超(特)高压输电线路差动保护电容电流补偿方法的研究

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1、1超 （ 特 ） 高压输电线路差动保护电容电流补偿方法的研究刘丽花 ， 徐玉琴 ， 张丽（ 华北电力大学电气工程学院 ， 河北 保定 071003）摘 要 ： 在超 （ 特 ） 高压输电线路中接入的并联电抗器 ，可以适当地补偿分布电容所产生的容性电流 ， 降低差动电流 ， 但仍不能保证区外故障时正确动作 。 本文在传统的分相电流差动保护的基础上 ， 结合电抗器的补偿作用 ， 对传统的补偿方案进行了修正 。 通过 ATP 仿真验证 ， 说明该方法具有较高的可靠性 。关键词 ： 特高压输电线路 ； 并联电抗器 ； 电流差动保护 ；分布电容补偿0 引言电流差动 保护原理简单可靠 ， 已被广泛的用作电

2、力系统的发电机 、 变压器 、 母线和大型电动机等元件的主保护 。 随着光纤通信技术的发展 ，光纤电流纵差保护 也 越来越多的成为高压 、 超高压线路的主保护 。超 （ 特 ） 高压长线路 都 采用分裂导线 ,线路的感抗减少 ,分布电容增大 ,等值容抗减少 ， 由此 可引起 相当大 的电容电流 。 对于 输电线路 电流差动保护 ,其 不仅影响故障暂态过程中计算出的电流相量精度 ,更主要的是电容电流的存在使线路两端的测量电流不再满足基尔霍夫电流定律 ,从而直接影响了保护的灵敏度和可靠性 1,2。目前 ， 在超 （ 特 ） 高压输电线路中 ， 为了补偿线路的容性充电功率 ， 控制无功潮流 ， 稳定

3、网络运行电压 ， 限制潜供电流等 ， 一般要安装并联电抗器 。 此时 ， 并联电抗器所产生的感性电流可以适当地补偿分布电容所产生的容性电流 。 对于差动继电器 ， 输出电流将明显降低 ， 内部故障时 ，合理地整定门槛能够保证继电保护正常动作 。 增加并联电抗器解决了内部故障地保护动作问题 ，但 是却不能保证动作的选择性 。 在区外故障时 ，线路两端保护仍可能误动 。 因而 ， 采取电容电流补偿措施 ,把动作电流中的电容电流分量完全补偿 是非常必要的 3。本文在传统的分相电流差动保护的基础上 ，结合电抗器的补偿作用 ， 对传统的补偿方案进行了修正 ， 仿真验证其具有较高的可靠性和灵敏度 。1 电

4、容电流补偿方案的分析1.1 相量差动判据和故障分量差动判据相量判据 ：0InIIm （ 1）nmnm IIKII （ 2）故障分量判据 ：0III nm （ 3）nmnm IIKII （ 4）式中 ： mI 、 nI 为线路两端电流 ；mI 、 nI 为线路两端电流的故障分量 ；K 为制动系数 10 K ；0I 为制动电流门槛 ；式 （ 1） 为辅助判据主要用于防止线路空投或空载情况下装置因某种原因误动作 ， 式 （ 2） 为主判据 。 式 （ 1） 和式 （ 2） 同时满足时 ， 差动元件动作 。当计及线路分布电容电流后 ， 正常运行或者区外故障时 ， 线路两侧电流和为该线路上的电容电流 。

5、 电容电流的存在使线路两端的测量电流不再满足大小相等方向相反的条件 ， 从而直接影响了保护的灵敏度和可靠性 4。1.2 传统的补偿判据为 了消除电容电流的影响 ， 可在线路中引入补偿电流进行补偿 。 通常有三种补偿方 式 ， 即全补偿方式 ,半补偿方式以及合闸前全补偿 、 合闸后半补偿方式 5。这里就目前运用比较多的半补偿方式进行讨论 ， 即在线路两端分别引入一个补偿电流 bI ， 即 bnnbmmnm IIIIII （ 5）式中 ： mI 、 nI 分别为补偿前线路两端电流相量 ；mI 、 nI 分别为补偿后线路两端电流相量 ；bmI 、 bnI 分别为线路两端引入的补偿电流 ；补偿电流可由

6、保护装置通过测两侧母线电压在补偿容纳上的压降来获得 6， 计算如下 ：2YUImbm （ 6）22YUInbn （ 7）式中 ： mU 、 nU 分别为线路两端的电压 ；Y 为整条线路的电容 ；1.3 带有并联电抗器的修正判据并联电抗器在接入系统时一般分为首端带并联电抗器 、 末端带并联电抗器和两端带并联电抗器三种方式 。 这里以 两端都带有并联电抗器补偿 的线路为例进行分析 。带有并联电抗器时的 型等值电路为 ：图 1 带有并联电抗器的 型等值电路图中 ： Z 为线路的等值阻抗LmI 、 LnI 分别为流流过两端电抗器的电流cmI 、 cnI 分别为流过线路等值电容的电流mL 、 nL 为线

7、路两端电抗器的电感值由上图可以看出mI = mI + LmI + cmI （ 8）同理 nI = nI + LnI + cnI （ 9）可见 ， 必须考虑并联电抗器的补偿作用 ， 所以对补偿电流进行一下修正 ， 得到 mmbm LjYUI12 （ 10） nnbn LjYUI12 （ 11）对于 ， 一端带并联电抗器的输电线路 ， 只要在相应端进行修正 即可 。假设三相线路参数完全对称 ， 则各序电容计算如下 ：lshZlchYYc 11121 )1(2 （ 12）lshZlchYc 0000 )1(2 （ 13）式中 ： 1cZ 、 0cZ 分别为正序和零序线路波阻抗YZZc ；1 、 0

8、分别为正序和零序传播系数YZ ；1Y 、 2Y 正序和零序等值电容 ；l 为线路长度 ；在实际计算中 ， 当发生不对称故障时 ， 可由各序网求出各序补偿电流 ， 然后再合成补偿电流 ，分别对每相电流进行补偿 。对故障分量判据 ， 采用线路两端的故障分量电压 、 电流按照上式计算 。2 ATP 仿真模型及仿真目标本文按照分布参数建立了一条 400km 长的750kv 输电线路 8图 2 一典型 750kV 输电系统线路参数如下 ：系统阻抗 ：HLm 1.0 ； HLn 1.0线路分布参数 ：正序 ： kmR /0133326.01 ；kmmHL /847.01 kmFC /013877.01 ；

9、负序 ：（ 同正序 ）零序 ： kmR /32164.01 ；kmmHL /65.21 ；kmFC /00977875.01 ；电抗器补偿度 ： 90%（ 60%， 30%）仿真目标如下 ：1） 验证并联电抗器对输电线路的补偿作用 ， 观察补偿后的电流值 。2） 观察在 正常运行和区内故障时 ， 线路电流的变化情况及保护的动作情况 。3） 观察区外故障时 ， 线路电流的变化 ， 利用 全周傅立叶算法以及序分量提取算法对 测 得的电流进行计算分析 ， 使用修正后的判据 ， 验证保护是否可以正确动作 。3 仿真结果及分析3.1 使用传统判据 ， 正常运行时保护也会误动根据西北 750kv 线路结构

10、 ， 自然功率为2163.5MW,在自然功率下传输的电流为 1698A，而每 km 电容电流为 1.794A， 相当于每 100km 为10%额定电流 。 对于 750kv 线路 ， 最佳输电半径在 1000km 及以上 ， 其电容电流将达到或超过100%额定电流 ， 这给差动保护带来极大的困难 9。3在正常运行时 ， 仿真测得的线路电容电流 如图 3 所示 ：由图可以看到 ， 线路正常运行时 ， 电容电流非常大 ， 保护会误动 。图 3 正常运行 ， 电容电流3.2 增加并联电抗器后 （ 不考虑修正公式 ）， 差动保护能够保证区内故障正确动作以双端电源线路 ， A 相发生单相接地故障为例进行

11、分析 。 ） 故障发生时间设为 0-0.04ms， 故障发生在 区内 靠近 M 端图 4 区内 ， 补偿前 ， 相电流由图 4 可见 ， 线路不装设并联电感器时 ， 即补偿前 ， 线路两端的 A 相电流 （ M 端和 N 端 ）幅值相差很多 。图 5 区内 ， 补偿后 ， 相电流由图 5 可见 ， 线路装 设 并联电抗器 补偿后 ，线路两端的 A 相电流 （ M 端电流和 N 端 ） 的电流幅值差明显减小 。而事实上 ， 补偿的最佳效果为两端电流大小相等 ， 相位相差 180 度 。可以看出 ， 装设 并联电抗器后 ， 两端电流接近理想补偿效果 ， 只要设置很小的门槛值 ， 保护便可以正确动作

12、 。 ） 故障发生时间设为 0-0.04ms， 故障发生在靠近 N 端的区外图 6 区 外 ， 补偿后 ， 相电流由图 6 可以看到两端的 电流和幅值都发生了变化 ， 相差较多 ， 区外故障时 ， 保护会误动 。3.3 使用修正后的判据 ， 保护的动作情况以 双端电源线路 ， A 相发生单相接地故障为例进行分 析 。数据直接从线路测得 ， 为互感器一次侧的数值 。 ） 故障发生时间设为 0-0.04ms， 故障发生在区内靠近 M 端表 1 区内故障 ， 修正后的计算结果 （ 单位 ： A）补偿电流补偿度 相别M 端 N 端差动电流A 相 83948B 相 126160（ 未修正 ）C 相 12

13、648A 相 6440.9 9713.8 17171B 相 12128 11958 358730%C 相 12128 11965 3587A 相 6423.8 9654.4 17080B 相 12025 1185.7 339160%C 相 12068 1186.3 3391A 相 6406.4 9596 16989B 相 11924 1185.7 319890%C 相 12068 1186.3 3198从表 1 中可以看出 ：a) 补偿后的差动电流值明显比补偿前要小b) 随着补偿度的增加 ， 补偿效果有所改善 ，差动电流值减小 ；所以 ， 通 过设置比较小的门槛值 ， 保护便可以可靠动作 。

14、） 故障发生时间设为 0-0.04ms， 故障发生在区外靠近 端从表 2 中可以看出 ：a) 补偿后的差动电流值明显比补偿前要小4b) 随着补偿度的增加 ， 补偿效果有所改善 ，差动电流值减小 ；c)区外故障时的差动电流明显比区内故障时要小 ， 保护不易误动所以 ， 通过设置比较小的门槛值 ， 保护不易发生误动 。表 2 区 外 故障 ， 修正后的计算结果 （ 单位 ： A）补偿电流补偿度 相别M 端 N 端差动电流A 相 49807B 相 125540（ 未修正 ）C 相 12554A 相 9512.8 21.2632 11527B 相 11803 12194 254430%C 相 1726

15、 12289 2544A 相 9450.8 21.56 11534B 相 11704 12086 252160%C 相 11629 12181 2521A 相 9390.9 21.8656 11534B 相 11607 11980 249990%C 相 11535 12076 24994 结论超 （ 特 ） 高压输电线路中要接入并联电抗器补偿线 路电容电流 ， 抑制线路过电压 。 本文使用了电抗器补偿与传统补偿方案相结合的方法 ， 完善了补偿方案 。 将该方法用于差动电流保护中 ，设置较小的门槛值 ， 便可以保证区内故障时 ， 保护可靠动作 ； 区外故障和正常运行时 ， 保护不误动 ， 具有比

16、较高的灵敏度 。 但是 ， 本方法易受电容电流的影响 ， 还有待进一步的研究改进 。参考文献1 张文亮 ， 吴纬宁 ， 胡毅 特高压输电技术的研究与我国电网的发展 高电压技术 ， 2003， 29（ 9） ： 16 182 贺家李 ， 李永丽 郭征等 特高压输电线路继电保护配置方案 ：（ 一 ） 特高压输电线的结构与运行特点 电力系统自动化 ， 2002，26（ 23） ： 1 63 贺家李 ， 李永丽 ， 李斌等 特高压输电线路继电保护配置方案 ：（ 二 ） 保护配置方案 电力系统自动化 ， 2002， 26（ 24） ： 1 64 毕天姝 ， 于艳莉 ， 黄少锋 ， 杨奇逊 。 超高压线路差动保护电容电流的精确补偿方法 。 电