三相重合閘對距離保護的影響

摘 要：針對三相重合閘在交直流電力網(wǎng)絡(luò)中重合不理想的問題，提出了一種關(guān)于故障距離、系統(tǒng)電抗、觸發(fā)角等參數(shù)的新型重合方式，以提高電網(wǎng)供電的可靠性和安全性。根據(jù)AC-DC系統(tǒng)模型，分別推導(dǎo)出三相故障輸電線路首、末端先重合時，距離保護的測量阻抗表達式，據(jù)此，分析整流側(cè)與逆變側(cè)系統(tǒng)電抗、臨界點故障距離對保護的影響。考慮直流系統(tǒng)的控制模式和是否出現(xiàn)換相失敗，分析測量阻抗隨電壓變化量和越前觸發(fā)角的變化，得到不同情況下的最優(yōu)重合方案。針對重合方案，采用兩區(qū)域交直流電力網(wǎng)絡(luò)和南方電網(wǎng)廣東部分實際網(wǎng)絡(luò)進行仿真，驗證其結(jié)論的正確性和有效性。結(jié)果表明，新型的重合閘方案能夠有效地減小距離保護出現(xiàn)誤動作的風(fēng)險，提高電力系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：三相重合閘；距離保護；誤動作；交直流電力系統(tǒng)

中圖分類號：TM762.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-0033（2024）04-0034-09

引用格式：韓軍強，柯希彪，郭琳.三相重合閘對距離保護的影響[J].商洛學(xué)院學(xué)報，2024，38（4）：34-42.

Influence of Three-phase Reclosing on

Distance Protection

HAN Jun-qiang， KE Xi-biao， GUO Lin

（College of Electronic Information and Electrical Engineering， Shangluo University， Shangluo" 726000， Shaanxi）

Abstract： In order to improve the reliability and security of power supply， a new reclosing method of fault distance， system reactance and trigger angle is proposed to solve the problem of unsatisfactory reclosing of three-phase reclosing in AC-DC power system. According to AC-DC system model when the three-phase fault occurs on the transmission line of the AC system， the distance protection expression is deduced in the head and the end coincide， and the influence of the rectifier side and inverter side system reactance， critical fault distance on the protection is analyzed. Considering control mode and the DC system has commutation failure， analysis of the variation trend with fire angle and fault voltage variation is done. It is concluded that the optimal coincidence scheme of the distance protection maloperation risk in AC-DC system is reduced. The correctness of the conclusion and effectiveness are verified by simulation of the Southern Power Grid and AC-DC system. The results show that the new reclosing scheme can effectively reduce the risk of distance protection and improve the safety and stability of power system.

Key words： three-phase reclosing; distance protection; maloperation; AC-DC system

在交直流電力網(wǎng)絡(luò)中，整流器和逆變器中的換相失敗是常見且比較嚴重的故障。換相發(fā)生失敗不僅直接影響直流系統(tǒng)中電氣設(shè)備的穩(wěn)定可靠運行，且間接影響到交流系統(tǒng)中距離保護的拒動或誤動作[1-5]。近年來，南方電網(wǎng)先后出現(xiàn)三廣直流和天廣直流因直流系統(tǒng)換相失敗，引發(fā)交流輸電線路中保護出現(xiàn)誤動作的情況[6-7]。目前，研究認為引起換相失敗的因素主要包括熄弧角和越前觸發(fā)角過小、線電壓的過零點漂移、交流系統(tǒng)電壓大幅度下降等[8-12]。引起換相失敗的原因有很多，而換相失敗又可能造成交流電力系統(tǒng)中保護的誤動作。文獻[13]采用調(diào)整繼電保護適當?shù)撵`敏度和延時閉鎖，以避開方向元件可能引起的誤動作范圍。文獻[14]認為直流系統(tǒng)逆變側(cè)的交流輸電線路上發(fā)生故障時，整流側(cè)系統(tǒng)的阻抗與整定阻抗的比值變大，甚至使工頻變化量距離保護無動作范圍。自動重合閘裝置在增強電力網(wǎng)絡(luò)輸電、配電、供電的穩(wěn)定性和可靠性方面，已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用和認可。實際電力網(wǎng)絡(luò)中通常運用首、末端輪換投入進行無壓檢定，以解決輸電線路永久故障時兩側(cè)繼電保護工作條件不一致的問題[15-16]。文獻[17-18]介紹了重合閘投入時序?qū)恢绷麟娏W(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)電壓、暫態(tài)功角和合閘時過電壓的影響。本文在電力網(wǎng)絡(luò)中考慮直流系統(tǒng)中換流器的控制模式，以及交流側(cè)和直流側(cè)的系統(tǒng)電抗、直流系統(tǒng)中是否出現(xiàn)換相失敗、故障距離等因素，研究在使用三相重合閘裝置情況下，對交流系統(tǒng)輸電線路中距離保護的影響。

1" 距離保護的測量阻抗

交直流電力網(wǎng)絡(luò)中，L2交流輸電線路上距離M端lk點的位置發(fā)生三相短路，L2線路兩端的開關(guān)跳閘動作后，分析輸電線路L1在不同重合閘方案情況下，距離保護的特性，如圖1所示。

等值電路如圖2（a）所示，首先重合M端，此時相當于在L2輸電線路上同時發(fā)生了N端處斷線和故障點三相短路的兩重故障。根據(jù)電路定理推導(dǎo)出L1輸電線路首端保護zm1和末端保護zm2的等值測量阻抗，其表達式：

zm1=xL2k（1）

zm2=xL2k+xL1（2）

其中，xs1為整流側(cè)的電抗，xs2為逆變側(cè)的電抗，zdc是直流系統(tǒng)的等值阻抗，xL1為L1輸電線路的電抗，xL2k為線路首端（M處）至故障點的等值電抗，xL2k=x1×lk，x1為輸電線路中的單位電抗。

如圖2（b）的等值電路中，N端先重合，此時L2故障線路上發(fā)生了短路和斷路兩重故障，推導(dǎo)出L1輸電線路首端測量阻抗zm1 []和末端阻抗測量zm2 []，其表達式：

zm1 []=xL2k []+xL1（3）

zm2 []=xL2k []（4）

其中，xL2k []為線路末端至故障點的電抗，xL2k []=x1（l2-lk），l2為線路L2的長度。

2" 測量阻抗因素分析

由式（1）～式（4）可知，測量阻抗大小與故障距離、直流系統(tǒng)電抗、交流系統(tǒng)電抗等電氣量有關(guān)。將分別研究分析這些參數(shù)對交流系統(tǒng)中距離保護的影響。

2.1 故障距離

分析輸電線路L1首端保護1和末端保護2，分別對輸電線路L2不同重合閘方案時的阻抗zm1與zm1 []、zm2與zm2 []分別作差，令其為零，其表達式式：

zm1-zm1 []=0（5）

zm2-zm2 []=0（6）

分別求出距離保護1和距離保護2的臨界點故障距離lkc.1和lkc.2，其表達式：

lkc.1=（7）

lkc.2=（8）

其中，t1=xs1+xs2+xL1+zdc。

交直流電力系統(tǒng)中，關(guān)于故障距離的重合時序最優(yōu)方案如表1所示。

2.2 系統(tǒng)容量

故障線路L2采用不同的重合閘方案時，根據(jù)式（1）～式（4）未發(fā)生故障線路首端和末端距離保護的阻抗關(guān)系式，仿真出zm1、zm1 和zm2、zm2 隨直流側(cè)電抗xs1和交流側(cè)電抗xs2的關(guān)系，如圖3所示。

交直流電力系統(tǒng)中，分別對比圖3中的（a）與（c）、（b）與（d）測量阻抗與系統(tǒng)等值電抗之間的變化趨勢，得出最佳重合方案，如表2所示。

2.3 直流系統(tǒng)中的等值阻抗

逆變側(cè)系統(tǒng)是否發(fā)生換相失敗，對于注入交流系統(tǒng)中的電流有較大的影響，考慮采用定關(guān)斷角控制逆變側(cè)系統(tǒng)，分別分析距離保護在直流系統(tǒng)中是否發(fā)生換相失敗時的動作情況。

2.3.1未換相失敗

在母線M處對直流系統(tǒng)進行等值，母線M處的電壓與T2變壓器側(cè)的電流之比為zdc，即等值阻抗的表達式：

zdc==（9）

其中，id為直流電流，idc.ep為交流電流，Δum為母線M處的故障電壓變化量，um0為母線M故障未發(fā)生時的電壓，nT是T2變壓器的變比。

直流系統(tǒng)中采用定關(guān)斷角的模式進行控制，直流電流的表達式如式（10）所示，且關(guān)斷角、越前觸發(fā)角和換相角之間關(guān)系滿足式（11）。

id=sin（γ+）sin（10）

μ=β-γ（11）

其中，γ為直流系統(tǒng)中的關(guān)斷角，μ為直流系統(tǒng)中的換相角，β為直流系統(tǒng)中的越前觸發(fā)角。

將式（11）和式（10）代入式（9）得到式（12）直流系統(tǒng)的等值阻抗表達式：

zdc=

（12）

將直流系統(tǒng)的等值阻抗的式（12）代入測量阻抗的式（1）～式（4）得到定關(guān)斷角控制情況下，關(guān)于越前觸發(fā)角、電壓故障變化量和測量阻抗的變化關(guān)系，其表達式：

zm1=

xL2k

（13）

zm2=

xL2k+xL1

（14）

zm1 =

xL2k +xL1

（15）

zm2 =

xL2k

（16）

根據(jù)式（13）～式（16）分別得到L1線路兩端保護的測量阻抗隨Δum電壓故障變化量和β越前觸發(fā)角的變化曲線，如圖4所示。

由圖4中（a）和（c）可知，L2線路優(yōu)先重合首端時，隨著越前觸發(fā)角的增大，zm1測量阻抗也逐漸增大，而在優(yōu)先重合末端時，卻剛好相反。即：越前觸發(fā)角β較小時，由L2線路末端先重合，zm1測量阻抗較大，可以降低輸電線路中距離保護出現(xiàn)誤動作的概率。

由圖4中（b）和（d）可知，L2線路優(yōu)先重合首端時，隨著越前觸發(fā)角的增大，zm2測量阻抗逐漸增大，在優(yōu)先重合末端時，末端測量阻抗卻隨觸發(fā)角的增加而降低，即：當β比較小時，故障輸電線路L2優(yōu)先重合首端保護，末端保護的測量阻抗幅值比較大，可降低輸電線路中距離保護出現(xiàn)誤動作的概率。

2.3.2換相失敗

直流系統(tǒng)在換相失敗發(fā)生時，整流側(cè)直流系統(tǒng)通常采用定電流的模式進行控制，逆變側(cè)交流系統(tǒng)通常采用定關(guān)斷角的方式進行控制。建立逆變器的函數(shù)開關(guān)模型和直流系統(tǒng)電流的暫態(tài)數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)換相失敗時交流系統(tǒng)到逆變器的工頻電流[19]：

idc.ep=idc.ep0（+1）（17）

對式（17）進行取模，得到如式（18）所示的等值工頻電流幅值。

idc.ep=idc.ep0（1++1）（18）

將式（11）和式（18）代入式（9）得到直流系統(tǒng)的等值阻抗zdc，其表達式：

zdc=π（β-γ）

（19）

將等值阻抗的式（19）代入式（1）～式（4），得到非故障線路測量阻抗隨著越前觸發(fā)角、故障電壓分量等電氣參數(shù)的關(guān)系，其相應(yīng)關(guān)系圖，如圖5所示。

分別對比圖5中的（a）與（c）、（b）與（d）測量阻抗與故障電壓變化量、越前觸發(fā)角之間的變化趨勢，得出最佳重合方案，如表3所示。

3" 仿真驗證

3.1 兩區(qū)域交直流電力系統(tǒng)

交直流電力網(wǎng)絡(luò)如圖6所示，G1～G5（交流電網(wǎng)）經(jīng)過直流輸電系統(tǒng)和500 kV的高壓交流線路向G6電網(wǎng)供電。對圖6中交流高壓線路的距離保護1～8進行3段式整定計算，仿真研究與直流輸電系統(tǒng)相接的高壓交流線路三相故障短路發(fā)生時，不同重合閘方案下，非故障輸電線路中距離保護的情況。分別以母線G6-B12-B11間一回輸電線路上發(fā)生三相短路為例，采用PSD-BPA和MATLAB仿真軟件分析距離保護4和距離保護7的最佳重合方案，如圖7所示。

由圖7中的（a）和（b）可知，重合首端保護，距離保護4進入到3段動作區(qū)域，最小標幺值為0.008 pu；末端保護重合，測量阻抗距離保護4進入2段動作區(qū)域，即：故障輸電線路優(yōu)先重合首端保護，可以降低保護出現(xiàn)誤動作的概率。對比圖7中的（c）和（d），故障線路首端重合，距離保護7的測量阻抗為0.03 pu，且在動作區(qū)域外面。末端首先重合，測量阻抗最小值為0.017 pu，且進入到整定3段動作區(qū)域，即：故障輸電線路優(yōu)先重合首端保護，可以降低保護出現(xiàn)誤動作的概率。

3.2 實際南方電網(wǎng)系統(tǒng)

南方電網(wǎng)實際模型中，選取直流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)比較集中的廣東省北部區(qū)域作研究對象，如圖8所示。以博羅到同和（500 kV）高壓交流輸電線路上的博羅方向出現(xiàn)的三相故障短路為案例，研究不同重合閘方案情況下，非故障輸電線路中距離保護的特性，如圖9所示。

對比圖9中的（a）和（b），先重合故障輸電線路首端，距離保護12的最小測量阻抗為0.029 pu；先重合至末端，距離保護12的最小測量阻抗標幺值為0.042 pu，即，輸電線路末端優(yōu)先重合可以降低距離保護出現(xiàn)誤動作的概率。對比圖9中的（c）和（d），故障線路首端優(yōu)先重合，距離保護17的最小測量阻抗值為0.019 pu，且進入2段動作區(qū)域。先重合至末端，距離保護17的最小測量阻抗在動作區(qū)域范圍之外，所以末端保護優(yōu)先重合可降低距離保護出誤動作的概率。

4" 討論與結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，交流側(cè)出現(xiàn)三相故障短路時，故障輸電線路中有一臨界距離點，使距離保護產(chǎn)生影響，由此臨界距離和線路中故障距離之間的大小關(guān)系確定最佳重合方案。如果逆變側(cè)輸電線路的電抗標幺值比較小，優(yōu)先重合末端保護，能夠降低非故障輸電線路中距離保護出現(xiàn)誤動作的概率。如果整流側(cè)輸電線路的電抗標幺值比較小，優(yōu)先重合首端保護，能夠降低非故障輸電線路中距離保護出現(xiàn)誤動作的概率。定關(guān)斷角控制情況下，直流系統(tǒng)沒有出現(xiàn)換相失敗，越前觸發(fā)角如果比較大，優(yōu)先重合首端保護，可以降低非故障輸電線路中距離保護出現(xiàn)誤動作的概率。越前觸發(fā)角如果比較小，優(yōu)先重合末端保護，能夠降低非故障輸電線路中距離保護出現(xiàn)誤動作的概率。直流系統(tǒng)出現(xiàn)換相失敗，同時越前觸發(fā)角比較大，末端優(yōu)先重合，可以降低距離保護出現(xiàn)誤動作的概率。故障電壓分量比較大時，首端優(yōu)先重合，可以降低非故障輸電線路距離保護出現(xiàn)誤動作的概率。

常用的重合閘方法是采用檢無壓側(cè)輪換投入的重合方式，本研究考慮系統(tǒng)兩側(cè)電抗、故障電壓變化量和觸發(fā)角等電氣量參數(shù)，得到不同情況下最優(yōu)的重合閘方案。束洪春等[20]考慮了不同故障點位置時，重合閘方式對電力網(wǎng)絡(luò)中電壓的影響，并提出了實際系統(tǒng)和在線相互配合的重合閘方式。此外梁振鋒等[21-22]認為故障電壓變化量幅值的大小和故障位置對重合閘的重合方式有一定的影響，但故障線路中的附加阻抗對重合閘影響不大，本文的研究結(jié)果與其研究結(jié)果有一定的一致性，并在故障電壓變化量、故障點位置和觸發(fā)角等影響因素上進行了分析，得出最佳的重合方案。本研究根據(jù)距離保護測量阻抗中相關(guān)聯(lián)電氣量參數(shù)，進一步分析了三相故障短路時，距離保護在不同情況下的最優(yōu)重合閘方案，豐富了傳統(tǒng)輸電線路中檢無壓側(cè)這種單一的重合方式，而針對輸電線路中出現(xiàn)單相故障時，重合閘方式仍需進一步探討。

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