值XC增大，則情形2)更容易滿足。因此在輸電網中，電壓等級越低，分布電容對負序方向元件的影響就越大。為此需要尋求一種防止負序方向元件誤動的措施。

2 基于正序電流幅值變化趨勢的預防措施

以圖3為例，當發生外部故障(k1)時，線路兩側正序電流之和為流過分布電容的正序電流，即Im1+In1=Ic1(下標1表示正序分量)。但是，由于外部故障造成線路全線電壓下降，因此Ic1一般將變小。而發生內部故障(k)時，顯然存在Im1+In1=Ic1+Ik1，Ik1表示流過故障k點的正序電流，此時雖然Ic1降低，但由于短路電流的急劇增大，所以Im1+In1的幅值也增大。系統正常運行時，Im1+In1幅值幾乎不變，為電容電流。因此可以利用線路兩側保護安裝處正序電流幅值之和的變化趨勢來識別區內、外部故障：當Im1+In1下降時，即使兩側負序方向元件都判為正方向，保護也不能動作；反之，保護可靠動作。

圖4給出了不同工況下保護安裝處兩側正序電流幅值之和的變化趨勢。由圖4可以看出，保護安裝處兩側正序電流幅值之和正常運行時不變，內部故障時呈現上升趨勢，而外部故障時呈現下降趨勢。因此可以利用此特征來進一步區分區內、外故障，確保負序方向保護不誤動：當負序方向元件感受到的方向即使都為正方向時，如果兩側正序電流幅值之和呈現降低的趨勢，要將負序方向元件退出運行。

圖4 不同工況時正序電流幅值變化趨勢

圖5給出了在輸電網下負序方向保護動作邏輯框圖，其中P2+表示保護安裝處兩側感受到的負序方向都為正方向，I1↑表示兩側正序電流之和呈現上升趨勢。如果正序電流幅值呈現下降趨勢，則不滿足負序保護動作邏輯，保護能可靠不動作。

圖5 輸電網負序方向元件動作邏輯

3 仿真驗證

基于PSCAD/EMTDC搭建了圖1所示的仿真模型，其中模型參數如表1所示。

3.1 外部故障時負序方向元件仿真結果

表1 線路參數列表 單位：Ω

注：線路長度200 km，電壓等級220 kV。

圖6給出了圖1中k1點發生AB接地故障時保護安裝處兩側負序方向元件的判別結果。通過圖6可以看出，此時線路兩側電壓與電流的相位關系滿足內部故障的判別條件，保護會動作，造成保護誤動。因此需要新的解決措施來防止保護的誤動作。

圖6 外部故障時仿真結果

3.2 預防措施的仿真驗證

圖7給出了在與圖6相同故障形式時保護安裝處兩側正序電流幅值之和的變化趨勢。通過圖7可以看出，此時正序電流幅值呈現下降趨勢，如圖中虛線框所示，隨后才恢復正常。因此利用圖5新的動作邏輯，可以確保負序方向保護不誤動。

圖7 正序電流幅值變化曲線

4 結 論

詳細分析了分布電容對負序方向保護的影響，其主要結論如下：

1)在考慮分布電容影響的輸電網中，隨著電壓等級的降低，分布電容對負序方向元件影響增大。

2)區外故障時，保護安裝處兩側正序電流幅值之和呈現下降趨勢，而區內故障時呈現上升趨勢，正常運行時保持不變。

利用此特征構成輸電網負序方向保護的動作邏輯，可以有效防止區外故障時保護誤動的發生。

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