交流1000kV特高压输电线路距离保护特殊问题

R1 G1
+ jωL 1 + jωC1
;
l
为
m
,
n点
收稿日期 : 2006211213 ; 修回日期 : 2007202209 。
间的输电距离 。
图 1 1 000 kV 输电线路 Fig. 1 1 000 kV transmission line
由于并联电抗器可以补偿线路的对地电容 ,消 除电容效应 ,在超 、特高压输电线路上为了限制过电 压 ,一般都装设有一定容量的并联电抗器 。按照容 量定义的并联电抗器补偿度为[5] :
图 4 故障系统 Fig. 4 Fault system
当线路不长时 ,可以不考虑系统的分布参数特
性 ,以 A 相为例 ,此时 m 端保护的测量电压为 :
·
·
·
·
·
U mA = U kA + I mA1 Zm + I mA2 Zm + I mA0 Zm0 =
·
·
·
U kA + ( I mA + Km 3 I m0 ) Zm
抗器 XL1 ,结合式 (1) ,可以得到此时线路的稳态运
行特性方程为 :
·
U1
1
·= 1
I1
j XL1
0 1
co sh γl sinh γl
Zc
Zc sinh γl co sh γl
·
U2
·
I2
(3)
2 三相故障测量阻抗的分析
对于不带并联电抗器的线路 ,当 n 处为短路点
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measuring impedance
由以上分析 ,当线路安装并联高抗时 ,实际的测 量阻抗值与按照线性关系得到的阻抗值相差不大 。
3 不对称故障测量阻抗的分析
31 1 测量电压的理论推导 基于对称分量法 ,不对称故障时产生了各序分
量 。以图 4 为例 ,当 k 点发生故障时 , m 端保护的测 量电压将计入负序 、零序分量 。
n
h
γl
·
I m1
(11)
假设线路的正序 、负序参数相同 ,那么负序 、零
序电压为 :
·
U m2
=
co
1 sh
γl
·
U k2
+
Zc
t
a
n
h
γl
·
I m2
(12)
·
U m0
=
co
s
1 h
γ0
l
·
U k0
+
Zc0
t
a
n
h
γ0
l
·
I m0
(13)
式中 :γ0 为输电线路的零序传输常数 ,γ0 =α0 + jβ0 =
(7)
式 (7) 中的 Zm 与三相故障分析中式 (5) 相同 ,
Zm0 = ( R0 + jωL 0 ) l
(8)
Km
=
Zm0 - Zm 3 Zm
(9)
常规的相间距离继电器和带零序电流补偿的接
地距离继电器均是基于式 (7) 。 当线路较长时 ,式 (7) 不再成立 ,序网络也要按
照分布参数来求解[7 ] 。
·
·
·
·
·
·
U mA = U mA1 + U mA2 + U mA0 = k1 U kA1 + Z1 I mA1 +
·
·
·
·
k1 U kA2 + Z1 I mA2 + k0 U kA0 + Z0 ImA0 =
·
·
·
k1 U kA + ( k0 - k1 ) U kA0 + Z1 ( I mA +
·
·
(15)
·
·
·
·
·
U mC = k1 U kC + ( k0 - k1 ) U k0 + Z1 ( I mC + K3 I m0 )
(16) 其中各系数为 :
k1
=
1 co sh γl
=
k11
k0
=
1 co sh γ0 l
=
k01
Z1 = Zm1 = Zc tanh γl
Z0 = Zm10 = Zc0 t anh γ0 l
第 31 卷 第 2007 年 6 月
12 25
期 日
Vol. 31 No . 12
J une 25 , 2007
55
交流 1 000 kV 特高压输电线路距离保护特殊问题
柴济民1 ,2 , 郑玉平1 ,2 , 吴通华2
(1. 国网南京自动化研究院/ 南京南瑞集团公司 , 江苏省南京市 210003) (2. 南京南瑞继保电气有限公司 , 江苏省南京市 211100)
,
·
I1
为线路首端 ( m
端)
电
压
、电
流
;
·
U2
,
·
I2
为 n 处电压 、电流 ;γ为输电线路的传输常数 ,γ=
α+ jβ= ( R1 + jωL 1 ) ( G1 + jωC1 ) ; R1 , L 1 , G1 , C1 分 别为输电线路单位长度的电阻 、电感 、电导 、电容 ; Zc
为输电线路的波阻抗 , Zc =
1 特高压输电线路的分布参数特性
特高压输电线路一般较长 ,电压 、电流的传送呈
现明显的波特性 ,各电气量如图 1 所示 。其稳态运
行特性方程 (暂不考虑并联电抗器) 为 :
·
U1
=
·
U2
co
s
h
γl
+
·
I2
Zc sinh γl
·
·
I1
=
·
I2
co
sh
γl
+ U2 sinh γl
Zc
(1)
式中
:
·
U1
设并联电抗器的特高压线路补偿度较高 ,一般应为
80 %～90 %[6] 左右 ,这样单侧高抗对全线可能的补
偿度按照 40 %～50 %来考虑 。以晋东南 —南阳线路
参数为例 , Zm1 , Zm , Zm2 三者大小随着线路长度变化
的曲线 (按照 500 km 来补偿) 如图 2 所示 。
由图 2 可以看到 ,当特高压长线路上没有高抗
56
2007 , 31 (12)
时
,
·
U2
= 0 ,这时
m
端
Brk1
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的测量阻抗为 :
·
Zm1
=
U1
·
=
Zc tanh γl
(4)
I1
按照常规距离继电器的假设 ,测量阻抗正比于
线路长度 ,那么此时 Brk1 的测量阻抗应为 :
Zm = ( R1 + jωL 1 ) l
关键词 : 特高压线路 ; 距离保护 ; 分布参数 ; 并联电抗器 ; 故障距离
中图分类号 : TM773
0 引言
距离保护基于的理论前提是继电器的测量阻抗 与故障点到保护的距离成正比 。特高压输电线路的 分布电容较大[122] ,输电距离较长 ,呈现出明显的分 布参数特性[1 ,3] ,当故障发生点距保护安装处较远 时 ,距离继电器的测量阻抗就有可能不与故障距离 成正比关系[4] ,距离保护的范围将受到影响 。本文 从长距离输电线路的分布参数模型出发 ,分析了不 同类型故障对应继电器的测量阻抗与故障距离的关 系 ,研究了常规距离保护在特高压线路上的适应性 。 值得说明的是 ,本文所分析的测量阻抗是故障暂态 过程稳定后的测量阻抗 ,暂态过程中出现的测量阻 抗波动由相关的滤波措施来处理 。
+
Zc0 tanh γ0 l j XL10
=
k02
Z1
=
Zm2
=
1
Zc tanh γl
+
Zc tanh γl j XL1
Z0
=
Zm20
=
1
Zc0 tanh γ0 l
+
Zc0 tanh γ0 l j XL10
K=
Km2
=
Zm20 - Zm2 3 Zm2
Zm20 中 XL10 是并联电抗器 (见图 1) 的零序等值
参数 (见国家电网公司 2006 年发布的《交流特高压
试验示范工程二次系统研究用关键参数与边界条
件》) ,在不同的故障距离条件下 Zm 和 Z m1 的计算值 如表 1 所示 (一次值) 。从表 1 可看出 , 当线路没有
带并联高抗时 , 测量阻抗 Zm1 将大于按照线性关系 得到的测量阻抗 Zm ,也就是说距离保护的范围将有 所缩小 。
补偿时 , Zm1 - Zm 随着故障距离的增大而增大 , 故障
距离较长时 ,距离保护的范围将会缩小 。当安装了
并联高抗时 , Zm2 - Zm 明显小于 Z m1 - Zm , 也就是
说 ,并联高抗的接入使得测量阻抗更加线性化 。在
并联电抗器的补偿度较高时 , 有可能会出现 Zm2 比
Zm 还要小的情况 ,但是二者的差别不大 。
摘要 : 与常规电压等级线路和超高压线路相比 ,特高压线路输电距离较长 ,线路分布参数特性明 显 ,常规距离保护的理论前提有可能受到影响 。文中详细分析了不带并联电抗器和带有并联电抗 器 2 种情形下距离继电器的测量阻抗与线路长度的关系 。理论分析和仿真结果表明 ,可以基本认 为在带并联电抗补偿的特高压线路上 ,常规距离保护的理论前提依然是成立的 。
β = QL = XC1
(2)
QC
XL1
式中 : QC 为空载长线的无功功率 ; QL 为电抗器容
量 ; XL1 为并联电抗器的电抗值 ; XC1 为全线的正序
容抗 。
另外 ,为了限制潜供电流 ,提高自动重合闸的成
功率 ,并联电抗器的中性点上一般接上一个小电抗
(如图 1 中 j XN1 所示) 。
如图 1 所示 ,如果线路首端保护处装有并联电
Zm1 / Ω 112. 530 128. 920 146. 250
当线路装设有并联高抗时
,由式
(3)
·
U2
= 0 ,则
测量阻抗为 :
Zm2
·
=
U1
·
I1
=
1
Zc tanh γl + Zc tanh γl
(6)
j XL1
从式 (6) 可看出 ,测量阻抗 Zm2 与并联高抗 XL1
的大小有关 ,即与并联高抗的补偿度有关 。双端架
l/ km 200 300 350
表 1 测量阻抗 Table 1 Measuring impedance
Zm/Ω
Zm1 / Ω
l/ km
Zm/Ω
52. 752 53. 581
400 105. 500
79. 128 81. 992
450 118. 690
92. 316 96. 937
500 131. 880
图 2 测量阻抗变化 Fig. 2 Change of measuring impedance
图 3 是 Zm1 , Zm , Zm2 三者的相角随线路长度变 化的曲线 ,可以看到 ,不论按照哪种条件计算 ,测量 阻抗的相角变化都非常小 ,在分析中可以不予考虑 。
图 3 测量阻抗相角变化 Fig. 3 Change of phase angle for
以正序网络为例 ,假设保护 m 端没有装设并联
电抗器 ,那么 k 点和 m 点的正序分量满足 :
·
U m1
·
=
co sh γl sinh γl
I m1
Zc
Zc sinh γl co sh γl
·
U k1
·
I k1
(10)
由式 (10) 可以得到 :
·
U m1
=
co
1 sh
γl
·
U k1
+
Zc
t
a
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·研制与开发 · 柴济民 ,等 交流 1 000 kV 特高压输电线路距离保护特殊问题
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·
K3 I mA0 ) = k1 U kA + ( k0 - k1 ) U k0 +
·
·
Z1 ( I mA + K3 I m0 )
(14)
同样可以得到 B 相 、C 相的电压表达式为 :
·
·
·
·
·
U mB = k1 U kB + ( k0 - k1 ) U k0 + Z1 ( I mB + K3 I m0 )
K=
Km1
=
Zm10 - Zm1 3 Zm1
如果线路首端接有并联电抗器 ,按照式 (3) 和式
(10) 来分析 ,可以得到与式 (14) ～式 (16) 相同的表
达式 ,但是系数有所变化 ,具体如下 :
k1
=
co sh γl
1
+
Zc tanh γl j XL1
=
k12
k0
=
co sh γ0 l
1
( R10 + jωL 10 ) ( G10 + jωC10 ) ; Zc0 为输电线路的零序
波阻抗 , Zc0 =
R10 G10
+ jωL 10 + jωC10
; R10
, L 10
,
G10
, C10 分别为
输电线路单位长度的零序电阻 、电感 、电导 、电容 。
以 A 相为例 ,测量点 m 的电压为 :
电抗 ,
XL10 = XL1 + 3 XN1
(17)
如果不考虑线路的分布参数特性 ,认为测量阻
抗与线路长度是成正比的 ,那么相关系数 k1 = k0 =
1 , Z1 = Zm = ( R1 + jωL 1 ) l , Z0 = Zm0 = ( R0 + jωL 0 ) l ,
(5)
当故障距离 l 较大时 , Zm 和 Z m1 之间的误差有
可能比较大 。
考虑到过电压的因素 , 相关 的过 电压 研究 表
明[6] ,单段特高压输电线路的长度一般应在 500 km
以内 ,中间带有 开关 站的 特高 压线 路长 度在 2 ×
350 km内[6] 。
结合晋东南 —南阳 1 000 kV 特高压输电线路的