帶串聯(lián)電抗器輸電線路距離保護(hù)整定改進(jìn)方法

朱曉彤， 陸金鳳， 謝 華， 趙青春， 王 忠

(南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211102)

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大和直流換流站的不斷接入，短路電流超標(biāo)已成為影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵問題。為限制短路電流，避免對斷路器進(jìn)行大量更換，可以在輸電線路上安裝串聯(lián)電抗器[1-3]。

輸電線路上安裝串聯(lián)電抗器，將改變原線路的阻抗特性，對輸電線路繼電保護(hù)尤其是距離保護(hù)將產(chǎn)生很大的影響。國內(nèi)外學(xué)者針對帶串聯(lián)電抗器的輸電線路距離保護(hù)開展了大量研究[4-11]，取得了一些有益效果。文獻(xiàn)[4]在距離保護(hù)原整定值的基礎(chǔ)上，疊加串聯(lián)電抗器的阻抗，但此方法只適用于相間距離繼電器，不適用于接地距離繼電器。文獻(xiàn)[5—7]重新推導(dǎo)了帶串聯(lián)電抗器的輸電線路接地距離繼電器的計算電壓和計算電流的表達(dá)式，但這在實際應(yīng)用中需要重新編寫保護(hù)裝置的內(nèi)部代碼，實現(xiàn)起來較為麻煩。

本文從輸電線路距離保護(hù)最基本原理出發(fā)，提出一種帶串聯(lián)電抗器的輸電線路距離保護(hù)整定改進(jìn)方法。該算法重新整定距離繼電器阻抗定值和輸電線路零序補償系數(shù)，無需改變距離保護(hù)算法的代碼。電磁暫態(tài)仿真軟件(EMTDC)仿真結(jié)果驗證了本文所提出的距離保護(hù)算法在帶串聯(lián)電抗器的輸電線路上的可靠性和靈敏性。

1 串聯(lián)電抗器對距離保護(hù)的影響

如圖1所示，當(dāng)輸電線路距離保護(hù)的繼電器安裝在串聯(lián)電抗器的上游時，阻抗繼電器的測量阻抗不再只是故障點到繼電器安裝點的線路阻抗。

圖1 輸電線路故障網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 Transmission line fault network diagram

考慮輸電線路上發(fā)生短路故障的兩種極端情況。圖2中，Zk1是在串聯(lián)電抗器出口處k1點發(fā)生短路時的測量阻抗；Zk2是在輸電線路距離保護(hù)Ⅰ段末端k2點發(fā)生短路時的測量阻抗；ZCK為串聯(lián)電抗器阻抗；Zzd,Ⅰ為不帶串聯(lián)電抗器的輸電線路距離保護(hù)Ⅰ段整定阻抗定值[11-12]。

串聯(lián)電抗器的接入，使得輸電線路距離保護(hù)的測量阻抗增大，距離保護(hù)容易拒動，必須重新整定保護(hù)定值。

圖2 輸電線路阻抗圓Fig.2 Transmission line impedance circle

以圖1所示網(wǎng)絡(luò)中k點發(fā)生短路故障時的情況為例。按照對稱分量法，可以求出M母線各相的電壓為：

(1)

(2)

(3)

2 帶串聯(lián)電抗器的距離保護(hù)

2.1 零序電流補償系數(shù)的整定

為使串聯(lián)電抗器接入后，輸電線路距離保護(hù)的測量阻抗仍有明確的物理意義，這里重新定義零序電流補償系數(shù)。

(4)

式中：K′為帶串聯(lián)電抗器的零序電流補償系數(shù)，K′=(z0-z1)Lk/3(z1Lk+ZCK)；Lk為故障點到保護(hù)安裝處的長度。

(5)

(6)

此時測量阻抗反映的是保護(hù)安裝處到故障點之間的真實阻抗。

K′也不是常數(shù)，故障點位置距保護(hù)安裝處越遠(yuǎn)，K′越大。本文將故障點位于輸電線路末端時的零序電流補償系數(shù)K′作為整定值，如此做的原因?qū)⒃谙挛慕Y(jié)合距離保護(hù)阻抗定值的整定進(jìn)行說明。即Lk為線路全長LM-N，零序補償系數(shù)整定值為：

(7)

2.2 接地距離保護(hù)阻抗定值的整定

距離保護(hù)Ⅰ段為無延時的速動段。輸電線路接入串聯(lián)電抗器后，應(yīng)盡可能保證距離保護(hù)Ⅰ段的保護(hù)范圍不變。輸電線路距離保護(hù)Ⅰ段末端k2點發(fā)生A相接地短路時，有：

(8)

(9)

(10)

式中：LM-k2為接地距離保護(hù)Ⅰ段保護(hù)范圍長度。

距離保護(hù)Ⅱ段應(yīng)能保護(hù)線路的全長，本線路末端短路時，應(yīng)有足夠的靈敏度。不帶串聯(lián)電抗器的接地距離保護(hù)Ⅱ段靈敏度系數(shù)滿足：

(11)

式中：Zzd,Ⅱ為不帶串聯(lián)電抗器的接地距離保護(hù)Ⅱ段阻抗定值；ZM-N為線路總阻抗。

(12)

距離保護(hù)Ⅲ段需要作為本線路Ⅰ、Ⅱ段保護(hù)的近后備，按本線路末端短路校驗，應(yīng)滿足：

(13)

(14)

2.3 相間距離保護(hù)阻抗定值的整定

(15)

(16)

帶串聯(lián)電抗器的輸電線路相間距離保護(hù)仍與零序補償系數(shù)無關(guān)。則根據(jù)之前的分析，可以按式(16)整定相間距離保護(hù)阻抗定值，時間定值不變。

綜上所述，帶串聯(lián)電抗器的輸電線路距離保護(hù)按式(7)整定零序補償系數(shù)，按式(10)、(12)、(14)、(16)整定阻抗定值，時間定值不變。

3 仿真驗證

基于EMTDC搭建了如圖1所示的750 kV輸電線路仿真模型。線路長度為58.4 km，故障點位置可調(diào)。仿真系統(tǒng)PT變比為765 kV/100 V，CT變比為2500 A/1 A。串聯(lián)電抗器電阻為0，電感為30 Ω，如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)線路參數(shù)Tab.1 Simulation system line parameterTable

根據(jù)前面的理論分析重新整定距離保護(hù)相關(guān)定值，如表2所示。

表2 保護(hù)定值單Tab.2 Protection settingTable

圖3 線路短路故障測量阻抗Fig.3 Measurement impedance for short circuit

線路中接入串聯(lián)電抗器后，若不重新整定距離保護(hù)定值，即使故障發(fā)生在線路中點處，接地距離測量阻抗和相間距離測量阻抗均位于距離保護(hù)Ⅰ段阻抗圓外，甚至位于距離保護(hù)Ⅲ段阻抗圓外，距離保護(hù)拒動。

按照本文理論分析重新整定距離保護(hù)定值后：當(dāng)故障發(fā)生在線路中點處時，接地距離測量阻抗和相間距離測量阻抗均位于距離保護(hù)Ⅰ段阻抗圓內(nèi)，距離保護(hù)可靠動作；當(dāng)故障發(fā)生在距首端70%處時，接地距離測量阻抗和相間距離測量阻抗均落在距離保護(hù)Ⅰ段阻抗圓的圓周上，從而驗證了本文提出的帶串聯(lián)電抗器的輸電線路距離保護(hù)改進(jìn)算法不改變距離保護(hù)Ⅰ段的保護(hù)范圍，即距離保護(hù)Ⅰ段不會拒動，也不會誤動；當(dāng)故障發(fā)生在線路末端時，接地距離測量阻抗和相間距離測量阻抗均落在距離保護(hù)Ⅰ段阻抗圓外，Ⅱ段阻抗圓內(nèi)，距離保護(hù)Ⅰ段可靠不動作，距離保護(hù)Ⅱ段和距離保護(hù)Ⅲ段可靠動作，且具有足夠的靈敏性。

EMTDC仿真驗證總體結(jié)論如下：輸電線路接入串聯(lián)電抗器后，若不重新整定距離保護(hù)定值，距離保護(hù)極有可能會發(fā)生拒動。根據(jù)本文理論方法重新整定零序電流補償系數(shù)和距離保護(hù)定值，可保證距離Ⅰ段保護(hù)范圍不變，不拒動不誤動，也可保證距離Ⅱ段和距離Ⅲ段的保護(hù)靈敏性。

4 結(jié)語

綜合串聯(lián)電抗器阻抗和輸電線路全長阻抗，重新整定零序電流補償系數(shù)。在輸電線路原阻抗定值的基礎(chǔ)上，綜合串聯(lián)電抗器阻抗和零序電流補償系數(shù)，重新整定接地距離Ⅰ段保護(hù)定值； 綜合串聯(lián)電抗器阻抗和靈敏度系數(shù)，重新整定接地距離Ⅱ段、Ⅲ段保護(hù)定值和相間距離Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段保護(hù)定值。帶串聯(lián)電抗器的輸電線路距離保護(hù)改進(jìn)算法可以保證距離Ⅰ段保護(hù)的可靠性以及距離Ⅱ段、Ⅲ段保護(hù)的靈敏性。四邊形等其他特性阻抗繼電器在實際工程中應(yīng)用較少，且各廠家實現(xiàn)原理和定值整定原則不同，本文未涉及。后續(xù)將針對串聯(lián)電抗器對其他特性阻抗繼電器的影響做進(jìn)一步研究。