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特高压长线路电容电流对距离保护的影响

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第39卷增刊 2006年6月 天津大学学报 Journal of Tianjin University Vo1.39 Suppl Jun.2OO6 特高压长线路电容电流对距离保护的影响 李斌,李永丽,贺家李 (天津大学电气与自动化工程学院,天津300072) 摘要:特高压输电线路是&-l ̄t统一电网的骨干网架.为保证其安全可靠运行,分析指出了特高压长线路的分布 参数特性使传统距离保护的测量阻抗不与故障距离成正比.研究表明,线路空载运行条件下发生经高阻故障时短 路电流相对偏小,而特高压输电线路电容电流大,因此线路电容电流可能影响阻抗元件出现超越或拒动问题.同时 提出了特高压长线路距离保护的改进措施,理论分析与仿真测试验证了传统距离保护应用于特高压长线路时存在 的缺陷,并证明了距离保护改进措施的有效性与可行性. 关键词:距离保护;特高压输电线路;电容电流;过渡电阻 中图分类号:TM772 文献标志码:A 文章编号:0493.2137(2006)增刊一0083.05 Influence of Capacitive Current on Distance Protection of UHV Long Transmission Line LI Bin,LI Yong-li,HE Jia-li (School of Electircal and Automation Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China) Abstract:UHV transmission line is the framework of the state power system.The secure and reliable operation of power system brings new challenges to distance protection.The analysis in this paper indicates that the dis— tributing parameter character of UHV long transmission line leads to the nonlinear relationship between meas— ured impedance of traditional distance protection and fault distance.Further research shows that fault current is comparatively smaller when h J【gh-resistance faults occur in the circumstance of non-load operating.However, the capacitive current of UHV transmission line is huge,hence it may cause exceeding-to-trip or failure—to—trip problems on the distance protection.The improved method for distance protection of UHV long transmission line is proposed.Theoretical analyses and simulation,results prove the defects of traditional distance protection when it is applied in UHV long transmission line;meanwhile,the validity and reliability of the proposed method for distance protection is confirmed. Keywords:distance protection;UHV transmission line;capacitive current;transition resistance 距离保护通过测量短路点至保护安装处的距离来 问题.国内外学者对距离保护在各种故障情况下的动 区分区内外故障,它是电力系统输电网络中应用最为 广泛的保护原理之一,具有不受系统运行方式的影响 等优点.超、特高压远距离输电线路上广泛采用距离保 护作为线路的后备保护,有的线路还采用距离纵联保 护作为超、特高压线路主保护…. 作特性已有深入分析 .随着我国特高压远距离输 . 电线路的建设,对传统距离保护在超特高压长线路上 的应用的特殊问题有必要进行深入研究 1 特高压长线路电容电流 特高压长距离输电线路需要考虑线路的分布参数 当输电线路发生经过渡电阻故障时,距离保护测 量阻抗会受:吐渡电阻的影响使得保护发生超越或拒动 收稿日期:2005-12-l8;修回日期:2006-03・16. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50477037);中国博士后科学基金资助项目(2005038152) 作者简介:李斌(1976~ ),男,博士,libin—tju@126.coln. 维普资讯 http://www.cqvip.com

・84- 天 津 大 学 学 报 第39卷增刊 特性.由描述输电线路波过程的微分方程推导可得线 路两端的电压、电流之间的关系为 的测量阻抗为 Z =U1/I 1= ・th yl (4) 『荽 ㈩ 长线路阻抗元件的测量阻抗是故障距离的双曲正 切函数,不与故障距离成正比.以1 150 kV特高压典 型线路参数为例,计算保护安装处的?贝0量阻抗随线路 式中: 和, 分别为线路首端电压、电流相量;U 和 j 分别为线路末端电压、电流相量;z。为输电线路的 波阻抗; 为线路的传播系数. 特高压输电线为了提高自然功率,必须减小线路 电感,增大电容.这就使得特高压长线路的电容电流很 大.以超、特高压典型线路参数为例,计算电容电流与 其自然功率电流的大小关系如表1所示,其中, 为传 输自然功率时的每相负荷电流,,c 。为每百公里每相电 容电流. 由表1可见,超、特高压输电线路电容电流很大, 且输电距离很长.例如,600 km长的百万伏级特高压 输电线路全线路的电容电流高达线路自然功率电流的 76%.可见特高压长距离输电线路正常运行状态下的 电容电流是不容忽视的 J. 表1电容电流与自然功率电流的大小 EHV/UHV 输电线路 1JA ,…/A (1eap )/% 500 kV线路 1 128.9 126.97 11.247 750 kV线路 1 790.4 193.17 10.789 1 150 kV线路 2 891.6 367.95 12.725 2距离保护基本理论 2.1 距离保护的阻抗测量 当输电线路上发生相间故障或接地故障时,安装 于线路首端的距离保护的测量阻抗z 可分别表示为 I Z = (2) J 11 Zm2=_ ,L (3) , + 3,0 式中: =AB、BC、CA; =A、B、C;K=(z0一z1)/ (3z ),z。和z 分别为单位长度线路的零序阻抗和正 序阻抗.距离保护是将线路以集中阻抗考虑,所测得的 测量阻抗大小与故障距离成正比. 2.2特高压长线路首端的测量阻抗 考虑到特高压长线路的波过程,在长线路末端三 相短路时,即 :=0,由式(1)可知保护安装处所测得 长度的变化关系如图1所示,其中 为线路长麽 (a)电阻 (b)电抗 图1故障时测量阻抗随线路长度的变化曲线 由图l町见,距离保护安装处的测量阻抗比线性 化考虑的线路阻抗偏大,当线路很长时,故障距离变化 一点将使测量阻抗有很大变化.例如600 km长的 1 150 kV输电线路末端金属性故障时,线性化整定的 测量阻抗与其实际测量阻抗的电阻、电感分量的误差 可分别达到35。7%和19。5%. 3特高压空载线路上距离保护的动作特性 当线路,点发生经过渡电阻 的故障,如图2所 示.由于过渡电阻的存在使距离保护的测量阻抗发生 变化,可引起保护的超范围动作或使保护的范围缩短, 从而导致保护的误动或拒动 一J.本文对这部分内容 不再详述.按照叠加原理,线路发生故障后的电流计算 可认为是正常运行时负荷电流与纯故障电流分量的叠 加.一般对于空载线路,认为其负荷电流, =0,即忽略 电容电流的影响.而特高压输电线路的电容电流很大, 维普资讯 http://www.cqvip.com

2006年6月 刘斌等:特高压长线路电容电流对距离保护的影响 ・85- 当空载特高压长线路发生经过渡电阻的故障时,短路 电流偏小,其值与电容电流可比拟,电容电流不容忽 视,因此必须分析特高压空载长线路电容电流对距离 保护动作特性的影响. 图2双端电源输电线路 3.1 电容电流对接地阻抗元件的影响 如图2所示的空载线路上,点发生A相经过渡电 阻 的故障,测量阻抗为 f T z A=z1l,+_— = 。 l k+ l m z1 +△z (5) 式中 A= A+ A1+j A2+J『 A0= LA+c1 m。+ ,,C l f 七C l f ,其中l 、l m也,l m 、l 。l ,l 食 别是m侧保护安装处和故障点的A相的正、负、零序 电流,c m、c m、c。 分别为m侧正序、负序、零序电流的 分配系数,且C =C .为简化分析,假设K、c 、c c。 均为实数.单相接地故障时有J『fA ,j,A2= m。,过渡 电阻上的压降为 =3,,A0 ,则由式(5)可得附加测 量阻抗为 △zA:——— L—_ (6) [2C1 +(1+3K)C。 ]+_IL,A —IfAo 对于低压线路或超高压短线路,一般可近似认为 J『L=0.显然这种情况下的附加测量阻抗△z^呈纯电阻 性,在区外故障时不会发生超越现象.然而,在特高压 空载长线路上,空载长线路的电容电流不容忽视, J『L=,,A  分析保护安装处与故障点的电压、电流之间的相位关系如图3所示. 图中 / [。]是正常运行时-厂点电压.当月 值变化 O一+∞时, 沿圆弧轨迹变化.由图3可见,经尺 的故 障时,短路电流,肚较小,其值与, 。pIA可比拟.显然,电 容电流, 。 可能使得合成电流相量J『 + , A。的相 位接近甚至超过电压相量 ,从而使得测量阻抗z 的阻抗角变小甚至落在第4象限.由式(6)亦可清晰 得到结论:J『。 pIA超前于J『r^0.显然,由式(6)可知电容电 图3 A相接地故障时m侧电压电流相位关系 流使得附加测量阻抗△z 呈容性.因此,空载长线区 外经过渡电阻故障时,由于电容电流的作用可能使得 测量阻抗落人动作区内,保护超越;或者空载长线出口 经过渡电阻故障时,测量阻抗可能落人第4象限,严重 时可能落在动作区外,保护拒动,如图4所示. J Zl,r 、、 < 、_/ \ 一, 图4电容电流对附加测量阻抗的影响 3.2 电容电流对相间阻抗元件的影响 空载线路,点发生BC相间经过渡电阻 的故 障,相间阻抗元件的测量阻抗为 ,, Z c=z + 丛=z +△z (7) , mBc 故障点-厂的故障线电压 =J『,BR .由故障序网 图可求得,,B=-j ,,A ,m侧故障相电流J『 =, 一 j√3c J『,A ,, c=, +j c1 , 1,由此可得测量阻抗 为 △z :— ! 一 (8) ,mIBc 2c ,/3。IrA1 空载长线路J『 =J『。 肌.在空载线路上发生相间 经过渡电阻的故障,分析相间电容电流与故障点正序 电流的相位关系如图5所示. 维普资讯 http://www.cqvip.com

-86・ 天 津 大 学 学 报 第39卷增刊 此,测量阻抗的计算式(2)和式(3)中的相电流应减去 i o ̄p以消除电容电流的影响.改进后的距离保护计 ,ooo算大大消弱了电容电流的影响,避免了距离保护受电 容电流的影响而在空载线路经高阻故障时的超越 问题. == 图5 BC相间故障时电压、电流的相位关系 由图5及式(8)可见,,。 c超前于, ,附加测量 阻抗△z 呈容性.即电容电流对相间阻抗元件的影响 图6电容电流补偿 与接地阻抗元件相同.对于两相短路接地故障及三相 短路的分析同上,而且,对于相问阻抗元件,其测量阻 抗不受接地过渡电阻的影响.同时,由于相间故障时的 过渡电阻一般较小,电容电流, 口.B 远小于短路电流 , 所以电容电流对相间阻抗元件的影响相对较小. 3.3距离保护的改进措施 综上所述,特高压线路正常运行时的电容电流是 影响距离保护正确动作的关键因素.因此,距离保护应 对负荷电流中的电容电流进行补偿.对于空载线路,距 4仿真验证 4.1仿真测试 仿真验证模型为600 km长的1 150 kV特高压输 电线路,如图7所示其中每千米的线路参数分别为: R1=0.004 9 n;R0=0,275 2 n;L1=0.930 372 mH; Lo=2.977 197 mH;C1=0.017 64 F. ;C0=0.015 9 离保护对电容电流补偿后可近似认为, =0,即消除了 电容电流的影响.最简单有效的电容电流补偿方法可 将线路以兀型等效,从而实现电容电流补偿,如图6 所示. 图7 1 150 kV输电线路仿真模型 欲补偿负荷电流中的电容电流分量,可由正常运 以下仿真测试时保护采用全波傅里叶算法滤波, 行电压近似求得 i o.p,故障发生在40 ms.设距离保护整定定值为Z = (9) 0.85Z z=(2.5+j148.99)n.因篇幅所限,下面列举 oom- 出部分仿真结果:表2和表3为传统距离保护的测量 阻抗;表4为改进距离保护的测量阻抗. 式中: 是正常运行时相电压; c是全线路容抗.因 嘲 表2线路发生A相金属性接地故障时传统距离保护的测量阻抗 测量阻抗/fl 时 ̄U/ms f,=s%t 6o 65 70 8.9 85.4。 8.4 88.3。 8.7 90.5。 f,=50%f 91.4 89.4。 87.8 91.2。 89.9 93.2。 f,=70%f 135.3 92.0。 l31.1 93.7。 l33.1 95.9。 f,=80%j 164 95.6。 l56 95.7。 l59 97.5。 f,=95%f 216.0 99.99。 2o6.5 101.00。 2l0.0 101.2O。 表3空载线路发生A相经300 n过渡电阻故障时距离保护的测量阻抗 测量阻抗/D. 时刻/ms f,=3%t 60 65 70 179.6 一10.2。 l76.5 172.3 一lO.7。 一11.2。 f,=5%f l80.8 一9.2。 176.8 一9,4。 173.2 一9.9。 f,=50%f 269.1 3.7。 266.8 4.3。 264.5 4.6。 f,=90%f 431.3 一l7.1。 f,=95%f 452.2 一23.5。 449.1 一21.8。 428.3 一15.9。 420.9 一14.8。 443.3 一20.6o 维普资讯 http://www.cqvip.com

2006年6月 刘斌等:特高压长线路电容电流对距离保护的影响 表4 空载线路发生A相经300 n过渡电阻故障时改进距离保护的测量阻抗 ・87- 时刻/ ns f,=3%t =5 60 184 12.7。 l84 14.1。 65 183 13.1。 183 14.6。 70 182 13.4。 181 14.9。 4.2仿真结果分析 由表2可见,特高压长线路上发生金属性故障时, 测量阻抗不与故障距离成正比,其值偏大.而且金属性 故障时测量阻抗角可能落入第2象限,因此距离保护 整定动作边界时应给予考虑和重视.当保护范围仍按 照阻抗线性化整定时,如整定为线路全长的85%,可见 线路80%处的A相金属性故障时测量阻抗即大于定 值,造成距离保护在区内故障时拒动. 传统距离保护的动作特性整定时考虑抗过渡电阻 的能力需躲开最小负荷阻抗值 ,特高压空载长线路 发生经高阻故障时,由于电容电流的影响使得附加测 量阻抗呈容性.由表3可见,出口经高阻故障时( = 3%l、5%/),测量阻抗的阻抗角落在第4象限,可能使距 离保护拒动.更重要的是,当区外经高阻故障时(f,= 90%l、95%1),距离保护的测量阻抗角显著减小,甚至落 在第4象限,很可能落在保护动作区内,使得距离保护 超越动作. 表4列出了改进距离保护的测量阻抗,由表4可 见对电容电流补偿后,空载长线经高阻故障时附加测 量阻抗基本呈纯阻性,保护在区外故障时不会发生超 越动作的情况. 5 结语 文中研究了特高压远距离输电线路的分布参数特 性,分析可知传统距离保护的测量阻抗不与故障距离 成正比.而且特高压远距离输电线路电容电流大,当空 载线路上发生经高阻故障时,电容电流与故障电流可 比拟,理论及仿真测试均表明特高压输电线路的电容 电流可能影响阻抗元件在区外经高阻故障时发生超越 以及区内出口故障时发生拒动.文中还提出了简单有 效的特高压长线路距离保护改进措施,并且仿真测试 验证了距离保护改进措施的有效性与可行性. 测量阻抗/n =50%f :90%f :95%f 223 36.4。 359 39.1。 397.0 38。 22O 36,5。 353A39.2。 387.3 38。 219 36.6。 346 39.1。 379.7 39。 参考文献: [1]许正亚.输电线路新型距离保护[M].北京:中国水利 水电出版社,2002. Xu Zhengya.New Distance Protection of Transmissoin Line [M].Beijing:China Water Conservancy and Hydroppower Press,2002(in Chinese). [2]Ye P,Chen D S,Li K K,et a1.A novel algorithm for high— resistance earth—fault distance protection[C]//Proceedings of IEEE Transmission and Distributoin Conference.San Die— go,California,USA,1996:475—1480. [3] Funk A T,Malik 0 P.Impedance estimation including ground fault resistance error correction for distance protect— ion[J].Electrical Power and Energy Systems,2000,22 (1):59— 6. [4] Li K K,Lai L L.Ideal operating region of digital distance relay under high resistnace earth fault[J].Electircal Power yssetm Research,1997,43(3):215--219. [5] 贺家李,李永丽,郭征,等.特高压输电线继电保护 配置方案(I):特高压输电线的结构与运行特点[J].电 力系统自动化,2002,26(23):1—_6. He Jiali,Li Yongli,Guo Zheng,et a1.Relay protection for UHV transmission lines(I):Construction and operation characteristics[J].Automation of Electric Power System, 2002,26(23):1---6(in Chinese). [6] 贺家李,李永丽,李斌,等.特高压输电线继电保护 配置方案(1I):保护配置方案[J].电力系统自动化, 2002,26(24):1_-6. He Jiali,Li Yongli,Li Bin,et a1.Relay protection for UHV transmission lines(II):Disposition of relay protection[J]. Automation foElectric Power System,2002.26(24):1---6 (in Chinese). [7] 张太升,罗承廉,杜凌,等.四边形特性距离保护躲 负荷性能分析[J].继电器,2005,32(1):28—36. Zhang Taisheng,Luo Chenglian,Du ling,et a1.Relation between load impedance and distance relay with quadrilateral characteristics[J].Relay,2005,32(1):28—36(in Chi— nese). (责任编辑:孙立华) 

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