超導(dǎo)電纜空載合閘對(duì)距離保護(hù)方向性的影響

劉海東

(江蘇省電力公司 檢修分公司南通分部，江蘇 南通　226000)

超導(dǎo)電纜空載合閘對(duì)距離保護(hù)方向性的影響

劉海東

(江蘇省電力公司 檢修分公司南通分部，江蘇 南通226000)

摘要：將超導(dǎo)電纜引入電網(wǎng)，在有效減少電能傳輸損耗的同時(shí)，對(duì)常規(guī)輸電線路的距離保護(hù)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。從距離保護(hù)的方向性出發(fā)，分別對(duì)姆歐繼電器和工頻變化量阻抗繼電器在反方向超導(dǎo)電纜空載合閘時(shí)的動(dòng)作特性進(jìn)行了理論分析，指出超導(dǎo)電纜特殊的電氣參數(shù)會(huì)改變保護(hù)測(cè)量阻抗的性質(zhì)，極有可能引起保護(hù)誤動(dòng)。采用PSCAD/EMTDC與MATLAB接口聯(lián)合建立含有微機(jī)距離保護(hù)的系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了保護(hù)誤動(dòng)的可能性。最后，分別針對(duì)兩種保護(hù)誤動(dòng)情況提出了相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo)電纜；距離保護(hù)；方向性；PSCAD/EMTDC；MATLAB接口

高溫超導(dǎo)電纜可降低電能傳輸損耗，且對(duì)于線路增容和減少占地等具有實(shí)際意義，并初步應(yīng)用于輸電工程中[1-3]。鑒于超導(dǎo)電纜的電氣參數(shù)有別于常規(guī)線路，在電網(wǎng)中投入運(yùn)行時(shí)會(huì)使其他線路距離保護(hù)安裝處的測(cè)量阻抗發(fā)生改變，因而對(duì)距離保護(hù)的方向性提出了更高的要求。

在常規(guī)輸電線路的距離保護(hù)中，姆歐繼電器一般以正序電壓為極化電壓，能保證反向線路故障時(shí)故障相不發(fā)生誤動(dòng)；而工頻變化量阻抗繼電器通過(guò)反應(yīng)工頻故障分量而工作，反向線路故障時(shí)故障相不會(huì)誤動(dòng)[4-6]。這兩種阻抗繼電器都具有良好的方向性，在常規(guī)高壓及超高壓的復(fù)雜電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[7]。

本文針對(duì)超導(dǎo)電纜的應(yīng)用對(duì)距離保護(hù)方向性的影響，具體研究了在反方向超導(dǎo)電纜空載合閘時(shí)，姆歐繼電器及工頻變化量阻抗繼電器由于測(cè)量阻抗的改變而發(fā)生誤動(dòng)的可能性，并提出相應(yīng)的解決方案，對(duì)提高距離保護(hù)的安全性有著重要的意義。

1距離保護(hù)反向故障時(shí)的動(dòng)作特性

1.1姆歐繼電器

為防止出口發(fā)生各種類型短路故障時(shí)保護(hù)不能準(zhǔn)確動(dòng)作，姆歐繼電器一般以正序電壓為參考電壓，應(yīng)用方式有兩種：一種是令參考電壓為相應(yīng)相或相間的正序電壓，另一種是令參考電壓為其負(fù)值。但在這兩種方式下，姆歐繼電器完全可以實(shí)現(xiàn)相同的動(dòng)作特性，可任選一種方式進(jìn)行分析。接地阻抗繼電器的動(dòng)作方程為：

(1)

K——零序電流補(bǔ)償系數(shù)；

Zset——保護(hù)的整定阻抗；

相間阻抗繼電器的動(dòng)作方程為：

圖1　反方向故障系統(tǒng)圖

結(jié)合圖1及M側(cè)姆歐繼電器的動(dòng)作方程，當(dāng)反方向發(fā)生不同類型短路故障時(shí)，可推導(dǎo)得出此繼電器的動(dòng)作特性如圖2所示。

圖2　姆歐繼電器反向故障動(dòng)作特性

圖2中，Zdx是在發(fā)生短路故障時(shí)為確定阻抗繼電器的動(dòng)作區(qū)域而折算得出的等效阻抗，具體推導(dǎo)過(guò)程見參考文獻(xiàn)[8]的第三章：?jiǎn)蜗喽搪窌r(shí)，Zdx=(ZN0+ZN1)/(3+3K)；兩相短路時(shí)，Zdx=ZN1/2；兩相接地短路時(shí)，Zdx=ZN1×ZN0/(ZN1+2ZN0)。

由圖2(a)可見，在反方向線路發(fā)生對(duì)稱短路故障時(shí)，姆歐繼電器的動(dòng)作特性為直徑是|Zset|的過(guò)原點(diǎn)的方向圓；而圖2 (b)表明在反方向線路發(fā)生不對(duì)稱短路故障時(shí)，姆歐繼電器的動(dòng)作特性為直徑是|Zdx-Zset|的上拋圓。保護(hù)的測(cè)量阻抗通常位于阻抗平面的第三象限，這是由常規(guī)線路的電氣參數(shù)特性決定的。綜上，在反方向常規(guī)線路發(fā)生故障時(shí)，姆歐繼電器可確保不發(fā)生誤動(dòng)。

1.2工頻變化量阻抗繼電器

工頻變化量阻抗繼電器僅作用于工頻故障分量，能反應(yīng)各種類型的短路故障。其動(dòng)作方程為：

(2)

對(duì)于接地阻抗繼電器有

(3)

對(duì)于相間阻抗繼電器有

(4)

圖3　反方向故障系統(tǒng)故障分量圖

圖4　工頻變化量繼電器反向故障動(dòng)作特性

圖4中，Zdg的物理含義與圖2(b)的Zdx相同[8]：?jiǎn)蜗喽搪窌r(shí)，Zdg=(ZN0+2ZN1)/(3+3K)；其他類型短路時(shí)，Zdg=ZN1。

由圖4可見，在反方向常規(guī)線路發(fā)生故障時(shí)，工頻變化量阻抗繼電器的動(dòng)作特性始終為半徑是|Zdg-Zset|的上拋圓，所以此繼電器也具備良好的方向性。

2反方向超導(dǎo)電纜空載合閘對(duì)距離保護(hù)的影響

2.1超導(dǎo)電纜與常規(guī)線路的差異

超導(dǎo)電纜由于其零電阻特性及特殊的電纜結(jié)構(gòu)，電氣參數(shù)與常規(guī)線路差異較大。參照我國(guó)昆明普吉變電站高溫超導(dǎo)電力電纜系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的情況[9，10]，表1為35 kV下常規(guī)電力電纜(截面為220 mm2)與高溫超導(dǎo)電纜的電氣參數(shù)的比較如表1所示。

表1　35 kV下兩種電纜的電氣參數(shù)

由表1可看出，與常規(guī)電力電纜相比，高溫超導(dǎo)電纜單位長(zhǎng)度的電阻要小很多；單位長(zhǎng)度的電抗較大，這是由其相間距離大于常規(guī)電纜的相間距離決定的(電抗與三相間距離的對(duì)數(shù)近似成正比)；單位長(zhǎng)度的電容遠(yuǎn)大于常規(guī)電纜，這是由其導(dǎo)電線芯等效半徑?jīng)Q定的，而超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)中帶有冷卻通道，等效半徑比常規(guī)電纜大。

此外，高溫超導(dǎo)電纜的運(yùn)行方式與常規(guī)電纜差異較大，冷卻系統(tǒng)故障、電纜內(nèi)部故障、短路故障等均會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)電纜失超無(wú)法正常運(yùn)行，需要為其設(shè)計(jì)特定的失超保護(hù)方案。常規(guī)的失超保護(hù)主要依靠檢測(cè)超導(dǎo)電纜的溫度、液氮壓力及液氮流量等非電氣量信號(hào)來(lái)進(jìn)行判定，但由于非電氣量信號(hào)變化較為緩慢，普及變電站的高溫超導(dǎo)電纜檢測(cè)與保護(hù)系統(tǒng)綜合考慮了超導(dǎo)電纜運(yùn)行過(guò)程中所檢測(cè)到的電氣量信號(hào)和非電氣量信號(hào)，采用的保護(hù)方案包括過(guò)電流速斷保護(hù)、溫升越域速斷保護(hù)、壓力差越域速斷保護(hù)及流量差越域速斷保護(hù)等14條基本保護(hù)判據(jù)[11]。

2.2距離保護(hù)誤動(dòng)分析

結(jié)合超導(dǎo)電纜的電氣參數(shù)特點(diǎn)，考慮距離保護(hù)反向超導(dǎo)電纜空載合閘時(shí)的系統(tǒng)如圖5所示。

圖5　反向超導(dǎo)電纜空載合閘系統(tǒng)圖

超導(dǎo)電纜因其單位長(zhǎng)度電容較大，不能將其忽略，故圖5(a)中保護(hù)反方向的超導(dǎo)電纜線路采用考慮分布電容的π型等值模型。而由于超導(dǎo)電纜單位長(zhǎng)度電阻幾乎為零，可將超導(dǎo)電纜線路模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化等效見圖5(b)。圖5中，XSL和XSC分別為超導(dǎo)電纜線路的等值感抗及等值容抗。

當(dāng)斷路器SM閉合將超導(dǎo)電纜投入電力系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)分析圖5(b)可將其歸入距離保護(hù)反向經(jīng)阻容元件三相短路的情況(合閘同期)，從而兩種阻抗繼電器的動(dòng)作特性與反向發(fā)生對(duì)稱故障時(shí)相同。為簡(jiǎn)化分析，忽略系統(tǒng)電阻分量，則保護(hù)安裝處測(cè)量電流為：

(5)

保護(hù)安裝處的測(cè)量電壓為：

(6)

當(dāng)XSLXN1+XSL，可知此時(shí)會(huì)發(fā)生電流反向。分析超導(dǎo)電纜的電氣參數(shù)得知，這兩種情況均很有可能發(fā)生，而且都會(huì)使測(cè)量阻抗的性質(zhì)發(fā)生改變。其零電阻特性使得測(cè)量阻抗在第四象限向電抗軸靠近，如圖2(a)及圖4中的虛線軌跡1所示；其單位長(zhǎng)度容抗值較大使得空載合閘時(shí)的測(cè)量阻抗落入阻抗平面的第二象限-Zm，如圖2(a)及圖4中的虛線軌跡2所示。從而保護(hù)的測(cè)量阻抗從第三象限的變?yōu)榈诙笙薜?Zms，極有可能落入兩種阻抗繼電器的動(dòng)作區(qū)域中，導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。

3PSCAD與MATLAB聯(lián)合仿真驗(yàn)證

3.1模型搭建

PSCAD/EMTDC是一種電磁暫態(tài)仿真軟件，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[12]。MATLAB是一種可擴(kuò)展性強(qiáng)的數(shù)值分析軟件，具備強(qiáng)大的圖形處理能力。在搭建圖5(a)所示系統(tǒng)模型時(shí)，PSCAD自帶的保護(hù)模塊無(wú)法實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜的距離保護(hù)算法，可通過(guò)自定義元件模型功能來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題[13-14]：通過(guò)兩者的接口調(diào)用MATLAB中的M文件對(duì)PSCAD仿真計(jì)算得出的電路數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在實(shí)現(xiàn)保護(hù)算法的同時(shí)將控制觸發(fā)信號(hào)返回到PSCAD模型中控制保護(hù)的動(dòng)作，并將仿真結(jié)果通過(guò)MATLAB繪圖輸出。模型結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　仿真結(jié)構(gòu)圖

雖然利用PSCAD與MATLAB的接口聯(lián)合仿真會(huì)耗費(fèi)更多的時(shí)間，但這種方式充分發(fā)揮了兩種軟件各自的優(yōu)勢(shì)，可以清晰、準(zhǔn)確地得出仿真結(jié)果。

考慮到兩種阻抗繼電器的應(yīng)用場(chǎng)合，需構(gòu)建較高電壓等級(jí)的系統(tǒng)模型。仿真系統(tǒng)設(shè)定為220 kV等級(jí)，目前國(guó)內(nèi)外并網(wǎng)的超導(dǎo)電纜電壓等級(jí)都不高，而為了觀察較高電壓等級(jí)下超導(dǎo)電纜的運(yùn)行特性，需要在結(jié)合不同電壓等級(jí)電纜電氣參數(shù)變化特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，參照普及變電站35 kV并網(wǎng)超導(dǎo)電纜來(lái)構(gòu)建模型中超導(dǎo)電纜的電氣參數(shù)[15]。受保護(hù)的常規(guī)線路采用220 kV等級(jí)輸電線路典型參數(shù)。具體線路的參數(shù)設(shè)定見表2。

表2　模型中線路的電氣參數(shù)

此外，設(shè)定N側(cè)背后系統(tǒng)的等效正序電阻為1.233 Ω，正序電抗為10.262 Ω，零序電阻為0.477 5 Ω，零序電抗為10.48 Ω。

3.2仿真結(jié)果

為驗(yàn)證姆歐繼電器在反向超導(dǎo)電纜空載合閘時(shí)誤動(dòng)的可能性，首先設(shè)定常規(guī)線路LR的長(zhǎng)度為100 km，保護(hù)按常規(guī)線路的80%來(lái)整定，設(shè)定超導(dǎo)電纜LS的長(zhǎng)度為160 km。

在t=0.5 s時(shí)M側(cè)背后的斷路器SM三相同期合閘，將超導(dǎo)電纜LS投入系統(tǒng)運(yùn)行，觀察到保護(hù)安裝處的姆歐繼電器在39 ms后發(fā)生誤動(dòng)。分別記錄此過(guò)程中A相阻抗繼電器和BC相間阻抗繼電器的測(cè)量阻抗軌跡如圖7所示。

圖7　姆歐繼電器測(cè)量阻抗軌跡圖

圖7中，整定圓為按照設(shè)定參數(shù)及理論分析計(jì)算得出的阻抗繼電器動(dòng)作區(qū)域。觀察到保護(hù)的測(cè)量阻抗軌跡最終落入阻抗繼電器動(dòng)作區(qū)域內(nèi)，與圖2(a)中的-Zms相吻合，驗(yàn)證了姆歐繼電器誤動(dòng)的可能性。

同樣，設(shè)定常規(guī)線路LR的長(zhǎng)度為100 km，保護(hù)仍按常規(guī)線路的80%來(lái)整定；將背后超導(dǎo)電纜LS的長(zhǎng)度改為80 km。 在t=0.5 s時(shí)，斷路器SM三相同期合閘，將超導(dǎo)電纜LS投入系統(tǒng)，觀察到保護(hù)安裝處的工頻變化量阻抗繼電器在13 ms后發(fā)生誤動(dòng)。分別記錄此過(guò)程中的A相阻抗繼電器和BC相間阻抗距離繼電器的測(cè)量阻抗軌跡如圖8所示。

圖8　工頻變化量阻抗繼電器測(cè)量阻抗軌跡圖

為判定誤動(dòng)情況，在圖中作出按設(shè)定參數(shù)計(jì)算得出的工頻變化量阻抗繼電器動(dòng)作區(qū)域。接地和相間阻抗繼電器的測(cè)量阻抗軌跡最終進(jìn)入理論計(jì)算的動(dòng)作區(qū)域中，與圖4中的-Zms相吻合，驗(yàn)證了工頻變化量阻抗繼電器誤動(dòng)的可能性。

4解決方案

對(duì)于姆歐繼電器，為區(qū)分保護(hù)區(qū)內(nèi)動(dòng)作與超導(dǎo)電纜空載合閘情況，可改用正序電壓的記憶值作為極化電壓，如圖9所示。

圖9　姆歐繼電器誤動(dòng)解決方案

圖9中參數(shù)定義與圖2相同，在采用記憶值時(shí)阻抗繼電器的動(dòng)作特性變?yōu)樯蠏亪A1，隨著記憶效應(yīng)的消失才變?yōu)榉较驁A2，此時(shí)才發(fā)生誤動(dòng)?？稍O(shè)置兩個(gè)記憶時(shí)間不同的姆歐繼電器，這樣在正方向故障時(shí)兩個(gè)繼電器能同時(shí)動(dòng)作，而反方向超導(dǎo)電纜空載合閘時(shí)記憶時(shí)間短的繼電器必然先誤動(dòng)，可通過(guò)兩繼電器動(dòng)作的先后邏輯來(lái)閉鎖反方向超導(dǎo)電纜空載合閘時(shí)發(fā)生的誤動(dòng)。

對(duì)于工頻變化量阻抗繼電器，則可設(shè)置一個(gè)整定值約為ZN1的工頻變化量阻抗繼電器，使其與正常整定的工頻變化量阻抗繼電器相與，如圖10所示。

圖10　工頻變化量阻抗繼電器誤動(dòng)解決方案

圖10中主要參數(shù)定義與圖4相同，Zdz為正向區(qū)內(nèi)故障時(shí)圖1中M側(cè)背后系統(tǒng)的等效阻抗，Zset1為附加阻抗繼電器的整定阻抗(與ZN1相近)。通過(guò)設(shè)置，正方向故障時(shí)仍能夠保持原來(lái)的動(dòng)作區(qū)域，反向超導(dǎo)電纜空載合閘時(shí)動(dòng)作區(qū)域會(huì)變?yōu)槲挥诘谝幌笙薜男A，可有效防止此類誤動(dòng)。

5結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)理論分析與仿真驗(yàn)證，表明在反方向超導(dǎo)電纜三相同期空載合閘時(shí)，常規(guī)線路距離保護(hù)的姆歐繼電器及工頻變化量阻抗繼電器均有可能發(fā)生誤動(dòng)，不能保證保護(hù)的方向性。但發(fā)生此類誤動(dòng)是有條件的，可在一次系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)考慮誤動(dòng)條件來(lái)避免；如未能避免則可采用本文提出的解決方案，理論上可有效防止此類誤動(dòng)。在背后超導(dǎo)電纜三相不同期合閘時(shí)，這兩種繼電器的動(dòng)作情況如何是進(jìn)一步研究工作的重點(diǎn)。

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(本文編輯：嚴(yán)加)

Influence of No-load Superconducting Cable Switching-in on Distance Protection Directivity

LIU Hai-dong

(Nantong Maintenance Branch，Jiangsu Electric Power Company, Nantong 226000, China)

Abstract:The introduction of superconducting cables to power system, while can effectively reduce the loss of power transmission, could affect distance protection of conventional lines. Based on distance protection directivity, this paper makes theoretical analysis on action characteristics of Ohm impedance relay as well as that of industrial frequency variation impedance relay respectively when no-load superconducting cables are switching in from the opposite direction of regular lines′ protection. And it is pointed out that the special electrical parameters of superconducting cable could change the measured impedance of relays, therefore, the impedance relays on conventional lines could trip off incorrectly under such circumstance. A system model with computer distance protection is built up through the interface between PSCAD/EMTDC and MATLAB, and simulation results prove the probability of that malfunction. To avoid such maloperation, this paper finally puts forward the corresponding solutions.

Key words:superconducting cables; distance protection; directivity; PSCAD/EMTDC; MATLAB interface

DOI：10.11973/dlyny201601028

作者簡(jiǎn)介：劉海東(1988)，男，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。

中圖分類號(hào)：TM771

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：2095-1256(2016)01-0133-06

收稿日期：2015-11-12