韓昆侖 ,蔡澤祥 ,徐 敏 ,賀 智
(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣東 廣州 510640;2.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司,廣東 廣州 510620)
直流線路在直流輸電系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位[1-4],現(xiàn)有直流輸電線路保護(hù)在以行波保護(hù)為主保護(hù)的基礎(chǔ)上采用微分欠壓保護(hù)作為其后備保護(hù),以進(jìn)一步提高直流線路保護(hù)的可靠性[5-7]。
高壓直流輸電系統(tǒng)中電氣量的變化受直流控制系統(tǒng)作用影響顯著[8-9],因而相關(guān)電氣量的響應(yīng)特性,特別是故障條件下,與交流系統(tǒng)相比具有很大的差異;同時(shí)直流線路微分欠壓保護(hù)作為直流輸電線路的后備保護(hù),具有一定的延時(shí)動(dòng)作時(shí)間,因而與直流線路的主保護(hù)(行波保護(hù))相比,其在故障條件下的響應(yīng)也有很大不同。由于在附加控制系統(tǒng)作用的故障條件下,難以采用解析化的手段對(duì)直流線路電氣量的傳播特性進(jìn)行研究,因此微分欠壓保護(hù)的整定缺乏系統(tǒng)、有效的方法。實(shí)際直流系統(tǒng)中廣泛采用的微分欠壓保護(hù)均由廠家推薦定值,運(yùn)行部門依據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對(duì)定值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后投入使用[10-15]。對(duì)于微分欠壓保護(hù)中各判據(jù)的功能、參數(shù)計(jì)算的依據(jù)以及控制對(duì)保護(hù)判據(jù)的影響等均缺乏深入的認(rèn)識(shí)。另一方面,當(dāng)前對(duì)直流線路保護(hù)的研究多集中于新原理及方法[16-19],受相關(guān)條件的限制暫難以推廣應(yīng)用。因此非常有必要對(duì)微分欠壓保護(hù)的整定計(jì)算方法進(jìn)行深入研究。
本文從微分欠壓保護(hù)中各特征量在不同故障類型下的動(dòng)態(tài)特性入手,分析了直流控制系統(tǒng)對(duì)保護(hù)特征量動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響、保護(hù)中各特征量在不同故障條件下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的規(guī)律性,研究了保護(hù)中各判據(jù)的功能及邊界條件。本文還分析了微分欠壓保護(hù)作為后備保護(hù),在動(dòng)作延時(shí)上與其他相關(guān)保護(hù)間的配合關(guān)系,在此基礎(chǔ)上提出了微分欠壓保護(hù)的整定計(jì)算方法。通過采用實(shí)際直流線路參數(shù)的整定算例驗(yàn)證了提出的整定計(jì)算方法具有良好的可靠性及靈敏性。本文方法能為現(xiàn)有直流線路相關(guān)保護(hù)的整定計(jì)算提供依據(jù),具有重要的理論與實(shí)際價(jià)值。
直流輸電系統(tǒng)的兩極線路在整流側(cè)均配有微分欠壓保護(hù),其保護(hù)范圍為本極直流線路的全長,對(duì)極線路、線路兩側(cè)的末端設(shè)備(平波電抗器、直流濾波器等)、換流器以及交流系統(tǒng)均屬于區(qū)外的范圍。
以正極線路上的保護(hù)為例,進(jìn)行保護(hù)整定研究需要考慮到的各類故障的分布如圖1所示,關(guān)于各類故障的具體描述如表1所示。
對(duì)兩極線路上的故障,主要研究各特征量隨故障點(diǎn)位置變化所呈現(xiàn)的規(guī)律及相互間的關(guān)系;對(duì)其他位置的故障,則重點(diǎn)研究故障時(shí)各特征量的響應(yīng)與區(qū)內(nèi)故障時(shí)其響應(yīng)間的關(guān)系。因此,各特征量在故障時(shí)的動(dòng)態(tài)特性分析是保護(hù)整定研究的重要基礎(chǔ)。
圖1 直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of HVDC transmission system
表1 各類型故障Tab.1 Different fault types
現(xiàn)以一實(shí)際高壓直流輸電系統(tǒng)的線路參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行正極線路微分欠壓保護(hù)特征量的動(dòng)態(tài)特性分析。線路相關(guān)參數(shù)如下:雙極額定傳輸功率為1800 MW,額定電壓為500 kV,額定電流為1.8 kA,直流輸電線路長度為960 km。
微分欠壓保護(hù)作為直流線路行波保護(hù)的后備保護(hù),配置于直流輸電線路整流側(cè)的兩極線路上,當(dāng)直流線路行波保護(hù)拒動(dòng)或退出運(yùn)行時(shí),其可作為檢測(cè)直流線路故障的主要保護(hù)。微分欠壓保護(hù)動(dòng)作后,出口信號(hào)會(huì)啟動(dòng)直流線路再啟動(dòng)邏輯DFRS(DC Line Fault Recovery Sequence),若再啟動(dòng)次數(shù)超過預(yù)設(shè)的次數(shù)則閉鎖該極[20]。
典型的直流線路微分欠壓保護(hù)的動(dòng)作方程為:
由式(1)可知,典型的直流線路微分欠壓保護(hù)主要包含2個(gè)特征量:電壓變化率du/dt,其構(gòu)成的判據(jù)稱為微分判據(jù);線路低電壓水平,其構(gòu)成的判據(jù)稱為低電壓判據(jù)。電壓變化率du/dt與行波保護(hù)中該特征量的構(gòu)成原理、計(jì)算方法及定值等均相同,可參見文獻(xiàn)[21]。此外,作為后備保護(hù)的微分欠壓保護(hù)還具有保護(hù)動(dòng)作延時(shí)t。
與傳統(tǒng)的交流輸電系統(tǒng)相比,直流系統(tǒng)的復(fù)雜之處在于其是在控制系統(tǒng)作用下運(yùn)行的,故障條件下電氣量的變化受控制系統(tǒng)影響顯著。同時(shí),微分欠壓保護(hù)作為后備保護(hù),其本身也具有一定的延時(shí)動(dòng)作時(shí)間。因此研究微分欠壓保護(hù)需要考慮故障發(fā)生后控制系統(tǒng)對(duì)電氣量以及保護(hù)特征量變化的影響。
電壓變化率du/dt主要用于檢測(cè)線路末端的電壓波動(dòng)情況,可判斷故障行波是否到達(dá)保護(hù)安裝處。故障條件下du/dt(標(biāo)幺值)與控制系統(tǒng)的響應(yīng)情況如圖2所示,圖中α為直流輸電系統(tǒng)換流器中晶閘管的觸發(fā)延遲角。
圖2 故障條件下du/dt與直流控制系統(tǒng)的響應(yīng)情況Fig.2 Responses of du/dt and DC control system to fault
從圖2可知,故障發(fā)生后,電壓變化率du/dt與控制系統(tǒng)相比具有更快的響應(yīng)速度,這是由于du/dt的響應(yīng)時(shí)間主要取決于其內(nèi)部各計(jì)算模塊的固有時(shí)間之和,而控制系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)中除模塊本身的固有時(shí)間外,一般還設(shè)有一定的慣性時(shí)間常數(shù)以保證控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定的控制效果。由此,微分欠壓保護(hù)中的電壓變化率du/dt對(duì)各類故障及擾動(dòng)的響應(yīng)主要取決于其算法本身,受控制系統(tǒng)影響很小。
圖3 故障條件下的響應(yīng)情況Fig.3 Response of to fault
2.3.1 電壓變化率du/dt的動(dòng)態(tài)特性
微分欠壓保護(hù)中電壓變化率du/dt與直流線路行波保護(hù)采用了相同的構(gòu)成原理、計(jì)算方法及定值,因此關(guān)于其動(dòng)態(tài)特性的分析可參考文獻(xiàn)[21],本文中僅給出相關(guān)的結(jié)論:du/dt對(duì)兩極線路上的故障(故障點(diǎn)d1和d2)的響應(yīng)程度明顯大于其對(duì)其他區(qū)外故障(故障點(diǎn) d3、d4、d5、d6)的響應(yīng)程度。
圖4(a)為本極與對(duì)極線路上距整流側(cè)20%線路全長處(圖1中的點(diǎn)d1和d2)分別發(fā)生故障時(shí),本極線路低電壓水平的響應(yīng)情況。當(dāng)本極線路故障時(shí),發(fā)生大幅度跌落且維持在很低的電壓水平,在故障發(fā)生初期電壓波動(dòng)幅度較大,而在后續(xù)的時(shí)段內(nèi)電壓波動(dòng)幅度減??;對(duì)極線路上發(fā)生故障時(shí),本極線路低電壓水平也發(fā)生明顯的波動(dòng),但與本極線路發(fā)生故障時(shí)相比,其幅度明顯減小,這主要是由于本極線路故障時(shí),線路電壓受到故障中的線模和地模分量的共同影響,而對(duì)極線路故障時(shí)本極線路電壓僅受其中線模分量的影響。另外還可看出對(duì)極線路故障時(shí),電壓發(fā)生波動(dòng)后在控制系統(tǒng)的作用下能夠逐漸恢復(fù)到正常水平。對(duì)比圖4(a)中的2條曲線,在兩極線路發(fā)生故障的初期,的波動(dòng)均較為劇烈,此時(shí)段內(nèi)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)難以進(jìn)行可靠的區(qū)分。
圖4 不同故障條件下的響應(yīng)情況Fig.4 Responses ofto different faults
圖4(b)為其他區(qū)外位置(故障點(diǎn) d3、d4、d5、d6)發(fā)生故障時(shí),本極線路低電壓水平的響應(yīng)情況。與圖4(a)對(duì)比可見,此類故障條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與本極線路上發(fā)生故障時(shí)非常接近。
從圖5可以看出,本極線路故障的初期,線路電壓udl劇烈波動(dòng)并伴隨著極性的反復(fù)更替;而對(duì)極線路故障的初期,本極線路電壓udl短時(shí)跌落后,即在控制系統(tǒng)作用下逐漸恢復(fù)正常水平。依據(jù)此特征,考慮在故障初期對(duì)微分欠壓保護(hù)采用附加條件進(jìn)行閉鎖,即躲開該時(shí)段造成的影響,以后續(xù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行判據(jù)的整定計(jì)算。閉鎖保護(hù)的條件包括以下2種。
圖5 兩極線路故障時(shí)的變化Fig.5 Variation ofresponding to faults of two polar lines
a.波動(dòng)閉鎖條件。設(shè)定電壓udl波動(dòng)的上、下限,當(dāng)電壓波動(dòng)幅度超出此范圍時(shí)觸發(fā)閉鎖信號(hào),以躲開此階段。
b.電壓返回條件。設(shè)定電壓udl的返回值,當(dāng)電壓高于此值時(shí)觸發(fā)閉鎖信號(hào),此信號(hào)還可以使保護(hù)免受系統(tǒng)運(yùn)行中的暫態(tài)擾動(dòng)的影響。
在前文分析的基礎(chǔ)上,對(duì)發(fā)生于本極及對(duì)極線路上不同位置的故障進(jìn)行分析,同時(shí)考慮上述閉鎖判據(jù)后,得到了兩極線路故障條件下本極線路低電壓水平(標(biāo)幺值)隨故障位置變化的動(dòng)態(tài)特性曲線,如圖6所示,圖中p為故障點(diǎn)與整流側(cè)的距離與線路全長的百分比。
圖6 兩極線路不同位置發(fā)生故障時(shí)的變化趨勢(shì)Fig.6 Variation of responding to fault of two polar lines for different fault locations
2.3.3 過渡電阻對(duì)保護(hù)特征量動(dòng)態(tài)特性的影響
一般情況下故障點(diǎn)處會(huì)存在一定數(shù)值的過渡電阻,對(duì)保護(hù)特征量造成一定的影響。以線路低電壓水平(標(biāo)幺值)為例分析過渡電阻對(duì)保護(hù)特征量的影響,如圖7所示。
圖7 過渡電阻對(duì)的影響Fig.7 Influence of transition resistance on
圖 7(a)、(b)分別為本極與對(duì)極線路上距整流側(cè)50%線路全長處發(fā)生故障時(shí),本極線路低電壓水平的響應(yīng)情況??梢钥闯觯^渡電阻值對(duì)的響應(yīng)程度有一定的影響,從而影響保護(hù)特征量的靈敏度;但在區(qū)內(nèi)與區(qū)外故障下響應(yīng)的趨勢(shì)則不受過渡電阻影響。因此在進(jìn)行保護(hù)整定時(shí)要留有適當(dāng)?shù)脑6纫赃m應(yīng)一定程度過渡電阻的影響。
在分析了直流線路微分欠壓保護(hù)各特征量動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上,對(duì)各判據(jù)的功能及相互間的邏輯關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步分析。直流線路微分欠壓保護(hù)各判據(jù)間的基本邏輯關(guān)系如圖8所示。
圖8 直流線路微分欠壓保護(hù)邏輯圖Fig.8 Logic diagram of differential under-voltage protection
電壓變化率du/dt能夠?qū)蓸O線路上的故障與線路故障以外的各類區(qū)外故障可靠地區(qū)分開。因此,由電壓變化率du/dt所構(gòu)成的保護(hù)判據(jù)的主要功能為判別故障是否發(fā)生在輸電線路上。
閉鎖信號(hào)及返回信號(hào)相互配合,用以輔助低電壓判據(jù)躲開故障初期電壓的劇烈波動(dòng)帶來的影響,同時(shí)還能使保護(hù)免受直流系統(tǒng)運(yùn)行中非故障擾動(dòng)的影響。
通過對(duì)直流線路微分欠壓保護(hù)中各特征量的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究,分析了微分欠壓保護(hù)各判據(jù)所具有的功能,在此基礎(chǔ)上得到的直流線路微分欠壓保護(hù)整定的基本方法如下。
a.電壓變化率du/dt判據(jù)的整定應(yīng)躲開除線路故障以外的各種區(qū)外故障,即分別躲開平波電抗器閥側(cè)故障、交流系統(tǒng)母線三相短路故障時(shí)特征量du/dt的響應(yīng)值[21],可按式(2)進(jìn)行整定計(jì)算,可按式(3)進(jìn)行靈敏性校驗(yàn)。為便于表達(dá),令λ=du/dt。
其中,λset為電壓變化率的整定值;λmin為本極線路故障時(shí)電壓變化率可能出現(xiàn)的最小值;λmax為需要躲開的各種區(qū)外故障條件下電壓變化率的最大值;Krel為可靠系數(shù),主要考慮計(jì)算誤差、裕度等因素的影響;靈敏度系數(shù)Ksen一般不小于1.3。
c.由于直流輸電線路微分欠壓保護(hù)為后備保護(hù),因此其具有保護(hù)延時(shí)t。延時(shí)定值主要從以下兩方面考慮。
①與直流線路行波保護(hù)及直流線路縱差保護(hù)進(jìn)行配合,延時(shí)應(yīng)長于行波保護(hù)的固有動(dòng)作時(shí)間而短于直流線路縱差保護(hù)的延時(shí)。
②與直流過流保護(hù)進(jìn)行配合。線路故障發(fā)生時(shí),線路電流突增后在控制系統(tǒng)的作用下迅速減小,突增的電流可能啟動(dòng)換流器區(qū)的直流過流保護(hù)。直流過流保護(hù)通常采用具有反時(shí)限特性的多段定值設(shè)置,因而微分欠壓保護(hù)的延時(shí)應(yīng)短于直流線路故障可能引起的線路電流突增最大值在直流過流保護(hù)中對(duì)應(yīng)段的延時(shí),即微分欠壓保護(hù)的延時(shí)應(yīng)同時(shí)滿足:
其中,tint為行波保護(hù)固有動(dòng)作時(shí)間;tdcll為縱差保護(hù)延時(shí);tdoc為線路故障引起線路電流突增的最大值在直流過流保護(hù)中對(duì)應(yīng)段的延時(shí)。綜合考慮保護(hù)間的配合關(guān)系,延時(shí)t可設(shè)為20~100 ms,考慮適當(dāng)?shù)脑6?,則延時(shí)t可設(shè)為90 ms。
依據(jù)直流輸電線路微分欠壓保護(hù)的整定計(jì)算方法,本文結(jié)合一實(shí)際直流系統(tǒng)的參數(shù)(具體見第1節(jié))進(jìn)行整定計(jì)算,微分欠壓保護(hù)的采樣頻率使用其實(shí)際值6 kHz。在本算例中:電壓變化率du/dt的可靠系數(shù)取1.1;低電壓水平的可靠系數(shù)取0.75,其波動(dòng)閉鎖限值取0.2 p.u.,電壓返回限值取0.45 p.u.。
a.電壓變化率du/dt的整定。
該判據(jù)整定計(jì)算所需的基本數(shù)據(jù)是根據(jù)其動(dòng)態(tài)特性分析的結(jié)論(參見第2.3.1節(jié)及第4節(jié)),在仿真模型上設(shè)置所需的故障條件,然后進(jìn)行故障仿真計(jì)算而得到的。du/dt在各種故障類型下用于整定計(jì)算的響應(yīng)值(標(biāo)幺值)如表2所示。
表2 du/dt整定計(jì)算數(shù)據(jù)Tab.2 Setting calculation data of du/dt
表3 整定計(jì)算數(shù)據(jù)Tab.3 Settings calculation data of
表3 整定計(jì)算數(shù)據(jù)Tab.3 Settings calculation data of
故障點(diǎn) 故障位置 udl 響應(yīng)值d1 區(qū)內(nèi) 0.253 d2 區(qū)外 0.528
進(jìn)行保護(hù)整定計(jì)算研究的基礎(chǔ)是微分欠壓保護(hù)中各保護(hù)特征量在不同故障類型下的動(dòng)態(tài)特性,本文提出的直流輸電線路微分欠壓保護(hù)的整定計(jì)算方法是對(duì)直流線路保護(hù)整定工作的進(jìn)一步補(bǔ)充和完善,其與直流線路行波保護(hù)整定方法構(gòu)成有機(jī)的整體,使直流線路保護(hù)整定工作更具層次性,對(duì)直流輸電線路保護(hù)可靠性的進(jìn)一步提升具有重要意義。